DE102019126408A1

DE102019126408A1 - Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur Aufnahme von Abdrücken von Autopodien

Info

Publication number: DE102019126408A1
Application number: DE102019126408.1A
Authority: DE
Inventors: Tom MICHALSKY; Undine Richter; Philipp Riehl; Daniel KRENZER; Jörg Reinhold
Original assignee: Jenetric GmbH
Current assignee: Dermalog Jenetric De GmbH
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-10-01
Also published as: WO2021063597A1; CN114450728B; CN114450728A; DE102019126408B4; US20220343671A1; US11721125B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien mittels Reflexion. Die Vorrichtung umfasst aus der Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen eine Auflagefläche (2) zur Auflage der Autopodien, eine berührungsempfindliche Schicht (4), welche registriert, ob auf der Auflagefläche (2) Hautbereiche aufgelegt sind, eine LC-Einheit (5) mit rasterförmig angeordneten, mittels einer Ansteuereinheit einzeln ansteuerbaren Pixeln (6), eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper (7) und ersten und zweiten Beleuchtungsmitteln, sowie eine unter dem Lichtleiterschichtkörper (7) angeordnete optische Sensorschicht (8) mit rasterförmig angeordneten Sensorelementen (9). Die ersten Beleuchtungsmittel sind zur Beleuchtung der LC-Einheit (5) mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich ausgebildet und die zweiten Beleuchtungsmittel zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel in einem zweiten Wellenlängenbereich. Die Sensorelemente (9) sind für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlich. Die Pixel (6) der LC-Einheit (5) sind zwischen einem für das diffuse Licht und das gerichtete Licht transparenten und einen mindestens für das diffuse Licht opaken Zustand umschaltbar, sie werden durch das von den ersten Beleuchtungsmitteln abgestrahlte diffuse Licht zur Darstellung von Informationen beleuchtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien, bei denen es sich in der Regel um die der Finger handelt. Zur Erzeugung der Aufnahmen der Abdrücke wird die Reflexion an einer Auflagefläche für die Autopodien ausgenutzt, beispielsweise kann das Prinzip der gestörten Totalreflexion verwendet werden.
Die Entwicklung von Mobiltelefonen im Lauf der letzten Jahre zu Geräten, auf denen immer mehr sensible Daten verwaltet werden, erfordert auch immer höhere Ansprüche an eine sichere Authentifizierung durch den Nutzer. Auch bei den Nutzern selbst nimmt die Sicherheit der Authentifizierung einen hohen Stellenwert ein. Neben der Eingabe von Kennwörtern oder Kennzahlen setzt sich hier die biometrische Authentifizierung mittels persönlicher Merkmale des Benutzers immer mehr durch. Bekannte Verfahren basieren beispielsweise auf einer Erkennung des Gesichts. Deutlich mehr Informationen und somit höhere Sicherheit bietet jedoch die biometrische Authentifizierung mittels Fingerabdrücken, da in der Papillarstruktur der menschlichen Finger deutlich mehr Informationen codiert sind, als beispielsweise bei der biometrischen Authentifizierung per Gesichtserkennung geprüft werden können.
Die Authentifizierung mittels eines einzigen Fingerabdrucks ist dabei seit langem bekannt, dafür geeignete Mobiltelefone verfügen in der Regel über einen einzelnen, vom übrigen Bildschirm abgesetzten Auflageplatz für den Finger. Dabei können auch mehrere Abdrücke von Fingern in einer Datenbank hinterlegt werden, es kann jedoch immer nur ein einziger Abdruck zur gleichen Zeit registriert werden. Höhere Sicherheit bietet eine Mehrfingerauthentifizierung, bei der die Abdrücke mehrere Finger gleichzeitig registriert werden. Aus Platzgründen und aus ergonomischen Gründen erfolgt eine solche Registrierung über den Bildschirm des Mobiltelefons. Dabei existieren bereits Sensor-Bildschirm-Kombinationen in Mobilgeräten, bei denen ein optischer Bildsensor - CMOS-, TFT-, CCD-Sensor, etc. - mit einem Bildschirm - OLED-, QLED-, LCD-Bildschirm, etc. - verknüpft ist. Um Bildschirmeingaben per Finger zu ermöglichen, ist in dem Bildschirm in den meisten Fällen eine berührungsempfindliche Schicht integriert.
Der optische Bildsensor nimmt Hautabdrücke auf, welche mit im System gespeicherten Daten verglichen werden, um die Identität des Nutzers festzustellen und gegebenenfalls zu bestätigen, oder auch um bestimmte Funktionen von Anwendungen auszulösen, die bestimmten Fingern zugeordnet sein können.
Bei anderen im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen dient der berührungsempfindliche Bereich des Bildschirms gleichzeitig als Auflagefläche für die Finger, deren Abdrücke aufgenommen werden sollen. Somit wird kein gesonderter Bereich abseits der Bildschirmfläche zur Aufnahme der biometrischen Merkmale benötigt. Der effektive Bereich zum Anzeigen von Informationen kann auf diese Weise vergrößert werden, da ein gesonderter Sensorbereich für die Auflage eines Fingers nicht mehr benötigt wird.
Dabei werden bevorzugt optische Bildsensoren eingesetzt, welche im Gegensatz zu kapazitiven oder auf Ultraschall basierende Fingerabdrucksensoren den Vorteil aufweisen, dass sich mit diesen auch über größere Abstände zwischen optischem Sensor und aufzunehmendem biometrischen Objekt hochaufgelöste Aufnahmen realisieren lassen. Dies ist beispielsweise dann von wesentlicher Bedeutung, wenn vom Nutzer des mobilen Gerätes weitere Deckfolien oder Deckgläser auf die Bildschirmoberfläche aufgebracht werden, beispielsweise zum Schutz vor Kratzern. Als Bildschirme - im Folgenden auch als „Display“ bezeichnet - werden überwiegend Liquid Crystal (LC)-Bildschirme verwendet, da sie günstig in der Herstellung und langlebig sind.
Beispielhaft sei hier auf die WO 2019/041214 A1 und die US 2018/0165497 A1 verwiesen. Neben der üblichen Bildschirmbeleuchtung wird hier eine seitlich angeordnete Zusatzbeleuchtung verwendet, die einen auf den Bildschirm aufgelegten Hautbereich mit gerichtetem Licht bestrahlt. Anschließend wird das vom Hautbereich zurückreflektierte Licht der Zusatzbeleuchtung von einem optischen Bildsensor detektiert, der sich unterhalb des Bildschirms befindet oder in den Bildschirm integriert ist. Zur Darstellung von Informationen auf dem Bildschirm werden üblicherweise LC-Einheiten verwendet, die mit einer flächigen Hintergrundbeleuchtung ausgestattet sind, wobei der optische Sensor sich aus Richtung eines Betrachters vor der intransparenten Hintergrundbeleuchtung befindet und selbst transparent sein muss, wobei die Helligkeitseinbußen dennoch im Bereich von mehr als 50% liegen. Das von dieser Hintergrundbeleuchtung abgestrahlte Licht breitet sich diffus aus, die Strukturen der Hautabdrücke lassen sich auf diese Weise in der Regel nicht mit ausreichender Genauigkeit auflösen, wobei die Auflösung umso geringer wird, je größer die Distanz zwischen Sensor und aufgelegten Objekt ist. Für die Bestrahlung der aufgelegten Hautbereiche mit gerichtetem Licht verfügen die Anordnungen daher über die erwähnten Zusatzbeleuchtungen, die seitlich neben der Hintergrundbeleuchtung angeordnet sind, wobei das Licht der Zusatzbeleuchtung in einen über der LC-Einheit angeordneten, eigenen Lichtleiter eingekoppelt wird. Dies vermindert die Brillanz des Bildschirms und die angezeigten Bilder bzw. Informationen erscheinen weniger klar, da durch die zusätzliche Beleuchtungsschicht, den Lichtleiter, zum einen der Abstand zwischen der LC-Einheit und der Oberseite der Deckschicht vergrößert wird und zum anderen zusätzliche lichtstreuende Strukturen und Schichten, bzw. weitere Grenzflächen im Lichtweg angeordnet sind. Die zusätzliche Beleuchtung ist außerdem nachteilig so konzipiert, dass nicht die gesamte Auflagefläche mit gleicher Lichtintensität mit dem gerichteten Licht bestrahlt werden kann, so dass nur ein Teil der Bildschirmoberfläche zur Aufnahme von hochauflösenden Hautabdrücken zur Verfügung steht; eine gleichzeitige Aufnahme der Abdrücke mehrerer Finger ist damit kaum realisierbar.
In der US 2018/0357460 A1 werden verschiedene Vorrichtungen beschrieben, die zur Darstellung von Informationen LC-Einheiten (LCD, LC-Displays) verwenden. Für die Beleuchtung zur Aufnahme von Fingerabdrücken im Falle eines LC-Displays werden gemäß 16c, 16d der US 2018/0357460 A1 rasterförmig angeordnete Punktlichtquellen, beispielsweise Mikro-LED verwendet, welche gerichtetes Abtastlicht abstrahlen. Die Punktlichtquellen sind vor der Hintergrundbeleuchtung, welche diffuses Licht abstrahlt, angeordnet. Die optischen Sensoren sind oberhalb der Beleuchtungen angeordnet, da die übliche Hintergrundbeleuchtung eines LC-Displays auf ihrer den Pixeln der LC-Einheit abgewandten Seite intransparent ist. Die Detektoren sind hier in die rückwärtige Ebene (backplane) der LC-Einheit integriert. Um das Licht der Hintergrundbeleuchtung nicht vollständig zu blockieren, werden die Punktlichtquellen zur Erzeugung des gerichteten Lichts zueinander in größeren Abständen angeordnet, als es beispielsweise der Pixelbreite und -höhe der LC-Einheit entspricht. Um dennoch eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung zu erreichen, sind in den Bereichen zwischen den Punktlichtquellen lichtblockierende Elemente angeordnet, die von der Hintergrundbeleuchtung kommendes Licht blockieren, wodurch zwar die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung - bei ausgeschalteten Punktlichtquellen - erhöht wird, die Helligkeit jedoch nachteilig reduziert wird. Darüber hinaus kann es bei der Verwendung von punktlichtförmiger Beleuchtung notwendig sein, aus Genauigkeitsgründen den Hautabdruck abschnittsweise aufzunehmen und später zu einem Gesamtabdruck zusammenzusetzen. Die Lichtquellen für die punktlichtförmige Beleuchtung können auch oberhalb der optischen Sensorelemente angeordnet sein, wobei letztere jedoch in jedem Fall oberhalb der Hintergrundbeleuchtung der LC-Einheit angeordnet sind.
In der US 10,177,194 B2 wird eine Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten Aufnahme einzelner Fingerabdrücke mit einem OLED beschrieben, wobei unterhalb der OLED-Pixel, welche nicht transparent sind, eine Zusatzbeleuchtung zur Abstrahlung von gerichtetem Licht angeordnet ist, wobei das Licht in die Bereiche zwischen den OLED-Pixeln abgestrahlt wird; somit steht grundsätzlich nicht die ganze mögliche Fläche zur Lichtabstrahlung zur Verfügung, die Helligkeit ist vermindert. Auch die Sensorelemente sind unterhalb der OLED-Pixel angeordnet, jedoch oberhalb der Zusatzbeleuchtung. Eine Hintergrundbeleuchtung wird aufgrund der Tatsache, dass es sich um OLED handelt, nicht benötigt. Bei den in der US 10,177,194 B2 beschriebenen Anordnungen gelangen konstruktionsbedingt nur maximal etwa 10 % des von der Zusatzbeleuchtung abgestrahlten gerichteten Lichtes auf die Sensorelemente, so dass es hier zu Genauigkeitseinbußen kommen kann. Zur Erzeugung der gerichteten Beleuchtung wird eine Lichtleiterstruktur verwendet. Um das gerichtete Licht aus dem Lichtleiter auszukoppeln, wird in der US 10,177,194 B2 Licht der Zusatzbeleuchtung in eine transparente Substratschicht und von dort in eine Lichtleiterstruktur eingekoppelt, welche unterhalb der transparenten Substratschicht angeordnet und mit dieser verbunden ist. Die lichtleitende Struktur ihrerseits weist eine Vielzahl von optischen Mikrostrukturen wie beispielsweise Mikroprismen auf, welche als Auskoppelelemente dienen und das Licht in Richtung einer Auflagefläche für einen Finger lenken.
Zusammenfassend weisen die im Stand der Technik entstandenen Vorrichtungen bei über der Display-Einheit, die zur Darstellung der Informationen verwendet wird, angeordneter Zusatzbeleuchtungsschicht den Nachteil auf, dass dadurch die Brillanz und Helligkeit der dargestellten Informationen verringert wird, obwohl die Zusatzbeleuchtung nicht aktiv ist. Bei aktivierter Zusatzbeleuchtung kann diese, sofern sie im sichtbaren Bereich liegt, die dargestellten Informationen auch überstrahlen. Zwar werden im Stand der Technik auch Anordnungen beschrieben, bei denen die zusätzliche Beleuchtung zur Erzeugung gerichteten Lichts für die Fingerabdruckaufnahme unterhalb der LC-Einheit oder OLED-Einheit angeordnet ist, dabei entstehen jedoch hohe Transmissionsverluste, die die Qualität der Fingerabdruckaufnahme beeinträchtigen können. Dies ließe sich zwar mit stärkeren Lichtquellen ausgleichen, was aber letztlich zu einem höheren Energieverbrauch führen würde und somit insbesondere für mobile, akkubetriebene Geräte von Nachteil ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu entwickeln, mit der sich Abdrücke von Hautbereichen mehrerer Autopodien gleichzeitig in hoher Qualität auf der gesamten Oberfläche des Bildschirmes des Mobilgerätes aufnehmen lassen, ohne dabei die Brillanz des Bildschirms zu verschlechtern, wobei die Anordnung außerdem möglichst energieeffizient arbeiten soll. Die Aufgabe besteht ferner darin, ein möglichst energieeffizientes Verfahren für die Aufnahme von Abdrücken von Hautbereichen mehrerer Autopodien auf einer solchen Vorrichtung zu realisieren.
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien mittels Reflexion mit folgenden Merkmalen gelöst:

Aus der Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen umfasst die Vorrichtung zunächst eine Auflagefläche zur Auflage der Autopodien. Die Auflagefläche ist in der Regel aus Glas, kann aber auch die Grenzfläche einer auf das Glas aufgebrachten Schutzfolie, beispielsweise aus Kunststoff, sein. Unterhalb der Auflagefläche - immer aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereichs gesehen - ist eine berührungsempfindliche Schicht angeordnet, welche registriert, ob auf der Auflagefläche Hautbereiche aufgelegt sind oder nicht. Solche berührungsempfindlichen Schichten sind im Stand der Technik bereits bekannt und werden beispielsweise in Mobilgeräten mit der Steuerung des Gerätes verknüpft. Daneben wird bei der vorliegenden Erfindung die berührungsempfindliche Schicht auch für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Sensorik für die Aufnahme von Hautabdrücken eingesetzt.

Unterhalb der berührungsempfindlichen Schicht ist eine LC-Einheit (Liquid-Crystal-Einheit) angeordnet. Diese umfasst rasterförmig angeordnete Pixel, in der Regel sind diese aus roten, grünen und blauen Subpixeln zusammengesetzt, wobei die Farbdefinition mittels entsprechender Farbfilter erfolgt; die Pixel bzw. Subpixel sind mittels einer Ansteuereinheit einzeln ansteuerbar. Mit dem Begriff der LC-Einheit werden hier ausschließlich die transmissiv oder opak schaltbaren Pixelstrukturen bezeichnet, nicht jedoch deren Hintergrundbeleuchtung, wobei die in der Regel zur Änderung der Transmissionseigenschaften notwendigen Polarisationsstrukturen oberhalb und unterhalb der Pixel mit zur LC-Einheit zählen, ebenso wie der Farbfilter, der zwischen der Polarisationsstruktur oberhalb der Pixel und den Pixeln angeordnet ist. Wesentlich ist, dass außer den genannten Schichten - Auflagefläche, gegebenenfalls Schutzschicht, berührungsempfindliche Schicht - keine zusätzliche Schichten wie strukturierte Lichtleitschichten oder halbtransparente Sensorschichten oberhalb der LC-Einheit angeordnet sind, welche die Helligkeit bzw. Brillanz des Bildschirmes verringern könnten. Zwischen der Polarisationsstruktur unterhalb der Pixel sowie den Pixeln selbst ist die sogenannte, teiltransparente „Backplane“ angeordnet, über welche die Pixel angesteuert werden. Die Backplane kann auf ihrer Unterseite im nichttransparenten Bereich mit einer absorbierenden Schicht zur Vermeidung von Reflexionen von Licht, welches von der im Folgenden beschriebenen Beleuchtungseinheit in Richtung der Auflagefläche abgestrahlt wird, versehen werden.
Unterhalb der LC-Einheit ist eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper sowie ersten und zweiten Beleuchtungsmittel angeordnet. Die ersten Beleuchtungsmittel sind dabei zur Beleuchtung der LC-Einheit mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich ausgebildet, d.h. Licht des ersten Wellenlängenbereichs, welches in den Lichtleiterschichtkörper eingestrahlt wird, verlässt diesen diffus nach oben, in Richtung der Auflagefläche. Die ersten Beleuchtungsmittel realisieren somit die Hintergrundbeleuchtung für die LC-Einheit.
Die zweiten Beleuchtungsmittel sind zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel, d.h. +/- 10° um den Zentralwinkel ausgebildet, sie strahlen Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich ab. Die beiden Wellenlängenbereiche können deckungsgleich sein, sich teilweise überlappen, oder auch ganz voneinander verschieden sein. Insbesondere kann jeder der Wellenlängenbereiche auch nur eine einzige Wellenlänge innerhalb von Toleranzen, wie sie beispielsweise durch Filter vorgegeben werden, umfassen. Der Zentralwinkel ist dabei so vorgegeben, dass Licht, welches in den beschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird und durch die LC-Einheit sowie die berührungsempfindliche Schicht an einer Unterseite der Auflagefläche gelenkt wird, an der Auflagefläche im Falle eines daran anliegenden Mediums mit einem Brechungsindex, der von dem Brechungsindex des Materials der Auflagefläche abweicht, mindestens teilweise reflektiert, beispielsweise überwiegend total reflektiert würde. Das Medium kann beispielsweise Luft sein.
Der Zentralwinkel muss dabei nicht 0° mit einer Flächennormalen der Auflagefläche einschließen, sondern schließt bevorzugt einen Winkel zwischen 0° und 80°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 70° mit der Flächennormalen ein. Besonders bevorzugt umfasst auch der beschränkte Winkelbereich nur Winkel von nicht mehr als 10° um den Zentralwinkel, um eine möglichst scharfe Abbildung der Papillarstrukturen auf einem optischen Sensor, der weiter unten beschrieben wird, zu ermöglichen und dabei auch Details scharf abzubilden.
Dabei sind zwei Varianten besonders bevorzugt. Im einen Fall, in dem für die Reflexion das Prinzip der gestörten Totalreflexion genutzt wird, ist der Zentralwinkel bevorzugt größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion, beispielsweise 42° im Falle vom üblichen Glas-Luft-Übergang. Auf diese Weise sind die Reflexionen an der Grenzfläche besonders stark, das Licht wird effizient ausgenutzt und entsprechend hoch ist der Kontrast. Besonders bevorzugt liegen auch die Winkel des beschränkten Winkelbereichs um den Zentralwinkel sämtlich so, dass sie größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sind. Im anderen Fall, wenn keine Totalreflexion genutzt wird, sondern die übliche Reflexion, ist der Zentralwinkel bevorzugt 0°, um den Lichtweg zwischen Reflexion an der Auflagefläche bzw. Grenzfläche und der Detektion an einer Sensorschicht möglichst kurz und so die Auflösung möglichst hoch zu halten. In diesem Fall ist die Lichtmenge deutlich geringer, da in der Regel nicht mehr als 4% des Lichts an der Auflagefläche als Grenzfläche zu Luft reflektiert werden.
Die diffuse Beleuchtung allein ist nicht geeignet, Hautabdrücke abzubilden, da der Abstand zwischen einer noch zu beschreibenden, unterhalb des Lichtleiterschichtkörpers angeordneten Sensorschicht und der Auflagefläche mehrere 100 µm betragen kann, so dass die Papillarstrukturen der Haut und Details wie Poren von den Sensorelementen nicht aufgelöst werden können. Dieser Verlust an Details, welche unter anderem in Größenordnungen von nur 50 µm liegen können, wird durch das breite Winkelspektrum der diffusen Beleuchtung verursacht, welche zur Verwaschung der abzubildenden Strukturen mit zunehmenden Abstand führt, sofern keine abbildenden oder kollimierenden Optiken verwendet werden. Andererseits ist die diffuse Beleuchtung notwendig, um den Bildschirm möglichst gleichmäßig auszuleuchten, wenn er zur Darstellung von Informationen verwendet wird.
Die Pixel der LC-Einheit sind dabei zwischen einem für das diffuse Licht und das gerichtete Licht transparenten Zustand und einen mindestens für das diffuse Licht opaken Zustand umschaltbar, was durch die Veränderung der Polarisationsrichtung des - beim Eintritt in die LC-Einheit bereits linear polarisierten Lichts geschieht. Die Pixel der LC-Einheit werden wie beschrieben durch das von den ersten Beleuchtungsmitteln abgestrahlte diffuse Licht zur Darstellung von Informationen beleuchtet, die mit Hilfe der Ansteuereinheit für die Darstellung aufbereitet werden. Eine Umschaltung in einen auch für das gerichtete Licht opaken Zustand ist nicht zwingend nötig, aber optional möglich.
Unter dem Lichtleiterschichtkörper schließlich ist eine optische Sensorschicht mit rasterförmig angeordneten Sensorelementen angeordnet, welche mindestens für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlich sind.
Anders als im Stand der Technik ist also die optische Sensorschicht unterhalb der Beleuchtungseinheit angeordnet. Da die Sensorelemente unterhalb des Lichtleiterschichtkörpers angeordnet sind, muss dieser transparent sein - anders als im Stand der Technik, wo die Hintergrundbeleuchtungen für LC-Einheiten intransparent gestaltet sind, da sie auf ihrer Unterseite eine hochreflektierende Schicht aufweisen, welche die Effizienz in der Lichtausbeute maximiert. Um die Effizienz der Lichtausbeute für die diffuse Beleuchtung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen, kann die Oberfläche der Sensorschicht oder zumindest der Sensorelemente, die in der Regel metallisch ist, teilweise reflektierend ausgestaltet sein, abgesehen von den Öffnungen der Elemente, welche das Licht des zweiten Wellenlängenbereichs detektieren.
Aufgrund der Tatsache, dass die Sensorschicht die unterste Schicht der Vorrichtung bildet, muss diese bzw. müssen die Sensorelemente nicht transparent oder semitransparent ausgestaltet werden, so dass hier preisgünstigere Komponenten verwendet werden können, beispielsweise CMOS-basierte Sensoren. Da alle Komponenten, die für die Hautabdruckregistrierung notwendig sind, unterhalb der LC-Einheit angeordnet sind, wird der Bildschirm visuell nicht gestört. Da weder das diffuse Licht noch das gerichtete Licht Bereiche mit semitransparenten Sensoren, deren Transmission in der Regel nur bei 1 % bis maximal 30 % des eingestrahlten Lichtes liegt, durchqueren müssen, kann die Energieeffizienz verbessert werden - für die gleiche Helligkeit wie bei herkömmlichen Vorrichtungen wird weniger Energie benötigt.
In einer weiteren Ausführungsform wird das gerichtete Licht bei bestimmten Zentralwinkeln durch die LC-Schicht nicht in seiner Polarisationsrichtung verändert, womit es stets ungehindert die LC-Einheit passieren kann, unabhängig davon, ob die LC-Einheit im opaken oder transparenten Zustand geschaltet ist. Dies liegt darin begründet, dass bestimmte LC-Einheiten bezüglich ihrer Transmissionscharakteristik eine starke Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit aufweisen können, was dazu führt, dass das gerichtete Licht unabhängig vom Schaltzustand durch die LC-Einheit hindurchtreten kann. Der Zentralwinkel des gerichteten Lichts sollte hierzu zwischen 30° und 80° liegen, bevorzugt zwischen 40° und 70° und besonders bevorzugt zwischen 50° und 70°. In dieser Ausführungsform muss eine LC-Einheit mit nicht gekreuzten Linearpolarisatoren verwendet werden, also parallel ausgerichteten Polarisationsfiltern, da es ansonsten zur Auslöschung des gerichteten Lichts kommt.
Allerdings können bei der Beleuchtung mit gerichtetem Licht an der LC-Einheit dennoch Verluste von etwa 50 % aufgrund von Polarisation an der unteren Polarisationsstruktur auftreten, wenn das verwendete Licht unpolarisiert ist. Solche Verluste können dadurch vermieden werden, indem als Lichtquelle für die gerichtete Beleuchtung beispielsweise ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die polarisiertes Licht abstrahlt, verwendet wird.
Außerdem ist es in einigen Ausführungen möglich, die zweiten Beleuchtungsmittel auch zur Darstellung von Informationen zu verwenden, wenn der Zentralwinkel auf den Bereich oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion an der Auflagefläche gelegt wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Neigungswinkel geeigneter, beispielsweise prismenförmiger Auskoppelstrukturen entsprechend groß gewählt wird, um dem im Lichtleiter geführten Licht eine große Richtungsänderung beim Auftreffen auf die geneigte Fläche der Lichtauskoppelstruktur aufzuprägen. Weiterhin ist dies abhängig von der Brechzahldifferenz zwischen der Brechzahl des Lichtleiters und ihn umgebender Adhäsionsschichten mit niedrigeren Brechzahlen als der des Lichtleiters, da hierdurch definiert wird, welche Lichtwinkel überhaupt geführt werden.
Um Energie zu sparen, können die ersten Beleuchtungsmittel während der Aufnahme der Hautabdrücke der Autopodien abgeschaltet werden. Die zweiten Beleuchtungsmittel müssen hingegen nur aktiviert werden, wenn ein oder mehrere Hautbereiche detektiert werden sollen, dies kann beispielsweise in die Steuerung einer entsprechenden Applikation integriert werden. Die Zuschaltung der zweiten Beleuchtungsmittel kann dabei lokal auf solche Bereiche beschränkt werden, in welchen die berührungsempfindliche Schicht die Auflage eines oder mehrerer Hautbereiche detektiert hat, bei einer Beleuchtung von der Seite beispielsweise auf einen streifenförmigen Bereich.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung haben der erste Wellenlängenbereich für die diffuse Beleuchtung und der zweite Wellenlängenbereich für die gerichtete Beleuchtung keine Schnittmenge, das heißt die Bereiche überlappen einander nicht. Auf diese Weise kann die Überlagerung der Signale der beiden Beleuchtungen minimiert werden. Vorzugsweise umfasst der erste Wellenlängenbereich dann sichtbares Licht und der zweite Wellenlängenbereich nicht sichtbares Licht vorzugsweise im NIR-Bereich zwischen 780 nm und 3000 nm, wobei auch eine Beleuchtung im UV-A-Bereich zwischen 315 nm und 380 nm möglich ist.
Alternativ können die zweiten Beleuchtungsmittel auch monochromes Licht abstrahlend ausgebildet sein, das heißt sie strahlen nur in einem sehr schmalen Band Licht ab. In diesem Fall ist zur Trennung des Lichts der zweiten Beleuchtungsmittel von dem Licht der ersten Beleuchtungsmittel ein Transmissionsfilter zwischen der optischen Sensorschicht und dem Lichtleiterkörper angeordnet, um vorzugsweise nur Licht der zweiten Beleuchtungsmittel passieren zu lassen.
Wesentliche Bestandteile der Anordnung sind dabei der Lichtleiterschichtkörper und die Beleuchtungsmittel. Der Lichtleiterschichtkörper kann auf verschiedene Weisen realisiert werden. In einer ersten Ausgestaltung umfasst der Lichtleiterschichtkörper eine untere transparente Schicht als Teil der ersten Beleuchtungsmittel und eine obere transparente Schicht als Teil der zweiten Beleuchtungsmittel. Beide Schichten sind vorzugsweise im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet, weisen also zwei Großflächen - auch als Hauptflächen oder Großseiten bezeichnet - auf, die im Wesentlichen parallel in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind. Die beiden Großflächen sind an den Kanten durch Schmalseiten verbunden, welche die Kanten der Platte bilden. Die Geometrie der Platte ist dabei oft rechteckig, dies ist aber nicht zwingend. Die ersten Beleuchtungsmittel umfassen erste Lichtquellen, welche Licht im ersten Wellenlängenbereich abstrahlen und die zweiten Beleuchtungsmittel umfassen zweite Lichtquellen, welches Licht im zweiten Wellenlängenbereich abstrahlen. Das Licht der ersten Lichtquellen wird in die untere transparente Schicht eingekoppelt und das Licht der zweiten Lichtquellen wird in die obere transparente Schicht eingekoppelt. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Lichtquellen dabei jeweils an einer Schmalseite der jeweiligen plattenförmigen Schicht angeordnet und das Licht kann dann seitlich über die Schmalseite in die jeweilige Schicht eingekoppelt werden, oder auch über eine Ecke der Lichtleiterschicht, die dazu vorzugsweise eingekürzt ist, bzw. mit einer Fase versehen ist. Bei einer Lichteinkopplung von der Seite insbesondere bei den zweiten Lichtquellen zur Erzeugung des gerichteten Lichts, aber auch bei den ersten Lichtquellen kann es von Vorteil sein, wenn die Lichtquelle jeweils aus einer Vielzahl von Einzellichtquellen zusammengesetzt ist, wobei der Abstrahlwinkel jeder Einzellichtquelle durch Kollimationsmittel, beispielsweise absorbierende Zylinderstrukturen und / oder optische Linsen, vorzugsweise eingeschränkt wird. Dadurch wird die maximal zur Verfügung stehende Helligkeit erhöht.
Insbesondere für die Erzeugung des gerichteten Lichtes ist diese räumliche Kollimation von großem Vorteil, da der Einstrahlwinkel, mit welchem das Licht auf den Lichtleiter fällt, bereits von vornherein auf einen kleinen Winkelbereich beschränkt werden kann, welcher von der konkreten Kollimationsstruktur abhängt. Auch eine Lichteinkopplung für die diffuse Beleuchtung von unten ist möglich, wenn die ersten Lichtquellen beispielsweise in die optische Sensorschicht integriert werden und beispielsweise zwischen den Sensorelementen angeordnet sind.
Sowohl das Licht der ersten Lichtquellen als auch das Licht der zweiten Lichtquellen wird in der jeweiligen Schicht des Lichtleiterschichtkörpers mittels interner Totalreflexion (TIR) geführt, ein Einstrahlwinkelbereich mit Winkeln, unter denen Licht der ersten bzw. zweiten Lichtquellen auf eine Grenzfläche der jeweiligen Schicht von der Seite fällt, muss also entsprechend so gewählt werden, dass das Licht auch bei den Grenzwinkeln des Einstrahlwinkelbereichs durch Totalreflexion geführt wird. Auf den Großflächen sind dabei optische Schichten angebracht, welche eine niedrigere Brechzahl als die jeweilige Schicht des Lichtleiterkörpers aufweisen. Diese optisch niedrigbrechenden Schichten können beispielsweise aus Luft oder einem transparenten Klebstoff bestehen. Die transparenten Schichten des Lichtleiterkörpers weisen an ihren Hauptflächen Grenzflächen auf, und an den Grenzflächen der unteren transparenten Schicht sind erste Auskoppelstrukturen zur Auskopplung von diffusem Licht und an den Grenzflächen der oberen transparenten Schicht zweite Auskoppelstrukturen zur Auskopplung von gerichtetem Licht ausgebildet, wobei das Licht in jedem der beiden Fälle in Richtung der Auflagefläche ausgekoppelt wird.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die transparenten Schichten in ihrer Stapelfolge und entsprechend die Beleuchtungsmittel bzw. Lichtquellen zu vertauschen und Auskoppelstrukturen an den Grenzflächen der unteren transparenten Schicht zur Auskopplung von gerichtetem Licht und die Auskoppelstrukturen an den Grenzflächen der oberen transparenten Schicht zur Auskopplung von diffusem Licht auszubilden, auch wenn dies zu einer weiteren Verbreiterung des Abstrahlwinkels des gerichteten Lichts führt, d.h. der beschränkte Winkelbereich sollte entsprechend weitaus enger gewählt werden als im ersten Fall, wo die Verbreiterung des rückgeführten Lichts erst kurz vor Auftreffen auf den Sensor erfolgt.
Dabei ist es möglich, die ersten und zweiten Lichtquellen so auszubilden, dass das Licht seitlich in die untere bzw. obere transparente Schicht eingekoppelt wird, und dabei die ersten und zweiten Lichtquellen zu einer gemeinsamen Kantenbeleuchtung zusammenzufassen. Im Extremfall sind erste und zweite Lichtquelle zu einer einzigen Lichtquelle zusammengefasst, deren Licht über die Kante in den Lichtleiterschichtkörper eingekoppelt wird. Da hier Licht derselben Wellenlängen sowohl für die diffuse Beleuchtung als auch für die gerichtete Beleuchtung verwendet wird, ist es dann zweckmäßig, zwischen der optischen Sensorschicht und dem Lichtleiterschichtkörper eine zusätzliche Blendenschicht zur räumlichen Winkelselektion anzuordnen, so dass die Sensorelemente der optischen Sensorschicht im Wesentlichen hauptsächlich oder nur Licht der gerichteten Beleuchtung empfangen können.
Die Auskoppelstrukturen sowohl für das gerichtete Licht als auch für das diffuse Licht sind dabei so ausgebildet, dass die Beleuchtung pro Flächeneinheit bezüglich ihrer Intensität und für das gerichtete Licht auch bezüglich ihrer Winkelverteilung überwiegend homogen erfolgt, unabhängig davon, ob an einer oder an mehreren Stellen Hautpartien von Autopodien auf der Auflagefläche aufliegen. Dies wird durch eine entsprechend gewählte Verteilung der Auskoppelstrukturen auf den Großflächen realisiert. Beispielsweise kann die Zahl der Auskoppelstrukturen mit zunehmender Entfernung von derjenigen Seite, von der das Licht eingekoppelt wird, erhöht werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung werden nicht eine untere und eine obere transparente Schicht im Lichtleiterschichtkörper verwendet, sondern umfasst der Lichtleiterschichtkörper eine einzige, transparente, im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltete transparente Kombinationsschicht. Dabei umfassen die ersten Beleuchtungsmittel erste Lichtquellen und die zweiten Beleuchtungsmittel zweite Lichtquellen, wobei Licht der ersten Lichtquellen vorzugsweise an einer ersten Schmalseite, vorzugsweise seitlich oder seitlich von einer Ecke in die Kombinationsschicht eingekoppelt wird und Licht der zweiten Lichtquellen vorzugsweise an einer zweiten, der ersten Schmalseite gegenüberliegenden Schmalseite, vorzugsweise seitlich oder seitlich von einer Ecke in die Kombinationsschicht eingekoppelt wird, oder von unten mittels zusätzlicher optischer Element wie Linsen oder Prismen, die seitlich zur Sensorschicht angeordnet sind. Auch hier wird das Licht mittels interner Totalreflexion geführt, und an den Grenzflächen der transparenten Kombinationsschicht sind vorzugsweise Kombinationsauskoppelstrukturen zur Auskopplung von diffusem und gerichtetem Licht gleichzeitig in Richtung der Auflagefläche in Abhängigkeit von einer Einstrahlrichtung - beispielsweise von der ersten oder zweiten Schmalseite her - ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ lassen sich auch hier erste und zweite Auskopplungsstrukturen anordnen, um die Homogenität zu erhöhen bzw. zu gewährleisten, beispielsweise an einer Grenzfläche, welche derjenigen mit den Kombinationsauskoppelstrukturen gegenüberliegt. Wichtig ist dabei insbesondere, dass das diffuse Licht möglichst homogen ausgekoppelt wird. Die Mittel zur Homogenisierung des gerichteten Lichtes, welches für den Betrachter des Bildschirms unwesentlich ist, da damit keine Informationen dargestellt werden sollen, können auch in die optischen Sensorschicht integriert werden, indem dort beispielsweise die Blendengröße angepasst wird oder die Sensitivität der Sensorelemente graduell mit steigender Entfernung von der Seite, an der das Licht eingekoppelt wird, erhöht wird, oder eine semitransparente Schicht mit graduell fallender Absorption von dieser Seite aus, aufgetragen wird.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur gleichzeitigen Aufnahme der Hautabdrücke mehrerer auf einer Auflagefläche aufgelegter Autopodien, insbesondere mit einer Vorrichtung, wie sie vorangehend beschrieben wurde. Die Vorrichtung umfasst aus Richtung der Autopodien betrachtet eine Auflagefläche, eine berührungsempfindliche Schicht, eine LC-Einheit mit rasterförmig angeordneten, einzeln ansteuerbaren Pixeln, eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper und ersten Beleuchtungsmitteln zur Beleuchtung der LC-Einheit mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich sowie mit zweiten Beleuchtungsmitteln zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich, und eine optische Sensorschicht mit rasterförmig angeordneten, für das Licht des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlichen Sensorelementen.
Bei dem Verfahren wird die LC-Einheit der Vorrichtung, beispielweise eines Mobiltelefons oder eines Tablet-PCs, während ihres Betriebs zunächst durch die ersten Beleuchtungsmittel mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich beleuchtet, wobei die Pixel der LC-Einheit zwischen einem für das diffuse Licht transparenten und einem opaken Zustand umschaltbar sind. Auf diese Weise können Informationen dargestellt werden. Dies ist der übliche Betriebsmodus eines solchen Bildschirms oder Tablet-PCs, wenn keine Finger aufgelegt sind. Informationen werden farbig dargestellt, da üblicherweise jedes Pixel aus mehreren Subpixeln, die Licht der Grundfarben Rot, Grün und Blau abstrahlen, zusammengesetzt ist.
Die berührungsempfindliche Schicht detektiert, ob Hautbereiche auf die Auflagefläche aufgelegt sind. Bei aufgelegten Hautbereichen werden die Sensorelemente der optischen Sensorschicht aktiviert, so dass sie Licht detektieren können, außerdem werden die zweiten Beleuchtungsmittel, die im normalen Betriebsmodus, in dem nur Informationen dargestellt werden, ausgeschaltet sind, eingeschaltet. Ist eine berührungsempfindliche Schicht vorhanden, so steht die entsprechende Information, ob beispielsweise ein Finger oder mehrere Finger aufgelegt sind, automatisch zur Verfügung, wobei die berührungsempfindliche Schicht auch die Auflageorte auf der zweidimensionalen Auflagefläche registriert. Auf dem Bildschirm der Vorrichtung können gleichzeitig nutzerführende Informationen im Zusammenhang mit der Aufnahme der Abdrücke angezeigt werden.
Nachdem die zweiten Beleuchtungsmittel eingeschaltet wurden, strahlen diese gerichtetes Licht in einen beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel ab, wobei der Zentralwinkel so vorgegeben wird, dass Licht, welches in den beschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird und durch die LC-Einheit sowie die berührungsempfindliche Schicht an eine Unterseite der Auflagefläche gelenkt wird, an der Auflagefläche im Falle eines daran anliegenden Mediums mit einem Brechungsindex von Luft überwiegend totalreflektiert wird. Insbesondere dann, wenn Hautberge eines Fingers oder eines anderen Autopodiums aufliegen, tritt das Licht jedoch durch die Auflagefläche hindurch. Mittels der optischen Sensorschicht wird dann von der Auflagefläche reflektiertes Licht detektiert. Da die Sensorelemente rasterförmig angeordnet sind, lässt sich das detektierte Licht als Abdruck eines oder Abdrücke mehrerer Autopodien aufnehmen bzw. registrieren, d.h. dass die von den optischen Sensorelementen detektierten Intensitätswerte zu einem Abdruck oder zu mehreren Abdrücken verrechnet werden, wobei Bildverarbeitungsmethoden verwendet werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Wurde die Registrierung bzw. Aufnahme der Hautbereiche der Autopodien erfolgreich abgeschlossen oder abgebrochen, weil beispielsweise ein Finger vor Abschluss der Aufnahme von der Auflagefläche entfernt wurde, so wird die optische Sensorschicht deaktiviert und werden die zweiten Beleuchtungsmittel ausgeschaltet.
Da die zweiten Beleuchtungsmittel und die optischen Sensorelemente nur dann Energie verbrauchen, wenn Finger aufgelegt sind, arbeitet das Verfahren sehr energieeffizient. Das Einschalten der zweiten Beleuchtungsmittel sowie der optischen Sensorelemente kann außerdem auch an weitere Bedingungen geknüpft werden, beispielsweise kann sich das Einschalten auf solche Anwendungen beschränken, die explizit die Überprüfung von Fingerabdrücken fordern sollen, wie beispielsweise Applikationen für Online-Banking.
Der aufgenommene Abdruck oder die aufgenommenen Abdrücke werden in einem letzten Schritt mit in einer Datenbank hinterlegten Abdrücken verglichen, in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs wird ggf. eine Aktion oder werden mehrere Aktionen durchgeführt. Beispielsweise kann ein Mobilgerät mehreren Nutzern in einer Firma zugeordnet sein, wobei jeder der Nutzer ein eigenes Benutzerprofil und eine eigene Benutzeroberfläche hat. Anhand der Fingerabdrücke kann dann ein jeweils für den Benutzer spezifisches Profil für eine Benutzeroberfläche geladen werden.
Vorzugsweise wird zur Erhöhung der Sicherheit für jedes aufgelegtes Autopodium eine einzelne Aufnahme veranlasst. Die Aufnahmen können auch wiederholt werden, falls eine Positionsänderung einer oder mehrerer Autopodien detektiert wird oder weitere Autopodien aufgelegt werden. Um das Verfahren noch energieeffizienter zu gestalten, lässt sich auch die Detektion von Licht des zweiten Wellenlängenbereichs auf Bereiche beschränken, in welchen durch die berührungsempfindliche Schicht die Auflage eines Autopodiums detektiert wird.
Mögliche Anwendungen der Erfindung liegen hauptsächlich in der Integration von Mehrfingerabdrucksensoriken in LC-Bildschirmen. Diese können Bestandteil beispielsweise von Smartphones, Tablets, Fernsehgeräten, Laptops sowie anderen Geräten mit Display, mit denen eine Nutzer-Authentifizierung durchgeführt werden soll, sein. Ein Beispiel für eine Anwendung ist ein berührungsempfindlicher Bildschirm in einem Auto, der ein virtuelles Armaturenbrett darstellt und darauf einen virtuellen Startknopf, der sich bei Erkennen des entsprechenden Fingerabdrucks eines registrierten Benutzers freischalten und das Auto starten lässt und/oder ein virtueller Schalter, mittels dessen eine benutzerspezifische Sitz- und Spiegelkombination eingestellt wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:

1a, b zwei Querschnittsdarstellungen von Vorrichtungen zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Hautabdrücken von Autopodien mit aufgelegtem Finger,
2 einen Querschnitt durch einen Lichtleiterschichtkörper mit zwei transparenten Schichten,
3 einen Querschnitt durch einen Lichtleiterschichtkörper in einer alternativen Ausgestaltung,
4a)-c) verschiede Möglichkeiten zur Lichteinkopplung in eine transparente Schicht eines Lichtleitersch ichtkörpers,
5 eine weitere Möglichkeit der Beleuchtung einer transparenten Schicht eines Lichtleitersch ichtkörpers,
6 mögliche Anordnungen von Auskoppelelementen in einer Draufsicht,
7 einen möglichen Aufbau einer LC-Einheit und
8 den prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zur gleichzeitigen Aufnahme der Hautabdrücke mehrerer Autopodien.

1 a zeigt zunächst einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien. Als Autopodium fungiert hier beispielhaft ein Finger 1. Aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereiches gesehen umfasst die Vorrichtung zunächst eine Auflagefläche 2 zur Auflage der Autopodien. Diese ist im vorliegenden Fall Teil einer optionalen Schutzschicht 3, welche dazu dient, darunterliegende Elemente zu schützen. Es kann sich beispielsweise um eine Glas- oder Kunststoffschicht handeln. Unter der optionalen Schutzschicht 3 ist eine berührungsempfindliche Schicht 4 angeordnet, welche registriert, ob auf der Auflagefläche 2 Hautbereiche aufgelegt sind. Darunter ist eine LC-Einheit 5 mit rasterförmig angeordneten Pixeln 6 angeordnet, welche mittels einer nicht gezeigten Steuereinheit einzeln ansteuerbar sind. Darunter ist eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper 7 sowie ersten und zweiten Beleuchtungsmitteln angeordnet, welche im Weiteren anhand der 2 und 3 näher erläutert wird. Unterhalb des Lichtleiterschichtkörpers 7 schließlich ist eine optische Sensorschicht 8 mit rasterförmig angeordneten Sensorelementen 9 angeordnet.
Der Aufbau der Beleuchtungseinheit wird im Folgenden anhand der alternativen Ausgestaltungen gemäß 2 und 3 näher erläutert. Die Beleuchtungseinheit umfasst den transparenten Lichtleiterschichtkörper 7 sowie erste und zweite Beleuchtungsmittel. Die ersten Beleuchtungsmittel sind zur Beleuchtung der LC-Einheit mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich ausgebildet. Die zweiten Beleuchtungsmittel andererseits sind zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel und in einem zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet. Der Zentralwinkel ist dabei so vorgegeben, dass Licht, welches in dem beschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird und durch die LC-Einheit 5 sowie die berührungsempfindliche Schicht 4 an eine Unterseite der Auflagefläche gelenkt wird, an der Auflagefläche im Falle eines daran anliegenden Mediums mit einem Brechungsindex, der von dem Brechungsindex eines Materials der Auflagefläche (2) abweicht, mindestens teilweise reflektiert würde. Die Pixel 6 der LC-Einheit 5 lassen sich zwischen einem für das diffuse Licht und das gerichtete Licht transparenten Zustand und einem mindestens für das diffuse Licht opaken Zustand umschalten. Zur Darstellung von Informationen werden sie durch das diffuse Licht beleuchtet. Die Sensorelemente 9 der optischen Sensorschicht 8 hingegen sind nur für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs des gerichteten Lichts empfindlich, wobei aber nicht ausgeschlossen ist, dass sich erster und zweiter Wellenlängenbereich überlappen oder der zweite Wellenlängenbereich im ersten enthalten ist. Die Oberfläche der Sensorelemente 9, welche dem Lichtleiterschichtkörper 7 zugewandt ist, kann zur Steigerung der Lichtausbeute für das diffuse Licht reflektierend ausgestaltet sein sowie mit einer Blendenstruktur, um die Winkelselektivität und / oder die Homogenität der gerichteten Beleuchtung zu verbessern. Der Zentralwinkel schließt mit einer Flächennormalen der Auflagefläche 2 einen Winkel zwischen 0° und 80°, bevorzugt zwischen 0° und 70° ein. Der beschränkte Winkelbereich umfasst bevorzugt Winkel von nicht mehr als 10° um den Zentralwinkel, d.h. von +/- 5° um diesen.
Überlappen sich hingegen der erste und der zweite Wellenlängenbereich, so können die zweiten Beleuchtungsmittel so ausgestaltet sein, dass sie bevorzugt monochromes Licht in einem sehr engen Wellenlängenbereich von wenigen nm abstrahlen. Zur Trennung des Lichts der zweiten Beleuchtungsmittel von dem Licht der ersten Beleuchtungsmittel ist dann vorzugsweise ein Transmissionsfilter zwischen optischer Sensorschicht 8 und Lichtleiterkörper 7 angeordnet.
2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Lichtleiterschichtkörpers 7 mit ersten und zweiten Beleuchtungsmitteln. Der Lichtleiterschichtkörper 7 weist hier eine untere Schicht 10 und eine obere Schicht 11 auf. Sowohl die untere Schicht 10 als auch die obere Schicht 11 sind aus transparenten Materialien wie zum Beispiel Glas, PMMA oder Polycarbonat und im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Die untere Schicht 10 ist den ersten Beleuchtungsmitteln zuzuordnen, wohingegen die obere Schicht 11 den zweiten Beleuchtungsmitteln zuzuordnen ist. Die untere Schicht 10 dient also der Beleuchtung der LC-Einheit 5 mit diffusem Licht im ersten Wellenlängenbereich, wohingegen die obere Schicht 11 zur Abstrahlung von gerichtetem Licht wie oben beschrieben dient. Die ersten Beleuchtungsmittel umfassen erste Lichtquellen 12 und die zweiten Beleuchtungsmittel die zweiten Lichtquellen 13. Sowohl die ersten Lichtquellen 12 als auch die zweiten Lichtquellen 13 sind in 2 und 3 nur symbolisch dargestellt, mögliche Ausgestaltungen sind in 4 und 5 gezeigt. Licht der ersten Lichtquellen 12 wird beispielsweise seitlich, seitlich von einer Ecke oder von unten in die untere transparente Schicht 10 eingekoppelt. Licht der zweiten Lichtquellen 13 wird seitlich an einer Schmalseite oder seitlich von einer Ecke oder von unten in die obere transparente Schicht 11 eingekoppelt. In der unteren transparenten Schicht 10 und in der oberen transparenten Schicht 11 wird das Licht jeweils durch interne Totalreflexion geführt, kann also nicht ohne Hilfsmittel aus den Lichtleitern auskoppeln. Diese Hilfsmittel werden durch erste Auskoppelstrukturen 14 an Grenzflächen der unteren transparenten Schicht 10 und zweite Auskoppelstrukturen 15 an Grenzflächen der oberen transparenten Schicht 11 gebildet, wobei mit den Grenzflächen die Großflächen bzw. Hauptflächen der jeweiligen transparenten Schicht 10, 11 gemeint sind, die Auskoppelstrukturen 14, 15 können an einer oder an beiden Grenzflächen der jeweiligen Schicht angeordnet sein. Im vorliegenden Fall sind die ersten Auskoppelstrukturen 14 als konkave Einbuchtungen in der unteren transparenten Schicht 10 an der unteren Grenzfläche ausgebildet. Alternativ oder ergänzend können auch konvexe Ausbuchtungen an der oberen Grenzfläche der unteren transparenten Schicht 10 ausgebildet sein. Trifft Licht aus den ersten Lichtquellen 12, das in die untere transparente Schicht 10 eingestrahlt wurde, auf die ersten Auskoppelstrukturen 14, so wird es - angedeutet durch die kleinen Pfeile - im Wesentlichen diffus abgelenkt und ausgekoppelt. Optional kann an einer Schmalseite der unteren transparenten Schicht 10, welche derjenigen Schmalseite, die zur Einkopplung von Licht dient, gegenüberliegt, eine reflektierende Schicht 101 aufgebracht sein, um die Lichtausbeute der diffusen Beleuchtung zu verbessern. Die zweiten Auskoppelstrukturen 15 hingegen sind hier an der oberen Grenzfläche der oberen Schicht mit beispielhaft rechteckiger Grundfläche und prismenförmigem Längsschnitt ausgebildet, wobei die Auskoppelstrukturen 15 alternativ oder ergänzend ebenfalls auch an der unteren Grenzfläche der oberen Schicht 11 angeordnet sein könnten und ebenfalls in Form von Quadern ausgebildet sein können. Die Auskopplung von Licht erfolgt hier daher nur in einem durch die Geometrie vorgegebenen engen Winkelbereich, der unter anderem durch den Neigungswinkel der Prismenfläche oder angestellten Fläche der Auskoppelstrukturen vorgegeben ist, wobei der Neigungswinkel bevorzugt 5° bis 25° zur Großfläche der transparenten Schicht 11 beträgt, besonders bevorzugt 10° bis 20°. Sowohl das von den zweiten Auskoppelstrukturen 15 ausgekoppelte gerichtete Licht als auch das von den ersten Auskoppelstrukturen 14 ausgekoppelte diffuse Licht werden in Richtung der Auflagefläche 2 ausgekoppelt. Damit das Licht in der unteren transparenten Schicht 10 und in der oberen transparenten Schicht 11 jeweils mittels interner Totalreflexion geleitet wird, sind an den Grenzflächen jeweils Trennschichten 16 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um Luft oder eine Klebstoffschicht handeln, auch andere Materialien mit einem entsprechend niedrigeren Brechungsindex als die transparenten Schichten 10, 11, die interne Totalreflexion innerhalb der transparenten Schichten 10,11 ermöglichen, sind denkbar, wobei der Brechungsindex der Trennschicht 16 beispielsweise 1% bis 30 %, bevorzugt 5% bis 30% und besonders bevorzugt 10% bis 25% niedriger als der Brechungsindex der transparenten Schichten 10,11 ist. Die Trennschicht 16 füllt hier beispielsweise auch die konkaven Einbuchtungen der ersten Auskoppelstrukturen 14 aus. Als Materialien für die Trennschicht sind insbesondere auch optisch transparente, doppelseitig haftende Klebebänder (OCA) oder flüssige Klebstoffe (LOCA), die unter Wärme- oder UV-Bestrahlung aushärten, geeignet. Hier lassen sich beispielsweise Silikone, Acrylat oder Epoxide einsetzen, welche Brechungsindizes zwischen 1,2 und 1,5 aufweisen, bevorzugt zwischen 1,3 und 1,47 und besonders bevorzugt zwischen 1,35 und 1,43. Das Material für die transparenten Schichten 10, 11, beispielsweise Gläser, PMMA oder Polycarbonat etc., wird mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,8, bevorzugt zwischen 1,45 und 1,6 und besonders bevorzugt zwischen 1,47 und 1,55 ausgewählt.
1b zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Lichteinkopplung in den Lichtleiterschichtkörper 7 in mindestens eine der beiden transparenten Schichten von unten erfolgt, wobei bei dem in 1b gezeigten Beispiel Licht der zweiten Lichtquellen 13 in die obere transparente Schicht 11 und/oder Licht der ersten Lichtquellen 12 in die untere transparente Schicht 10 eingekoppelt wird. Dazu ist an dem Lichtleiterschichtkörper 7 ein Überstand 71 der unteren transparenten Schicht 10 - hier zur linken Seite hin - ausgebildet. Gleichermaßen kann auch - hier nicht gezeigt - ein Überstand der oberen transparenten Schicht 11 auf der rechten Seite ausgebildet sein, um Licht der Lichtquellen 13 in die obere transparente Schicht 11 von unten einzukoppeln. An der Unterseite des Überstands 71 sind zur Lichteinkopplung dann beispielsweise prismenförmige Einkoppelelemente 72 oder linsenförmige Einkoppelelemente 73 angebracht. Zur Verbindung dieser Elemente mit dem Lichtleiterschichtkörper 7 bzw. den transparenten Schichten 11, 12 wird bevorzugt ein hinsichtlich des Brechungsindex angepasster Klebstoff verwendet, der also möglichst den gleichen Brechungsindex wie die transparenten Schichten 11, 12 und die Einkoppelelemente 72, 73 aufweist. Auf diese Weise kann der gesamte Aufbau der Vorrichtung kompakter gestaltet werden, da auch in sehr dünne transparente Schichten 11, 12 eingekoppelt werden kann.
Bei der in 1b gezeigten Ausgestaltung ist außerdem zwischen der Sensorschicht 8 und dem Lichtleiterschichtkörper 7 eine Transmissionsfilterschicht 81 angeordnet, welche beispielsweise als Bandpassfilter ausgestaltet sein kann und im Wesentlichen nur für Licht der zweiten Lichtquelle 13 transparent ist. Dies ist von Vorteil, wenn sich erster und zweiter Wellenlängenbereich überlappen.
In 2 sind die ersten Lichtquellen 12 und die zweiten Lichtquellen 13 separat dargestellt, es besteht aber auch die Möglichkeit, bei seitlicher Einkopplung die ersten Lichtquellen 12 und die zweiten Lichtquellen 13 zu einer gemeinsamen Kantenbeleuchtung zusammenzufassen, wobei dann vorzugsweise auf den Sensorelementen 9 Blenden zur Winkelselektion eingeordnet sind, so dass die Sensorelemente 9 bevorzugt das gerichtete Licht der zweiten Lichtquelle nach Reflexion an der Auflagefläche detektieren. In diesem Fall wären die ersten Beleuchtungsmittel immer eingeschaltet, unabhängig davon, ob ein Fingerabdruck registriert wird oder nicht.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, im Falle von zwei separaten Lichtquellen 12, 13 einen angepassten Transmissionsfilter, beispielsweise einen Bandpassfilter, in Form einer Transmissionsfilterschicht 81 zwischen den optischer Sensorschicht 8 und der unteren transparenten Schicht 10 zu verwenden, der bevorzugt nur für Licht der zweiten Lichtquelle 13 in einem engen Bereich von zum Beispiel 5 nm oder 10 nm bis 200 nm, bevorzugt 10 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 50 nm Bandbreite transparent ist. Hierdurch wird das von den optischen Sensorelementen 9 zu detektierende Licht spektral auf einen engen Bereich von wenigen nm beschränkt. Je enger der Spektralbereich ist, desto weniger Störlicht von der ersten Lichtquelle 12 detektieren die optischen Sensorelemente 9, jedoch wird auch die Menge des insgesamt detektierbaren Lichts verringert, womit die Lichteffizienz sinkt. Hier muss ein entsprechender für die Anwendung geeigneter Kompromiss gefunden werden, was mittels der Transmissionsfilterschicht 81 gelingt, wenn der Filter nicht zu schmal ist. Mit einer monochromen Lichtquelle lässt sich der Verringerung der Lichteffizienz entgegenwirken und entsprechend eine Transmissionsfilterschicht 81 mit einer noch schmaleren Bandbreite von weniger als 5 nm verwenden.
Eine besonders bevorzugte, alternative Ausführung ist in 3 dargestellt, der Lichtleiterschichtkörper 7 kann hier dünner ausgeführt werden, was die Bautiefe des Gerätes verringert. Der Lichtleiterschichtkörper 7 umfasst in diesem Fall eine transparente, im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltete Kombinationsschicht 17, welche auch als Einzelschicht bezeichnet wird. Abgesehen von den Trennschichten 16 handelt es sich bei der Kombinationsschicht 17 um die einzige Schicht des Lichtleiterschichtkörpers 7. Auch hier umfassen die ersten Beleuchtungsmittel erste Lichtquellen 12 und die zweiten Beleuchtungsmittel zweite Lichtquellen 13. Licht der ersten Lichtquellen 12 wird dabei bevorzugt an einer ersten Schmalseite 18 seitlich oder seitlich von einer Ecke in die Kombinationsschicht 17 eingekoppelt. Licht der zweiten Lichtquellen 13 wird bevorzugt an einer zweiten, der ersten Schmalseite 18 gegenüberliegende Schmalseite 19 seitlich oder seitlich von einer Ecke in die Kombinationsschicht 17 eingekoppelt. Als Schmalseiten werden dabei bei einem plattenförmigen Lichtleiter diejenigen Seiten oder Kanten bezeichnet, welche die Großflächen oder Hauptflächen miteinander verbinden. Auch hier wird das Licht im Inneren der Kombinationsschicht 17 mittels interner Totalreflexion geführt, wobei an den Grenzflächen der transparenten Kombinationsschicht 17 Kombinationsauskoppelstrukturen 20 zur Auskopplung von diffusem und gerichtetem Licht in Richtung der Auflagefläche 2 in Abhängigkeit von einer Einstrahlrichtung ausgebildet sind. Auch in die Kombinationsschicht 17 kann die Lichteinkopplung von unten erfolgen, wenn an beiden Seiten analog zu der Ausführung in 1a ein Überstand ausgebildet ist.
Die Kombinationsauskoppelstrukturen 20 sind hier so ausgeführt, dass bei der Beleuchtung von der linken Seite in 3, d.h. von der Schmalseite 18 her mit Licht der ersten Lichtquelle 12 - angedeutet durch die durchgezogenen Pfeile - Licht ungerichtet, d.h. diffus, in Richtung der Auflagefläche 2 ausgekoppelt wird. Der entsprechende Teil der Kombinationsauskoppelstruktur 20 ist hier beispielhaft mit einer - gleichmäßigen oder variablen - Krümmung für die Auskopplung der diffusen, ungerichteten Beleuchtung ausgebildet. Von der gegenüberliegenden Seite eingestrahltes Licht, welches von den zweiten Lichtquellen 13 stammt und hier durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert wird, wird bei Auftreffen auf die Kombinationsauskoppelstruktur 20 von der rechten Seite in 3 her gerichtet in Richtung der Auflagefläche 2 abgelenkt. Die Kombinationsauskoppelstruktur 20 weist an dieser Stelle eine ebene Fläche auf, die jedoch im Vergleich zur Auflagefläche 2 eine Neigung nach Art eines Prismas aufweist, mit der Auflagefläche 2 also einen von Null verschiedenen Winkel einschließt. Abhängig von dieser Neigung wird gerichtetes Licht um einen definierten Zentralwinkel in Richtung Auflagefläche ausgekoppelt.
Abgesehen davon, dass die gesamte Bauhöhe dieser Ausführung geringer ausfällt, müssen auch weniger Schichten miteinander verbunden werden. Der geringere Abstand zur Auflagefläche erlaubt auch eine höhere Bildqualität des aufgenommenen Hautabdrucks. Während bei nur von einer Seite einstrahlenden Lichtquellen - bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung können erste bzw. zweite Lichtquellen 12, 13 grundsätzlich auch beiderseits angeordnet sein, anders als bei der Ausgestaltung nach 3 - sich eine homogene Intensitätsverteilung durch die Anzahl und Verteilung der Auskoppelstrukturen 14,15 an der Grenzfläche erreichen lässt, geht dies bei der Verwendung von Kombinationsauskoppelstrukturen 20 entweder nur für das diffuse Licht oder nur für das gerichtete Licht, da für beide dieselbe räumliche Verteilung von Auskoppelstrukturen verwendet wird. In der Regel wird man durch die Verteilung der Kombinationsauskoppelstrukturen 20 dafür Sorge tragen, dass die Intensität des diffus ausgekoppelten Lichtes im Wesentlichen homogen erscheint, da dies dasjenige Licht ist, was vom Betrachter überwiegend wahrgenommen wird. In diesem Fall wird von der anderen Seite eingekoppeltes Licht für die gerichtete Beleuchtung größtenteils in der Nähe des Einstrahlbereichs ausgekoppelt, da sich dort viele der Kombinationsauskoppelstrukturen 20 befinden. Eine Homogenisierung zumindest für die Detektion des gerichteten Lichts kann dann vorteilhaft über zusätzliche Blenden über den einzelnen Sensorelementen 9 erreicht werden, die im Bereich der Einkopplung des Lichts der zweiten Lichtquellen 13 kleinere Öffnungen als auf der gegenüberliegenden Seite, wo das Licht der ersten Lichtquellen 12 eingekoppelt wird, aufweisen. Die Transmissivität kann auch mit einer dicker bzw. dünner werdenden Transmissionsschicht kontinuierlich variiert werden, wie des beispielsweise in der DE 10 2017 119 983 B3 beschrieben ist, deren Offenbarung hier mit einbezogen wird.
Wie anhand der Pfeile in 3 angedeutet, wird das Licht vorzugsweise auf beiden Seiten bereits unter einem bestimmten Winkel in den Lichtleiter eingekoppelt, der die Voraussetzung für interne Totalreflexion erfüllt, womit eine höhere Lichtnutzung realisiert wird. Dies kann zum Beispiel durch geneigte Anordnung der Lichtquellen an den Lichtleiter oder vorgeschaltete Einkoppeloptiken umgesetzt werden.
Hinsichtlich der Einstrahlung von Licht besteht der einfachste Weg darin, das Licht - wie in 3 beispielhaft gezeigt - von der Seite einzukoppeln. Um eine möglichst hohe Auflösung der biometrischen Merkmale eines auf der Auflagefläche aufgelegten Fingers zu erreichen, ist es jedoch vorteilhaft, das Licht über eine Ecke in die entsprechende Schicht einzukoppeln. Dies wird anhand von 4 näher erläutert. In 4a)-c) sind drei Ausgestaltungen der Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleiterschichtkörper und Beleuchtungsmitteln für eine Eckenlichteinkopplung gezeigt. Die Darstellung erfolgt jeweils in einer Draufsicht, auf eine Hauptfläche einer transparenten Schicht 10, 11 oder 17 des Lichtleiterkörpers. 4a) zeigt eine Ausführungsform der Lichteinkopplung, bei der die erste bzw. zweite Lichtquelle als LED ausgestaltet sind - die Art der Lichteinkopplung funktioniert für gerichtetes wie diffuses Licht gleichermaßen - und bei der die Lichteinkopplung an mindestens einer durch Einkürzung einer Ecke der entsprechenden transparenten Schicht des Lichtleiterschichtkörpers gebildeten Fläche umgesetzt ist. Eine solche eingekürzte Ecke 21 erzeugt eine zusätzliche Schmalseite, die beispielsweise einen Winkel von 135° mit den üblicherweise vorhandenen Schmalseiten einer rechteckigen, plattenförmigen Schicht einschließt. Eine Vorkollimation des von den Lichtquellen 12, 13 ausgesandten Lichts in horizontaler Richtung ist in diesem Fall nicht notwendig. Um Reflexionen und die damit verbundene Entstehung von Doppelbildern der Fingerabdrücke zu vermeiden, ist es dann vorteilhaft, an den weiteren Schmalseiten der Lichtleiterschicht, an denen kein Licht angekoppelt wird, absorbierende Beschichtungen vorzusehen, die dort auftreffendes Licht absorbieren oder seitlich auskoppeln, wodurch dieses Licht nicht mehr zur Auflagefläche gelangt.
In 4b) und c) sind gegenüber 4a) weitere Zusatzmaßnahmen gezeigt, wobei in 4b) die Lichtverteilung bzw. -homogenisierung durch eine Streuscheibe 22 verbessert wird, womit Licht in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird, wohingegen in 4c) die eingekürzte Ecke 21 als konkaver Bogen ausgeführt ist, so dass alle divergent aus der ersten Lichtquelle 12 bzw. zweiten Lichtquelle 13 austretende Strahlen ungebrochen in die Lichtleiterschicht eintreten können, wodurch auch aus nur einer einzelnen LED austretendes Licht in der gesamten transparenten Schicht 10, 11 oder 17 propagieren und ausgekoppelt werden kann.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung für eine Einkopplung von Licht an einer Schmalseite, welche insbesondere für die Erzeugung des gerichteten Lichtes geeignet ist. Die erste Lichtquelle 12 bzw. zweite Lichtquelle 13 besteht hier aus vielen einzelnen LED 23, welche entlang der Schmalseite, welche zur Einkopplung verwendet wird, aufgereiht sind. Die LED 23 sind dabei in zylinder- oder kegelstumpfförmigen Absorptionsstrukturen 24, die hier im Querschnitt gezeigt sind, eingebettet. Die Absorptionsstrukturen 24 sorgen für die räumliche Kollimation des von den LED abgestrahlten Lichtes auf einen Winkelbereich von beispielsweise 10° um eine Achse 25. Der zur Verfügung stehende Winkelbereich hängt dabei insbesondere von der Ausdehnung der zylinder- oder kegelstumpfförmigen Absorptionsstrukturen 24 in Abstrahlrichtung ab.
6 zeigt zwei Ausschnitte einer oberen transparenten Schicht 11 mit zweiten Auskoppelstrukturen 15 in einer Draufsicht. Die zweiten Auskoppelstrukturen 15 sind keilförmig ausgebildet und stellen aus Richtung der Beleuchtung pultförmig ansteigende Rechtecke oder Trapezflächen dar, wie in 2 im Querschnitt gezeigt. Gezeigt ist hier die obere Grenzfläche der oberen transparenten Schicht 11, in der die zweiten Auskoppelstrukturen 15 ausgebildet sind. Sie sind in mehreren Reihen angeordnet, wobei zur Verbesserung der Homogenität der Intensität des abgestrahlten Lichts der Abstand der einzelnen Reihe zueinander mit steigender Entfernung von der zweiten Lichtquelle 13 abnimmt; dies ist auch in 2 so dargestellt.
7 zeigt einen möglichen Aufbau einer LC-Einheit 5 im Detail. Kernstück der LC-Einheit 5 bildet eine Flüssigkristallschicht 27 mit Flüssigkristallmolekülen 28, die in hier nicht gezeigten Zellen enthalten sind. Die Flüssigkristallmoleküle 28 sind hier stäbchenförmig dargestellt, um zum einen die Polarisationsrichtung und die Drehung der Polarisation des Lichtes bildlich darzustellen. Die Zellen mit den Flüssigkristallmolekülen 28 werden durch eine vertikale Orientierungsschicht 29 - hier unterhalb der Flüssigkristallschicht 27 - und eine horizontale Orientierungsschicht 30, hier an der Oberseite der Flüssigkristallschicht 27, begrenzt. Es handelt sich bei den Orientierungsschichten beispielsweise um Glasplatten mit einer Vielzahl paralleler - jeweils entweder horizontal oder vertikal ausgerichteter - Mikrorillen, mittels derer die Flüssigkristallmoleküle 28 mechanisch über die Länge der Zelle schraubenförmig ausgerichtet werden. An den Außenseiten der Glasplatten sind schichtförmige, transparente Elektroden 31 angebracht, mit denen beim Anlegen einer Spannung die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle 28 geändert werden kann. Auf der Oberseite der transparenten Elektroden 31 oberhalb der horizontalen Orientierungsschicht 30 - also in Abstrahlrichtung zur Auflagefläche 2 hin - sind außerdem ein Farbfilter 32, ein Glassubstrat 33 und auf dem Glassubstrat 33 ein horizontaler Polarisationsfilter 34 angeordnet. Auf der Unterseite Elektroden 31 unterhalb der vertikalen Orientierungsschicht 29 ist in dieser Ausführung eine aktive Halbleiter-Matrix, die sogenannte Backplane 35 angeordnet. Es handelt sich um eine Matrix aus Transistoren 36, meist Dünnschicht-Transistoren (TFT - Thin Film Transistor), wobei jeder Zelle ein Transistor 36 zugeordnet ist, der die darüber liegende Elektrode dieser Zelle ansteuert. Nach unten abgeschlossen wird die LC-Einheit durch ein Glassubstrat 33 und einen vertikalen Polarisationsfilter 37 abgeschlossen.
Bei üblichen Bildschirmen ist es wünschenswert, so viel Licht der Hintergrundbeleuchtung wie möglich zur Beleuchtung des Bildschirms zu verwenden, weshalb Reflexionen an metallischen Strukturen - beispielsweise Leiterbahnen - in der Backplane 35 nicht störend sind, da das reflektierte Licht ggf. wieder durch weitere Reflexionen in Richtung der LC-Einheit gelenkt werden kann. Im vorliegenden Fall sind jedoch Reflexionen von diffusem oder gerichtetem Licht, welches von den darunter liegenden Lichtleitern ausgekoppelt wurde, nicht erwünscht, da dieses Licht direkt zur Sensorschicht 8, ohne jedoch vorher auf die Auflagefläche 2 getroffen zu sein. Dadurch beeinflusst dieses reflektierte Licht die Detektion von gerichtetem Licht mit den Sensorelementen 9 negativ, da dieses Licht einen Offset ohne Bildinformationen von Abdrücken darstellt. Dieser Offset kann dazu führen, dass die lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht bereits nur aufgrund der Rückreflexion an den Backplane-Strukturen gesättigt werden, womit eine Detektion von Fingerlinien erschwert wird. Bei der hier beschriebenen Ausführung ist daher unterhalb der Backplane eine absorbierende Schicht 38 angeordnet, die von der Struktur her ebenfalls matrixförmig ausgebildet ist und mit der Matrixstruktur der Backplane 35 korrespondiert. Diese absorbierende Schicht 38 verringert die Reflexionen an der Backplane 35 und verbessert die Qualität der Aufnahme. Alternativ oder ergänzend kann selbstverständlich auch eine transparente Backplane verwendet werden, aus transparenten leitenden Materialien wie ITO, IZO oder AZO sowie transparenten Halbleitern wie GaN oder ZnO.
8 schließlich zeigt den prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zur gleichzeitigen Aufnahme der Abdrücke mehrerer, auf einer Auflagefläche 2 aufgelegter Autopodien, welches mit einer Vorrichtung, wie sie insbesondere vorangehend beschrieben wurde, durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung umfasst - aus Richtung der aufgelegten Autopodien betrachtet - die Auflagefläche 2, eine berührungsempfindliche Schicht 4, eine LC-Einheit 5 mit rasterförmig angeordneten, einzelnen ansteuerbaren Pixeln 6, eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper 7 und ersten Beleuchtungsmitteln zur Beleuchtung der LC-Einheit 5 mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich sowie zweiten Beleuchtungsmitteln zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich. An den Lichtleiterschichtkörper 7 schließt sich eine optische Sensorschicht 8 mit rasterförmig angeordneten, für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlichen Sensorelementen 9 an. Das Verfahren kann mit einem handelsüblichen Mobiltelefon mit berührungsempfindlichem Bildschirm, mit berührungsempfindlichen Bildschirmen von PCs, etc. durchgeführt werden. Im Regelfall werden also auf dem Bildschirm bereits Informationen dargestellt. Ein Benutzer kann nun von sich aus den Finger 1 an einer bestimmten Stelle des Bildschirms auf die Auflagefläche 2 auflegen, um eine Anwendung zu starten, wobei dann die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit, das Verfahren zu starten, besteht darin, dass in einer bereits laufenden Anwendung eine sicherheitsrelevante Eingabe gefordert wird, für die sich der Benutzer über Fingerabdrücke identifizieren muss. Im Normalzustand wird also die LC-Einheit 5 durch die ersten Beleuchtungsmittel mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zur Darstellung von Informationen beleuchtet, wobei die Pixel 6 der LC-Einheit 5 zwischen einem für das diffuse Licht transparenten und einem opaken Zustand umschaltbar sind. Wird nun von der berührungsempfindlichen Schicht 4 detektiert, ob Finger 1 auf die Auflagefläche 2 aufgelegt sind, so werden zum einen die zweiten Beleuchtungsmittel zur Abstrahlung von gerichtetem Licht eingeschaltet bzw. aktiviert; zum anderen werden die Sensorelemente 9 der optischen Sensorschicht 8 aktiviert, d.h. sie werden in die Lage versetzt, einfallendes Licht des zweiten Wellenlängenbereichs zu detektieren. Die Detektion von Licht des zweiten Wellenlängenbereichs kann dabei auf Bereiche beschränkt werden, in welchen durch die berührungsempfindliche Schicht 4 die Auflage eines Autopodiums detektiert wird, um Energie zu sparen.
Nach Einschalten der zweiten Beleuchtungsmittel strahlen diese gerichtetes Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20°, bevorzugt nicht mehr als 10° um einen vorgegebenen Zentralwinkel ab. Der Zentralwinkel ist dabei so vorgegeben, dass Licht, welches in den beschränkten Winkelbereich abgestrahlt wird und durch die LC-Einheit 5 sowie die berührungsempfindliche Schicht 4 an eine Unterseite der Auflagefläche 2 gelenkt wird, an der Auflagefläche 2 im Falle eines daran anliegenden Mediums mit einem Brechungsindex, der von dem Brechungsindex eines Materials der Auflagefläche (2) abweicht, mindestens teilweise reflektiert wird. Liegt ein Finger 1 auf, so wird das gerichtete Licht an den Stellen, an denen ein Hauttal ist, reflektiert werden, da zwischen der Auflagefläche 2 und dem Finger 1 an der Stelle des Hauttals noch eine Luftschicht ist. An den Stellen hingegen, wo Hautberge auf der Auflagefläche 2 aufliegen, tritt das gerichtete Licht durch die Auflagefläche 2 in den Finger 1 hinein und wird dort gestreut, so dass diese Bereiche im Bild dunkler erscheinen. Mittels der optischen Sensorschicht 8 wird von der Auflagefläche 2 reflektiertes Licht detektiert und aufgrund der Intensitätsunterschiede wird ein Bild des Abdrucks eines Autopodiums oder der Hautabdrücke mehrerer Autopodien aufgenommen. Nach Abschluss oder Abbruch der Aufnahme der Hautabdrücke der Autopodien wird die optische Sensorschicht 8 deaktiviert und die zweiten Beleuchtungsmittel werden ausgeschaltet. Der aufgenommene Abdruck oder die aufgenommenen Abdrücke werden anschließend mit in einer Datenbank 26 hinterlegten Abdrücken verglichen; in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs können verschiedene Aktionen durchgeführt werden, beispielsweise bei Erkennen des Fingers 1 die Freigabe einer Überweisung, etc.
Dadurch, dass die zweiten Beleuchtungsmittel und die optische Sensorschicht 8 nur dann aktiviert sind, wenn tatsächlich ein Fingerabdruck registriert werden muss, lässt sich das Verfahren besonders energieeffizient gestalten, so dass sich die Fingerabdruckregistrierung bzw. -aufnahme kaum auf die Laufzeit der Batterie auswirken dürfte. Die Verfahrensschritte können dabei wiederholt werden, wenn Autopodien hochgehoben und an anderer Stelle wieder abgelegt werden, oder wenn weitere Autopodien aufgelegt werden. Dabei erfolgt vorzugsweise für jedes aufgelegte Autopodium eine einzelne Aufnahme, so dass bei vier aufgelegten Fingern beispielsweise 4 Bilder idealerweise zeitgleich generiert werden.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung und dem vorangehend beschriebenen Verfahren lässt sich eine Mehrfingerauthentifizierung beispielsweise in Mobiltelefone integrieren, ohne dass die Qualität der Darstellung von Informationen auf dem Bildschirm darunter leiden würde. Auch steht nahezu die gesamte Fläche des Geräts für die Darstellung von Informationen zur Verfügung, da die gesamte Fläche des Bildschirms für die Erkennung des Fingerabdruckes verwendet werden kann und Bereich ausschließlich für die Abdruckerkennung bereitgehalten werden muss. Der Aufbau ist zudem sehr kompakt, so dass die Bautiefe des entsprechenden Gerätes ausreichend flach gehalten werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Finger
2: Auflagefläche
3: Schutzschicht
4: berührungsempfindliche Schicht
5: LC-Einheit
6: Pixel
7: Lichtleiterschichtkörper
8: Sensorschicht
9: Sensorelement
10: untere transparente Schicht
11: obere transparente Schicht
12: erste Lichtquelle
13: zweite Lichtquelle
14: erste Auskoppelstruktur
15: zweite Auskoppelstruktur
16: Trennschicht
17: Kombinationsschicht
18: erste Schmalseite
19: zweite Schmalseite
20: Kombinationsauskoppelstruktur
21: eingekürzte Ecke
22: Streuscheibe
23: LED
24: Absorptionsstruktur
25: Achse
26: Datenbank
27: Flüssigkristallschicht
28: Flüssigkristallmolekül
29: vertikale Orientierungsschicht
30: horizontale Orientierungsschicht
31: transparente Elektrode
32: Farbfilter
33: Glassubstrat
34: horizontaler Polarisationsfilter
35: Backplane
36: Transistor
37: vertikaler Polarisationsfilter
38: absorbierende Schicht
71: Überstand
72: prismenförmiges Einkoppelelement
73: linsenförmiges Einkoppelelement
81: Transmissionsfilterschicht
101: reflektierende Schicht

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

WO 2019/041214 A1 [0007]
US 2018/0165497 A1 [0007]
US 2018/0357460 A1 [0008]
US 10177194 B2 [0009]
DE 102017119983 B3 [0056]

Claims

Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Hautabdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien mittels Reflexion, umfassend aus der Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen, - eine Auflagefläche (2) zur Auflage der Autopodien, - eine berührungsempfindliche Schicht (4), welche registriert, ob auf der Auflagefläche (2) Hautbereiche aufgelegt sind, - eine LC-Einheit (5) mit rasterförmig angeordneten, mittels einer Ansteuereinheit einzeln ansteuerbaren Pixeln (6), - eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper (7) und ersten und zweiten Beleuchtungsmitteln, wobei i. die ersten Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung der LC-Einheit (5) mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich ausgebildet sind, ii. die zweiten Beleuchtungsmittel zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel und in einem zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet sind, wobei die Pixel (6) der LC-Einheit (5) zwischen einem für das diffuse Licht und das gerichtete Licht transparenten und einem mindestens für das diffuse Licht opaken Zustand umschaltbar sind, und durch das von den ersten Beleuchtungsmitteln abgestrahlte diffuse Licht zur Darstellung von Informationen beleuchtet werden, - eine unter dem Lichtleiterschichtkörper (7) angeordnete optische Sensorschicht (8) mit rasterförmig angeordneten Sensorelementen (9), welche mindestens für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Lichtleiterschichtkörper (7) zugewandte Oberfläche der Sensorelemente (9) reflektierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralwinkel mit einer Flächennormalen der Auflagefläche (2) einen Winkel zwischen 0° und 80°, bevorzugt zwischen 0° und 70° einschließt und/oder der beschränkte Winkelbereich Winkel von nicht mehr als 10° um den Zentralwinkel umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Beleuchtungsmittel während der Aufnahme der Hautabdrücke der Autopodien abschaltbar sind und/oder die zweiten Beleuchtungsmittel zur Aufnahme der Hautabdrücke der Autopodien zuschaltbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wellenlängenbereich für die diffuse Beleuchtung und der zweite Wellenlängenbereich für die gerichtete Beleuchtung keine Schnittmenge haben, wobei bevorzugt der erste Wellenlängenbereich sichtbares Licht und der zweite Wellenlängenbereich nicht sichtbares Licht umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Beleuchtungsmittel monochromes Licht abstrahlend ausgebildet sind und zur Trennung des Lichts der zweiten Beleuchtungsmittel von dem Licht der ersten Beleuchtungsmittel ein Transmissionsfilter als Bandpassfilter zwischen optischer Sensorschicht (8) und Lichtleiterschichtkörper (7) angeordnet ist, welcher Licht der zweiten Beleuchtungsmittel passieren lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiterschichtkörper (7) eine untere transparente, im wesentlichen plattenförmig ausgestaltete Schicht (10) als Teil der ersten Beleuchtungsmittel und eine im wesentlichen plattenförmig ausgestaltete obere transparente Schicht (11) als Teil der zweiten Beleuchtungsmittel umfasst, und dass die ersten Beleuchtungsmittel erste Lichtquellen (12) sowie die zweiten Beleuchtungsmittel zweite Lichtquellen (13) umfassen, wobei Licht der ersten Lichtquellen (12) in die untere transparente Schicht (10) und Licht der zweiten Lichtquellen in die obere transparente Schicht (11) eingekoppelt wird und das Licht in der unteren transparenten Schicht (10) und in der oberen transparenten Schicht (11) jeweils mittels interner Totalreflexion geführt wird, wobei an Grenzflächen der unteren transparenten Schicht (10) erste Auskoppelstrukturen (14) zur Auskopplung von diffusem Licht und an Grenzflächen der oberen transparenten Schicht (12) zweite Auskoppelstrukturen (15) zur Auskopplung von gerichtetem Licht, jeweils in Richtung der Auflagefläche (2), ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der ersten und zweiten Lichtquellen (12, 13) seitlich in die untere bzw. obere transparente Schicht (10, 11) eingekoppelt wird und/oder erste und zweite Lichtquellen (12, 13) zu einer gemeinsamen Kantenbeleuchtung zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiterschichtkörper (7) eine transparente, im wesentlichen plattenförmig ausgestaltete transparente Kombinationsschicht (17) umfasst, und dass die ersten Beleuchtungsmittel erste Lichtquellen (12) sowie die zweiten Beleuchtungsmittel zweite Lichtquellen (13) umfassen, wobei Licht der ersten Lichtquellen (12) an einer ersten Schmalseite (18) in die Kombinationsschicht (17) eingekoppelt wird und Licht der zweiten Lichtquellen (13) an einer zweiten, der ersten Schmalseite (18) gegenüberliegenden Schmalseite (19) in die Kombinationsschicht (17) eingekoppelt wird, worin das Licht mittels interner Totalreflexion geführt wird, wobei an Grenzflächen der transparenten Kombinationsschicht (17) Kombinationsauskoppelstrukturen (20) zur Auskopplung von diffusem und gerichtetem Licht in Richtung der Auflagefläche (2) in Abhängigkeit von einer Einstrahlrichtung ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der das Licht seitlich in den Lichtleiterschichtkörper (7) eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Lichtquellen (12, 13) aus einer Vielzahl von Einzellichtquellen zusammengesetzt sind, wobei der Abstrahlwinkel jeder Einzellichtquelle durch Kollimationsmittel, bevorzugt zylinderförmige Absorptionsstrukturen (24) und/oder optische Linsen eingeschränkt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit zur Einkopplung des Lichts der ersten und/oder zweiten Lichtquellen (12, 13) seitlich über eine Ecke ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralwinkel im Fall einer auf innerer gestörter Totalreflexion basierenden Reflexion größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist und andernfalls bevorzugt 0°.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Backplane (35) der LC-Einheit (5) auf ihrer der Auflagefläche (2) abgewandten Seite mit einer absorbierenden Schicht (38) versehen ist.
Verfahren zur gleichzeitigen Aufnahme der Hautabdrücke mehrerer durchbluteter Hautbereiche von auf einer Auflagefläche (2) aufgelegten Autopodien mit einer Vorrichtung, welche aus Richtung der Autopodien betrachtet die Auflagefläche (2), eine berührungsempfindliche Schicht (4), eine LC-Einheit (5) mit rasterförmig angeordneten, einzeln ansteuerbaren Pixeln (6), eine Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper (7) und ersten Beleuchtungsmitteln zur Beleuchtung der LC-Einheit mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich sowie zweiten Beleuchtungsmitteln zur Abstrahlung von gerichtetem Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich, und eine optische Sensorschicht (8) mit rasterförmig angeordneten, für Licht mindestens des zweiten Wellenlängenbereichs empfindlichen Sensorelementen (9) umfasst, bei dem - die LC-Einheit (5) durch die ersten Beleuchtungsmittel mit diffusem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zur Darstellung von Informationen beleuchtet wird, wobei die Pixel (6) der LC-Einheit (5) zwischen einem für das diffuse Licht transparenten und einem opaken Zustand umschaltbar sind - von der berührungsempfindlichen Schicht (4) detektiert wird, ob Hautbereiche auf die Auflagefläche (2) aufgelegt sind, und bei aufgelegten Hautbereichen die Sensorelemente (9) der optischen Sensorschicht (8) aktiviert und die zweiten Beleuchtungsmittel eingeschaltet werden, - die zweiten Beleuchtungsmittel gerichtetes Licht in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um einen vorgegebenen Zentralwinkel abstrahlen, - mittels der optischen Sensorschicht (8) von der Auflagefläche (2) reflektiertes Licht detektiert wird und Abdrücke der einen oder mehreren Hautbereiche aufgenommen werden, - nach Abschluss der Aufnahme der Hautbereiche die optische Sensorschicht (8) deaktiviert und die zweiten Beleuchtungsmittel ausgeschaltet werden, der aufgenommene Abdruck oder die aufgenommenen Abdrücke mit in einer Datenbank (26) hinterlegten Abdrücken verglichen werden und ggf. eine Aktion oder mehrere Aktionen in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wiederholung der Aufnahme erfolgt, wenn eine Positionsänderung eines oder mehrerer Hautbereiche detektiert wird oder weitere Hautbereiche aufgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden aufgelegten Hautbereich eine einzelne Aufnahme erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gerichtete Beleuchtung und/oder die Detektion von Licht des zweiten Wellenlängenbereichs auf Bereiche beschränkt wird, in welchen durch die berührungsempfindliche Schicht (8) die Auflage eines Hautbereichs detektiert wird.