DE102020122312B4

DE102020122312B4 - Vorrichtung zur Aufnahme von Abdrücken von Autopodien und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE102020122312B4
Application number: DE102020122312.9A
Authority: DE
Inventors: Tom MICHALSKY; Philipp Riehl; Daniel KRENZER; Undine Richter; Jörg Reinhold; Jürgen Hillmann
Original assignee: Jenetric GmbH
Current assignee: Dermalog Jenetric De GmbH
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: WO2022042957A1; CN115997489A; US20230386248A1; DE102020122312A1

Abstract

Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien, umfassend- eine Auflagefläche (1) zur Auflage der Autopodien,- eine aus einer Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen darunter angeordnete Display-Einheit (4) mit rasterförmig angeordneten, mittels einer Steuereinheit einzeln ansteuerbaren, mindestens teilweise transparenten Displayelementen mit Displaypixeln, welche Licht in Richtung der Auflagefläche (1) abstrahlen,- optische Sensorpixel (14), welche Licht, das aus Richtung der Auflagefläche (1) auf die Sensorpixel (14) einfällt, detektiereni. in einer ersten Alternative in einer aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereichs gesehen unterhalb der Display-Einheit (4) angeordneten Sensorschicht (5) angeordnet sind oderii. in einer zweiten Alternative in der Display-Einheit (4) zwischen den Displayelementen angeordnet sind,- den optischen Sensorpixeln (14) Mittel zur Winkelselektion in Richtung der Auflagefläche vorgeordnet sind, welche mindestens einen Kavitätsfilter umfassen und- die Display-Einheit (4)i. in einer ersten Ausgestaltung aktiv leuchtende Displaypixel umfasst, wobei die Display-Einheit (4) bevorzugt als LED-Einheit mit als LED, OLED, QLED oder µLED ausgebildeten Displaypixeln ausgestaltet ist oderii. in einer zweiten Ausgestaltung passiv beleuchtete Displaypixel umfasst, und von der Auflagefläche (1) aus gesehen unterhalb der Display-Einheit (4) und oberhalb des Kavitätsfilters oder der Kavitätsfilter eine erste Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper (8) und ersten Beleuchtungsmitteln angeordnet ist, mit welchen die Displaypixel mittels des Lichtleiterschichtkörpers (8) in einem ersten Wellenlängenbereich diffus beleuchtet werden,dadurch gekennzeichnet, dass- eine zweite Beleuchtungseinheit (neu) mit zweiten Beleuchtungsmitteln vorhanden ist, welche zur Abstrahlung von gerichtetem Licht einer vorgegebenen Wellenlänge in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um eine vorgegebene Zentralrichtung ausgebildet sind, wobei die Zentralrichtung in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wellenlänge des gerichteten Lichts und einer Winkelselektivität des mindestens einen Kavitätsfilters für die vorgegebene Wellenlänge festgelegt ist, bevorzugt parallel zu einer Normalen der Auflagefläche (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien. Die Vorrichtung umfasst eine Auflagefläche zur Auflage der Autopodien, eine aus einer Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen darunter angeordnete Display-Einheit mit rasterförmig angeordneten, mittels einer Steuereinheit einzeln ansteuerbaren, mindestens teilweise transparenten Displayelementen mit Displaypixeln, welche Licht in Richtung der Auflagefläche abstrahlen. Die Vorrichtung umfasst außerdem optische Sensorpixel, welche Licht, das aus Richtung der Auflagefläche auf die Sensorpixel einfällt, detektieren. In einer ersten Alternative sind die Sensorpixel in einer aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereichs gesehen unterhalb der Display-Einheit angeordneten Sensorschicht angeordnet. In einer zweiten Alternative sind die Sensorpixel in der Display-Einheit zwischen den Displayelementen angeordnet.
Die aktuelle globale Entwicklung von Mobilfunkgeräten und Mobiltelefonen zeigt, dass der Anspruch an eine sichere Authentifizierung des Nutzers einen immer größeren Stellenwert gewinnt, da mehr und mehr datensensible Anwendungen wie beispielsweise mobiles Banking mit modernen Mobiltelefonen, sogenannten Smartphones, mittels solcher Mobiltelefone durchgeführt werden können. Für die Authentifizierung von Nutzern gibt es verschiedene Verfahren, jedoch bietet sich gerade im Bereich datensensibler Anwendungen eine biometrische Authentifizierung durch Fingerabdrücke als Lösung an, da in der Papillarstruktur der menschlichen Finger deutlich mehr Informationen codiert sind als beispielsweise im Gesicht, weshalb die Authentifizierung mittels Fingerabdrucks mehr Sicherheit als eine Authentifizierung mittels Gesichtserkennung bietet. Die Authentifizierung mittels eines einzelnen Fingerabdrucks seit langem im Stand der Technik bekannt; mehr Sicherheit bietet jedoch eine Authentifizierung, bei der gleichzeitig die Abdrücke mehrerer Finger verwendet werden.
Während bei der Authentifizierung mittels eines einzigen Fingerabdrucks ein entsprechender Bereich auf der Oberfläche des Mobiltelefons vorgehalten werden kann, würde dies bei der Authentifizierung mittels mehrerer Fingerabdrücke den dazu notwendigen Bereich zu stark vergrößern, so dass für die Darstellung von Informationen zu wenig Platz bliebe.
Aus Platzgründen und aus ergonomischer Sicht ist daher für die Mehrfingerauthentifizierung eine Lösung wünschenswert, welche - möglichst vollflächig - in den Bildschirm des Mobiltelefons integriert ist und diesen visuell nicht stört, d. h. beispielsweise nicht die Helligkeit verringert. Die Laufzeit des Akkus des Mobiltelefons sollte dabei ebenfalls möglichst wenig beeinflusst werden.
Um die Bildqualität des Bildschirms - welcher auch als Display bezeichnet wird - nicht zu beeinträchtigen, muss eine Sensorschicht, welche zum Detektieren von Fingerabdrücken ausgelegt ist, unterhalb der bildgebenden Elemente des Displays, der Displaypixel, angeordnet sein. Dies betrifft sowohl die Helligkeit als auch einen mit zunehmender Schichtdicke über dem Display verstärkt auftretenden Parallaxenfehler.
Bei einer unterhalb des Bildschirms angeordneten Sensorschicht ist der Abstand zwischen einem Finger auf der Auflagefläche und einem Sensor in der Sensorschicht erhöht, was zu einer deutlich reduzierten Qualität in der biometrischen Aufnahme führt. Abhängig von der Hintergrundbeleuchtung, welche für das Display verwendet wird, ergeben sich weitere Probleme: verwendet man eine teildurchlässige Hintergrundbeleuchtung auf Basis von LED, so kommt es zu Intensitätsverlusten, wenn die Sensoren unterhalb der Hintergrundbeleuchtung angeordnet sind. Wird eine Hintergrundbeleuchtung auf Basis von LCD verwendet, so ist diese in der Regel intransparent, was eine Anordnung der Sensorschicht von der Auflagefläche ausgesehen unterhalb der Hintergrundbeleuchtung ausschließt.
Im Stand der Technik gibt es bereits Kombinationen von Display und Sensoren in mobilen Geräten, bei denen ein optischer Bildsensor - CMOS, TFT, CCD, etc. - mit einem Bildschirm - OLED, QLED, LCD, etc. - verknüpft ist. Solche mobilen Geräte sind zusätzlich in den meisten Fällen außerdem mit einer berührungssensitiven Schicht, einem sogenannten Touchpad oder Touchscreen-Panel ausgerüstet, um Bildschirmeingaben mittels eines Fingers und/oder eines Stifts zu ermöglichen.
Der optische Bildsensor nimmt Hautabdrücke auf, welche beispielsweise mit im System gespeicherten Daten verglichen werden, um die Identität des Nutzers festzustellen und gegebenenfalls zu bestätigen und/oder um bestimmte Funktionen von Anwendungen auszulösen, die bestimmten Fingern zugeordnet sein können.
Bei den bekannten mobilen Geräten fungiert der berührungssensitive Bereich des Bildschirms gleichzeitig als Auflagefläche für die Aufnahme von Hautabdrücken, mit dem Vorteil, dass kein ausgewiesener Bereich abseits der Displayfläche zur Aufnahme biometrische Merkmale benötigt wird. Hierdurch kann der effektive Bereich zum Anzeigen von Informationen im Vergleich zum Bereich außerhalb des Bildschirms vergrößert werden.
Zur Aufnahme von Hautabdrücken werden bevorzugt optische Bildsensoren eingesetzt, da sie - im Gegensatz zu kapazitiven Sensoren und solchen, die auf der Anwendung von Ultraschall basieren - den Vorteil aufweisen, dass sie auch über größere Distanzen zwischen Bildsensor und aufzunehmendem biometrischen Objekt hochaufgelöste Aufnahmen realisieren können. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn vom Nutzer des mobilen Gerätes weitere Deckfolien oder Deckgläser zum Schutz gegen Kratzer oder Glasbruch auf die Oberfläche des Bildschirms aufgebracht werden.
In der WO 2019/051705 A1 wird ein Ansatz beschrieben, bei dem eine seitlich am Display angebrachte Zusatzlichtquelle zur Bildgebung für die Fingerabdruckaufnahme verwendet wird. Dabei wird ein Filter - ein Farbfilter oder ein dielektrischer Vielschichtfilter - verwendet, welcher das von der Zusatzlichtquelle emittierte Licht durchlässt und Licht anderer Spektralbereiche reflektiert bzw. absorbiert. Diese Zusatzlichtquelle ist seitlich angeordnet, um die Hintergrundbeleuchtung des Bildschirms nicht zu stören. Diese Anordnung ist zwar für die Aufnahme eines einzelnen Fingerabdrucks geeignet, jedoch nicht für die Aufnahme mehrerer Fingerabdrücke gleichzeitig, da nur eine Zusatzlichtquelle verwendet wird, deren Licht die Auflagefläche nur partiell und nicht vollständig beleuchtet. Eine Erkennung von Fälschungen, d. h. beispielsweise von Kopien von Fingerabdrücken auf Papier, ist mit dieser Anordnung ebenfalls nicht möglich.
Ein weiterer Ansatz wird in der CN 109033926 A beschrieben. Eine flächenförmige Lichtquelle ist dabei unterhalb eines semitransparenten optischen Sensors angeordnet. Über dem optischen Sensor ist ein Filter - ein Farbfilter oder ein dielektrischer Vielschichtfilter - zur Unterdrückung von Störlicht oder Umgebungslicht angeordnet. Durch die Anbringung des optischen Sensors oberhalb der Lichtquelle ergibt sich aufgrund der Semitransparenz des optischen Sensors eine starke Beeinträchtigung der Helligkeit des Bildschirms sowie dessen Brillanz ein schwerwiegender Nachteil für einen Benutzer.
Eine in der US 2015/0155400 A1 beschriebene Vorrichtung zur Aufnahme von Hautabdrücken umfasst ein Displaysystem mit einem ultradünnen Fingerabdrucksensor, das in einem Mobiltelefon verwendet und auf dem ein Finger aufgelegt werden kann. Unter einem transparenten Display ist eine lichtemittierende Schicht angeordnet. Unter der lichtemittierenden Schicht sind Detektoren angeordnet, die dazu ausgelegt sind, von dem Finger reflektiertes Licht Das Displaysystem enthält darüber hinaus eine Schicht von TFP-Resonatoren zu detektieren (TFP - Thin Film Polarisator), wobei jeder TFP-Resonator eine Kavität formt, die durch einen dielektrischen Kontrastunterschied zwischen dielektrischen Strukturen und leitenden Strukturen gebildet ist. Die TFP-Resonatoren sind durch den beschriebenen Aufbau winkelsensitiv bzw. wirken winkelselektiv. Das Display kann als OLED-Panel ausgeführt sein. Die lichtemittierende Schicht kann oberhalb der Displayeinheit bzw. an deren Rand und oberhalb der TFP-Resonatoren angeordnet sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu entwickeln, mit der sich einerseits Hautabdrücke insbesondere mehrerer Finger gleichzeitig in gleichmäßig guter Qualität auf der gesamten Bildschirmoberfläche aufnehmen lassen, ohne dabei die Helligkeit oder die Brillanz des Bildschirms wahrnehmbar zu verschlechtern. Gleichzeitig soll die Anordnung in der Lage sein, mittels eines entsprechend implementierten Erkennungsverfahrens zu unterscheiden, ob es sich bei dem aufgenommenen Hautabdruck um den eines echten Fingers oder um eine Fälschung, beispielsweise ein Stück Papier mit dem Foto eines Fingerabdrucks, handelt.
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass den optischen Sensorpixeln Mittel zur Winkelselektion in Richtung der Auflagefläche vorgeordnet sind. Die Mittel zur Winkelselektion umfassen dabei mindestens einen Kavitätsfilter. Diese Art von Filtern ist im Stand der Technik bereits bekannt - in der Radiotechnik beispielsweise in Form von Hohlraumresonatoren - und sind für bestimmte Frequenzbereiche transmissiv, blocken jedoch alle anderen Frequenzbereiche. Sie wirken daher als Wellenlängenfilter. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Kavitätsfilter auch eine winkelselektive Eigenschaft haben: Licht des Wellenlängenbereichs oder der Wellenlänge, für welche der Kavitätsfilter resonant und damit maximal transmissiv ist, wird in der Regel nur durchgelassen, wenn es in einem schmalen Winkelbereich um eine Mittelsenkrechte auf eine Fläche des üblicherweise als Schichtstapel aufgebauten Kavitätsfilters trifft. Der Winkelbereich ist abhängig von den Materialien, die für den Kavitätsfilter verwendet werden, und umfasst in der Regel einen kegelförmigen Bereich mit einem Kegelwinkel oder Öffnungswinkel von etwa 20°. Der Kegelwinkel wird dabei umso kleiner und die Filterwirkung im Winkelbereich umso stärker, je geringer der effektive Brechungsindex des Kavitätsfilters bzw. der Spiegelstruktur ist. Für Licht des Wellenlängenbereichs, für den der Kavitätsfilter eigentlich transmissiv ist, welches jedoch mit Winkeln größer als dem Öffnungswinkel des Kegels auf den Schichtstapel des Kavitätsfilters trifft, sinkt der Transmissionsgrad jedoch stark ab und kann je nach Anzahl der filternden Schichten bis auf Null gedrückt werden.
Für die Ausgestaltung der Display-Einheit gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten. In einer ersten Ausgestaltung umfasst die Display-Einheit aktiv leuchtende Displaypixel. Bevorzugt ist sie als LED-Einheit mit Displaypixeln, welche als LED, OLED, QLED oder µLED ausgebildet sind, ausgestaltet. In einem mobilen Gerät wie einem Smartphone befindet sich die Display-Einheit unterhalb der Auflagefläche, wobei die Auflagefläche in der Regel eine Schutzschicht ist, unter welcher eine berührungssensitive Schicht, ein sogenanntes Touchpad, angeordnet ist. Das Touchpad ist optional und für das Funktionieren der Erfindung nicht notwendig, erleichtert es jedoch, zu registrieren, ob ein Finger aufgelegt ist oder nicht. Die lateralen Abmessungen von Schutzschicht, Touchpad, Display-Einheit, Kavitätsfilter und optischen Sensor sind jeweils bevorzugt gleich. Die LED-Einheit ist direkt unterhalb des Touchpads angeordnet und semitransparent, d. h. für Licht der meisten Wellenlängen durchlässig, wobei das Licht jedoch abgeschwächt wird. Oberhalb der LED- Einheit sollten keine zusätzlichen Schichten wie Filter oder Sensoren eingefügt werden, um die Helligkeit und Brillanz des Displays nicht zu beeinträchtigen.
In einer zweiten, alternativen Ausgestaltung umfasst die Display-Einheit passiv beleuchtete Displaypixel. Diese müssen beleuchtet werden, und zu diesem Zweck ist von der Auflagefläche aus gesehen unterhalb der Display-Einheit und oberhalb des Kavitätsfilters oder der Kavitätsfilter eine erste Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper und ersten Beleuchtungsmitteln angeordnet. Die Displaypixel werden mittels des Lichtleiterschichtkörpers in einem ersten Wellenlängenbereich diffus beleuchtet. Bevorzugt ist die Display-Einheit als LC-Einheit mit als LC-Elementen ausgebildeten Displaypixeln ausgestaltet. Unter dem Begriff der „LC-Einheit“ wird hier konkret die transmissiv schaltbare Pixelstruktur exklusive ihrer Beleuchtung verstanden. Typischerweise besteht eine LC-Einheit aus einem Schichtstapel Polarisator - Farbfilter (bei Farbbildschirmen) - LC-Backplane - Polarisator. Für die Erfindung ist es dabei unerheblich, ob die LC-Einheit farblich oder schwarz-weiß ausgestaltet ist. Oberhalb der LC-Einheit sollten keine zusätzlichen Schichten wie Filter oder Sensoren eingefügt werden, um die Helligkeit bzw. Brillanz des Displays nicht zu verringern.
Es ist weiterhin eine zweite Beleuchtungseinheit mit zweiten Beleuchtungsmitteln vorhanden, welche zur Abstrahlung von gerichtetem Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgebildet sind, wobei die Abstrahlung in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um eine vorgegebene Zentralrichtung erfolgt. Die zweiten Beleuchtungsmittel können dabei das Licht ebenfalls in den Lichtleiterschichtkörper einkoppeln. Die Zentralrichtung wird dabei in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wellenlänge des gerichteten Lichts und einer Winkelselektivität des mindestens einen Kavitätsfilters für die vorgegebene Wellenlänge festgelegt. Sie liegt bevorzugt parallel zu einer Normalen der Auflagefläche. Wird das Licht von der Seite abgestrahlt, so ergeben sich aufgrund der Strahlensätze und Abbildungsvorschriften gegebenenfalls andere Richtungen, in welche das Licht abgestrahlt werden muss, welche nicht mit der Zentralrichtung übereinstimmen; der Winkelbereich der gerichteten Beleuchtung kann zwischen 0° und 70° zur Flächennormalen der Auflagefläche liegen und kann beispielsweise so gewählt werden, dass das Prinzip der inneren Totalreflexion ausgenutzt wird. Die Verwendung einer zusätzlichen Beleuchtung über zweite Beleuchtungsmittel hat den Vorteil, dass die Fingerabdruckaufnahme gezielte Wellenlängenbereiche ausgewählt werden können, die nur für die Fingerabdruckaufnahme verwendet werden und beispielsweise auch nicht im sichtbaren Spektrum liegen müssen. Kavitätsfilter und optische Sensoren können dann speziell auf diese Wellenlängenbereiche abgestimmt werden.
Die zweite Beleuchtungseinheit kann unabhängig davon vorgesehen sein, ob eine erste Beleuchtungseinheit vorhanden ist oder nicht und insbesondere auch dann vorgesehen sein, wenn aktiv beleuchtete Displaypixel verwendet werden - so sind OLED zwar teilweise transparent, transmittieren jedoch nur etwa 5 % des Lichtes. Die zweite Beleuchtungseinheit kann unabhängig von der ersten Beleuchtungseinheit auch an anderen Stellen im Schichtstapel zwischen Auflagefläche und optischer Sensorschicht angeordnet sein, beispielsweise zwischen Schutzschicht und Touchpad, oberhalb der Display-Einheit und unterhalb des Touchpads, zwischen Display-Einheit und Kavitätsfilterschicht oder auch zwischen Kavitätsfilterschicht und Sensorschicht.
Gleichzeitig wirkt der Kavitätsfilter jedoch auch auf andere Wellenlängen winkelselektiv: Für längere Wellenlängen ist der Kavitätsfilter in einem Winkelbereich außerhalb des oben beschriebenen Transmissionskegels transmissiv, wobei der Winkelbereich von der Wellenlänge abhängt. Dies kann man sich, wie weiter unten beschrieben wird, für die Erkennung von Fälschungen zu Nutze machen.
Je nach Ausbildung der optischen Sensorpixel sind auch die Kavitätsfilter bzw. ist der Kavitätsfilter ausgebildet. Im Falle einer Anordnung der optischen Sensorpixel in der Displayeinheit zwischen den Displayelementen sind jedem Sensorpixel ein oder mehrere pixelierte Kavitätsfilter zugeordnet, welche über dem jeweiligen Sensorpixel angeordnet sind. Im Falle der Anordnung der optischen Sensorpixel in einer Sensorschicht unterhalb der Display-Einheit ist der mindestens eine Kavitätsfilter als Kavitätsfilterschicht ausgebildet, welche zwischen der Display-Einheit und der Sensorschicht angeordnet ist.
Die erste Beleuchtungseinheit umfasst einen transparenten Lichtleiterschichtkörper, welcher aus einer oder mehreren transparenten Schichten besteht und für eine diffuse Hintergrundbeleuchtung der LC-Einheit sorgt, wobei das Licht von der Seite oder von unten in den Lichtleiterschichtkörper eingestrahlt wird. Der Lichtleiterschichtkörper muss transparent sein, damit als unterste Schicht ein Sensor für die Aufnahme von Hautabdrücken angeordnet werden kann und dieser noch Licht, welches von der Auflagefläche kommt, detektieren kann. Diese Ausgestaltung weicht von den üblichen Ausgestaltungen von Beleuchtungen für LC-Einheiten ab: üblicherweise sind Hintergrundbeleuchtungen für LC-Einheiten intransparent gestaltet, da sie auf ihrer Unterseite eine hochreflektierende Schicht aufweisen, welche nach unten abgestrahltes Licht zurück strahlt und so die Effizienz erhöht. Bei entsprechender Ausgestaltung kann in der vorliegenden Erfindung die hochreflektierende Schicht durch den Kavitätsfilter realisiert werden, da der größere Anteil des visuellen Spektrums von dem Kavitätsfilter reflektiert wird. Auf diese Weise kann eine Energieeffizienz erreicht werden, wie sie mit herkömmlichen Hintergrundbeleuchtungen für LC-Einheiten vergleichbar ist.
Im Stand der Technik werden hingegen üblicherweise LC-Einheiten verwendet, die über eine intransparente Hintergrundbeleuchtung verfügen, weshalb in der Konsequenz der optische Sensor oberhalb der LC-Hintergrundbeleuchtung angebracht werden muss, wodurch die Effizienz der Hintergrundbeleuchtung geschmälert und die Bildqualität, was die Aufnahme von Fingerabdrücken betrifft, beeinträchtigt wird.
Der Kavitätsfilter oder die mehreren Kavitätsfilter können auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein. In einer einfachsten Ausgestaltung sind die Kavitätsfilter als Einzelkavitätsfilter ausgestaltet. Um den transmissiven Bereich noch schärfer von dem blockierten Bereich abzugrenzen, ist aber auch die Verwendung von Doppelkavitätsfiltern oder Multikavitätsfiltern möglich. Alle Kavitätsfilter zeichnen sich dadurch aus, dass sie als Schichtstapel mit planen Reflektorschichten und planen Kavitätsschichten ausgebildet sind, wobei die Kavitätsschichten die Reflektorschichten trennen. Die Schichten sind parallel zur Auflagefläche angeordnet und die Dicke der Kavitätsschichten wird in Abhängigkeit von einem für die Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien zu transmittierenden Wellenlängenbereich und von einem von den Kavitätsschichten für diesen Wellenlängenbereich zu selektieren den Winkelbereich festgelegt.
Ein Einzelkavitätsfilter besteht prinzipiell aus einer - metallischen oder dielektrischen oder kombiniert metallisch-dielektrischen - Kavitätsschicht mit der optischen Dicke in der Größenordnung der Lichtwellenlänge, die transmittiert werden soll. Die Kavitätsschicht befindet sich zwischen zwei Reflektorschichten. Die Reflektorschichten können dabei als Metallschichten oder voll-dielektrische Spiegel ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Reflektorschichten als Bragg-Spiegel aus alternierenden Schichten zweier Dielektrika oder eines Metalls ausgestaltet. Das Einbringen der Kavitätsschicht - auch als „Spacer“ bezeichnet - führt zur Ausbildung sogenannter Kavitätsmoden, welche sich als transmissive Wellenlängenbereiche bzw. Bänder im Reflexionsbereich der Reflektorschichten ausbilden. Die Verwendung von Doppelkavitätsfiltern oder Multikavitätsfiltern führt zu einer verbesserten Linienform des transmissiven Bereichs von der Kurvenform einer Lorentz-Kurve hin zu einer Kastenform. Die mindestens eine Kavitätsschicht kann, wie bereits erwähnt, metallisch oder dielektrisch oder als Kombination metallischer und dielektrischer Materialien ausgebildet sein, eine Kombination von metallischen Schichten und dielektrischen Schichten führt zu einer verbesserten Selektion des selektieren Warenwinkelbereichs.
Kavitätsfilter können aus verschiedenen Materialien realisiert werden, wobei bei voll-dielektrischen Kavitätsfiltern Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Materialien verwendet werden, die sich in ihren Brechungsindices deutlich unterscheiden. Als Reflektorschichten lassen sich beispielsweise Titandioxid mit einem Brechungsindex von 2,6 oder Zinksulfid mit einem Brechungsindex von 2,35 verwenden. Als Material für die Kavitätsschichten kommen beispielsweise Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von 1,46 oder Kryolith mit einem Brechungsindex von 1,35 infrage. Weitere geeignete Materialien sind beispielsweise MgF, CeO₂, Al₂O₃, MgO, SiO, ZrO₂, CeF₃, oder andere Oxide und Fluoride. Der Kavitätsfilter kann auch metallisch-dielektrisch aufgebaut sein mit einem Metallanteil in der Kavitätsschicht zur Unterdrückung von Seitenbändern. Als Metalle kommen beispielsweise infrage Aluminium, Gold, Silber, Molybdän oder anderer. Herstellen lassen sich die Kavitätsfilter beispielsweise mittels CVD, MB MBE, ALD, PVD, Magnetron-Sputtering, PIAD, PECVD, etc.
Für eine Feineinstellung des Wellenlängenbereichs, welcher durch Transmission selektiert wird, kann die Dicke der mindestens einen Kavitätsschicht variabel einstellbar sein. Dazu eignen sich besonders piezoelektrische Materialien, um ein Beispiel zu nennen.
Bevorzugt reflektieren die Kavitätsfilter oder reflektiert der Kavitätsfilter Licht, welches im Falle von aktiven Displaypixeln von diesen oder welches im Falle von passiven Displaypixeln von einer Beleuchtungseinheit in Richtung der Sensorpixel abgestrahlt wird, um die Lichtausbeute des Displays zu erhöhen.
Wie bereits eingangs erwähnt, hängt die Winkelselektion des Kavitätsfilters stark vom spektralen Unterschied zwischen der Kavitätsmode und der Lichtquelle ab. Im resonanten Fall wird nur Licht der Resonanzwellenlänge transmittiert, welches mit einem Winkel nahe der Lotrechten auf den Schichtstapel trifft. Im Fall, dass keine Resonanz vorliegt, wird Licht in einem Transmissionskegel transmittiert, dessen Öffnungswinkel und Dicke - ein Winkelbereich um die Lotrechte wird ausgespart - von der Wellenlänge des Lichts abhängt.
Soll das Licht mehrerer spektral verschiedener Lichtquellen winkelselektiv transmittiert werden, so muss der Kavitätsfilter entsprechend angepasst werden. Beispielsweise lässt sich die Dicke der Kavitätsschicht erhöhen, so dass mehrere Wellenzüge hineinpassen.
Das Einbringen des Kavitätsfilters ermöglicht die Einschränkung des Winkelbereichs des zu transmittierenden Lichts. Somit wird auch der Winkelbereich des Lichts, welches von dem Sensor detektiert werden kann, eingeschränkt. Für spektral schmale Lichtquellen, beispielsweise für Laser oder Einfarben-LEDs kann eine Einschränkung bei senkrechtem Einfall auf den Filter auf einen Winkel von etwa 10° um die Normale auf den Schichtstapel erfolgen. Entsprechend wird auch die Punktspreizfunktion (PSF) verschmälert. Die Abhängigkeit der normierten Modulation von der räumlichen Frequenz wird über die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) angegeben, welche dem Betrag der Fouriertransformierten der PSF entspricht. Die normierte Modulation ergibt sich durch die Differenz von Maximum und Minimum bei einer gegebenen Raumfrequenz k geteilt durch diese Differenz, wobei k > 0 gilt.
Für den menschlichen Fingerabdruck misst man eine Periodenlänge von etwa 400 µm von Grat zu Grat; dies entspricht einer Frequenz von k = 2,5 Linienpaaren pro Millimeter. Betrachtet man die PSF, welche sich aus der Reflexion einer typischen Bildschirmbeleuchtung an der Auflagefläche ergibt, so zeigt sich, dass ohne Verwendung eines Kavitätsfilters die Modulation bei einer angenommenen Deckschichtdicke - dem Abstand zwischen Auflagefläche und Sensor - von mehr als 300 µm gegen Null strebt, so dass Fingerabdrücke nicht mehr klar detektiert werden können. Ohne Verwendung eines Kavitätsfilters darf der Abstand zwischen optischen Sensoren und Auflagefläche daher nicht mehr als 300 µm betragen, was die Möglichkeiten der Verwendung von Displays im Zusammenhang mit der Erkennung von Fingerabdrücken stark einschränkt: Derzeit übliche Deckschichtdicken - d.h. die Dicke der Schichtfolge über der Sensorschicht - liegen jedoch deutlich darüber und variieren im Bereich zwischen 500 µm und 1600 µm. Bringt man jedoch einen resonanten Kavitätsfilter ein, welcher eine Winkelselektion des Signals auf maximal 10° um die Lotrechte realisiert, so lassen sich auch für Deckschichtdicken von mehr als 800 µm noch deutliche Kontraste messen.
Durch zusätzliche Maßnahmen kann die maximal mögliche Deckschichtdicke weiter erhöht werden. Beispielsweise kann jedes der Sensorpixel mit einer Zusatzblende versehen werden, wie sie in der DE 10 2018 122 872 A1 beschrieben sind. Dadurch wird der selektierte Winkelbereich weiter verkleinert und es lassen sich Deckschichtdicken zwischen Sensor und Auflagefläche von mehr als 1 mm realisieren, auch in diesem Dickenbereich lassen sich dann noch deutliche Kontraste messen. Die Zusatzblenden sind dabei entlang von Reihen und Spalten, in denen die Sensorpixel angeordnet sind, angeordnet, beispielsweise in alternierender Form.
Zweckmäßig umfassen die optischen Sensorpixel verschiedener Farbsensorpixel, die in Spalten und Reihen, in denen die Sensorpixel angeordnet sind, alternierend angeordnet sind. Dies ermöglicht insbesondere bei der Erkennung von Fälschungen eine erhöhte Genauigkeit.
Im Folgenden sollen zwei Möglichkeiten vorgestellt werden, wie sich die vorangehend beschriebene Vorrichtung verwenden lässt, um zu unterscheiden, ob ein auf die Auflagefläche aufgelegtes Objekt ein Autopodium oder eine Fälschung eines Abdrucks eines Autopodiums ist.
Der mindestens eine Kavitätsfilter ist dabei in beiden Fällen als Schichtstapel aus ebenen Reflektorschichten und die Reflektorschichten trennenden, ebenen Kavitätsschichten aufgebaut. Die Reflektorschichten und die Kavitätsschichten sind dabei parallel zur Auflagefläche angeordnet, und auf die Auflagefläche ist ein Objekt aufgelegt. Die optischen Sensorpixel werden ebenfalls in beiden Fällen zur Detektion von Licht eingeschaltet.
Beide Verwendungen basieren auf Unterschieden in der Detektion zum einen für echte Fingerabdrücke und zum anderen für gefälschte Abdrücke beispielsweise in Form von Kopien auf Papier. Die menschliche Haut kann näherungsweise als gut streuendes Medium mit einem Brechungsindex zwischen 1,43 und 1,45 beschrieben werden. Dies hat zur Folge, dass für Winkel, mit denen das Licht von unten auf die Auflagefläche trifft, von weniger als 70° keine Totalreflexion auftritt, wenn Haut in Kontakt mit der Auflagefläche kommt, deren Material beispielsweise Glas mit einem Brechungsindex um 1,52 ist. Bei der Fingerabdruckerkennung liegen die Hautberge auf der Auflagefläche, die Hauttäler jedoch nicht. Dementsprechend erscheinen Hautberge in einem Fingerabdruckbild dunkler. Wird nun ein gefälschter Fingerabdruck, beispielsweise eine völlig ebene Papierkopie o. ä., auf die Oberfläche gelegt, so besteht in der Regel kein Aufbrechen der Totalreflexion am Übergang von Glas zu Luft an der Auflagefläche. Somit kommt es im Bereich der gefälschten Hautberge auch nicht zu einem Intensitätsabfall und im Bild wird kein Fingerabdruck registriert.
Die beiden im Folgenden beschriebenen Verfahren verwenden die Winkelselektivität des Kavitätsfilters, welche von der Wellenlänge abhängt, unter Ausnutzung des Effektes der Totalreflexion zur Fälschungserkennung.
Bei der einen Möglichkeit der Verwendung werden im nächsten Schritt die Displaypixel so geschaltet, dass sie Licht mindestens einer ersten Wellenlänge abstrahlen, welche zu einer Zentralwellenlänge des mindestens einen Kavitätsfilters korrespondiert. Für diese Zentralwellenlänge weist der Kavitätsfilter die höchste Transmission auf und ist daher für Licht dieser ersten Wellenlänge resonant. Aus diesem Grund ist er in einem ersten Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur Auflagefläche transparent. Beispielsweise kann als erste Wellenlänge grünes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 550 nm verwendet werden. Die Beleuchtung kann im üblichen RGB-Modus erfolgen, es werden jedoch für grünes Licht nur Winkel um die Lotrechte, also um 0° zur Mittelsenkrechten der Auflagefläche durch den Kavitätsfilter hindurch gelassen. Der grüne Anteil des Lichts kann also zur Bildgebung des Fingerabdrucks verwendet werden. Mittels der Sensorpixel wird ein erstes Gesamtbild aufgenommen. Bei einer RGB-Beleuchtung werden für die Erfassung der Winkel um die Lotrechte die anderen Wellenlängen herausgefiltert, wenn alle Subpixel - ein RGB-Farbpixel ist üblicherweise aus mehreren, monochromes Licht in den Grundfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) abstrahlenden Subpixeln zusammengesetzt - gleichzeitig Licht abstrahlen, oder es erfolgt eine farbselektive Beleuchtung, bei der nicht alle Subpixel eingeschaltet sind. Vorteilhaft ist es, wenn die Displaypixel zur Aufnahme des ersten Gesamtbildes so geschaltet werden, dass sie nur Licht der ersten Wellenlänge abstrahlen.
Für die Aufnahme eines zweiten Bildes werden die Displaypixel umgeschaltet, so dass sie Licht einer zweiten Wellenlänge abstrahlen. Diese zweite Wellenlänge ist kürzer als die erste Wellenlänge und ist so gewählt, dass der Kavitätsfilter für diese Wellenlänge ebenfalls transparent ist, jedoch in einem zweiten Winkelbereich, welcher einen Kegel bzw. Kegelring um die Richtung senkrecht zur Auflagefläche ausspart. Beispielsweise kann für die Aufnahme des zweiten Gesamtbildes - alle optischen Sensoren nehmen Bilddaten auf - die zweite Wellenlänge 460 nm betragen, die Displaypixel strahlen dann also blaues Licht ab. Ein geeigneter Kavitätsfilter kann beispielsweise voll-dielektrisch aufgebaut sein, d. h. sowohl die Reflektorschichten als auch die Kavitätsschicht(en) bestehen aus dielektrischen Materialien.
In dieser Konfiguration wird ein zweites Gesamtbild aufgenommen. Aus dem Vergleich des ersten und zweiten Gesamtbildes im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften lässt sich erkennen, ob eine Fälschung aufgelegt wurde oder nicht. Wesentliche Bildeigenschaft ist hier die Intensität. Wird ein echter menschlicher Finger auf die Auflagefläche gelegt, so sinkt bei eingeschalteter Beleuchtung mit Licht der zweiten Wellenlänge das detektierte Signal erheblich, da die Totalreflexion gestört wird. Wird hingegen eine Fälschung aufgelegt, so verbleibt ein Luftabstand zwischen dem Papier und der Auflagefläche, so dass die Totalreflexion nicht gestört wird. Die Intensität sinkt also gegenüber dem ersten Gesamtbild nicht ab. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Fälschungserkennung können auch weitere Gesamtbilder mit anderen Farben aufgenommen werden, sofern der Kavitätsfilter in bestimmten Winkelbereichen für diese Farben bzw. Wellenlängen transparent ist.
In Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse und des Vergleichs der Bildeigenschaften der Gesamtbilder werden dann weitere Schritte vorgenommen. Zur Verifizierung, dass eine Fälschung vorliegt, kann beispielsweise ein weiterer Abgleich der Intensitätsverhältnisse der beiden Gesamtbilder mit einem kalibrierten Schwellenwertbereich zu Erkennung von Abdruckfälschungen vorgenommen werden. Dem gleichen Ziel dient eine Überlagerung aller Gesamtbilder, um eine Erhöhung der Auflösung zu erzielen, oder Sensordefekte und andere Fehler bei der Bildaufnahme auszugleichen. Wird ein echter Fingerabdruck erkannt und als autorisierter Fingerabdruck identifiziert, so kann eine Freischaltung einer oder mehrerer Funktionen auf einem Gerät, in welchem die Vorrichtung implementiert ist, erfolgen. Bei Erkennen eines gefälschten Fingerabdrucks kann eine Sperrung Geräts erfolgen. Dies sind beispielhaft genannte Schritte, weitere für den Fachmann naheliegende Schritte, die hier nicht erwähnt sind, lassen sich ebenso durchführen.
Während bei der ersten Möglichkeit der Verwendung mehrere Gesamtbilder verschiedener Farben nacheinander aufgenommen werden und dies je nach Geschwindigkeit eines Prozessors, auf dem die Bildverarbeitung erfolgt, spürbare Zeit in Anspruch nehmen kann, so wird dieser Nachteil bei einer zweiten Möglichkeit der Verwendung beseitigt, indem mehrere Bilder gleichzeitig aufgenommen werden. Dazu muss die Beleuchtung und/oder die Detektion mittels der Sensorpixel entsprechend geschaltet bzw. angesteuert werden. Konkret wird eine erste Menge von Displaypixeln so geschaltet, dass die erste Menge von Displaypixeln Licht mindestens einer ersten Wellenlänge abstrahlt, welche zu einer Zentralwellenlänge des mindestens einen Kavitätsfilters korrespondiert. Der Kavitätsfilter ist für Licht dieser ersten Wellenlänge resonant und in einem ersten Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur Auflagefläche selektiv, d. h. durchlässig. Eine zweite Menge der Displaypixeln wird so geschaltet, dass die zweite Menge von Displaypixeln Licht einer zweiten Wellenlänge abstrahlt, welche kürzer als die erste Wellenlänge ist. Der Kavitätsfilter ist dabei für Licht der zweiten Wellenlänge in einem zweiten Winkelbereich selektiv, d. h. durchlässig, wobei der zweite Winkelbereich einen Kegel bzw. Kegelring um die Richtung senkrecht zur Auflagefläche ausspart.
Es werden also nicht alle Displaypixel gleichzeitig für die Beleuchtung in der einen oder der anderen Wellenlänge verwendet, vielmehr strahlt ein Teil der Displaypixel Licht der ersten Wellenlänge ab und ein anderer Teil Licht in einer zweiten Wellenlänge. Die erste Menge und die zweite Menge von Displaypixeln sind zueinander bevorzugt komplementär, d. h. jedes Displaypixel strahlt entweder Licht der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge ab. Die Lagen der ersten Menge von Displaypixeln und der zweiten Menge von Displaypixeln in der Display-Einheit werden in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Wellenlänge und den jeweiligen selektiven Winkelbereichen so festgelegt, dass einerseits das von der ersten und der zweiten Menge von Displaypixeln abgestrahlten Licht den gleichen Bereich der Auflagefläche von unten beleuchtet, und dass andererseits Licht der ersten Wellenlänge, welches aus Richtung der Auflagefläche auf die Sensorpixel einfällt, mittels einer ersten Menge von Sensorpixeln detektiert und als erstes Bild aufgenommen wird, und Licht der zweiten Wellenlänge, welches aus Richtung der Auflagefläche auf die Sensorpixel einfällt, mit einer zweiten Menge von Sensorpixeln detektiert und simultan ein zweites Bild aufgenommen wird. Im Unterschied zur ersten Verwendung werden hier nicht alle Sensorpixel zur Aufnahme eines einzigen Bildes verwendet, sondern nur ein Teil. Es wird daher kein Gesamtbild unter Verwendung aller oder zumindest nahezu aller Sensoren aufgenommen, sondern nur ein Bild mit einem deutlich kleineren Teil der Sensoren. Analog zur ersten Verwendung werden das erste und das zweite Bild im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften analysiert und in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Analyse werden weitere Schritte vorgenommen.
Je nach Ausgestaltung des Displays, des Kavitätsfilters und der Auswahl der Wellenlängen wird zur Aufnahme eines Bildes im Rahmen der zweiten Verwendung nur ein kleiner Teil des Displays und damit der Sensoren verwendet, so dass gegebenenfalls statt dem vollständigen Fingerabdruck nur ein Teil davon registriert wird. Bei der Verifizierung von Fingerabdrücken kann dies zu Problemen führen, wenn ein vollständiger Abgleich mit dem Fingerabdruck erfolgen muss. Um die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern ist es daher vorteilhaft, einen möglichst großen Teil des Bildschirms sowohl für die Aufnahme des ersten Bildes als auch für die Aufnahme des zweiten Bildes zu verwenden. Dies lässt sich beispielsweise mit den beiden im Folgenden beschriebenen Möglichkeiten erreichen.
In einer ersten Variante wird zur Abtastung eines möglichst großen Teils der Auflagefläche der von unten beleuchtete Bereich nach der Aufnahme des ersten und zweiten Bildes sukzessive verschoben, womit auch die erste Menge von Displaypixeln und die zweite Menge von Displaypixeln verschoben wird. Es werden dann weitere erste und zweite Bilder aufgenommen. Das erste Bild und die weiteren ersten Bilder werden zu einem ersten Gesamtbild zusammengesetzt und das zweite Bild und die weiteren zweiten Bilder werden zu einem zweiten Gesamtbild zusammengesetzt. Auf diese Weise lässt sich für jedes der Gesamtbilder ein großer, zusammenhängender Bereich der Auflagefläche erreichen und bei nicht allzu ungünstiger Positionierung des Fingers beispielsweise am Rand des Displays auch ein vollständiger Fingerabdruck aufnehmen, bzw. eine vollständige Aufnahme der Fälschung.
In einer zweiten Variante sind Displaypixel der ersten Menge von Displaypixeln und Displaypixel der Zweitmenge von Displaypixeln schachbrettartig verteilt. Eine Zuteilung zu der ersten bzw. zweiten Menge von Displaypixeln erfolgt anhand von Farbfiltern, mit denen die Sensoren versehen sind. Die kleinste Einheit bildet dabei ein einziges Pixel, welches mit einem Farbfilter für die eine Wellenlänge versehen ist und zu jeder Seite von einem Pixel benachbart ist, welches mit einem Farbfilter für die andere Wellenlänge versehen ist. Auf diese Weise und bei genügend hoher Pixeldichte lässt sich ein Fingerabdruck noch im Rahmen der erforderlichen Genauigkeit detektieren. Selbstverständlich ist es möglich, auch mehrere Pixel jeweils zu einer Gruppe zusammenzufassen, beispielsweise zu Gruppen von 4 X 4 oder 8 X 8 Pixeln, sofern die geforderte Genauigkeit noch erreicht wird. Jede dieser Gruppe kann dann mit einem gemeinsamen Filter versehen werden. Die Zeitverzögerung, die bei der ersten Möglichkeit der Verwendung dadurch entsteht, dass der von unten beleuchtete Bereich verschoben wird, um mehrere Bilder aufzunehmen, fällt bei der hier beschriebenen Vorgehensweise nicht an, was das Verfahren beschleunigt. Auch bei dieser zweiten Verwendung ist es möglich, in mehr als zwei Gesamtbilder pro Winkelbereich mit unterschiedlichen Farben aufzunehmen und zu vergleichen.
Um eine klare Trennung der Bilder insbesondere bei der zweiten Möglichkeit der Verwendung vorzunehmen, ist es vorteilhaft, wenn der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich eine leere Schnittmenge haben, sich also nicht überlappen.
Für die Fälschungserkennung ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der zweite Winkelbereich Winkel um den und nahe dem Winkel der Totalreflexion an der Auflagefläche umfasst, beispielsweise bis zu 5° oder 10° um diesen Grenzwinkel. In diesem Fall ist die Fälschungserkennung besonders einfach, da bei der Ausnutzung des Prinzips der gestörten Totalreflexion die Unterschiede in der Intensität zwischen dem Bild eines aufgelegten Fingers und dem Bild einer Fälschung besonders auffällig sind. Sofern sich eine oder mehrere Luftschichten zwischen Auflagefläche und Sensorschicht befinden, umfasst der zweite Winkelbereich Winkel, die kleiner als der Winkel der Totalreflexion an der jeweiligen Grenzfläche zu Luft sind, jedoch bevorzugt auch nahe an diesem Winkel liegen, da die Totalreflexion für Licht, welches mit Winkeln größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Grenzfläche trifft, verhindert, dass dieses Licht zu den Sensorpixeln transmittiert wird. Befindet sich andererseits keine Luftschicht zwischen den Sensorpixeln bzw. der Sensorschicht und der Auflagefläche, d.h. alle Schichten sind miteinander - beispielsweise durch optisches Bonden - verbunden, so werden bevorzugt Winkel verwendet, die größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Auflagefläche sind.
Die Winkelbereiche ergeben sich aus der verwendeten Wellenlänge sowie den Eigenschaften des verwendeten Kavitätsfilters. Eine gute Trennung der beiden Winkelbereiche lässt sich beispielsweise erreichen, wenn die erste Wellenlänge aus einem ersten Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 550 nm gewählt wird, bevorzugt bei 550 nm, wohingegen die zweite Wellenlänge aus einem zweiten Wellenlängenbereich zwischen 450 nm und 480 nm, bevorzugt bei 460 nm gewählt wird. Die erste Wellenlänge wird dann aus dem grünen Wellenlängenbereich und die zweite Wellenlänge aus dem blauen Wellenlängenbereich gewählt. Eine alternative Möglichkeit sieht vor, dass die erste Wellenlänge aus einem ersten Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 650 nm und die zweite Wellenlänge aus einem zweiten Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 550 nm gewählt wird. Für die Aufnahme von Fingerabdrücken ist es generell auch möglich, Wellenlängen aus dem nicht sichtbaren Bereich des Lichts, also unterhalb von 480 nm und oberhalb von 780 nm zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass ein Benutzer von der Fingerabdruckaufnahme wenig bis nichts mitbekommt.
Auch die Winkelbereiche können explizit vorgegeben werden, und die Wellenlängen dann in Abhängigkeit vom Kavitätsfilter so gewählt werden, dass sie diese Bedingung erfüllen. Vorteilhaft liegt der erste Winkelbereich zwischen 0° und 15°, bevorzugt zwischen 0° und 10°. Der zweite Winkelbereich liegt dann bevorzugt zwischen 30° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion - etwa 41° bei Glas - für den Fall, dass zwischen der Pixelschicht und der Auflagefläche eine Luftschicht ist, welche die Transmission von Strahlen mit einem größeren Winkel durch Totalreflexion blockiert. Ist dies nicht der Fall, werden Winkel bevorzugt, welche maximal 5° größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Auflagefläche sind.
Als Bildeigenschaften lassen sich anstelle der Intensität oder zusätzlich dazu auch weitere Eigenschaften verwenden, beispielsweise solche, die sich aus der Intensität durch Verrechnung ergeben. Dies sind insbesondere räumliche Strukturen oder latente Abdrücke eines Autopodiums.
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-1d verschiedene prinzipielle Möglichkeiten des Aufbaus einer Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Autopodien,
2 die Prinzipdarstellung einer Vorrichtung mit Zusatzbeleuchtung,
3a-3c den grundsätzlichen Aufbau von Kavitätsfiltern,
4a-c das winkelselektive Verhalten eines Kavitätsfilters,
5 die Modulationsübertragungsfunktion der Vorrichtung für 2,5 Linienpaare pro Millimeter in Abhängigkeit von einer Deckschichtdicke für den Einsatz ohne einen Kavitätsfilter und ohne eine Blende (gepunktete Linie), mit einem Kavitätsfilter (gestrichelte Linie), sowie mit einem Kavitätsfilter und zusätzlicher Blende (durchgezogene Linie),
6 ein Array mit optischen Sensoren und Zusatzblenden,
7 die Wirkung der Zusatzblenden unter der Verwendung zweier Farben zur Erhöhung der räumlichen Auflösung,
8 einen Ablauf eines ersten Verfahrens unter Verwendung der Vorrichtung,
9 einen Ablauf eines zweiten Verfahrens unter Verwendung der Vorrichtung,
10 ein Detail des Strahlengangs für zwei verschiedene Wellenlängen, und
11 eine Übersicht der Wirkungsweise des zweiten Verfahrens.

1a bis 1c zeigen verschiedene grundsätzliche Aufbauten einer Vorrichtung zur Darstellung von Informationen einerseits und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien andererseits. Allen drei Aufbauten sind einige grundlegende Komponenten gemeinsam: Aus Richtung eines Betrachters oder eines aufzulegenden Fingers umfasst diese Vorrichtung eine Auflagefläche 1 zum Auflegen der Autopodien, unter der eine Schutzschicht 2 angeordnet ist. Die Auflagefläche 1 kann auch die Oberfläche der Schutzschicht 2 bilden, die hier gezeigten Dicken und Dickenverhältnisse entsprechen nicht der Wirklichkeit und dienen nur der Veranschaulichung der einzelnen Komponenten. Unterhalb der Schutzschicht 2 ist ein Touchpad 3 angeordnet. Bei mobilen Geräten wie Smartphones dient das Touchpad 3 der Eingabe von Steuerungsbefehlen mittels eines oder mehrerer Finger. Es erkennt außerdem, ob auf der Auflagefläche 1 ein Finger aufgelegt ist oder nicht. Für die Funktion der Vorrichtung ist das Touchpad 3 jedoch nicht zwingend notwendig; ob ein Finger aufgelegt ist oder nicht, kann auch auf andere Weise festgestellt werden, beispielsweise mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Sensorpixel. Aus Richtung des kontaktierenden Hautbereichs unterhalb des Touchpads 3 angeordnet ist eine Display-Einheit 4 mit rasterförmig angeordneten, mittels einer - hier nicht gezeigten - Steuereinheit einzeln ansteuerbaren, mindestens teilweise transparenten Displayelementen mit Displaypixeln, welche Licht in Richtung der Auflagefläche 1 abstrahlen.
Alle drei Ausgestaltungen umfassen außerdem optische Sensorpixel, welche Licht, das aus Richtung der Auflagefläche 1 auf die Sensorpixel einfällt, detektieren. In einer ersten Alternative sind die Sensorpixel in einer aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereichs gesehen unterhalb der Display-Einheit 4 angeordneten Sensorschicht 5 angeordnet. Dies ist der Fall bei den in 1a und in 1b gezeigten Vorrichtungen. In einer zweiten Alternative sind die Sensorpixel in der Display-Einheit 4 zwischen den Displayelementen angeordnet. Diese Ausgestaltung ist in 1c gezeigt. Den optischen Sensorpixeln sind Mittel zur Winkelselektion in Richtung der Auflagefläche 1 vorgeordnet, welche mindestens einen Kavitätsfilter umfassen. Bei der in 1a und 1b gezeigten Ausgestaltung sind die optischen Sensorpixel in einer Sensorschicht 5 unterhalb der Display-Einheit 4 angeordnet; der mindestens eine Kavitätsfilter ist als eine zwischen der Display-Einheit 4 und der Sensorschicht 5 angeordnete Kavitätsfilterschicht 6 ausgebildet. Bei der in 1c gezeigten Ausgestaltung, bei der die optischen Sensorpixel in der Display-Einheit 4 zwischen den Displayelementen angeordnet sind, ist jedem Sensorpixel ein oder mehrere pixelförmige Kavitätsfilter zugeordnet, welche über dem jeweiligen Sensorpixel angeordnet sind. Bei dickeren Deckgläsern ist es empfehlenswert, zwischen die Kavitätsfilter Schicht 6 und die Sensorschicht 5 eine pixelbasierte Blendenstruktur 7 einzubringen, womit der vom Kavitätsfilter durchgelassene Winkelbereich weiter beschränkt werden kann.
Die Display-Einheit 4 kann im Wesentlichen auf zwei verschiedene Arten ausgestaltet werden. In einer ersten Ausgestaltung umfasst die Display-Einheit 4 aktiv leuchtende Displaypixel und ist bevorzugt als LED-Einheit ausgestaltet, wobei die Displaypixel als LED, OLED, QLED oder µLED ausgebildet sein können. Die Display-Einheit 4 ist, wie bereits erwähnt, teilweise transparent für Licht, das von der Auflagefläche 1 kommt. In einer zweiten Ausgestaltung umfasst die Display-Einheit 4 passiv beleuchtete Displaypixel und ist beispielsweise als LC-Einheit mit als LC-Elementen ausgebildeten Displaypixeln ausgestaltet. Dies ist in 1d gezeigt. Zur Beleuchtung ist hier eine erste Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper 8 und ersten Beleuchtungsmitteln vorhanden. Der Lichtleiterschichtkörper 8 ist von der Auflagefläche 1 ausgesehen unterhalb der Display-Einheit 4 und oberhalb der Kavitätsfilterschicht 6 angeordnet. Die ersten Beleuchtungsmittel können beispielsweise seitlich angeordnet sein und ihr Licht in den Lichtleiterschichtkörper 8 einkoppeln, von wo es mit entsprechenden Auskoppelstrukturen oder Streuelementen die Displaypixel in einem ersten Wellenlängenbereich diffus beleuchtet.
Unabhängig davon, ob eine erste Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung der passivbeleuchteten Displaypixeln vorhanden ist, kann die Vorrichtung eine zweite Beleuchtungseinheit 9 mit zweiten Beleuchtungsmitteln umfassen, wie dies in 2 skizziert ist. Wie durch die Pfeile in 2 angedeutet, kann die zweite Beleuchtungseinheit 9, die ebenfalls einen Lichtleiterschichtkörper umfassen kann, an verschiedenen Stellen in den Schichtstapel der Vorrichtung integriert werden. Die zweiten Beleuchtungsmittel sind zur Abstrahlung von gerichtetem Licht einer vorgegebenen Wellenlänge in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um eine vorgegebene Zentralrichtung ausgebildet. Die Zentralrichtung wird dabei in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wellenlänge des gerichteten Lichts und einer Winkelselektivität des mindestens einen Kavitätsfilters für die vorgegebene Wellenlänge festgelegt. Bevorzugt liegt die Zentralrichtung parallel zu einer Normalen der Auflagefläche 1. Auf diese Weise lässt sich für die Aufnahme von Fingerabdrücken eine bessere Bildqualität erzielen, da die an den optischen Sensoren ankommende Intensität erhöht wird. Ein weiterer Vorteil der zweiten Beleuchtungseinheit ist, dass diese unabhängig vom Bildschirm geschaltet werden kann. Sie kann für die Fingerabdruckaufnahme an verschiedene Situationen variabel angepasst werden, beispielsweise an die Hautfarbe, das Umgebungslicht oder die Feuchtigkeit der Haut und/oder der Auflagefläche 1. Die normale Ausgabe auf dem Bildschirm wird dadurch nicht beeinflusst. Bei entsprechender Auslegung der Kavitätsfilter lässt sich insbesondere auch nicht sichtbares Licht - beispielsweise aus dem nahen Infrarot oder dem nahen Ultraviolett - für die Aufnahme von Fingerabdrücken verwenden. Auf diese Weise werden negative visuelle Effekte auf dem Bildschirm durch die Fingerabdruckname vermieden.
Gestaltung und Wirkung eines Kavitätsfilters werden im Folgenden anhand der 3 bis 5 beschrieben. 3a zeigt den grundlegenden Aufbau eines Kavitätsfilters, bei dem es sich um eine spezielle Art eines Interferenzfilters handelt. Eine Kavitätsschicht 10 mit etwa der optischen Dicke in der Größenordnung der Lichtwellenlänge, die transmittiert werden soll, für welche der Kavitätsfilter also resonant ist, ist eingebettet zwischen zwei Reflektorschichten 11. durch das Einbringen der Kavitätsschicht 10 bilden sich dort Kavitätsmoden aus, welche die Reflektorschichten 11 in diesem Wellenlängenbereich bzw. Band durchlässig werden lassen. Die Dicke der Kavitätsschichten 10 kann bei der Herstellung gesteuert werden und wird in Abhängigkeit von einem für die Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien zu transmittierenden Wellenlängenbereich und einem von den Kavitätsschichten 10 für diesen Wellenlängenbereich zu selektierenden Winkelbereich festgelegt. Außerdem ist es auch möglich, die Dicke der Kavitätsschicht 10 beispielsweise mittels piezoelektrischer Materialien variabel einzustellen. Insbesondere können die Kavitätsfilter auch als Doppelkavitätsfilter oder Multikavitätsfilter ausgestaltet sein. Je mehr Kavitätsschichten 10 der Filter enthält, desto schärfer ist die Abgrenzung des transmittierten Wellenlängenbereichs von der Form einer Lorentzkurve bis zu einer Kastenform. Ein Doppelkavitätsfilter ist beispielsweise in 3b dargestellt, die Punkte nach unten deuten an, dass weitere Kavitätsfilterschichten folgen können. Die Kavitätsfilterschicht 10 kann metallisch oder dielektrisch ausgebildet sein, im Falle einer Metallschicht beispielsweise aus Aluminium mit einer Dicke von etwa 100 nm. Werden mehrere Kavitätsschichten 10 verwendet, so lässt sich eine verbesserte Selektion des zu selektierenden Winkelbereichs festlegen.
Der Aufbau einer Reflektorschicht 11 ist im Detail in 3c gezeigt. Hochbrechende Schichten 12 aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex wechseln sich mit niedrigbrechenden Schichten 13 ab. Jede Schicht hat die optische Dicke n × d = λ/4, wobei n der Brechungsindex, d die tatsächliche Dicke und λ die Wellenlänge des zu transmittierenden Lichts ist, für welche der Kavitätsfilter also resonant ist. Die Kavitätsschicht 10 hat oft eine optische Dicke von λ/2. Die Reflektorschichten 11 können als Bragg-Spiegel aus alternierenden Schichten zweier Dielektrika oder Metalle oder Kombinationen von Dielektrika und Metall aufgebaut sein. Der Vorteil in der Verwendung ausschließlich dielektrischer Reflektoren im Vergleich zu metallischen ist die höhere Reflexivität von mehr als 99 %, welche mit steigender Anzahl von Schichtpaaren asymptotisch gegen 100 % geht. Eine Absorption ist so gut wie nicht vorhanden. Verwendet man zusätzlich eine metallische Kavitätsschicht 10, so lassen sich auch Seitenbänder, die bei voll-dielektrischen Reflektorschichten auftreten und gegebenenfalls zu Störsignalen für den optischen Sensor führen können, effektiv unterdrücken. Aufgrund der hohen Reflexivität lassen sich die Kavitätsfilter zur Erhöhung der Lichtausbeute einsetzen, indem sie Licht, welches im Falle von aktiven Displaypixeln von diesen oder im Falle von passiven Displaypixeln von einer Beleuchtungseinheit in Richtung der Sensorpixel abgestrahlt wird, überwiegend reflektieren.
Für die Verwendung im Zusammenhang mit der Fingerabdrucküberprüfung wird eine Eigenschaft der Kavitätsfilter ausgenutzt, die ansonsten keine Rolle spielt, nämlich die Fähigkeit, die Transmission von Wellenlängen nur in bestimmten Winkelbereichen zuzulassen, also eine Winkelselektion in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Wie im Folgenden anhand von 4 und 5 erläutert wird, ermöglicht die Verwendung von Kavitätsfiltern zum einen die Wahl eines größeren Abstandes zwischen der Auflagefläche 1 und der optischen Sensorschicht 5, so dass die optische Sensorschicht 5 problemlos als unterste Schicht einer Bildschirmeinheit angeordnet sein kann und somit nicht transparent sein muss und die Bildgebung des normalen Displays nicht negativ beeinflusst. Zum anderen wird damit die Erkennung von Fälschungen, was Fingerabdrücke betrifft, erleichtert.
Ein Schichtstapel, der nur aus Reflektorschichten 11 aufgebaut ist, reflektiert jegliches Licht im Wesentlichen in einem Winkelbereich von 0° bis zu etwa 40° bezogen auf die Normale der Fläche. Das Einbringen der Kavitätsschicht 10 zwischen zwei Reflektorschichten 11 führt bei einer Resonanzwellenlänge, für welche die Kavitätsschicht 10 ausgelegt ist, zu einer erhöhten Transmission durch die Reflektorschichten 11. Resonanz liegt vor, wenn die Lichtwelle nach zweifacher Reflexion an den Reflektorschichten 11 und Operation durch die Kavitätsschicht 10 Phasen gleich zum Ausgangspunkt ist. Die spektrale Durchlässigkeit der Kavitätsmode zeigt eine starke Winkelabhängigkeit und verschiebt sich aufgrund der geänderten Phasenlänge bei schrägen Einfallswinkeln des Lichts zu kürzeren Wellenlängen. Die Verschiebung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel ist dabei umso stärker, je geringer der effektive Brechungsindex n* der dielektrischen Struktur ist. Für eine hochbrechende Kavitätsschicht berechnet sich der effektive Brechungsindex n* nach der Formel $n * = \sqrt{(n_{H} n_{L})}$
mit n_H als dem Brechungsindex einer als hochbrechende Schicht 12 ausgestalteten Reflektorschicht und n_L als dem Brechungsindex einer als niedrigbrechende Schicht 13 ausgestalteten Reflektorschicht, und für eine niedrigbrechende Kavitätsschicht nach der Formel $n * = \frac{n_{L}}{\sqrt{1 - \frac{n_{L}}{n_{H}} + {(\frac{n_{L}}{n_{H}})}^{2}}}$
wobei die Winkelabhängigkeit Δλ(θ₀) der Transmission näherungsweise durch den Ausdruck $\frac{Δ λ}{λ_{0}} = \frac{n_{0} θ_{0}^{2}}{2 n *^{2}}$
beschrieben werden kann, wobei θ₀ in Radianten gewählt wird und no der Brechungsindex der Umgebung des Filters entspricht, worunter die angrenzenden Materialien verstanden werden, in der vorliegenden Anwendung typischerweise Glas. Für die hoch- und niedrigbrechenden Kavitätsschichten kann dasselbe dielektrische Material verwendet werden, wie für die hoch- bzw. niedrigbrechenden Reflektorschichten, sodass mindestens zwei Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes für den Aufbau eines dielektrischen Kavitätsfilters nötig sind.
Die Winkelabhängigkeit Δλ(θ₀) der Transmission eines Kavitätsfilters ist beispielhaft in 4a dargestellt. Der Kavitätsfilter in dem hier gezeigten Beispiel ist in dem schraffierten Bereich transmissiv und hat einen Resonanzwellenlängenbereich Δλ_R bei etwa 550 nm. Für diese Wellenlänge ist er in einem engen, kegelförmigen Winkelbereich von 0° bis ca. 15° transmissiv, dies ist in 4b gezeigt. Der dort schraffierte Bereich entspricht dem Transmissionsbereich für den Resonanzwellenlängenbereich. Da die Kavitätsfilterschicht 6 direkt oberhalb der Sensorschicht 5 angeordnet ist, kann der Winkelbereich für das Licht, welches in der optischen Sensorschicht 5 detektiert wird, stark eingeschränkt werden. Für Lichtquellen, die nur in einem schmalen spektralen Band oder sogar nur monochromatisches Licht abstrahlen, lässt sich der Winkelbereich, der von den optischen Sensoren detektiert wird, auf etwa 10° um die Flächennormale der Auflagefläche 1 einschränken. Entsprechend geschmälert wird auch die Punktspreizfunktion PSF. Dies hat wiederum Einfluss auf die Modulationsübertragungsfunktion MTF, welche dem Betrag der Fouriertransformierten der PSF entspricht. Die MTF ist ein Maß für die Abhängigkeit der normierten Modulation von der räumlichen Frequenz und kann dazu herangezogen werden, die räumliche Auflösung einer vorgegebenen Konfiguration zu bestimmen. Insbesondere lässt sich so ein maximaler Abstand der optischen Sensorschicht 5 von der Auflagefläche 1 bestimmen, bis zu der noch Fingerabdrücke aufgelöst werden können. Bei der Konzeption von Bildschirmen für mobile Geräte, die in der Lage sein sollen, Fingerabdrücke zu identifizieren und dabei die Bildqualität von Inhalten, die auf dem Bildschirm dargestellt werden, nicht zu beeinträchtigen spielt dies eine wichtige Rolle, da die Sensorschicht als unterste Schicht angeordnet werden soll. Aufgrund der Positionierung als unterste Schicht müssen die Sensoren nicht transparent oder semitransparent ausgestaltet werden und keine Displaybeleuchtung hindurchlassen. Somit sind die Anforderungen an den optischen Sensor geringer und es können kostengünstigere Sensoren wie beispielsweise CMOS-basierte Sensoren oder organische Fotodioden, anstelle beispielsweise von TFT-basierten Sensoren auf Glassubstraten.
Für den menschlichen Fingerabdruck misst man eine Periodenlänge von ca. 400 µm von Grat zu Grat, was einer räumlichen Frequenz von k = 2,5 Linienpaaren pro Millimeter entspricht. Betrachtet man die Punktspreizfunktion, welche sich aus der Reflexion einer typischen Displaybeleuchtung - d. h. ohne Verwendung eines Kavitätsfilters - an der Auflagefläche 1 ergibt, so erhält man den in 5 gepunktet dargestellten Verlauf der normierten Modulation in Abhängigkeit von der Deckschichtdicke, d. h. der Dicke aller Materialschichten, welche sich zwischen der Auflagefläche 1 und der Sensorschicht 5 befinden. Es zeigt sich, dass die Modulation oberhalb von 300 µm gegen Null strebt, was Fingerabdrücke nicht mehr deutlich detektierbar macht. Bringt man einen resonanten Kavitätsfilter ein, welcher eine Winkelselektion im Bereich der Resonanzwellenlänge auf Winkel von weniger als 10° um die Flächennormale realisiert, so ergibt sich für die normierte Modulation der mit einer gestrichelten Linie gezeigte Verlauf. Es werden dann auch bei Deckschichtdicken oberhalb von 800 µm noch deutliche Kontraste gemessen. Bringt man zusätzlich noch Pixelblenden für die optischen Sensorpixel an, wie sie im Folgenden anhand von 6 beschrieben werden, so ergibt sich für den Verlauf der normierten Modulation die durchgezogene Linie; d. h. die mögliche Deckschichtdicke kann nochmals um einen Faktor 2 erhöht werden, so dass sich mit der zusätzlichen Blende und dem Kavitätsfilter auch Deckschichtdicken von über 1 mm noch deutliche Kontraste messen lassen.
Unter Verwendung einer Zusatzblendenstruktur, wie sie in 6 gezeigt ist, lässt sich der Winkelbereich noch weiter einschränken und somit die räumliche Auflösung erhöhen. Die Einschränkung erfolgt, indem die Blendenstruktur - den kugelförmigen Winkelraum betreffend - nur Winkel aus einer Hälfte der oberen Halbkugel hindurch lässt; die untere Halbkugel entspräche einer Beleuchtung von unten. Gezeigt ist das Array aus Sensorpixeln 14. In jedem Sensorpixel ist ein Detektionsbereich 15 angeordnet. Jedes Sensorpixel 14 ist mit einer Blende 16 versehen, so dass für jedes Pixel Licht nur aus Richtung des jeweils eingezeichneten Pfeils auf das Pixel treffen kann, wodurch die Verbreiterung des Winkelspektrums halbiert werden kann, was zu einer Verdopplung der möglichen Deckschichtdicke führt. Die Blenden 16 bedecken die Detektionsbereiche 15 außerdem in Pfeilrichtung nahezu vollständig. Um die Generierung einer asymmetrischen MTF zu kompensieren, sind die Blenden 16, wie in 6 gezeigt, alternierend angeordnet. Allerdings wird dadurch die maximal mögliche messbare räumlichen Frequenz, die sogenannte Nyquist-Frequenz, mindestens halbiert. Um diese Einschränkung abzumildern oder zu umgehen, muss der Kavitätsfilter bzw. seine Winkelselektivität so ausgestaltet sein, dass Aufnahmen mit mindestens zwei Farben λ₁, λ₂ detektiert werden können, wobei für die eine Farbe λ₁ ein Gebiet auf der Auflagefläche abgetastet wird, welches von der anderen Farbe λ₂ nicht abgetastet wird. Dieser Zusammenhang ist in 7 dargestellt. Dabei bezeichnet d die gesamte Deckschichtdicke zwischen Sensorschicht und der Auflagefläche 1, auf die hier ein Finger 17 gelegt ist. Um diese erhöhte Abtastung zu ermöglichen, muss im Falle eines monochromen optischen Sensors sequenziell beleuchtet werden und es müssen zwei Bilder aufgenommen werden. Für Farbsensoren entfällt diese Einschränkung, allerdings sind hier die Farbsensorpixel meist alternierend angeordnet oder entsprechend vorgegebenen Mustern, so dass hier die Nyquist-Frequenz von vorneherein geringer ist.
Aufgrund der Winkelselektivität des Kavitätsfilters ist es möglich, diesen so zu gestalten, dass Aufnahmen in zwei Farben erfolgen können. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass der Kavitätsfilter für Licht dieser zweiten Farbe in einem anderen Winkelbereich durchlässig ist, was auch Voraussetzung dafür ist, dass mit Licht der beiden Farben jeweils zwei verschiedene Gebiete auf der Auflagefläche abgetastet werden. Die unterschiedliche Winkelselektivität für verschiedene Farben wird ebenfalls anhand von 4a erläutert. Oberhalb des Wellenlängenbereichs Δλ_R um die Resonanzwellenlänge ist ein weiterer Wellenlängenbereich Δλ_F um eine zweite Wellenlänge λ_F markiert, welche kürzer als die Resonanzwellenlänge ist und im Beispiel bei etwa 460 nm im blauen Bereich liegt, wohingegen die Resonanzwellenlänge mit etwa 550 nm im grünen Bereich liegt. Für diesen weiteren Wellenlängenbereich ist der Kavitätsfilter nur in einem Winkelbereich durchlässig, der zwischen etwa 25° und 40° liegt, sich also mit dem Winkelbereich, für den der Kavitätsfilter bei der Resonanzwellenlänge durchlässig ist, nicht überlappt. Dies kann man sich bei der Erkennung von gefälschten Fingerabdrücken zu Nutze machen, wie im Folgenden anhand von 8 bis 11 erläutert wird.
Die vorangehend beschriebene Vorrichtung lässt sich zur Unterscheidung verwenden, ob ein auf die Auflagefläche 1 aufgelegtes Objekt ein Finger oder eine Fälschung eines Fingerabdrucks ist. Ein erstes Verfahren zur Fälschungserkennung wird anhand von 8 erläutert. Voraussetzung für den Ablauf des Verfahrens ist in einem Schritt 210 das Auflegen eines Objekts, entweder des Fingers oder der Fälschung. Im nächsten Schritt 220 detektiert die Vorrichtung - beispielsweise mittels eines Touchpads -, dass ein Objekt aufgelegt ist. In einem Schritt 230 werden dann die optischen Sensorpixel in der Sensorschicht 5 zur Detektion von Licht eingeschaltet. In Schritt 240 werden die Displaypixel der Display-Einheit 4 so geschaltet, dass sie Licht mindestens einer ersten Wellenlänge λ_R abstrahlen, welche zu einer Zentralwellenlänge des mindestens einen Kavitätsfilters korrespondiert. Der Kavitätsfilter ist für Licht dieser ersten Wellenlänge λ_R resonant und in einem ersten Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur Auflagefläche 1 transparent. In einem folgenden Schritt 250 wird mittels der Sensorpixel ein erstes Gesamtbild aufgenommen. Im nächsten Schritt 260 werden die Displaypixel umgeschaltet, so dass sie Licht einer zweiten Wellenlänge λ_F abstrahlen, welche kürzer als die erste Wellenlänge λ_R ist und wobei der Kavitätsfilter für Licht der zweiten Wellenlänge λ_F in einem zweiten Winkelbereich transparent ist, wobei der zweite Winkelbereich einen Kegel um die Richtung senkrecht zur Auflagefläche 1 ausspart. Insbesondere können der erste und der zweite Winkelbereich eine leere Schnittmenge haben. Im nun folgenden Schritt 270 wird mittels der Sensorpixel ein zweites Gesamtbild aufgenommen. Daran an schließt sich ein Schritt 280 ein Vergleich des ersten und zweiten Gesamtbildes im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften. Als Bildeigenschaften lassen sich insbesondere die Intensität verwendet, oder sich aus der Intensität durch Verrechnung ergebende Eigenschaften wie beispielsweise eine räumliche Struktur oder ein latenter Abdruck eines Fingers. Das Ergebnis wird in einem Schritt 290 abgefragt. Wird die Echtheit des Fingerabdrucks bestätigt, so kann beispielsweise in Schritt 291 eine Freigabe des Bildschirms für weitere Eingaben erfolgen. Wird eine Fälschung erkannt, so kann dies beispielsweise 292 angezeigt und das mobile Gerät für weitere Eingaben gesperrt werden. Die Schritte 291 und 292 dienen nur als Beispiele, es lassen sich weitere Funktionen - insbesondere solche, die mit der Freigabe von Aktionen verbunden sind - mit Schritt 291 und folgenden Schritten assoziieren.
Für die Fälschungserkennung ist es vorteilhaft, wenn der zweite Winkelbereich für die zweite Wellenlänge λ_F solche Winkel umfasst, welche kleiner gleich dem Winkel der Totalreflexion an der Auflagefläche 1 sind, da durch viele Displays aufgrund einer integrierten Luftschicht kein Licht mit Winkeln > 42° aufgrund von Totalreflexion an dieser Grenzfläche transmittieren kann. Liegt ein echter Finger auf, so sind die Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Gesamtbild deutlich. Während die erste Wellenlänge λ_R für die Bildgebung des Fingerabdrucks in dem ersten Gesamtbild verwendet werden kann, so sinkt bei Beleuchtung mit der zweiten Wellenlänge λ_F das detektierte Signal erheblich, da die Totalreflexion gestört wird, bzw. auch bei Winkeln nahe der Totalreflexion erhebliche Anteile von Licht ausgekoppelt werden. Im Gegensatz dazu wird bei einer Fälschung bei Beleuchtung mit der zweiten Wellenlänge λ_F kein Intensitätsabfall detektiert.
Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als zwei Gesamtbilder pro Winkelbereich aufzunehmen und zu vergleichen, wobei alle Gesamtbilder mit unterschiedlichen Farben aufgenommen werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Bestimmung, ob eine Fälschung vorliegt oder nicht.
Da bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren mehrere Bilder sequenziell aufgenommen werden müssen, kann dies gegebenenfalls von Benutzern eines mobilen Gerätes als nachteilig empfunden werden. Um die Fälschungserkennung zu beschleunigen, lässt sich das vorangehend beschriebene Verfahren etwas abwandeln, wobei dann mehrere Bilder gleichzeitig aufgenommen werden. Dies soll im Folgenden anhand von 9 erläutert werden. Verfahrensschritte, die mit dem in 8 und vorangehend beschriebenen Verfahren identisch sind, tragen die gleiche Bezeichnung und werden nicht noch einmal erläutert. Nachdem in Schritt 230 die optischen Sensorpixel zur Detektion von Licht eingeschaltet wurden, werden im Unterschied zum vorangehend beschriebenen Verfahren nicht alle Displaypixel auf die gleiche Weise geschaltet, sondern es wird in Schritt 340 eine erste Menge von Displaypixeln so geschaltet, dass die erste Menge von Displaypixeln Licht der ersten Wellenlänge λ_R abstrahlt und in Schritt 350, der zeitgleich mit Schritt 340 erfolgen kann, wird eine zweite Menge der Displaypixel so geschaltet, dass die zweite Menge von Displaypixeln Licht der zweiten Wellenlänge λ_F abstrahlt; die Bedingungen für die erste Wellenlänge λ_R und die zweite Wellenlänge λ_F sind die gleichen wie vorangehend beschrieben, was ihre Abstimmung in Bezug auf den Kavitätsfilter und den ersten Winkelbereich sowie den zweiten Winkelbereich betrifft. Jedoch werden die Lagen der ersten Menge von Displaypixeln und der zweiten Menge von Displaypixeln in der Display-Einheit 4 in Abhängigkeit von der ersten Wellenlänge λ_R und der zweiten Wellenlänge λ_F und den jeweiligen selektiven Winkelbereich in so festgelegt, dass einerseits das von der ersten Menge und der zweiten Menge von Displaypixeln abgestrahlte Licht den gleichen Bereich der Auflagefläche 1 von unten beleuchtet, und dass andererseits Licht der ersten Wellenlänge λ_R, welches aus Richtung der Auflagefläche 1 auf die Sensorpixel einfällt, mittels einer ersten Menge von Sensorpixeln detektiert und in Schritt 360 als ein erstes Bild aufgenommen wird, und Licht der zweiten Wellenlänge λ_F, das aus Richtung der Auflagefläche 1 auf die Sensorpixel einfällt, mit einer zweiten Menge von Sensorpixeln detektiert und simultan in Schritt 360 als zweites Bild aufgenommen wird. In Schritt 83 werden das erste und das zweite Bild im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften analysiert, bevor weitere Schritte in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Analyse vorgenommen werden; diese weiteren Schritte entsprechen denen, welche im Zusammenhang mit 8 erläutert wurden.
Im Unterschied zu dem in 8 dargestellten Verfahren werden bei dem in 9 dargestellten Verfahren keine Gesamtbilder aufgenommen, sondern nur Bilder, die einen Ausschnitt aus der gesamten Auflagefläche 1 darstellen. Dies hängt damit zusammen, dass zwar mit beiden Wellenlängen der gleiche Bereich der Auflagefläche 1 beleuchtet wird, dieser jedoch mittels unterschiedlicher Sensorpixel detektiert wird, so dass für die Aufnahme eines Ausschnitts doppelt so viele Sensorpixel benötigt werden, wie im zuerst beschriebenen Verfahren gemäß 8, da verschiedene Sensorpixel und auch verschiedene Displaypixel für die Beleuchtung und Detektion mit den beiden Wellenlängen benötigt werden. Dies soll im Folgenden anhand von 10 und 11 erläutert werden. 10 zeigt die prinzipiellen Beleuchtungsverhältnisse. Von einem ersten Pixel in der Display-Einheit 4 wird Licht der Resonanzwellenlänge λ_R abgestrahlt, wie durch die gepunktete Linie dargestellt. Die Abstrahlung erfolgt in alle möglichen Winkel, jedoch wird aufgrund der Kavitätsfilterschicht 6 nur solches Licht zu den Sensorpixeln in der Sensorschicht 5 hindurch gelassen, welches in dem engen Winkelbereich um die Flächennormale der Auflagefläche 1 auf den Kavitätsfilter trifft, hier symbolisiert durch die gepunkteten Pfeilspitzen. Ein weiteres Pixel in der Display-Einheit 4 strahlt Licht der zweiten Wellenlänge λ_F ab, hier dargestellt durch die gestrichelte Linie. Auch dieses Licht wird in alle möglichen Winkel abgestrahlt, jedoch wird von der Kavitätsfilterschicht 6 nur Licht in dem zweiten Winkelbereich zur Sensorschicht 5 hindurch gelassen, wie durch die gestrichelten Pfeilspitzen symbolisiert. Ein und derselbe Punkt auf der Auflagefläche 1 kann also gleichzeitig mit verschiedenen Farben abgetastet und an verschiedenen Orten auf dem Sensor detektiert werden. Welche Regionen der Sensorschicht 5 mit einer Stelle auf der Auflagefläche 1 korrelieren, hängt von der Deckschichtdicke zwischen Sensorschicht 5 und Auflagefläche 1 ab, sowie von dem Abstand zwischen den Displaypixeln und der Auflagefläche 1. Es lassen sich auch kleine Gruppen benachbarter Displaypixel zusammenschalten und zusammen zur Beleuchtung verwenden, wodurch sich die auf dem Sensor detektierbar Lichtmenge vergrößert. Das Signal kann dann beispielsweise gemittelt werden, solange es nicht zu einer Überlagerung der Reflexionen der unterschiedlichen Lichtfarben auf der Sensorschicht bzw. den Sensorpixeln kommt.
11 veranschaulicht diese Vorgehensweise noch einmal für einen größeren Bereich der Vorrichtung, wobei hier die Displayeinheit 4 durch ihre Displaypixel und die Sensorschicht 5 durch ihre Sensorpixel symbolisiert wird. Es lassen sich auf diese Weise relativ großflächige Bereiche der Auflagefläche 1 aufnehmen, wobei die Display-Einheit so angesteuert wird, dass jedem Sensorpixel maximal nur Licht einer einzigen Farbe detektieren kann. Eine farbliche Überlagerung wird auf diese Weise ausgeschlossen und es können mehrere Informationen von ein und demselben Objektpunkt auf unterschiedlichen Sensorpixeln aufgenommen werden. Die Größe x₂ des Bereichs hängt dabei vom Abstand d₁ zwischen der Display-Einheit 4 und der Auflagefläche 1 ab, vom Abstand d₂ zwischen der Sensorschicht 5 und der Display-Einheit 4 sowie von dem Winkelbereich, für welche der Kavitätsfilter bzw. die Kavitätsfilterschicht 6 für die zweite Wellenlänge λ_F durchlässig ist. Um einen möglichst großen Teil der Auflagefläche 1 abzutasten, kann der von unten beleuchtete Bereich nach der Aufnahme des ersten und zweiten Bildes auch sukzessive verschoben werden, womit auch die erste Menge von Displaypixeln und zweite Menge von Displaypixeln verschoben wird. Dann werden weitere Bilder aufgenommen, die zu einem ersten Gesamtbild und einem zweiten Gesamtbild zusammengesetzt werden. Dies ist durch den gestrichelten Pfeil 9 angedeutet. Alternativ können die Displaypixel der ersten Menge von Displaypixeln und die Displaypixel der zweiten Menge von Displaypixeln schachbrettartig verteilt werden und eine Zuteilung zu der ersten Menge bzw. zweiten Menge von Displaypixeln erfolgt anhand von Farbfiltern oder durch eine entsprechende Steuerung.
Eine andere Möglichkeit, sequenzielle Aufnahmen zu umgehen, besteht darin, anstelle preiswerter monochromatischer optischer Sensoren Farbsensoren zu verwenden, die nur für bestimmte Spektralbereiche Licht detektieren. Die optischen Sensorpixel umfassen dann verschiedener Farbsensorpixel, die in Spalten und Reihen, in denen die Sensorpixel angeordnet sind, alternierend angeordnet sind. Ist die zu detektierende Farbe an den Durchlassbereich des Kavitätsfilters angepasst, können mehrere Gesamtbilder in einer Aufnahme abgebildet und verwertet werden.
Der Vergleich der Bildeigenschaften nach Aufnahme der Bilder kann nicht nur dazu verwendet werden, gefälschte Fingerabdrücke zu erkennen, sondern beispielsweise auch, um mittels einer Überlagerung der Bilder oder Gesamtbilder eine Erhöhung der Auflösung zu erzielen, Sensordefekte oder andere Fehler bei der Bildaufnahme auszugleichen.
Wie bereits erwähnt, lassen sich Kavitätsfilter für eine Vielzahl verschiedener Winkelbereiche und Wellenlängenbereiche auslegen, wobei die Auswahl bevorzugt so erfolgen sollte, dass die Wellenlängen so weit auseinanderliegen, dass eine Überlappung der Winkelbereiche ausgeschlossen werden kann.
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 kein Bereich ausschließlich für die Abdruckerkennung bereitgehalten werden muss. Die Fingerabdruckerkennung erfolgt dabei unauffällig und wird von dem Benutzer kaum wahrgenommen. Durch die Verwendung von Kavitätsfiltern ist eine Integration auch in dickere Bildschirme möglich.

Claims

Vorrichtung zur Darstellung von Informationen und zur kontaktbasierten gleichzeitigen Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien, umfassend - eine Auflagefläche (1) zur Auflage der Autopodien, - eine aus einer Richtung eines kontaktierenden Hautbereichs gesehen darunter angeordnete Display-Einheit (4) mit rasterförmig angeordneten, mittels einer Steuereinheit einzeln ansteuerbaren, mindestens teilweise transparenten Displayelementen mit Displaypixeln, welche Licht in Richtung der Auflagefläche (1) abstrahlen, - optische Sensorpixel (14), welche Licht, das aus Richtung der Auflagefläche (1) auf die Sensorpixel (14) einfällt, detektieren i. in einer ersten Alternative in einer aus der Richtung des kontaktierenden Hautbereichs gesehen unterhalb der Display-Einheit (4) angeordneten Sensorschicht (5) angeordnet sind oder ii. in einer zweiten Alternative in der Display-Einheit (4) zwischen den Displayelementen angeordnet sind, - den optischen Sensorpixeln (14) Mittel zur Winkelselektion in Richtung der Auflagefläche vorgeordnet sind, welche mindestens einen Kavitätsfilter umfassen und - die Display-Einheit (4) i. in einer ersten Ausgestaltung aktiv leuchtende Displaypixel umfasst, wobei die Display-Einheit (4) bevorzugt als LED-Einheit mit als LED, OLED, QLED oder µLED ausgebildeten Displaypixeln ausgestaltet ist oder ii. in einer zweiten Ausgestaltung passiv beleuchtete Displaypixel umfasst, und von der Auflagefläche (1) aus gesehen unterhalb der Display-Einheit (4) und oberhalb des Kavitätsfilters oder der Kavitätsfilter eine erste Beleuchtungseinheit mit einem transparenten Lichtleiterschichtkörper (8) und ersten Beleuchtungsmitteln angeordnet ist, mit welchen die Displaypixel mittels des Lichtleiterschichtkörpers (8) in einem ersten Wellenlängenbereich diffus beleuchtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass - eine zweite Beleuchtungseinheit (neu) mit zweiten Beleuchtungsmitteln vorhanden ist, welche zur Abstrahlung von gerichtetem Licht einer vorgegebenen Wellenlänge in einem beschränkten Winkelbereich von nicht mehr als 20° um eine vorgegebene Zentralrichtung ausgebildet sind, wobei die Zentralrichtung in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wellenlänge des gerichteten Lichts und einer Winkelselektivität des mindestens einen Kavitätsfilters für die vorgegebene Wellenlänge festgelegt ist, bevorzugt parallel zu einer Normalen der Auflagefläche (1).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optischen Sensorpixel in der Display-Einheit (4) zwischen den Displayelementen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorpixel (14) ein oder mehrere, über dem jeweiligen Sensorpixel (14) angeordnete, pixelierte oder pixelförmige Kavitätsfilter zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optischen Sensorpixel (14) in einer Sensorschicht (5) unterhalb der Display-Einheit (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kavitätsfilter als eine zwischen der Display-Einheit (4) und der Sensorschicht (5) angeordneten Kavitätsfilterschicht (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 gemäß zweiter, Ausgestaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Display-Einheit (4) als LC-Einheit mit als LC-Elementen ausgebildeten Displaypixeln ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Kavitätsfilter als Einzel-, Doppel- oder Multikavitätsfilter und als Schichtstapel mit planen Reflektorschichten (11) und die Reflektorschichten (11) trennenden planen Kavitätsschichten (10) ausgebildet sind, wobei die Schichten parallel zur Auflagefläche (1) angeordnet sind und die Dicke der Kavitätsschichten (10) in Abhängigkeit von einem für die Aufnahme von Abdrücken mehrerer durchbluteter Hautbereiche menschlicher Autopodien zu transmittierenden Wellenlängenbereich und einem von den Kavitätsschichten (10) für diesen Wellenlängenbereich zu selektierenden Winkelbereich festgelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mindestens einen Kavitätsschicht (10) variabel einstellbar ist, bevorzugt mittels piezoelektrischer Materialien.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschichten (11) als Bragg-Spiegel aus alternierenden Schichten zweier Dielektrika oder eines Metalls ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kavitätsschicht (10) zwischen den Reflektorschichten (11) dielektrisch oder metallisch ist, wobei bei mehreren Kavitätsschichten (10) sowohl metallische als auch dielektrische Schichten für eine verbesserte Selektion des zu selektierenden Winkelbereichs kombinierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das der Kavitätsfilter oder die Kavitätsfilter Licht, welches im Falle von aktiven Displaypixeln von diesen oder welches im Falle von passiven Displaypixeln von einer Beleuchtungseinheit in Richtung der Sensorpixel (14) abgestrahlt wird, zur Erhöhung der Lichtausbeute überwiegend reflektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Sensorpixel (14) mit einer Zusatzblende (16) versehen ist, wodurch der selektierte Winkelbereich verkleinert wird, wobei die Zusatzblenden (16) entlang von Reihen und Spalten, in denen die Sensorpixel (14) angeordnet sind, alternierend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensorpixel (14) verschiedene Farbsensorpixel umfassen, die in Spalten und Reihen, in denen die Sensorpixel (14) angeordnet sind, alternierend angeordnet sind.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Unterscheidung, ob ein auf die Auflagefläche (1) aufgelegtes Objekt ein Autopodium oder eine Fälschung eines Abdrucks eines Autopodiums ist, wobei der mindestens eine Kavitätsfilter als Schichtstapel aus ebenen Reflektorschichten (11) und die Reflektorschichten (11) trennenden ebenen Kavitätsschichten (10) aufgebaut ist, welche parallel zur Auflagefläche (1) angeordnet sind, wobei bei einem aufgelegten Objekt - die optischen Sensorpixel (14) zur Detektion von Licht eingeschaltet werden, - die Displaypixel so geschaltet werden, dass sie Licht mindestens einer ersten Wellenlänge λ_R abstrahlen, welche zu einer Zentralwellenlänge des mindestens einen Kavitätsfilters korrespondiert, wobei der Kavitätsfilter für Licht dieser ersten Wellenlänge λ_R resonant und in einem ersten Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur Auflagefläche (1) transparent ist, - mittels der Sensorpixel (14) ein erstes Gesamtbild aufgenommen wird, - die Displaypixel umgeschaltet werden, so dass sie Licht einer zweiten Wellenlänge λ_F abstrahlen, welche kürzer als die erste Wellenlänge λ_R ist und wobei der Kavitätsfilter für Licht der zweiten Wellenlänge λ_F in einem zweiten Winkelbereich transparent ist, wobei der zweite Winkelbereich einen Kegel oder Kegelring um die Richtung senkrecht zur Auflagefläche (1) ausspart, - mittels der Sensorpixel (14) ein zweites Gesamtbild aufgenommen wird, - das erste und das zweite Gesamtbild im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften analysiert werden und weitere Schritte in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Analyse vorgenommen werden.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Unterscheidung, ob ein auf die Auflagefläche (1) aufgelegtes Objekt ein Autopodium oder eine Fälschung eines Abdrucks eines Autopodiums ist, wobei der mindestens eine Kavitätsfilter als Schichtstapel aus ebenen Reflektorschichten (11) und die Reflektorschichten (11) trennenden ebenen Kavitätsschichten (10) aufgebaut ist, welche parallel zur Auflagefläche (1) angeordnet sind, wobei bei einem aufgelegten Objekt - die optischen Sensorpixel (14) zur Detektion von Licht eingeschaltet werden, - eine erste Menge von Displaypixeln so geschaltet wird, dass die erste Menge von Displaypixeln Licht mindestens einer ersten Wellenlänge λ_R abstrahlt, welche zu einer Zentralwellenlänge des mindestens einen Kavitätsfilters korrespondiert, wobei der Kavitätsfilter für Licht dieser ersten Wellenlänge λ_R resonant und in einem ersten Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur Auflagefläche (1) selektiv ist, - eine zweite Menge der Displaypixel so geschaltet wird, dass die zweite Menge von Displaypixeln Licht einer zweiten Wellenlänge λ_F abstrahlt, welche kürzer als die erste Wellenlänge ist und wobei der Kavitätsfilter für Licht der zweiten Wellenlänge λ_F in einem zweiten Winkelbereich selektiv ist, wobei der zweite Winkelbereich einen Kegel oder Kegelring um die Richtung senkrecht zur Auflagefläche (1) ausspart, - wobei die Lagen der ersten Menge von Displaypixeln und der zweiten Menge von Displaypixeln in der Display-Einheit (4) in Abhängigkeit von der ersten Wellenlänge λ_R und der zweiten Wellenlänge λ_F und den jeweiligen selektiven Winkelbereichen so festgelegt werden, dass einerseits das von der ersten und der zweiten Menge von Displaypixeln abgestrahlte Licht den gleichen Bereich der Auflagefläche (1) von unten beleuchtet, und dass andererseits Licht der ersten Wellenlänge λ_R, das aus Richtung der Auflagefläche (1) auf die Sensorpixel (14) einfällt, mittels einer ersten Menge von Sensorpixeln (14) detektiert und als ein erstes Bild aufgenommen wird, und Licht der zweiten Wellenlänge λ_F, das aus Richtung der Auflagefläche (1) auf die Sensorpixel einfällt, mit einer zweiten Menge von Sensorpixeln (14) detektiert und simultan als ein zweites Bild aufgenommen wird, - das erste und das zweite Bild im Hinblick auf Unterschiede in ihren Bildeigenschaften analysiert werden und weitere Schritte in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Analyse vorgenommen werden.
Verwendung nach Anspruch 13, bei dem zur Abtastung eines möglichst großen Teils der Auflagefläche (1) der von unten beleuchtete Bereich nach der Aufnahme des ersten und zweiten Bildes sukzessive verschoben wird, womit auch die erste Menge von Displaypixeln und die zweite Menge von Displaypixeln verschoben wird, und weitere erste und zweite Bilder aufgenommen werden, die zu einem ersten Gesamtbild und einem zweiten Gesamtbild zusammengesetzt werden.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Displaypixel der ersten Menge von Displaypixeln und Displaypixel der zweiten Menge von Displaypixeln schachbrettartig verteilt und eine Zuteilung zu der ersten bzw. zweiten Menge von Displaypixeln anhand von Farbfiltern erfolgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich eine leere Schnittmenge haben.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Winkelbereich Winkel um den und nahe dem Winkel der Totalreflexion an der Auflagefläche (1) umfasst.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge λ_R aus einem ersten Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 550 nm, bevorzugt bei 550 nm, und die zweite Wellenlänge λ_F aus einem zweiten Wellenlängenbereich zwischen 450 nm und 480 nm, bevorzugt bei 460 nm gewählt wird, oder das die erste Wellenlänge λ_R aus einem ersten Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 650 nm und die zweite Wellenlänge λ_F aus einem zweiten Wellenlängenbereich zwischen 500 und 550 nm gewählt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkelbereich zwischen 0° und 15°, bevorzugt zwischen 0° und 10°, und der zweite Winkelbereich zwischen 30° und einem Winkel, der maximal 5° größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Auflagefläche (1) ist, gewählt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Gesamtbilder pro Winkelbereich aufgenommen und verglichen werden, wobei alle Gesamtbilder mit unterschiedlichen Farben aufgenommen werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildeigenschaften die Intensität verwendet wird, oder sich aus der Intensität durch Verrechnung ergebende Eigenschaften, bevorzugt eine räumliche Struktur, ein latenter Abdruck eines Autopodiums, verwendet werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Schritte ein Abgleich der Intensitätsverhältnisse der mindestens zwei Bilder oder Gesamtbilder mit einem kalibrierten Schwellenwertbereich zur Erkennung von Abdruckfälschungen vorgenommen wird, und/oder eine Überlagerung aller Bilder oder Gesamtbilder vorgenommen wird, um eine Erhöhung der Auflösung zu erzielen, Sensordefekte oder andere Fehler bei der Bildaufnahme auszugleichen, und/oder bei Erkennen eines autorisierten Fingerabdrucks eine Freischaltung einer oder mehrerer Funktionen auf einem Gerät, in welchem die Vorrichtung implementiert ist, erfolgt, und/oder bei Erkennen eines gefälschten Fingerabdrucks eine Sperrung des Geräts erfolgt.