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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Erfassen eines Fingerabdrucks gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Erfassung eines Fingerabdrucks gemäß Anspruch 15.
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Der Verlauf und die Struktur von Papillarlinien – auch Papillarleisten genannt – auf der Fingerbeere einer Person ist für jede Person individuell unterschiedlich. Daher eignet sich dieser Verlauf bzw. diese Struktur als sogenanntes biometrisches Merkmal. Anhand eines biometrischen Merkmals ist es möglich, eine Person zweifelsfrei zu identifizieren, da es für jede Person einzigartig ist. Der Fingerabdruck, also das Abbild dieses Verlauf bzw. dieser Struktur, wird schon seit langer Zeit als Mittel zum Identifizieren einer Person verwendet. Neben der kriminalistischen Erfassung, spielt die Erfassung des Fingerabdrucks eine zusehends größere Rolle bei der Ermittlung von persönlichen Zugangsberechtigungen aller Art. Die Erfassung eines Fingerabdrucks erfolgt für gewöhnlich dadurch, dass die Fingerbeere (oder auch Fingerkuppe) mit einer Sensorfläche der Vorrichtung in Kontakt gebracht wird, wobei eine solche Sensorfläche so beleuchtet wird, dass der Fingerabdruck, beispielsweise mit einer Kamera aufgenommen werden kann. Das so aufgenommene Bild des zu identifizierenden Fingerabdrucks wird sodann mit einem zuvor abgespeicherten Bild des Fingerabdrucks (Template) verglichen, um beispielsweise eine Zugangsberechtigung zu überprüfen. An Fingerabdrucksensoren werden allerdings hohe Sicherheitsanforderungen, insbesondere was die Fälschungssicherheit eines Fingerabdrucks angeht, gestellt. So sollen Kopien (beispielsweise aus Silikon) eines Fingerabdrucks erkannt werden, damit z. B. eine Fälschung eines Fingerabdrucks nicht dazu verwendet werden kann, sich zu der jeweiligen Anwendung, die durch den Fingerabdrucksensor gesichert ist, Zugang zu verschaffen. Diese sogenannte Lebenderkennung wird üblicherweise dadurch gewährleistet, dass beispielsweise der Puls oder der Sauerstoffgehalt im Blut der Person durch den Sensor miterfasst wird. Es ist auch möglich, ein Wärmebild der Fingerkuppe aufzunehmen oder nur die Temperatur der Fingerkuppe zu messen, um so festzustellen, ob die Temperatur ausreichend hoch ist, dass sie einer lebenden Person zugeschrieben werden kann. Neben diesen Sicherheitsaspekten, soll die Erfassung des Fingerabdrucks vergleichsweise anwenderfreundlich sein, d. h. sie sollte schnell, zuverlässig und unkompliziert sein.
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Die letztgenannten Attribute werden insbesondere von optischen Fingerabdrucksensoren erfüllt. Die Funktionsweise von optischen Fingerabdrucksensoren basiert häufig auf dem Prinzip der Totalreflexion. Unter Totalreflexion versteht man die Reflexion von Licht oder allgemein elektromagnetischer Wellen an einer Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren und einem optisch dünneren Medium, wobei ein optisch dichteres Medium einen höheren Brechungsindex (auch Brechzahl genannt) aufweist als ein optisch dünneres Medium. Der Übergang vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium wird durch das sogenannte Snellius'sche Brechungsgesetz und das Reflexionsgesetz beschrieben. Das Brechungsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel, also der Winkel (zum Lot der Grenzfläche hin gemessen) unter dem ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche trifft, mit dem Ausfallswinkel (Winkel, unter dem der Lichtstrahl die Grenzfläche im optische dünneren Medium verlässt) insbesondere über den Unterschied der Brechungsindizes der beiden Medien verknüpft ist. Bei kleinen Einfallswinkeln beobachtet man an so einer Grenzfläche von optisch dichterem zu optisch dünnerem Medium die Aufteilung des Lichtstrahls in einen gebrochenen und einen reflektierten Strahl gemäß dem Brechungs- bzw. Reflexionsgesetz (für gewöhnlich ist der reflektierte Lichtstrahl vergleichsweise schwach). Bei größer werdenden Einfallswinkeln, tritt ab einem gewissen sogenannten ”Grenzwinkel”, Totalreflexion auf, d. h. der Lichtstrahl wird nun plötzlich vollständig an der Grenzfläche reflektiert und das Licht gelangt nicht mehr in das optisch dünnere Medium. Dieser Grenzwinkel hängt u. a. vom Verhältnis der beiden Brechungsindizes der Medien (und auch der verwendeten Wellenlänge des Lichts) ab; je größer der Unterschied der Brechungsindizes, desto geringer ist der Grenzwinkel. Verändert man nun den Brechungsindex des optisch dünneren Mediums lokal, so ist unter Umständen die Bedingung zur Totalreflexion lokal nicht mehr erfüllt, da das Verhältnis der Brechungsindizes lokal so gering ist, dass der Grenzwinkel größer als der Einfallswinkel wird.
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Dieses Prinzip macht man sich bei Fingerabdrucksensoren der eingangs genannten Art häufig zu Eigen. Dabei wird Licht über ein Prisma unter einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die Sensorfläche des Prismas eingestrahlt, so dass wenn keine Fingerkuppe auf der Sensorfläche aufliegt, das Licht an der Grenzfläche, die die Sensorfläche mit der darüber liegenden Umgebungsluft bildet, totalreflektiert wird. Berührt nun ein Finger die Sensorfläche, so wird lokal in den Bereichen, in denen die Papillarleisten mit der Sensorfläche in Kontakt kommen, das Verhältnis der Brechungsindizes verändert, da die Grenzfläche nun nicht mehr durch beispielsweise den Glass-Luft Übergang sondern durch einen Glas-Hautgewebe Übergang, mit einem geringeren Unterschied der Brechungsindizes, gegeben ist. Durch diese Änderung des Brechzahlverhältnisses ändert sich der Grenzwinkel, so dass lokal keine Totalreflexion an der Grenzfläche mehr stattfindet und stattdessen das Licht an den Papillarleisten gestreut oder dort absorbiert wird. Zwischen den einzelnen Papillarleisten befindet sich jedoch Luft, so dass das Licht in diesen Bereichen weiterhin totalreflektiert wird. Dies gilt allerdings nur, wenn die Bedingung zur Totalreflexion bis zu einem gewissen Abstand (Eindringtiefe) zur Oberfläche der Sensorfläche erfüllt ist. Ansonsten kommt es zur sogenannten frustrierten Totalreflexion. Durch Detektion des gestreuten bzw. absorbierten Lichtes der Papillarleisten, beispielsweise durch eine Kamera, wird ein Bild des Fingerabdrucks erfasst. Der Vorteil einer solchen Erfassung des Fingerabdrucks liegt in dem hohen Kontrast der Bilder. Außerdem gewährleisten Fingerabdrucksensoren dieser Art eine vergleichsweise kompakte Bauweise. In vielen Anwendungen jedoch ist selbst diese vergleichsweise kompakte Bauweise dieser prismenbasierten Fingerabdrucksensoren noch zu groß. Weiterhin erfassen herkömmliche, auf Totalreflexion basierende Fingerabdrucksensoren keine Tiefeninformation des Fingerabdrucks, d. h. die topografische, dreidimensionale Struktur der Fingerbeere und der Papillarleisten wird nicht erfasst, so dass u. U. schon eine einfache schwarz-weiß Kopie eines Fingerabdrucks auf einem Blatt Papier ausreicht, um einen ”echten” Finger vorzutäuschen. Außerdem weisen herkömmlichen Fingerabdrucksensoren oftmals keine Lebenderkennung auf, d. h. es wird nicht überprüft, ob der erfasste Fingerabdruck zu einem echten, insbesondere lebendigen Finger gehört. Auch dies ist eine potenzielle Sicherheitslücke von Fingerabdrucksensoren, durch die ein Schutz von sensiblen Daten nicht ausreichend gewährleistet wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Fingerabdrucksensor bereitzustellen, der eine noch kompaktere und robustere Bauform aufweist, und weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der topografische Struktur einer Fingerbeere sowie zur Durchführung einer Lebenderkennung bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Problem wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Dabei weist eine solche Vorrichtung zum optischen Erfassen eines Fingerabdrucks ein prismatisches Element, insbesondere ein Prisma, auf, das eine Sensorfläche zum Erfassen von Papillarleisten einer Fingerbeere eines Fingers aufweist, wobei das prismatische Element eine erste Eintrittsfläche zum Einkoppeln von Licht mit einer ersten Wellenlänge aufweist, wobei die erste Eintrittsfläche mit der Sensorfläche einen ersten Prismenwinkel einschließt, und wobei die Vorrichtung weiterhin ein Sensormittel aufweist, das dazu ausgebildet ist, aus einer Austrittsfläche des prismatischen Elements austretendes, insbesondere gestreutes Licht zu detektieren, sowie eine erste Lichtquelle zur Bereitstellung des Lichts, wobei der erste Prismenwinkel so bemessen ist, dass das Licht insbesondere in Abhängigkeit der Wellenlänge unter einem ersten Einfallswinkel auf die Sensorfläche trifft, der derart bemessen ist, dass, wenn die Fingerbeere auf der Sensorfläche aufliegt, das Licht der ersten Lichtquelle außerhalb von Sensorflächenbereichen der Sensorfläche, in denen die Papillarleisten der Fingerbeere die Sensorfläche berühren und das Licht der ersten Lichtquelle streuen und/oder absorbieren, reflektiert wird. Die Sensorflächenbereiche sind beispielsweise durch Bereiche definiert, in denen die Fingerbeere einen Abstand zwischen 0 nm bis 500 nm zur Sensorfläche aufweist, in denen also insbesondere keine Totalreflexion oder nur geringfügig frustrierte Totalreflexion des Lichts mehr auftritt.
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Beispielsweise kann der erste Einfallswinkel weiterhin insbesondere so bemessen sein, dass das Licht in Bereichen außerhalb besagter Sensorflächenbereiche an der Sensorfläche derart reflektiert wird, dass es insbesondere auch an der Austrittsfläche reflektiert wird.
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Das Sensormittel weist insbesondere Sensorelemente, wie beispielsweise Pixel, auf, die in zumindest einer Zeile angeordnet sind und zur Erzeugung eines Zeilenbildes durch das aus der Austrittsfläche des prismatischen Elements austretende Licht geeignet sind, wobei insbesondere ein Bild des Fingerabdrucks mit Hilfe des Sensormittels durch eine Relativbewegung der Fingerbeere zur Sensorfläche ermittelbar ist.
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Eine solche Relativbewegung verläuft beispielsweise orthogonal zu einer schmalen Seite der Sensorfläche des prismatischen Elements, wobei eine lange Seite der Sensorfläche, die insbesondere orthogonal zur schmalen Seite der Sensorfläche verläuft, insbesondere mindestens genauso lang ist, wie der zu erfassende Fingerabdruck breit ist.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass eine Richtung der Relativbewegung, wie beispielsweise links, rechts, oben und unten durch die Vorrichtung ermittelt werden kann, wodurch insbesondere durch Zuordnung von beispielsweise Häufigkeit und Richtung einer solchen Relativbewegung insbesondere Zahlencodes, insbesondere also eine optische PIN (personal identification number), als Zusatzfunktion durch die Vorrichtung generiert werden können.
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Der erste Einfallswinkel wird hierbei zum Lot der Sensorfläche gemessen. Insbesondere bei lotrechtem Einfall des Lichtes auf die erste Eintrittsfläche, ist der erste Prismenwinkel dem ersten Einfallswinkel gleich.
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Das Sensormittel erfasst dabei beispielsweise eine Vielzahl von Teilbildern (Zeilenbilder), aus denen das Bild des Fingerabdrucks ermittelt werden kann. Wobei das Sensormittel beispielsweise in einer Zeile oder in einigen wenigen (beispielsweise 2 bis 16) Zeilen mit beispielsweise je 256 Sensorelementen, angeordnete Punktdetektoren aufweist, beispielsweise Pixel einer CMOS, CCD oder Zeilenkamera. Durch Auflegen der Fingerbeere auf die Sensorfläche wird in den Sensorflächenbereichen das Licht abgelenkt, insbesondere durch Streuung, Absorption oder auch Lumineszenz der Papillarleisten.
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Durch die richtige Bemessung des Prismenwinkels, wird in vorteilhafterweise erreicht, dass die Vorrichtung als robuste und kompakte Bauform realisiert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das prismatische Element eine zweite Eintrittsfläche sowie eine zweite Lichtquelle zur Bereitstellung von Licht mit einer zweiten Wellenlänge aufweist, wobei die zweite Eintrittsfläche mit der Sensorfläche einen zweiten Prismenwinkel einschließt, der so bemessen ist, dass das Licht der zweiten Lichtquelle insbesondere in Abhängigkeit der Wellenlänge unter einem zweiten Einfallswinkel auf die Sensorfläche trifft, der derart bemessen ist, dass, wenn die Fingerbeere auf der Sensorfläche aufliegt, das Licht der zweiten Lichtquelle außerhalb von Sensorflächenbereichen der Sensorfläche, in denen die Papillarleisten der Fingerbeere die Sensorfläche berühren und das Licht der zweiten Lichtquelle streuen und/oder absorbieren, reflektiert wird.
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Auch der zweite Einfallswinkel wird zum Lot der Sensorfläche gemessen. Insbesondere bei lotrechtem Einfall des Lichtes auf die zweite Eintrittsfläche, ist der zweite Prismenwinkel gleich dem zweiten Einfallswinkel.
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Durch einen ggf. unterschiedlichen zweiten Einfallswinkel erreicht man insbesondere eine unterschiedliche Eindringtiefe des sogenannten evaneszenten Feldes, des auf die Sensorfläche treffenden Lichts. Dadurch werden andere (näher oder weiter entfernte) Bereiche der Fingerbeere, bzw. der Papillarleisten erfasst. Somit kann insbesondere ein Bildkontrast eingestellt werden, der von dem ersten und/oder zweiten Einfallswinkel abhängt.
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In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Licht der zweiten Lichtquelle langwelliger ist als das Licht der ersten Lichtquelle, wobei das Licht der ersten Lichtquelle insbesondere eine Vakuumwellenlänge im Bereich von 350 nm bis 450 nm aufweist, und wobei das Licht aus der zweiten Lichtquelle insbesondere eine Vakuumwellenlänge im Bereich von 600 nm bis 800 nm, bevorzugt 660 nm aufweist.
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Die beiden Lichtquellen sind dabei insbesondere so am prismatischen Element angeordnet, dass sie Licht in verschiedene Richtungen emittieren. Durch die beiden Lichtquellen, die insbesondere Licht von unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, wird eine unterschiedliche Eindringtiefe des evaneszenten Feldes erreicht. Dadurch ist es insbesondere möglich, ein dreidimensionales Abbild, bzw. die topografische Struktur oder die Topografie der Fingerbeere zu ermitteln.
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Außerdem gewährleisten die unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Lichtquellen unterschiedliche Absorptions- bzw. Streuungscharakteristika an der Fingerkuppe bzw. an den Papillarleisten die ebenfalls in die Verarbeitung der Bildinformation eingehen können.
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Weiterhin hängt die Eindringtiefe von Licht in die menschliche Haut von der Wellenlänge des Lichts ab, d. h. das insbesondere unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes unterschiedlich starke Kontraste der Papillarleisten im Fingerabdruckbild hervorrufen.
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Bevorzugt ist an der ersten und/oder der zweiten Eintrittsfläche des prismatischen Elementes jeweils eine insbesondere plankonvexe Linse angeordnet, angeklebt oder einstückig angeformt, so dass von der ersten und/oder zweiten Lichtquelle emittiertes Licht, bei erfindungsgemäßer Anordnung der ersten und/oder zweiten Lichtquelle nach Einkoppeln in das prismatische Element über die jeweilige Linse und die jeweilige Eintrittsfläche, im Wesentlichen parallel ist, d. h. dass die Lichtstrahlen des Lichtes aus der jeweiligen Lichtquelle im Wesentlichen parallel zueinander im prismatischen Element verlaufen. Damit ist gewährleistet, dass das Licht in einem bestimmten und wohldefinierten Einfallswinkel auf die Sensorfläche auftritt. Weiterhin ist durch diese Bauweise gewährleistet, dass die Vorrichtung äußerst kompakt und robust ausgeführt werden kann, da ein solches prismatische Element beispielsweise auch ein Lichtwellenleiter sein kann.
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Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine optische Weiche, die alle Teilflächen des prismatischen Elements technisch nutzt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, eine topografische Struktur, insbesondere eine dreidimensionale Struktur oder Topografie der Papillarleisten der Fingerbeere zu ermitteln, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die topografische Struktur unter Verwendung des von den Papillarleisten der Fingerbeere unterschiedlich zurückgestreuten Lichts zu ermitteln, wobei zur Ermittlung der topografischen Struktur, insbesondere der Effekt der frustrierten Totalreflexion und insbesondere die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes der ersten und zweiten Lichtquelle ausgenutzt wird.
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Durch die verschiedenen Wellenlängen werden insbesondere unterschiedlich tiefliegende Bereiche der Fingerbeere ausgeleuchtet und tragen unterschiedlich stark zu dem gestreuten und detektierten Signal durch das Sensormittel bei, was durch ein mathematisches Verfahren zu einer topografischen Repräsentation der Fingerbeere verarbeitet werden kann.
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Bevorzugt weist das prismatische Element eine Erstreckungsrichtung auf, entlang derer sich die Sensorfläche, die Austrittsfläche und eine Strahlteilerfläche des prismatischen Elementes erstrecken.
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In einer besondere bevorzugten Variante der Erfindung ist eine dritte Lichtquelle am prismatischen Element, und insbesondere an der Strahlteilerfläche, so angeordnet, dass durch die dritte Lichtquelle emittiertes Licht mit einer dritten Wellenlänge auf die Sensorfläche trifft, wobei weiterhin ein erster Lichtdetektor so am prismatischen Element angeordnet ist, dass das von der Sensorfläche zurückgeworfene Licht der dritten Lichtquelle, das durch die Strahlteilerfläche austritt, mit dem ersten Lichtdetektor detektierbar ist, und wobei insbesondere weiterhin ein zweiter Lichtdetektor so am prismatischen Element angeordnet ist, dass das von der Strahlteilerfläche direkt reflektierte Licht der dritten Lichtquelle, mit dem zweiten Lichtdetektor detektierbar ist, und wobei insbesondere weiterhin das Sensormittel so am prismatischen Element angeordnet ist, dass von der Sensorfläche zurückgeworfenes und an der Strahlteilerfläche reflektiertes Licht der dritten Lichtquelle, durch die Austrittfläche austritt, und von dem Sensormittel detektierbar ist. Wobei zurückgeworfenes Licht beispielsweise reflektiertes, gestreutes oder in sonstiger Weise durch kohärente oder inkohärente Anregung entstandenes Licht sein kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die dritte Lichtquelle dazu ausgebildet ist, Licht mit einer Vakuumwellenlänge zu emittieren, die zur Pulsmessung, und/oder zur Temperaturmessung eines auf der Sensorfläche aufliegenden Objektes, insbesondere einer Fingerbeere, geeignet ist, wobei die dritte Wellenlänge insbesondere in einem Bereich von 880 nm bis 950 nm liegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, insbesondere unter Einbeziehung wellenlängenabhängiger Lichtstreu- und Absorptionseigenschaften der Haut der Fingerbeere, eine Lebenderkennung und/oder eine Temperaturmessung insbesondere unter Verwendung des Lichtes der dritten Lichtquelle, und des durch den ersten Lichtdetektor und/oder das Sensormittel und den zweiten Lichtdetektor detektierten Lichtes, durchzuführen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorfläche zumindest bereichsweise eine Beschichtung aufweist oder ein Medium auf der Sensorfläche aufgetragen ist, wobei diese Beschichtung oder das Medium insbesondere dazu ausgebildet ist, die Sensorflächenbereiche zu vergrößern, wenn eine Fingerbeere auf der Sensorfläche aufliegt. Dieses Medium oder die Beschichtung kann fluoreszent sein. Weiterhin kann die Beschichtung insbesondere elektrisch leitfähig sein und sich insbesondere zur kapazitiven Widerstandmessung eignen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung lumineszent bzw. lumineszierend ist und insbesondere fluoreszierend bzw. fluoreszent ist, wobei das in das prismatische Element eingekoppelte Licht dazu geeignet ist, die Lumineszenz und insbesondere die Fluoreszenz der Beschichtung anzuregen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung ein Fluid oder ein Gel, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des prismatischen Elementes im Wesentlichen, also insbesondere mit minimalen Abweichungen des Brechungsindex, des prismatischen Elementes, gleich ist.
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In einer Variante der Erfindung ist die Beschichtung eine transparente Folie, insbesondere eine Polycarbonat Folie oder eine Polymethylmethacrylat (PMMA) Schicht, die insbesondere mit einer metallischen Legierung oder einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold, bedampft wurde, so dass eine Lichttransmission im Bereich von vorzugsweise 5%–15% gegeben ist, wobei vorzugsweise eine Vorder- und/oder Rückseite der Folie so bedampft sind, dass die Vorderseite 5% Lichttransmission und die Rückseite 10% Lichttransmission aufweist. Die Dicke der Beschichtung liegt insbesondere zwischen 5 nm und 20 nm.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Mikrocontrollereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eine oder mehrere der folgenden Bestandteile der Vorrichtung anzusteuern und insbesondere deren Signale zu verarbeiten:
- – elektrische und/oder elektronische Bestandteile der Vorrichtung,
- – das Sensormittel, insbesondere die Sensorelemente
- – den ersten Lichtdetektor,
- – den zweiten Lichtdetektor,
- – die erste, zweite und/oder dritte Lichtquelle.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, weist die Sensorfläche eine Länge zwischen 10 mm und 20 mm, vorzugsweise 15 mm auf und eine Breite zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise 3 mm. Insbesondere ist die Sensorfläche kleiner als die Fläche des zu erfassenden Fingerabdrucks, wobei insbesondere die Länge, also die lange Seite der Sensorfläche, insbesondere breiter ist als der zu erfassende Fingerabdruck.
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Bevorzugt ist das prismatische Element ein Prisma, das insbesondere ein Querschnittsprofil eines insbesondere rechtwinkligen Dreiecks aufweist, wobei die Austrittsfläche entlang einer Ebene durch eine Seite des Dreiecks verläuft und wobei die Sensorfläche entlang einer Ebene durch eine zweite Seite des Dreiecks verläuft, wobei die beiden Seiten insbesondere den rechten Winkel des rechtwinkligen Dreiecks einschließen. Die Strahlteilerfläche verläuft insbesondere entlang einer Ebene durch die Hypotenuse des insbesondere rechtwinkligen Dreiecks.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das an der Sensorfläche reflektierte Licht ein evaneszentes Feld und eine dem evaneszenten Feld zugeordnete Eindringtiefe auf, wobei die Eindringtiefe des Lichtes, das über die erste Eintrittsfläche eingekoppelt wird, geringer ist, als die Eindringtiefe des Lichts, das über die zweite Eintrittsfläche eingekoppelt wird. Die Eindringtiefe kann beispielsweise dadurch verändert werden, dass das Licht unter einem anderen Winkel in das Prisma eingestrahlt wird bzw. auf die Sensorfläche auftritt oder auch, dass das Licht eine andere Vakuumwellenlänge aufweist.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, insbesondere anhand der unterschiedlichen Eindringtiefen eine topographische Repräsentation der Fingerbeere zu ermitteln.
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Insbesondere kann eine gezielte Lichtstreuung programmtechnisch über einen Prozessor, insbesondere eine Mikrocontrollereinheit der Vorrichtung gesteuert werden, die insbesondere das Sondieren der Dynamik in der Nähe von festen Oberflächen ermöglicht. Eine evaneszente Welle, die beispielsweise durch eine Oberflächenplasmonresonanz in einer Metallschicht (Ausführungsform einer mit Fluoreszenzpigmenten dotierten metallischen Beschichtung der Sensorfläche) erzeugt wird, wird insbesondere durch die dynamische Lichtstreuung signifikant verstärkt. Die Kombination von Oberflächenplasmonresonanz und dynamischer Lichtstreuung führt zu einer räumlich und zeitlichen Auflösung von einige hundert Nanometer an der Oberfläche bzw. von mehreren Mikrosekunden bis Sekunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit insbesondere eine Oberflächenkontrolle bzw. Fingerabdruckerkennung. Die Verwendung von metallisch bedampften Oberflächen (Beschichtungen im obigen Sinne) zum Beispiel bedampfte Polymethylmethacrylat(PMMA)- oder Polycarbonat-Oberflächen mit fluoreszierten Pigmenten kann auch zu den biorelevanten Systemen gezählt werden. Als biorelevant wird hier insbesondere die Eigenschaft der Vorrichtung bezeichnet, über das evaneszente Feld biometrische Effekte im gesamten System zu verstärken. Insbesondere wird für beide evaneszenten Wellen (der ersten und der zweiten Lichtquelle) und ihren Geometrien ein Streuwellenvektor für die Analyse definiert.
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Insbesondere können ein und/oder zwei dynamische Lichtstreutechniken in evaneszenter Geometrie umgesetzt werden. Beispielsweise die resonance enhanced dynamic light scattering(REDLS)-Technik und/oder die waveguide enhanced dynamic light scattering(WEDLS)-Technik. Beide Techniken kombiniert erzeugen die breite zeitliche Auflösung der dynamischen Lichtstreuung mit der hohen räumlichen Auflösung evaneszenter Wellen.
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Die oben genannten Lichtstreutechniken besitzen insbesondere eine Sensitivität, die gegenüber den bisherigen bekannten evaneszenten Techniken um mehrere Größenordnungen verbessert ist. Eindringtiefen des evaneszenten Feldes von wenigen Nanometern können so insbesondere bis hin in den Mikrometerbereich erhöht werden. Damit ist es insbesondere möglich, Oberflächenmodifikationen, wie zum Beispiel die Adsorption von Materie, mit einer sehr hohen präzisen Auflösung nachzuweisen. Der Einsatz dieser Techniken kann mit Vorteil zur Lebenderkennung verwendet werden und kann dabei die Sicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöhen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, insbesondere unter Einbeziehung wellenlängenabhängiger Lichtstreu- und Absorptionseigenschaften von Haut eine dreidimensionale topographische Repräsentation der Fingerbeere zu ermitteln. Die hohe Intensität des evaneszenten Feldes des Lichts an der Sensorfläche kann insbesondere zu einer im Vergleich zur direkten Bestrahlung (ohne die Totalreflexionsbedingung zu erfüllen) erhöhten Fluoreszenzanregung führen und erlaubt den Nachweis extrem kleiner Mikrostrukturen, insbesondere die Tiefenerkennung von Minutien der Fingerbeere. Die Eindringtiefe in das umgebende Medium liegt dabei im Bereich von 100 nm bis 600 nm, benötigt würden hingegen nur 150 nm Eindringtiefe. Bei evaneszenter Anregung wird aufgrund der Nähe der Moleküle zur Sensorfläche ein erheblicher Anteil des Fluoreszenzlichtes in das prismatischen Element, das insbesondere die Funktion eines Wellenleiters hat, zurückgekoppelt und dort geführt. Die Koppeleffizienz hängt dabei von Position, Umgebung und Orientierung der Fluoreszenzmoleküle ab. Die Nutzung dieses rückgekoppelten Fluoreszenzlichts als Messsignal erzeugt eine deutliche Vereinfachung der Detektionsoptik. Durch eine Analyse der gemessenen Abstrahlcharakteristik lassen sich theoretische Modelle zur Fluoreszenzabstrahlung an Grenzflächen überprüfen und Aussagen über die Orientierung und Reflexionen des Fluoreszenzmoleküllichtes an der Oberfläche ableiten und dadurch ein dreidimensionales Bild der Fingerbeere errechnen.
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Insbesondere wird das Bild des Fingerabdrucks als Zeilenbild über das Detektionsmittel, wie beispielsweise eine Zeilenkamera, CCD-Kamera oder CMOS-Chip, in einen gesicherten Datenspeicher eingelesen und in ein Template umgewandelt. Die Qualität des Bildes kann durch die Beschichtung und insbesondere die Bedampfung auf der Sensorfläche reduziert sein. Dieser Effekt kann aber für die Bildaufnahme vernachlässigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, mit einer Funktionseinheit insbesondere über eine verschlüsselte Kommunikationsverbindung zum Austausch von Daten, verbunden zu werden. Eine Funktionseinheit in diesem Zusammenhang ist beispielsweise ein Computernetzwerk wie das Internet, ein Computer, ein computerähnliches Endgerät wie beispielsweise ein Mobiltelefon oder ein Mikrocontroller.
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Weiterhin kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, einen aus dem ermittelten Fingerabdruck erzeugten Datensatz an diese Funktionseinheit zu übermitteln, wobei die Funktionseinheit dazu ausgebildet ist, den übermittelten Datensatz mit einem gespeicherten Datensatz zu vergleichen und Daten an die Vorrichtung zu übermitteln, die der Vorrichtung anzeigen, ob der ermittelte Datensatz und der gespeicherte Datensatz übereinstimmen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, einen aus dem ermittelten Fingerabdruck erzeugten Datensatz mit einem auf der Vorrichtung, insbesondere verschlüsselten, gespeicherten Datensatz zu vergleichen und zu ermitteln, ob der ermittelte Datensatz und der gespeicherte Datensatz im Wesentlichen identisch sind, also ob der erfasste Fingerabdruck insbesondere mit dem gespeicherten Fingerabdruck übereinstimmt.
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Zusätzlich kann ein externes Zertifikat auf dem verschlüsselten Datenspeicher abgelegt und mit dem bereits vorhandenen Datensatz zusammen ein neuer Schlüssel zur Autorisierung eines Netzwerks, Computers, oder eines mobilen Endgerätes generiert werden.
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In einer Variante der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, an oder in einer Funktionseinheit, insbesondere einem mobilen Endgerät, insbesondere durch eine Klick- oder Rast-Verbindung angeordnet zu werden, wobei die Vorrichtung insbesondere ein Nahfeldkommunikationsmittel aufweist, das dazu ausgebildet ist, mit der Funktionseinheit Daten, insbesondere über eine NFC Schnittstelle, auszutauschen, sowie insbesondere die Vorrichtung mit Strom zu versorgen, wenn die Vorrichtung an oder in der Funktionseinheit angeordnet ist.
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Dadurch kann die Vorrichtung insbesondere als externe Autorisierungseinheit für beispielsweise mobile Endgeräte, wie Mobiltelefone, Smartphones oder Tablets, genutzt werden, die über eine Halterung am mobilen Endgerät befestigt werden kann und/oder in einem entsprechenden Endgerätdesign integriert ist und so die Autorisierung des mobilen Endgerätes, insbesondere über eine interne Funkschnittstelle des mobilen Endgerätes, mit beispielsweise einem der aus dem Stand der Technik bekannten NFC (Near-Field-Communication) Modul des mobilen Endgerätes organisiert. Dabei wird insbesondere auch die Stromversorgung über die NFC-Verbindung zwischen der Vorrichtung und dem mobilen Endgerät realisiert. Dies ist insbesondere mit einer speziellen Antenne im Gerät möglich. Andere Schnittstellen zwischen der Vorrichtung und dem mobilen Endgerät, wie Mikro USB, oder Kontaktpads sind ebenso denkbar.
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Eine solche Vorrichtung kann insbesondere als Öffner oder Autorisierungsgerät für mobile Endgeräte genutzt werden. Gleichsam sind Applikationen zur Verschlüsselung und Bezahlfunktion vorstellbar.
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Auf diese Weise kann ein aktiver Datenschutz gewährleistet werden, da die biometrische Autorisierung über die erfindungsgemäße Vorrichtung von beispielsweise einem internetfähigen mobilen Endgerät technisch getrennt ist und so die Zertifikate sowie die biometrischen Templates auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung stets in der Hoheit des Nutzers bleiben. Auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Zertifikate und biometrisches Template als sogenannter Private Key in der Vorrichtung in einem Kryptospeicher sicher abgelegt. Dadurch wird ein unerlaubter Zugriff, also beispielsweise ein ”Hacking” der Vorrichtung, nahezu ausgeschlossen.
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Das erfindungsgemäße Problem wird weiterhin durch ein Verfahren zur Lebenderkennung und zur Ermittlung eines Bildes eines Fingerabdrucks nach Anspruch 15 gelöst. Dabei weist das Verfahren folgende Schritte auf:
- – Auflegen einer Fingerbeere auf eine Sensorfläche,
- – Beleuchten der Fingerbeere durch eine dritte Lichtquelle mit Licht,
- – Erfassen des von der Fingerbeere zurückgeworfenen Lichtes der dritten Lichtquelle durch einen ersten Lichtdetektor und/oder eines Sensormittels,
- – Erfassen eines vordefinierten Bruchteils des direkt von der dritten Lichtquelle emittierten Lichtes durch einen zweiten Lichtdetektor,
- – Insbesondere Ermitteln einer Pulsfrequenz und oder eines Pulsschlags des zur Fingerbeere gehörigen Körpers insbesondere durch den Vergleich des zeitlichen Verlaufs der erfassten Lichtintensität des von dem ersten Lichtdetektor detektierten Lichts und/oder des durch das Sensormittel erfassten Lichts mit der Lichtintensität des durch den zweiten Lichtdetektor erfassten Lichts,
- – Lebenderkennung der Fingerbeere durch Vergleich der Lichtintensität des durch den ersten Lichtdetektor erfassten Lichts mit der Lichtintensität des durch den zweiten Lichtdetektor erfassten Lichts, wobei insbesondere die Lebenderkennung als positiv gewertet wird, wenn das Verhältnis der durch den ersten Lichtdetektor und/oder der durch das Sensormittel erfassten Lichtintensität zu der durch den zweiten Lichtdetektor erfassten Lichtintensität oberhalb eines vordefinierten Wertes liegt,
- – Beleuchten der Fingerbeere durch eine erste und insbesondere durch eine zweite Lichtquelle,
- – Erfassen des von der Fingerbeere gestreuten Lichts der ersten und insbesondere der zweiten Lichtquelle durch ein Sensormittel,
- – insbesondere taktiles Bewegen der Fingerbeere relativ zur Sensorfläche in einer vordefinierten Richtung,
- – Verarbeiten des von dem Sensormittel erfassten gestreuten Licht der ersten Lichtquelle zu einem ersten Bild des Fingerabdrucks,
- – Verarbeiten des von dem Sensormittel erfassten gestreuten Lichts der zweiten Lichtquelle zu einem zweiten Bild des Fingerabdrucks,
- – Verarbeiten des ersten und des zweiten Bildes zu einer topografischen, insbesondere dreidimensionalen Repräsentation der Fingerbeere.
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Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung bezieht sich auf das Eingeben von sogenannten PINS (Personal Identification Numbers), einer Geheimzahl oder sonstigen Zahlenfolgen. Dazu sind folgende Schritte vorgesehen:
- – Auswählen des jeweiligen Zeichens zur Erzeugung der PIN durch ein- oder mehrmaliges Streichen mit der Fingerbeere über eine Sensorfläche entlang einer dem jeweiligen Zeichen zugeordneten Streichrichtung, insbesondere innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls,
- – Erzeugen der PIN umfassend die ausgewählten Zeichen durch bewegungslose Berührung der Sensorfläche mit einer Fingerbeere.
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Auf diese Weise können Zahlenfolgen durch Bewegungen der Fingerbeere auf der Sensorfläche erfasst werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens vier vordefinierte Streichrichtungen vorgesehen sind, z. B. oben, unten, rechts und links, wobei bei einem einmaligen Streichen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls entlang einer ersten Streichrichtung die 1 ausgewählt wird, und wobei bei jedem weiteren Streichen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls entlang der ersten Streichrichtung die ausgewählte Zahl um 4 erhöht wird, wobei bei einem einmaligen Streichen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls entlang einer zweiten Streichrichtung die 2 ausgewählt wird, und wobei bei jedem weiteren Streichen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls entlang der zweiten Streichrichtung die ausgewählte Zahl um 4 erhöht wird, wobei bei einem einmaligen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls Streichen entlang einer dritten Streichrichtung die 3 ausgewählt wird, wobei bei jedem weiteren Streichen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls entlang der dritten Streichrichtung die ausgewählte Zahl um 4 erhöht wird, wobei bei einem einmaligen innerhalb des vordefinierten Zeitintervalls Streichen entlang einer vierten Streichrichtung die 4 ausgewählt wird, wobei bei jedem weiteren Streichen innerhalb des Zeitintervalls entlang der vierten Streichrichtung die ausgewählte Zahl um 4 erhöht wird. Ein solches vordefiniertes Zeitintervall beträgt insbesondere weniger als eine Sekunde.
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Ein solches Verfahren zur Verfahren zur PIN Generierung und zur Ermittlung eines Bildes einer Ordinate und deren Bewegung, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann folgende Schritte aufweisen: Streichrichtung mit dem Finger auf dem Sensor nach oben (erzeugt die 1). Erneutes Wiederholen der Streichrichtung erzeugt die 5, 9, 13 usw. Streichrichtung rechts erzeugt die 2, ein Wiederholen die 6, 10, 14 usw. Streichrichtung nach unter erzeugt die 3, ein Wiederholen die 7, 11, 15 usw. Streichrichtung nach links erzeugt die 4, ein Wiederholen die 8, 12, 16 usw. Berühren der Sensorfläche durch normales Auflegen des Fingers erzeugt eine Bestätigung der ausgeführten Ordinaten auf dem Sensor. Somit kann auf dem gleichen Sensor zur Biometrischen Erfassung eine persönliche PIN generiert werden, die zur Sicherheitsgewinnung des gesamten Systems von Vorteil sein kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
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Es zeigen
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1 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 Querschnitte entlang zweier Ebenen durch das prismatische Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung inklusive einer elektronischen Schaltung;
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4 einen Schnitt durch das prismatische Element;
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5 Mobiles Endgerät, in das die erfindungsgemäße Vorrichtung eingelegt werden kann; und
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6 Verfahren zur Eingabe von Zahlenfolgen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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1 zeigt eine perspektivische Zeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine nach oben weisende Fläche ist als eine Sensorfläche 4 ausgebildet, auf die eine Fingerbeere aufgelegt werden kann, bzw. über die die Fingerbeere gezogen oder gewischt wird (taktile Bewegung der Fingerbeere). Über jeweils eine plankonvexe Linse 6, 7 wird an einer ersten Eintrittsfläche 9 und einer zweiten Eintrittsfläche 10 Licht in das Prisma 1 eingekoppelt und zwar so, dass das eingekoppelte Licht 101, 102 kollimiert unter einem vordefinierten Einfallswinkel E1, E2 auf die Sensorfläche 4 fällt. Die jeweilige Linse 6, 7 ist insbesondere so auf der jeweiligen Eintrittsfläche 9, 10 angeordnet, dass das einfallende Licht 101, 102 lotrecht auf die jeweilige Eintrittsfläche 9, 10 trifft. Dabei können die Einfallswinkel E1, E2 des Lichtes 101, das über die erste Eintrittsfläche 9 und die erste Linse 6 eingekoppelt wird und des Lichtes 102, das über die zweite Eintrittsfläche 10 und die zweite Linse 7 eingekoppelt wird, unterschiedlich sein. Um den ersten Einfallswinkel E1 in besonders einfacher Weise zu realisieren, schließt die erste Eintrittsfläche 9 einen ersten Prismenwinkel P1 mit der Sensorfläche 4 ein, der so bemessen ist, dass wenn Licht 101 im Wesentlichen lotrecht auf die erste Eintrittsfläche 9 trifft, dieses Licht 101 unter dem ersten Einfallswinkel E1 auf die Sensorfläche 4 trifft. Dabei gilt insbesondere, dass der erste Prismenwinkel P1 gleich dem ersten Einfallswinkel E1 ist, wenn das Licht 101 im rechten Winkel auf die erste Eintrittsfläche 9 trifft: E1 = P1. Gleiches gilt für einen zweiten Prismenwinkel P2, der durch die zweite Eintrittsfläche 10 und der Sensorfläche 4 eingeschlossen wird, da seine Bemessungsgrundlage in analoger Weise erfolgt. E2 = P2.
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In 2 sind jeweils eine erste Lichtquelle L1 und eine zweite Lichtquelle L2 eingezeichnet, die so angeordnet sind, dass das von der jeweiligen Lichtquelle L1, L2 emittierte und durch die plankonvexen Linsen 6, 7 parallelisierte Licht 101 unter dem ersten bzw. zweiten Einfallswinkel E1, E2 auf die Sensorfläche 4 trifft. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Sensormittel 100 auf, das beispielsweise Pixel einer digitalen Zeilenkamera, die Pixel eines CMOS Chips oder Detektionselemente eines anderen Lichtsensors aufweist. Das Sensormittel 100 ist dabei so angeordnet, dass durch eine Austrittsfläche 20 des Prismas 1 austretendes Licht, dass beispielsweise an der Sensorfläche 4 gestreut wurde, auf das Sensormittel 100 trifft und somit detektiert werden kann. Als Sensormittel eignet sich beispielsweise eine Pixelanordnung von beispielsweise 8×256, oder 16×256 Pixeln. Zwischen dem Sensormittel 100 und der Austrittsfläche 20 kann ggf. eine Fokussierungslinse 90 und/oder optische Filter 90 angeordnet sein, damit eine scharfe Abbildung des Fingerabdrucks von der Sensorfläche 4 auf das Sensormittel 100 erfolgen kann. Das Licht 101, das durch die erste Eintrittsfläche 9 in das Prisma 1 eingekoppelt wird, ist insbesondere kurzwelliger als das Licht 102, das über die zweite Eintrittsfläche 10 eingekoppelt wird, wobei das Licht 101, das über die erste Eintrittsfläche E1 in das Prisma 1 eingekoppelt wird, eine Wellenlänge im Bereich von 350 nm und 450 nm, bevorzugt 400 nm aufweist. Licht 102, das über die zweite Eintrittsfläche 10 in das Prisma 1 eingekoppelt wird, weist bevorzugt eine Wellenlänge zwischen 600 nm und 800 nm, bevorzugt 660 nm auf. Unter Wellenlänge ist hier stets die Vakuumwellenlänge von Licht zu verstehen.
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Funktionsprinzip des Fingerabdrucksensors (siehe auch Fig. 4):
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Das über die Eintrittsflächen 9, 10 des Prismas 1 eingekoppelte Licht 101, 102 trifft unter einem ersten bzw. zweiten Einfallswinkel E1, E2 auf die Sensorfläche 4, wobei der erste und der zweite Einfallswinkel E1, E2 des Lichts 101, 102 jeweils so gewählt sind, dass wenn keine Fingerbeere bzw. keine Fingerkuppe auf der Sensorfläche 4 aufliegt, das Licht 101, 102 an der Sensorfläche 4 totalreflektiert wird. Wenn nun eine Fingerkuppe auf die Sensorfläche 4 aufgelegt wird, so ändert sich der Brechungsindex über der Sensorfläche 4, was ggf. lokal zu einer Veränderung der Brechungsindizes führen kann, so dass die Bedingungen für Totalreflexion nur noch lokal erfüllt sind. Insbesondere an Stellen, an denen die Papillarleisten der Fingerkuppe in direktem Kontakt mit der Sensorfläche 4 stehen, findet keine Totalreflexion des Lichtes 101, 102 mehr statt. Stattdessen tritt das Licht 101, 102 durch die Sensorfläche 4 hindurch und wird sodann von den Papillarleisten absorbiert bzw. gestreut. Das so gestreute Licht gelangt über Reflexion an einer schrägverlaufenden Strahlteilerfläche 5 auf das Sensormittel 100 und wird von diesen erfasst. In Bereichen, in denen keine Papillarleisten mit der Sensorfläche 4 in direktem Kontakt stehen, beispielsweise zwischen den Papillarleisten, ist die Totalreflexionsbedingung weitestgehend erfüllt, da zwischen den Papillarleisten oftmals Luft eingeschlossen ist. In diesen Bereichen wird das auf die Sensorfläche 4 auftreffende Licht 101, 102 weiterhin totalreflektiert und gelangt insbesondere nicht auf das Sensormittel 100. Wenn diese Bereich jedoch sehr nah (ca. 0 μm bis 1 μm, je nach Wellenlänge und Einfallswinkel) an der Sensorfläche 4 sind, kommt es zur sogenannten frustrierten Totalreflexion, und das Licht 101, 102 wird, dennoch gestreut. Die Tiefe (Eindringtiefe des evaneszenten Feldes), bis zu der es zu diesem Effekt der frustrierten Totalreflexion kommt hängt u. a. auch von der Wellenlänge des Lichtes 101, 102 ab. Daher kann vermittels dieses Effektes und zweier unterschiedlicher Wellenlängen eine Tiefeninformation gewonnen werden, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet ist, die Fingerbeere und die Papillarlinien topografisch zu erfassen, d. h. insbesondere eine topografische Karte der Fingerbeere zu erstellen. Verbessert wird diese dreidimensionale Erfassung der Fingerbeere, indem auf der Sensorfläche 4 die evaneszente Wirkung durch Anregung von Fluoreszenz einer auf der Sensorfläche 4 aufgebrachten Beschichtung 40 verstärkt wird.
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Als Beschichtung 40 sind erfindungsgemäß Lichtverstärker, insbesondere mit neuartigen Komposit-Polymeren geeignet. Hier sind unter anderem die fotorefraktären Eigenschaften dieser Polymere von besonderem Nutzen. Denkbar sind auch biologische Zellmembranen, transparente Gele oder Flüssigkeitskristalle, die mittels optischer Dünnschicht auf einen als Beschichtung 40 oder als Film 40 auf die Sensorfläche 4 aufgebracht sind.
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Um ein vollständiges Bild des Fingerabdrucks zu generieren, wird die Fingerkuppe mit einem Ende auf das Prisma 1 aufgelegt und in einer Relativbewegung möglichst orthogonal zur langen Seite des Prismas 1 nach unten bzw. nach oben geführt, so dass das Sensormittel 100 in einer zeitaufgelösten Art und Weise, zeilenweise Papillarleistenbilder erfassen können. Über eine dahinter geschaltete Elektronik können die so aufgenommenen Zeilenbilder zu einem Fingerabdruckbild zusammengesetzt werden.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes prismatisches Element bzw. ein erfindungsgemäßes Prisma 1 einer solchen Vorrichtung abgebildet. Die erste und die zweite Eintrittsfläche 9, 10 des Prismas 1 schließen jeweils den ersten bzw. zweiten Prismenwinkel P1, P2 mit der Sensorfläche 4 ein, so dass das eingekoppelte und kollimierte Licht 101, 102 in einem vordefinierten Einfallswinkel E1, E2 auf die Sensorfläche 4 trifft, wobei diese Einfallswinkel E1, E2 im wesentlichen gleich P1 bzw. P2 sind. Abweichungen von der Gleichheit von E1 und P1 bzw. E2 und P2 können insbesondere in einem nicht lotrechten Auftreffen des Lichtes auf die jeweilige Eintrittsfläche 9, 10 begründet sein. Weiterhin können wellenoptische Effekte dazu beitragen, dass die Winkel voneinander abweichen. Auch Verunreinigungen im Sinne von Brechungsindexvariationen im Prisma können zu Abweichung führen. Zur Kollimierung des Lichts 101, 102 ist an der jeweiligen Eintrittsfläche 9, 10 eine plankonvexe Linse 6, 7 angeordnet. Der erste Prismenwinkel P1 und auch der zweite Prismenwinkel P2 werden insbesondere durch die Wellenlänge des einzukoppelnden Lichts 101, 102 in das Prisma 1 bestimmt, da der erste und der zweite Einfallswinkel E1, E2 von der Wellenlänge des eingekoppelten Lichts 101, 102 abhängen. Des Weiteren sind eine erste und eine zweite Lichtquelle L1, L2, beispielsweise Leuchtdioden, in 2 abgebildet, die dazu ausgebildet sind, das Licht emittieren.
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3 zeigt ein Blockschaltbild, bzw. ein schematisches Bild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Elektronik, die zum Auswerten, der durch das Sensormittel 100 aufgenommenen Signale geeignet ist. Weiterhin weist das Schaltbild Elemente 203, 204, 205 auf, die zur Ansteuerung der Vorrichtung geeignet sind, insbesondere zur Ansteuerung der beiden Lichtquellen L1, L2 und L3. Die Lichtquellen L1, L2, L3 können insbesondere Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge sein. Weiterhin weist die Elektronik Elemente zur Ansteuerung bzw. Signalverarbeitung von Lichtdetektoren D1 und D2 auf. Ein weiteres Element ist dazu vorgesehen, das Sensormittel 100 auszulesen bzw. anzusteuern. Die Schaltung wird auch als Mikrocontrollereinheit 200 bezeichnet. Die Mikrocontrollereinheit 200 weist insbesondere einen Mikroprozessor 201 auf, der dazu geeignet ist, die von der CMOS Kamera bzw. dem Sensormittel 100 stammenden Signale bzw. Zeilenbilder zu einem Fingerabdruckbild zusammenzusetzen und weiterhin aus diesem Fingerabdruckbild einen Datensatz zu erzeugen, der an ein Computernetzwerk, insbesondere verschlüsselt bzw. über eine verschlüsselte Verbindung übertragbar ist/übertragen wird, wobei die Funktionseinheit F beispielsweise ein Computernetzwerk, ein Computer oder computerähnliche Endgeräte wie beispielsweise Mobiltelefone sind. Natürlich kann die Mikrocontrollereinheit 200 auch integraler Bestandteil der Funktionseinheit F sein. Außerdem steuert diese Mikrocontrollereinheit 200 insbesondere auch alle Leuchtmittel und Detektoren der Vorrichtung.
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Des Weiteren ist ein sogenannter Kryptospeicher 202 in dem Blockschaltbild dargestellt. Der Kryptospeicher 202 dient zum verschlüsselten Ablegen eines vorgespeicherten Fingerabdruckbildes. Des Weiteren weist das Schaltbild Schnittstellen 211 wie beispielsweise USB oder NFC auf, so dass die Vorrichtung über besagte Schnittstellen 211 an eine externe Vorrichtung oder an eine Funktionseinheit F angeschlossen werden kann. Wie aus 2 ersichtlich, ist das Prisma 1 so ausgebildet, dass die beiden Eintrittsflächen 9, 10 entsprechend den Gesetzen der Totalreflexion abgeschrägt sind, wobei in deren Zentrum jeweils eine plankonvexe Linse 6, 7 fixiert ist. Mittels dieser Abschrägung ist es lichttechnisch möglich parallelisiertes Licht 101 unter dem Winkel der Totalreflexion in das Prisma 1 einzukoppeln, so dass, wenn die Totalreflexionsbedingung über bzw. an der Sensorfläche 4 erfüllt ist, ein evaneszentes Feld 3 über der Sensorfläche 4 erzeugt wird.
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Zur Pulsmessung ist eine dritte Lichtquelle L3, insbesondere eine Leuchtdiode, vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie infrarotes Licht geeigneter Wellenlänge, insbesondere von 800 nm–1000 nm, bevorzugt 880 nm–950 nm, insbesondere über einem auf der Sensorfläche 4 angeordneten Messpunkt 12 auf die Fingerkuppe über das Prisma 1 schickt und wobei über die Reflexion des infraroten Lichtes durch die Fingerkuppe eine Pulsfrequenz ermittelt werden kann. Dazu wird das reflektierte Licht mit einem ersten Lichtdetektor D1, beispielsweise einer sogenannten ”PIN-Photodiode” (englische Abkürzung für ”Positive Intrinsic Negative”-Photodiode) erfasst. Als Referenz zu diesem Signal 103a wird über einen zweiten Lichtdetektor D2, beispielsweise ebenfalls eine PIN-Photodiode, das Licht 103c der dritten Lichtquelle direkt erfasst (also ohne durch die die Fingerbeere gestreut zu werden). Über die zeitlichen Schwankungen von 103a im Vergleich zu 103c wird die Reflexion bzw. Absorption des Lichtes 103 an der Fingerbeere kann auf ein Vorhandensein oder ein nicht-Vorhandensein eines Pulsschlags geschlossen werden. Über die Pulsmessung kann insbesondere die Lebenderkennung erfolgen. Zusätzlich kann auch das Sensormittel zur Auswertung beitragen, da auch auf sie Licht 103b trifft. Da die Analyse der Pulsmessung insbesondere gleich von zwei Sensoren (D1/D2, 100) ausgewertet werden kann, ist diese Anordnung besonders robust gegenüber Störungen oder Fälschungsversuchen. Weiterhin lässt sich die (veränderte, stark erhöhte) Absorption bei totem Gewebe und damit die Lebenderkennung, so zweifelsfrei analysieren und durch zwei unabhängige Sensoren D1, 100 nachweisen.
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Bei der Pulsfrequenzmessung oder Pulsmessung wird das Licht 103 in der Weise in das Prisma 1 gespeist, dass eine Strahlteilerfläche 5 des Prismas 1 wie ein Strahlenteiler wirkt und die reflektierte bzw. gestreute infrarot Strahlung und aufteilt.
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Funktionsweise des Sensors
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Der Fingerabdrucksensor bzw. die Vorrichtung wird durch Nutzung der Sensorfläche 4 automatisch aktiv, wenn die Vorrichtung an eine aktive Spannungsquelle beispielsweise über eine USB oder Funkschnittstelle 211 angeschlossen wird. Zur Erfassung eines Fingerabdrucks streicht ein Nutzer mit seiner Fingerkuppe über die Sensorfläche 4, wobei bereits mit der Auflage der Fingerkuppe auf die Sensorfläche eine Abdunkelung durch beispielsweise das Sensormittel 100 oder die PIN-Photodioden D1 registriert werden kann. Sobald diese Abdunkelung registriert wurde, wird einerseits Licht 103 über die Strahlteilerfläche 5 des Prismas eingekoppelt sowie die PIN-Photodiode D1 und D2 (und ggf. auch die Sensormittel 100) aktiviert. Dadurch wird eine Pulsfrequenzmessung innerhalb von 10–200 ms aktiv und schaltet die Sensorik über die elektronische Schaltung komplett aktiv und steuert nun über die Mikrocontrollereinheit 200 umgehend die kurzwellige Lichtquelle 101 und 102 hinzu.
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Anschließend wird der Fingerabdruck erfasst, wobei die Papillarleisten durch die Beleuchtung mit Licht 101, 102 von zwei verschiedenen Wellenlängen in zwei Tiefen erfasst werden. Hier ist allgemein bekannt, dass die Täler (also die Zwischenräume zwischen den Papillarleisten) sehr hell und die Amplituden (die Papillarleisten) sehr dunkel wirken. Besonders der jeweilige Leuchtdichteverlauf der Täler durch die insbesondere nacheinander erfolgende Belichtung und Erfassung mit zwei Wellenlängen kann mathematisch in ein dreidimensionales Bild der Fingerbeere gewandelt werden, auch weil die Amplituden und Tälern der beiden so gewonnen Bilder (aus der Beleuchtung mit unterschiedlicher Wellenlänge) direkt vergleichbar sind. Hierbei sind insbesondere chromatische Aberrationen in die Berechnung mit einzubeziehen, oder sie werden gezielt unterdrückt. In einer Bildebene wird ein Bild der Sensorfläche 4 bzw. des Fingerabdrucks abgebildet, welches zur Auswertung über die Linse/Optik 90 direkt auf das Sensormittel 100 projiziert wird. Da die Fingerkuppe über die Sensorfläche 4 gezogen wird, werden nur Bildsequenzen der Fingerkuppe erzeugt, die von dem Sensormittel 100 insbesondere sequentiell erfasst werden und an die Mikrocontrollereinheit 200 zur Weiterverarbeitung versendet werden.
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In 5 ist zeichnerisch dargestellt, wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Funktionseinheit F angeordnet werden kann. Dazu weist, die Funktionseinheit F, hier beispielsweise ein Mobiltelefon, eine entsprechende Aussparung auf, in die die Vorrichtung eingelegt oder geschoben werden kann. Vorteilhaft sind bekannte Rast und Klick-Verfahren/Vorrichtungen, um die Vorrichtung an ihrem Platz in der Funktionseinheit F zu halten. Stromversorgung und Kommunikation kann beispielsweise über eine sogenannten NFC (Near Field Communication) Schnittstelle C1, C2 erfolgen.
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In
6 ist das Verfahren zur Erzeugung von optischen PINs mit Hilfe der Vorrichtung grafisch dargestellt. Dabei werden insbesondere Bewegungen der Fingerbeere auf der Sensorfläche
4 erfasst und vordefinierten Streichrichtungen zugeordnet. Hier sind es die Streichrichtungen beispielsweise oben S1, unten S2, recht S3, links S4. Des Weiteren wird eine bewegungslose Berührung der Fingerbeere als SN erfasst, was beispielsweise als Eingabebestätigung der zuvor eingegeben Zahlenfolge gewertet werden kann. Jeder Streichrichtung wird ein Zahlensatz zugeordnet, beispielsweise 1 für S1, 2 für S2, 3 für S3 und 4 für S4. Auf diese Weise können durch Streichen über die Sensorfläche Zahlen von 1 bis 4 eingegeben werden. Um höhere Zahlen einzugeben, wird beispielsweise eine Streichrichtung mehrfach und kurzzeitig hintereinander angewählt. So wird der Vorrichtung beispielsweise angezeigt, dass sie anstelle der 1 nun beispielsweise eine 5 für S1 zuordnen soll, etc. Bezugszeichenliste
| 1 | Prismatische Element, Prisma |
| 3 | Evaneszentes Feld |
| 4 | Sensorfläche |
| 5 | Strahlteilerfläche |
| 6 | Erste Linse |
| 7 | Zweite Linse |
| 9 | Erste Eintrittsfläche |
| 10 | Zweite Eintrittsfläche |
| 12 | Messpunkt zur Pulsmessung |
| 20 | Austrittsfläche |
| 40 | Beschichtung |
| 90 | Optik für das Sensormittel |
| 100 | Sensormittel |
| 101 | Licht aus der ersten Lichtquelle |
| 102 | Licht aus der zweiten Lichtquelle |
| 103 | Licht aus der dritten Lichtquelle |
| 103a | Licht der dritten Lichtquelle |
| 103b | Licht der dritten Lichtquelle |
| 103c | Licht der dritten Lichtquelle |
| 200 | Mikrocontrollereinheit |
| 201 | Mikroprozessor |
| 202 | Kryptospeicher |
| 203–205 | Elemente der Mikrocontrollereinheit incl. internes Netzteil |
| 211 | Schnittstelle zu einer Funktionseinheit |
| L1 | Erste Lichtquelle |
| L2 | Zweite Lichtquelle |
| L3 | Dritte Lichtquelle |
| P1 | Erster Prismenwinkel |
| P2 | Zweiter Prismenwinkel |
| C1 | NFC Schnittstelle |
| C2 | NFC Schnittstelle |
| F | Funktionseinheit |
| D1 | Erster Lichtdetektor |
| D2 | Zweiter Lichtdetektor |
| S1 | Erste Streichrichtung |
| S2 | Zweite Streichrichtung |
| S3 | Dritte Streichrichtung |
| S4 | Vierte Streichrichtung |
| SN | Bewegungslose Berührung |
