DE102022115810A1

DE102022115810A1 - Vorrichtung zur kontaktlosen aufnahme von biometriedaten von hautbereichen

Info

Publication number: DE102022115810A1
Application number: DE102022115810.1A
Authority: DE
Inventors: Tom MICHALSKY; Daniel GLÄSNER; Jörg Reinhold; Philipp Riehl
Original assignee: Idloop GmbH
Current assignee: Idloop GmbH
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2023247462A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung 1000 zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen. Dabei wird beispielsweise eine Sensoroptikanordnung 120 der Bildaufnahmeeinheit 100 bzw. eine Emitteroptikanordnung 220 der Beleuchtungseinheit 200 derart versetzt, dass die Fokusebenen 135, 235 der Bildaufnahmeeinheit 100 und der Beleuchtungseinheit 200 im Wesentlichen vollständig überlappen. Hierdurch kann beispielsweise die Fläche des optischen Sensors 115 der Bildaufnahmeeinheit 100 bzw. die Fläche des Lichtemitters 215 der Beleuchtungseinheit 200 maximal ausgenutzt werden und dadurch eine in Qualität deutlich verbesserte Erfassung der biometrischen Merkmale einer Hand, insbesondere der Finger, erfolgen. Zudem kann beispielsweise durch eine Strahlfaltung mittels reflektiver Optikelemente 700 die Kompaktheit der Vorrichtung 1000 weiter erhöht werden.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen.
Hintergrund
Für die Aufnahme von biometrischen Daten von Personen wird es im Zuge von Pandemien und sich rasant verbreitenden Infektionen immer wichtiger, diese Daten auf kontaktlosem Weg, also beispielsweise bei Fingerabdrücken ohne das Berühren von Oberflächen, zu erfassen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere sogenannte Fingerprint-Scanner bekannt, beispielsweise aus der US 2009 / 046 331 A1 oder aus der US 2012 / 076 369 A1 , die für die kontaktlose Aufnahme von Fingerabdrücken eingerichtet sind, indem sie beispielsweise eine Kamera als Bildaufnahmeeinheit und eine oder mehrere Lichtquellen bzw. Projektoren als Beleuchtungseinheit verwenden.
Ein Problem, was solche Systeme häufig haben, ist die Kombination aus dem Erfordernis der Kompaktheit solcher Systeme bei gleichzeitiger hoher Qualität der erfassten Fingerabdrücke, insbesondere wenn diese Systeme beispielsweise für behördliche Zwecke verwendet werden sollen, da hier die Anforderungen noch einmal merklich höher sind als beispielsweise im privaten oder geschäftlichen Bereich.
Für die Kompaktheit der Systeme wird häufig versucht, die Kamera und den Projektor möglichst nah beieinander innerhalb des Gerätes zu positionieren und dabei die Überlappung des Schärfentiefenbereichs der Kamera mit dem Schärfentiefenbereich des Projektors mittels einer Scheimpflug-Anordnung von Kamera und Projektor zu lösen. Dieser Aufbau führt jedoch zu einer Verzerrung des Bildes und damit zu einer partiellen Verschlechterung der Qualität der erfassten Fingerabdrücke innerhalb des Bildes.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Nachteile ist es ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine verbesserte Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen mit verbesserter Qualität der erfassten Fingerabdrücke bei gleichzeitiger Kompaktheit des Aufbaus bereitstellen zu können.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen.
Insbesondere werden zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe eine Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen einige beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen.
Gemäß einem Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen eine Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen vorgeschlagen, aufweisend: mindestens eine Bildaufnahmeeinheit, die einen optischen Sensor und eine im Strahlengang davor angeordnete Sensoroptikanordnung umfasst und zur kontaktlosen Aufnahme von Bilddaten von beleuchteten Hautbereichen eingerichtet ist, und mindestens eine Beleuchtungseinheit, die einen Lichtemitter und eine im Strahlengang danach angeordnete Emitteroptikanordnung umfasst und zur Beleuchtung der von der Bildaufnahmeeinheit aufzunehmenden Hautbereiche eingerichtet ist, wobei die Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor entlang der optischen Hauptebenen der Sensoroptikanordnung versetzt angeordnet ist oder die Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter entlang der optischen Hauptebenen der Emitteroptikanordnung versetzt angeordnet ist, so dass der Schärfeebenenausschnitt der Bildaufnahmeeinheit und der Schärfeebenenausschnitt der Beleuchtungseinheit eine größtmögliche Überlappung miteinander aufweisen.
Vorteilhaft wurde hierbei erkannt, dass durch das Vorsehen eines Versatzes einer Sensoroptikanordnung und/oder eines Versatzes einer Emitteroptikanordnung in einer Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten die Quantität als auch die Qualität der erfassten biometrischen Merkmale erhöht werden kann, da sowohl die Fokusebene der Bildaufnahmeeinheit mit der Fokusebene der Beleuchtungseinheit deutlich besser überlagert / überlappt werden kann, als auch keine Verzerrung bei der Erfassung der biometrischen Merkmale durch die Bildaufnahmeeinheit hervorgerufen wird, da man auf eine Scheimpflug-Anordnung verzichten kann.
Zudem wurde vorteilhaft erkannt, dass bei der Verwendung von strukturiertem Licht für die Beleuchtung der Hautbereiche in vorteilhafter Weise 3D-Daten der Hautbereiche, insbesondere der biometrischen Merkmale der Hand bzw. der Finger wie die Papillaren / Papillarleisten bzw. die Täler der Talstruktur der Hautbereiche, erzeugt werden können.
Darüber hinaus wurde vorteilhaft erkannt, dass ein Versatz der Sensoroptikanordnung und/oder ein Versatz der Emitteroptikanordnung dazu führen kann, dass reflektive Optikelemente innerhalb der Vorrichtung vorgesehen werden können, da Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit weiter auseinandergerückt sein können.
Zudem wurde vorteilhaft erkannt, dass durch die reflektiven Optikelemente, die den Strahlengang der Bildaufnahmeeinheit und/oder der Beleuchtungseinheit falten können, die Vorrichtung kompakter ausgestaltet sein kann und dennoch den für die Erfassung der biometrischen Merkmale mittels Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit vorteilhaften Arbeitsabstand einhalten kann, auch wenn dieser länger ist als die äußeren Abmaße der Vorrichtung selbst.
In Summe können die erkannten Vorteile dazu führen, dass eine kompaktere Vorrichtung mit deutlich verbesserter Bildqualität bzw. Datenqualität der erfassten biometrischen Daten für die kontaktlose Erfassung biometrischer Merkmale bereitgestellt werden kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor oder der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter so gewählt sein, dass die Überlappung der Schärfeebenenausschnitte von Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit relativ zur maximal möglichen Überlappung der Schärfeebenenausschnitte von Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit mindestens 80 %, insbesondere größer 95 % ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor einen Offset zwischen < 150 % und > 50 % aufweisen, insbesondere einen Offset zwischen < 110 % und > 90 %, oder der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter einen Offset zwischen < 60 % und > 40 % aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor entlang der Hauptebenen der Sensoroptikanordnung versetzt angeordnet sein und die Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter entlang der Hauptebenen der Emitteroptikanordnung versetzt angeordnet sein.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor und der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter jeweils einen Offset > 25 % aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung ferner einen Systembereich, in dem die Einheiten der Vorrichtung vorgesehen sind, und einen Aufnahmebereich für die kontaktlose Aufnahme von Bilddaten der aufzunehmenden Hautbereiche aufweisen, wobei der Systembereich und der Aufnahmebereich durch eine gemeinsame Grenzfläche voneinander getrennt sind.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Schärfeebenenausschnitt der Bildaufnahmeeinheit und/oder der Beleuchtungseinheit im Aufnahmebereich angeordnet sein, wobei der Strahlengang der Bildaufnahmeeinheit und/oder der Strahlengang der Beleuchtungseinheit zur kontaktlosen Aufnahme der Hautbereiche in dem Schärfeebenenausschnitt mittels reflektiver Optikelemente gefaltet ist, so dass der Arbeitsabstand der Sensoroptikanordnung und/oder der Emitteroptikanordnung zum jeweiligen Schärfeebenenausschnitt größer als eines der äußeren Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe des Systembereichs der Vorrichtung ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die reflektiven Optikelemente Spiegel und/oder Prismen umfassen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der die Schärfeebenenausschnitte der Bildaufnahmeeinheit und der Beleuchtungseinheit aufweisende Aufnahmebereich so ausgestaltet sein, dass die aufzunehmenden Hautbereiche innerhalb der Schärfentiefe der Schärfeebenenausschnitte der Bildaufnahmeeinheit und der Beleuchtungseinheit positionierbar sind.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die aufzunehmenden Hautbereiche Bereiche der menschlichen Hand, insbesondere der Handfläche und der Finger, umfassen und der Aufnahmebereich so ausgestaltet sein, dass mehrere Finger gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit aufnehmbar sind.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Aufnahmebereich so ausgestaltet sein, dass 4 Finger, insbesondere Zeige-, Mittel-, Ring- und kleiner Finger, oder 2 Daumen, oder die gesamte Handfläche, oder die gesamte Innenseite der Hand gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit aufnehmbar sind.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Beleuchtungseinheit die Hautbereiche mit strukturiertem Licht beleuchten.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung ferner dazu eingerichtet sein, auf Basis der durch die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit erfassten Bilddaten der Hautbereiche, die mittels strukturierten Lichts beleuchtet wurden, 3D-Daten der Hautbereiche zu erzeugen, insbesondere als 3D-Punktwolke.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Lichtemitter Licht in einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 550 nm, besonders bevorzugt zwischen 450 nm und 500 nm emittieren.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Systembereich der Vorrichtung äußere Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe jeweils von höchstens 8", bevorzugt < 180 mm, insbesondere bevorzugt < 160 mm aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung einschließlich Systembereich und Aufnahmebereich äußere Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe von höchstens 8", bevorzugt < 180 mm, insbesondere bevorzugt < 160 mm aufweisen.
Weitere Aspekte und deren Vorteile als auch Vorteile und speziellere Ausführungsmöglichkeiten der vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale werden aus den folgenden, jedoch in keinster Weise einschränkend aufzufassenden Beschreibungen und Erläuterungen zu den angehängten Figuren beschrieben.
Kurzbeschreibung der Figuren

1 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Bildaufnahmeeinheit und einer Beleuchtungseinheit, deren Schärfenebenen / Fokusebenen sich beispielhaft überlagern können,
2 zeigt beispielhaft eine Bildaufnahmeeinheit und eine Beleuchtungseinheit mit überkreuzten Fokusebenen (siehe Darstellung (a)) und in Scheimpflug-Anordnung (siehe Darstellung (b)), wobei die Schärfetiefenebenen / Fokusebenen sich beispielhaft überlagern können,
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen, bei der beispielhaft die Sensoroptikanordnung gegenüber der Kamera und die Emitteroptikanordnung gegenüber dem Projektor entlang ihrer jeweiligen optischen Hauptebenen verschoben / versetzt ist,
4 zeigt beispielhaft den durch den Versatz der Emitteroptikanordnung des Projektors hervorgerufenen Offset des beleuchtenden Ausschnitts der Fokusebene der Beleuchtungseinheit,
5 zeigt beispielhaft den Unterschied zwischen eines mittels der Scheimpflug-Anordnung erfassten Bildes (siehe Darstellung (b)) und eines mittels eines Versatzes der Sensoroptikanordnung der Bildaufnahmeeinheit erfassten Bildes (siehe Darstellung (c)) im Vergleich zu einem Bild, das mittels einer gegenüber dem optischen Sensor und/oder Lichtemitter jeweils entsprechend symmetrisch angeordneten Sensoroptikanordnung und/oder Emitteroptikanordnung erfasst wurde (siehe Darstellung (a)),
6 zeigt nun beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit Bildaufnahmeeinheit, Beleuchtungseinheit und Recheneinheit, wobei die Strahlengänge mittels reflektiver Optiken / reflektiver Optikelemente gefaltet sind,
7 zeigt beispielhaft einen weiteren Vorteil des Versatzes der Sensoroptikanordnung gegenüber der Kamera und/oder der Emitteroptikanordnung gegenüber dem Projektor in Bezug auf den benötigten Bauraum,
8 zeigt beispielhaft einen weiteren Vorteil des Versatzes der Sensoroptikanordnung gegenüber der Kamera und/oder der Emitteroptikanordnung gegenüber dem Projektor in Bezug auf den Benutzungskomfort.

Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung jedoch in keinster Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt sind, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
1 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Bildaufnahmeeinheit 100 und einer Beleuchtungseinheit 200, deren Schärfenebenen / Fokusebenen 135, 235 sich beispielhaft überlagern können.
Dabei ist beispielhaft dargestellt, wie sich der durch die Kamera 110 und der Sensoroptikanordnung 120 (beispielsweise als Objektiv der Kamera 110) applizierte Strahlengang 130 der Bildaufnahmeeinheit 100 mit dem durch den Projektor 210 und der Emitteroptikanordnung 220 (beispielsweise als Objektiv des Projektors 210) gebildete Strahlengang 230 im Bereich der jeweiligen Fokusebenen 135 und 235 überlagern kann (siehe hierzu die gekreuzt schraffierte Fläche).
Dabei kann der Strahlengang 130 (mit der optischen Achse 132) der Bildaufnahmeeinheit 100 mittels eines optischen Systems beispielsweise umfassend den optischen Sensor 115 der Kamera 110 und die Linse / das Linsensystem 125 (mit entsprechenden optischen Hauptebenen 125a) der Sensoroptikanordnung 120 appliziert werden.
Vergleichbares kann für den Strahlengang 230 (mit der optischen Achse 232) der Beleuchtungseinheit 200 gelten, wobei der Strahlengang 230 mittels eines optischen Systems beispielsweise umfassend den Lichtemitter 215 des Projektors 210 und die Linse / das Linsensystem 225 (mit entsprechenden optischen Hauptebenen 225a) der Emitteroptikanordnung 220 gebildet werden kann.
Dabei kann beispielhaft die Schärfeebene / Fokusebene 135 der Bildaufnahmeeinheit 100 sowie die Schärfeebene / Fokusebene der Beleuchtungseinheit 235 aufgrund des jeweiligen Strahlengangs 130, 230, die jeweils im Wesentlichen durch den optischen Sensor 115 und die Sensoroptikanordnung 120 und/oder durch den Lichtemitter 215 und die Emitteroptikanordnung 220 beeinflusst sein können, auf einen jeweiligen Ausschnitt 137, 237 begrenzt sein, und auf diese Ausschnitte 137, 237 begrenzte Fokusebenen 135, 235 können sich nun beispielhaft in bestimmten Bereichen überlagern bzw. überlappen. Zudem weist jede Fokusebene 135, 235 eine entsprechende Tiefenschärfe 135a, 235a auf (siehe Pfeile in den schräg schraffierten Bereichen der Fokusebenen 135, 235), innerhalb dieser beispielsweise Objekte von der Kamera 110 im Wesentlichen scharf erfasst oder die vom Projektor 210 projizierte Struktur (beispielsweise bei strukturiertem Licht) auf dem Objekt scharf abgebildet werden können.
In der in 1 gezeigten Darstellung eines beispielhaften Zusammenwirkens von Kamera 110 und Projektor 210 ist beispielhaft zu erkennen, dass ein Teil der Fokusebenen 135, 235 sich überlagern (gekreuzt schraffiert dargestellt), jedoch auch ein beachtlicher Teil dieser Fokusebenen 135, 235 sich nicht überlagern und dadurch Totbereiche für mögliche Aufnahmen / Erfassungen von Fingerabdrücken einer Hand darstellen, da in diesen Totbereichen entweder nur der Projektor 210 beleuchtet oder nur die Kamera 110 Bilder erfasst.
Dies kann beispielsweise dazu führen, dass bestimmte Flächen des optischen Sensors 115 der Kamera 110 für die Erfassung der Fingerabdrücke nicht genutzt werden können. Gleichzeitig kann es dazu führen, dass die genutzte Fläche des optischen Sensors 115 über eine entsprechend hohe Auflösung (entsprechend große Pixelanzahl des optischen Sensors 115) verfügen müsste, um eine möglichst hohe Qualität (mit entsprechend großer Detailtiefe) der erfassten Fingerabdrücke zu gewährleisten (insbesondere beispielsweise bei behördlichen Zwecken), da lediglich ein vergleichsweise kleiner Teil der Gesamtfläche des optischen Sensors 115 für die Erfassung der biometrischen Merkmale genutzt werden kann.
Darüber hinaus kann beispielsweise aber auch die Fläche des Lichtemitters 215 des Projektors 210 nicht vollständig genutzt werden, so dass das Potential zur gleichzeitigen Erfassung einer möglichst großen Fläche der Hand bzw. der Finger für die Erfassung von biometrischen Daten, aufgrund der beschränkt zur Verfügung stehenden Beleuchtungsfläche, nicht genutzt werden kann und dadurch ein Defizit in der Effizienz der Erfassung der biometrischen Daten hervorgerufen werden kann.
Auf Basis dieses beispielhaft aufgezeigten Problems bei der Überlagerung der Fokusebenen 135, 235 können beispielhaft kontaktlose Fingerabdruck-Erfassungssysteme (Fingerprint-Scanner) eine Scheimpflug-Anordnung von Bildaufnahmeeinheit 100 und Beleuchtungseinheit 200 aufweisen, welche im Folgenden unter 2 dargestellt und beschrieben wird.
2 zeigt beispielhaft eine Bildaufnahmeeinheit 100 und eine Beleuchtungseinheit 200 mit überkreuzten Fokusebenen 135, 235 (siehe Darstellung (a)) und in Scheimpflug-Anordnung (siehe Darstellung (b)), wobei die Schärfetiefenebenen / Fokusebenen 135, 235 sich beispielhaft überlagern können.
Im Gegensatz zu der beispielhaften Anordnung von Bildaufnahmeeinheit 100 und Beleuchtungseinheit 200 wie in 1 gezeigt, kann nun durch die Scheimpflug-Anordnung (siehe Darstellung (b) der 2) versucht werden, den Bereich der Überlagerung / Überlappung der (Ausschnitte 137, 237 der) Fokusebenen 135, 235 zu maximieren.
Dabei werden die Bildaufnahmeeinheit 100 und die Beleuchtungseinheit 200 zunächst konvergent zum Messbereich / Messvolumen ausgerichtet. Dies führt jedoch zu dem Umstand, dass zunächst einmal die Fokusebenen 135, 235 sich unter einem bestimmten Winkel überkreuzen / schneiden (siehe Darstellung (a) der 2), so dass der mögliche Messbereich für die Aufnahme von Fingerabdrücken sich zunächst eher noch verkleinert (siehe auch hier die gekreuzt schraffierte Fläche).
Um diesem Entgegenzuwirken werden nun die Sensoroptikanordnung 120 und die Emitteroptikanordnung 220 gemäß „Scheimpflug“ verkippt und dadurch eine Koplanarität bei den beiden Fokusebenen 135, 235 erzeugt (siehe Darstellung (b) der 2). Hierdurch kann beispielsweise die Überlagerung / Überlappung der Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 miteinander vergrößert werden im Vergleich zu der beispielhaften Anordnung gemäß 1.
Zudem könnten durch die Scheimpflug-Anordnung die Flächen des optischen Sensors 115 und Lichtemitters 215 potenziell besser genutzt werden.
Ein wesentliches Problem, was aber die Scheimpflug-Anrodnung bergen kann, ist eine perspektivische Verzerrung des Bildes der Schärfentiefenebene in der Bildaufnahmeeinheit 100; es kann in dem aufgenommenen / erfassten Bild zu stürzenden Linien kommen (siehe Darstellung (b) der 5). Dabei kann der Messbereich in der Kamera geometrisch verzerrt dargestellt werden, wobei beispielsweise durch eine höhere Auflösung des optischen Sensors 115 (höhere Pixelanzahl des optischen Sensors 115) eine Kompensation dieses Nachteils versucht werden kann, um in allen Bildbereichen eine für den jeweiligen Anwendungsfall (beispielsweise privaten oder geschäftlichen Bereich oder, mit deutlich höheren Anforderungen, im behördlichen Bereich) vorgegebene Mindestauflösung zu erzielen.
Doch auch die Beleuchtung durch die Beleuchtungseinheit 200 kann aus den gleichen Gründen negative Einflüsse erfahren, so dass beispielsweise der Messbereich / das Messvolumen ungleichmäßig beleuchtet wird, beispielsweise eine zu sehr von der Seite kommende Beleuchtung des Messobjekts (Schattenbildung an bestimmten Stellen der zu erfassenden Objektoberfläche) und, beispielsweise im Falle von auf den Finger / die Hand projiziertem, strukturiertem Licht, eine Verzerrung dieser aufprojizierten Struktur.
Um diesem Problem zu begegnen und dabei in vorteilhafter Weise sowohl die Überlappung der Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 als auch die Nutzung der Fläche des optischen Sensors 115 der Bildaufnahmeeinheit 100 und die Nutzung der Fläche des Lichtemitters 215 der Beleuchtungseinheit 200 zu maximieren, soll beispielhaft die Vorrichtung 1000 zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen bereitgestellt und im Folgenden beispielhaft erläutert werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1000 zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen, bei der beispielhaft die Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und die Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 entlang ihrer jeweiligen optischen Hauptebenen 125a, 225a verschoben / versetzt ist.
Die hier beispielhaft gezeigte Vorrichtung 1000 umfasst dabei, wie in 1 beschrieben, eine Bildaufnahmeeinheit 100 umfassend eine Kamera 110 mit optischem Sensor 115 (beispielsweise einem CMOS-Sensor, kann aber auch einen optischen Sensor anderer Bauart umfassen) und eine Sensoroptikanordnung 120 mit einer die optische Hauptebene 125a aufweisende Linse / Linsensystem 125, sowie eine Beleuchtungseinheit 200 umfassend einen Projektor 210 mit Lichtemitter 215 (beispielsweise zum Emittieren von strukturiertem Licht) und einer Emitteroptikanordnung 220 mit einer die optische Hauptebene 225a aufweisende Linse / Linsensystem 225.
Dabei kann beispielsweise die Sensoroptikanordnung 120 (gemessen an ihrer optischen Achse 132) gegenüber der senkrecht auf der optisch wirksamen Oberfläche des optischen Sensors 115 der Kamera 110 stehenden, im Wesentlichen in der Mitte der optisch wirksamen Oberfläche des optischen Sensors 115 angeordneten Symmetrielinie versetzt angeordnet sein und dadurch einen Offset aufweisen (für Erläuterungen zum Offset siehe 4 und die dazugehörige Beschreibung). Dies kann dazu führen, dass der von dem optischen Sensor 115 der Kamera 110 nutzbare Strahlengang 130, und insbesondere der Ausschnitt 137 der Fokusebene 135 der Bildaufnahmeeinheit 100 hin zu dem Ausschnitt 237 der Fokusebene 235 der Beleuchtungseinheit 200 versetzt / verschoben (entlang ihrer jeweiligen optischen Hauptebene 125a verschoben / versetzt) sein kann.
Umgekehrt kann alternativ oder zusätzlich zum Versatz der Sensoroptikanordnung 120 der Bildaufnahmeeinheit 100 beispielsweise die Emitteroptikanordnung 220 (gemessen an ihrer optischen Achse 232) gegenüber der senkrecht auf der optisch wirksamen Oberfläche des Lichtemitters 215 des Projektors 210 stehenden, im Wesentlichen in der Mitte der optisch wirksamen Oberfläche des Lichtemitters 215 angeordneten Symmetrielinie versetzt angeordnet sein und dadurch ebenfalls einen Offset aufweisen (für Erläuterungen zum Offset siehe 4 und die dazugehörige Beschreibung). Dies kann, vergleichbar wie bei der Bildaufnahmeeinheit 100, dazu führen, dass der von dem Lichtemitter 215 des Projektors 210 nutzbare Strahlengang 230 (des projizierten Lichts), und insbesondere der Ausschnitt 237 der Fokusebene 235 der Beleuchtungseinheit 200 hin zu dem Ausschnitt 137 der Fokusebene 135 der Bildaufnahmeeinheit 100 versetzt / verschoben (entlang ihrer jeweiligen optischen Hauptebenen 225a verschoben / versetzt) sein kann.
Vorteilhaft kann durch die beispielhaft erläuterte Ausführung auf jegliche Verkippung der Linse / des Linsensystems 125, 225 der Sensoroptikanordnung 120 bzw. der Emitteroptikanordnung 220 verzichtet werden (wie in der in Darstellung (b) in 2 beschriebenen Scheimpflug-Anordnung), und dennoch die Überlappung der beiden Ausschnitte 137, 237 der beiden Fokusebenen 135, 235 (Schärfeebenen 135, 235), die zudem im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, maximiert werden, teilweise sogar bis hin zu einer mehr als 95 % Überlappung (wobei 100 % Überlappung dabei bedeutet, dass zumindest ein Ausschnitt 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 von dem jeweils anderen Ausschnitt 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 vollständig überlagert / überlappt wird).
Insbesondere kann dabei beispielhaft die Überlappung der beiden Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 dabei mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 85 % und insbesondere bevorzugt mindestens 90 % der maximal möglichen Überlappung betragen, so dass die maximal nutzbare Fläche des optischen Sensors 115 der Kamera 110 und/oder die maximal nutzbare Fläche des Lichtemitters 215 des Projektors 210 größtmöglich ausgenutzt werden kann, um die biometrischen Merkmale wie Fingerabdrücke und/oder die Merkmale einer ganzen Handfläche mit einer größtmöglichen Beleuchtungsfläche (aufgrund der verbesserten Nutzung der optisch wirksamen Oberfläche des Lichtemitters 215) und einer möglichst hohen Auflösung (Pixelanzahl) des optischen Sensors 115 innerhalb der größtmöglichen Beleuchtungsfläche zu erfassen / aufzunehmen.
Aufgrund des beispielhaft beschriebenen Versatzes (Offset) der Sensoroptikanordnung 120 und der Emitteroptikanordnung 220 können die Fokusebenen 135, 235 im Wesentlichen deckungsgleich zueinander ausgerichtet werden und dabei ihre im Wesentlichen Parallelität zueinander beibehalten, was insbesondere für eine in allen Bereichen der Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 eine mit hoher Detailtiefe scharfe 3D-Erfassung der biometrischen Merkmale wie Fingerabdrücke etc., beispielsweise als 3D-Punktwolke, ermöglicht.
Dabei kann die beispielhaft beschriebene Ausführung mit dem Versatz (Offset) der Sensoroptikanordnung 120 und der Emitteroptikanordnung 220 einen optimalen Überlapp des Ausschnitts 237 als Beleuchtungszone und des Ausschnitts 137 als Beobachtungszone des Messbereichs / Messvolumens bieten. Der optische Sensor 115 der Kamera 110 und auch der Lichtemitter 215 des Projektors 210 benötigen damit beispielsweise nicht mehr Pixel (Auflösung) als unbedingt nötig, da im Optimalfall gar keine Totbereiche bei der Überlappung / Überdeckung der Ausschnitte 137, 237 auftauchen.
Für eine beispielhafte Ausgestaltung der Beleuchtungseinheit 200 kann beispielsweise der Lichtemitter 215 des Projektors 210 Licht in einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 550 nm, besonders bevorzugt zwischen 450 nm und 500 nm emittieren und auf die zu erfassenden Hautbereiche (wie Finger oder Handfläche) projizieren.
Zudem kann das vom Projektor 210 projizierte Licht als strukturiertes Licht ausgebildet sein, so dass ein vorbestimmtes Muster/ eine vorbestimmte Struktur auf die zu erfassenden biometrischen Merkmale projiziert wird, beispielsweise um die biometrischen Merkmale der Hand bzw. der Finger wie die Papillaren / Papillarleisten bzw. die Täler der Talstruktur der Hautbereiche für die Bildaufnahmeeinheit 100 effizienter erkennbar und daraus leichter 3D-Daten (beispielsweise als 3D-Punktwolke) erzeugbar zu machen.
Für eine beispielhafte Ausgestaltung der Bildaufnahmeeinheit 100 kann beispielsweise der optische Sensor 115 als CMOS-Sensor (bzw. APS) oder als CCD-Sensor ausgebildet sein und dabei eine Auflösung von 0,3 Mega-Pixel (beispielsweise für sehr kleine zu erfassende Objekte wie beispielsweise eine Fingerkuppe) bis 50 Mega-Pixel (beispielsweise für sehr großflächige Objekte wie beispielsweise die gesamte Hand) aufweisen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in 3 dargestellte Linse 125, 225 bzw. das dargestellte Linsensystem 125, 225 nur beispielhaft und nicht als einschränkende Ausgestaltung aufzufassen ist. Es kann sich bei der Linse 125, 225 / dem Linsensystem 125, 225 um verschiedenste Arten von Linsen, beispielsweise um Sammel- oder Streulinsen oder eine Kombination daraus handeln, wobei ferner beispielsweise eine Blende umfasst sein kann oder auch keine Blende, sowie bestimmte Filter bzw. auch keine Filter umfasst sein können.
Ebenfalls sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gezeigten Strahlengänge 132, 232 nur beispielhaft sind und nicht als einschränkend aufzufassen sind. Je nach konkreter Ausgestaltung der Sensoroptikanordnung 120 bzw. der Emitteroptikanordnung 220 können die Strahlengänge 132, 232 unterschiedliche Verläufe haben.
4 zeigt beispielhaft den durch den Versatz der Emitteroptikanordnung 220 des Projektors 210 hervorgerufenen Offset des beleuchtenden Ausschnitts 237 der Fokusebene 235 der Beleuchtungseinheit 200.
Darin wird der Offset in Prozent als relative Verschiebung der durch die Beleuchtungseinheit 200 erzeugten Beleuchtungsfläche (Ausschnitt 237) mit Bezug zur Flächengröße, welche im vorliegenden Beispiel durch die Ausdehnungen L1 und L2 gezeigt wird, definiert.
Wird also beispielsweise ein Offset von ±50 % entlang der Ausdehnung L2 der ursprünglich projizierten Beleuchtungsfläche vorgenommen, wie in 4 beispielhaft dargestellt, so wird der Ausschnitt 237 um die Hälfte (±50 %) seiner Ausdehnung L2 entlang seiner Ausdehnung L2 versetzt.
Es kann dabei natürlich auch ein Offset entlang der Ausdehnung L1 erfolgen (wie beispielhaft mit den ±25% der Ausdehnung L1 entlang der Ausdehnung L1 dargestellt) oder ein überlagerter Offset von beiden Ausdehnungen L1 und L2.
Das hier gezeigte Beispiel betrifft den Offset der Beleuchtungseinheit 200, wobei dieser Offset in Analogie auch auf die Bildaufnahmeeinheit 100 anwendbar ist.
Darüber hinaus kann der Offset auch als das Verhältnis der lateralen Verschiebung der jeweiligen Optikanordnung (Sensoroptikanordnung 120 oder Emitteroptikanordnung 220) zur jeweiligen Chiplänge des optischen Sensors 115 oder Lichtemitters 215 in Verschiebungsrichtung (beispielsweise entlang der optischen Hauptebenen 125a der Sensoroptikanordnung 120 oder entlang der optischen Hauptebenen 225a der Emitteroptikanordnung 220) definiert werden.
So kann beispielsweise in der Vorrichtung 1000 der Versatz der Sensoroptikanordnung 120 relativ zum optischen Sensor 115 einen Offset zwischen < 150 % und > 50 %, bevorzugt < 130 % und > 70 %, insbesondere bevorzugt < 110 % und > 90 % aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise in der Vorrichtung 1000 der Versatz der Emitteroptikanordnung 220 relativ zum Lichtemitter 215 einen Offset zwischen < 60 % und > 40 %, bevorzugt ca. 50 % aufweisen.
Darüber hinaus kann beispielsweise der Versatz der Sensoroptikanordnung 120 relativ zum optischen Sensor 115 und der Versatz der Emitteroptikanordnung 220 relativ zum Lichtemitter 215 jeweils einen Offset > 25 % aufweisen.
Alle diese beispielhaften Ausgestaltungen des Offsets der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber dem optischen Sensor 115 bzw. der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Lichtemitter 215 können zu einer optimierten bzw. optimalen Überlappung von Beleuchtungsfläche (Ausschnitt 237) der Beleuchtungseinheit 200 mit der von der Bildaufnahmeeinheit 100 erfassbaren Messfläche (Ausschnitt 137) innerhalb ihrer jeweiligen Schärfentiefe 135a, 235a führen.
5 zeigt beispielhaft den Unterschied zwischen eines mittels der Scheimpflug-Anordnung erfassten Bildes und eines mittels eines Versatzes der Sensoroptikanordnung 120 der Bildaufnahmeeinheit 100 erfassten Bildes im Vergleich zu einem Bild, das mittels einer gegenüber dem optischen Sensor 115 und/oder Lichtemitter 215 jeweils entsprechend symmetrisch angeordneten Sensoroptikanordnung 120 und/oder Emitteroptikanordnung 220 erfasst wurde.
Dabei ist in der Darstellung (a) der 5 eine schraffierte Fläche als Beispielbild zu erkennen, wie es von der Kamera aufgenommen werden würde, wenn weder eine Scheimpflug-Anordnung, noch ein Versatz der Sensoroptikanordnung 120 und/oder Emitteroptikanordnung 220 vorliegen würde, sondern stattdessen die Sensoroptikanordnung 120 und/oder Emitteroptikanordnung 220 jeweils entsprechend gegenüber dem optischen Sensor 115 und/oder dem Lichtemitter 215 symmetrisch angeordnet wäre. Wie beispielhaft zu sehen ist, ist die schraffierte Fläche in der Darstellung (a) ein Rechteck mit senkrechten Seitenlinien und waagerechter Ober- und Unterkante.
Im Vergleich dazu ist in der Darstellung (b) der 5, die beispielhaft nun das Bild mittels einer Kamera 110 in Scheimpflug-Anordnung (siehe hierzu auch 2, Darstellung (b)) wiedergibt, sehr deutlich zu erkennen, wie das ursprüngliche, schraffierte Rechteck verzerrt wird und es eher zu einer Art Trapez mit einem oberen, schmaleren (und damit verzerrten Teil des Bildes) und einem unteren, im Vergleich zum ursprünglichen Bild normal breiten Teil wird.
Wie bereits beschrieben, kann es nun erforderlich sein, um beispielsweise eine geforderte Mindestqualität (Mindestauflösung) der in den Bildern erfassten Objekte zu erfüllen, dass ein viel höher auflösender optischer Sensor 115 benötigt werden könnte, um die verzerrten Bereiche des Bildes (und damit verzerrten im Bild erfassten Objekte) in der geforderten Auflösung wiederzugeben, wohingegen in den nicht verzerrten Bereichen ein einfacherer (niedriger auflösender) optischer Sensor 115 ausgereicht hätte. Dies kann zusätzlich dazu führen, dass die Kosten eines Gerätes aufgrund der gewählten Scheimpflug-Anordnung entsprechend höher werden.
Im weiteren Vergleich dazu sieht man in der Darstellung (c) der 5, wie das Bild, was mittels einer versetzten Sensoroptikanordnung 120 erfasst wurde, im Wesentlichen dem ursprünglichen Bild gleicht. Es gibt hier keine Verzerrungen durch die Bildaufnahmeeinheit 100. Ebenso würde es auch keine Verzerrungen bei einer aufprojizierten Struktur oder Abschattungseffekte bzw. ungleichmäßige Beleuchtung durch die Beleuchtungseinheit 200 geben.
6 zeigt nun beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1000 mit Bildaufnahmeeinheit 100, Beleuchtungseinheit 200 und Recheneinheit 300, wobei die Strahlengänge 132, 232 mittels reflektiver Optiken 700 / reflektiver Optikelemente 700 gefaltet sind.
Die hier beispielhaft gezeigte Vorrichtung 1000 ist dabei beispielhaft unterteilt in einen Systembereich 500 und einen Aufnahmebereich 600, die durch eine gemeinsame Grenzfläche, beispielsweise ein optisch durchlässiges Element 820 (wie beispielsweise eine Glasplatte 820), voneinander getrennt sein können. Die Grenzfläche kann jedoch auch ein Teil eines Gehäuses 800 sein, oder eine Kombination aus Gehäuse 800 und dem optisch durchlässigen Element 820 sein oder ohne jegliche physische Ausgestaltung den Aufnahmebereich 600 von dem Systembereich 500 trennen.
Darüber hinaus kann die in 6 beispielhaft gezeigte Vorrichtung 1000 eine Kamera 110 mit Sensoroptikanordnung 120 sowie einen Projektor 210 mit Emitteroptikanordnung 220 aufweisen, wobei sowohl die Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 als auch die Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210, wie in 3 beschrieben, versetzt angeordnet sind, so dass bespielhaft sowohl die Bildaufnahmeeinheit 100 als auch die Beleuchtungseinheit 200 jeweils einen Offset aufweisen. Es sei an dieser Stelle bereits darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls auch nur eine der Bildaufnahmeeinheit 100 und Beleuchtungseinheit 200 einen Offset haben kann.
Der Strahlengang 132 der Bildaufnahmeeinheit 100 und der Strahlengang 232 der Beleuchtungseinheit 200 werden dabei beispielhaft innerhalb des Gehäuses 800 jeweils durch reflektive Optikelemente 700 abgelenkt / gefaltet, bevor sie die gemeinsame Fokusebene 135, 235 erreichen. Beispielhaft verlaufen die Strahlengänge 132, 232, bevor sie die gemeinsame Fokusebene 135, 235 erreichen bzw. bilden, durch ein beispielsweise als Glasscheibe 820 ausgebildetes optisch durchlässiges Element 820 hindurch.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das optisch durchlässige Element 820 nicht vorhanden sein muss, sondern auch weggelassen werden kann oder durch ein anderes Element ersetzt sein kann. Vorteilhaft kann das optisch durchlässige Element 820 / die Glasscheibe 820 dafür genutzt werden, um beispielsweise die in dem Systembereich 500 befindlichen Bildaufnahmeeinheit 100, Beleuchtungseinheit 200 und/oder Recheneinheit 300 zu schützen, beispielsweise vor Verschmutzung, Beschädigung und/oder Manipulation.
Die reflektiven Optikelemente 700 können hierbei beispielsweise als Spiegel und/oder strahlablenkende Prismen ausgebildet sein, oder als eine Kombination dieser Elemente (Spiegel/Prisma).
Wie beispielhaft gezeigt, sind dabei die Bildaufnahmeeinheit 100, die Beleuchtungseinheit 200, die Recheneinheit 300 und die reflektiven Optikelemente 700 innerhalb des Systembereichs 500 der Vorrichtung 1000 vorgesehen / angeordnet. Die gemeinsame Fokusebene 135, 235 der Bildaufnahmeeinheit 100 und der Beleuchtungseinheit 200 liegen beispielhaft außerhalb des Systembereichs 500 und innerhalb des Aufnahmebereichs 600.
Dabei können die beiden Bereiche (Aufnahmebereich 600 und Systembereich 500) beispielhaft eine vergleichsweise kompakte Bauweise aufweisen, da die reflektiven Optikelemente 700 die Strahlengänge 132, 232 derart falten / ablenken, dass der gewünschte Arbeitsabstand (Abstand zwischen Sensoroptikanordnung 120 bzw. Emitteroptikanordnung 220 bis zur Fokusebene 135, 235 entlang des jeweiligen Strahlenganges 132, 232) von beispielsweise circa dem Doppelten des Durchmessers (oder der Diagonalen) der Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 entspricht (beispielsweise einen Arbeitsabstand von ca. 200 mm bei ca. 100 mm Durchmesser/Diagonale der Ausschnitte 137, 237), obwohl die Außenmaße in Tiefe T₅₀₀, Breite B₅₀₀ und Höhe H₅₀₀ des Systembereichs 500 beispielsweise jeweils höchstens 8", bevorzugt kleiner 180 mm, und insbesondere bevorzugt kleiner 160 mm aufweisen.
Dabei kann ein ausreichend großer Arbeitsabstand insbesondere vorteilhaft sein, um keine Abschattungseffekte auf den biometrischen Merkmalen (wie Fingerabdrücke bzw. die Täler der Talstrukturen der Papillaren) während der Erfassung der biometrischen Merkmale zu haben. Somit kann es sich beispielsweise als vorteilhaft erweisen, dass der bzw. die Strahlengänge 132, 232 nicht direkt von der Kamera 110 bzw. dem Projektor 210 zum zu erfassenden Objekt (beispielsweise die Handfläche oder die Finger) geführt werden.
Die Faltung / Ablenkung der Strahlengänge 132, 232 mittels der reflektiven Optikelemente 700 kann beispielhaft durch den Versatz der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und/oder durch den Versatz der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 in vorteilhafterweise unterstützt bzw. ermöglicht werden.
Vorteilhaft dabei kann sein, dass durch den Versatz der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und/oder durch den Versatz der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 mindestens eine reflektive Optik 700 in den jeweiligen Strahlengang 132, 232 positioniert werden kann, ohne dabei den jeweils anderen Strahlengang 132, 232 zu verdecken (oder auch nur teilweise), da, bei gleicher Überlappung in der Fokusebene 135, 235, die Kamera 110 und der Projektor 210 weiter auseinandergerückt werden können.
Zudem kann es vorteilhaft sein, die Strahlengänge 132, 232 nicht nur einmal zu falten, wie in 6 gezeigt, sondern gegebenenfalls mehrfach zu falten, beispielsweise zwei- oder dreimal, um beispielsweise die Vorrichtung 1000 noch kompakter ausgestalten zu können.
Zudem kann der Systembereich 500, beispielweise je nach Möglichkeit der Anordnung der reflektiven Optikelemente 700 und/oder je nach Anzahl der reflektiven Optikelemente 700, weiter verkleinert werden, so dass beispielsweise die Außenmaße in Tiefe T₅₀₀, Breite B₅₀₀ und Höhe H₅₀₀+H₆₀₀ des Systembereichs 500 einschließlich Aufnahmebereich 600 beispielsweise jeweils höchstens 8", bevorzugt kleiner 180 mm, und insbesondere bevorzugt kleiner 160 mm aufweisen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der die Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 der Bildaufnahmeeinheit 100 und der Beleuchtungseinheit 200 aufweisende Aufnahmebereich 600 so ausgestaltet ist, dass die aufzunehmenden Hautbereiche innerhalb der Schärfentiefe 135a, 235a der Ausschnitte 137, 237 der Fokusebenen 135, 235 der Bildaufnahmeeinheit 100 und der Beleuchtungseinheit 200 positionierbar sind.
Hierdurch kann beispielsweise effektiv und in hoher Qualität (mit hoher Detailtiefe) die biometrischen Merkmale der Hautbereiche (beispielsweise Fingerabdrücke und/oder Handflächen) erfasst werden, so dass später aus ihnen qualitativ hochwertige 3D-Daten zu den jeweiligen erfassten biometrischen Merkmalen erstellt werden können.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die aufzunehmenden Hautbereiche Bereiche der menschlichen Hand, insbesondere der Handfläche und der Finger, umfassen und der Aufnahmebereich 600 so ausgestaltet ist, dass mehrere Finger gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit 100 aufnehmbar sind. Dies kann weiterhin die Effizienz der Erfassung der biometrischen Merkmale erhöhen.
Dabei kann beispielsweise der Aufnahmebereich 600 so ausgestaltet sein, dass 4 Finger, insbesondere Zeige-, Mittel-, Ring- und kleiner Finger, oder 2 Daumen, oder die gesamte Handfläche, oder die gesamte Innenseite der Hand gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit 100 aufnehmbar sind.
Zudem kann beispielsweise der Systembereich 500 eine Recheneinheit 300 zur Ansteuerung der Bildaufnahmeeinheit 100 und Beleuchtungseinheit 200 und zur Verarbeitung der erfassten biometrischen Daten aufweisen, wobei die Recheneinheit 300 alternativ auch außerhalb des Systembereichs 500 vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann die Recheneinheit 300 der Vorrichtung 1000 die erfassten biometrischen Daten verarbeiten (beispielsweise die von der Bildaufnahmeeinheit 100 aufgenommenen Bilddaten in Biometriedaten der Hautbereiche, beispielsweise in 3D-Daten, insbesondere in eine 3D-Punktwolke umrechnen) und gegebenenfalls in einer Speichereinheit 310 speichern, wobei das Speichern der Daten auch außerhalb der Vorrichtung 1000 erfolgen kann.
Darüber hinaus kann die Recheneinheit 300 die verarbeiteten / berechneten Biometriedaten mit bereits in der Speichereinheit 310 abgespeicherten Biometriedaten vergleichen und so potenzielle Übereinstimmungen detektieren.
7 zeigt beispielhaft einen weiteren Vorteil des Versatzes der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und/oder der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 in Bezug auf den benötigten Bauraum.
Dabei ist in der Darstellung (a) der 7 die bereits bekannte Anordnung nach Scheimpflug gezeigt, bei der sowohl die Bildaufnahmeeinheit 100 (mit Kamera 110 und Sensoroptikanordnung 120) als auch die Beleuchtungseinheit 200 (mit Projektor 210 und Emitteroptikanordnung 220) konvergent zueinander zulaufend verkippt sind.
Dies kann jedoch zu einem benötigten freien Bauraum (siehe gestricheltes Rechteck um die Bildaufnahmeeinheit 100 und Beleuchtungseinheit 200 herum) führen, der im Vergleich zu der Anordnung mit dem Versatz der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210, wie in Darstellung (b) gezeigt, deutlich größer ausfällt.
Oder anders ausgedrückt: Neben den bereits genannten Vorteilen der Anordnung mit Versatz der jeweiligen Optikanordnungen 120, 220 gegenüber der Kamera 110 bzw. Projektor 210 können auch Vorteile im Hinblick auf den benötigten Bauraum gewonnen werden, so dass die Vorrichtung 1000, wie beispielsweise in 6 gezeigt und beschrieben, kompakter ausgestaltet werden kann als vergleichbare Vorrichtungen, die die Scheimpflug-Anordnung umsetzen.
8 zeigt beispielhaft einen weiteren Vorteil des Versatzes der Sensoroptikanordnung 120 gegenüber der Kamera 110 und/oder der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 in Bezug auf den Benutzungskomfort.
Dabei kann insbesondere der Versatz der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210 einen Vorteil gegenüber einer nicht versetzten Emitteroptikanordnung 220 aufweisen. Insbesondere kann, wie in Darstellung (a) der 8 gezeigt ist, eine nicht versetzte Emitteroptikanordnung 220 dazu führen, dass der Benutzer, der seine biometrischen Merkmale erfassen lassen möchte / erfassen lassen muss, so nah an die Vorrichtung 1000 (wie beispielsweise in 6 gezeigt und beschrieben) herantreten muss, dass er von dem vom Projektor 210 projizierten Lichtstrahl geblendet wird. Dies kann natürlich für den Benutzer sehr unangenehm sein, zumal ein Projektor über eine durchaus sehr helle und leistungsstarke Lichtquelle (beispielsweise wie der Lichtemitter 215) verfügen kann.
Hingegen kann durch den Versatz der Emitteroptikanordnung 220 gegenüber dem Projektor 210, wie in Darstellung (b) der 8 gezeigt, der Lichtstrahl / Lichtkegel, der vom Projektor 210 ausgesendet wird, vom Benutzer weggeleitet werden, so dass keine Blendung des Benutzers erfolgt, selbst wenn er sehr nah an das Gerät herantreten muss.
Es sei darauf verwiesen, dass vorstehend lediglich Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sowie technische Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben wurden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale bzw. deren beschriebene Kombinationen begrenzt bzw. eingeschränkt, sondern umfasst weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination bzw. Teilkombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Liste der Bezugszeichen

100: Bildaufnahmeeinheit
110: Kamera
115: optischer Sensor
120: Sensoroptikanordnung
125: Linse / Linsensystem der Sensoroptikanordnung
125a: optische Hauptebene der Linse / des Linsensystems der Sensoroptikanordnung
130: Strahlengang der Bildaufnahmeeinheit
132: optische Achse des Strahlengangs der Bildaufnahmeeinheit
135: Schärfenebene / Fokusebene der Bildaufnahmeeinheit
135a: Tiefenschärfe der Fokusebene der Bildaufnahmeeinheit
137: Ausschnitt der Fokusebene der Bildaufnahmeeinheit
200: Beleuchtungseinheit
210: Projektor
215: Lichtemitter
220: Emitteroptikanordnung
225: Linse / Linsensystem der Emitteroptikanordnung
225a: optische Hauptebene der Linse / des Linsensystems der Emitteroptikanordnung
230: Strahlengang der Beleuchtungseinheit
232: optische Achse des Strahlengangs der Beleuchtungseinheit
235: Schärfenebene / Fokusebene der Beleuchtungseinheit
235a: Tiefenschärfe der Fokusebene der Beleuchtungseinheit
237: Ausschnitt der Fokusebene der Beleuchtungseinheit
300: Recheneinheit
310: Speichereinheit der Recheneinheit
500: Systembereich
600: Aufnahmebereich
700: reflektiven Optiken / Optikelemente
800: Gehäuse
820: Grenzfläche von Systembereich und Aufnahmebereich / optisch durchlässiges Element / Glasscheibe
1000: Vorrichtung
Bsoo: Breite des Systembereiches
Hsoo: Höhe des Systembereiches
Tsoo: Tiefe des Systembereiches
H600: Höhe des Aufnahmebereiches

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

US 2009046331 A1 [0003]
US 2012076369 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur kontaktlosen Aufnahme von Biometriedaten von Hautbereichen, aufweisend: - mindestens eine Bildaufnahmeeinheit, die einen optischen Sensor und eine im Strahlengang davor angeordnete Sensoroptikanordnung umfasst und zur kontaktlosen Aufnahme von Bilddaten von beleuchteten Hautbereichen eingerichtet ist, und - mindestens eine Beleuchtungseinheit, die einen Lichtemitter und eine im Strahlengang danach angeordnete Emitteroptikanordnung umfasst und zur Beleuchtung der von der Bildaufnahmeeinheit aufzunehmenden Hautbereiche eingerichtet ist, wobei die Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor entlang der optischen Hauptebenen der Sensoroptikanordnung versetzt angeordnet ist oder die Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter entlang der optischen Hauptebenen der Emitteroptikanordnung versetzt angeordnet ist, so dass der Schärfeebenenausschnitt der Bildaufnahmeeinheit und der Schärfeebenenausschnitt der Beleuchtungseinheit eine größtmögliche Überlappung miteinander aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor oder der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter so gewählt ist, dass die Überlappung der Schärfeebenenausschnitte von Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit relativ zur maximal möglichen Überlappung der Schärfeebenenausschnitte von Bildaufnahmeeinheit und Beleuchtungseinheit mindestens 80 %, insbesondere größer 95 % ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor einen Offset zwischen < 150 % und > 50 % aufweist, insbesondere einen Offset zwischen < 110 % und > 90 %, oder der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter einen Offset zwischen < 60 % und > 40 % aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor entlang der Hauptebenen der Sensoroptikanordnung versetzt angeordnet ist und die Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter entlang der Hauptebenen der Emitteroptikanordnung versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz der Sensoroptikanordnung relativ zum optischen Sensor und der Versatz der Emitteroptikanordnung relativ zum Lichtemitter jeweils einen Offset > 25 % aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen Systembereich, in dem die Einheiten der Vorrichtung vorgesehen sind, und einen Aufnahmebereich für die kontaktlose Aufnahme von Bilddaten der aufzunehmenden Hautbereiche aufweist, wobei der Systembereich und der Aufnahmebereich durch eine gemeinsame Grenzfläche voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schärfeebenenausschnitt der Bildaufnahmeeinheit und/oder der Beleuchtungseinheit im Aufnahmebereich angeordnet ist, wobei der Strahlengang der Bildaufnahmeeinheit und/oder der Strahlengang der Beleuchtungseinheit zur kontaktlosen Aufnahme der Hautbereiche in dem Schärfeebenenausschnitt mittels reflektiver Optikelemente gefaltet ist, so dass der Arbeitsabstand der Sensoroptikanordnung und/oder der Emitteroptikanordnung zum jeweiligen Schärfeebenenausschnitt größer als eines der äußeren Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe des Systembereichs der Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Optikelemente Spiegel und/oder Prismen umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schärfeebenenausschnitte der Bildaufnahmeeinheit und der Beleuchtungseinheit aufweisende Aufnahmebereich so ausgestaltet ist, dass die aufzunehmenden Hautbereiche innerhalb der Schärfentiefe der Schärfeebenenausschnitte der Bildaufnahmeeinheit und der Beleuchtungseinheit positionierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzunehmenden Hautbereiche Bereiche der menschlichen Hand, insbesondere der Handfläche und der Finger, umfassen und der Aufnahmebereich so ausgestaltet ist, dass mehrere Finger gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit aufnehmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich so ausgestaltet ist, dass - 4 Finger, insbesondere Zeige-, Mittel-, Ring- und kleiner Finger, - 2 Daumen, - die gesamte Handfläche, oder - die gesamte Innenseite der Hand gleichzeitig durch die Bildaufnahmeeinheit aufnehmbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit die Hautbereiche mit strukturiertem Licht beleuchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, auf Basis der durch die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit erfassten Bilddaten der Hautbereiche, die mittels strukturierten Lichts beleuchtet wurden, 3D-Daten der Hautbereiche zu erzeugen, insbesondere als 3D-Punktwolke.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtemitter Licht in einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 550 nm, besonders bevorzugt zwischen 450 nm und 500 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Systembereich der Vorrichtung äußere Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe jeweils von höchstens 8", bevorzugt < 180 mm, insbesondere bevorzugt < 160 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einschließlich Systembereich und Aufnahmebereich äußere Abmaße in Tiefe, Breite und Höhe von höchstens 8", bevorzugt < 180 mm, insbesondere bevorzugt < 160 mm aufweist.