-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Erfassungsvorrichtung
zur Verwendung mit einem Bildaufnahme- und Erkennungssystem. Speziell enthält die vorliegende
Erfindung eine optische Erfassungsvorrichtung, um eine Trapezverzerrung
in Bildern von gemusterten Objekten zu reduzieren oder im Wesentlichen
zu eliminieren, und um derartigen Bildern zu erlauben schärfer fokussiert
zu werden.
-
HINTERGRUND
-
Erkennungssysteme
für ein
gemustertes Objekt werden üblich
in industriellen und kommerziellen Ausstattungen und sind vielseitig
verwendbar. Derartige Systeme können
beispielsweise in Scannern verwendet werden, um Text, Zeichnungen
und Fotos zu scannen. In letzter Zeit haben Hersteller versucht die
Kosten zu reduzieren, die in Zusammenhang stehen mit Mustererkennungssystemen,
um sie zur Verwendung durch einen Verbraucher praktikabler zu machen.
Eine derartige Verbraucheranwendung für Mustererkennungssysteme enthält eine
Fingerabdruckerfassung und -erkennung. Ein derartiges System ist
beispielsweise von Nutzen, um die Computersicherheit zu verbessern,
indem der Fingerabdruck eines potentiellen Benutzers gelesen wird,
um ihn mit Fingerabdrücken
von autorisierten Benutzern zu vergleichen, um den Computer zu verwenden
oder Zugriff auf bestimmte Dateien oder Funktionen des Computers
zu bekommen. Ein derartiges System kann beispielsweise an die Stelle
eines Sicherheitssystems treten, welches einen Login Namen und ein Passwort
verwendet.
-
Zu
allererst muss ein derartiges Fingerabdruckerkennungssystem oder
irgendein Mustererkennungssystem in der Lage sein, genau den Fingerabdruck,
oder ein anderes Muster, zur Analyse genau zu erfassen. Eine Anzahl
von Mechanismen existiert für
eine derartige Erfassung von Musterdaten. Beispielsweise offenbaren
die
US 3,975,711 ; 4,681,435; 5,051,576;
5,177,435 und 5,233,404 jeweils Vorrichtungen zum Erfassen eines
Bildes eines gemusterten Objekts.
-
1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines derartigen bekannten optischen
Fingerabdruckerfassungs- und -erkennungssystems. In 1 enthält ein optisches
Erkennungssystem 108 eine Lichtquelle 112, ein
optisches Dreieckprisma 110, eine Linsenanordnung 114,
einen Bildsensor 116 und eine Speicher- und Verarbeitungseinheit 125.
Das Prisma 110 enthält
eine Bildgebungsoberfläche 118, eine
Lichtempfangsoberfläche 120 und
eine Sichtoberfläche 122.
Die Bildgebungsoberfläche 118 ist
die Oberfläche,
gegen die ein gemustertes Objekt, beispielsweise ein Fingerabdruck,
zur Abbildung platziert wird. Die Lichtquelle 112, die
beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) sein kann, ist
benachbart zu der Lichtempfangsoberfläche 120 platziert
und erzeugt einfallendes Licht 124, welches an das optische
Prima 110 übertragen
wird. Das optische Prisma 110 ist ein gleichschenkliges
rechtwinkliges Dreieck, wobei der Winkel, der der Bildgebungsoberfläche 118 gegenüberliegt,
ungefähr
90 Grad beträgt,
und die anderen zwei „Basis"-Winkel (also die zwei
Winkel des gleichschenkligen Prismas, die gleich sind) ungefähr jeweils
45 Grad haben.
-
Im
Allgemeinen trifft das einfallende Licht 124 auf die Bildgebungsoberfläche 118 unter
einem Winkel 126 zu der Einfallsoberflächennormalenlinie 115.
Der Winkel 126 ist größer als
der kritische Winkel 128. Im Allgemeinen wird ein kritischer
Winkel gemessen zwischen einem einfallenden Lichtstrahl und einer
Normalenlinie zu einer Oberfläche.
Wenn einfallendes Licht unter einem Winkel größer als der kritische Winkel
auf eine Oberfläche
trifft, unterliegt das einfallende Licht einer internen Totalreflexion
an der Oberfläche,
wenn das einfallende Licht unter einem Winkel auf die Oberfläche trifft,
der kleiner als der kritische Winkel ist, verläuft das einfallende Licht im Wesentlichen
durch die Oberfläche
hindurch. Entsprechend ist der kritische Winkel 128 der
Winkel mit der Normalenlinie zu der Bildgebungsoberfläche 118, oberhalb
welchem einfallendes Licht intern vollständig von der Bildgebungsoberfläche 118 reflektiert wird,
und aus dem Prisma 110 als reflektiertes Licht 130 durch
die Sichtoberfläche 122 heraus
verläuft.
-
Reflektiertes
Licht 130 verläuft
durch die Linsenanordnung 114, die benachbart zu der Sichtoberfläche 122 lokalisiert
ist. Die Linsenanordnung 114 kann eine oder mehrere optische
Linsen enthalten. Anschließend
wird das Licht von der Linsenanordnung 114 durch einen
Bildsensor 116 erfasst. Der Bildsensor 116, der
beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) oder eine
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Vorrichtung sein
kann, erfasst optische Lichtbilder und wandelt sie in elektrische
Signale um. Derartige Bildsensoren sind einem Fachmann allgemein
bekannt. Die elektrischen Signale werden dann an die Speicher- und Verarbeitungseinheit 125 gesendet.
-
Die
Speicher- und Verarbeitungseinheit
125 kann eine Speichereinheit,
einen Prozessor und einen Analog-zu-Digital-Wandler (nicht gezeigt)
enthalten. Der Analog-zu-Digital-Wandler wandelt analoge elektrische
Signale von dem Bildsensor
116 in digitale Signale. Der
Speicher wird verwendet, um die digitalen Daten und Algorithmen
zum Vergleichen eines erfassten Fingerabdruckbildes mit einem gespeicherten
Fingerabdruckbild zu speichern. Der Prozessor vergleicht die erfassten
digitalen Daten mit Daten, die zuvor in dem Speicher gespeichert
worden sind, basierend auf einem Algorithmus zum Vergleichen derartiger
Daten. Der Prozessor kann auch die erfassten digitalen Daten für Zwecke
analysieren, die andere sind als ein Vergleichen mit gespeicherten
Daten. Derartige Speicher- und Verarbeitungseinheiten sind einem
Fachmann allgemein bekannt und können standardmäßige PCs
enthalten, die mit einer entsprechenden Software ausgestattet sind.
Algorithmen zum Verarbeiten und Vergleichen mit Bilddaten sind beispielsweise
in der
US 4,135,147 und
4,688,995 offenbart.
-
Wenn
ein Fingerabdruck auf der Bildgebungsoberfläche 118 des optischen
Prismas platziert wird, kontaktieren Erhebungen 111 des
Fingerabdrucks die Bildgebungsoberfläche 118, und Täler 109 des
Fingerabdrucks sind ohne Kontakt mit der Bildgebungsoberfläche 118.
Folglich wird das in die Fingerabdruck-Täler 109 einfallende
Licht 124, welches in das optische Prisma 110 von
der Lichtquelle 112 aus eintritt, vollständig intern
an der Bildgebungsoberfläche 118 reflektiert,
wenn der Einfallswinkel des ankommenden Lichts den kritischen Winkel
des optischen Prismas 110 überschreitet. An den Erhebungen 111 eines
Fingerabdrucks wird jedoch ein Teil des einfallenden Lichts 124 absorbiert
und von der Fingerabdruck-Erhebung gestreut. Der hier verwendete
Begriff „gestreut" gibt Licht an, welches
nach Auftreffen auf eine unregelmäßige Oberfläche abgestrahlt oder unregelmäßig von
der unregelmäßigen Oberfläche in mehrere
Richtungen reflektiert wird.
-
Als
Ergebnis dieser Streuung und/oder Absorption ergibt sich weniger
als eine interne Totalreflexion des einfallenden Lichts 124 an
den Fingerabdruck-Erhebungen 111. Die Intensität des reflektierten
Lichts 130, welches das Prisma 110 verlässt, von den
Tälern 109 eines
Fingerabdrucks ist folglich größer als
die Intensität
des von den Erhebungen 111 reflektierten Lichts 130,
welches das Prisma 110 verlässt. Das von den Erhebungen 111 reflektierte
Licht 130 geringerer Intensität wird in dunklere Regionen umgewandelt,
um das Vorhandensein eines Objekts an dem Einfallspunkt zwischen
dem Lichtstrahl und der Fingerabdruckoberfläche anzugeben. Umgekehrt wird
reflektiertes Licht 130 höherer Intensität, beispielsweise
das, welches einer internen Totalreflexion unterworfen wird, in
hellere Regionen umgesetzt, um das Vorhandensein eines Objekts an
dem Einfallspunkt zwischen dem einfallenden Licht 124 und der Bildgebungsoberfläche 118 anzugeben.
Dies erlaubt eine Unterscheidung der dunkleren Fingerabdruck-Erhebungen 111 von
den relativ helleren Fingerabdruck-Tälern 109. Da die Absorption
des einfallenden Lichts an den Fingerabdruck-Erhebungen 111 primär verantwortlich
ist für
die Erzeugung eines Fingerabdruckbildes, wird das System 108 als
ein „Absorptions"-Bildgebungssystem
bezeichnet.
-
Das
oben beschriebene System erlaubt ein Erfassen eines optischen Fingerabdruckbildes
und ein Verarbeiten der elektrischen Darstellung des optischen Fingerabdruckbildes.
In Regionen der Fingerabdruck-Erhebungen 111 unterliegt
das einfallende Licht 124 jedoch immer noch gewissen internen
Totalreflexionen und einer Streuung in eine Richtung parallel zu
dem reflektierten Licht 130. Die Differenz in der Intensität zwischen
dem reflektierten Licht 130 von den Fingerabdruck-Tälern 109 und
den Fingerabdruck-Erhebungen 111 kann relativ klein sein.
Der Kontrast zwischen den Fingerabdruck-Erhebungen 111 und
den Fingerabdruck-Tälern 109 in
dem Fingerabdruckbild kann relativ schwach sein. Dies kann die Bilderfassung,
die Bildverarbeitung und den Bildvergleich relativ schwierig machen.
-
In
optischen Erkennungssystemen, beispielsweise in dem optischen Erkennungssystem 108,
kann es wünschenswert
sein, dass der Durchmesser der ersten Linse in der Linsenanordnung 114 kleiner
als das Bild eines Fingerabdrucks auf der Sichtoberfläche 122 ist.
Dies erlaubt ein optisches Erkennungssystem 108, welches
relativ klein und kostengünstiger
herzustellen ist.
-
Wie
in 2 gezeigt, wenn in einem System vom Absorptionstyp,
beispielsweise in dem System 108, der Durchmesser der ersten
Linse der Linsenanordnung 114 kleiner als der Fingerabdruck
auf der Bildgebungsoberfläche 118 ist,
muss jedoch die Linsenanordnung 114 im Allgemeinen relativ
weit weg von der Sichtoberfläche 122 platziert
werden. Dies erlaubt, dass das Bild eines von dem System 108 erfassten
Fingerabdrucks bis zu den Rändern
des Fingerabdrucksbildes relativ scharf ist. Wenn die Linsenanordnung 114 zu
nahe an der Sichtoberfläche 122 platziert
wird, können
also die Ränder
eines Fingerabdruckbildes verloren oder nahe der Ränder des
Bildes verzerrt werden. Dies liegt daran, dass in einem Absorptionssystem,
wie in dem System 108, die Lichtstrahlen, die das Bild
des Fingerabdrucks erzeugen, im Wesentlichen parallel für das zu
fokussierende Bild sein müssen.
Wenn die erste Linse in der Linsenanordnung 114 kleiner
als der Fingerabdruck in der Bildgebungsoberfläche 118 ist, dann
können die Lichtstrahlen
von den Rändern
des Fingerabdruckbildes, die parallel zu den Lichtstrahlen von Bereichen sind,
die näher
am Zentrum eines Fingerabdruckbildes sind, nicht in die Linsenanordnung 114 eintreten. Dies
kann dazu führen,
dass die Ränder
eines Fingerabdruckbildes nicht fokussiert sind oder verloren gehen.
-
Wie
in 2 gezeigt, wenn die Linsenanordnung für das optische
Erkennungssystem 108 dort platziert werden würde, wo
die Linsenanordnung 114' gezeigt
ist (im Phantom), dann würden
im Wesentlichen parallele Strahlen von reflektiertem Licht 130 und 130' nicht in die
Linsenanordnung 114' eintreten. Aus
diesem Grund würde
das System 108 kein scharfes Bild eines Fingerabdrucks
erzeugen, welcher auf der Bildgebungsoberfläche 118 an Stellen
A und B platziert ist, wenn die Linsenanordnung an der Stelle der
Linsenanordnung 114' platziert
werden würde.
-
Wie
in 2 gezeigt, kann in einem Absorptionssystem die
Reduzierung der Größe verloren
gehen, die durch die Herstellung einer relativ kleinen ersten Linse
der Linsenanordnung 114 erreicht wird, da die Linsenanordnung 114 in
einem relativ großen Abstand
von der Sichtoberfläche 122 platziert
werden muss, um das gesamte Fingerabdruckbild zu erfassen, indem
Lichtstrahlen verwendet werden, die im Wesentlichen parallel sind.
Aus diesem Grund kann eine relativ kompakte Ausgestaltung des optischen
Erkennungssystems 108 problematisch sein. Darüber hinaus
kann ein relativ großer
Abstand zwischen der Sichtoberfläche 122 und
der Linsenanordnung 114 einen Kontrastverlust aufgrund
von Lichtinterferenz in dem Fingerabdruckbild verursachen.
-
Wenn
die erste Linse in der Linsenanordnung 114 kleiner als
ein Bild eines Fingerabdrucks an der Sichtoberfläche 122 ist, kann
ferner ein Phänomen
in dem optischen Erkennungssystem 108 auftreten, welches
als Trapezverzerrung bekannt ist. Die Trapezverzerrung in einem
Bildgebungssystem hat den Effekt, dass das Bild eines Quadrats,
das durch das System erzeugt wird, als Trapez erscheint.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung, die zeigt, warum eine Trapezverzerrung
in dem optischen Erkennungssystem 108 auftritt. Das einfallende
Licht 124 von der Lichtquelle 112 tritt in das
Prisma 110 ein und wird von der Bildgebungsoberfläche 118 reflektiert,
wodurch ein Objekt AB abgebildet wird. Das reflektierte Licht 130 verläuft dann
aus der Sichtoberfläche 122 heraus
und zu der Linsenanordnung 114 an den Punkten A' und B', um das Objekt A'B' zu bilden. Bei Betrachtung des Objekts
AB durch die Sichtoberfläche 122 würde das
Objekt AB erscheinen als ein „scheinbares
Bild" Objekt ab.
Speziell erscheint der Punkt A am Punkt a, einem Abstand aa' von der Sichtoberfläche 122 und
der Punkt B erscheint an dem Punkt b, einem Abstand bb' von der Sichtoberfläche 122.
Der Abstand, mit dem ein scheinbares Bild eines Objekts von der
Sichtoberfläche 122 erscheint,
ist gegen durch den tatsächlichen Abstand
des Objekts von der Sichtoberfläche 122 geteilt
durch den Brechungsindex n des Prismas 110. Speziell ist
der Abstand aa' gegeben
durch: aa' =
Aa' / n,wobei
n der Brechungsindex des Prismas 110 ist. In ähnlicher
Weise gilt bb' =
Bb' / n.
-
Die
Trapezverzerrung tritt auf, wenn die Lichtweglänge von dem scheinbaren Bild
eines Objekts zu der Linsenebene 107 der Linsenanordnung 114 für unterschiedliche
Bereiche des abgebildeten Objekts verschieden ist, und die Objektlinse
der Linseanordnung 114 kleiner als das Bild des Fingerabdrucks
durch die Sichtoberfläche 122 ist.
Speziell tritt die Trapezverzerrung in dem System 108 auf,
da der Abstand aA' größer ist
als der Abstand bB',
und der Durchmesser der Linsenanordnung 114 kleiner als der
Abstand a'b' auf der Sichtoberfläche 122 ist.
-
Eine
andere Konsequenz, dass die Strecke aA' größer als
die Strecke bB' ist,
ist, dass ein Bild eines Objekts, welches an jedem Bereich des Bildes scharf
fokussiert ist, schwierig gewonnen werden kann. Wann immer die Lichtweglänge von
dem scheinbaren Bild eines Objekts zu der Linsenebene und letztendlich
zum Bildsensor einer Linsenanordnung für verschiedene Teile des abgebildeten
Objekts verschieden ist, können
Bereiche des Bildes des Objekts an der Linsenebene relativ scharf
fokussiert werden, und Bereiche des Bildes können nicht fokussiert sein.
-
Um
beides, das Problem der Trapezverzerrung und das Problem einen Bereich
eines Bildes eines Objektes zu haben, welcher nicht fokussiert ist, zu
korrigieren, haben bisher Hersteller die Linsenebene 107 der
Linsenanordnung 114 und dem Bildsensor 116 geneigt,
um den Abstand bB' zu
vergrößern und
den Abstand aA' bis
zu einem Punkt zu verkleinern, wo die zwei Abstände ungefähr gleich sind. Es ist jedoch
eine Eigenschaft eines gleichschenkligen rechtwinkligen Prismas
(also ein Dreieckprisma, bei dem die Basiswinkel ungefähr 45 Grad
sind und der Nichtbasiswinkel, oder Scheitelwinkel ungefähr 90 Grad
ist), dass das reflektierte Licht 130 aus dem Prisma 110 im
Wesentlichen senkrecht zu der Sichtoberfläche 122 austritt.
Es erfolgt also keine Brechung des reflektierten Lichts 130, wenn
es aus der Sichtoberfläche 122 austritt.
Ferner gilt allgemein, je größer der
Einfallswinkel auf eine Oberfläche
eines transparenten Objekts, desto größer der Teil des einfallenden
Lichts, welcher von der Oberfläche
reflektiert wird. Obwohl das Neigen der Linsenanordnung 114 und
des Sensors die Trapezverzerrung reduzieren und die Bildschärfe erhöhen kann,
wird eine größere Reflexion
des reflektierten Lichts 130 weg von der Oberfläche der
Linsenanordnung 114 und der Oberfläche des Bildsensors 116 verursacht,
da das reflektierte Licht 130 auf die Linsenanordnung 114 unter
einem größeren Einfallswinkel
auftrifft. Dies reduziert die Intensität des Lichts, welches in den
Bildsensor 116 eintritt, wodurch die Bildverarbeitung und
der Vergleich schwieriger werden.
-
Zusätzlich ermöglicht eine
relative Platzierung der Lichtquelle 112 und der Linsenanordnung 114,
dass Streulicht 113, das von der Lichtquelle 112 ausgesendet
wird, in die Linsenanordnung 114 eintritt. Dies kann weiteres
Hintergrundrauschlicht erzeugen, welches weiter die Qualität eines
erfassten Bildes reduzieren und eine Bildverarbeitung schwieriger
gestalten kann.
-
Um
einen Teil der Schwierigkeiten zu überwinden, die in Zusammenhang
stehen mit dem oben beschriebenen Bilderfassungssystem vom Absorptionstyp,
sind Erfassungssysteme entworfen worden, die primär auf „Streuungs"-Mechanismen anstatt
auf Absorptionsmechanismen basieren. Ein derartiges Erfassungssystem
ist in der
US 5,233,404 von
J. Lougheed et al., 3. August 1993 (Lougheed et al.) offenbart.
3 ist
ein schematisches Diagramm, welches den Bilderfassungsbereich der
Vorrichtung verdeutlicht, die durch Lougheed et al. offenbart ist.
Wie in
3 gezeigt, enthält ein bekanntes Bilderfassungssystem
208 ein
trapezförmiges Prisma
210, eine
Lichtquelle
212, eine Linsenanordnung
214 und einen
Bildsensor
216. Das trapezförmige Prisma
210 enthält mindestens
eine Bildgebungsoberfläche
218, eine
Lichtempfangsoberfläche
220 und
eine Sichtoberfläche
222.
-
Die
Bildgebungsoberfläche 218 ist
eine Oberfläche,
gegen welche ein abzubildendes Objekt, beispielsweise ein Fingerabdruck,
platziert wird. Die Lichtquelle 212 ist benachbart zu der
Lichtempfangsoberfläche 220 angeordnet
und weist zu dieser, wobei die Lichtempfangsoberfläche im Wesentlichen parallel
zu der Bildgebungsoberfläche 218 ist.
Einfallendes Licht 224, welches von der Lichtquelle 212 ausgesendet
wird, projiziert Licht durch das Prisma 210 und auf die
Bildgebungsoberfläche 218 unter
einem Winkel, der im Allgemeinen kleiner als der kritische Winkel 228 des
Prismas 210 ist. In den Tälern 209 eines gegen
die Bildgebungsoberfläche 218 platzierten
Fingerabdrucks, wo der Fingerabdruck nicht in Kontakt mit der Bildgebungsoberfläche ist,
tritt keine interne Totalreflexion auf, und einfallendes Licht 224 verläuft durch
die Bildgebungsoberfläche 218. An
Punkten, wo die Fingerabdruck-Erhebungen 211 in Kontakt
sind mit der Bildgebungsoberfläche 218, trifft
das einfallende Licht 224 auf die Fingerabdruck-Erhebung,
um gestreutes (oder äquivalent
unregelmäßiges reflektiertes)
Licht 230 zu erzeugen. Gestreutes Licht 230 breitet
sich zurück
in das Prisma 210 im Wesentlichen in allen Richtungen einschließlich der
Richtung der Linsenanordnung 214 aus, die benachbart zu
der Sichtoberfläche 222 ist. Gestreutes
Licht verläuft
durch die Sichtoberfläche 222 und
in die Linsenanordnung 214, um durch den Bildsensor 216 detektiert
zu werden, der, wie oben beschrieben, ein CCD-, CMOS- oder ein Detektor von
einem anderen Typ sein kann.
-
In
der Region eines Fingerabdruck-Tals 209 verläuft einfallendes
Licht 224 durch die Bildgebungsoberfläche 218. In dem Bereich
einer Fingerabdruckerhebung 211 streut das einfallende
Licht 224 von der Bildgebungsoberfläche 218, um von der Linsenanordnung 214 und
dem Bildsensor 216 aufgenommen zu werden. Entsprechend
ist das Bild des Fingerabdrucks an Fingerabdruck-Erhebungen 211 relativ
hell und an Fingerabdruck-Tälern 209 relativ dunkel.
Da gestreutes Licht 230 von dem Bildsensor 216 aufgenommen
wird, wird dieser Typ von System als „Streuungs"-System bezeichnet.
-
Die
Intensitätsdifferenz
oder das Intensitätsverhältnis zwischen
den Erhebungen und den Tälern in
einem Fingerabdruckbild, das durch ein derartiges Streuungssystem
erzeugt wird, kann grö ßer sein
als die Intensitätsdifferenz
oder das Intensitätsverhältnis zwischen
den Erhebungen und den Tälern
eines Fingerabdruckbildes, welches in einem Absorptionssystem gemäß 1 erzeugt
wird. Als Ergebnis kann das Fingerabdruckbild, das durch ein derartiges Streuungssystem
erzeugt wird, einen höheren
Kontrast zwischen den Fingerabdruck-Erhebungen und -Tälern anzeigen,
als ein Bild, welches durch ein Absorptionssystem erzeugt wird.
Folglich kann das Bild genauer von dem Bildsensor 216 erfasst
werden. Dies kann Fehler in nachfolgenden Fingerabdruckvergleichen,
die durch das System vorgenommen werden, reduzieren.
-
Zusätzlich ist
es eine Eigenschaft eines Streuungssystems, dass die Strahlen von
Licht, die in die Linsenanordnung 214 eintreten, um ein
Bild eines Fingerabdrucks in einem Streuungssystem zu erzeugen,
nicht parallel sein müssen,
um ein scharfes Bild zu erzeugen. Wenn die erste Linse in der Linsenanordnung 214 kleiner
als das Bild des Fingerabdrucks in der Sichtoberfläche 222 ist,
kann folglich die Linsenanordnung 214 immer noch relativ
nahe an der Sichtoberfläche 222 platziert
werden, ohne einem Verlust von Bildschärfe nahe der Ränder des
Bildes.
-
Ein
trapezförmiges
Prisma, beispielsweise das Prisma 210, kann teurer sein
in der Herstellung, als ein Dreieckprisma, wie beispielsweise das
Prisma 110 gemäß 1.
Dies liegt daran, dass neben anderen Gründen eine zusätzliche
Oberfläche
poliert werden muss. Dies kann den Preis eines Bildgebungssystems,
wie beispielsweise das des Bildgebungssystems 208 erhöhen, wodurch
es für
eine Verbraucherverwendung weniger praktikabel wird.
-
Aufgrund
der Differenzen in gestreuten Lichtweglängen von verschiedenen Bereichen
eines scheinbaren Bildes des Fingerabdrucks in dem Prisma 210 zu
der Linsenanordnung 214 kann das Bilderfassungssystem 208 Bereiche
eines Fingerabdruckbildes nicht fokussieren, in einer ähnlichen
Art und Weise, wie bei dem optischen Erkennungssystem 108.
Obwohl nicht in 3 gezeigt, wenn die erste Linse
in der Linsenanordnung 214 des Bilderfassungssystems 208 kleiner
als ein Fingerabdruckbild auf der Sichtoberfläche 222 ist, können Differenzen
in gestreuten Lichtweglängen
von verschiedenen Bereichen des scheinbaren Bildes des Fingerabdrucks
in dem Prisma 210 zu der Linsenanordnung 214 und
dem Bildsensor 216 ebenfalls einen trapezförmige Verzerrung
erzeugen.
-
Wie
aus der oben gegebenen Diskussion deutlich wird, besteht eine Notwendigkeit
für eine
verbesserte Bilderfassungsvorrichtung zur Verwendung mit Erkennungssystemen
für gemusterte
Objekte. Speziell wäre
eine Bilderfassungsvorrichtung wünschenswert,
die ein Bild erzeugt, welches eine reduzierte oder im Wesentlichen
keine trapezförmige
Verzerrung aufweist. Zusätzlich
ist ein Bilderfassungssystem wünschenswert,
welches ein Bild erzeugt, bei welchem im Wesentlichen das Gesamtbild
fokussiert ist. Das Bilderfassungssystem sollte auch relativ kompakt
und für
den Hersteller günstig
sein.
-
Seigo
Ikaki et al.: „Holographic
Fingerprint Sensor",
Fujitsu-Scientific and technical journal, JP, Fujitsa Limited, Kawasaki,
Vol 25, Nr. 4, 21. Dezember 1989 (1989-12-21) Seiten 287–296 offenbart
das Prinzip eines Prisma-Fingerabdrucksensors.
-
Die
WO 00/28469 offenbart eine Vorrichtung zum Bilden eines Bildes eines
gemusterten Objekts. Die Vorrichtung enthält einen Lichtrefraktor zum
Reflektieren und Brechen von Licht, wobei der Lichtrefraktor aus
einem Material besteht, welches einen Brechungsindex n, n > 1 aufweist, und eine
Bildgebungsoberfläche,
gegen welche ein abzubildendes gemustertes Objekt zu platzieren
ist, eine Sichtoberfläche
benachbart zu der Bildgebungsoberfläche und durch welche ein Bild
des gemusterten Objekts, welches abzubilden ist, projiziert wird,
und eine weitere Oberfläche
benachbart zu der Bildgebungsoberfläche enthält. Die Vorrichtung enthält ferner
mindestens eine Linse außerhalb
des Lichtrefraktors benachbart zu der Sichtoberfläche und
zum Empfangen von Licht, welches aus dem Refraktor durch die Sichtoberfläche austritt,
und zum Fokussieren des Lichts, um das Bild des gemusterten Objekts
auf einem ebenen Sensor zu bilden. Die Linse hat eine Ebene parallel
zu dem Sensor und senkrecht zu der optischen Achse des Systems,
die durch das Zentrum der Linse verläuft, und die Linsenebene bildet einen
nicht verschwindenden Winkel mit der Sichtoberfläche. Aufgrund des Brechungsindex
des Lichtrefraktors, der kleiner als 1 ist, erscheint das Bild des gemusterten
Objekts, das durch die Linse gebildet wird, für einen Betrachter so als sei
es aufgrund eines scheinbaren Bildobjekts, welches in dem Lichtrefraktor
lokalisiert ist. Um die Weglänge
eines ersten Lichtstrahls, der von einem Teil des scheinbaren Bildobjekts
zu der Linsenebene mit einer Weglänge wandert, mit einer Weglänge irgendeines
anderen Lichtstrahls, der im Wesentlichen parallel zu dem ersten
Lichtstrahl ist und von einem anderen Teil des scheinbaren Bildobjekts
des gemusterten Ob jekts zu der Linsenebene verläuft, im Wesentlichen auszugleichen,
wird vorgeschlagen, dass der Lichtrefraktor gedreht werden kann.
-
Die
vorliegende Erfindung liefert eine kompakte Vorrichtung zum Bilden
eines kontrastreichen, verzerrungsarmen Bildes eines gemusterten
Objekts, mit (a) einem Lichtrefraktor, dessen Oberflächen plan
sind zum Reflektieren und Brechen von Licht, wobei der Lichtrefraktor
aus einem Material besteht, das einen Brechungsindex n, n > 1, aufweist, und der
eine Abbildungsoberfläche,
gegen die ein gemustertes Objekt, das abzubilden ist, platziert
wird, eine Sichtoberfläche,
die benachbart zu der Abbildungsoberfläche ist und durch die ein Bild
des gemusterten Objekts, das abzubilden ist, projiziert wird, wobei
die Sichtoberfläche
einen nicht verschwindenden Winkel γ mit der Abbildungsoberfläche bildet, und
eine weitere Oberfläche
aufweist benachbart zu der Abbildungsoberfläche, und (b) mindestens einer Linse
außerhalb
des Lichtrefraktors und benachbart zu der Sichtoberfläche und
zum Empfangen von Licht, das den Refraktor durch die Sichtoberfläche verlässt, und
zum Fokussieren des Lichts zum Ausbilden des Bildes des gemusterten
Objekts auf einem planen Sensor, wobei die Linse eine Linsenebene aufweist,
die parallel zu dem Sensor und senkrecht zu der optischen Achse
des Systems, welche durch das Zentrum der Linse führt, ist
und mit der Sichtoberfläche
einen nicht verschwindenden Winkel δ bildet, wodurch, aufgrund des
Brechungsindexes n > 1 des
Lichtrefraktors, das von der Linse ausgebildete Bilder des gemusterten
Objekts, einem Betrachter so erscheinen würde, als wäre es durch ein scheinbares Bildobjekt
verursacht, das sich im Lichtrefraktor befindet, und wobei beide,
die Winkel γ und δ, derart
gebildet sind, dass sie im Wesentlichen eine Weglänge eines
ersten Lichtstrahls, der von einem Teil des scheinbaren Bildobjekts
zu der Linsenebene führt, mit
einer Weglänge
irgendeines anderen Lichtstrahls, der im Wesentlichen parallel zu
dem ersten Lichtstrahl ist und von einem anderen Teil des scheinbaren
Bildobjekts des gemusterten Objekts zur Linsenebene führt, ausgleichen.
-
Die
vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Abbilden eines
gemusterten Objekts mit einem Bereitstellen eines Lichtrefraktors,
dessen Oberflächen
plan sind und der aus einem Material mit einem Brechungsindex n,
n > 1, besteht und
der eine Abbildungsoberfläche
und eine Sichtoberfläche
und eine weitere Oberfläche
aufweist; einem Ausbilden eines nicht verschwindenden Winkels γ, zwischen
einer Ebene, die durch die Sichtoberfläche definiert wird, und einer
Ebene, die durch Abbildungsoberflächen definiert wird; einem
Platzieren des gemus terten Objekts gegen die Abbildungsoberfläche des Lichtrefraktors;
einem Projizieren von einfallendem Licht in den Lichtrefraktor;
einem Bereitstellen einer Linse außerhalb des Lichtrefraktors
und benachbart zu der Sichtoberfläche derart, dass die Linse
eine Ebene senkrecht zu der optischen Achse des Systems, welche
durch das Zentrum der Linse verläuft, aufweist;
einem Bilden eines nicht verschwindenden Winkels δ zwischen
der Ebene, die durch die Sichtoberfläche definiert wird, und der
Linsenebene; einem Streuen des einfallenden Lichts an der Abbildungsoberfläche und
an dem gemusterten Objekt und durch die plane Sichtoberfläche; einem
Ausbilden eines Bildes des gemusterten Objekts auf einem planen
Sensor, das aufgrund des Brechungsindexes n > 1, einem Betrachter erscheint, als wäre es verursacht durch
ein scheinbares Bildobjekt, das sich in dem Lichtrefraktor befindet,
und durch Fokussieren des Lichts von der Sichtoberfläche durch
die Linse; wobei die Linsenebene und der plane Sensor parallel sind; und
bei dem beide Winkel δ und γ so festgelegt
werden, dass sie im Wesentlichen eine Weglänge eines ersten Lichtstrahls,
der von einem Teil des scheinbaren Bildobjekts in dem Bildrefraktor
zur Linsenebene führt,
mit einer Weglänge
irgend eines anderen, im Wesentlichen zum ersten Lichtstrahl parallelen
Lichtstrahls, der von einem anderen Teil des scheinbaren Bildobjekts
zu der Linsenebene führt,
ausgleichen.
-
Die
vorliegende Erfindung enthält
eine kompakte Bilderfassungsvorrichtung, die ein kontrastreiches,
verzerrungsarmes Bild erzeugt, welches eine reduzierte oder im Wesentlichen
keine trapezförmige Verzerrung
aufweist. Darüber
hinaus kann das Bilderfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
relativ billig hergestellt werden. Die Vorrichtung enthält einen
Lichtrefraktor, der eine Abbildungsoberfläche aufweist, gegen welche
ein gemustertes Objekt zu platzieren ist, um ein scheinbares Bild
des gemusterten Objekts in dem Lichtrefraktor zu bilden, eine weitere
Oberfläche
und eine Sichtoberfläche. Die
Sichtoberfläche
ist benachbart zu der Abbildungsoberfläche und bildet mit dieser einen
Winkel γ. Ein
Bild des gemusterten Objekts wird durch die Sichtoberfläche projiziert.
Die Vorrichtung enthält auch
eine Linse benachbart zu der Sichtoberfläche zum Empfangen und Fokussieren
eines Bildes eines gemusterten Objekts. Die Linse hat eine Linsenebene,
die senkrecht zu einer optischen Achse der Linse ist und einen Winkel δ mit der
Sichtoberfläche
bildet. Die Winkel γ und δ sind gebildet,
um im Wesentlichen eine Weglänge
eines ersten Lichtstrahls, der von einem Teil des scheinbaren Bildes
des gemusterten Objekts zu der Linsenebene und letztendlich zu dem Bildsensor
verläuft,
mit einer Weglänge
irgendeines anderen Lichtstrahls, der im Wesentlichen senkrecht zu
dem ersten Lichtstrahl ist und von einem anderen Teil des scheinbaren
Bildes des gemusterten Objekts zu der Linsenebene und letztendlich
zu dem Bildsensor verläuft,
auszugleichen. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem die Winkel γ und δ festgelegt
werden, um die Gleichung zu erfüllen: 0,7 ≤ (n2 – sin2δ)½ (cotγ) (sinδ) + sin2δ ≤ 1,30.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise jeder
Punkt des Bereichs der Abbildungsoberfläche, gegen welche ein Objekt,
das abzubilden ist, zu platzieren ist, in der Lage sein mindestens
einen Lichtstrahl aufzuweisen, der von dort derart gestreut wird,
dass die Kreuzung des Lichtstrahls mit der Sichtoberfläche einen
Winkel zueinander bildet, benachbart zu der Kreuzung der Sichtoberfläche mit
der Abbildungsoberfläche,
der kleiner als 90 Grad ist.
-
Das
oben diskutierte Verfahren und die Vorrichtung erlauben das Bilden
eines Bildes eines gemusterten Objekts mit reduzierter oder im Wesentlichen
keiner trapezförmiger
Verzerrung, und eines Bildes, welches insgesamt relativ scharf fokussiert ist.
Dies erleichtert vorteilhafterweise eine genauere Verarbeitung und
einen genaueren Vergleich von gemusterten Objektbildern.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
ein Schema einer bekannten Bilderfassungsvorrichtung, die eine Absorptionsbilderfassungstechnik
verwendet.
-
2 zeigt
ein Schema der Bilderfassungsvorrichtung gemäß 1, welches
eine trapezförmige
Verzerrung verdeutlicht.
-
3 zeigt
ein Schema gemäß einer
zweiten bekannten Bilderfassungsvorrichtung, die eine Streubilderfassungstechnik
verwendet.
-
4 zeigt
ein Diagramm eines Bilderfassungssystems, welches ein Prisma, eine
Lichtquelle, eine Linsenanordnung und einen Bildsensor enthält, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
5 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Prismas und der Lichtquelle gemäß 4.
-
6 zeigt
ein schematisches Diagramm des Bilderfassungssystems gemäß 4,
welches verdeutlicht, wie Trapezverzerrung erzeugt wird.
-
7 zeigt
ein schematisches Diagramm, welches eine Linsenanordnung zeigt,
die mit dem Bilderfassungssystem gemäß 4 verwendet
werden kann.
-
8 zeigt
ein schematisches Diagramm des Bilderfassungssystems gemäß 4,
welches eine bevorzugte Prisma- und Linsenanordnung darstellt.
-
9 zeigt
ein schematisches Diagramm, welches ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines Prismas zeigt, welches mit dem Bilderfassungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, zur Verdeutlichung eines gestreuten Lichtstrahlwegs.
-
10 zeigt
ein schematisches Diagramm des Prismas gemäß 9, welches
einen alternierenden gestreuten Lichtstrahlweg zeigt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
-
Die 4 und 5 zeigen
ein Bilderfassungssystem 308 für ein gemustertes Objekt gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Erfassungssystem 308 enthält vorzugsweise
ein Dreieckprisma 10, eine Lichtquelle 312, eine
Linsenanordnung 314 und einen Bildsensor 316.
Das Prisma 310 ist ein fünfflächiges Dreieckprisma, dessen
Länge sich
in die Ebene gemäß 4 erstreckt.
Das Prisma 310 enthält
eine rechteckige, plane Abbildungsoberfläche 318, gegen welche
ein Objekt, das abzubilden ist, beispielsweise ein Fingerabdruck 335,
platziert wird. Das Prisma 310 enthält auch eine rechteckige, planare
Sichtoberfläche 320,
durch welche ein Bild eines Fingerabdrucks 335, der gegen
die Abbildungsoberfläche 318 platziert
ist, aus dem Prisma 310 nach außen verläuft. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 4 und 5 dient
die Sichtoberfläche 320 auch
als eine lichtempfangende Oberfläche,
um Licht zu erlauben in das Prisma 310 einzudringen. Eine
Lichtstreuoberfläche 322 enthält eine
dritte oder weitere rechtwinklige, planare Oberfläche des
Prismas 310. Aus Gründen,
die später
genauer beschrieben werden, ist die Lichtstreuoberfläche 322 vorzugsweise diffusiv.
-
Die
Lichtquelle 312 ist vorzugsweise ein längliches LED-Array bestehend
aus einer einzelnen Reihe aus lichtemittierenden Dioden (LEDs),
die sich der Länge
des Prismas 310 (in die Ebene gemäß 4) nach
erstrecken. Wenn derartige LEDs als Lichtquelle 312 verwendet
werden, kann eine diffusive Abdeckung zwischen den LEDs und der
Sichtoberfläche 320 platziert
wer den, um eine gleichmäßigere Ausleuchtung
der Abbildungsoberfläche 318 zu liefern.
Es ist ebenfalls innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung,
dass die Lichtquelle 312 irgendein anderer Typ von Lichtquelle
sein kann, um einfallendes Licht in das Prisma 310 zu liefern.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle 312 entlang eines Randes 338 des
Prismas 310 platziert, der der Abbildungsoberfläche 318 gegenüberliegt.
Es ist ebenfalls innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung eine
Lichtquelle für
das Erfassungssystem 308 in irgendeiner anderen Weise zu
konfigurieren und anzuordnen. Beispielsweise sind andere Konfigurationen für Lichtquellen,
die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, offenbart
in der US-Patentanmeldung Nr. 09/191,428 „High Contrast, Low Distortion
Optical Acquisition System for Image Capturing", angemeldet am 12 November 1998. Diese enthält ein Platzieren
der Lichtquelle 312 gegen die Sichtoberfläche 320 irgendwo
zwischen dem Rand 338 und der Linie 360 entlang
der Sichtoberfläche 320,
die durch die Kreuzung der Sichtoberfläche 320 mit einer
senkrechten Linie zu der Sichtoberfläche 320, die den Rand 365 kreuzt,
gebildet ist.
-
Die
Linsenanordnung 314 dient zum Empfangen von gestreutem
Licht 330 von dem Fingerabdruck 335 und zum Fokussieren
des gestreuten Lichts 330 auf einem Bildsensor 361.
Die Linsenanordnung 314 kann eine einzelne Linse sein,
oder kann vorzugsweise mehrere Linsen enthalten. Die Linsenanordnung 314 hat
am bevorzugtesten eine Brennweite von ungefähr 13,48 mm und ist ungefähr 13,5
mm von der Sichtoberfläche 320 entfernt
angeordnet. Wie in 7 gezeigt, die ein schematisches Diagramm
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Linsenanordnung 314 zeigt, enthält die Linsenanordnung darüber hinaus
drei Linsen 904, 906 und 908, deren jeweiligen
optischen Achsen zu einer gemeinsamen optischen Achse 902 ausgerichtet
sind. Die Linse 904 hat am bevorzugtesten einen Durchmesser
von ungefähr
17,8 mm, und die beiden Linsen 906 und 908 haben
am bevorzugtesten einen Durchmesser von ungefähr 6 mm. Es sei erwähnt, dass
irgendeine Anzahl von Linsen in der Linsenanordnung 314 enthalten
sein kann.
-
Der
Bildsensor
316 erfasst optische Lichtbilder von der Linsenanordnung
314 und
wandelt sie in elektrische Signale. Der Bildsensor
316 kann
eine ladungsgekoppelte Vorrichtung („CCD") oder irgendein anderes Mittel sein,
um ein Lichtsignal in ein analoges oder ein digitales elektrisches
Signal umzuwandeln. Vorzugsweise ist der Bildsensor
316 eine CMOS-Vorrichtung.
CCD- und CMOS-Bildsensoren sind Fachleuten auf diesem Gebiet allgemein
bekannt. Die elektrischen Signale, die von dem Bildsensor
316 erzeugt
werden, können
verarbeitet werden, indem bekannte Mittel verwendet werden, und
können
verwendet werden, um Bildmuster, beispielsweise Fingerabdrücke zu vergleichen.
Wie in dem Hintergrundabschnitt beschrieben, sind derartige Signalverarbeitungsmittel
beispielsweise in
US 4,135,147 und
4,688,995 offenbart.
-
Um
ein optisches Bild eines Fingerabdrucks 335 auf einem Bildsensor 316 zu
erzeugen, wird ein Fingerabdruck 335 gegen die Abbildungsoberfläche 318 platziert.
Einfallendes Licht 324 von der Lichtquelle 3112 verläuft durch
die Sichtoberfläche 320 und
in das Prisma 310. Da die Lichtquelle 312 benachbart
zu dem Rand 338 angeordnet ist, trifft das einfallende
Licht 324 auf die Streuoberfläche 322. Wie oben
erwähnt,
ist die Streuoberfläche 322 vorzugsweise
diffusiv. Als solche wird ein relativ großer Teil des einfallenden Lichts 334,
welches auf die Streuoberfläche 322 auftrifft,
intern in dem Prisma 310 gestreut. Das gestreute Licht
trifft dann auf die Abbildungsoberfläche 318. Selbst wenn
die Lichtstreuoberfläche 322 nicht
diffusiv ist, trifft im Wesentlichen das gesamte einfallende Licht 324 auf
die Streuoberfläche 322 unter
einem Winkel 323, der größer als der kritische Winkel
für die
Streuoberfläche 322 ist.
Folglich wird das einfallende Licht von der Streuoberfläche 322 reflektiert
und trifft auf die Abbildungsoberfläche 318. Um die Reflexion
des einfallenden Lichts von der Streuoberfläche 322 zu verbessern,
wird in Erwägung
gezogen eine gespiegelte Fläche
auf einer reflektierenden Oberfläche 381 in Richtung
Streuoberfläche 322 zu
platzieren.
-
Da
einfallendes Licht 324 gestreut oder direkt von der Streuoberfläche 322 reflektiert
worden ist, trifft ein relativ großer Prozentsatz des einfallenden
Lichts 324 auf die Abbildungsoberfläche 318 unter einem
Winkel 327, der kleiner als der kritische Winkel 328 des
Prismas 310 ist. Entsprechend wird das einfallende Licht 324,
welches auf die Abbildungsoberfläche 318 in
einer Region davon trifft, wo ein Fingerabdruck-Tal 309 vorliegt,
keiner internen Totalreflexion unterworfen, und verläuft im Wesentlichen
durch die Abbildungsoberfläche 318 hindurch. Folglich
wird im Wesentlichen kein Licht, welches an den Bereich der Abbildungsoberfläche 318 trifft,
wo ein Fingerabdruck-Tal 309 ist, in den Sensor 316 geleitet.
Das einfallende Licht 324, das auf eine Region der Abbildungsoberfläche 318 trifft,
wo eine Fingerabdruck-Erhebung 311 vorliegt,
die die Abbildungsoberfläche 318 berührt, wird
jedoch im Wesentlichen gestreut, wodurch gestreutes Licht 330 erzeugt
wird. Ein Teil des gestreuten Lichts 330 verlässt das
Prisma 310 über
die Sichtoberfläche 320.
Beim Austritt aus dem Prisma 310 wird das gestreute Licht 330 in die
Linsenanordnung 314 gebrochen, die das gestreute Licht 330 in
den Bildsensor 316 fokussiert.
-
Da
einfallendes Licht 324 durch die Streuoberfläche 322 gestreut
werden kann, liefert das einfallende Licht 324 eine relativ
gleichmäßige Ausleuchtung
der Abbildungsoberfläche 318,
was ein relativ gleichmäßiges Bild
erzeugt. Ein derart gleichmäßiges Bild
ist wünschenswert,
da es leichter zu verarbeiten und mit anderen gespeicherten Fingerabdruckdaten
zu vergleichen ist. Um die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung der
Abbildungsoberfläche 318 weiter
zu verbessern, kann der Bereich der Sichtoberfläche 320, der zu der
Lichtquelle 312 weist, durch Ätzlinien 370 auf der
Sichtoberfläche 320 gestreift ausgebildet
werden, wie in 5 gezeigt. Die Linien 370 verlaufen
entlang der Länge
des Prismas 310 und parallel zu dem Scheitel 338.
Die Linien 370 dienen dazu Licht, das von der Lichtquelle 312 ausgesendet
wird, diffus zu machen, wenn es durch die Sichtoberfläche 320 verläuft.
-
Zusätzlich zu
den oben diskutierten Komponenten enthält das Bilderfassungssystem 308 vorzugsweise
auch ein Lichtblockierschild 350 auf einem Bereich der
lichtempfangenden Oberfläche
benachbart zu der Lichtquelle 312. Das Lichtblockierschild
verläuft
vorzugsweise entlang der gesamten Länge des Prismas 310 (in
die Ebene der 4). Das lichtblockierende Schild 350 dient
zum Reduzieren der Menge des Lichtstrahls von der Lichtquelle 312,
die in die Linsenanordnung 314 eintreten und mit einem
Fingerabdruckbild interferieren oder es trüben kann. Es wird auch in Betracht
gezogen, dass die Oberfläche
des Lichtblockierschilds 350, die zu dem Inneren des Prismas 310 weist,
gespiegelt ausgebildet sein kann. Dieser Spiegel kann dazu dienen
die Intensität
des gestreuten Lichteinfalls auf die Abbildungsoberfläche 318 zu
erhöhen.
Zusätzlich
zu oder an Stelle der lichtblockierenden Oberfläche 350 kann eine
zweite lichtblockierende Oberfläche 352 zwischen
der Lichtquelle 312 und der Linsenanordnung 314 platziert
werden. Das Lichtschild 352 erstreckt sich vorzugsweise
von der Sichtoberfläche 320 unter einem
Winkel, um ein Eintreten des Lichtstrahls von der Lichtquelle 312 in
die Linsenanordnung 314 zu blockieren.
-
Da
die Lichtquelle 312 relativ schmal und benachbart zu dem
Rand 338 gegenüber
der Abbildungsoberfläche 318 lokalisiert
ist, wird im Wesentlichen das gesamte einfallende Licht 324, welches
die Abbildungsoberfläche 318 erreicht,
in die Linsenanordnung 314 reflektiert oder gestreut. Es
kann fast kein einfallendes Licht 324 von dem Bildsensor 316 erfasst
werden, ohne dass es von der Abbildungsoberfläche 318 an den Kontaktpunkten
mit den Fingerabdruck-Erhebungen 311 gestreut
wird. Um die Wahrscheinlichkeit weiter zu reduzieren, dass das einfallende
Licht 324, welches in die Fingerabdruck-Täler 309 fällt, den
Bildsensor 316 durch die Linsenanordnung 314 erreicht,
ist die Lichtquelle 312 vorzugsweise konfiguriert, um sich
nicht über
eine Linie 360 zu erstrecken, wie in 5 gezeigt,
die sich entlang des Prismas 310 erstreckt und durch die Kreuzung
einer Ebenennormalen mit der Sichtsoberfläche 320 definiert
ist und den Rand 365 kreuzt, benachbart zu der Abbildungsoberfläche 318.
Wenn die Lichtquelle 312 auf der gleichen Seite dieser
Linie wie Scheitel 338 gehalten wird, dann erreicht im
Wesentlichen kein einfallendes Licht 324, welches von der
Lichtquelle 312 senkrecht ausgestrahlt wird, den Bildsensor 316 ohne
eine Streuung von den Fingerabdruck-Erhebungen 311.
-
Durch
Minimieren des einfallenden Lichts 324 von der Lichtquelle 312,
welches direkt auf die Abbildungsoberfläche einfällt, gibt es im Wesentlichen
keine interne Totalreflexion des einfallenden Lichts 324 von
Regionen der Abbildungsoberfläche 318,
wo die Fingerabdruck-Täler 309 sind.
Dies bedeutet, dass im Wesentlichen kein Licht von diesen Talregionen
durch die Sichtoberfläche 320 und
die Linsenanordnung 314 verläuft. Stattdessen wird im Wesentlichen
das gesamte Licht, das in die Linsenanordnung 314 von der
Bildgebungsoberfläche 318 fällt, von
den Fingerabdruck-Erhebungen 311 auf die Abbildungsoberfläche 318 gestreut.
Dies liefert ein Fingerabdruckbild, welches einen relativen starken Kontrast
zwischen Fingerabdruck-Erhebungen 311 und
-Tälern 309 liefert.
Ein derartiges kontrastreiches Fingerabdruckbild ist relativ einfach
zu verarbeiten und mit anderen Fingerabdruckbildern zu vergleichen,
und kann folglich vorteilhafterweise die Verarbeitungsgenauigkeit
erhöhen.
-
Eine
Verwendung dieser Streutechnik für
die Bilderfassung wird mit einem Dreieckprisma erreicht, im Gegensatz
zu einem trapezförmigen
Prisma, wie in Lougheed offenbart, wie in dem Hintergrundabschnitt
diskutiert wurde. Da Dreieckprismen effizienter herzustellen sind
als trapezförmige
Prismen, kann das Bilderfassungssystem 308 vorteilhafterweise
relativ billig hergestellt werden.
-
Darüber hinaus
streut gestreutes Licht von einem Objekt im Allgemeinen in viele
Richtungen, im Gegensatz zu im Wesentlichen einer Richtung. Wie in
dem Hintergrund erwähnt,
kann kein parallel gestreutes Licht von einer Linsenanordnung verwendet werden,
um ein fokussiertes Bild eines Objekts zu bilden. Folglich, wie
in dem optischen Erkennungssystem 318 in 6 gezeigt,
wenn die erste Linse der Linsenanordnung 314 einen kleineren
Durchmesser hat als die Diagonale des Fingerabdrucks 335 in
der Sichtfläche 322,
können
nicht parallel gestreute Lichtstrahlen verwendet werden, um ein
fokussiertes Bild des Fingerabdrucks 335 zu erzeugen. Entsprechend
kann die Linsenanordnung 314 relativ nahe an der Sichtoberfläche 320 platziert
werden, muss jedoch nicht notwendigerweise, ohne Verlust der Bildqualität nahe der
Ränder
eines Fingerabdruckbildes, welches durch das System 308 erzeugt
wird. Dies erlaubt vorteilhafterweise dem Bilderfassungssystem 308 relativ
kompakt zu sein, und ermöglicht
eine Linsenanordnung 314, die relativ billig herzustellen
ist.
-
Wie
in 6 gezeigt, da der Durchmesser einer ersten Linse
der Linsenanordnung 314 kleiner als die Größe des Fingerabdrucks
auf der Sichtfläche 318 ist,
kann eine trapezförmige
Verzerrung in einem erzeugten Bild auftreten. Das Bilderfassungssystem gemäß der Erfindung
kann die trapezförmige
Verzerrung jedoch reduzieren und die Gesamtschärfe eines erzeugten Bildes
verbessern. Wie in dem Hintergrundabschnitt diskutiert, tritt eine
Trapezverzerrung in einem Bild auf, welches Abmessungen aufweist, die
von denen des tatsächlichen
Objekts, das abzubilden ist, verzerrt sind. Beides, eine trapezförmige Verzerrung
und Bereiche eines Bildes, die nicht fokussiert sind, können verursacht
werden durch eine Variation in der Weglänge von Licht von dem scheinbaren
Bild eines Objekts zu der Linsenanordnung 314, und letztendlich
zu dem Bildsensor 316, von einem Teil des abgebildeten
Objekts zu einem anderen. Wie in 6 gezeigt,
ist in dem Bilderfassungssystem 308 sind die Weglängen des
gestreuten Lichts 330 von verschiedenen Punkten auf dem scheinbaren
Bild 335' des
Fingerabdrucks 335 zu der Linsenanordnung 314 und
dem Bildsensor 316 im Wesentlichen gleich. Speziell ist
der Weg AA' im Wesentlichen
gleich dem Weg BB' und
dem Weg CC'. Folglich
kann eine Trapezverzerrung vorteilhafterweise reduziert werden und
die Gesamtbildschärfe
verbessert werden. Wie in 6 gezeigt,
erfolgt der Gesamtausgleich der Wege AA', BB' und
CC' durch Neigen
der Linsenanordnung 314 bezüglich der Sichtfläche 320.
-
Im
Gegensatz zu dem optischen Erkennungssystem 108, wie in 1 gezeigt,
reduziert jedoch ein derartiges Neigen der Linsenanordnung 314 nicht
ernsthaft die Intensität
des Bildes, welches den Bildsensor 316 erreicht. Wie in
dem Hintergrundabschnitt bezüglich
des optischen Erkennungssystems 108 erwähnt, verursacht die geneigte
Linsenanordnung 114, dass reflektiertes Licht 130 auf das
erste Element der Linsenanordnung 314 unter einem Winkel
zu dessen Normale auftrifft. Dies erzeugt eine größere Reflexion
des reflektierten Lichts 130 von der Oberfläche der
Linsenanordnung 114, wodurch eine unerwünschte Reduzierung der Bildintensität am Bildsensor 116 reduziert
wird.
-
Das
Prisma 310 hat jedoch einen Brechungsindex größer als
1. Folglich bricht das gestreute Licht 330, welches auf
die Sichtoberfläche 320 trifft,
von der Normalen zur Sichtoberfläche 320 weg,
wenn es das Prisma 310 verlässt. Durch Neigen der Linsenebene 307 der
Linsenanordnung 314 trifft gestreutes Licht 330 auf
die Linsenanordnung 314 unter einem im Wesentlichen 90 Grad
Winkel. Folglich gibt es wenig oder keinen Verlust der Bildintensität aufgrund übermäßigeren
Reflexion des gestreuten Lichts an der Oberfläche der Linsenanordnung 314,
und eine trapezförmige
Verzerrung kann reduziert werden, und die Gesamtbildschärfe kann
verbessert werden, ohne dass die Bildintensität am Bildsensor 316 verloren
geht.
-
Bezugnehmend
auf 8, kann der geeignete Winkel, unter welchem die
Linsenanordnung 314 zu neigen ist, bestimmt werden. In 8 werden die
Lichtstrahlen 410 und 412 von dem Abbildungsoberflächenrand 414 und
dem gegenüberliegenden Abbildungsoberflächenrand 416 jeweils
gestreut. Die Linsenebene 307 ist eine theoretische Darstellung der
Linsenanordnung 314, wenn die Dicke der Linsenanordnung
gegen Null geht. Die Strecke Aa ist der Abstand von dem scheinbaren
Bild eines Objekts in dem Prisma 310 zu der Linsenebene 307 entlang des
Lichtstrahls 410, und die Strecke B'b ist der Abstand von dem scheinbaren
Bild eines Objekts in dem Prisma 310 entlang des Lichtstrahls 412.
Um die trapezförmige
Verzerrung im Wesentlichen auszulöschen, muss die Strecke Aa
im Wesentlichen gleich der Strecke B'b sein. Da B'b die scheinbare Tiefe eines Objekts
am Rand B in dem Prisma 310 ist, dann gilt, wie im Hintergrundabschnitt
diskutiert wurde: B'b = Bb / n wobei Bb der Abstand
ist von dem Punkt B am Rand 416 zu dem Punkt b auf dem
Prisma 310. Das Erfordernis für eine im Wesentlichen Auslöschung der
trapezförmigen
Verzerrung und eine Verbesserung der Gesamtbildschärfe kann
ausgedrückt
werden durch: Aa
= Bb / n (Gl. 1)
-
Der
Winkel des Einfalls des Lichtstrahls 412 auf die Sichtoberfläche 320,
also der Winkel zwischen einer Normalen zur Sichtoberfläche 320 und dem
Lichtstrahl 412 innerhalb des Prismas 310 ist
in 8 mit θ1 gezeigt. Der Winkel der Brechung des Lichtstrahls 412 nach
einem Verlaufen aus dem Prisma 310 heraus, ist mit θ2 gezeigt. Folglich, durch Snell's Gesetz gilt: n = sinθ2 /
sinθ1 (Gl.
2)Unter Verwendung der fundamentalen
trigonometrischen Beziehungen kann gezeigt werden, dass ABcosγ + Bbcosα' = Ab (Gl.
3)wobei AB gleich die Länge der
Abbildungsoberfläche des
Prismas 310 vom Punkt A zum Punkt B ist; Ab die Länge des
Segments Ab auf der Sichtoberfläche 320 ist; α' der Winkel zwischen
dem Lichtstrahl 412 und der Sichtfläche 320 ist, der gleich
90°–θ1 ist; und γ der Winkel zwischen der Abbildungsoberfläche 312 und der
Sichtoberfläche 320 (also
als Winkel 342 in 8 gezeigt)
ist.
-
Letztendlich
kann unter Verwendung des Sinus-Gesetzes gezeigt werden, dass AB / Bb = cosθ1 / sinγ (Gl. 4)
-
Unter
Verwendung der Gleichungen 1, 2, 3 und 4,
wie oben genannt, kann gezeigt werden, dass die folgende Bedingung,
die Winkel des Prismas 310 mit dem Winkel, den die Linsenebene 307 mit
der Sichtoberfläche 320 bildet,
betrifft, um eine trapezförmige
Verzerrung im Wesentlichen zu verhindern und die Gesamtbildschärfe zu verbessern,
folgendermaßen
sein muss: (n2 – sin2δ)½ (cotγ) (sinδ) + sin2δ =
1 (Gl. 5)
-
Wie
in 8 gezeigt, ist δ der
Winkel, den die Linsenebene 307 der Linsenanordnung 314 mit der
Sichtoberfläche 320 bildet.
Das Bildgebungssystem 308 gemäß der Erfindung ist folglich
vorzugsweise konfiguriert gemäß der Gleichung
5, um im Wesentlichen eine Trapezverzerrung auszuschließen und
die Gesamtbildschärfe
zu verbessern.
-
Bei
der Herstellung des Bildgebungssystems 308 kann das Erreichen
genauer Toleranzen für
die Winkel γ und δ jedoch schwierig
und teuer sein. Folglich ist ein Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung, und welches eine 30% Herstellungstoleranz erlaubt, vorzugsweise
konfiguriert gemäß der folgenden
Gleichung 6: 0,7 ≤ (n2 – sin2δ)½ (cotγ) (sinδ) +sin2δ ≤ 1,3 (Gl. 6)
-
Bevorzugter
ist ein Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung, und das eine 15 Herstellungstoleranz erlaubt, gemäß der folgenden Gleichung
7 konfiguriert: 0,85 ≤ (n2 – sin2δ)½ (cotγ) (sinδ) + sin2δ ≤ 1,15 (Gl. 7)
-
Am
bevorzugtesten ist ein Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
und das eine 7,5 % Herstellungsgenauigkeit erlaubt, gemäß der folgenden
Gleichung 8 konfiguriert: 0,925 ≤ (n2 – sin2δ)½ (cotγ) (sinδ) + sin2δ ≤ 1,075 (Gl. 8)
-
Wie
oben erwähnt,
kann durch Konfigurieren des Bildgebungssystems 308 gemäß einer
der oben genannten Gleichungen 5 bis 8 eine trapezförmige Verzerrung
im Wesentlichen reduziert oder ausgeschlossen und eine Gesamtbildschärfe verbessert werden.
Dies erleichtert vorteilhafterweise eine genauere Bildverarbeitung
und einen genaueren Vergleich durch ein Bilderfassungssystem.
-
Das
Prisma 310 kann aus Glas, Acryl oder irgendeinem anderen
transparenten Material sein, welches einen Brechungsindex größer als
1 aufweist (der von Luft). Prismen, die den bevorzugten Brechungsindex
und Winkel aufweisen, sind handelsüblich verfügbar von Shinkwang Ltd., Seoul,
Korea und werden aus Glas mit der Bezeichnung LaK-7 oder LaK-8 hergestellt.
-
Linsenanordnungen,
wie beispielsweise die Linsenanordnung 314, sind handelsüblich verfügbar von
Woorim Optical Systems Ltd., Seoul, Korea und werden vorzugsweise
aus Glas mit der handelsüblichen
Bezeichnung BK7 hergestellt. Wenn mehr als ein Element in der Linsenanordnung 314 verwendet wird,
wie in 6 gezeigt, können
die individuellen Elemente ausgerichtet und beabstandet werden,
indem sie in einem Rahmen platziert werden, der durch Kunststoffformen
oder irgendein anderes Herstellungsmittel, welches bekannt ist,
hergestellt worden ist.
-
Die
Lichtquelle 312 enthält
vorzugsweise vier Standard LEDs, die in einer geraden Anordnung auf
einer Leiterplatte positioniert sind. Das Versorgen der LEDs mit
Energie ist Fachleuten auf diesem Gebiet allgemein bekannt. Der
Bildsensor 316 ist vorzugsweise ein Sensor vom CMOS-Typ
und handelsüblich
verfügbar
von Hyundai Electronics, Seoul, Korea, VLSI Vision Ltd., San Jose,
Kalifornien oder Omnivision Technologies Inc., Sunnyvale, Kalifornien.
-
Um
die Komponenten der Bilderfassung an relativen Positionen, wie in 4 gezeigt,
zu sichern, kann ein Rahmen, der Halteschlitze für jede Komponente aufweist,
aus Kunststoff geformt oder anderweitig hergestellt sein. Die Lichtquelle 312 kann
entweder in einem Halteschlitz benachbart zu der Sichtoberfläche 320 platziert
sein, oder direkt an der Sichtoberfläche 320 angebracht
sein, indem ein Kleber verwendet wird, wie allgemein bekannt.
-
Die
Gleichungen 5–8
wurden unter der Annahme hergeleitet, dass die Gesamtbreite AB der
Abbildungsoberfläche 318 bei
der Erfassung eines Bildes verwendet wird. Weniger als die Gesamtabbildungsoberfläche eines
Prismas kann jedoch verwendet werden, um ein Bild zu erfassen. Dies
kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Dreieckprisma mit einem
Winkel größer als
oder gleich 90 Grad als ein Lichtrefraktor verwendet wird. Wenn
die gesamte Abbildungsoberfläche
eines Prismas nicht zum Abbilden eines Objekts verwendet wird, wird
jedoch eine Anforderung, die zusätzlich
zu konfigurieren ist gemäß den Gleichungen
5–8, wie
oben er wähnt,
von der Konfiguration eines derartigen Bildgebungssystems erfüllt. Um
diese zusätzliche
Anforderung zu verdeutlichen, zeigt 9 ein Dreieckprisma 510, das
einen stumpfen Winkel 541 aufweist. Das Dreieckprisma 510 enthält eine
planare Abbildungsoberfläche 518,
eine planare Sichtoberfläche 520 und eine
planare weitere Oberfläche 522. 9 zeigt auch
eine Lichtquelle 512, die im Wesentlichen gleich der Lichtquelle 312 sein
kann, und eine Linsenebene 507 einer Linsenanordnung (nicht
gezeigt). Die Linsenanordnung, die mit dem Prisma 510 verwendet wird,
kann im Wesentlichen die gleiche sein, wie die Linsenanordnung 314.
-
Wie
in 9 gezeigt, wird ein Lichtstrahl 612 vom
Punkt D auf der Abbildungsoberfläche 518 gestreut
und ein Lichtstrahl 610 wird von der Abbildungsoberfläche 518
am Punkt A gestreut. Das Prisma 510 und die Linsenebene 507 sind
konfiguriert gemäß der oben
genannten Gleichung 5. Zusätzlich ist
ein Segment a'd' parallel zu der
Linsenebene 507. Und eine Länge D'd' ist
die scheinbare Tiefe in dem Prisma 510 des Bildes eine
Objekts am Punkt D auf der Abbildungsoberfläche 518. Folglich
sind die Längen
der Segmente Aa' und
D'd' gleich. Da der Brechungsindex
des Prismas 510 größer als
1 ist, bricht ein Lichtstrahl 612, wenn er das Prisma 510 am Punkt
d' verlässt, von
einer Normalenlinie 620 zu der Sichtoberfläche 520 weg.
-
Der
Winkel 545, der in 9 mit α' gekennzeichnet ist,
der der Winkel ist, der gebildet wird durch die Kreuzung des Lichtstrahls 612 mit
der Sichtoberfläche 520,
und der benachbart zu der Kreuzung der Sichtoberfläche mit
der Abbildungsoberfläche
ist, ist kleiner als 90 Grad. Folglich, wenn ein Lichtstrahl 612 aus
dem Prisma 510 heraus verläuft und von der Normalen 620 weg
bricht, verläuft
er in einem Weg parallel zu dem des Lichtstrahls 610 außerhalb
des Prismas 510. Folglich sind die Längen der Segmente a'a und d'd ebenfalls gleich.
Entsprechend sind die Gesamtweglängen
von dem scheinbaren Bild in dem Prisma 510 zu der Linsenebene 507 und
letztendlich zu dem Bildsensor (nicht gezeigt) für ein Objekt auf der Abbildungsoberfläche 518 an
beiden Punkten A und D gleich. In dieser Weise kann die Gesamtbildschärfe verbessert
werden.
-
Bezugnehmend
auf 10, die ebenfalls ein Prisma 510 zeigt,
ist die Weglänge
von dem scheinbaren Bild in dem Prisma 510 eines Objekts,
welches am Punkt E auf der Abbildungsoberfläche 518 platziert
ist, nicht gleich zu der Weglänge
von dem scheinbaren Bild in dem Prisma 510 eines Objekts, das
an dem Punkt A auf dem Prisma 510 platziert ist. Der Lichtstrahl 612 ist
ein gebrochener Lichtstrahl von einem Objekt, welches an dem Punkt
E auf der Abbildungsoberfläche 518 platziert
ist. Wie oben erwähnt,
da das Prisma 510 einen Brechungsindex hat, der größer als
1 ist, wenn Licht 612 aus dem Prisma 510 am Punkt
e' austritt, wird
es von der Normalenlinie 620 zu der Sichtoberfläche 520 gebrochen.
Folglich, da der Winkel 545, der mit α' gekennzeichnet ist, größer als
90 Grad ist, ist der Weg des Lichtstrahls 612 außerhalb
des Prismas 510 nicht parallel zu dem Weg des Lichtstrahls 610 außerhalb
des Prismas 510. Da die Lichtstrahlen 610 und 612 nicht
parallel sind, ist die Segmentlänge
e'e verschieden
von der Länge
des Segments a'a.
Dies bedeutet, dass die Gesamtweglänge von dem scheinbaren Bild
in dem Prisma 510 zu der Linsenebene 507 anders
ist für
ein Objekt am Punkt E auf der Abbildungsoberfläche 318 als für ein Objekt
am Punkt A darauf. Eine relativ starke trapezförmige Verzerrung und/oder eine
relative Unschärfe
des Bildes sind die Folge.
-
Wie
oben erwähnt,
um dies zu vermeiden, wenn ein Prisma mit einem 90 Grad oder größeren Winkel
in einem Bildgebungssystem gemäß der Erfindung
verwendet wird, wird vorzugsweise weniger als die gesamte Breite
der Abbildungsoberfläche
verwendet, um ein Objekt abzubilden. Wie oben gezeigt, wenn α' kleiner als 90 Grad
ist, und das Bilderfassungssystem gemäß den Gleichung (5) bis (8),
wie oben erwähnt,
konfigurier ist, kann die Trapezverzerrung im Wesentlichen beseitigt
werden. Wenn α' größer oder
gleich 90 Grad ist, kann ein trapezförmige Verzerrung die Folge
sein. Wenn weniger als die Gesamtbreite der Abbildungsoberfläche 518 eines
Prismas verwendet wird, um ein Objekt, das abzubilden ist, dagegen
zu platzieren, muss jeder Bereich der Abbildungsoberfläche 518,
der zu verwenden ist für die
Bildgebung, in der Lage sein mindestens einen Lichtstrahl zu haben,
der davon derart gestreut wird, dass die Kreuzung des einen Lichtstrahls
mit der Sichtoberfläche 520 einen
Winkel α' in den 9 und 10 bildet,
benachbart zu der Kreuzung der Sichtoberfläche mit der Abbildungsoberfläche, der kleiner
als 90 Grad ist. Dieses Kriterium erleichtert vorteilhafterweise
die Reduzierung oder im Wesentlichen die Ausschaltung von trapezförmiger Verzerrung
und verbessert die Gesamtbildschärfe
in einem Bildgebungssystem, das gemäß einer der Gleichungen 5–8, wie
oben erwähnt,
konfiguriert ist.
-
Das
Prisma 510 und die Lichtquelle 512 können im
Wesentlichen in gleicher Weise und aus gleichen Materialien, wie
bezüglich
der Prismen 310 und der Lichtquelle 312 diskutiert
wurde, hergestellt sein.
-
Es
soll verstanden sein, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung
nur auf die beigefügten
Ansprüche
beschränkt
ist und nicht durch spezielle Ausführungsbeispiele, die in der
Beschreibung beschrieben worden sind. Beispielsweise, obwohl das
oben offenbarte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Abbilden eines Fingerabdrucks
beschrieben wurde, können
irgendwelche anderen Typen von gemusterten Objekten gemäß der vorliegenden
Erfindung abgebildet werden.