DE102009055737A1

DE102009055737A1 - Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer störfähigen internen Totalreflexion und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102009055737A1
Application number: DE102009055737A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Bernhard Dr. Kley; Jörg Reinhold
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011063783A1

Abstract

Aufgabe war es, eine Vorrichtung zur störfähigen internen Totalreflexion mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand und kleiner Baugröße zu schaffen, mit welcher auch die optischen Bedingungen der Totalreflexion zur möglichst universellen Verwendung beeinflusst werden können. Erfindungsgemäß wird als internes Reflexionselement (IRE) ein Substrat (7) mit einer als optisches Phasengitter (8) ausgeprägten Oberfläche zur Ein- und Auskopplung des Lichts (9, 12) vorgeschlagen. Die Erfindung dient zur Auswertung von gestörter interner Totalreflexion, beispielsweise als Bild- oder Flächensensor zur Detektion von Hand- oder Fingerabdrücken.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer durch ein Objekt störfähigen internen Totalreflexion und deren Verwendung als Bild- oder Flächensensor, beispielsweise zur Detektion von Hand- oder Fingerabdrücken.
Die Vorrichtung enthält ein für Licht transparentes Medium, in welches das Licht eingekoppelt und an einer Oberfläche dieses Mediums eine interne Totalreflexion erfährt. Danach wird das Licht aus dem Medium ausgekoppelt.
Für die Totalreflexion muss ein bestimmter maximaler Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der besagten Oberfläche des Mediums unterschritten werden. Dieser Winkel ist der Grenzwinkel der Totalreflexion. Er hängt von den Brechzahlen des Mediums und der Umgebung (beispielsweise Luft) ab.
Wird ein Objekt von außen in die unmittelbare Umgebung der Totalreflexion gebracht, dessen Brechzahl von der Brechzahl der Umgebung abweicht, wird die Totalreflexion im Innern des Mediums gestört.
Durch Auswertung dieser gestörten Totalreflexion ist es möglich, Informationen über die Störung bzw. das störende ein Objekt an der Oberfläche zu erlangen. Dazu wird das reflektierte Licht nach Auskopplung aus dem Medium geeignet abgebildet.
Anwendung findet diese Methode zum Beispiel bei der Detektion von Fingerabdrücken ( US 3,716,301A ) und bei der ATR-Spektroskopie (ATR – attenuated total reflecion, abgeschwächte Totalreflexion, z. B. US 2002/0154311 A1 ; US 2005/0062974 A1 ) bzw. Refraktometrie.
Ferner ist es möglich, ein an der Oberfläche des Mediums befindliches Objekt zu beeinflussen. Außerhalb des Mediums in der Nähe der Oberfläche entsteht bei interner Totalreflexion ein evaneszentes Feld. Dieses kann in Metallen, die sich an der Grenzfläche befinden, Oberflächenplasmonen anregen (beispielsweise P. Pattnaik: Surface plasmon resonance, Applied biochemistry and biotechnology, 2005, Springer-Verlag, 79–92). Dieses Konzept wird als Kretschmann-Konfiguration bezeichnet.
Kernstück einer Vorrichtung zur Ausnutzung von gestörter interner Totalreflexion (FTIR – frustrated total internal reflection, ATR – attenuated total reflection) ist ein Reflexionselement (IRE – internal reflection element), welches dafür sorgt, dass intern an der Grenzfläche der notwendige Grenzwinkel für die Totalreflexion erreicht wird.
Zur optischen Fingerabdruckdetektion ( US 3,716,301A ), zur ATR-Spektroskopie ( US 2002/0154311 A1 ; US 2005/0062974 A1 ) und Refraktometrie sowie zur besagten Anregung von Oberflächenplasmonen (P. Pattnaik: Surface plasmon resonance, Applied biochemistry and biotechnology, 2005, Springer-Verlag, 79–92) mittels FTIR wird als Reflexionselement üblicherweise ein Prisma eingesetzt (vgl. hierzu 1).
Beim Prisma sind die optischen Bedingungen, d. h. Ein- und Austrittswinkel für die Lichtstrahlung mit dem Totalreflexionswinkel durch das Brechungsgesetz verknüpft. Sie können nicht verändert werden und führen zu relativ großen und durch das Prismenmaterial relativ schweren Bauformen der Vorrichtung, wodurch insbesondere ein universeller, mobiler Einsatz derartiger Einrichtungen (z. B. Fingerabdruckscanner) beschränkt ist.
Es ist auch bekannt, insbesondere bei der ATR-Spektroskopie und Refraktometrie mitunter optische Fasern (beispielsweise US 5,170,056 A ) oder auch so genannte ATR-Kristalle (wie z. B. US 5,093,580 A ) als Reflexionselemente einzusetzen.
Optische Fasern sind zwar klein von ihren Abmessungen, allerdings können mit selbigen auch nur sehr kleine Flächen bzw. Lichtflecke detektiert werden. Bei Verwendung eines Faserbündels (Fasern hoher Anzahl im Verbund) geht dieser Vorteil des geringen Platzbedarfs hingegen wieder verloren; diesbezügliche Vorrichtungen waren wiederum nachteilig groß sowie noch dazu aufwendig und kostenintensiv, so dass für großflächige Detektionen, wie sie für Finger- oder Handabdruckscanner insbesondere im Größenbereich von Zentimetern bis wenigen Dezimetern erforderlich sind, die vorgenannten Prismen als Reflexionselemente eingesetzt werden. Außerdem würde beim Einsatz von Faserbündeln durch den Sensor eine ebenfalls nachteilige Diskretisierung der Bildinformation entstehen.
Optische Fasern als Elemente für die Totalreflexion sind daher eher für relativ kleine Detektionsflächen zweckmäßig.
Die genannten ATR-Kristalle sind transparente Materialien, die eine spezielle Geometrie besitzen, mit der eine Lichteinkopplung ermöglicht wird, so dass es sich in dem Kristallmaterial mit Winkeln ausbreitet, die an bestimmten Grenzflächen interne Totalreflexion bewirken. Ein Glasprisma ist somit ein Spezialfall eines solchen Kristalls.
Damit gelten für Anwendungen dieser speziellen Kristalle nach den Gesetzen der geometrischen Optik grundsätzlich die gleichen Voraussetzungen, Bedingungen und Nachteile (beispielsweise Mindestgröße), wie sie vorstehend bereits zu Vorrichtungen mit Prismen erwähnt sind.
Bei allen diesen technischen Lösungen sind im Übrigen, wie bereits angesprochen, die optischen Bedingungen der Lichtein- und -auskopplung sowie Totalreflexion durch die konstruktiven Gegebenheiten der das Reflexionselement enthaltenden Vorrichtung festgelegt und damit unveränderbar.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur störfähigen internen Totalreflexion mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand und kleiner Baugröße zu schaffen, mit welcher auch die optischen Bedingungen der Totalreflexion zur möglichst universellen Verwendung beeinflusst werden können.
Insbesondere soll bei festgelegtem Totalreflexionswinkel ein, davon unabhängiges Festlegen der erforderlichen Einfalls- und Austrittswinkel möglich sein. Darüber hinaus soll mit der Erfindung eine auch speziell für mobilen Betrieb kleine und praktikabel einsetzbare Vorrichtung zur Ausnutzung einer störfähigen internen Totalreflexion ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird als Reflexionselement (IRE) ein Substrat vorgeschlagen, welches an seiner dem Objekt abgewandten Oberfläche ein optisches Phasengitter aufweist, durch welches das Licht für die Totalreflexion durch Beugung in das Substrat eingekoppelt sowie nach Totalreflexion wieder aus dem Substrat ausgekoppelt wird.
Die Verwendung des besagten Substrates mit optischem Phasengitter als IRE hat den Vorteil, dass eine solche Vorrichtung wesentlich leichter und kleiner ist als herkömmlich verwendete Prismen. Außerdem kann das Reflexionselement, beispielsweise durch Abformprozesse, vorteilhaft hergestellt werden. Damit sind, z. B. aus Gewichts- und Kostengründen, auch Elemente aus lichtdurchlässigem Kunststoff möglich.
Außerdem kann bei einem IRE mit dem vorgeschlagenen optischem Gitter, durch Anpassung der Gitterperiode der Einfalls- und Austrittswinkel, bei festgelegtem Totalreflexionswinkel, beliebig eingestellt werden. Oder anders: bei festgelegten Einfalls- und Austrittswinkeln kann ein gewünschter Reflexionswinkel eingestellt werden. Dies ist bei keiner, der eingangs erwähnten anderen Vorrichtungen zur Erzeugung einer störfähigen internen Totalreflexion möglich.
Mit der Erfindung können somit relativ kleine und handliche optische Detektorvorrichtungen realisiert werden, die sich beispielsweise vorteilhaft für mobile Verwendungen, beispielsweise als Bild- oder Flächensensoren, wie sie insbesondere als Hand- oder Fingerscanner benötigt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
1: Strahlengang für störfähige interne Totalreflexion am Prisma (Stand der Technik)
2: Strahlengang für störfähige interne Totalreflexion mit vorgeschlagenem Beugungsgitter
1 zeigt als Gegenüberstellung zur Erfindung den Strahlengang für störfähige interne Totalreflexion an einem Prisma 1 als an sich bekanntes Reflexionselement für solche Anwendungen.
Ein auf das Prisma 1 treffender einfallender Strahl 2 wird am Prisma 1 zu einem internen Strahl 3 gebrochen, der an der Unterseite vom Prisma 1 intern zu einem Strahl 4 total reflektiert wird. Der interne Strahl 4 wird am Prisma 1 zu einem ausfallendem Strahl 5 gebrochen. Durch ein Objekt 6, beispielsweise die Fingerkuppe zur Erfassung eines Fingerabdrucks, welches von außen in den Bereich der internen Totalreflexion vom Prisma 1 gebracht wird, kann diese Totalreflexion gestört werden, was zu einer Leistungsveränderung des total reflektierten Strahls 4 führt. Diese Leistungsveränderung kann am ausfallenden Strahl 5 (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt) ausgewertet werden.
Im Gegensatz zu 1 wird in 2 als Reflexionselement kein Prisma verwendet, sondern erfindungsgemäß ein Substrat 7, welches an einer Fläche (dargestellt ist hier dessen Oberseite) als optisches Phasengitter 8 strukturiert ist. Die Gitterperiode ist dabei, in Bezug zur Wellenlänge des Lichts, so gewählt, dass bei schräger Beleuchtung (einfallender Strahl 9) des Phasengitters 8 Licht in der minus ersten Beugungsordnung im Substrat 7 propagiert und als interner Strahl 10 auf die Unterseite vom Substrat 7 gebeugt wird. Die Ausbreitungsrichtung dieser Ordnung ist durch das optische Phasengitter 8 so gewählt, dass die Welle (Strahl 10) intern an der nicht strukturierten Seite des Substrates 8 in einen internen Strahl 11 total reflektiert wird. Das reflektierte Licht (Strahl 11) koppelt dann durch einen weiteren Durchgang durch das optisches Phasengitter 8 wieder aus dem Substrat 7 zu einem ausfallenden Strahl 12 aus.
Beim Einkoppeln des Lichtes (einfallender Strahl 9) in das optische Phasengitter 8, also beim ersten Gitterdurchgang, treten außer der minus ersten Beugungsordnung in Transmission noch die nullten Ordnungen in Transmission und Reflexion auf. Beim Auskoppeln (interner Strahl 11), also beim zweiten Durchgang durch das optische Phasengitter 8, tritt die minus erste Ordnung sowohl in Transmission als auch in Reflexion auf. Außerdem gibt es die nullte Ordnung in Reflexion. Sind die Parameter Gittertiefe und Füllfaktor des optischen Phasengitters 8 so gewählt, dass die Beugungseffizienz der minus ersten Beugungsordnung maximiert ist, so existiert ein Einfallswinkel bei dem sämtliche ungewollten Beugungsordnungen komplett verschwinden (< 0,01%), so dass das Licht von Strahl 10 im Wesentlichen vollständig (> 99,9%) in die minus erste Beugungsordnung gelangt.
Die Eigenschaften des optischen Phasengitters 8, insbesondere dessen Gitterperiode, sowie die Richtung und die Wellenlänge des einfallenden Strahls 9 sind so gewählt, dass der einfallende Strahl 9 in der minus ersten Beugungsordnung (Strahl 10) in das Substrat 7 eingekoppelt, intern in den Strahl 11 total reflektiert und anschließend mit dem ausfallendem Strahl 12 das Substrat wieder in der minus ersten Beugungsordnung verlässt. Lichtein- und -auskopplung beschreiben – bedingt durch die Beugungen jeweils in dieser besagten minus ersten Beugungsordnung – einen schleifenähnlichen Verlauf im Substrat 7 mit sehr vorteilhaften optischen Eigenschaften.
Durch das Objekt 6, vgl. 1, kann auch bei dieser Vorrichtung von außen die im Substrat 7 erfolgende Totalreflexion des Strahls 10 gestört werden, was zu einer Leistungsveränderung des total reflektierten Strahls 11 führt. Diese Leistungsveränderung kann am ausfallenden Strahl 12 (aus Übersichtsgründen wiederum nicht in der Zeichnung dargestellt) ausgewertet werden.
Das Substrat 7 kann aus Glas oder auch vorteilhaft aus leichterem Kunststoff bestehen.
Die Verwendung des Substrates 7 mit dem optischen Phasengitter 8 als Reflexionselement hat den Vorteil, dass eine solche Vorrichtung wesentlich leichter und kleiner ist als das Prisma 1 in 1. Außerdem kann das Reflexionselement beispielsweise durch Abformprozesse vorteilhaft hergestellt werden.
Außerdem kann mit Anpassung der Gitterperiode des optischen Phasengitters 8 der Einfallswinkel (einfallender Strahl 9), bei festgelegtem Totalreflexionswinkel, beliebig eingestellt werden und ist damit beeinflussbar.
Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten speziellen Formen des Substrates 7 und des optischen Phasengitters 8 sowie auf die spezielle Lichtein- und -auskopplung jeweils in der minus ersten Beugungsordnung beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Prisma
2, 9: einfallender Strahl
3, 4, 10, 11: Strahl
5, 12: ausfallender Strahl
6: Objekt
7: Substrat
8: optisches Phasengitter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3716301 A [0006, 0009]
US 2002/0154311 A1 [0006, 0009]
US 2005/0062974 A1 [0006, 0009]
US 5170056 A [0011]
US 5093580 A [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Pattnaik: Surface plasmon resonance, Applied biochemistry and biotechnology, 2005, Springer-Verlag, 79–92 [0007]
P. Pattnaik: Surface plasmon resonance, Applied biochemistry and biotechnology, 2005, Springer-Verlag, 79–92 [0009]

Claims

Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer störfähigen internen Totalreflexion, mit welcher die durch ein in der Nähe der Vorrichtung befindliches Objekt gestörte interne Totalreflexion (FTIR) zur Auswertung dieser Störung erfasst werden kann, mit einem für das zu reflektierende Licht transparenten internen Reflexionselement (IRE), welches das Licht an seiner dem Objekt zugewandten Oberfläche im Innern total reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass als Reflexionselement (IRE) ein Substrat (7) vorgesehen ist, welches an seiner dem Objekt (6) abgewandten Oberfläche ein optisches Phasengitter (8) aufweist, durch welches das Licht für die Totalreflexion durch Beugung in das Substrat (7) eingekoppelt sowie nach Totalreflexion wieder aus dem Substrat (7) ausgekoppelt wird.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) und das optische Phasengitter (8) aus Glas bestehen.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) und das optische Phasengitter (8) aus lichtdurchlässigem Kunststoff bestehen.
Optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des optischen Phasengitters (8), insbesondere dessen Gitterperiode, sowie die Richtung und die Wellenlänge des einfallenden Lichts so gestaltet sind, dass das Licht (9) in der minus ersten Beugungsordnung in das Substrat (7) eingekoppelt und nach interner Totalreflexion wieder mit einem Strahl (12) in der minus ersten Beugungsordnung aus dem Substrat (7) ausgekoppelt wird.
Verwendung der optischen Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4 als Bild- oder Flächensensor, beispielsweise zur Erkennung von Fingerabdrücken.