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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Blendung
und Verbesserung der Bildqualität
bei der Erkennung biometrischer Daten, insbesondere der Erkennung
von Finger- und Gesichtsmerkmalen von Personen, bei der ein Objekt von
mindestens einer Lichtquelle beleuchtet und durch optische Abtastung
erfasst wird und mittels digitaler Bildverarbeitung numerische Kennwerte
ermittelt werden, wobei zwischen Lichtquellen und zu erkennendem
Objekt mindestens ein erstes Polarisationsflter sowie zwischen dem
Objekt und der Bildaufnahmevorrichtung (2) mindestens ein
zweites Polarisationsfilter angeordnet sind.
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In
vielfältigen
Anwendungen werden Sicherheitssysteme angewendet, um unbefugten
Personen den Zugang zu bestimmten Bereichen zu verwehren. Solche
Bereiche sind beispielsweise Geldautomaten, geheim zu haltende Laborräumlichkeiten
und dergleichen. Diese Systeme verwenden hauptsächlich Einrichtungen zur Fingerabdruck-
und Gesichtserkennung.
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Es
bestehen umfangreiche Versuche, diese Systeme zu überwinden.
Zur Erhöhung
der Sicherheit werden zusätzliche
Mittel eingesetzt, mit denen überprüft wird,
ob es sich um ein lebendes Objekt handelt.
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Im
Stand der Technik sind Systeme bekannt, die Lebendfunktionen der
Objekte durch Ermittlung von Sauerstoffsättigung, Blutpuls oder anderer
Parameter festzustellen, um damit Fälschungen zu erkennen.
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In
EP 0 359 554 B1 ist
eine Anordnung zur Bestimmung von Fingerabdrücken beschrieben, mit der Zonen
des Fingers auf einen Lichtempfänger
abgebildet werden. Die Anordnung verfügt über eine Lichtquelle, Mittel
zum Führen
der von der Lichtquelle auf die Oberfläche des zu detektierenden Fingers verlaufenden
Lichtstrahlen, ein optisches Abbildungssystem, welches von einem
bestrahlten Teil der Probe ein Bild erzeugt, einer Lichtdetektoreinrichtung
zum Detektieren des Bildes und eine Einrichtung zur Ausgabe eines
Detektionssignals. Mit der Anordnung soll bestimmt werden, ob die
Probe ein biologisches Objekt oder eine Nachbildung ist.
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Hierzu
ist der Lichtdetektor mit einer Lichtempfängerfläche versehen, die in eine Vielzahl
von Zonen geteilt ist, so dass ein Bild des bestrahlten Teils auf
der Lichtempfängerfläche erzeugt
wird. Der Lichtdetektor verfügt über getrennte
optische Ausgänge
für die
jeweils von einer Vielzahl von Zonen empfangenen Lichtstrahlen.
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Die
Unterscheidung, ob es sich um ein authentisches Objekt, also einen
lebenden Finger, oder um ein Nachbildung handelt, erfolgt durch
Auswertung des Lichtverlaufes, wobei die Erscheinung ausgenutzt
wird, dass sich bei einem authentischen Finger und bei einer Nachbildung
unterschiedliche Lichtverläufe
ergeben.
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In
EP 1 073 988 B1 ist
ein System zur Hand- und Fingerlinien-Erkennung beschrieben, das
zur Identifizierung von Personen dient. Mit diesem System werden
unter Verzicht auf mechanische Bewegungen der Anordnung durch Verwendung
einer Lichtquelle, eines Polarisationsfilters und einer Kamera Hand-
und/oder Fingerlinien, Muster von Papillarleisten, Muster der Unterhaut
oder dergleichen optisch berührungslos
zur Aufnahme eines Bildes erfasst. Die optische Erfassung erfolgt
mittels im Beleuchtungsstrahlengang sowie im Abbildungsstrahlengang
angeordneter Polarisationsfilter und einer starr angeordneten Kamera.
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Aus
der
DE 101 03 622
A1 ist eine Vorrichtung zur optischen, einem abgerollten
Fingerabdruck vergleichbaren Abbildung des Papillarleistenmusters eines
Fingers, insbesondere einer Fingerkuppe, mit einer Beleuchtungseinrichtung,
einem Bildempfänger und
einem Objektiv bekannt, wobei die Lichtquellen polarisiertes Licht
abgeben oder zwischen Lichtquellen und Objekt ein erstes Polarisationsfilter
angebracht ist und zwischen Objekt und Bildempfänger ein zweites Polarisationsfilter
angebracht ist. Die Verwendung von Polarisationsfiltern dient zur
Verbesserung des Kontrasts bei der optischen Abbildung des Papillarleistenmusters
und zur besseren Unterscheidung zwischen Oberhaut- und Unterhautmuster
Allen bekannten Verfahren haftet der Nachteil an, dass aus anatomischen
Gründen
die Beleuchtung der Hand- und/oder Fingerunterseiten und/oder Fingerabdrücke immer
mehr oder weniger direkt entgegen der Blickrichtung des Benutzers
erfolgen muss, wodurch dieser geblendet werden kann. Außerdem können durch externe
Beleuchtung, willkürlich
oder unwillkürlich, die
Bildaufnahmen beeinträchtigt
werden.
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Zur
Vermeidung von Blendwirkung beschreibt beispielsweise RU 2 192 829
C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz vor Blendung, bei
dem ein erstes Polarisationsfilter in einer Kontaktlinse enthalten
ist, während
ein zweites Polarisationsfilter vor einer Lichtquelle angebracht
ist, von der eine Blendung ausgehen könnte. Die beiden Filter sind
senkrecht oder etwa senkrecht zueinander eingestellt.
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Nachteilig
an diesem Verfahren und dieser Vorrichtung ist, dass der Benutzer
eine spezielle Kontaktlinse tragen muss, was eine inakzeptable Bedingung
für Träger optischer
Linsen darstellt und für
andere Personen äußerst unbequem
und lästig
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, mit der die Blendung des Benutzers und
die Beeinträchtigung
der Erkennung durch externes Licht bei der Erkennung biometrischer
Daten verringert werden kann. Die Erfindung soll modular an bestehenden
Erkennungsvorrichtungen einsetzbar sein.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
enthält,
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vor denjenigen Beleuchtungseinrichtungen der Erkennungsvorrichtung,
die den Benutzer blenden könnten,
mindestens ein erstes Polarisationsfilter und vor allen Bildaufnahmevorrichtungen,
die das am Erkennungsobjekt gestreute Licht von den genannten Beleuchtungseinrichtungen
aufnehmen, jeweils mindestens ein zweites, auf die Polarisationsrichtung des
ersten Filters eingestelltes Polarisationsfilter, angebracht, wodurch
nur Licht mit derselben Polarisation wie dasjenige aus den Beleuchtungseinrichtungen
in der Bildaufnahme berücksichtigt
wird.
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Weiterhin
ist über
beziehungsweise aus der Sicht des Benutzers vor der Einrichtung
für die
Erfassung der Hand- und/oder Fingerunterseiten ein drittes Polarisationsfilter,
das hinsichtlich der Polarisationsrichtung senkrecht zu dein ersten
und zweiten Filter ausgerichtet ist, angebracht, wodurch kein Licht aus
den Beleuchtungseinrichtungen durch das Filter gelangen und den
Benutzer somit auch nicht blenden oder, falls eine zeitlich veränderliche
Beleuchtung eingesetzt wird, irritieren kann.
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Dadurch,
dass durch das dritte Filter ein polarisierter Teil von externem
Licht in die Erkennungseinrichtung hineinfallen kann und als insbesondere am
Erkennungsobjekt reflektiertes Licht auch wieder herausfallen kann,
bleibt das Erkennungsobjekt, also beispielsweise eine Hand, für den Benutzer
trotz des Blendschutzes sichtbar, was für die Akzeptanz des Erkennungsvorrichtung
psychologisch bedeutsam ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Anordnung mit erfindungsgemäßem Blendschutz
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2 eine schematische Darstellung
einer Anordnung mit zwei Detektoren
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3 eine schematische Darstellung
einer Anordnung zur Streulichtauswertung,
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4 die Vorderansicht einer
Anordnung mit zusätzlicher
punktförmiger
Beleuchtung eines Fingerabschnittes und erfindungsgemäßem Blendschutz und
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5 einen horizontalen Schnitt
unterhalb der Polarisationfilter durch die in 5 gezeigte Anordnung
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In 1 ist eine erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Schutze des Benutzers vor Blendung , bestehend aus ersten Polarisationsfiltern 2.5 vor
der Bildaufnahmeeinrichtungen 2.1, zweiten Polarisationsfiltern 3.5 vor
den Beleuchtungseinrichtungen 3.1 und drittem Polarisationsfilter 5 zwischen
Erkennungseinrichtung und Benutzer, dargestellt.
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2 erläutert die grundsätzliche
Funktionsweise einer Einrichtung zur fälschungssicheren Prüfung durch
die gleichzeitige Erfassung von zwei aus verschiedenen Richtungen
ermittelten Teilbildern des Fingers 1. Die Lage des Fingers
ist in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Koordinaten
x, y, z definiert. Wie in dieser Abbildung gezeigt, wird zusätzlich zu
dem vom Detektor 2.1, der in der x-y- Ebene angeordnet
ist und das Bild des Fingers 1 in z-Richtung erfasst, das
durch Auflegen auf einen Sensor oder vorzugsweise durch Abbildung
entsteht, gleichzeitig dieser Finger aus einem anderen Blickwinkel
erfasst. Vorzugsweise bilden die Aufnahmerichtungen, aus denen das
Objekt betrachtet wird, einen Winkel von 90 Grad und liegen in einer
Ebene. Das bedeutet, dass die in 1 dargestellten
Winkel j und d zwischen Aufnahmerichtung und eine durch die Fingerachse
als y-Achse gehende Koordinatenrichtung 90° betragen. Ein zweites Bild
wird vom Detektor 2.2, der in der y-z-Ebene angeordnet
ist, in x- Richtung aufgenommen.
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Dadurch
können
mit hoher Sicherheit Fälschungen
an Kontrollstellen erkannt werden, an denen personenbezogene Objekte
wie Finger und/oder Gesichter kontrolliert werden. Die Prüfung erfolgt durch
einen Vergleich von Datensätzen
von aus mindestens zwei gleichzeitig aufgenommenen Abbildungen des
zu untersuchenden Prüfobjektes
mit dem Datensatz eines gespeicherten dreidimensionalen Referenzobjektes.
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Bei
Kontrollen, die Merkmale eines Fingers auswerten, werden Fälschungen üblicherweise
dadurch erzeugt, dass sich ein Unberechtigter von einer berechtigten
Person einen Fingerabdruck beschafft, diesen auf eine maskenförmige Nachbildung überträgt und die
Maske in Form einer dünnen
Folie über den
Finger zieht. Da derartig gefälschte
Fingerabdrücke
immer nur eine Teilfläche
des Fingers erfassen, ist es deshalb für den Unberechtigten kaum möglich, der
Sicherheitskontrolle gleichzeitig zwei Bilder von unterschiedlichen
Bereichen des Originalfingers, die bei der Kontrolle abgefragt werden,
zu präsentieren und
damit die dreidimensionale Kontur zu erfassen und nachzubilden.
Dies ist darin begründet,
dass in der Regel nur latente Abdrücke, also zweidimensionale
Informationen hinterlassen werden. Derartige Informationen können Fingerabdrücke oder
Bilder des Objektes, vorzugsweise von Gesicht oder Finger, sein,
die nur eine zweidimensionale Information enthalten, so dass der
Unberechtigte aus einer oder mehreren zweidimensionalen Informationen
exakt das abgespeicherte dreidimensionale Referenzmodell nachbilden
müsste.
Es ist auch sehr unwahrscheinlich, dass eine unberechtigte Person,
die eine Maske über
ihren Finger streift, in der räumlichen Struktur
mit dem Finger der zu imitierenden Person übereinstimmt.
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Für den Unberechtigten
ist es somit unmöglich,
diese für
die Ubereinstimmungen der dreidimensionalen Modelle erforderlichen
Bedingungen herbeizuführen.
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Auch
ist es möglich,
dass eine Abbildungsvorrichtung auf das Objekt einen Lichtspalt
oder ein Lichtraster projiziert, so dass der projizierte Spalt auf der
räumlichen
Oberfläche
des Objektes eine Kontur bildet, dessen Abbildung eine Aussage über die
dreidimensionale Form des Objektes ermöglicht, wobei die Beleuchtung
des Lichtspaltes oder -rasters mit Licht einer Wellenlänge erfolgt,
die von der Wellenlänge,
welche zur Beleuchtung der Hauptabbildung verwendet wird, verschieden
ist, und das Bild des Rasters oder Lichtspaltes aufgrund der anderen Lichtfarbe
mit einer zweiten Kamera selektiv erfasst wird. Die Kennzeichnung
der Kontur eines Teilbereiches des Objektes dient dann als weiterer
Parameter für
die Erkennung der Übereinstimmung
des Objektes mit dem Referenzobjekt.
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Um
eine Umgehung der Uberprüfung
für Fälle, in
denen es einem Angreifer dennoch gelingen sollte, diese Erkennungsmethoden
durch einen Kunstfinger oder ein künstliches Gesicht mit dreidimensional
identischen geometrischen Merkmalen zu überwinden, auszuschließen, kann
als zusätzliche Maßnahme eine
spektroskopische und/oder streulichtspektroskopische Auswertung
stattfinden, indem ein lateral von einer Lichtquelle ausgehender
Beleuchtungsstrahl auf den Fingerabschnitt gerichtet wird und der
reflektierte Anteil bzw. der transmissive Anteil oder auch beide
Anteile spektroskopisch und/oder streulichtspektroskopisch mittels
geeigneter Detektoren ausgewertet werden.
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Vorteilhaft
ist es hierbei, Lichtwellenlängen von
ca. 678 nm und 808 nm zu verwenden, weil sich die Intensitäten dieser
beiden Wellenlängen
in Transmission bzw. Reflexion lebenden Objekten wegen der unterschiedlichen
Extinktionskoeffizienten von Hämoglobin
und Oxyhämoglobin
deutlich unterscheiden. Damit können
künstliche,
nicht lebende Objekte mit höchster
Sicherheit erkannt werden.
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In
der praktischen Anwendung wird der Finger von einer ringförmigen,
kreuzförmigen
oder paarweisen Anordnung von Lichtquellen einer definierten Wellenlänge mit
dem Lichtempfängerarray
als Zentrum beleuchtet. Zunächst
werden die Orte der maximalen Intensität P(ki, max) festgestellt.
Ausgewertet wird nur die Intensität des rückdiffundierten Lichts im Mittelpunkt
der Orte maximaler Intensität
PZ(ki, max). Damit erfolgt die Messung an einem definierten Ort. Vorteilhaft
ist dabei, dass bei der Messung des aufsummierten rückgestreuten
Signals das Signal/Rauschverhältnis
verbessert wird.
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Die
Fälschungssicherheit
ist um so besser, je mehr Spektrallinien zur Beleuchtung des Fingers
verwendet werden, da sich über
die zusätzlichen
Unterscheidungsmerkmale eine Erhöhung
der Fälschungssicherheit
ergibt.
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Da
die Absorption von Licht in sauerstoffreichem Blut sich von derjenigen
in sauerstoffarmem Blut unterscheidet, können insbesondere zur Erkennung
lebender Objekte Lichtquellen verwendet werden, die Licht mit Wellenlängen von
ca. k1 = 678 nm und ca. k2 = 835 nm ausstrahlen. Die Lichtwellenlänge 678
nm weist die größte Empfindlichkeit
zur Erkennung des Unterschiedes zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem
Blut auf, was beispielsweise zum Nachweis genutzt werden kann, dass
es sich um ein lebendes Objekt handelt. Demgegenüber ist bei Beleuchtung der
Objekte mit Licht einer Wellenlänge
von ca. 835 nm kein Unterschied zwischen einem lebenden und einem
künstlichen
Objekt festzustellen.
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Eine
geeignete Anordnung sieht vor, eine oder mehrere Lichtquellen ringförmig oder
zumindest paarweise so anzuordnen, dass das zu untersuchende Objekt
punktförmig
beleuchtet wird. Die Beleuchtung kann entweder unmittelbar oder
mit Hilfe eines abbildenden optischen System erfolgen. Die rückgestreute
Intensitätsverteilung
wird mit einem Lichtempfängerarray
erfasst.
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Die
Nachweissicherheit kann weiter dadurch verbessert werden, dass die
Lichtquellen puls-kodiert geschaltet werden und synchron dazu die
Auswertung mit einer CMOS-Kamera erfolgt.
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3 zeigt eine Ausführungsform,
die eine sichere Kontrolle auch für den Fall ermöglicht,
in dein es einem Unberechtigten gelingen sollte, die oben beschriebenen
Verfahren zu überwinden,
beispielsweise durch einen Kunstfinger mit identischen geometrischen
Merkmalen. Dies gelingt durch eine spektroskopische und/oder streulichtspektroskopische Auswertung,
indem lateral von der Lichtquelle 3 ausgehende Beleuchtungsstrahlen
B auf den Finger 1 gerichtet werden und der reflektierte
Lichtanteil R und/oder der transmissive Lichtanteil T spektroskopisch
und/oder streulichtspektroskopisch ausgewertet werden. Zur Auswertung
des reflektierten Lichtanteils R dient der Lichtdetektor 2.2 und
zur Auswertung des transmissiven Lichtanteils T der Streulichtdetektor 2.4.
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Diese
Anordnung kann sowohl als zusätzliche
Komponente als auch als eigenständige
Kontrollanordnung vorgesehen werden.
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Vorteilhaft
werden hierzu Lichtwellenlängen von
ca. 678 nm und 808 nm verwendet.
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In
den 4 und 5 ist eine Anordnung dargestellt,
mit der durch zusätzliche
punktförmige
Beleuchtung eine Uberprüfung
der Authentizität
des zu untersuchenden Objektes erfolgt. Die Unterscheidung, ob es
sich um ein authentisches Objekt, also einen lebenden Finger, oder
um ein Nachbildung handelt, erfolgt dadurch, dass eine zusätzliche
punktförmige
Beleuchtung von ausgewählten
Punkten auf dem Finger, die auf dem CMOS-Array des Sensors 2.1 und
/oder 2.2 zusätzlich
abgebildet werden. Dabei wird die Erscheinung ausgenutzt, dass sich
bei einem authentischen Finger das Lichtrückstreuverhalten gegenüber demjenigen
in Falsifikaten/Imitaten auf Grund unterschiedlicher Lichtverläufe in den
Objekten unterscheiden. Die Erkennung von Imitaten gelingt damit
relativ einfach, da diese von Hautgewebe abweichende spektrale Rückstreueigenschaften aufweisen.
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Ein
großer
Teil an Imitaten kann dadurch zurückgewiesen werden, dass neben
den charakteristischen Fingerlinien weitere Eigenschaften der Hand/des
Fingers betrachtet werden. Hier wird das Streuverhalten von sichtbarem
und infrarotem Licht in der Haut ausgewertet.
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Licht
dringt in die Haut ein und wird in verschiedenen Tiefen gestreut.
Die Eindringtiefe ist abhängig
von der Gewebestruktur, der Wellenlänge und der Absorption. Damit
ergibt sich für
das wieder austretende Licht eine starke Farbabhängigkeit. Blaues Licht dringt
wenig in die Haut ein, damit ergibt sich bei punktförmiger Bestrahlung
ein kleiner Streuhof, während
bei rotem Licht mit großer
Eindringtiefe ein großer
Streuhof entsteht.
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Die
optischen Eigenschaften von Gewebe sind über den gesamten Spektralbereich
schwer zu imitieren. Auch ist der Volumeneffekt, d.h. das Streuverhalten
von Licht in der Tiefe des Gewebes nur schwierig nachzubilden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden die gemessenen, charakteristischen
Streueigenschaften von Licht und sichtbaren und infraroten Spektralbereich
für den
Nachweis von lebendem Gewebe genutzt.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
sieht vor, die Anordnung als eigenständiges Modul auszuführen, das
mit einer ringförmigen
oder zumindest mit einer paarweisen Anordnung einer oder mehrerer
Lichtquellen ausgerüstet
ist, welche den Finger punktförmig
beleuchten. Die Beleuchtung kann direkt oder über eine Optik erfolgen. Die
rückgestreute
Intensitätsverteilung
wird beispielsweise mit einer CCD- oder einer CMOS-Kamera ausgewertet.
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Durch
ein im Strahlengang angeordnetes Filter entsteht grundsätzlich die
Gefahr der unerwünschten
Reflexion. Diese kann vermieden werden, wenn das Filter beispielsweise
schräg
zum Strahlengang angeordnet wird, so dass das Licht nicht in die Aufnahmeeinrichtungen
reflektiert wird.
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Auch
eine gekrümmte
Form eines Filters ist möglich,
konvex oder konkav, um beispielsweise das unerwünschte, reflektierte Licht
so auf das Objekt oder eine andere Stelle abzubilden, dass dadurch kein
reflektiertes Licht in die Aufnahmeeinrichtung gelangen kann.
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Diese
Maßnahmen
zur Vermeidung der Reflexion betreffen besonders das dritte Filter 5,
das den Benutzer vor Blendung schützt und externes Licht vermindert.
Es ist jedoch auch möglich,
diese Maßnahmen
auch an allen anderen unerwünscht
reflektierenden Filtern vorzunehmen, insbesondere an den Filtern
der Abbildungsvorrichtung 2.
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- 1
- Objekt
(Finger)
- 2
- Lichtdetektor
- 2.1
- erster
Lichtdetektor in Ebene xy
- 2.2
- zweiter
Lichtdetektor in Ebene zy
- 2.3
- dritter
Lichtdetektor in Ebene zx
- 2.4
- Streulichtdetektor
- 2.5
- zweite
Polarisationsfilter
- 3
- Lichtquelle
- 3.1
... 3.4
- neben
einen Lichtdetektor positionierte Licht-
-
- Quellen
- 3.5
- erste
Polarisationsfilter
- 4
- Fixierungselemente
- 5
- drittes
Polarisationsfilter
- B
- Beleuchtungsstrahlengang
- R
- reflektierter
Lichtanteil
- T
- transmissiver
Lichtanteil
- φ, ϑ
- Winkel
der Koordinatensystems