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Verfahren
zur berührungslosen,
optischen Erzeugung von abgerollten Fingerabdrücken sowie Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur berührungslosen, optischen Erzeugung
von Fingerabdrücken,
bei dem die Oberfläche
des Fingerballens in einem Bereich zwischen den Fingernagelrändern in
sich an den Rändern
partiell überlappende Teilbereiche
aufgeteilt wird, von denen durch Abbildungsoptiken Teilbilder erzeugt
werden, die diesen Teilbereichen zugewiesen sind, und bei dem zur
Zusammensetzung des Gesamtbildes aus den Teilbildern unter Ausnutzung
des Papillarlinienmusters des Fingerballens als Orientierungsstruktur
die Überlappungsbereiche
benachbarter Teilbilder korreliert werden, wobei mindestens einer
der Teilbereiche durch eine Kontrolllichtquelle mit angenähert parallelem Licht
beleuchtet wird, das den Teilbereich senkrecht zu dem Strahlengang
der Abbildungsoptik beleuchtet. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin
eine Vorrichtung zur Durchführung
des vorstehend genannten Verfahrens.
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Zur
Erfassung der vollständig
zur Verfügung stehenden
Merkmalsinformationen werden bei der klassischen Farbabdruckmethode
zur Abnahme von Fingerabdrücken
die vorher eingefärbten
Finger auf einer Unterlage abgerollt. Das Abrollen wird z. B. bei der
behördlichen
Personenerfassung und im forensischen Bereich praktiziert und ist
dort seit langem Standard. Es können
damit Erkennungsmerkmale bis zu den Fingernagelrändern erfaßt werden. Dadurch, daß der unregelmäßig geformte
dreidimensionale Fingerballen während
des Abrollvorgangs auf die ebene Unterlage gepreßt wird, erhält man etwas ähnliches
wie eine ”Projektion” des in
Näherung
zylindrischen Fingerballens auf eine Ebene. Wegen der Abweichung
vom echten Zylinder und der Deformierbarkeit des Fingers handelt
es sich dabei nicht um eine echte, d. h. formal definierbare Projektion.
Man kann daher auch nicht davon sprechen, daß das Abdruckbild verglichen
mit dem natürlichen
Original verzeichnungsfrei ist.
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Trotzdem
gelten mechanisch abgerollte Abdrücke wegen ihrer relativ hohen
Originaltreue als Bezugsoriginale bei dem Vergleich und der Archivierung
der Abdrücke
und hierfür
wurde auch eine Reihe von Erkennungsalgorithmen entwickelt. Für das Kopieren
und Reproduzieren solcher Abdrücke
mit Scannern oder elektronischen Geräten wird eine Verzeichnungsfreiheit
von kleiner als 1% gemäß der FBI-Spezifikation
gefordert.
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Ergänzend zur
klassischen Farbabdruckmethode sind bereits auch schon optische
Methoden zur Abbildung von Fingerabdrücken bekannt, die zum Teil
berührungslos
arbeiten, also keinen echten ”Abdruck”, sondern
das natürliche,
nicht deformierte Original ablichten, allerdings mit gewissen Abbildungsfehlern.
Im folgenden wird von der Verzeichnung bei berührungloser Abbildung von drei-dimensionalen Objekten
wie Fingerballen mit Objektiven gesprochen. Hier sollen zwei Hauptursachen
für das
Auftreten einer Verzeichnung unterschieden bzw. definiert werden,
die in diesem Zusammenhang auftreten können:
- Typ 1: Die im
Gesichtsfeld unterschiedliche Objektweite, bedingt durch die unregelmäßige, von
der Ebene abweichende Objektform oder hervorgerufen durch Defokussierung
innerhalb des Tiefenschärfebereichs.
Diese Art der Verzeichnung tritt auf bei den am häufigsten
verwendeten Objektiven relativ einfacher Bauart mit Zentralperspektive,
die als entozentrische Objektive bekannt sind.
- Typ 2: Die Tatsache, daß die
Flächenelemente
des unregelmäßigen, z.
B. in Näherung
zylindrischen Objekts nicht überall
senkrecht vom Sehstrahl getroffen werden und somit perspektivisch
verkürzt
wiedergegeben werden.
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Aus
der
DE 198 18 229
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, mit
denen das Papillarleistenmuster eines Fingers optisch berührungslos erfaßt werden
kann, in dem eine herkömmliche
Kamera mit Standardobjektiv auf den Fingerballen gerichtet wird.
Nachteilig hierbei ist, daß die
Bilder nicht im obigen Sinne abgerollt sind und entsprechend der Kameraperspektive
nur ein Bruchteil der maximal möglichen
Objektfläche
zwischen den Fingernagelrändern
wiedergegeben wird. An den Rändern
des Gesichtsfeldes treten besonders starke Verzeichnungsfehler vom
Typ 1 und Typ 2 auf.
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In
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung der Anmelderin
DE 101 03 622.1 ist zur vollständigen Erfassung
des Papillarleistenmusters bis zu den Fingernagelrändern eine
spezielle Optik mit Zylinderlinsen vorgesehen, die eine Ansicht
des Fingerballens von 180° ermöglicht.
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Nachteilig
hierbei ist, dass sich Verzeichnungsfreiheit nur bei relativ idealer
Objektform, wie sie bei einem Zylinder gegeben ist, und genauer
Objektpositionierung erzielen lässt.
Beim natürlichen Finger ändert sich
der Abbildungsmaßstab
wegen der kurzen Brennweite des Systems innerhalb eines Bildes relativ
stark, was zu starken Verzerrungen vom Typ 1 führt.
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In
der
WO 99/48041 ist
offenbart, den Fingerballen eines Fingers mit durch einen Lichtmarkenprojektor
erzeugten Lichtmarken zu versehen, die genutzt werden, um die in
zwei Teilbildern verzerrt abgebildeten Strukturen dreidimensional
zuzuordnen, wozu eine sehr umfangreiche Bildverarbeitung notwendig
ist.
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In
der
DE 101 11 671 als
nächstkommenden Stand
der Technik ist ein Verfahren zur berührungslosen, optischen Erzeugung
von abgerollten Fingerabdrücken
offenbart, bei dem die Oberfläche
des Fingerballens durch Abbildungsoptik in Teilbilder aufgeteilt
wird, wobei diese Teilbilder zu einem Gesamtbild zusammengesetzt
werden. Dabei bleiben die Verzerrungen, die sich aus einer nicht
perfekt zylindrischen Gestaltung des Fingers relativ zu den Lichtquellen
ergeben, unberücksichtigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das
es ermöglicht,
die Nachteile der herkömmlichen
Verfahren zu überwinden,
und bei dem eine ähnlich
hohe oder bessere Originaltreue im Vergleich zum klassisch abgerollten Abdruck
erzielt wird. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens bereitzustellen.
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Der
das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch das eingangs
genannte Verfahren gelöst,
das die Vorteile der berührungslosen
Arbeitsweise bietet und das weiterhin die Deformationen des Fingerballens
vermeidet und das natürliche
Original im Sinne einer Projektion des Fingerballens auf eine Ebene
abbildet. Diese Projektion kann man als abschnittsweise Parallelprojektion
bezeichnen. Es wird aber oft vorkommen, dass der Finger etwas schräg positioniert
ist. Außerdem
ist die Annahme, der Finger sei ein Zylinder, streng nicht zulässig. Der
Finger hat eher einen Querschnitt von der Form einer flachen Ellipse,
das heißt
die Krümmung
der Oberfläche nimmt
zu den Rändern
hin zu. Diese Eigenschaften führen
dazu, dass im allgemeinen Fall die verzerrungsfreien Zonen in den
Teilbildern nicht mittig im Bildausschnitt liegen, sondern versetzt
und schräg gewinkelt
sind. Der Algorithmus zur Zusammensetzung des Gesamtbildes hat,
wenn die Überlappungsbereiche
hinreichend groß sind,
einen Spielraum beim Verwerfen und Zulassen von Daten aus den Randbereichen.
Dieser Spielraum kann zur optimalen Auswahl der fehlerfreien Bildausschnitte
genutzt werden. Hierzu ist aber ein messbares Kriterium notwendig,
das bereitgestellt werden kann, indem mindestens einer der Teilbereiche
durch eine Kontrolllichtquelle mit parallelem Licht beleuchtet wird,
das den Teilbereich senkrecht zu dem Strahlengang der Abbildungsoptik
beleuchtet. Die Vergleichbarkeit mit klassisch erzeugten Fingerabdrücken ist
damit gegeben. Vorteilhaft ist weiterhin, dass das Gesamtbild im wesentlichen
frei von Verzerrungen des Typs 2 ist, indem optisch eine ausreichend
große
Anzahl von überlappenden
Teilbildern für
die spätere
Zusammensetzung erzeugt wird, deren Format so klein ist, dass noch
keine merkliche Verzerrung an den Bildrändern auftritt. Auf diese Weise
entfällt
die Notwendigkeit, Lichtmarkenprojektoren einzusetzen; die Entzerrung
durch Bildnachverarbeitung ist gleichfalls nicht erforderlich.
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Um
auch bei relativ großen
Abweichungen von der Idealform des Fingers verlässliche Ergebnisse zu erhalten,
ist vorgesehen, dass zur Zusammensetzung des Gesamtbildes in den
Teilbildern die durch die Abbildungsoptik verzerrungsfrei abgebildeten
Abschnitte bestimmt und für
die Korrelation ausgewertet werden, und dass die verzerrten Randbereiche
verworfen werden.
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Zweckmäßig ist
weiterhin, wenn ein vorbestimmter Grenzwert für die Größe der Verzeichnungen der Teilbereiche
gewählt
und in Abhängigkeit
davon die Obergrenze der Breite der Teilbereiche bestimmt wird.
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Um
auch angesichts vorkommender größerer Abweichungen
von der Zylinderform des Fingers zu vermeiden, dass die fehlerfreie
Zone sich nicht mehr im Gesichtsfeld des Teilbildes befindet, ist
für die
Breite der Teilbereiche auch eine Untergrenze bestimmt.
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Der
Vermeidung von Verzeichnungen dient, dass die Breite der Teilbereiche
zur Erzielung einer im wesentlichen senkrechten Aufsicht durch die
Abbildungsoptik gewählt
wird.
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Einheitliche
Lichtverhältnisse über den
gesamten abzubildenden Umfang des Fingerballens werden dadurch erreicht,
dass jeder Teilbereich durch mindestens eine diesem zugewiesene
Lichtquelle ausgeleuchtet wird.
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Wenn
man von einem genau zentrierten zylindrischen Objekt ausgeht, liegt
der unverzerrte Bereich mit annähernd
senkrechter Aufsicht in der Mitte eines jeden streifenförmigen Teilbereiches
des so erzeugten Teilbildes. Das Kriterium für die Bildzusammensetzung des
Gesamtbildes, welche Randbereiche zu verwerfen sind und welche für die Überlappung
und Korrelation geeignet sind, ist hier relativ einfach: Die Bereiche
liegen symmetrisch zur Mittellinie des Teilbildes und sollten symmetrisch
bearbeitet und abgeschnitten werden.
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Bevorzugt
ist dabei, wenn mindestens die randseitigen Teilbereiche mit parallelem
Licht beleuchtet werden. Durch die Kontrolllichtquelle wird in dem
durch diese beleuchteten Teilbereich eine Helldunkel-Grenze erzeugt,
die bei Vorliegen eines zentrierten zylindrischen Objektes in der
Mitte des Teilbereiches verläuft.
Die Helldunkel-Grenze des elliptischen Fingers ist dagegen insbesondere
bei den äußeren Teilbereichen
nach innen versetzt. Es sollte also bei dem Algorithmus, verglichen
mit dem Fall des Zylinders, vor der Zusammensetzung der Gesamtbilder in
dem Bereich, aus dem die Helldunkel-Grenze verschoben ist, ein breiterer
Randstreifen verworfen werden.
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Ähnliches
gilt bei einem Schrägverlauf
der Helldunkel-Grenze. Die Helldunkel-Grenze ist im Teilbild zwar nicht sehr
scharf, was aber kein Nachteil ist, denn dies entspricht der erforderlichen
Genauigkeit bei der Auswahl der fehlerfreien Bereiche, die fließend in
die fehlerbehafteten Bereiche übergehen.
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Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
mehrere Abbildungsoptiken auf einem Bogen angeordnet und auf eine gekrümmte Oberfläche in dem
Zentrum des Bogens gerichtet sind, in das ein Fingerballen mit einem
Papillarlinienmuster einführbar
ist, dass jeder Abbildungsoptik ein Sensor zum Empfang der Teilbilder aus
einander teilweise überlappenden
Teilbereichen der Oberfläche
zugeordnet ist, und dass die Sensoren mit einer Recheneinheit zur
Korrelation der Überlappungsbereiche
benachbarter Teilbilder verbunden sind, wobei mindestens einem der
Teilbereiche, vorzugsweise den randseitigen Teilbereichen eine Kontrolllichtquelle
zur Beleuchtung dieses Teilbereichs mit parallelem, senkrecht zu
dem Strahlengang der Abbildungsoptik orientierten Licht zugeordnet
ist.
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Durch
diese Vorrichtung ist es möglich,
eine senkrechte Aufsicht auf die Teilbereiche des Fingerballens
zu ermöglichen,
wodurch Verzeichnungen des Typs 2 vermieden werden und die Recheneinheit der
Korrelation der Überlappungsbereiche
benachbarter Teilbilder nicht mit einer Entzerrung belastet werden
muss. Durch diese Kontrolllichtquelle ist es möglich, die real vorliegende
Krümmung
eines Fingers bei der Korrelation der Teilbilder zu berücksichtigen,
da durch die Kontrolllichtquelle in dem beleuchteten Teilbereich
eine Helldunkel-Grenze erzeugt wird, deren Lage von der Krümmung des
Fingers innerhalb des Teilbereiches abhängt.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform
ist dabei vorgesehen, dass die Abbildungsoptiken mit gleichmäßigem Abstand
auf dem Bogen eines Teilkreises angeordnet sind. Diese Ausführungsform wird
gewählt,
wenn von der vereinfachenden Annahme einer zylindrischen Querschnittsgestalt
des Fingers ausgegangen wird, um die tatsächlich gegebene, individuell
variierende Krümmung
nicht berücksichtigen
zu müssen,
was allerdings eher eine Erhöhung
der Anzahl der Abbildungsoptiken erfordert. Alternativ besteht auch
die Möglichkeit,
dass die Abbildungsoptiken auf einem Teil des Bogens einer Ellipse angeordnet
sind, in deren Schnittpunkt der Hauptachsen das Zentrum liegt. Bei
einer derartigen Konfiguration kann das Kriterium leichter eingehalten
werden, dass die Abbildungsoptiken eine senkrechte Aufsicht auf
den Teilbereich haben, gerade wenn real existierende Finger vorausgesetzt
werden, wobei bei einer derartigen Gestaltung die Recheneinheit
und der Algorithmus zur Korrelation der Teilbilder entlastet werden.
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Prinzipiell
ist es vorteilhaft, möglichst
viele Abbildungsoptiken einzusetzen, um so zu sehr kleinen Teilbereichen
zu gelangen. Hinsichtlich einer Optimierung des vertretbaren Aufwandes
hat es sich als günstig
gezeigt, daß acht
Abbildungsoptiken vorgesehen sind, da bei dieser Anzahl noch ein
ausreichender Platz in der Nähe
des abzubildenden Fingers für
die Abbildungsoptiken gegeben ist und die Teilbereiche so klein
sind, daß Verzeichnungen
allenfalls an den Randbereichen auftreten, die für die Korrelation verworfen
werden können,
weil die Überlappungsbereiche
hinreichend groß sind.
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Um
den apparativen Aufwand weiter zu reduzieren, ist vorgesehen, daß jeweils
zwei benachbarte Abbildungsoptiken zu einem Paar zusammengefaßt sind
und zur parallelen Weiterführung
der Strahlen der beiden Abbildungsstrahlengänge jeder Abbildungsoptik ein
Prisma zugeordnet ist. Der Beschränkung des apparativen Aufwandes
dient weiterhin, daß jedem
Paar ein gemeinsamer Sensor zugeordnet ist.
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Um
eine kompakte Vorrichtung mit geringen Abmessungen bereitstellen
zu können,
sind in dem Strahlengang jedes Paares planparallele Platten zur Verringerung
des Abstandes der beiden Strahlenbündel angeordnet. Eine weitere
Verringerung des apparativen Aufwandes läßt sich dadurch erreichen, daß zwei benachbarte
Paare zu Vierergruppen zusammengefaßt sind, für deren Strahlenbündel ein gemeinsamer, über Umlenkspiegel
erreichbarer Sensor vorgesehen ist.
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Eine
hinsichtlich ihres geringen Platzbedarfes bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass zur parallelen Führung der
Strahlenbündel
vier benachbarter Abbildungsoptiken auf einen gemeinsamen Sensor
eine Planplatte vorgesehen ist, auf der dem Sensor abgewandten Seite
zwei 90°-Prismen
und auf der dem Sensor zugewandten Seite zwei Spiegelflächen, vorzugsweise
als Prisma, angeordnet sind.
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Zur
Vermeidung des Verzeichnungsfehlers vom Typ 1 weist jede Abbildungsoptik
ein telezentrisches Objektiv auf. Alternativ besteht auch die Möglichkeit,
dass bei Verwendung von Objektiven vom Fernrohrtyp in der Abbildungsoptik
ein großer
optischer Arbeitsabstand gegeben ist. Zur gleichmäßigen Ausleuchtung
ist jedem Teilbereich mindestens eine Lichtquelle oder Lichtquellengruppe
zugeordnet.
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Im
folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert; es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Vorrichtung zur berührungslosen,
optischen Erzeugung von abgerollten Fingerabdrücken,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform, und
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der Wirkung der Kontrolllichtquelle.
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Die
in der 1 dargestellte Vorrichtung dient zur berührungslosen,
optischen Erzeugung von abgerollten Fingerabdrücken, wobei die Oberfläche 1 des
Fingerballens 2 im Bereich zwischen den Fingernagelrändern in 8 an
den Rändern
teilweise überlappende
Teilbereiche 3 aufgeteilt ist, die durch diesen Teilbereichen 3 jeweils
zugeordnete Abbildungsoptik 4 auf Sensoren abgebildet werden,
so daß die
Sensoren insgesamt 8 teilweise überlappende Teilbilder erfassen.
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung sind jeder
Abbildungsoptik 4 bzw. jedem Teilbereich 3 zwei
eigene Lichtquellen 21 zugeordnet. Es sind jeweils zwei
benachbarte Abbildungsoptiken 4 zu einem Paar zusammengefaßt, wobei
zur parallelen Weiterführung
der Strahlen der beiden Abbildungsstrahlengänge jeder Abbildungsoptik 4 ein
Prisma 5 zugeordnet ist, wobei die Prismen 5 mit
geringer Winkelablenkung jeweils zwei benachbarte Strahlengänge so umlenken,
daß sie
parallel weitergeführt
werden. Der Abstand der Strahlbündel
wird durch Strahlversetzung mittels der Wirkung der planparallelen Platten 6 des
prismatischen Körpers
verringert, wobei weiterhin zwei benachbarte Paare zu Vierergruppen
zusammengefaßt
sind, für
deren Strahlbündel ein
gemeinsamer, über
Umlenkspiegel 7 erreichbarer Sensor vorgesehen ist. Die
Strahlbündel
sind also jeweils zu einer Vierergruppe zusammengeführt und parallel
ausgerichtet. In dieser Form können
die Strahlbündel
der Vierergruppe ins abbildende Objektiv 8 eintreten, das
hier schematisch als Einzellinse dargestellt ist und einen Teil
der Abbildungsoptik 4 darstellt, die auch den Sensor umfaßt, der
dem Objektiv 8 nachgeordnet ist.
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Aus
Symmetriegründen
sind hier die Schnittweiten aller vier Strahlengänge gleich groß, so daß keine
Maßstabsunterschiede
in den Teilbildern auftreten. Die beiden Sensoren sind mit einer
in der Zeichnung selber nicht dargestellten Recheneinheit verbunden,
in der unter Ausnutzung des Papillarlinienmusters des Fingerballens 2 als
Orientierungsstruktur die Überlappungsbereiche
benachbarter Teilbilder korreliert werden, um so aus den Teilbildern das
Gesamtbild zusammensetzen zu können.
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2 zeigt
demgegenüber
ein Ausführungsbeispiel,
das in Objektnähe
mehr Freiraum z. B. für die
Beleuchtungseinrichtung bietet und das mit weniger Bauteilen auskommt.
Die vier Spiegel richten die Einzelstrahlengänge 9–16 auf
den zusammengesetzten prismatischen Körper 17, der aus einer
Planplatte 19 und den aufgekitteten Prismen 18 besteht. Die
Strahlengänge 9 und 12 werden
durch die 90° Prismen
in Richtung auf das Objektiv 8 abgelenkt. Die Strahlengänge 10 und 11 sind
auf das flache, außenverspiegelte
Prisma 20 gerichtet, welches die Strahlbündel ebenfalls
ins Objektiv 8 umleitet. Alle vier Strahlbündel sind
vor dem Objektiv 8 parallel ausgerichtet. Die Schnittweite
der Strahlengänge 10 und 11 muß der Schnittweite
der Strahlengänge 9 und 12 angepaßt werden,
was aber durch die Positionierung der Spiegel 27 leicht
möglich
ist. Die Strahlengänge 13 bis 16 können ebenso
wie in 1 durch eine zweite Ausführung der gleichen Anordnung
entsprechend zusammengeführt
werden. Durch Spiegel ist eine weitere Zusammenfassung sämtlicher
Strahlengänge 9–16 1
bis 8 in ein Objektiv 8 und auf einen Sensor möglich, aber
in der Zeichnung nicht dargestellt.
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In 3 ist
eine Kontrolllichtquelle 22 gezeigt, die mit parallelem
Licht senkrecht zu dem Strahlengang der Abbildungsoptik 4 einen
Teilbereich 3 beleuchtet; bei Annahme eines Zylinders für die Form
des Fingers würde
die rechte Bildhälfte
dunkel und die linke Bildhälfte
hell wiedergegeben. Die Helldunkel-Grenze des elliptischen Fingers
ist dagegen etwas nach links versetzt.
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Die
von den acht Abbildungsoptiken 4 erfaßten acht Teilbereiche 3 werden
auf die Sensoren als sich teilweise überlappende Teilbilder abgebildet,
die unter Ausnutzung des Papillarlinienmusters der Fingerkuppe als
Orientierungsstruktur zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden,
indem die Überlappungsbereiche 23 benachbarter
Teilbereiche 3 korreliert werden, wobei weiterhin die Möglichkeit
besteht, an den Rändern
der Teilbereiche 3 vorliegende Verzeichnungen innerhalb
des Überlappungsbereiches 23 zu
verwerfen und für
die Korrelation ausschließlich
verzerrungsfrei abgebildete Abschnitte für die Bildzusammensetzung des
Gesamtbildes zu nutzen. Durch die Kontrolllichtquelle 22 ist
es möglich, eine
nicht korrekte Positionierung des Fingers innerhalb des Zentrums
oder eine leichte Schrägstellung des
Fingers zu korrigieren, ebenso wie systematische Fehler, die sich
durch eine Abweichung der Form des Fingers von der Zylindergestalt
ergeben.