DE102004032000A1

DE102004032000A1 - Anordnung zur Erzeugung von Fingerabdrücken für optoelektronische Bildaufnahme

Info

Publication number: DE102004032000A1
Application number: DE102004032000A
Authority: DE
Inventors: Uwe Richter; Roland Bornheim
Original assignee: Smiths Heimann Biometrics GmbH
Current assignee: Cross Match Technologies GmbH
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-19
Also published as: US20060060802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Fingerabdrücken für eine optoelektronische Bildaufnahme, die ein Prisma zum Beleuchten und Abbilden von Abdrücken mindestens eines auf einer Auflagefläche des Prismas aufgelegten Fingers aufweist, wobei zur Vermeidung von an der Auflagefläche auftretenden Kondensationseffekten mindestens ein Heizelement vorhanden ist. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung von Fingerabdrücken für die optoelektronische Aufnahme der Finger einer Hand zu finden, die eine effektive Beheizung der Auflagefläche zulässt, ohne bei Inbetriebnahme lange Aufwärmphasen zu benötigen, und die zugleich robust und unempfindlich gegen mechanische und chemische Beanspruchungen ist, wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Prisma an der Auflagefläche mit einer optisch wirksamen parallelflächigen Deckschicht aus einem harten und gut wärmeleitenden optischen Material versehen ist, wobei die Deckschicht mittels einer optischen Verbindungsschicht mit angepassten Brechungs- und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebracht ist und ein Heizelement mit dem Rand der Deckschicht eine flächige wärmeleitende Verbindung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Fingerabdrücken für eine optoelektronische Bildaufnahme, die ein Prisma zum Befeuchten und Abbilden von Abdrücken mindestens eines auf einer Auflagefläche des Prismas aufgelegten Fingers aufweist, wobei zur Vermeidung von an der Auflagefläche auftretenden Kondensationseffekten mindestens ein Heizelement vorhanden ist.
Sie findet vorzugsweise Anwendung in Geräten zur Personenidentifikation auf Basis der Prüfung biometrischer Merkmale, insbesondere für Grenzkontrollen, Visa-Anträge und -Prüfungen.

Mit der zunehmenden Verwendung biometrischer Merkmale zur alltäglichen Personenidentifikation steigen die Anforderungen an die Robustheit der dazu benötigten technischen Geräte.

Zur Erfassung von Fingerabdrücken sind bereits Scanner im Gebrauch, die durch einfaches Auflegen der Finger auf eine ebene Auflagefläche sofort und unmittelbar, d.h. ohne Verwendung von klassischen Hilfsmitteln wie Tinte und Papier, das Abdruckmuster der Papillarlinien erfassen und in digitale Informationen umwandeln.

Speziell für Anwendungen in den Bereichen der Grenzkontrolle, Visumprüfung und Ausfertigung von polizeilichen Führungszeugnissen (engl. "Civil Background Check") sind dabei sehr große Personenkreise betroffen und die Zahl der registrierten Personen in diesen Systemen kann sehr rasch viele Millionen erreichen.

Um eine Person zu identifizieren, d.h. bei der Suche in einer Datenbank anhand der aktuell erfassten Fingerabdrücke dieser Person festzustellen, ob diese Person bereits in der Datenbank enthalten ist, müssen bei derart großen Datenbanken spezielle Maßnahmen ergriffen werden, damit die automatisierte Suche in den erforderlichen Bereich gebracht wird. Dabei hat sich die Verwendung von möglichst vielen Fingerabdrücken einer Person, z.B. von allen zehn Fingern, als vorteilhaft erwiesen. Wegen des erheblichen Zeitaufwandes, der beim aufeinanderfolgenden Auflegen jedes einzelnen Fingers auf einen (kleinflächigen) Scanner entsteht, wird die gleichzeitige Aufnahme aller Finger einer Hand zunehmend bevorzugt. Die dafür erforderlichen Scanner werden hohen Belastungen ausgesetzt, wenn sie permanent in Benutzung sind, d.h. wenn im Abstand von wenigen Minuten Fingerabdrücke verschiedener Personen genommen werden, wie z.B. in einem Konsulat zur Bearbeitung von Visumanträgen oder in Einreise-Kontrollpunkten zur Legitimierung und zum Vergleich der aktuell erfassten Fingerabdrücke mit dem Visum.

Dabei müssen solche Geräte eine gleichbleibend hohe Qualität der erfassten Fingerabdrücke erzielen, die sich während der Benutzung nicht verschlechtern darf und auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen am Einsatzort, wie Schwankungen von Temperatur und Luftfeuchte, stabil bleiben muss.

Ein bekanntes Problem sind Kondensationsprozesse, die dadurch auftreten, dass ein relativ feuchter Finger (von einer schwitzenden Person) auf ein kaltes Prisma aufgelegt wird. Das Kondensat auf dem Prisma ist dann möglicherweise als dunkler Bereich im Fingerabdruckbild sichtbar und kann das Abbild der Papillarlinien verfälschen.

Zur Vermeidung des Beschlagens der Auflagefläche infolge von Kondensation ist seit langem bekannt, dass die Fingerauflagefläche bei Prismen mit Hilfe von an den Stirnseiten angebrachten Heizelementen auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmt werden kann.

Außerdem trägt diese Maßnahme dazu bei, dass sich die Qualität der Fingerabdrücke verbessert, weil warme weiche Haut zu besseren Fingerabdrücken als kalte harte Haut führt, indem die angewärmte obere Hautschicht elastischer und bei trockenen Fingern die Haut zur Absonderung geringer Mengen von Schweiß angeregt wird.

Generell sind aus dem Bereich der Zutrittskontrolle Fingerabdruckscanner bekannt, die einen einzelnen Fingerabdruck erfassen können. Derartige Scanner sind in den unterschiedlichsten Ausführungen verfügbar und arbeiten mit optischen, kapazitiven, resistiven, druckempfindlichen oder auch Ultraschallmethoden.

Zur gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer Finger bzw. einer ganzen Hand haben sich Scanner durchgesetzt, die auf dem Prinzip der gestörten Totalreflexion basieren, weil dadurch die Aufnahmezeiten kurz gehalten werden können. Für die Aufnahme beispielsweise aller vier gestreckten Finger einer Hand weist die üblicherweise horizontal vor dem Benutzer angeordnete Auflagefläche beispielsweise ein Format von 80 mm Breite und 65 mm Tiefe auf und ist somit wesentlich größer als jeder Fingerabdrucksensor auf der Basis eines Halbleiterchips. Bei solchen Abmaßen der Auflagefläche ist die Aufrechterhaltung einer Dauerbetriebsbereitschaft eine zusätzliches technisches Problem.

Für einen Fingerabdruckscanner zur simultanen Erfassung von vier flach aufgelegten Fingern einer Hand ist in der US 2003/0142856 A1 eine Anordnung nach dem bekannten Prinzip der gestörten Totalreflexion mit einem Prisma beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Prisma mit einer zusätzlichen Schicht aus Silikongummi zur Verbesserung der Fingerabdruckqualität von trockenen Fingern versehen. Wegen des bekannten Nachteils, dass sich diese Schichten aufgrund des Einflusses von Handschweiß allmählich in ihren optischen Eigenschaften verschlechtern und außerdem sehr empfindlich gegen Kratzer und jede Art von mechanischer und chemischer Beanspruchung sind, wurde die Silikonschicht als austauschbar beschrieben, so das die Schicht bei Abnutzung jederzeit einfach durch eine neue Schicht ersetzt werden kann.

Die Silikonschicht hat jedoch den weiteren Nachteil, dass sie thermisch isolierend wirkt, und zwar um so mehr je dicker sie ausgebildet ist. Aus Sicht der mechanischen Stabilität wäre eine möglichst dicke Schicht vorteilhaft, wegen der thermischen Isolation ist das jedoch nachteilig, da die Wärme des beheizten Prismas nicht schnell genug an die Auflagefläche der Finger zur Vermeidung von Kondensation gelangt.

Aber auch ohne Silikonschicht gibt es noch hinreichend große Probleme mit Kratzern und Abnutzung, da das Prisma im Allgemeinen aus optischem Glas oder optischem Plast besteht. Kratzer auf der Auflagefläche des Prismas sind als Störungen im Abbild der Finger zu sehen und erschweren die Identifikation der Fingerabdrücke. Bei stark zerkratzten Prismen kann es sogar zum Verdecken wesentlicher Teile des Fingerabdrucks kommen, wodurch die Identifikation nicht mehr automatisiert oder nicht mehr in den benötigten kurzen Bearbeitungszeiten pro Person erfolgen kann.

Zur Vermeidung von Kondensationseffekten auf der Auflagefläche eines Prismas wird beispielsweise in der US 5,825,474 beschrieben, die Wärmestrahlung einer über der Auflagefläche liegenden Abdeckplatte zu nutzen. Allerdings setzt dies voraus, dass diese Abdeckplatte während der meisten Zeit auf dem Prisma aufliegt und nur während der Benutzung kurzzeitig entfernt wird. Wenn dies nicht garantiert werden kann, wie es beispielsweise bei einem Selbstbedienungssystem (ohne speziell unterwiesenes Bedienpersonal) der Fall ist, funktioniert diese Beheizung nicht zuverlässig, da der Nutzer es durchaus vergessen kann, die Abdeckplatte nach Gebrauch wieder auf das Prisma zu legen.

Eine andere Lösung, bei der erwärmte Luft über die Aufnahmefläche geblasen wird, ist in der US 5,249,370 beschrieben. Bei der praktischen Anwendung hat diese den Nachteil, dass der Luftstrom relativ heiß und kräftig sein muss, um wirklich die Heizfunktion ausreichend zu erfüllen, und ein derart heißer und kräftiger Luftstrom beim Auflegen der Hand als unangenehm empfunden wird.

Seit 1999 werden Fingerabdruck-Scanner mit einer direkten Prismenheizung zur Erwärmung der Fingerauflagefläche kommerziell vertrieben (Fa. Heimann Biometric Systems GmbH, DE), die an beiden Stirnflächen des Prismas (parallele Grund- und Deckflächen) angebrachte Heizelemente aufweisen und die Wärme über thermisch gut leitende Materialien ins Prisma einkoppeln. Diese an sich robuste Lösung hat allerdings den Nachteil, dass unmittelbar nach dem Einschalten des Gerätes eine relativ lange Zeit vergeht, bis die Aufnahmefläche eine homogene, optimale Temperatur erreicht hat. Dies liegt in der relativ schlechten Wärmeleitung des Prismas begründet, die während der Aufwärmphase zu einem deutlichen Temperaturgefälle zwischen der noch kalten Mitte der Auflagefläche und den bereits warmen Stirnflächen führt. Der Aufheizvorgang ist abhängig von der Größe des Prismas, der aktuellen Umgebungstemperatur und der eingekoppelten Heizleistung. Die Vorheizdauer beträgt typischerweise einige Minuten bis zu einer Stunde. Einer rascheren Aufheizung durch erhöhte Heizleistung sind dabei jedoch enge Grenzen gesetzt, da es sonst zu thermischen Spannungszuständen innerhalb des Prismas kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung von Fingerabdrücken für die optoelektronische Bildaufnahme der Fingerabdrücke einer menschlichen Hand zu finden, die eine effektive Auflageflächenbeheizung zulässt, ohne dass bei Inbetriebnahme lange Aufwärmphasen einzuhalten sind, und zugleich robust und unempfindlich gegen mechanische und chemische Beanspruchungen ist.

Erfindungsgemäß wird die Anordnung zur Erzeugung von Fingerabdrücken für eine optoelektronische Bildaufnahme, die ein Prisma zum Beleuchten und Abbilden von Abdrücken mindestens eines auf einer Auflagefläche des Prismas aufgelegten Fingers aufweist, wobei zur Vermeidung von an der Auflagefläche auftretenden Kondensationseffekten mindestens ein Heizelement vorhanden ist, dadurch gelöst, dass das Prisma an der Auflagefläche mit einer optisch wirksamen parallelflächigen Deckschicht aus einem harten und gut wärmeleitenden optischen Material versehen ist, dass die Deckschicht und das Prisma mittels einer optischen Verbindungsschicht zu einem optischen Verbundkörper vereinigt sind, wobei die Verbindungsschicht an Prisma und Deckschicht angepasste Brechungs- und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und dass das Heizelement mit dem Rand der Deckschicht eine flächige wärmeleitende Verbindung aufweist.

Vorteilhaft besteht die Deckschicht aus einem mineralischen oder organischen Glas. Als mineralische Deckschicht kommt vorzugsweise eine Saphirplatte (gegebenenfalls auch gewölbt) zum Einsatz. Als organisches Glas werden zweckmäßig Polymerkunststoffe hoher Transparenz und relativ guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise CR39, verwendet, die zusätzlich durch Beschichtung oberflächlich gehärtet sind.

Zur Herstellung eines definierten optischen Verbundkörpers aus Prisma und Deckschicht wird die Deckschicht zweckmäßig auf das Prisma mit optischem Kitt aufgeklebt. Dabei ist der Kitt ein Optikklebstoff hoher Transparenz und Flexibilität und vorteilhaft ein Photopolymerklebstoff, insbesondere ein UV-härtender Klebstoff.

Die Deckschicht und das Prisma können aber auch mit einer optischen Immersionsflüssigkeit verbunden sein, wobei die Immersionsflüssigkeit und die Deckschicht in diesem Fall zweckmäßig in einem am Prisma mechanisch angefügten Spannrahmen eingefasst sind, um einen mechanisch starren Verbund herzustellen und eine Verflüchtigung der Immersionsflüssigkeit zu verhindern.

Um Kondensationseffekte an der Deckschicht zu unterdrücken, sind zweckmäßig Heizelemente mit einem Wärmeverteiler zur großflächigen Wärmeeinkopplung in die Deckschicht vorhanden. Der Wärmeverteiler besteht zweckmäßig aus einem sehr guten Wärmeleiter, insbesondere Kupfer, und steht über Wärmeleitmatten oder über Wärmeleitpaste mit der Deckschicht in Verbindung.

In einer vorteilhaften Gestaltung der Wärmeverteiler sind mehrere Heizelemente mit je einem Heizbalken zur Wärmeeinkopplung an mindestens zwei Kantenbereichen der Deckschicht angekoppelt. Die Heizbalken werden dabei zweckmäßig an mindestens zwei gegenüberliegenden Kantenbereichen der Deckschicht angebracht.

In einer weiteren Wärmeverteilungsvariante ist ein Heizelement über einen Heizrahmen zur Wärmeeinkopplung mit mindestens zwei Kantenbereichen (Randbereiche) der Deckschicht verbunden.

Dabei weist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einen U-förmigen Heizrahmen auf, wobei die Auflagefläche für die Finger dreiseitig vom Heizrahmen eingefasst wird. Der Heizrahmen ist zweckmäßig im Randbereich auf der Auflagefläche der Deckschicht angebracht.

Definiert man am U-förmigen Heizrahmen einen Basisbereich und zwei Schenkel, so ist die aktive Wärmequelle vorzugsweise im Basisbereich des Heizrahmens angebracht.

In diesem Basisbereich können auch vorteilhaft Temperaturfühler sowie Anzeigeelemente, die Betriebszustände und/oder den Erfolg der Aufnahme der Fingerabdrücke anzeigen, angebracht sein, wobei die Anzeigeelemente vorzugsweise als mit Piktogrammen versehene Leuchtdiodenflächen ausgeführt sind.

Der Temperaturfühler kann auch zweckmäßig an wenigstens einem Schenkel des Heizrahmens angebracht sein.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass bei großflächigen Fingerabdruckscannern nach dem Prinzip der gestörten Totalreflexion, die in ständiger Benutzung sind (z.B. in Grenzkontrollpunkten, Konsulaten etc.), der Verschleiß der Prismenoberfläche durch Kratzer ein erhebliches Problem für die Qualitätssicherung der Fingerabdruckaufnahmen darstellt. Eventuelle Schutzschichten oder gehärtete Oberflächen des Prismas verschlechtern die optische Aufnahme oder behindern die zur Kondensationsvermeidung übliche Prismenbeheizung, die ohnehin den Nachteil sehr langer Heizzeiten aufweist.

Die Erfindung löst dieses widersprüchliche Problem, indem auf der optischen Auflagefläche für den Fingerabdruck (typischerweise ein Prisma der Glassorte BK7) eine dünne parallelflächige Deckschicht aus hartem mineralischem oder organischem Glas aufgebracht wird.

Der optische Verbundkörper aus Prisma und Deckschicht, der vorzugsweise durch optisches Kitten entsteht, weist für das Prinzip der gestörten Totalreflexion in jedem Fall optisch wirksame Übergänge (Prismenglas-Kitt-Deckschicht und umgekehrt) auf, die jedoch – wie bei einer Optikrechnung für Linsensysteme – problemlos berechenbar ist und gegenüber herkömmlichen Lösungen (bei denen das gesamte Prisma aufgeheizt wird) wesentlich weniger Energie für die Erwärmung der Auflagefläche benötigt, da nur die dünne Deckschicht (mit geringerer Wärmekapazität) beheizt werden muss. Außerdem hat der bevorzugt als Deckschicht verwendete Saphir (derzeit das härteste optisch einsetzbare Material) die günstige Eigenschaft, dass er – im Vergleich zu Prismenglas (BK7) – die Wärme besonders gut leitet (28fache Wärmeleitfähigkeit).

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, Fingerabdrücke mehrerer Finger einer Hand qualitätsgerecht für die optoelektronische Bildaufnahme zu erzeugen, wobei die Anordnung eine effektive Auflageflächenbeheizung gestattet, ohne bei Inbetriebnahme (oder nach Stand-by-Betrieb) lange Aufwärmphasen einhalten oder erhebliche Energiemengen für die dauerhafte Temperierung der Auflagefläche aufwenden zu müssen, und zugleich robust und unempfindlich gegen mechanische und chemische Beanspruchungen ist. In der bevorzugten Ausführung mit einer Saphirdeckschicht wird neben einer hohen Kratzfestigkeit auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erzielt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung als Schnittdarstellung durch den optischen Verbundkörper,
2: eine Ausgestaltung in Vorderansicht mit Immersionsflüssigkeit und Spannrahmen sowie mit Heizelementen an gegenüberliegenden Randbereichen der Deckschicht,
3: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit einem Heizelement in Form eines U-förmigen Heizrahmens,
4: eine Draufsicht einer Ausführung gemäß 3 auf die Auflagefläche mit aufgelegten Fingern einer Hand und Heizrahmen mit Anzeigeelementen,
5: eine Seitenansicht des Aufbaus analog zu 4, jedoch mit gewölbter Prismenfläche und angepasster Deckschicht sowie Heizrahmen mit Anschlüssen.
Die Ausführung gemäß 1 zeigt einen Grundaufbau der Erfindung als Schnittzeichnung eines optischen Verbundkörpers 1 aus einem Prisma 11 und einer mittels einer Verbindungsschicht 12 angefügten parallelflächigen Deckschicht 13. Die Deckschicht 13 hat – je nach Material und Art der Befestigung auf dem Prisma 11 eine relativ geringe Dicke (ca. 0,5 – 5 mm).
Die freie Oberfläche der Deckschicht 13 stellt die Auflagefläche 14 zum Auflegen der Finger 2 dar und ist in ihrem Randbereich über eine Wärmeleitmatte 31 mit einem Heizelement 3 versehen und damit zugleich die Wärmeeintragsfläche für die Deckschicht 13 (zur Unterdrückung von Kondensationseffekten an der Auflagefläche 14 beim Auflegen der Finger 2). Die Wärme kann durch elektrische Heizer auf der Basis von Widerständen, Heiztransistoren oder anderen elektronischen Bauelementen erzeugt werden. Das Einbringen der Wärme vom Heizelement 3 auf die Deckschicht 13 erfolgt über Wärmeleitung, z.B. mittels angepresster Wärmeleitmaterialien aus Metall (Kupfer) oder Kunststoffen (Wärmeleitmatten, elastische Kunststoffe mit Metallpartikeln) oder über eine thermisch gut leitende dünne und dauerhaft elastische Klebstoffschicht.
Das Prisma 11 weist des Weiteren eine Beleuchtungsfläche zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts 4 sowie eine Auslesefläche für den Abbildungsstrahlengang 5 auf, wodurch die Aufnahme von Fingerabdrücken nach dem Prinzip der gestörten Totalreflexion erfolgen kann.
Die Deckschicht 13 ist durch die Verbindungsschicht 12, die vorzugsweise ein hochtransparenter und elastischer optischer Kleber ist, vom optischen Prisma 11 thermisch getrennt, so dass die Erwärmung der Auflagefläche 14 für die Finger 2 ausschließlich über die Deckschicht 13 möglich ist. Der Vorteil liegt in der einfachen Beheizung. Da die Deckschicht 13 sehr dünn ist, reicht eine vergleichsweise geringe Heizleistung aus, um die Temperierung der Auflagefläche 14 zu bewirken. Das ist vorteilhaft für die Auslegung der Stromversorgung eines Fingerabdruckscanners. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass die Auflagefläche 14 nach jedem Neustart eines Gerätes zur Aufnahme von Fingerabdrücken bereits kurze Zeit nach dem Einschalten ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Die Deckschicht 13 ist aus einem solchen Material gefertigt, das eine hohe Transparenz, eine möglichst hohe Kratzfestigkeit sowie eine gute chemische Beständigkeit hat, um dem optischen Verbundkörper 1 auch bei ständiger und unvorsichtiger Benutzung eine hohe Lebensdauer zu verleihen, und besteht vorzugsweise aus Saphir.
Ein mit einem vorstehend beschriebenen Verbundkörper 1, insbesondere unter Verwendung einer Deckschicht 13 aus Saphir, ausgerüsteter Fingerabdruckscanner hat zusätzlich eine hohe Standfestigkeit gegen mechanische und chemische Belastungen, die durch ständiges Berühren mit Fingern entstehen. Auch unbewusstes oder unbeabsichtigtes Kratzen mit Fingernägeln, Ringen oder Schlüsseln führt dann nicht zu Problemen. Die Deckschicht 13 kann neben der vorzugsweise verwendeten planparallelen Plattenform auch eine gewölbte Oberflächenschicht (z.B. Zylindermantelfläche, siehe 5) sein, die sich auch aus Saphir oder organischem Glas problemlos herstellen lassen.
Die Ausführungsform von 2 zeigt eine Vorderansicht des Prismas 11 mit einer Immersionsflüssigkeit 15 als Verbindungsschicht zur Deckschicht 13. Die Vorderansicht des Verbundkörpers 1 ist als Schnittdarstellung zu betrachten, in der die Ränder des Prismas 11 und der Deckschicht 13 von einem umlaufenden Spannrahmen 16 eingefasst sind. Dadurch kann die Deckschicht 13 im Bedarfsfall unabhängig vom Prisma 11 ausgetauscht werden. Das ist insbesondere von Interesse, wenn als Deckschicht 13 ein organisches Glas verwendet wird, das – auch bei Beschichtung oder Oberflächenveredlung – nicht an die mechanische und chemische Beständigkeit von Saphir herankommt. Als organisches Glas können Polymerkunststoffgläser, z.B. CR 39 (Columbia Resin 39), vorzugsweise mit Beschichtung zu Oberflächenhärtung (Kratzfestigkeitserhöhung wie bei Kunststoffbrillengläsern üblich), verwendet werden. Des Weiteren zeigt 2 eine Gestaltungsvariante der Erfindung mit zwei separaten Heizbalken 32, die jeweils an den gegenüberliegenden Seitenkanten im Randbereich der Deckschicht 13 angebracht sind. Der Randbereich der Auflagefläche 14 wird relativ großflächig verwendet, um wegen der geringen Dicke der Deckschicht 13 (ca. 0,5-5 mm) eine ausreichende Kontaktfläche für den Wärmeübergang über einen wärmeleitenden Kleber 33 auf die Deckschicht 13 zu haben.
3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Darstellung.
In diesem Beispiel ist das Heizelement 3 so ausgebildet, dass es einen Heizrahmen 34 in Form eines kopfstehenden „U" bildet. Der Heizrahmen 34 ist über eine Wärmeleitmatte 31 (oder alternativ über einen wärmeleitenden und elastischen Kleber) entlang von drei Seitenkanten auf der Aufnahmefläche 14 des Verbundkörpers 1 aufgebracht.
Im Basisbereich des Heizrahmens 34, der sich – von der Person aus betrachtet, die ihre Finger 2 auflegt – an der Auflagefläche 14 hinten befindet, sind ein Heiztransistor 35 und ein Temperaturfühler 36 in thermischem Kontakt angebracht.
Heiztransistor 35 und Temperaturfühler 36 sind über elektrische Verbindungen mit einem Heizungsregler 6 verbunden, der das vorgegebene Solltemperatursignal 61 (Äquivalent für beispielsweise 35°C) mit dem gemessenen Isttemperatursignal 62 vergleicht und daraus das Heizungssteuersignal 63 bildet, mit welchem der Heiztransistor 35 ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Nach einer anfänglichen Aufheizphase wird damit die Temperatur der auf das Prisma 11 aufgebrachten Saphirplatte 17 auf einem gewünschten Wert gehalten. Der mechanische und optische Verbundkörper 1 aus Prisma 11 und Saphirplatte 17 ist mit einem optischen Kitt 18 dauerhaft fest hergestellt.
Der Heiztransistor 35 gibt seine Wärme an den Heizrahmen 34 ab, der diese über sein Volumen weiterleitet und mit seiner Fläche auf die darunter liegenden drei Randbereiche der Saphirplatte 17 überträgt.
Der Heizrahmen 34 besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kupfer) und kann an der Oberseite lackiert werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Der Wärmeübergang vom Heizrahmen 34 auf die Saphirplatte 17 (oder auf jede andere geeignete Deckschicht 13) erfolgt über eine dünne gut wärmeleitende Wärmeleitmatte 31, welche genau die gleiche Kontur wie die Kontaktfläche des Heizrahmens 34 hat. Die Wärmeleitmatte 31 überträgt die Wärme an die darunter befindliche Saphirplatte 17, die über die volle Fläche des Prismas 11 reicht.
Die Saphirplatte 17 als Deckschicht 13 stellt an den Kitt 18 als konkrete Ausführung der Verbindungsschicht 12 (1) hohe Anforderungen bezüglich der optischen Eigenschaften, die jedoch bei den anwendungstypischen Auflösungen und Forderungen an Störungsfreiheit (Blasen, Schlieren) erfüllbar sind. Darüber hinaus muss der Kitt 18 thermische Spannungen aufnehmen, die durch die erhöhte Wärmeausdehnung der beheizten Saphirplatte 17 gegenüber dem kälteren Prisma 11 entstehen. Als optischer Kitt 18, der sich auch hervorragend verarbeiten lässt, wird vorzugsweise ein hochtransparenter und hochelastischer Photopolymerkleber, insbesondere ein UV-härtender Photopolymer (z.B. NOA 61 der Fa. Norland Products Inc., USA), verwendet In 4 ist die Anordnung von 3 in einer Draufsicht zu sehen. Vier Finger 2 einer Person liegen flach auf der Auflagefläche 14 auf. Der frei zugängliche, also nicht durch den U-förmigen Heizrahmen 34 bedeckte Teil der Auflagefläche 14 wird so gewählt, dass er dem herkömmlichen Format von Aufnahmefeldern einer Fingerabdruckkarte entspricht. Damit passen vier Finger 2 problemlos auf den freien Bereich der Auflagefläche 14 und die erfassten Bilder mit den Fingerabdrücken entsprechen in ihrem Format den üblichen Standards im Bereich der elektronischen Fingerabdruckübertragung, wie sie international verwendet werden (Interpol, FBI). Der Anwender wird dabei so instruiert, dass er seine Finger 2 gestreckt hält und dann soweit wie möglich nach hinten bis fast an den Basisbereich des Heizrahmens 34 bewegt, bevor die Finger 2 auf die Aufnahmefläche 14 flach abgelegt werden. Durch die erhabene Ausbildung des Heizrahmens 34 ist dieser Ablauf leicht verständlich und auch intuitiv nachvollziehbar.
Im Basisbereich des U-förmigen Heizrahmens 34 sind zusätzliche Anzeigeelemente 7 angeordnet. Diese dienen der Interaktion zwischen Person und Gerät (nicht gezeichnet) und sind beispielsweise als LED 71 mit Piktogrammen 72 bis 74 für die Anzeige von wichtigen Betriebszuständen des Gerätes (Fingerabdruckscanner) ausgebildet. Das Gerät kann dazu so gestaltet sein, dass das vom Abbildungsstrahlengang 5 optisch ausgelesene Bild der Auflagefläche 14, die als Aufnahmefläche (Objektebene) für einen Bildsensor (nicht dargestellt) von letzterem in ein digitales Bild überführt wird, durch eine Recheneinheit periodisch ausgewertet und auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Fingerabdrücken überprüft wird.
Sobald ein Finger 2 erkannt wird, dessen Qualität im digitalen Bild eine zuvor festgelegte Mindestqualität (bezüglich Fläche, Kontrast, Anzahl der im Fingerabdruck enthaltenen Minutien etc.) erreicht, wird das erfasste Bild entweder als gut (speicherfähig) oder als schlecht (und damit nicht verwendbar) kategorisiert und jeweils eine der diesen Kategorien zugeordneten LED 71 eingeschaltet.
Der Anwender erhält damit eine unmittelbare Rückmeldung, ob seine Fingerabdrücke korrekt erfasst wurden (LED 71 mit Piktogramm 72) oder ob er – bei „Schlecht"-Bewertung (LED 71 mit Piktogramm 74) – den Vorgang wiederholen muss.
Falls die ermittelte Qualität zwischen den eindeutig als gut und den eindeutig als schlecht angesehenen Qualitätskriterien liegen sollte, kann eine LED 71 mit dem Piktogramm 73 eingeschaltet werden. Dies signalisiert dem Anwender, dass der aufgenommene Fingerabdruck möglicherweise gerade noch verwendbar ist. Der Anwender wird dann die Entscheidung über Verwendung oder Ablehnung dieses Fingerabdruckbildes nach visueller Bewertung treffen.
5 zeigt in einer Seitenansicht weitere Details des Heizelements 3.
Der Heizrahmen 34 ist in seinem Basisbereich (in dieser Darstellung rechts) so ausgebildet, dass er genügend Platz aufweist, damit der Heiztransistor 35 sowie die Anzeigeelemente 7 nach unten gerichtet montiert werden können. Damit ergibt sich an der Oberseite eine glatte Fläche, während die funktionsbestimmend notwendigen Elemente, Heiztransistor 35, Temperaturfühler 36, Steckverbinder 37 und Anschlusskabel 38 im Inneren des Gerätes verborgen und geschützt sind. Dabei ist zu beachten, dass die optischen Anzeigeelemente LED 71 nicht mit dem optischen Abbildungsstrahlengang 5 in Konflikt geraten.
Für die einfache Montage werden alle elektrischen Verbindungen zwischen den am Heizrahmen 34 montierten Elemente, Heiztransistor 35 und LEDs 71, und der Steuerelektronik des Gerätes (inklusive Heizregler 6) über einen flachen Steckverbinder 37 und ein Anschlusskabel 38 geführt.
Der optische Verbundkörper 1 ist in diesem Fall aus einem speziell geformten Prisma 11 mit einer (z.B. zylindrisch) gewölbten Oberfläche 19, die der Handform besser angepasst ist, und einer mit optischem Kitt 18 aufgeklebten, passend gewölbten Deckfläche 13 zusammengefügt. Der Verbundkörper 1, der mit dem Heizelement 3, bestehend aus Heizrahmen 32, Heiztransistor 35, Temperaturfühler 36 und Anzeigen-LEDs 71, ergänzt ist, kann somit als separate Baugruppe vormontiert und einfach in das vorbereitete Gerät zur Aufnahme von Fingerabdrücken auf Basis der gestörten Totalreflexion eingebaut werden. Neben der optischen Justierung der optischen Flächen für Beleuchtungslicht 4 und Abbildungsstrahlengang 5 muss lediglich für das Heizelement 3 und die Anzeigeelemente 7 das Anschlusskabel 38 über den Steckverbinder 37 angeschlossen werden.
Dem Fachmann ist klar, dass die Erfindung auch als Kombinationen der Gestaltungen von verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert werden kann. So zählt es ebenso zur Lehre der Erfindung, dass der Heizrahmen auch alle vier Seiten der Auflagefläche 14 umschließen oder statt eines einheitlichen Heizelementes 3 aus mehreren separaten Heizelementen (Heizbalken 32) bestehen kann, die ein oder zwei gegenüber liegende Seitenpaare oder auch benachbarte Seiten der Auflagefläche 14 kontaktieren.
Ferner kann auch der Heizrahmen 34 über die Seitenkanten des Prismas 11 hinausragen und damit zugleich als Befestigungsrahmen des Heizelements und des optischen Verbundkörpers 1 im Fingerabdruckscanner ausgebildet sein, wobei in diesem Fall thermisch Isolierschichten zum Gehäuse vorzusehen sind, damit keine Wärme in die Gehäuseteile abgeleitet wird.
Außerdem können vor dem Aufbringen der Deckschicht 13 (bzw. der Saphirplatte 17) auf das Prisma 11 semitransparente Strukturen in Form von Teststrukturen zur Überprüfung der korrekten Aufnahme der Fingerabdrücke und der Einhaltung von Qualitätsparametern, z.B. optische Auflösung (MTF) oder geometrische Genauigkeit (Verzerrungsfreiheit), aufgebracht werden, die durch die abschließende Deckschicht 13 gegen Abnutzung geschützt werden. Ein geeignetes Verfahren zur Qualitätsprüfung ist beispielsweise in der DE 199 27 025 und US 6,407,804 (Hillmann et al.) beschrieben.
Anstelle eines Prismas 11 für das Prinzip der gestörten Totalreflexion kann bei Anwendung anderer optischer Prinzipien (z.B. Streulichtprinzip) auch eine Glasplatte mit Deckschicht 13 versehen werden, ohne dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

1: Verbundkörper
11: Prisma
12: Verbindungsschicht
13: Deckschicht
14: Auflagefläche
15: Immersionsflüssigkeit
16: Spannrahmen
17: Saphirplatte
18: optischer Kitt
19: gewölbte Oberfläche
2: Finger
3: Heizelement
31: Wärmeleitmatte
32: Heizbalken
33: Wärmeleitkleber
34: Heizrahmen
35: Heiztransistor
36: Temperaturfühler
37: Steckverbinder
38: Anschlusskabel
4: Beleuchtungslicht
5: Abbildungsstrahlengang
6: Heizregler
61: Solltemperatursignal
62: Isttemperatursignal
63: Heizsteuersignal
7: Anzeigeelemente
71: LED
72-74: Piktogramme

Claims

Anordnung zur Erzeugung von Fingerabdrücken für eine optoelektronische Bildaufnahme, die ein Prisma zum Beleuchten und Abbilden von Abdrücken mindestens eines auf einer Auflagefläche des Prismas aufgelegten Fingers aufweist, wobei zur Vermeidung von an der Auflagefläche auftretenden Kondensationseffekten mindestens ein Heizelement vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Prisma (11) an der Auflagefläche (14) mit einer optisch wirksamen parallelflächigen Deckschicht (13) aus einem harten und gut wärmeleitenden optischen Material versehen ist, – die Deckschicht (13) und das Prisma (11) mittels einer optischen Verbindungsschicht (12) zu einem optischen Verbundkörper (1) vereinigt sind, wobei die Verbindungsschicht (12) an Prisma (11) und Deckschicht (13) angepasste Brechungs- und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und – das Heizelement (3) mit dem Rand der Deckschicht (13) eine flächige wärmeleitende Verbindung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) aus mineralischem Glas besteht.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) eine Saphirplatte (17) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) aus organischem Glas besteht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus einem Polymerkunststoff, vorzugsweise CR39, besteht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) durch Beschichtung oberflächlich gehärtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) auf das Prisma (11) mit optischem Kitt (18) aufgeklebt ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kitt (18) ein Optikklebstoff hoher Transparenz und Flexibilität ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kitt (18) ein Photopolymerklebstoff, vorzugsweise ein UV-härtender Klebstoff, ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) und das Prisma (11) mit einer optischen Immersionsflüssigkeit (15) verbunden sind, wobei die Immersionsflüssigkeit (15) und die Deckschicht (13) in einem mechanischen Spannrahmen (16) am Prisma (11) eingefasst sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) einen Heiztransistor (35) als aktive Wärmequelle aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) einen Wärmeverteiler (32; 34) zur großflächigen Wärmeeinkopplung in die Deckschicht (13) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverteiler (32; 34) aus einem sehr guten Wärmeleiter, insbesondere Kupfer besteht.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverteiler (32; 34) über Wärmeleitmatten (31) mit der Deckschicht (13) in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverteiler (32; 34) über Wärmeleitkleber (33) mit der Deckschicht (13) in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelemente (3) mit je einem Heizbalken (32) zur Wärmeeinkopplung an mindestens zwei Kantenbereichen der Deckschicht (13) angekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizbalken (32) an mindestens zwei gegenüberliegenden Kantenbereichen der Deckschicht (13) angebracht sind.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) einen Heizrahmen (34) zur Wärmeeinkopplung an mindestens zwei Kantenbereichen der Deckschicht (13) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizrahmen (34) U-förmig ausgebildet ist, wobei die Auflagefläche (14) für die Finger (2) vom Heizrahmen (34) dreiseitig eingefasst ist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Heizrahmen (34) in einem Kantenbereich auf der Auflagefläche (14) der Deckschicht (13) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizrahmen (34) einen Basisbereich und zwei Schenkel aufweist, wobei im Basisbereich die aktive Wärmequelle (35) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizrahmen (34) im Basisbereich einen Temperaturfühler (36) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizrahmen (34) an wenigstens einem Schenkel einen Temperaturfühler (36) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Basisbereich des Heizrahmens (34) Anzeigeelemente (7) angebracht sind, die Betriebszustände oder den Erfolg der Aufnahme der Fingerabdrücke anzeigen.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeelemente (7) mit Piktogrammen (72, 73, 74) versehene Leuchtdioden (71) sind.