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Anordnung zum optischen Erfassen von Fingerabdrücken - Dokument DE19837428C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19837428C2 31.05.2001
Titel Anordnung zum optischen Erfassen von Fingerabdrücken
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Marguerre, Hans-Helmut, Dipl.-Phys., 75173 Pforzheim, DE
DE-Anmeldedatum 18.08.1998
DE-Aktenzeichen 19837428
Offenlegungstag 24.02.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2001
IPC-Hauptklasse G07C 9/00
IPC-Nebenklasse G07F 7/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Erfassen von Fingerabdrücken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige, aus der US-A-4 258 994 bekannte Anordnung weist eine transparente planparallele Platte auf, deren Oberseite als Fingerauflage dient und in die von unten her Licht eingestrahlt wird. Das in die Unterseite der Platte unter einem beliebigen Einstrahlwinkel einfallende Licht verläßt die Platte an ihrer Oberseite unter demselben Winkel. Lediglich an den Stellen, an denen der Finger mit seinen Fingerlinien die Oberseite der Platte berührt, kann es zu Streuungen in Verbindung mit einer Reflexion des Lichts kommen. Das an diesen Stellen reflektierte Licht tritt an einer Schmalseite der transparenten Platte aus und wird mittels einer Optik auf einen Film oder einen anderen ortsauflösenden, also zweidimensionalen Bildaufnahmesensor abgebildet. Damit der Fingerabdruck vollständig durch die Schmalseite der Platte hindurch auf dem Bildaufnahmesensor abgebildet werden kann, muß die Platte relativ dick sein.

Aus der WO 93/18486 ist es bekannt, den Finger mittels eines oszillierenden Lichtgriffels sequentiell abzutasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders kompakten Aufbau der Anordnung zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß im Unterschied zu der aus der oben erwähnten US-A-4 258 994 bekannten Anordnung die transparente Platte nahezu beliebig dünn ausgebildet werden kann und daß die Detektoreinrichtung lediglich einen nicht ortsauflösenden Sensor z. B. in Form eines einzelnen Fotoelements enthält. Ermöglicht wird dies dadurch, daß der auf der Fingerauflage aufliegende Finger sequentiell in einem Raster von unterschiedlichen Punkten abgetastet wird, wobei immer dann, wenn an der betreffenden Stelle eine Fingerlinie an der Oberseite der Fingerauflage anliegt, es zu Lichtreflexionen innerhalb der Platte kommt, so daß das reflektierte Licht beispielsweise an der Schmalseite der Platte austreten und auf den Sensor gelangen kann. Das dabei erzeugte Sensorsignal wird mit dem Steuersignal der Beleuchtungseinrichtung verknüpft, gemäß dem die rasterförmig angeordneten Punkte in der Ebene der Fingerauflage sequentiell beleuchtet werden, so daß auf diese Weise den unterschiedlichen zeitlich aufeinanderfolgenden Helligkeitsinformationen des Sensorsignals die zugehörigen Ortsinformationen der Punkte, von denen diese Helligkeitsinformationen stammen, zugeordnet werden.

Im Unterschied zu der bekannten Anordnung, bei der der Fingerabdruck vollständig durch die Schmalseite der transparenten Platte hindurch auf den Bildaufnahmesensor abgebildet wird, kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung das von den Fingerlinien in die Platte reflektierte und innerhalb der Platte ggf. mehrfach total reflektierte Licht an unterschiedlichen Stellen der Platte aus dieser auf den Sensor ausgekoppelt werden. Insbesondere ist es möglich, daß der Sensor, ggf. unter Zwischenlage eines optischen Gitters, außerhalb der Fingerauflage an der Oberseite oder Unterseite der planparallelen Platte flächig anliegt. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht, wobei zusätzlich der Sensor vergleichsweise großflächig und somit lichtempfindlich ausgebildet sein kann.

Die Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise einen Laser- Scanner umfassen, mit dem eine besonders hochauflösende punktweise Beleuchtung des Fingers auf der Fingerauflage möglich ist.

Entsprechend einer alternativen Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung umfaßt die Beleuchtungseinrichtung ein Display mit zweidimensional angeordneten, einzeln ansteuerbaren Bildpunktelementen. Beispiele hierfür sind Displays mit Leuchtdioden oder Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigen. Wird mit dem Sensor das den Finger durchstrahlende Licht erfaßt, so kann die Oberfläche des Displays, ggf. unter Zwischenlage einer Schutzschicht, unmittelbar als Fingerauflage dienen. Um darüber hinaus unabhängig vom Abstand zwischen der Fingerauflage und der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere bei Verwendung der transparenten Platte, eine punktweise Beleuchtung des Fingers in der Ebene der Fingerauflage zu erreichen, kann zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der transparenten Platte eine Abbildungsoptik angeordnet sein. Diese besteht im Falle des Displays vorzugsweise aus den Bildpunktelementen einzeln zugeordneten Mikrolinsen.

Bei einer stationären Anordnung der transparenten Platte im Bereich einer Berechtigungs- oder Zugangskontrolle besteht die Gefahr, daß die Fingerauflage verschmutzt oder beschädigt wird. Dieses Problem wird in vorteilhafter Weise dadurch vermieden, daß die Fingerauflage und die Detektoreinrichtung Bestandteile einer Chip-Karte sind, die zusätzlich das Display mit den zweidimensional angeordneten, einzeln ansteuerbaren Bildpunktelementen als Beleuchtungseinrichtung enthalten kann. Die Chip-Karte wird dann zunächst in einem vorgegebenen Bereich der Berechtigungs- oder Zugangskontrolle positioniert, bevor der Finger auf die Fingerauflage der Chip-Karte gelegt werden kann. Dabei weist die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise eine Einrichtung zum Lesen von auf der Chip-Karte gespeicherten Daten und zur Verknüpfung dieser Daten mit den Auswertedaten der Einrichtung zur Auswertung der Fingerabdrücke auf. Die Übertragung der Daten kann dabei über Kontaktierungen der Chip-Karte oder drahtlos erfolgen.

Bei einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Fingerauflage, die Detektoreinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung in einem Bedienelement, beispielsweise einer Taste, einer Tastatur, einem Schalter oder einer Maus, integriert sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für den Lichtverlauf in einer transparenten planparallelen Platte, auf deren Oberseite ein Finger aufliegt und die von unten her beleuchtet wird,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Laser-Scanner als Beleuchtungseinrichtung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Display als Beleuchtungseinrichtung,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer in einer Chip-Karte integrierten Fingerauflage und

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem die Fingerauflage in einem Bedienelement integriert ist.

Fig. 1 zeigt eine transparente planparallele Platte 1, deren Oberseite 2 als Auflage für einen Finger 3 dient. Durch die Unterseite 4 der Platte 1 wird in diese Licht eingestrahlt. Ein erster Lichtstrahl 5, der an der Unterseite 4 unter einem beliebigen Winkel in die Platte 1 eintritt, tritt an der Oberseite 2 der Platte unter demselben Winkel wieder aus, vorausgesetzt, daß an dieser Stelle kein anderer Körper an der Platte 1 anliegt. Dies gilt für die Bereiche außerhalb des Fingers 3 sowie für die Fingerfurchen 6. Wenn der Lichtstrahl 5 an einer Fingerfurche 6 reflektiert wird, so wird er im weiteren entweder an der Oberseite 2 der Platte 1 totalreflektiert oder er tritt, wie hier gezeigt, unter einem weiteren beliebigen Winkel in die Platte 1 ein und verläßt diese unter demselben Winkel wieder an ihrer Unterseite 4. Ein anderer, hier mit 7 bezeichneter Lichtstrahl trifft nach seinem Durchgang durch die Platte 1 auf eine Stelle, an der eine Fingerlinie 8 an der Oberseite 2 der Platte 1 anliegt. An dieser Stelle kommt es zu einer Streuung des Lichtstrahles 7, wobei ein Teil der Streustrahlung, hier z. B. der Strahl 9, unter solchen Winkeln in die Platte 1 zurückreflektiert wird, daß dieser Strahl 9 im weiteren zwischen der Oberseite 2 und der Unterseite 4 der planparallelen Platte 1 hin und her totalreflektiert wird. Dieser Strahl 9 kann daher die Platte 1 nur an einer Schmalseite, z. B. 10, oder an solchen Stellen auf der Oberseite 2 oder Unterseite 4 verlassen, wo der Übergang von der Platte 1 zur Luft, beispielsweise durch ein Beugungsgitter, gestört ist.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist die transparente Platte 1 mit ihrer als Auflage für den Finger 3 dienenden Oberseite 2 im Bereich einer hier nicht weiter dargestellten Berechtigungs- oder Zugangskontrolle stationär angeordnet. Unterhalb der transparenten Platte 1 ist als Beleuchtungseinrichtung ein Laser-Scanner 11 angeordnet, der den Finger 3 in der Ebene der Fingerauflage sequentiell in einem zweidimensionalen Punkteraster beleuchtet. An einer hinreichend weit von dem Finger 3 entfernten Schmalseite 12 der Platte 1 ist ein nicht ortsauflösender Sensor 13 in Form eines Fotoelements angeordnet, dessen Sensorsignal einer Einrichtung 14 zur Auswertung des erfaßten Fingerabdrucks zugeführt ist. Die Einrichtung 14 erhält außerdem von dem Laser-Scanner 11 ein Steuersignal, das angibt, welcher Punkt in dem Raster gerade beleuchtet wird. Das Sensorsignal und das Steuersignal werden in der Auswerteeinrichtung 14 in der Weise miteinander verknüpft, daß jeder der zeitlich aufeinanderfolgenden Helligkeitsinformationen in dem Sensorsignal eine Ortsinformation über denjenigen Rasterpunkt zugeordnet wird, von dem diese Helligkeitsinformation stammt. Außer der Schmalseite 12 sind alle übrigen Schmalseiten der Platte 1 verspiegelt.

Wenn der Laserstrahl 15 entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Lichtstrahl 5 auf eine Fingerfurche 6 trifft, wird er entweder an der Oberseite 2 der Platte 1 reflektiert oder unter einem beliebigen Winkel in die Platte 1 zurückgestrahlt, wobei er diese auf der Unterseite 4 unter demselben Winkel verläßt. Bei einem ausreichenden Abstand zwischen dem Finger 3 und der Detektoreinrichtung 13 kann daher kein Licht in die Detektoreinrichtung 13 gelangen. Anders ist der Fall, wenn der Laserstrahl 15 wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Lichtstrahl 7 auf eine Fingerlinie 8 trifft und anschließend innerhalb der Platte 1 zwischen deren Oberseite 2 und Unterseite 4 totalreflektiert wird. In diesem Fall gelangt der reflektierte Laserstrahl zu der Detektoreinrichtung 13 und erzeugt dort ein Sensorsignal.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die Beleuchtungseinrichtung aus einem Display 16 mit zweidimensional angeordneten, einzeln ansteuerbaren Bildpunktelementen 17, z. B. Leuchtdioden, und liegt gegenüber der Fingerauflage an der Unterseite 4 der transparenten Platte 1 an. Um eine punktweise Beleuchtung des Fingers 3 auf der Fingerauflage zu erreichen, ist zwischen dem Display 16 und der Unterseite 4 der Platte 1 eine Übergangsschicht 18 angeordnet, in der den einzelnen Bildpunktelementen 17 zugeordnete Mikrolinsen 19 ausgebildet sind, die das Licht jedes einzelnen Bildpunktelementes 17 auf die Ebene der Fingerauflage fokussieren. Die Bildpunktelemente 17 des Displays 16 werden von einer Steuereinrichtung 20 nacheinander angesteuert. Außerhalb der Fingerauflage liegt an der Oberseite 2 der Platte 1 ein nicht ortsauflösender Sensor 21 flächig an. Alternativ kann der Sensor 21 auch an der Unterseite 4 anliegen. Ebenso wie bei dem Beispiel nach Fig. 2 wird das Sensorsignal des Sensors 21 zusammen mit einem Steuersignal der Steuereinrichtung 20 in einer Einrichtung 14 zur Auswertung der Fingerabdrücke weiterverarbeitet und verknüpft. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die an den Fingerlinien 8 gestreuten und anschließend zwischen der Unterseite 4 und der Oberseite 2 der Platte 1 hin und her totalreflektierten Lichtstrahlen über die Oberseite 2 in den Sensor 21 eingekoppelt. Dies ist dadurch möglich, daß der Sensor 21 an der Oberseite 2 der Platte 1 anliegt und dadurch an dieser Stelle die innere Totalreflexion gestört ist. Ergänzend kann zwischen dem Sensor 21 und der Platte 1 ein Beugungsgitter o. ä. zur besseren Einkopplung der Strahlung in den Sensor 21 vorgesehen sein.

Da, wie bereits erwähnt, die transparente Platte 1 nahezu beliebig dünn sein kann, kann sie auch als Folie oder in Form einer Beschichtung ausgebildet sein, so daß alle gezeigten Teile 1, 16, 18, 21 und ggf. auch die Einrichtungen 14 und 20 in einem einzigen flachen Bauelement integriert sein können.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung sind die transparente Platte 1 mit der als Fingerauflage dienenden Oberseite 2, der Detektor 21 und das hier nicht gezeigte Display (16, vgl. Fig. 3) in einer Chip-Karte 22 integriert. Die Chip-Karte 22 enthält weiterhin einen Chip-Baustein 23, in dem vorgegebene Daten des Karteninhabers gespeichert sind. Im Bereich einer hier nicht weiter gezeigten Berechtigungs- oder Zugangskontrolle ist stationär eine Aufnahmeeinrichtung 24 angeordnet, in die die Chip-Karte 22 in eine vorgegebene Position einführbar ist. Die Einrichtung 24 enthält Kontaktelemente 25, die entsprechenden Kontaktierungen 26 auf der Chip-Karte 22 zugeordnet sind und über die nach korrektem Einführen der Chip-Karte 22 in die Einrichtung 24 ausgewählte Daten aus dem Chip-Baustein 23 in eine Einrichtung 27 lesbar sind, in der diese Daten mit den von der dem Sensor 21 nachgeordneten Auswerteeinrichtung (14, vgl. Fig. 3) gelieferten Auswertedaten verknüpft werden. Alternativ können die Daten zwischen der Chip-Karte 22 und der Einrichtung 24 auch drahtlos übertragen werden. Über die Kontaktierungen 25 und 26 erfolgt auch die Stromversorgung des Displays 16 aus der Einrichtung 24 heraus. Die in Fig. 3 gezeigte Steuereinrichtung 20 für das Display 16 und die Auswerteeinrichtung 14 können entweder auf der Chip-Karte 22 integriert sein oder Bestandteile der Einrichtung 24 sein. Ebenso kann das Display 16 anstelle auf der Chip-Karte 22 in der Einrichtung 24 angeordnet sein oder die Einrichtung 24 enthält anstelle eines Displays einen Laser-Scanner, so wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Grundsätzlich lassen sich alle Funktionen der erfindungsgemäßen Anordnung auf der Chip-Karte 22 integrieren, jedoch kann es aus Sicherheitsgründen sinnvoll sein, bestimmte Funktionen, wie z. B. die Auswerteeinrichtung 14 oder das Display 16, mit der Steuerung 20 in der stationären Einrichtung 24 vorzusehen.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Integration der transparenten Platte 1 mit dem Sensor 21 und dem hier nicht gezeigten Display (16, vgl. Fig. 3) in einem Bedienelement 28, hier z. B. einer Maus.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zum optischen Erfassen von Fingerabdrücken mit einer transparenten planparallelen Platte (1), deren Oberseite (2) eine Fingerauflage bildet, mit einer unter der Platte (1) angeordneten Beleuchtungseinrichtung (11) zum Beleuchten eines auf der Fingerauflage aufliegenden Fingers (3), mit einer das von dem beleuchteten Finger (3) ausgehende Licht erfassenden Detektoreinrichtung und mit einer der Detektoreinrichtung nachgeordneten Einrichtung (14) zur Auswertung der Fingerabdrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (11) Mittel aufweist, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal eine sequentielle Beleuchtung von in einem zweidimensionalen Raster angeordneten unterschiedlichen Punkten in der Ebene der Fingerauflage bewirken, daß die Detektoreinrichtung einen nicht ortsauflösenden Sensor (13) enthält, der an der Platte (1) anliegt, daß Mittel (12) zum Auskoppeln von innerhalb der Platte (1) an der Oberseite (2) reflektiertem Licht aus der Platte (1) auf den Sensor (13) vorhanden sind und daß die Auswerteeinrichtung (14) Mittel zum Verknüpfen des Sensorsignals mit dem Steuersignal aufweist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (21) außerhalb der Fingerauflage an der Oberseite (2) oder der Unterseite (4) der Platte (1) anliegt.
  3. 3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung einen Laser-Scanner (11) umfaßt.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung ein Display (16) mit zweidimensional angeordneten, einzeln ansteuerbaren Bildpunktelementen (17) umfaßt.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Bildpunktelementen (17) Mikrolinsen (19) zugeordnet sind.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Beleuchtungseinrichtung (16) und der Platte (1) eine Abbildungsoptik angeordnet ist.
  7. 7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerauflage und die Detektoreinrichtung (21) Bestandteile einer Chip-Karte (22) sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 4 und 7 oder Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Display (16) Bestandteil der Chip-Karte (22) ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (27) zum Lesen von auf der Chip- Karte (22) gespeicherten Daten und zum Verknüpfen dieser Daten mit den Auswertedaten der Einrichtung (14) zur Auswertung der Fingerabdrücke.
  10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerauflage, die Detektoreinrichtung (21) und die Beleuchtungseinrichtung in einem Bedienelement (28) integriert sind.






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