DE10223107A1

DE10223107A1 - Vorrichtung zur Abbildung von Gegenständen

Info

Publication number: DE10223107A1
Application number: DE10223107A
Authority: DE
Inventors: Guenther Benedix; Eberhard Piehler; Mathias Schulz
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-12-04
Also published as: ZA200410245B; CN1656406A; JP2005525892A; EP1506445A1; AU2003226783A1; WO2003098309A1; US20050226480A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abbildung der Oberfläche von Gegenständen, bei der im Detektionsstrahlengang (5.2) zwischen einem Abtastprisma (1) und einem optoelektronischen Sensor (4) weitere Prismen (8, 13) vorgesehen sind. Derartige optische Anordnungen sind insbesondere zur Aufnahme von Fingerabdrücken geeignet. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist mindestens eines der weiteren im Detektionsstrahlengang (5.2) vorhandenen Prismen als reflektierendes Prisma (8) ausgebildet, das über eine Einstrahlfläche und eine Abstrahlfläche, die in einer Prismenfläche (10) zusammenfallen können, und eine reflektierende Rückfläche (9) verfügt, auf die das eingestrahlte Licht im Inneren des Prismas (8) trifft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abbildung der Oberfläche von Gegenständen, bei der die Gegenstände auf die Abtastfläche eines Abtastprismas aufzulegen sind und im Detektionsstrahlengang zwischen dem Abtastprisma und einem optoelektronischen Sensor weitere Prismen vorgesehen sind. Derartige optische Anordnungen sind insbesondere zur Aufnahme von Fingerabdrücken geeignet.
Im Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen zur Abbildung von Gegenständen bekannt, die nach dem optischen Prinzip der gestörten Totalreflexion arbeiten.
Diesbezüglich ist in DE 34 21 220 C2 eine "Vorrichtung zur verzerrungsfreien Abbildung von schiefwinklig zur Bildebene angeordneten Gegenständen" beschrieben, bei der ein reflektierendes Prisma als Abtastprisma verwendet wird. Der Gegenstand ist von außen an eine Abtastfläche des Abtastprismas anzudrücken, während im Inneren des Abtastprismas Beleuchtungslicht auf die Abtastfläche gerichtet ist. Das Beleuchtungslicht wird innerhalb des Abtastprismas von der Abtastfläche reflektiert und nimmt dabei Bildinformationen von dem aufliegenden Oberflächenabschnitt des Gegenstandes auf.
Diese Vorrichtung, die insbesondere zur Erfassung, Untersuchung und Identifikation von Fingerabdrücken vorgesehen ist, ist dadurch charakterisiert, daß zwischen dem Abtastprisma und dem bildseitigen Endabschnitt der Vorrichtung zwei Ablenkprismen, von denen eines der anamorphotischen Vergrößerung des abzubildenden Gegenstandes, das andere zum Ausgleich des Astigmatismus dient, sowie ein Objektiv vorgesehen sind, dem eine optische Wiedergabeeinrichtung oder eine optische Auswerteeinrichtung nachgeordnet ist.
Die beiden Ablenkprismen sollen in Kombination eine anamorphotische Vergrößerung ohne Auftreten von Astigmatismus bei naher Bild- und Gegenstandsebene ermöglichen, so daß eine verzerrungsarme und hochauflösende Aufnahme erzielt werden kann.
Allerdings besteht ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung in dem durch die Verwendung der Ablenkprismen bedingten Verlauf des Strahlenganges, was zur Folge hat, daß nach diesem Prinzip lediglich Geräteaufbauten mit verhältnismäßig großem Bauvolumen, insbesondere großer Bauhöhe, möglich sind.
Insofern genügt diese Anordnung nicht der häufig gestellten Forderung nach einer kompakten, platzsparenden Gerätebauweise.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß der Aufbau von Geräten mit verringertem Bauvolumen, insbesondere mit reduzierter Bauhöhe, möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens eines der weiteren im Detektionsstrahlengang vorhandenen Prismen als reflektierendes Prisma ausgebildet ist, das über eine Einstrahlfläche, eine reflektierende Rückfläche, auf die das eingestrahlte Licht im Inneren des Prismas trifft, sowie über eine Abstrahlfläche verfügt.
Da aufgrund des Einsatzes reflektierender Prismen nun nicht mehr wie im Stand der Technik der optische Weg durch Ablenkprismen hindurchgeführt wird, läßt sich eine erhebliche Verringerung der Höhe bei Geräten erzielen, die nach den erfindungsgemäßen Merkmalen aufgebaut werden.
Vorteilhaft können die reflektierenden Prismen so gestaltet sein, daß die Einstrahlfläche und die Abstrahlfläche in einer gemeinsamen Prismenfläche zusammenfallen, so daß das Detektionslicht durch dieselbe Fläche, durch die es in das Prisma eintritt, wieder aus dem Prisma herausgeführt wird.
Erfindungsgemäß können sowohl das Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung als auch das Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus als reflektierende Prismen ausgebildet sein. Jedoch sind auch Ausführungen denkbar, bei denen entweder nur das eine oder das andere dieser beiden Prismen reflektierend ausgebildet ist.
Auf diese Weise läßt sich auch bei gleichbleibender Länge des optischen Weges die Kompaktheit eines entsprechenden Gerätes nach Bedarf verkürzen.
Reflektive Prismen lassen sich beispielsweise herstellen, indem eine der Einstrahlfläche des Prismas gegenüberliegende Fläche, im Sinne dieser Erfindung als Rückfläche bezeichnet, mit einer Spiegelschicht versehen wird oder diese Fläche auf eine Spiegelfläche aufgekittet wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist im Detektionsstrahlengang zwischen dem Abtastprisma und einem Objektiv, das dem optoelektronischen Sensor vorgeordnet ist, weiterhin mindestens ein Planspiegel zur Ablenkung des Strahlenganges zwecks Faltung vorgesehen.
Diese Faltung dient der weiteren Reduzierung des zwischen dem Abtastprisma und dem optoelektronischen Sensor gemessenen Abstandes bei Beibehaltung der erforderlichen optischen Weglänge, indem der Strahlengang beispielsweise vom einem Prisma zunächst auf einen Planspiegel von diesem zu einem weiteren Prisma oder vom Planspiegel auf mindestens einen weiteren Planspiegel gerichtet ist und dabei mit der Verbindungsgeraden zwischen den Prismen einen mehr oder weniger spitzen Winkel einschließt.
In bewährten Ausgestaltungen der Erfindung sind zwischen dem Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung und dem Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus zwei oder auch drei Planspiegel vorgesehen.
Zwischen dem Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus und dem optoelektronischen Sensor ist ein Objektiv angeordnet, von dem der Detektionsstrahlengang auf den optoelektronischen Sensor gerichtet ist. Dabei kann in einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Objektiv und dem optoelektronischen Sensor mindestens ein weiteres optisches Element vorhanden sein, das den Strahlengang nochmals ablenkt und damit insbesondere eine Verkürzung der Baulänge des Gerätes ermöglicht. Als ein solches optisches Element kann bevorzugt ein Planspiegel vorgesehen sein.
Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, das Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus durch eine Zylinderlinse zu ersetzen, um eine technisch äquivalente Wirkung zu erzielen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 den Strahlengang eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem das Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung als reflektierendes Prisma ausgebildet ist, dem zwei Planspiegel zur Faltung des Strahlenganges nachgeordnet sind,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung ebenfalls als reflektierendes Prisma ausgebildet ist, jedoch drei Planspiegel zur Faltung des Strahlenganges nachgeordnet sind,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Planspiegel vorgesehen sind, wobei zwischen denen der Strahlengang mehrfach hin und her geworfen wird.
In Fig. 1 ist ein Abtastprisma 1 dargestellt, das eine Abtastfläche 2 aufweist, auf die ein Gegenstand 3 aufgelegt ist. Der aufliegende Oberflächenabschnitt des Gegenstandes 3 soll auf die Empfangsfläche eines optoelektronischen Sensors 4, beispielsweise den CCD-Sensor einer optoelektronischen Kamera, abgebildet werden.
Zu diesem Zweck wird Licht in einem Beleuchtungsstrahlengang 5.1 durch eine Einstrahlfläche 6 in das Abtastprisma 1eingestrahlt und im Inneren des Abtastprismas 1 an der Abtastfläche 2 reflektiert. Dabei nimmt das Licht Bildinformationen, beispielsweise über das Papillarlinienmuster eines aufliegenden Fingers, auf, tritt in einem Detektionsstrahlengang 5.2 durch die Abstrahlfläche 7 wieder aus dem Abtastprisma 1 aus und gelangt zu einem weiteren Prisma 8, das der anamorphotischen Vergrößerung dient.
Das Prisma 8 ist erfindungsgemäß als reflektierendes Prisma ausgebildet und weist demzufolge an seiner Rückfläche 9 eine Verspiegelung auf. Das hat zur Folge, daß der durch die Prismenfläche 10 in das Prisma 8 eintretende Detektionsstrahlengang 5.2 nicht wie bisher im Stand der Technik üblich an der gegenüberliegenden Fläche wieder austritt und dabei lediglich ablenkt wird, sondern an der Rückfläche 9 reflektiert wird und durch die Prismenfläche 10 auch wieder austritt.
Dies hat den Vorteil, daß aufgrund der Verspiegelung nur kleine Prismenwinkel erforderlich sind und dadurch bereits eine Faltung möglich wird.
Im weiteren Verlauf trifft der Detektionsstrahlengang 5.2 auf einen ersten Reflektor 11, wird von diesem in Richtung auf einen zweiten Reflektor 12 ablenkt und auf ein Prisma 13 gerichtet, das der Korrektur von Astigmatismus dient und das in diesem Falle als Ablenkprisma ausgebildet ist.
Zwischen dem Prisma 13 und dem optoelektronischen Sensor 4 ist ein Objektiv 14 angeordnet, von dem der Detektionsstrahlengang 5.2 auf die Empfangsfläche des optoelektronischen Sensors 4 gerichtet ist.
Dabei symbolisieren die 11 die Baulänge und die h₁ die Bauhöhe eines nach den erfindungsgemäßen Merkmalen aufgebauten optischen Gerätes. Es ist ersichtlich, daß die Baulänge 11 wesentlich kürzer ist als der optische Weg des Detektionsstrahlengangs 5.2 vom Abtastprisma 1 bis zum optoelektronischen Sensor 4, und daß die Bauhöhe h₁ wesentlich verringert ist gegenüber Anordnungen aus dem Stand der Technik, bei denen der Detektionsstrahlengang an dieser Stelle durch ein Ablenkprisma hindurchgeführt wird.
Die Verringerung der Baulänge l₁ und vor allem der Bauhöhe h₁ wird erreicht durch die Ausbildung des Prismas 8 als reflektierendes Prisma sowie durch den mehrfachen Richtungswechsel des Detektionsstrahlengangs 5.2 an den Reflektoren 11 und 12.
Abweichend von der Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung nach dem vorgenannten Beispiel zeigt Fig. 2 ein Ausgestaltungsbeispiel, bei dem im Verlauf des Detektionsstrahlengangs 5.2 zwischen dem Prisma 8 und dem Ablenkprisma 13 nicht zwei, sondern drei Reflektoren 11, 12 und 15 vorgesehen sind. Aufgrund der nochmaligen Richtungsumkehr des Detektionsstrahlengangs 5.2 mittels des Reflektors 15 läßt durch Beeinflussung der Baulänge l₂ und der Bauhöhe h₂ die Kompaktheit des Gerätes noch weiter erhöhen.
In dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind dem Prisma 8 zwei Reflektoren 16 und 17 nachgeordnet, zwischen denen der Detektionsstrahlengang 5.2 mehrfach hin und her geworfen wird, was zur Reduzierung der Baulänge l₃ und der Bauhöhe h₃ und somit zur Kompaktheit des Geräteaufbaus beiträgt. Außerdem ist hier, abweichend von den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen, das zur Korrektur des Astigmatismus dienende Prisma nicht als Ablenkprisma, sondern als reflektierendes Prisma 18 ausgebildet.
In einem weiteren denkbaren, zeichnerisch nicht dargestellten Beispiel kann zwischen dem Objektiv 14 und dem optoelektronischen Sensor 4 ein weiterer Planspiegel vorgesehen sein, der den Detektionsstrahlengang 5.2 nochmals ablenkt und so eine weitere Verkürzung der Gerätebaulänge ermöglicht. Bezugszeichenliste 1 Abtastprisma
2 Abtastfläche
3 Gegenstand
4 optoelektronischer Sensor
5.1 Beleuchtungsstrahlengang
5.2 Detektionsstrahlengang
6 Einstrahlfläche
7 Abstrahlfläche
8 Prisma
9 Rückfläche
10 Prismenfläche
11, 12 Reflektoren
13 Ablenkprisma
14 Objektiv
15 Reflektor
16, 17 Reflektoren
18 Prisma

Claims

1. Anordnung zur Abbildung von Gegenständen, bei der die Gegenstände (3) auf die Abtastfläche (2) eines Abtastprismas (1) aufzulegen sind und im Detektionsstrahlengang (5.2) zwischen dem Abtastprisma (1) und einem optoelektronischen Sensor (4) weitere Prismen (8, 13, 18) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der weiteren Prismen als reflektierendes Prisma (8, 18) ausgebildet ist, das über eine Einstrahlfläche und eine Abstrahlfläche sowie eine reflektierende Rückfläche (9) verfügt, auf die das eingestrahlte Licht im Inneren des Prismas (8, 18) trifft.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Prisma zur anamorphotischen Beeinflussung des Detektionsstrahlengangs (5.2) und ein zweites Prisma zum Ausgleich von Astigmatismus vorgesehen sind, wobei das erste und/oder das zweite Prisma als reflektierendes Prisma (8, 18) ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlfläche und die Abstrahlfläche in einer gemeinsamen Prismenfläche (10) zusammenfallen.

4. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Prismen (8, 18) an ihrer Rückfläche (9) mit einer Spiegelschicht versehen sind oder die Rückfläche (9) auf eine Spiegelfläche aufgekittet ist.

5. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Detektionsstrahlengang (5.2) mindestens ein Planspiegel (11, 12, 15, 16, 17) zur Ablenkung, insbesondere zur Faltung des Strahlengangs vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgende Planspiegel (11, 12) zwischen dem ersten Prisma (8) zur anamorphotischen Beeinflussung und dem zweiten Prisma (13) zum Ausgleich des Astigmatismus vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei unmittelbar aufeinander folgende Planspiegel (11, 12, 15) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem optoelektronischen Sensor (4) ein Objektiv (14) vorgeordnet ist und zwischen dem Objektiv (14) und dem optoelektronischen Sensor (4) mindestens ein optisches Element zur Ablenkung bzw. Faltung des Detektionsstrahlengangs (5.2) vorhanden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Element bevorzugt eine Zylinderlinse, besonders bevorzugt ein Planspiegel vorgesehen ist.