EP1344183A1

EP1344183A1 - Vorrichtung zur aufnahme der papilarrillen eines fingers

Info

Publication number: EP1344183A1
Application number: EP01271936A
Authority: EP
Inventors: Martin Spycher; Annie-Sophie Golsong Roosdorp
Original assignee: FingerPIN AG
Current assignee: FingerPIN AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-09-17
Also published as: WO2002052491A1; US7315632B2; EP1217573A1; US20040114783A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur optischen Aufnahme der Papilarrillen auf einer Fingeroberfläche weist einen transparenten Körper (1) mit einer Auflagefläche (2) auf. Licht von einer Lichtquelle (8) fällt auf die Auflagefläche (2) in Winkeln, die kleiner sind als der kritische Winkel für interne Totalreflexion an der Auflagefläche (2). Im Bereich der Berge (3) der Papilarrillen des Fingers werden evaneszente Felder angeregt, wobei propagierendes Licht (12, 13, 14) von der Auflagefläche (2) ausgeht und durch eine Abbildungsoptik (21) auf einen Lichtdetektor (22) fällt. Die Lichtstrahlen in dem Lichtbündel (12) gehen in Winkeln von der Auflagefläche (2) aus, die innerhalb des Winkelbereichs für intern totalreflektierte Lichtstrahlen liegt. Die Vorrichtung erbringt den Vorteil, dass der Kontrast einer Aufnahme von Papilarrillen unabhängig davon ist, ob die Fingeroberfläche nass oder trocken ist.

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Aufnahme der Papilarrillen eines Fingers

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Aufnahme und Erstellung eines Kontrastbildes der Papilarrillen an der Oberfläche eines Fingers. Sie wird zum Beispiel in einem System für Zutrittskontrolle zur Identifizierung oder Verifizierung von Personen eingesetzt, Bei der optischen Aufnahme der Papilarrillen wird insbesondere die interne Totalreflexion von Lichtstrahlen an der Oberfläche des Ringers, welcher auf einen transparenten Körper gelegt wird, angewendet.

Stand der Technik

Solche Geräte zur optischen Aufnahme eines Kontrastbildes der Papilarrillen eines Fingers weisen ein Prisma oder einen ähnlichen transparenten Körper auf, auf dessen Oberfläche der Finger gelegt wird. Die abzubildenden Papilarrillen des Fingers werden von einer Lichtquelle beleuchtet, die unterhalb des Prismas angeordnet ist und ihr Licht durch den transparenten Körper und auf die Papilarrillen wirft. Es ist bekannt, dass wenn Licht unter Einfallswinkeln grösser oder gleich einem kritischen Winkel auf eine Grenzfläche fällt zwischen einem dichteren Medium, wie zum Beispiel Glas, und einem weniger dichten Medium, wie zum Beispiel Luft, interne Totalreflexion erfährt und in das dichtere Medium zurückreflektiert wird. Der kritische Winkel beträgt 9^ = sin-¹(n2/n-j), wobei n2 der optische Brechungsindex des weniger dichten Mediums und n-\ der optische Brechungsindex des dichteren Mediums ist und S^it der Winkel zwischen der Normalen zur Grenzfläche und dem einfallenden sowie auch dem total reflektierten Lichtstrahl ist. Befindet sich jedoch auf der Grenzfläche oder in der unmittelbaren Nähe der Grenzfläche ein Gegenstand, so kann das Licht aus dem Prisma austreten, was unter sogenannter verhinderter interner Totalreflexion bekannt ist. Dieses Phänomen wird zur optischen Aufnahme der Papilarrillen eines Fingers mittels interner Totalreflexion angewendet. Eine typische Anordnung ist zum Beispiel in Optics & Photonics News, October 2000, S.24-25 offenbart. Dort ist eine Lichtquelle auf eine der 45°-Flächen eines Prismas gerichtet, sodass ihr Licht durch das Prisma von unten auf die Hypotenuse des Prismas fällt, wobei der Einfallswinkel auf die Hypotenuse grösser ist als der kritische Winkel für interne Totalreflexion. Ein Finger liegt auf der Oberfläche der Hypotenuse, wobei der Finger jedoch nicht in gleichmässigem Kontakt mit dem Prisma ist. Von den Papilarrillen an der Fingerhaut sind nämlich nur die Berge der Rillen in Kontakt mit dem Prisma, und die Täler der Rillen sind eine kleine Distanz von der Prismaoberfläche entfernt. Das Licht erfährt in jenen Bereichen, wo die Berge der Rillen sich befinden, verhinderte interne Totalreflexion und tritt aus dem Prisma heraus. In den Tälern, wo sich Luft in einem Bereich grösser als die sogenannte evaneszente Abklingdistanz (welche typischerweise ca. 1 Mikrometer beträgt) befindet, wird das Licht total reflektiert und gelangt durch das Prisma und eine Abbildungsoptik zu einer Abbildungsfläche. Dort entsteht ein Kontrastbild der Papilarrillen des Fingers, bei dem die Berge hell und die Täler dunkel erscheinen.

Eine solche Anordnung zur Aufnahme der Papilarrillen eines Fingers ermöglicht ein kontrastreiches Bild der Papilarrillen sofern der Finger trocken ist und in den Tälern der Rillen sich Luft befindet. Ist jedoch der Finger nass oder ölig, was in der Praxis zum Beispiel an warmen Tagen oft vorkommt, so ist die Bedingung für interne Totalreflexion verändert, da sich nun statt Luft Wasser oder Öl auf der Prismaoberfläche und insbesondere in den Tälern der Rillen befindet. Der kritische Winkel für interne Totalreflexion ist dann aufgrund des höheren Brechungsindexes von Wasser oder Öl grösser als im Fall von Luft auf der Prismaoberfläche. In diesem Fall erfährt das Licht auch in den Bereichen der Täler verhinderte interne Totalreflexion und tritt aus dem Prisma und in das Wasser oder Öl. Es wird also nicht mehr reflektiert. Der Kontrast der Abbildung geht dadurch weitgehend verloren. Weiter wird die Abbildung durch Licht, das nach Durchdringen des Wassers oder Öls an den Hautflächen streut und zurück in das Prisma gelangt, weiter verfälscht. Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liegt der Aufgäbe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines optischen Kontrastbildes eines Papilarrillenmusters eines Fingers zu schaffen, bei der das Licht an der Auflagefläche für den Finger interne Totalreflexion erfährt. Insbesondere sollen die erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und ein hoher Kontrast des Bildes des Papilarrillenmusters unabhängig von den Eigenschaften der Fingeroberftäche, wie zum Beispiel nass oder trocken, erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäss dem Anspruch 1 gelöst.

Die Vorrichtung weist einen transparenten Körper auf mit einer Grenzfläche, die als Auflagefläche für die abzubildende Fingeroberfläche dient. Eine Lichtquelle ist so angeordnet, dass ihr Licht durch den transparenten Körper strahlt und auf die Grenzfläche des Körpers fällt, auf welcher der Finger liegt. Ferner weist die Vorrichtung einen Lichtdetektor und eine Abbildungsoptik auf, deren optische Achse durch eine Seitenfläche des transparenten Körpers führt. Erfindungsgemäss ist der Einfallswinkel des Lichts von der Lichtquelle auf die Grenzfläche kleiner als der kritische Winkel für interne Totalreflexion an der Grenzfläche des transparenten Körpers mit darüberliegender Luft. Die Abbildungsoptik ist so ausgelegt, dass sie nur Lichtstrahlen einfängt und auf den Lichtdetektor leitet, die von der Auflagefläche des transparenten Körpers in einem Winkel zur Normalen zur Auflagefläche ausgehen, der gleich dem oder grösser ist als der kritische Winkel für interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem transparenten Körper mit daraufliegendem Wasser, Öl oder ähnlichem Medium.

Das Licht, das von der Lichtquelle durch den transparenten Körper auf die Grenzfläche fällt, gelangt zum grössten Teil durch die Grenzfläche und zu dem daraufliegenden Finger, da der Einfallswinkel des Lichts kleiner oder gleich ist als der kritische Winkel für interne Totalreflexion an der Grenzfläche. (Nur ein kleiner Teil, ca. 4%, des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts wird spekular reflektiert.) Das Licht wird an der Oberfläche der Papilarrillen oder im Innern des Fingers gestreut. Das im Innern des Fingers gestreute Licht wird teilweise an der Grenzfläche zwischen Finger und Luft, Wasser oder Öl intern totalreflektiert und erzeugt an der Fingeroberfläche ein evaneszentes Feld, welches in den Raum ausserhalb der Fingeroberfiäche exponentiell abklingt. Die evaneszente Abklingdistanz oder 1/e-Tiefe ist der Abstand von der Fingeroberfläche, bei dem die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes noch 1/e der Feldstärke des elektromagnetischen Feldes an der Fingeroberfläche beträgt. Die Oberflächen der Berge der Papilarrillen befinden sich nahe der Auflagefläche, wobei die Distanz zwischen ihren Oberflächen und der Auflagefläche kleiner als die evaneszente oder im Bereich der evaneszenten Abklingdistanz liegt. Die von den Bergen der Papilarrillen ausgehenden evaneszenten Felder erzeugen propagierende Wellen, die in den transparenten Körper abstrahlen. Der Eintrittswinkel der durch evaneszente Felder in der Auflagefläche erzeugten propagierenden Wellen ist gleich dem kritischen oder grösser als der kritische Winkel für interne Totalreflexion.

Die von den Tälern der Papilarrillen ausgehenden evaneszenten Felder sind zu weit von der Auflagefläche entfernt, um im transparenten Körper propagierende Wellen mit noch signifikanter Feldstärke erzeugen zu können. Da die Feldstärke exponentiell mit dem Abstand der entsprechenden Fingerpartie zur Auflagefläche abnimmt, resultiert ein hoher Kontrast zwischen den Bergen und den Tälern der Papilarrillen.

Die Abbildungsoptik ist so angeordnet, dass sie nur Licht von der Auflagefläche oder seiner Objektfläche auf den Lichtdetektor lenkt, das innerhalb des Winkelbereichs für interne Totalreflexion propagiert, in diesem Bereich propagieren Lichtstrahlen, die durch die Anregung von evaneszenten Feldern zwischen den Bergen der Rillen und der Grenzfläche entstehen. Von den Bereichen der Täler der Papilarrillen ausgehende evaneszente Lichtwellen, vermögen keine propagierenden Lichtwellen von wahrnehmbarer Feldstärke in diesem Winkelbereich zu erzeugen. Es geht also kein Licht von den Tälern aus, das in diesem Winkelbereich propagiert und vom Lichtdetektor detektiert werden könnte. Es entsteht dadurch ein Kontrastbild, in dem die Berge der Papilarrillen hell und die Täler dunkel erscheinen.

Die Erfindung erbringt den Vorteil, dass unabhängig davon, ob der Finger trocken, nass, fettig oder ölig ist, die Qualität des Kontrastbilds erhalten bleibt. Ist nämlich der Finger beispielsweise nass, befindet sich in den Tälern Wasser. Das Licht, das von der Lichtquelle in die mit Wasser gefüllten Täler der Papilarrillen gelangt, wird dort nicht gestreut. Es propagiert, wie im Fall von Luft in den Tälern, durch das Wasser zu den Oberflächen der Täler. Da diese von der Grenzfläche relativ weit entfernt sind, können wiederum von dort ausgehende evaneszente Felder keine propagierenden Lichtwellen in dem Winkelbereich für Totalreflexion bewirken. Es besteht also auch im Fall eines nassen Fingers kein Licht aus den Tälern in dem Winkelbereich, in dem die Abbildung stattfindet. Evaneszente Felder werden im Raum Zwischen Rillenbergen und der Grenzfläche angeregt, unabhängig davon, ob die Fingeroberfläche nass oder trocken ist.

Der kritische Winkel für interne Totalreflexion ist je nach Medium des transparenten Körpers sowie des daraufliegenden Mediums verschieden. Der kritische Winkel &k_rj im Fall von Wasser am Finger und auf der Grenzfläche in den Bereichen der Täler ist grösser als im Fall von Luft über der Grenzfläche. Um das propagierende Licht innerhalb des Winkelbereichs für interne Totalreflexion jeweils für beide Fälle zu detektieren, sind die Abbildungsoptik und der Lichtdetektor so ausgelegt, dass sie Licht aus dem Winkelbereich für interne Totalreflexion im Fall von Wasser detektiert. Mit dieser Auslegung werden die propagierenden Lichtwellen sowohl im Fall von Wasser als auch im Fall von Luft auf der Grenzfläche detektiert, da der kritische Winkel im Fall von Luft kleiner ist als der kritische Winkel im Fall von Wasser. Der Winkelbereich für interne Totalreflexion im Fall von Wasser deckt sich zu einem grossen Teil mit dem Winkelbereich für interne Totalreflexion im Fall von Luft. Der kritische Winkel im Fall von Wasser beträgt 62° und im Fall von Luft 42°, wobei der Winkelbereich für interne Totalreflexion, gemessen von der Normalen zur Grenzfläche von 62° bis 90° bzw. von 42° bis 90° reicht.

In der Praxis zeigt sich, dass sich der Kontrast der Abbildung eines nassen Fingers vom Kontrast der Abbildung eines trockenen Fingers kaum unterscheidet. Obwohl der Winkelbereich für interne Totalreflexion für die beiden erwähnten Anwendungen unterschiedlich gross sind, tragen weitere Faktoren wie zum Beispiel eine unterschiedlich grosse 1/e-Tiefe dazu bei, dass ein vergleichbarer Kontrast in den Abbildungen erreicht wird.

In einer ersten Ausführung der Erfindung weist die Lichtquelle eine Linse oder mehrere Linsen auf zur Kollimation oder Quasi-Kollimation des auf die Grenzfläche gesendeten Lichts. Dadurch gelangt klar kein Licht von der Lichtquelle direkt in den Winkelbereich für interne Totalreflexion in die Abbildungsoptik und auf den Lichtdetektor.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung weist die Lichtquelle mehrere Leuchtdioden auf, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. Die Anordnung in einem Array bewirkt eine homogene Ausleuchtung der Grenzfläche des transparenten Körpers. Während das von einer einzelnen Leuchtdiode auf eine Fläche ausgesandte Licht häufig dunkle Ringe aufweist, wird durch die Anordnung von mehreren Leüchtdioden in einem Array eine homogene Intensitätsverteilung erreicht, indem die dunklen Ringe der einzelnen Leuchtdioden von benachbarten Leuchtdioden im Array ausgeleuchtet werden. Ferner ist dank der in den Leuchtdioden integrierten Linsen das ausgesandte Licht quasi-kollimiert oder nahezu kollimiert.

In einer bevorzugten Ausführung der Lichtquelle sind die Leuchtdioden so angeordnet, dass die Intensitätsverteilung in der Ebene des Lichtdetektors homogen ist. Da die Intensität des Lichts, das auf den Detektor fällt umgekehrt proportional zum Quadrat des vom Licht zurückgelegten Pfades ist, sind die Leuchtdioden entsprechend der unterschiedlichen Länge des Lichtpfades zwischen der Lichtquelle und dem Dektektor angeordnet. In einer ersten Variante sind die Leuchtdioden in zwei Reihen angeordnet, wobei die ausgesandte Intensität der einen Reihe 70-80% der ausgesandten Intenstität der zweiten Reihe entspricht.

In einer zweiten Variante sind die Leuchtdioden in drei Reihen angeordnet, wobei die ausgesandte Intensität der mittleren Reihe ca. 30-70%, insbesondere ca. 50% der ausgesandten Intensität der ersten und dritten Reihe beträgt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung senden die Leuchtdioden im roten Wellenlängenbereich von 650 nm bis 780 nm aus. In einer weiteren Ausführung senden die Leuchtdioden im infraroten Wellenlängenbereich von 780 nm bis 980 nm aus. Die Verwendung von infraroten Leuchtdioden erbringt den Vorteil einer vorteilhafteren Energiebilanz für die gesamte Vorrichtung, da die ausgesandte Lichtintensität pro Stromverbrauch der Leuchtdioden grösser ist als jener von roten Leuchtdioden. Ferner ist die Empfindlichkeit von geeigneten Detektoren höher in diesem Wellenlängenbereich.

In einer weiteren Ausführung ist zwischen der Lichtquelle und dem transparenten Körper ein Diffusor angeordnet. Die Verwendung eines Diffusors bewirkt ebenfalls eine homogene Intensitätsverteilung des Lichts auf der Grenzfläche des transparenten Körpers. Es erbringt weiter den Vorteil, dass für eine gewünschte Homogenität der Intensitätsverteilung auf der Grenzfläche weniger Leuchtdioden notwendig sind. In einer weiteren Ausführung weist die Abbildungsoptik eine einzelne Linse oder ein Linsensystem auf zur Abbildung des Papilarrillenmusters auf die Detektorfläche. Hierzu sind konventionelle Linsen sowie auch holographische Linsen verwendbar. In einer bevorzugten Ausführung der Abbildungsoptik ist eine einzelne , fokussierende Linse an einer Seitenfläche des transparenten Körpers integriert.

In einer weiteren Ausführung weist die Abbildungsoptik eine Blende auf zur Verbesserung der Tiefenschärfe des Bildes auf der Detektorfläche. Diese Blende ist in einer besonderen Ausführung unmittelbar vor oder nach der einzelnen integrierten Linse angeordnet.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung führt die optische Achse der Abbildungsoptik senkrecht auf die Seitenfläche des transparenten Körpers, sodass keine Lichtbrechung an der Seitenfläche entsteht, welche die Abbildung des Papilarrillenmusters verzerren könnte.

In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung ist an einer Seitenfläche des transparenten Körpers ein Spiegel angeordnet, der das von der Auflagefläche ausgehende Licht zurück in den transparenten Körper lenkt. In einer ersten Variante ist der Spiegel ein flacher Spiegel, in einer zweiten Variante ein konvexer, zylindrischer Spiegel, welcher das Licht im transparenten Körper leicht divergieren lässt. Der zylindrische Spiegel erbringt den Vorteil einer Abbildung auf die Detektorfläche, bei der die gesamte Detektorfläche vollständig beleuchtet wird.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ausserhalb des transparenten Körpers ein weiterer Umlenkspiegel angeordnet, welcher das Licht, das durch die einzelne, an der Seitenfläche des Körpers integrierte Linse tritt, auf ein Board lenkt, auf dem die Leuchtdioden und der Detektor angeordnet sind. Diese Anordnung erlaubt sodann die Anordnung sämtlicher elektrischer Bauteile, der Leuchtdioden und des Detektors auf einer gemeinsamen Printplatine.

Eine weitere Erhöhung der Effizienz ist möglich, indem auch an den weiteren Seitenwänden Spiegel angeordnet werden, welche Licht, das nicht nutzbringend auf den Detektor geleitet wird (z.B. unter dem krit. Winkel abgehend aber nicht auf der Linse fallend) wiederum ein zweites Mal auf den Finger geleitet wird. Die Verspiegelung kann dabei ggf. gestuft o.a. ausgeführt sein, um die Rückführung des Lichtes zu optimieren. Sämtliche dieser Massnahmen für die Abbildungsoptik, nämlich der Umlenkspiegel an der Seitenfläche und die an einer anderen Seitenfläche integrierten fokussierenden Linse sowie der zweite Umlenkspiegel und der Verwendung eines gemeinsamen Boards dienen der Miniaturisierung der Abbildungsoptik und der Realisierung der Vorrichtung, so dass der Sensor in einem geeignet kleinen Gehäuse Platz findet.

In einer bevorzugten Ausführung weist der Lichtdetektor der Vorrichtung eine zwei-dimensionalen CMOS-Kamera auf. Sie ermöglicht eine relativ einfache Weiterverarbeitung der aufgenommenen Daten, zum Beispiel für eine Bildverarbeitung zwecks Identifizierung oder Verifizierung einer Person im Rahmen eines Systems für Zutrittskontrolle oder Zugriffskontrolle zu einem Gerät.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung weist der Lichtdetektor der Vorrichtung eine CCD-Kamera auf.

In der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt die Auflagefläche in einem Winkel kleiner als 90° zur optischen Achse des Abbildungssystems ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in Anwendung des Scheimpflugpnnzips die Detektorfläche ebenfalls in einem Winkel zur optischen Achse ausgerichtet. Die Anwendung des Scheimpflugprinzips verringert Verzerrungen der Abbildung. Die Anordnung nach diesem Prinzip verursacht jedoch eine Reduzierung der Lichtintensität auf der Detektorfläche. Um diesen Verlust an Lichtintensität zu verringern, besteht in einer besonderen Ausführung der transparente Körper aus einem hochbrechendem Material. Dies bewirkt, dass der kritische Winkel für interne Totalreflexion kleiner wird, da der Brechungsindex des dichteren Mediums grösser wird. Gegeben, dass die Seitenfläche des transparenten Körpers senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik steht, vergrössert sich der Winkel zwischen der optischen Achse und der Auflagefläche gegen 90° . Demzufolge vergrössert sich nach dem Scheimpflugprinzip auch der Winkel zwischen Detektorfläche und optischer Achse. Dadurch ist der Verlust an Lichtintensität verringert. In einer besonderen Variante der Erfindung besteht der transparente Körper aus einem insbesondere hochbrechenden Kunststoff wie zum Beispiel PMMA

(Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat) oder COC (Cyclic Olefin Copolymer). Die vorgeschlagene Optik zur Messung der Papillarrillen kann dabei vorteilhaft mit einer Pulsmessung oder sogar einer Messung des Sauerstoffgehaltes im Blut des analysierten Fingers kombiniert werden (sog. Life-Test). Des weiteren kann, um Strom zu sparen, wenn kein Finger auf dem Detektor aufliegt, die Beleuchtung bis auf eine Lichtquelle ausgeschaltet werden. Diese eine z.B. Diode in Kombination mit einem zugehörigen Detektor, welcher entweder als separater Detektor ausgeführt sein kann, oder aber auch im Detektor für die Papilarrillen bestehen kann, übernimmt dann eine Überwachungsfunktion (Lichtschranke). Periodisch wird von der Lichtquelle Licht emittiert, und sobald der Detektor entsprechende reflektierte Signale empfängt, werden die anderen Lichtquellen, welche zur Ausleuchtung der Papilarrillen dienen, zugeschaltet und die gesamte Einheit aktiviert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen Figur 1 eine Darstellung der Vorrichtung zur Aufnahme der Papilarrillen eines Fingers mit der Lichtquelle und Abbildungsoptik,

Figur 2 ein Beispiel einer Aufnahme der Papilarrillen eines trockenen

Fingers,

Figur 3 ein Beispiel einer Aufnahme der Papilarrillen eines nassen Fingers. Figur 4 ein Beispiel einer besonderen und bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer miniaturisierten, im transparenten Körper integrierten Abbildungsoptik, einer

Spiegelhalterung sowie einer Printplatine, Figur 5 zeigt eine weitere Ansicht des transparenten Körpers mit integrierter

Abbildungsoptik,

Figur 6 zeigt die Spiegelhalterung der erfindungsgemässen Vorrichtung, Figur 7 zeigt die Printplatine mit einem Beispiel der Anordnung der

Lichtquelle.

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen transparenten Körper 1 , beispielsweise aus Glas, Quarzglas, oder Plexiglas. Seine Grenzfläche 2 dient als Auflagefläche 2 für einen Finger. Es sind hier Papilarrillen mit Bergen 3 und Tälern 4 stark vergrössert in Kontakt mit der Auflagefläche 2 gezeigt. Der Raum zwischen der Grenz- oder Auflagefläche 2 und den Oberflächen 5 der Täler 4 sind mit Luft, Wasser , Öl der auch anderen klaren Flüssigkeiten die sich am Finger einer Person befinden können, gefüllt. Die Tiefe der Täler beträgt typischerweise 1/10 mm, was viel tiefer ist als eine typische 1/e-Tiefe. Eine Lichtquelle 8 ist unter dem transparenten Körper 1 angeordnet, wobei das austretende Licht senkrecht auf die Grenzfläche 2 gerichtet ist. Die Lichtquelle 8 besteht beispielweise aus einer oder mehreren Leuchtdioden 8, die je eine integrierte Linse aufweisen. Durch diese Linsen wird das austretende Licht grösstenteils kollimiert, wobei ein Teil des Lichts in einem Winkelbereich von beispielsweise 30° ausgesendet wird. Auf jeden Fall betragen die Einfallswinkel des Lichts auf die Grenzfläche 2 weniger als der kritische Winkel für interne Totalreflexion.

Lichtstrahlen 9 von der Lichtquelle treten durch den transparenten Körper und durch die Grenzfläche 2 auf die Oberfläche der Papilarrillen sowie in den Finger hinein, d. h. in das Innere der Berge 3 der Papilarrillen. Dort wird das Licht gestreut, und es entstehen Lichtstrahlen 10 in allen Richtungen. Im Bereich der Berge in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche, d.h. innerhalb der 1/e-Tiefe werden evaneszente Felder angeregt, die im transparenten Körper 1 propagierende Wellen 11 erzeugen. Diese propagieren in Winkeln (von der Normalen gemessen) die grösser /gleich dem kritischen Winkel für interne

Totalreflexion sind. Konkret beträgt dieser kritische Winkel θ^jt = 62° bei einem

Glasmaterial mit Brechungsindex nι = 1.5 und Wasser auf der Grenzfläche 2 mit n₂=1.33.

Die Abbildungsoptik ist so ausgelegt, dass nur Lichtstrahlen in dem Lichtbündel 12, die von den evaneszenten Feldern ausgehen und in einem Winkelbereich für interne Totalreflexion propagieren, detektiert werden. Die äusseren Lichtstrahlen 13 und 14 des Lichtbündels 12, welche durch die Apertur der Abbildungsoptik bestimmt werden, führen jeweils vom Rand der Auflagefläche 2 bei einem Winkel von 65° bzw. 62° aus. Sie führen durch eine Blende 20 und Linse 21 und fallen schliesslich auf den Lichtdetektor 22. Die Strahlen im Bündel 12 liegen klar innerhalb des Winkelbereichs für interne Totalreflexion an der Grenzfläche 2 mit Wasser in den Tälern 4.

Ist der Finger trocken und es befindet sich in den Tälern 4 Luft statt Wasser, so propagieren die Lichtwellen in einem Winkelbereich für interne Totalreflexion von 42° bis 90°. Davon gelangen nur die Lichtstrahlen im Winkelbereich von 62° bis 90° auf den Detektor. Die Abbildungsoptik bewirkt eine Abbildung der Papilarrillen auf die Detektorfläche des Lichtdetektors 22 unter einer Reduktion von 4x, wobei die Auflagefläche 18 mm x 24 mm (oder gemäss anderen Ausführungsformen wie sie weiter hinten im Zusammenhang mit den Figuren 4ff beschrieben werden 11x14mm resp. 15x20mm) und die Detektorfläche ca. 4mm x 6mm beträgt (z.B. CIF- oder VGA- Sensoren). In der gezeigten Ausführung besteht die Abbildungsoptik aus einer einzelnen symmetrischen Linse mit einer Brennweite von 12 mm für 18x24mm. In einer bevorzugten Variante ist die Abbildungsoptik mittels eines planaren Spiegels gefaltet, wodurch die Vorrichtung kompakter gestaltet werden kann. Ferner ist auch eine Faltung mittels eines gekrümmten Spiegels unter Weglassen der Linse realisierbar.

Die Gesamtsystemlänge der Abbildungsoptik beträgt im gezeigten Beispiel 80 mm. Um bei einer Objektgrösse, gemessen auf der zur optischen Achse schiefen Ebene von 24 mm eine ausreichende Tiefenschärfe zu erzielen, beträgt die Blendenapertur beispielsweise 1 mm.

Der Lichtdetektor 22 besteht aus einer zwei-dimensionalen CMOS-Kamera mit einem Array von beispielsweise 640x480 Pixeln. Mit dieser Anzahl Pixel können in dieser Anwendung Sampling- oder Quantifizierungsfehler vermieden werden.

Die optische Achse der Abbiidungsoptik verläuft senkrecht durch die Seitenfläche 25 des transparenten Körpers 1. In Anwendung des Scheimpflugprinzips ist die Detektorfläche des Lichtdetektors 22 in einem Winkel α zur optischen Achse ausgerichtet, wobei die Objektfläche oder Auflagefläche in einem Winkel ß zur optischen Achse liegt. In der gezeigten Ausführung betragen die Winkel α und ß 23° bzw. 61 °.

Um die Lichtintensität auf der Detektorfläche zu erhöhen besteht der transparente Körper aus einem hochbrechenden Material wie zum Beispiel SF-, LaF- oder LaSF-Gläser von Schott mit einem Brechungsindex zwischen 1.65 und 1.9 . Die Verwendung solcher hochbrechenden Gläser bewirkt eine Verkleinerung des kritischen Winkels θ|<_rj auf 37° bzw. 32°. Da die optische Achse der Abbildungsoptik senkrecht durch die Seitenfläche 25 führt, verringert sich dann auch der Winkel α zwischen Auflagefläche sowie der Winkel ß zur Detektorfläche. Da durch diese Verringerung dieser Winkel eine erhöhte Lichtintensität auf der Detektorfläche erreicht wird, ist eine geringere Energie zur Beleuchtung der Grenzfläche notwendig. . Figur 2 zeigt ein durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erstelltes Kontrastbild der Papilarrillen eines trockenen Fingers'. Die hellen Bereich des Kontrastbildes repräsentieren die Berge und die dunklen Bereiche die Täler der Papilarrillen. Figur 3 zeigt eine durch die gleiche Vorrichtung erstelltes Kontrastbild des gleichen, jedoch nassen Fingers. Der erreichte Kontrast ist in beiden Abbildungen gleich.

Figur 4 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung in einer kompakten Realisierung mit dem transparenten Körper 1 , einem Halterungsblock 40 sowie einer Printplatine 50. Bei dieser Realisierung ist insbesondere ein Teil der Abbildungsoptik im transparenten Körper 1 integriert. Der transparente Körper 1 besitzt eine Auflagefläche 2, auf welche der Finger, dessen Papillarrillen abgebildet werden, gelegt wird. Die Auflagefläche 2 wird gemäss der Vorrichtung in Figur 1 von unten von einer Lichtquelle beleuchtet, die auf der Printplatine angeordnet ist. Die vom Finger ausgehenden Strahlen fallen auf eine Seitenfläche 25 des transparenten Körpers, an der ein Spiegel 30 integriert ist. Der Spiegel kann dabei aufgesetzt, oder bevorzugt dierkt auf das Material des transparenten Körpers aufgedampft werden. Dieser Spiegel 30 ist gemäss der Figur 4 zylindrisch konvex ausgebildet. Er kann jedoch auch flach sein. Nach Spiegelung am Spiegel 30 gelangen die Strahlen zur anderen Seitenfläche 31 des transparenten Körpers, an der eine fokussierende Linse 32 integriert ist. Integriert heisst, dass die Linse entweder direkt im wesentlichen formschlüssig am transparenten Körper angebracht wird, oder aber aus dem Block des transparenten Körpers ausgearbeitet wird, d.h. Linse und transparenter Körper als Monobloc ausgeführt sind. Die integrierte Linse ist bevorzugt im wesentlichen bündig mit der Unterkante des Blockes 1 angeordnet. Der zylindrische Spiegel hat die Wirkung, dass die rechteckige, lichtempfindliche Detektorfläche der Vorrichtung voll beleuchtet und genutzt wird. Figur 5 zeigt denselben transparenten Körper von Figur 4, jedoch in Ansicht der Seitenfläche 31 mit der dort integrierten Linse 32. Der Block 1 weist dabei typischerweise eine Länge L von 27,5 mm bei einer Breite B von 22 mm auf und eine Höhe H von 6, 1 mm. Eine grössere Ausführungsform weist die Masse 37.3mm (L), zu 28 mm (B) zu 8.2 mm (H) auf. Die mit 25 bezeichnete Seitenfläche, in welcher der Spiegel 30 integriert ist, ist dabei gegen die Auflagefläche 2 geneigt, damit die von der Auflagefläche 2 auf den Spiegel 30 gelenkten Lichtstrahlen parallel zur Auflagefläche 2 auf der gegenüberliegenden Seite durch die integrierte Linse 32 treten und so Verzerrungen vermieden werden. Der Winkel zwischen Auflagefläche 2 und Seitenfläche 25 beträgt bei den angegebenen Mafien des transparenten Körpers m.a.W. nicht 90 Grad sondern im Bereich von 83 Grad. Bei der grösseren Ausführungsform beträgt dieser Winkel 82 Grad. Auch der Spiegel 30, welcher in dieser geneigten Seitenfläche 25 integriert ist, weist eine Formgebung auf, welche verhindert, dass das auf dem Detektor ankommende Bild des auf der Auflagefläche 2 aufliegenden Fingers möglichst nicht verzerrt ist (d.h. bevorzugt rechteckige Abbildung bei rechteckiger Fingerauflagefläche). Diese Formgebung kann z. B. zylindrisch sein, kann aber auch eine komplexere Form annehmen, welche aus den Pfaden der Lichtstrahlen zwischen Auflagefläche 2 und Detektor gerechnet wird.

Figur 6 zeigt den Halterungsblock 40. Er besitzt einen Rahmen 41 , auf den der transparente Körper zu liegen kommt. In einem Seitenteil 43, welcher der Seitenfläche 31 des transparenten Körpers anliegt, sind eine Blende 44 sowie ein Umlenkspiegel 45 angeordnet. Der Umlenkspiegel 45 lenkt das Licht, das von der Linse 32 fokussiert worden ist und durch die Blende 44 getreten ist, nach unten zur Printplatine 50 gemäss Figur 7. Auf der Printplatine 50 sind mehrere Leuchtdioden 51 in Reihen sowie der Lichtdetektor 22 mit der rechteckigen lichtempfindlichen Detektorfläche 23 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel sind die Leuchtdioden in drei Reihen angeordnet. Es ist bevorzugt, eine homogene Ausleuchtung der Detektorfläche 23 zu bewirken. Die Lichtpfadlängen verschiedener Strahlen, die von der Lichtquelle zur Auflagefläche des transparenten Körpers und über Spiegel und Linse zum Lichtdetektor gelangen, sind jedoch sehr unterschiedlich. Wäre die Intensität aller Leuchtdioden gleich, dann wäre die Intensitätsverteilung auf dem Lichtdetektor aufgrund der mit dem Quadrat der Lichtpfadlänge abfallenden Intensität entsprechend inhomogen. Aus diesem Grund werden in einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung die Leuchtdioden verschieden stark angesteuert. Die Leuchtdioden der gezeigten Anordnung werden beispielsweise so angesteuert, sodass die ausgehende Intensität der mittleren Reihe 50% der Intensität der zwei äusseren Reihen beträgt. In weiteren Anordnungen, beispielsweise mit zwei Reihen von Leuchtdioden, beträgt die ausgehende Intensität der einen Reihe ca. 80% der Intensität der anderen Reihe. Es ist bei der Anordnung der Dioden 51 auch möglich, nur die zwei äußeren Reihen, in welchen 3 respektive 4 Dioden angeordnet sind, mit Dioden, welche zur Ausleuchtung der Papilarrillen dienen, zu belegen. In der mittleren Reihe können dann eine weitere Leuchtdiode sowie ein separater Detektor angeordnet werden. Diese spezielle Leuchtdiode in der mittleren Reihe kann dann die Funktion einer Lichtschranke übernehmen. So nämlich, dass normalerweise nur diese Diode aktiviert ist, und periodisch Lichtsignale aussendet. Erst wenn ein Finger auf die Auflagefläche 2 gelegt wird, wird das Licht von diese Diode reflektiert und vom separaten Detektor empfangen. Sobald nun dieser separate Detektor ein Signal empfängt wird der Rest aktiviert, das heißt die anderen zur Ausleuchtung der Papilarrillen dienenden Dioden eingeschaltet und die Ausmessung der Papilarrillen aktiviert. Da die Dioden normalerweise viel Strom verbrauchen, und deshalb eine permanente Ausleuchtung der Auflagefläche 2 vermieden werden sollte, kann so der Stromverbrauch der Einheit wesentlich reduziert werden, indem nur ausgeleuchtet wird, wenn auch effektiv ein Finger auf der Auflagefläche 2 liegt. Der separate Detektor muss dabei nicht zwingend direkt angestrahlt werden, sondern er kann auch indirekt unter Ausnutzung einer optischen Führung, welche verhindert, dass Umgebungslicht die Messung stört, angestrahlt werden. Diese in der mittleren Reihe angeordnete Diode kann aber auch zusätzlich für einen sogenannten Life-Test (z.B. Pulsoxymetrie) verwendet werden. Sender und/oder Empfänger für Pulsoxymetrie können dabei auch seitlich am Block angeordnet sein. Das heißt sie kann dazu verwendet werden, z. B. den Puls und/oder den Sauerstoffgehalt im Blut des aufgelegten Fingers auszumessen, um sicherzustellen, dass ein lebendiger Finger und keine künstliche Nachbildung auf der Auflagefläche 2 aufliegt. Arbeiten die zur Ausleuchtung der Auflagefläche vorgesehenen Dioden z. B. bei einer Frequenz von 650 nm, so ist zur Messung des Sauerstoffgehaltes eine weitere Frequenz notwendig. Die Diode in der mittleren Reihe kann dazu z. B. auf einer Frequenz von 850 nm betrieben werden, und der Sauerstoffgehalt über einen Vergleich der beiden Messungen auf zwei verschiedenen Frequenzen ermittelt werden. Die beiden verschiedenen

Frequenzen können auf dem gleichen separaten Detektor ausgemessen werden.

Bezugszeichenliste

1 transparenter Körper

2 Auflagefläche

3 Berge der Papilarrillen

4 Täler der Papilarrillen

5 Oberflächen der Täler der Papilarrillen 8 Lichtquelle

9 Optische Achse des Lichtbündels

10 Lichtbündel aus der Lichtquelle

11 Streulicht im Finger

12 propagierendes Lichtbündel 13,14 äusserste Lichtstrahlen des propagierenden Lichtbündels

16 optische Achse der Abbildungsoptik

20 Blende

21 Linsen

22 Lichtdetektor 23 rechteckige lichtempfindliche Detektorfläche

25 Seitenfläche des transparenten Körpers θ_kri_t kritischer Winkel für innere Totalreflexion bei Glas-Wasser Grenzfläche α Winkel zwischen Auflagefläche und optischer Achse der Abbildungsoptik ß Winkel zwischen Detektorfläche und optischer Achse der Abbildungsoptik ni optischer Brechungsindex des transparenten Körpers n₂ optischer Brechungsindex des Mediums zwischen Auflagefläche und Fingeroberfläche

30 Spiegel

31 Seitenfläche 32 integrierte Linse

40 Halterungsblock

41 Rahmen

43 Seitenteil des Halterungsblocks

44 Blende 45 Umlenkspiegel

50 Printplatine

51 Leuchtdioden

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur optischen Aufnahme der Papilarrillen auf einer

Fingeroberfläche, wobei die Vorrichtung einen transparenten Körper (1) mit einer Auflagefläche (2) für einen Finger aufweist und einer Seitenfläche (25) sowie mit einer Lichtquelle (8) zur Beleuchtung der Fingeroberfläche und einer Optik zur Abbildung der Papilarrillen, die auf der Auflagefläche (2) liegen, und mit einem Lichtdetektor (22) dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) ein Lichtbündel (9) aussendet, das einen Divergenzwinkel aufweist, der kleiner ist als der kritische Winkel für interne Totalreflexion an der Auflagefläche (2) des transparenten Körpers (1 ), und das Lichtbündel (9) durch den transparenten Körper (1 ) hindurchführt und auf die Auflagefläche (2) fällt und dort die Papilarrillen des Fingers bestrahlt, und die Optik für die Abbildung der Papilarrillen so ausgelegt ist, dass ein propagierendes Lichtbündel (12), das von der Auflagefläche (2) ausgeht und durch die Optik zur Abbildung der Papilarrillen führt und auf eine Detektorfläche des Lichtdetektors (22) fällt, in einem Winkelbereich liegt, der dem Winkelbereich entspricht, in dem Lichtstrahlen, die an der Auflagefläche (2) mit darauf liegendem Wasser durch interne Totalreflexion reflektiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Abbildungsoptik senkrecht durch die Seitenfläche (25) des transparenten Körpers (1 ) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (2) des transparenten Körpers (1 ) in einem ersten Winkel (α) zur optischen Achse der Abbildungsoptik und die Detektorfläche des Lichtdetektors (22) in einem zweiten Winkel (ß) zur optischen Achse der Abbildungsoptik gemäss dem Scheimpflugprinzip angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik eine Blende (20) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik eine einzelne Linse oder mehrere Linsen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik zwecks ihrer Faltung einen Spiegel aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) mindestens eine Linse aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) mindestens zwei Leuchtdioden aufweist, die in einem ein- oder zwei-dimensionalen Array angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (8) und dem transparenten Körper (1) ein Diffusor angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdetektor (22) eine zwei-dimensionale CMOS-Kamera oder eine CCD- Kamera aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper (1 ) aus einem hochbrechenden Material besteht mit einem optischen Brechungsindex von grösser 1.55.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenfläche (25) des transparenten Körpers (1 ) ein Spiegel (30) integriert ist, wobei dieser Spiegel (30) bevorzugt flach oder zylindrisch oder in einer Formgebung ausgestaltet ist, welche eine bevorzugt im wesentlichen unverzerrte Abbildung auf den Lichtdete^'ktor erlaubt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass an einer weiteren Seitenfläche (31) des transparenten Körpers (1 ) eine fokussierende Linse (32) integriert ist, und/oder dass ausserhalb des transparenten Körpers (1) eine Blende (44) angeordnet ist, wobei insbesondere bevorzugt ausserhalb des transparenten Körpers (1 ) ein Umlenkspiegel (45) angeordnet ist, der das durch die integrierte Linse (32) fokussierte Licht auf eine Printplatine (50) lenkt, auf dem der Lichtdetektor (22) sowie die Lichtquelle (8) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (51) der Lichtquelle (8) Licht im roten Wellenlängenbereich von 650 bis 780 nm oder im infraroten Wellenlängenbereich von 780 bis 930 nm aussenden.

15. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem der Ansprüche 8 und/oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (51) jeweils so angesteuert werden, dass die von ihnen ausgesandte Lichtintensität, entsprechend der Länge des Lichtpfades von jeder Leuchtdiode zum Lichtdetektor (22) ist, und dadurch die lichtempfindliche Fläche (23) des Lichtdetektors (22) homogen ausgeleuchtet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Reihe von Leuchtdioden (51 ) so angesteuert werden, dass die von ihnen ausgesandte Lichtintensität 60 bis 80% der Lichtintensität beträgt, die von einer zweiten Reihe von Leuchtdioden (51 ) ausgesandt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Reihe von Leuchtdioden (51) so angesteuert werden, dass die von ihnen ausgesandte Lichtintensität circa 30 bis 70%, bevorzugt ca. 50% der Lichtintensität beträgt, die von zwei äusseren Reihen von Leuchtdioden (51 ) ausgesandt wird.