DE102008039643A1

DE102008039643A1 - Verfahren und Vorrichtung zur interferometrischen Messung dreidimensionaler biometrischer Merkmale in Haut

Info

Publication number: DE102008039643A1
Application number: DE200810039643
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Noll; Stefan Dipl.-Phys. Hölters
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Personenidentifizierung mit einer Tiefenmessung an der Haut, bei dem ein Untersuchungspunkt der Haut einer Person mit einem elektromagnetischen Messstrahl beaufschlagt wird und in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen eingedrungene, dort an inneren Strukturen reflektierte und/oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung mit einem interferometrischen Sensor erfasst wird, und wobei die erfassten Signale zur Bestimmung mindestens eines biometrischen Merkmals, anhand dessen eine Personenidentifizierung erfolgt, genutzt werden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine hierfür geeignete Vorrichtung.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bei dem die Haut einer Person mit einem elektromagnetischen Messstrahl beaufschlagt wird und in innere Geweberegionen eingedrungene, dort an inneren Strukturen reflektierte und/oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung erfasst wird. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind solche, bei denen eine sichere, insbesondere betrugssichere und schnelle Personenidentifizierung gewünscht ist, wie insbesondere im Bereich der Flugsicherheit und der Zutrittsüberwachung zu sicherheitssensiblen Arbeitsbereichen. Weitere Anwendungsgebiete sind zum Beispiel automatisierte Grenzkontrollen oder die Personenidentifizierung für administrative Zwecke, wie etwa in Personal-, Pass-, Führerschein- und Sozialversicherungsbehörden.
Stand der Technik
Es ist bereits bekannt, einzelne Bereiche des Profils der Hautoberfläche zur Identifizierung von Personen zu verwenden. Dabei werden üblicherweise die individuell unterschiedlichen Fingerlinienbilder, aber auch Linienbilder der Handinnenfläche und der Fußsohle von Menschen als biometrische Merkmale zur Personenidentifikation genutzt. Diese Linienbilder entstehen durch die linienförmige Anordnung der Papillen in der Leistenhaut. Diese Papillenanordnung, welche eigentlich im intra- bis subkutanen Gewebebereich angeordnet ist, führt an der Oberfläche der Haut zu einer ähnlich strukturierten einzigartigen Oberflächentopographie der Haut.
Im Stand der Technik werden bereits verschiedene Technologien zur Erfassung von Fingerlinienbildern eingesetzt. So lassen sich Fingerlinienbilder u. a. beispielsweise mit einem optischen Verfahren ermitteln, bei dem die auf einem Glaskörper ruhende Hautoberfläche (z. B. Finger) mit einer Lichtquelle bestrahlt und der an der Grenzfläche zwischen Glaskörper und Hautoberfläche reflektierte Strahlungsanteil von einem optischen Detektor erfasst wird. Aufgrund ihrer unebnen Oberflächenstruktur hat die Haut dabei an ihren Fingerlinienbergen Kontakt mit dem Glaskörper, an ihren Fingerlinientälern liegt zwischen Hautoberfläche und Glaskörper dagegen ein kleiner Luftspalt vor. Wegen des unterschiedlichen Brechungsindexsprungs zwischen Glas zu Luft einerseits und Glas zu Haut andererseits führt dies zu unterschiedlichen Reflexionsgraden an der Grenzfläche, so dass die reflektierte Strahlung am optischen Detektor ein einem konventionellen Fingerabdruck entsprechendes Bild abbildet.
Andere Verfahren verwenden kapazitive Sensoren oder piezoelektrische Sensoren. Auch deren Messergebnisse entsprechen denen eines Fingerabdrucks.
Nachteilig an den genannten Techniken ist, dass sie beschränkt sind auf Messungen an Leistenhaut (d. h. an der Handinnenseite und der Fußsohle), da nur dieser Hauttyp ein oberflächliches Linienbild aufweist. Vor allem jedoch ist mit diesen Techniken lediglich ein zweidimensionales Abbild der Oberflächentopographie oder allenfalls der Verlauf des Oberflächenprofils ermittelbar. Dies hat den Nachteil, dass diese Verfahren empfindlich gegenüber Verschmutzungen der Hautauflagefläche (Glaskörper, Sensor) sind. Zurückbleibender Schweiß, aber auch Fett, Wassertröpfchen, Staub, etc. können ein latentes Abbild des zuletzt untersuchten Messobjekts auf der Hautauflagefläche (Glaskörper, Sensor) hinterlassen bzw. diese beschädigen. Diese sogenannten ”ghost images” werden anschließend zusammen mit einem nachfolgenden Messobjekt aufgenommen und beeinträchtigen oder verhindern eine ordnungsgemäße Auswertung der neuen Messdaten bzw. die Sicherheit und Korrektheit des Ergebnisses der Personenidentifizierung. Darüber hinaus können diese Verfahren auch vergleichsweise leicht mit betrügerischer Absicht getäuscht werden. So können sie Gummi- oder Silikonimitate, bei denen lediglich die Oberflächentopographie des Originalmessobjekts nachgebildet wurde, nicht vom Originalmessobjekt, z. B. einem Finger, unterscheiden. Derartige Gummiimitate sind relativ leicht herstellbar, was für kriminelle Zwecke ausgenutzt wird.
Die Auswertung oberflächlicher Hautmerkmale zur Personenidentifikation ist daher mit einer prinzipiellen Unsicherheit verbunden.
In der EP1661058 B1 wird darüber hinaus ein biometrisches Identifikationssystem zum Identifizieren eines einzelnen Fingers beschrieben, bei dem die Haut mit fokussierter Strahlung beaufschlagt und die in einem unterhalb der Hautoberfläche befindlichen Fokuspunkt reflektierte Strahlung mit einem Konfokalmikroskop erfasst wird. Mehrere derartige Punktmessungen werden zu einem Intrakutanbild zusammengesetzt. Anhand der Lage von in mehreren Intrakutanbildern aus unterschiedlicher Hauttiefe erkannten Schweißporen erfolgt die Personenidentifizierung.
Der apparative Aufwand eines solchen Identifikationssystems ist allerdings sehr hoch und nimmt mit zunehmender Messtiefe stark zu, so dass nur aus relativ oberflächennahen Hautebenen brauchbare Resultate erzielt werden können. Um anhand der Lage von Schweißporen eine hinreichende Sicherheit bei der Identifizierung zu gewährleisten, muss darüber hinaus eine vergleichsweise große Fläche durchgescannt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Personenidentifizierung bereitzustellen, mit dem eine besonders schnelle, eindeutige und sichere Personenidentifizierung ermöglicht wird, mit dem insbesondere Täuschungsversuche schnell und sicher erkannt werden und bei dem ein hoher apparativer und kostenintensiver Aufwand vermieden wird. Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrund eine dafür geeignete, preiswerte, kompakte und leicht, insbesondere auch ohne Fachpersonal bedienbare Vorrichtung anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich das technische Problem durch ein Verfahren zur Personenidentifizierung mit einer Tiefenmessung lösen lässt, bei dem ein Untersuchungspunkt der Haut einer Person mit einem elektromagnetischen Messstrahl beaufschlagt wird und in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen eingedrungene, dort an inneren Strukturen reflektierte oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung mit einem interferometrischen Sensor erfasst wird, wobei die erfassten Signale zur Bestimmung mindestens eines biometrischen Merkmals, anhand dessen eine Personenidentifizierung erfolgt, genutzt werden.
Zur Personenidentifizierung wird somit eine Tiefenmessung vorgenommen, das bedeutet, es werden ein oder mehrere biometrische Merkmale ”in der Tiefe”, das heißt ”in” und/oder unter der Haut, also jedenfalls unterhalb der Hautoberfläche liegende biometrische Merkmale gemessen. Lediglich ergänzend dazu kann die Personenidentifizierung zusätzlich optional auf eine Ermittlung eines oberflächlichen Fingerlinienbildes bzw. eine Ermittlung der Oberflächentopographie der Haut gestützt werden.
Das Verfahren ist daher unempfindlich gegenüber Verschmutzungen der Sensoroberfläche. Da der interferometrische Sensor biometrische Merkmale in der Haut statt nur an der Hautoberfläche misst, führen Schweiß, Staub, etc. auf der Sensorfläche zwar eventuell zu einer reduzierten Signalstärke, nicht aber zu einer Veränderung der Messdaten. Dies gewährleistet unverfälschte Messergebnisse und gestattet eine exakte Datenanalyse im Hinblick auf eine sichere Personenidentifikation. Täuschungsversuche werden verhindert oder zumindest stark erschwert, da die inneren Strukturen nicht durch Imitate nachbildbar sind.
Bei dem elektromagnetischen Messstrahl handelt es sich vorzugsweise um Strahlung einer spektral breitbandigen Quelle im Sichtbaren oder im nahen Infrarot. Besondere Vorzüge hat eine Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1250 und 1350 nm, da diese eine hohe Eindringtiefe in das Gewebe ermöglicht, wenig Probleme mit Dispersion auftreten und zudem geeignete Lichtquellen und weitere optische Komponenten aus der Glasfasertechnik zur Verfügung stehen. Zum Erzielen einer hohen Eindringtiefe in Gewebe wird typischerweise eine mittlere Leistung im Bereich von 100 μW bis 1 W gewählt. Der elektromagnetische Messstrahl wird fokussiert auf die Hautoberfläche geleitet, so dass der Messfleck auf der Hautoberfläche einen Durchmesser von ca. 2 bis 400 μm, vorzugsweise 10 bis 100 μm aufweist. Im Hinblick auf eine hohe axiale Auflösung (Auflösung in Strahlrichtung) sollte das Spektrum der Strahlquelle zentralwellenlängenabhängig mindestens eine Breite von 10 nm aufweisen. Beispiele für geeignete Strahlquellen sind Superlumineszenzdioden (SLD), Leuchtdioden (LED), Titan:Saphir-Laser und andere durch Kristallfasern spektral verbreiterte Kurzpulslaserstrahlquellen.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren analysierte Haut kann beispielsweise die der Hand, insbesondere eines Fingers, sein. In diesem Fall würde es in Bezug auf die Datenaufnahme bzw. die Interaktion mit der untersuchten Person konventionellen Verfahren ähneln, bei denen zur Personenidentifikation der Fingerabdruck genommen bzw. oberflächliche Fingerlinienbilder bestimmt werden, allerdings mit den bereits genannten Vorteilen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch nicht auf die Untersuchung derartiger Bereiche der Leistenhaut beschränkt, da die Personenidentifikation nicht auf die Hautoberfläche betreffende biometrische Merkmale basiert bzw. auf deren Bestimmung angewiesen ist. Stattdessen kann das Verfahren selbst an Körperstellen durchgeführt werden, welche nicht von Leistenhaut bedeckt sind. In Frage kommen etwa Identifizierungsmessungen auf üblicherweise frei zugängigen Körperstellen, wie etwa der Stirn oder der Fingeroberseite sowie dem Handrücken von Personen. Mit den bei solchen Messungen zusätzlich gewonnenen biometrischen Merkmalen könnte die Betrugssicherheit von Personenidentifizierungssystemen weiter gesteigert werden.
Zur Personenidentifikation werden Signale genutzt, die von Reflexionen bzw. Streuungen in intrakutanen oder subkutanen Geweberegionen stammen, vorzugsweise werden Signale aus beiden, d. h. aus intrakutanen und subkutanen Geweberegionen genutzt. Es werden somit biometrische Merkmale in oder unter der Haut, also jedenfalls unterhalb der Hautoberfläche liegende Merkmale gemessen bzw. bestimmt. Als innere Strukturen, an denen der elektromagnetische Messstrahl reflektiert und/oder gestreut wird, kommen bei Messungen in der Leistenhaut insbesondere die Papillen in Betracht, darüber hinaus z. B. aber auch Blutgefäße, Nerven, Schweißdrüsen und Schweißdrüsenkanäle. Aus den erfassten Signalen können Rückschlüsse auf die die Reflexionen bzw. Streuungen hervorrufenden inneren Strukturen gezogen werden und ein oder mehrere biometrische Merkmale bestimmt werden, etwa die Lage, Anordnung und/oder Verläufe dieser inneren Strukturen. Während beim Berühren von Gegenständen in der Regel unwillkürlich ein Fingerlinienbild – und damit auch ein Hinweis auf die innere Anordnung der Papillenverläufe – zurückgelassen wird, ist zur Positionsbestimmung anderer biometrischer intra- und subkutaner Hautmerkmale eine explizite Messung notwendig. Die Imitation derartiger Merkmale, wie z. B. den Schweißkanalpositionen oder dem Verlauf von Nervenbahnen und Blutgefäßen fremder Personen ist nicht ohne weiteres möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dadurch einen besonders hohen Gehalt an personengebundenen und nicht die Hautoberfläche betreffenden Informationen, wodurch die Eindeutigkeit und Sicherheit der Identifikation erhöht und die Gefahr von erfolgreichen Täuschungsversuchen verringert oder beseitigt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das technische Problem gelöst durch eine Vorrichtung zur Personenidentifizierung, welche eine Tiefen-Messeinrichtung umfasst, aufweisend eine erste Strahlungsquelle, einen für die elektromagnetische Strahlung der ersten Strahlungsquelle transparenten Körper, wobei eine Hautoberfläche einer zu identifizierenden Person durch den transparenten Körper hindurch mit einem elektromagnetischen Messstrahl der ersten Strahlungsquelle beaufschlagt werden kann, einen interferometrischen Sensor, mit dem in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen eingedrungene und dort an inneren Strukturen reflektierte oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung erfassbar ist, eine Auswerteeinheit, mit der aus der erfassten Strahlung mindestens ein biometrisches Merkmal der Person ermittelbar ist und mit einer Identifizierungseinheit, mit der anhand dieses mindestens einen biometrischen Merkmals durch Vergleich mit gespeicherten biometrischen Merkmalen eine Personenidentifizierung durchführbar ist.
Die an den inneren Strukturen gestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung wird mit einem interferometrischen Sensor erfasst. Es wurde erkannt, dass ein solcher sich für die Personenidentifikation in besonderem Maße eignet und dieser erstmals für diesen Zweck eingesetzt. So bietet ein interferometrischer Sensor eine vergleichsweise besonders hohe räumliche Auflösung (in der Größenordnung von wenigen μm), so dass die inneren Strukturen sehr genau abbildbar sind. Damit wird eine hohe Sicherheit bei der Identifizierung ermöglicht. Weiterer Vorteil ist die vergleichweise besonders geringe Gerätegröße, insbesondere für ein Tomographiesystem, und damit verbunden eine geringe Größe des gesamten Systems, was die Anwendbarkeit des Verfahrens für viele Zwecke erst ermöglicht oder vereinfacht. Vorteilhaft sind außerdem die geringen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die vergleichsweise einfache Bedienbarkeit des Systems, da bei Messungen zum Beispiel keine individuelle Fokussierung oder spezifische Einstellung des Geräts auf eine bestimmte individuelle Tiefe, beispielsweise die Tiefe, in der die Papillen verlaufen, notwendig ist.
Darüber hinaus kann der interferometrische Sensor so ausgestaltet sein bzw. wird vorzugsweise so betrieben, dass die Beaufschlagung eines einzelnen Untersuchungspunkts der Haut mit einem elektromagnetischen Messstrahl und die nachfolgende Erfassung der reflektierten bzw. gestreuten Strahlung bereits unmittelbar eine 1D-Tiefeninformation (entlang des in die Haut eindringenden Messstrahls) zur Verfügung stellt. Die Vorteile, insbesondere in Bezug auf die Verfahrensdauer, gegenüber einem stattdessen auf Punktmessungen basierenden Verfahren liegen auf der Hand. Insbesondere können Imitate bereits durch die an einem einzelnen oder wenigen Untersuchungspunkten erhaltene 1D-Tiefeninformation nachgewiesen und ein Täuschungsversuch somit unmittelbar festgestellt werden. Dies kann im Rahmen einer Vorabmessung durchgeführt werden, die dem eigentlichen Verfahren vorangeht.
Bei dem transparenten Körper handelt es sich um einen Körper aus einem beliebigen Material, welches für die elektromagnetische Strahlung, die zur Tiefenmessung verwendet wird, transparent ist, beispielsweise einen Glaskörper. Der transparente Körper kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass der elektromagnetische Messstrahl senkrecht aus der für einen Kontakt mit der Hautoberfläche vorgesehenen Kontaktfläche des transparenten Körpers heraustreten kann. Das damit verbundene senkrechte Eindringen in die Haut erlaubt die größtmögliche Eindringtiefe und damit Tiefe des Messvolumens bzw. ermöglicht es, eine Strahlungsquelle mit geringstmöglicher Intensität zu verwenden.
Im einfachsten Fall kann der transparente Körper ein plattenförmiger Körper sein, d. h. er weist eine für einen Kontakt mit der Hautoberfläche vorgesehenen Kontaktfläche und eine zweite dazu parallel angeordnete Fläche auf. Dabei ist die Messstrahl- und Detektionsrichtung senkrecht zu diesen beiden Flächen des plattenförmigen Körpers vorgesehen.
In der Regel erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insgesamt eine Strahlungsbeaufschlagung an einer Vielzahl von Untersuchungspunkten auf einem zumindest ein-, vorzugsweise jedoch zweidimensionalen Oberflächenbereich der Haut. Anders ausgedrückt besteht eine Gesamtmessung aus einer Vielzahl von Einzelmessungen, bei der jeweils ein einzelner Untersuchungspunkt der Haut mit einem elektromagnetischen Messstrahl beaufschlagt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dabei zwischen zwei Einzelmessungen der Auftreffort der elektromagnetischen Strahlung auf der Hautoberfläche durch laterale Verschiebung der Hautoberfläche oder vorzugsweise des Messstrahls verändert. Dabei erfolgt die Strahlungsbeaufschlagung der Vielzahl von Untersuchungspunkten innerhalb des ein- oder zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut typischerweise sukzessive, insbesondere rasterartig. Das bedeutet, es wird typischerweise ein ein- oder vorzugsweise zweidimensionaler Oberflächenbereich der Haut abgerastert.
Hierfür ist mindestens ein Mittel, z. B. ein optomechanisches Mittel wie beispielsweise ein Linearachssystem, ein Scanner-Spiegel oder auch ein akustooptischer Deflektor zur Führung des elektromagnetischen Messstrahls vorhanden und so ausgebildet, dass die bei Austritt des elektromagnetischen Messstrahls aus der für einen Kontakt mit der Hautoberfläche vorgesehenen Kontaktfläche des transparenten Körpers vorliegende Strahlachse des elektromagnetischen Messstrahls lateral verschiebbar ist, so dass ein zweidimensionaler Oberflächenbereich der Haut, welches ein erstes zweidimensionales Messfeld definiert, abgerastert werden kann. Dieses erste zweidimensionale Messfeld weist vorzugsweise in beiden, also in zwei orthogonalen Richtungen jeweils eine Ausdehnung von mindestens 1 mm auf.
Die Einzelmessungen setzen sich gemäß einer vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung so zu einer Gesamtmessung zusammen, dass die jeweils erfassten Signale insgesamt die tomographische Abbildung eines dreidimensionalen intrakutanen und/oder subkutanen Messvolumens ermöglichen, anders formuliert ergeben die Einzelmessungen insgesamt eine interferometrische 3D-Messung. Für diesen Zweck werden insbesondere die Anordnung und die Abstände der einzelnen Untersuchungspunkte geeignet gewählt. Der Messfleckdurchmesser benachbarter Untersuchungspunkte weist dabei vorzugsweise einen lateralen Überlapp auf.
Das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen hat eine Querschnittsfläche, die im Wesentlichen dem durchgescannten zweidimensionalen Oberflächenbereich der Haut entspricht. Vorzugsweise weist das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen in Strahleindringrichtung eine Tiefe von mindestens 200 μm auf (auf optische Weise gemessen mit einem kalibrierten OCT-Sensor und umgerechnet unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des Gewebes in eine reale Tiefenangabe). Dies ermöglicht in der Regel die Abbildung einer hinreichenden Zahl geeigneter innerer Strukturen für eine sichere Personenidentifikation. Es ist vorteilhaft, die Verläufe von Papillen als biometrisches Merkmal für die Personenidentifizierung zu verwenden. Dadurch können die mit diesem neuartigen Messverfahren gewonnenen biometrischen Messdaten zu einer Person mit den Daten bereits bestehender Datenbanken, die weltweit und insbesondere auch in der Europäischen Union mit dem AFIS-Format (Automatisiertes Fingerabdruckidentifizierungssystem) arbeiten, abgeglichen werden. Insbesondere ist es daher günstig, wenn die Tiefe des Messvolumens so gewählt ist, dass es die linienförmige Anordnung von Papillen, d. h. zumindest ihre Maxima, vorzugsweise sowohl ihre Maxima als auch Minima, welche innerhalb des durch die Querschnittsfläche des Messvolumens vorgegebenen Bereichs liegen, vollständig umfasst.
Typischerweise ist es ausreichend, das Messvolumen auf intrakutane Geweberegionen zu begrenzen. Grundsätzlich kann jedoch ein Messvolumen mit einer noch größeren Tiefe durch die Möglichkeit der Abbildung weiterer, tieferliegender Strukturen die Sicherheit bei der Personenidentifikation weiter erhöhen. Alternativ kann bei Verwendung einer größeren Tiefe eine geringere Querschnittsfläche vorgesehen werden, ohne die Sicherheit der Personenidentifikation einzuschränken. In diesem Fall muss lediglich ein vergleichsweise kleiner zweidimensionaler Oberflächenbereich der Haut abgerastert werden, was die Verfahrensdauer reduziert. Es kann daher vorteilhaft sein, wenn das Messvolumen neben intrakutanen auch subkutane Geweberegionen beinhaltet. Daher hat es besondere Vorteile, wenn das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen in Strahleindringrichtung eine Tiefe von mindestens 1 mm aufweist.
In jedem Fall sollte das erste zweidimensionale Messfeld eine Fläche oder das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen senkrecht zur Strahleindringrichtung eine Querschnittsfläche von mindestens 1 mm² aufweisen, so dass in einer Richtung die laterale Ausdehnung zweier Papillarlinien umfasst wird.
Für die Tiefenmessung, insbesondere die interferometrische 3D-Messung kann beispielsweise ein interferometrischer Sensor nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (OCT) verwendet werden. Vorteil der OCT ist die Entkopplung der transversalen von der axialen Auflösung. Die axiale Auflösung ist dabei nur durch die Bandbreite des verwendeten Lichtes begrenzt. Somit kann eine hohe Auflösung mit Lichtquellen großer Bandbreite erreicht werden.
Grundsätzlich kann das OCT-Verfahren in der Zeitdomäne (Time-Domgin-OCT, TD-OCT) oder der Frequenzdomäne (Frequency-Domain-OCT, FD-OCT) betrieben werden. Vorzugsweise wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren in der Frequenzdomäne durchgeführt, da dadurch schnell und einfach die vollständige Tiefeninformation (1D-Signale) erfassbar ist, ohne dabei für den Tiefenscan bewegliche Teile zu benötigen.
Die Auswerteeinheit mit der die Bildrekonstruktion und die Verarbeitung und Auswertung der Rohdaten erfolgt, umfasst eine Hardware und/oder Software. Neben den notwendigen Koordinatentransformationen, die durch die Scan-Vorgänge verursacht werden können, und einer Bildkontrastierung, kann auch eine automatisierte Strukturerkennung (z. B. von Papillarlinien) im Messvolumen sowie eine integrierte Erkennung von Täuschungsversuchen Bestandteil der Datenverarbeitung und der Datenauswertung sein.
Da die meisten weltweit angelegten Datenbanken zur Fingerabdruckpersonenidentifizierung mit dem sogenannten AFIS-Format arbeiten, ist es sinnvoll, die Messdaten derart aufzubereiten, dass sie Informationen im AFIS-Format zur Verfügung stellen, im Gegensatz zu bisherigen Fingerabdruckscannern allerdings deutlich betrugssicherer sind. Langfristig könnte aber auch ein neues Datenformat, das nicht nur auf das zweidimensionale Fingerlinienbild Bezug nimmt, dreidimensionale biometrische Merkmale speichern und anhand dieser Daten Personenidentifikationen vornehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüber hinaus eine Identifizierungseinheit auf, mit der anhand eines oder mehrerer biometrischer Merkmale durch Vergleich mit gespeicherten biometrischen Merkmalen eine Personenidentifizierung durchführbar ist. Diese Identifizierungseinheit umfasst typischerweise einen Computer sowie einen Datenspeicher, eine Datenbank oder Mittel zum Zugriff auf eine solche.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die erfindungsgemäße Tiefenmessung durch eine Oberflächenmessung ergänzt, zur Durchführung der Oberflächenmessung ist zusätzlich eine 2D-Messeinrichtung vorhanden. Als Oberflächenmessung soll dabei eine Messung verstanden werden, bei der das Oberflächenprofil eines zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut der Person zumindest insoweit vermessen wird, dass Teilbereiche, die mit der für den Kontakt mit der Hautoberfläche vorgesehenen Kontaktfläche des transparenten Körpers direkten Kontakt haben, von Teilbereichen, die von dieser Kontaktfläche beabstandet sind, unterschieden werden können. Das Ergebnis der Oberflächenmessung entspricht somit dem eines Fingerabdrucks (ohne Beschränkung auf einen Finger als Messobjekt). Möglich ist aber auch, die Oberflächenmessung so vorzusehen, dass sie eine vollständige Information über das Oberflächenprofil des untersuchten zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut der Person liefert. In jedem Fall ist die Oberflächenmessung auf oberflächliche Merkmale der Haut beschränkt.
Eine derartige Oberflächenmessung allein hat zwar die bereits beschriebenen Nachteile hinsichtlich der Sicherheit und Betrugssicherheit bei der Personenidentifikation. Als Ergänzung zu einer Tiefenmessung bewirkt eine geeignet eingesetzte Oberflächenmessung jedoch den Vorteil, dass das Verfahren eine schnellere und/oder sicherere Personenidentifikation ermöglicht. Dabei kann die Oberflächenmessung im einfachsten Fall völlig unabhängig von der Tiefenmessung durchgeführt und ihr Ergebnis unmittelbar für die Personenidentifizierung berücksichtigt werden. Dafür könnte die Oberflächenmessung vor, nach oder gleichzeitig mit der Tiefenmessung durchgeführt werden. In einem Identifizierungsschritt kann geprüft werden, ob Oberflächenmessung und Tiefenmessung zu einem sich entsprechenden Ergebnis gelangen.
Von besonderem Vorteil ist es jedoch, die Oberflächenmessung vor der Tiefenmessung vorzunehmen. In diesem Fall ist es möglich, das Ergebnis der Oberflächenmessung dafür zu nutzen, eine für die Personenidentifikation besonders geeignete, gezielte Auswahl des Oberflächenbereichs der Haut, der für die Tiefenmessung durchgescannt wird, zu treffen. Vorzugsweise erfolgt somit eine Auswahl der Untersuchungspunkte und/oder des zweidimensionalen Oberflächenbereichs für die Tiefenmessung abhängig von der bei der Oberflächenmessung ermittelten Oberflächentopographie. Mit der Oberflächenmessung können in der Regel Oberflächenbereiche, die auf das Vorliegen besonders charakteristischer innerer Strukturen hindeuten, erkannt werden. Die Durchführung der Tiefenmessung an besonders charakteristischen inneren Strukturen erhöht die Sicherheit bei der Personenidentifikation.
Andererseits ist es auch möglich, durch die gezielte Auswahl eines besonders geeigneten Oberflächenbereichs für die Tiefenmessung eine (im Vergleich zum Verfahren ohne vorige Oberflächenmessung) geringere Größe dieses Oberflächenbereichs bzw. Messvolumens oder der Querschnittsfläche des Messvolumens vorzusehen, ohne die Sicherheit bei der Personenidentifikation zu verringern. Aufgrund der gezielten Auswahl des Oberflächenbereichs mittels der Oberflächenmessung bleibt sichergestellt, dass auch bei einer vergleichsweise geringen Größe des Oberflächenbereichs die Zahl der im korrespondierenden Messvolumen vorhandenen inneren Strukturen und ihre Verwendbarkeit für die Personenidentifikation ausreichend ist, um eine sichere Personenidentifikation zu gewährleisten. Insbesondere werden Messungen an für die Personenidentifikation nicht geeigneten Stellen vermieden. Durch die geringere Größe des durchzuscannenden Oberflächenbereichs bzw. der geringeren Anzahl von Untersuchungspunkten wird das Verfahren erheblich beschleunigt. Neben der reduzierten Messdauer bei den Scans ausschließlich relevanter Oberflächenbereiche führt dieses selektive Vorgehen auch zu einer verminderten Datenmenge. Deren Verarbeitung und Abgleich mit Datenbanken kann ebenfalls schneller erfolgen, als im Fall einer vollständigen 3D-Messung, ohne dabei die Identifikationssicherheit zu vermindern. Die geringe Zeitdauer der zusätzlichen Oberflächenmessung fällt demgegenüber nicht ins Gewicht, da für diese vergleichsweise deutlich schnellere Messmethoden zur Verfügung stehen.
Die Auswahl des Oberflächenbereichs bzw. des ersten zweidimensionalen Messfeldes für die Tiefenmessung kann dabei insbesondere automatisiert erfolgen. Dabei werden mit einer Auswerteeinheit automatisch Teilbereiche des mit der 2D-Messeinrichtung aufgenommenen Bildes erkannt, welche besonders charakteristisch erscheinen, wie etwa Endungen und Verzweigungen der Papillarleisten, und somit eine hohe Eignung für die Personenidentifizierung durch die Tiefenmessung erwarten lassen. Denkbar ist es auch, anhand des Ergebnisses der Oberflächenmessung bereits (wenn möglich) eine Personenidentifizierung durch Vergleich mit gespeicherten Referenzdaten vorzunehmen und die Auswahl des Oberflächenbereichs bzw. des ersten zweidimensionalen Messfeldes für die Tiefenmessung abhängig von diesen Referenzdaten vorzunehmen, wobei die Auswahl auch in diesem Fall automatisch erfolgen kann.
Für die Oberflächenmessung können grundsätzlich verschiedene, dem Fachmann an sich bekannte Messmethoden eingesetzt werden. Besonders gut für die Kombination mit der Tiefenmessung eignet sich zur Durchführung der Oberflächenmessung jedoch eine rein optische Messmethode. Hierfür wird die auf dem transparenten Körper ruhende, zu untersuchende Hautoberfläche durch den transparenten Körper hindurch mit einer zweiten elektromagnetischen Strahlung bestrahlt (auch für diese ist der transparente Körper transparent). Die dafür verwendete Lichtquelle und/oder eine zusätzlich eingesetzte Aufweitungsoptik ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass die zweite elektromagnetische Strahlung in der Ebene der Grenzfläche zwischen transparenten Körper und Hautoberfläche einen derartigen Querschnitt aufweist, dass sie den gesamten zu untersuchenden zweidimensionalen Oberflächenbereich der Haut bestrahlt. Hierzu kommt eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtquellen in Frage. An dem ein zweites zweidimensionales Messfeld definierenden Teilbereich der Kontaktfläche (bzw. deren Innenseite) des transparenten Körpers zurück reflektierte Strahlungsanteile werden mit einem hierfür geeignet angeordneten optischen zweidimensionalen Sensor erfasst. Da der Brechungsindexsprung zwischen dem Material des transparenten Körpers, wie etwa Glas, und Luft sich von dem Brechungsindexsprung zwischen dem Material des transparenten Körpers und Haut unterscheidet, lässt sich anhand des vom zweidimensionalen Sensor erfassten Bildes erkennen, an welchen Stellen die Hautoberfläche mit dem transparenten Körper direkten Kontakt hat und an welchen Stellen zwischen Hautoberfläche und transparenten Körper zumindest ein kleiner Abstand besteht. Somit können insbesondere Fingerlinienberge von Fingerlinientälern unterschieden werden. Mit anderen Worten ist die Erfassung eines 2D-Abbildes eines Fingerlinienmusters, d. h. eines Fingerabdrucks möglich. Es handelt sich um eine unmittelbar zweidimensionale Messmethode, d. h. eine Relativbewegung zwischen Messobjekt und elektromagnetischer Strahlung, also eine Führung der Strahlung über die zu untersuchende Oberfläche, ist nicht erforderlich. Somit ist die Verfahrensdauer der Oberflächenmessung vernachlässigbar.
Vorzugsweise wird bei dieser Art der Oberflächenmessung der Effekt der Totalreflexion ausgenutzt. Dafür wird die Lichtquelle so angeordnet, dass die zweite elektromagnetische Strahlung beim Auftreten eines Brechungsindexsprungs vom Material des transparenten Körpers zu Luft totalreflektiert wird.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Photodetektor (z. B. CCD- oder CMOS-Kamera) handeln. Außerdem ist typischerweise eine Detektoroptik vorhanden, mit der das reflektierte Licht auf den Sensor, also z. B. den Photodetektor abgebildet wird.
Bei der Kombination der Tiefenmessung mit der beschriebenen Art der Oberflächenmessung wird das Messobjekt durch denselben transparenten Körper hindurch mit der ersten und der zweiten elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt. Hierdurch ist eine einfache und unmittelbare zeitliche Abfolge der beiden Messverfahren möglich mit dem geringst möglichen apparativen Aufwand. Dabei überschneiden sich das (mit der Tiefenmessung korrespondierende) erste und das (mit der Oberflächenmessung korrespondierende) zweite zweidimensionale Messfeld. Der transparente Körper ist somit vorzugsweise so ausgebildet und geformt, dass er die Beaufschlagung dieses Überschneidungsbereichs sowohl durch die erste als auch durch die zweite elektromagnetische Strahlung ermöglicht. Vorzugsweise kann das erste im zweiten zweidimensionalen Messfeld enthalten oder beide Messfelder identisch sein. Insbesondere können die beiden Messverfahren auch gleichzeitig betrieben werden. Vorzugsweise erfolgt die Oberflächenmessung aber vor der Tiefenmessung, so dass die Ergebnisse der Oberflächenmessung wie bereits beschrieben für die Auswahl des mit der Tiefenmessung untersuchten Hautbereichs herangezogen werden.
Innerhalb des transparenten Körpers sind die Strahlachse der ersten elektromagnetischen Strahlung und die der zweiten elektromagnetischen Strahlung vorzugsweise gegeneinander gekippt, d. h. die Strahlachsen weisen also einen vorgegebenen Winkelversatz auf. Dieser Winkel beträgt materialabhängig vorzugsweise 40° bis 70° zur Flächennormalen. Dies erleichtert die Strahlführung und Signalerfassung der beiden Messverfahren.
Vorzugsweise weist der transparente Körper neben der für einen Kontakt mit der Hautoberfläche vorgesehenen Kontaktfläche eine dieser Kontaktfläche gegenüberliegende, vorzugsweise zu dieser parallele oder im Wesentlichen parallele Fläche, sowie zwei zur Kontaktfläche geneigte Flächen auf. Die Flächennormalen der beiden zur Kontaktfläche geneigten Flächen weisen gegenüber der Flächennormalen der Kontaktfläche einen vorgegebenen Winkelversatz auf. Dies ermöglicht eine Strahlführung, bei der die Strahlachse eines der beiden Messverfahren senkrecht zur Kontaktfläche verläuft und für den Eingangsstrahl und den reflektierten Strahl identisch ist, und die gegenüber den Strahlachsen des anderen Messverfahrens geneigt sind, wobei Eingangsstrahl und reflektierter Strahl unterschiedliche Strahlachsen aufweisen. Dabei erfolgt der Eintritt der Strahlen in den und Austritt aus dem transparenten Körper vorzugsweise sowohl durch die der Kontaktfläche gegenüberliegende als auch durch die beiden geneigten Flächen jeweils senkrecht zu der jeweiligen Fläche.
Gemäß einer vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung wird die der Kontaktfläche gegenüberliegende Fläche als Ein- und Austrittsfläche für die erste elektromagnetische Strahlung (d. h. Tiefenmessung) in den bzw. aus dem transparenten Körper verwendet. Dies ermöglicht ein senkrechtes Eindringen in die Haut mit den bereits beschriebenen Vorteilen. Dementsprechend wird eine der geneigten Flächen als Eintritts-, die andere geneigte Fläche als Austrittsfläche für die zweite elektromagnetische Strahlung (d. h. Oberflächenmessung) benutzt. Die Strahlführung der zweiten elektromagnetischen Strahlung und/oder der transparente Körper ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die zweite elektromagnetische Strahlung auf die Innenseite der Kontaktfläche des transparenten Körpers unter einem Winkel auftrifft, der für den Übergang aus dem Material des transparenten Körpers, insbesondere Glas, zu Luft die Bedingung für Totalreflexion erfüllt. Das bedeutet, der Winkel zwischen der Strahlachse und der Normalen der Kontaktfläche ist größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Für den Übergang von Glas zu Luft liegt dieser Grenzwinkel (θ = arcsin(n(Luft)/n(Glas))) beispielsweise bei etwa 40°. Die Ein- und Austrittsfläche des transparenten Körpers können beispielsweise derart geneigt sein, dass die Strahlachse der in den transparenten Körper eindringenden zweiten elektromagnetischen Strahlung senkrecht zur Eintrittsfläche und die Strahlachse der an der Kontaktfläche reflektierten Strahlung senkrecht zur Austrittsfläche liegt.
Die der Kontaktfläche gegenüberliegende Fläche kann parallel zur Kontaktfläche angeordnet sein. Vorteilhaft ist aber auch eine Ausführungsform, bei der die der Kontaktfläche gegenüberliegende Fläche lediglich im Wesentlichen parallel zur Kontaktfläche ist, nämlich derart geformt, insbesondere gekrümmt ist, dass in den transparenten Körper eintretende Messstrahlen so gebrochen werden, dass ihr Strahlengang im transparenten Körper senkrecht zur Kontaktfläche verläuft. Die Messstrahlen müssen somit nicht bereits vor dem transparenten Körper senkrecht zur Kontaktfläche ausgerichtet sein. Dies vereinfacht die Strahlführung bzw. das Durchscannen des ersten zweidimensionalen Messfeldes und gestattet eine unkomplizierte Bildrekonstruktion sowie eine größtmögliche Eindringtiefe der Messstrahlung in das Messobjekt. Die gleiche Funktion könnte jedoch auch ein zusätzliches optisches Mittel, z. B. eine Linse, erfüllen.
Die Größe der der Kontaktfläche gegenüberliegende Fläche entspricht mindestens dem ersten zweidimensionalen Messfeld, d. h. dem mit der Tiefenmessung untersuchten Oberflächenbereich der Haut und hat daher zumindest eine Ausdehnung von 1 mm bzw. einen Flächeninhalt von mindestens 1 mm², vorzugsweise jedoch eine Ausdehnung von mindestens 4 mm und einen Flächeninhalt von mindestens 16 mm².
Grundsätzlich ist auch eine Vertauschung der Strahlengänge von Tiefenmessung und Oberflächenmessung möglich.
Als transparenter Körper kann beispielsweise ein modifiziertes Prisma, insbesondere ein Dove-Prisma eingesetzt werden.
Die Tiefen-(insbesondere 3D-)Messeinrichtung und die 2D-Messeinrichtung können aufeinander kalibrierbar sein. Damit ist die Rückführbarkeit der Ergebnisse des interferometrischen Sensors der Tiefenmesseinrichtung und die des Sensors der 2D-Messeinrichtung gewährleistet. Die Kalibrierung der Tiefen-Messeinrichtung, d. h. die laterale und axiale Kalibrierung des interferometrischen Sensors und dessen Kalibrierung in Bezug auf die 2D-Messeinrichtung bzw. des entsprechenden Sensors kann auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichen Kalibrierkörpern erfolgen. Der Kalibrierkörper kann z. B. als separates, sensorunabhängiges Kalibrierobjekt, als sensor-externes, also z. B. im Sensorgehäuse oder im Schutzdeckel des Sensorfelds befindliches Kalibrierobjekt oder als sensor-internes Kalibrierobjekt, z. B. realisiert durch Markierungen auf der Kontaktfläche des transparenten Körpers oder im transparenten Körper, ausgebildet sein. Der Kalibrierkörper kann insbesondere z. B. ein transparentes Objekt sein, in dessen Inneren die zur Kalibrierung notwendigen Markierungen mittels Laser-Innengravur vorgenommen wurden. Sowohl für die 2D- als auch für die interferometrischen (insbesondere 3D-)Sensoren werden die Messungen am Kalibrierkörper bei Bedarf oder auch kontinuierlich zur integrierten Kalibrierung und Prüfmittelüberwachung der Sensoren ausgewertet.
Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren bedarfsweise durch weitere Messmethoden ergänzt werden, etwa durch eine Thermographieaufnahme der Haut zwecks Lebenderkennung des Messobjekts.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1: Schematische Darstellung der Haut
2: Schematische Darstellung der Erfindung
3: Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit kombinierter Tiefen- und Oberflächenmessung
4: Schematische Darstellung von Messbereichen in der Haut
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Haut. Der hier dargestellte als Leistenhaut bezeichnete Hauttyp, welcher z. B. an der Handinnenseite (Palmar) und der Fußsohle (Plantar) vorliegt, besteht von außen nach innen aus der Oberhaut (Epidermis) 1, der Lederhaut (Dermis) 2 und der Unterhaut (Subcutis) 3. In der Leistenhaut sind die Papillen (Stratum Papillare) 4, die in der Lederhaut 2 lokalisiert sind, in Längsreihen angeordnet. Durch diese linienförmige Anordnung der Papillen 4 innerhalb der Haut entstehen die einzigartigen Linienbilder der Handinnenseite und der Fußsohle. Neben den Papillen 4 erkennt man weitere innere Strukturen, insbesondere Blutgefäße 5, Nerven 6, Schweißdrüsen 7' und Schweißdrüsenkanäle 7''. Die angegebenen Tiefen können je nach Hautbereich und vor allem von Person zu Person variieren.
2 zeigt schematisch das Verfahren zur interferometrischen Messung dreidimensionaler biometrischer Merkmale in Haut. Ausgehend vom interferometrischen Sensor 8 wird ein Messstrahl 9' mit einer Wellenlänge von 1310 nm über eine Strahlformung und -führung 10 durch das transparente Sensorfeld 11 auf das Messobjekt 12 gelenkt. Trifft der Messstrahl 9' auf die Messobjektoberfläche 13, so wird dort ein Teil der Strahlung gestreut und gelangt als Teilstrahl 14' zurück in den interferometrischen Sensor 8. Der nicht gestreute Anteil des Messstrahls 9'' dringt in tiefer liegende Geweberegionen ein und wird dort ebenfalls an innen liegenden Strukturen 15', 15'', 15''' zum Teil zurückgestreut. Auch dieser Teilstrahl 14'' gelangt zurück in den interferometrischen Sensor 8 und wird detektiert.
Der elektromagnetische Messstrahl 9' wird dabei z. B. mit einer Fokussierlinse einer Brennweite von 50 mm fokussiert auf die Hautoberfläche 13 geleitet, so dass der Messfleckdurchmesser auf der Hautoberfläche ca. 40 μm beträgt. Der Fokus ruht dabei bei einer Einzelmessung, d. h. bei einem 1D-Tiefenscan. Der Messfleckdurchmesser benachbarter Untersuchungspunkte weist einen lateralen Überlapp von ca. 50% auf. Durch eine Führung des Messstrahls 9' über das Messobjekt 12 (bzw. dessen Oberfläche 13) werden tomographische Messungen im dreidimensionalen Messvolumen 16 möglich. Da sich an den Grenzflächen der inneren Strukturen 15', 15'', 15''' der Reflexionsgrad ändert, sind diese im rekonstruierten 3D-Bild deutlich erkennbar. Beispielsweise wird ein erstes zweidimensionales Messfeld bzw. ein Oberflächenbereich der Haut von 4 × 4 mm durchgescannt, wobei 200 × 200 Untersuchungspunkte, also insgesamt 40000 Untersuchungspunkte angesteuert werden, was zu einer lateralen Auflösung von 20 μm pro Bildelement führt. Je nach Anforderung könnten aber auch gröbere laterale Auflösungen (für Vor-Scans) oder feinere laterale Auflösungen (für einzelne Minutien oder Schweißdrüsen) eingestellt werden und sinnvoll sein. Dabei ist die optische Auflösung mit der Scan-Schrittweite jeweils anzupassen.
Die 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die eine kombinierte interferometrische 3D- und optische 2D-Datenerfassung biometrischer Merkmale ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst als transparenten Körper ein Dove-Prisma 17, welches im Vergleich zu einem herkömmlichen Prisma eine weitere Körperseite parallel zur Sensorfläche 18 aufweist, durch deren Fläche 19 die interferometrische 3D-Messung erfolgen kann.
Ausgehend vom interferometrischen (insbesondere OCT-)Sensor 8 wird der 3D-Messstrahl 9' über eine Strahlformung und -führung 10 auf den Glaskörper 17 gelenkt. Bei einer geeigneten Krümmung 20 der Eintrittsfläche 19 besteht die Möglichkeit, eine Anordnung zu wählen, bei der der 3D-Messtrahl 9' senkrecht aus dem Sensorfeld 17 bzw. dessen Kontaktfläche 18 heraustritt. Der Messstrahl 9' trifft zunächst auf die Messobjektoberfläche 13, z. B. eine Fingerkuppe mit Fingerlinienbergen 21 und Fingerlinientälern 22, wo ein Teil des Lichts 23' epitaxial in Richtung des interferometrischen Sensors 8 zurückgestreut wird. Ein Teil des Messstrahls 9' tritt in das Messobjekt 12 ein und wird dort an inneren Strukturen 15' zurückgestreut. Die Detektion des dort teilweise gestreuten Messstrahls 23'' erfolgt wiederum im interferometrischen Sensor 8. In der 3 sind bereits mehrere Strahlengänge des Messstrahls 9' dargestellt. Diese werden typischerweise nacheinander zur Durchführung mehrerer Einzelmessung an jeweils einem Untersuchungspunkt auf der Haut bzw. insgesamt zum Durchscannen eines zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut bzw. eines ersten zweidimensionalen Messfeldes durchlaufen, wie bereits für 2 beschrieben.
Die von einer anderen Lichtquelle 24 emittierten Messstrahlen 25 der zweiten elektromagnetischen Strahlung für 2D-Messungen treten an einer ersten Planfläche 26' in den Glaskörper 17 ein und treffen auf die Sensorfläche 18. Dort werden die Messstrahlen 25 abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts 12 teilweise transmittiert, sofern und wo eine Berührung 27' zwischen einem Fingerlinienberg 21 und dem Sensorfeld 18 vorliegt, und teilweise reflektiert, sofern zwischen Fingerliniental 22 und Sensorfeld 18 ein Luftspalt 27'' ist. Das reflektierte Licht 28 tritt an einer zweiten Planfläche 26'' aus dem Glaskörper 17 aus. Über eine Detektoroptik 29 erfolgt die Detektion der reflektierten Messstrahlen 28 durch den 2D-Sensor 30.
Die kombinierte interferometrische 3D- und optische 2D-Datenerfassung biometrischer Merkmale hat damit die folgenden Schritte:

• Durchführung einer konventionellen 2D-Messung der Hautoberfläche, Erkennung oberflächlicher biometrischer Merkmale der Haut, Festlegung von Hautbereichen für den anschließenden interferometrischen 3D-Scan
• Selektiver 3D-Scan der durch die 2D-Messung festgelegten Hautbereiche oder wahlweise vollständiger 3D-Scan der Haut
• Matching der 2D- und der 3D-Messdaten, Ausschluss eines Täuschungsversuchs, Extraktion der für die Personenidentifikation relevanten biometrischen Merkmale

4 zeigt schematisch Beispiele für die gewählte Tiefe des mit der Tiefenmessung untersuchten dreidimensionalen Messvolumens 16. In vielen Fällen genügt bereits eine geringe Messtiefe 31, deren Größe ausreicht, dass das dreidimensionale Messvolumen 16 zumindest die Maxima, d. h. Papillenberge 32 von Papillen 4 enthält. Eine größere Messtiefe 33, bei der das dreidimensionale Messvolumen 16 jedoch sowohl die Maxima 32 als auch die Minima, d. h. Papillentäler 34 von Papillen 4 enthält, ermöglicht eine noch sichere Personenidentifikation. Diese lässt sich mit einer noch größeren Messtiefe, bei der darüber hinaus Schweißdrüsen, Blutgefäße oder Nerven als biometrische Merkmale berücksichtigt werden, weiter verbessern.
Abhängig vom Anwendungsfall kann die Messtiefe fest vorgegeben werden oder individuell abhängig vom untersuchten Gewebe bzw. der untersuchten Person eingestellt werden, wobei im letzteren Fall eine Bestimmung der Messtiefe beispielsweise durch eine Vorabmessung erfolgen kann.

1: Oberhaut
2: Lederhaut
3: Unterhaut
4: Papillen
5: Blutgefäße
6: Nerven
7': Schweißdrüsen
7'': Schweißdrüsenkanäle
8: interferometrischer Sensor, inkl. Strahlungsquelle
9', 9'': elektromagnetischer Messstrahl (erste elektromagnetische Strahlung)
10: Strahlformung und -führung
11: transparenter Körper
12: Messobjekt
13: Oberfläche des Messobjekts
14', 14'': Reflektierte Teilstrahlen
15', 15'', 15''': Innere Strukturen
16: Dreidimensionales Messvolumen
17: Dove-Prisma
18: Kontaktfläche
19: der Kontaktfläche gegenüber liegende Fläche des transparenten Körpers
20: Krümmung der Kontaktfläche gegenüber liegende Fläche des transparenten Körpers
21: Fingerlinienberg
22: Fingerliniental
23', 23'': Zurückgestreute Strahlung
24: Lichtquelle für die Oberflächenmessung
25: zweite elektromagnetische Strahlung
26', 26'': Flächen des transparenten Körpers
27': Berührung von Fingerlinienberg und Kontaktfläche
27'': Luftspalt zwischen Fingerlinienberg und Kontaktfläche
28: reflektierte zweite elektromagnetische Messstrahlung
29: Detektoroptik
30: 2D-Sensor für Oberflächenmessung
31: erste Messtiefe
32: Papillenberg
33: zweite Messtiefe
34: Papillental

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1661058 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Personenidentifizierung mit einer Tiefenmessung, bei dem ein Untersuchungspunkt der Hautoberfläche (13) einer Person mit einem elektromagnetischen Messstrahl (9') beaufschlagt wird und in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen (1, 2, 3) eingedrungene, dort an inneren Strukturen (15', 15'', 15'') reflektierte und/oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung (14'', 23'') mit einem interferometrischen Sensor (8) erfasst wird, und wobei die erfassten Signale zur Bestimmung mindestens eines biometrischen Merkmals, anhand dessen eine Personenidentifizierung erfolgt, genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbeaufschlagung an einer Vielzahl von Untersuchungspunkten auf einem zweidimensionalen Oberflächenbereich der Haut erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbeaufschlagung der Untersuchungspunkte innerhalb des zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut sukzessive, insbesondere rasterartig, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Signale die tomographische Abbildung eines dreidimensionalen intrakutanen und/oder subkutanen Messvolumens (16) ermöglichen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen (16) in Strahleindringrichtung eine Tiefe von mindestens 200 μm aufweist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale intrakutane und/oder subkutane Messvolumen (16) senkrecht zur Strahleindringrichtung eine Querschnittsfläche von mindestens 1 mm² aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf von Papillen (4) als biometrisches Merkmal für die Personenidentifizierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefenmessung mit dem interferometrischen Sensor (8) nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (OCT) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Tiefenmessung eine Oberflächenmessung erfolgt, bei der das Oberflächenprofil eines zweidimensionalen Oberflächenbereichs der Haut der Person zumindest insoweit vermessen wird, dass Teilbereiche, die mit der für den Kontakt mit der Hautoberfläche (13) vorgesehenen Kontaktfläche (18) des transparenten Körpers (17) direkten Kontakt haben, von Teilbereichen, die von dieser Kontaktfläche (17) beabstandet sind, unterschieden werden können.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl der Untersuchungspunkte und/oder des zweidimensionalen Oberflächenbereichs für die Tiefenmessung abhängig vom Ergebnis der Oberflächenmessung erfolgt.
Vorrichtung zur Personenidentifizierung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine 3D-Messeinrichtung umfasst, aufweisend • eine erste Strahlungsquelle (8), • einen für die elektromagnetische Strahlung (9') der ersten Strahlungsquelle (8) transparenten Körper (11, 17), wobei eine Hautoberfläche (13) einer zu identifizierenden Person durch den transparenten Körper (11, 17) hindurch mit einem elektromagnetischen Messstrahl (9') der ersten Strahlungsquelle (8) beaufschlagt werden kann, • einen interferometrischen Sensor (8), mit dem in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen (1, 2, 3) eingedrungene und dort an inneren Strukturen (15', 15'', 15''') reflektierte und/oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung (14'', 23) erfassbar ist, • eine Auswerteeinheit, mit der aus der erfassten Strahlung mindestens ein biometrisches Merkmal der Person ermittelbar ist • und eine Identifizierungseinheit, mit der anhand dieses mindestens einen biometrischen Merkmals durch Vergleich mit gespeicherten biometrischen Merkmalen eine Personenidentifizierung durchführbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper (11, 17) derart ausgebildet ist, dass der elektromagnetische Messstrahl (9') senkrecht aus der für einen Kontakt mit der Hautoberfläche (13) vorgesehenen Kontaktfläche (18) des transparenten Körpers (11, 17) heraustreten kann.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel (10, 20) zur Formung und Führung des elektromagnetischen Messstrahls (9') vorhanden und so ausgebildet ist, dass die bei Austritt des elektromagnetischen Messstrahls (9') aus der für einen Kontakt mit der Hautoberfläche (13) vorgesehenen Kontaktfläche (18) des transparenten Körpers (11, 17) vorliegende Strahlachse des elektromagnetischen Messstrahls (9') lateral verschiebbar ist, so dass ein erstes zweidimensionales Messfeld durchgescannt werden kann.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste zweidimensionale Messfeld in beiden Richtungen jeweils eine Ausdehnung von mindestens 1 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine 2D-Messeinrichtung vorhanden ist umfassend eine zweite Strahlungsquelle (24), mittels der die Hautoberfläche (13) der zu identifizierenden Person durch den transparenten Körper (11, 17) hindurch mit einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (25) beaufschlagbar ist, sowie einen optischen Sensor (30), welcher derart angeordnet ist, dass er Strahlungsanteile (28) der zweiten elektromagnetischen Strahlung, die an einem, ein zweites zweidimensionales Messfeld definierenden Teilbereich der Kontaktfläche (18) des transparenten Körpers (11, 17) reflektiert werden, erfassen kann.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite zweidimensionale Messfeld sich überschneiden, vorzugsweise dass das erste im zweiten zweidimensionalen Messfeld enthalten ist oder beide Messfelder identisch sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper ein Dove-Prisma (17) ist oder umfasst.