DE69504698T2

DE69504698T2 - Optisches bildsystem

Info

Publication number: DE69504698T2
Application number: DE69504698T
Authority: DE
Inventors: Peter Kallo; Imre Kiss; Andras Podmaniczky; Janos Talosi
Original assignee: Dermo Trade Gyarto Es Kereskedo Rt
Current assignee: Dermo Trade Gyarto Es Kereskedo Rt
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: HU214654B; ATE170998T1; DE69504698D1; EP0789889A1; WO1996002896A1; JPH10503031A; US5764347A; AU2934495A; EP0789889B1; HUT72211A; HU9402087D0; CA2194405A1; CN1152967A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem zum Abbilden eines Gegenstandes, hauptsächlich für eine Vorrichtung zum Lesen eines Fingerabdrucks, das aufweist: ein Totalreflexionsprisma mit einer Oberfläche für eine Totalreflexion, die eine Objektebene zum Aufnehmen des Objektes bildet, wobei das Totalreflexionsprisma eine erste Übertragungsoberfläche zum Empfangen von Licht aufweist, um den Gegenstand, wenn er auf der Objektebene angeordnet ist, durch das Innere des Prismas zu beleuchten, und eine zweite übertragende Oberfläche, um das Licht zu übertragen, das von der Totalreflexionsoberfläche reflexiert worden ist; eine optische Einrichtung, die eine optische Achse aufweist und eine Eingangs- und Ausgangspupille, wobei die Eingangspupille das reflexierte Licht, das durch die übertragende Oberfläche übertragen worden ist, empfängt, und wobei die optische Einrichtung das Bild auf der Objektebene auf eine Bildebene abbildet, die senkrecht zu der optischen Achse ist; und eine elektronische Bilddetektoreinrichtung, die in der Bildebene angeordnet ist.
Ein solches optisches System zum Identifizieren von Fingerabdrücken ist im U.S.- Patent 5 187 748 beschrieben. Bei diesem Patent wird ein halbdurchlässiger Spiegel in einer schrägen Position in dem Weg zwischen dem Totalreflexionsprisma und der Optiken angeordnet, der Spiegel teilt das Licht, das vom Prisma kommt, so daß das Bild nicht nur an den Bilddetektor gelangt, sondern auch unmittelbar betrachtet werden kann. Das Totalreflexionsprisma ist in der optischen Achse angeordnet, und seine Objektebene ist in einer schrägen Position relativ zu dieser Achse. Diese schräge Position der Objektebene ist charakteristisch für alle Systeme, die ein Totalreflexionsprisma verwenden.
In der EP 0 585 141 A2 wird das Bild eines Fingers durch Verwendung eines Totalreflexionsprismas, einer bildgebenden Optik und einer CCD-Kamera erzeugt. Die Objektebene ist auf der optischen Achse der bildgebenden Optik angeordnet, und die Folge dieser Anordnung ist, daß das Bild wie im Fall der vorher genannten Veröffentlichung verzerrt ist.
Wenn eine schräge Objektebene auf eine Bildebene abgebildet wird, die sich normal zur optischen Achse erstreckt, werden wegen der Wegdifferenz zwischen den Strahlen, die von gegenüberliegenden Rändern des Objekts ankommen, Verzerrungen und eine unannehmbare Verminderung der Bildauflösung auftreten, die nur durch die Verwendung von hochspezialisierten Linsensystemen und gleichzeitig durch Auswahl einer großen Objekt-zu-Optik-Entfernung kompensiert werden können. Die große Entfernung vergrößert die Baugröße der Vorrichtung und macht die Bedienung schwieriger oder schließt sogar manche Anwendungen aus, wo die Größe kritisch ist. Die Komplexität des Linsensystems ist ein Faktor, der die Kosten erhöht.
Eine teilweise Kompensation für die Wegdifferenz kann aus der EP 0 361 987 A1 entnommen werden, wo im Lichtweg zwischen dem Totalreflexionsprisma und der Optik ein weiteres Prisma und zwischen der Optik und dem Bilddetektor ein feines Loch eingesetzt wurde. Obwohl durch diese Lösung die Bildverzerrung unter 5% gesenkt wurde, erhält man infolge der erhöhten Zahl optischer Elemente und dem Vorhandensein des feinen Loches eine verminderte Empfindlichkeit, d. h. eine sehr starke Beleuchtung ist erforderlich, um ein Bild von annehmbarer Helligkeit zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Abbildungssystem der oben definierten Art zu schaffen, das trotz der schrägen Objektebene relativ zur optischen Achse Bilder mit annehmbarer Verzerrung und guter Auflösung produzieren kann und genügend empfindlich ist, und welches außerdem eine geometrische Länge hat, die wesentlich kleiner ist im Vergleich zu bekannten Systemen. Die verminderten Dimensionen sind wesentlich für das Konstruieren eines kompakten Fingerabdruck-Lesegerätes.
Gemäß der Erfindung ist erkannt worden, daß die obigen Probleme vermindert werden können, wenn das Totalreflexionsprisma relativ zur optischen Achse in senkrechter Richtung versetzt wird, so daß das Zentrum der Objektebene nicht mehr auf der optischen Achse liegt. Aus dieser versetzten Anordnung folgt, daß der Bilddetektor, d. h. ein CCD-Matrixdetektor, ebenfalls in einer Position versetzt von der optischen Achse angeordnet werden sollte. Diese Position entspricht derjenigen, wenn die Objektebene auf der Bildebene abgebildet wird. Die versetzte Anordnung ermöglicht eine leichtere Dimensionierung der Optik, die geometrische Verzerrung infolge der geometrischen Unterschiede in den Weglängen vermindert sich auf ein annehmbares Niveau, und das Bild kann von hoher Auflösung sein, selbst wenn die Objekt-zu-Optik-Entfernung reduziert wird.
Die Bedingungen für Totalreflexion sind gegeben, wenn die Objektebene einen Winkel zwischen 45 und 65 Grad mit der optischen Achse einschließt und wenn der Brechungsindex des Totalreflexionsprismas zwischen 1,5 und 1,85 liegt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Oberfläche des Totalreflexionsprismas eine gekrümmte Oberfläche, die die Objektebene in eine weitere gekrümmte Oberfläche abbildet, in das Innere des Prismas fällt, und der durchschnittliche Winkel zwischen dieser weiteren gekrümmten Oberfläche und der optischen Achse ist größer als der Winkel zwischen der Objektebene und der optischen Achse.
Die gekrümmte Oberfläche ist vorzugsweise sphärisch und der Mittelpunkt des Radius seiner Krümmung fällt auf die optische Achse im Nahbereich der Ein gangspupille der Optiken. Mit so einer Anordnung wird die wirksame Wegdifferenz der bildformenden Hauptstrahlen kleiner als 4% sein.
Zum Minimieren der Verzerrung und der Punktstreufunktion ist die relative Öffnung der Optik zwischen f/6 und f/3,5 und die Petzval-Summe der Optik ist zwischen -0,1 und 0,3.
Die Verzerrungen können auf annehmbares Niveau vermindert werden, selbst wenn man eine Optik mit drei oder vier einfachen Linsen verwendet, wobei Optimalwerte für die Radien der Krümmung, die Brechungsindizes, die Dicken und die Abstände der Linsen bestimmt werden können.
Die Lichtintensität des optischen bildgebenden Systems gemäß der Erfindung ist hoch, somit hat es eine ausreichende Empfindlichkeit, sein Volumen ist klein, und dank der kleinen Anzahl optischer Elemente sind die Herstellungskosten ebenfalls klein. Elektronische Bildverarbeitung ermöglicht die Korrektur von verbleibenden kleinen Verzerrungen durch die Verwendung geeigneter Korrektursoftware in dem System, das mit dem CCD-Matrixdetektor gekoppelt ist.
Das Ausmaß der "Trapezoid"-Verzerrung hängt von dem Winkel zwischen der Objektebene und der optischen Achse ab, und liegt zwischen 4 und 8%. Ferner liegt das Ausmaß der Punktstreufunktion zwischen 10 bis 35 um, was ausgezeichnet scharfe Bilder ergibt.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen hiervon beschrieben, wobei auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung eines ersten Ausführungsbeispiels des optischen bildgebenden Systems gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
In dem optischen System zur Abbildung von Fingerabdrücken gemäß Fig. 1 hat ein Prisma 2 eine Totalreflexions-Objektebene 2.2, die eine Winkel von δ gleich 45 Grad mit der optischen Achse 3.0 der Optiken 3 einschließt. Die Belichtung der Totalreflexions-Objektebene 2.2 geschieht durch die untere Oberfläche 2.1 des Prismas 2 mit Hilfe einer Lichtquelle 1 mit fast kollimierten monochromatischen Strahlen. Der Fingerabdruck wird in einem Feld der Objektebene 2.2 ausgebildet, das 25 · 25 mm mißt und durch die Punkte 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3 dargestellt ist. Das Objektfeld der obigen Größe ist in einer versetzten Position relativ zur optischen Achse 3.0 angeordnet. Das Bild des Fingerabdrucks wird durch eine sphärische Oberfläche 2.3 des Prismas gegen eine Optik 3 gebildet, die eine relative Öffnung von f/6 hat, und der Brechungsindex des Materials des Prismas n ist ungefähr 1,5. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche 2.3 gleich R = 75 mm. Die sphärische Oberfläche 2.3 des Prismas 2 führt die Funktion eines Korrektionsprismas aus durch Erzeugen eines Bildes des Fingerabdrucks mit Punkten 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3 in einer virtuellen Oberfläche 2.4 mit entsprechenden Punkten 2.2.1', 2.2.2', 2.2.3'. Der durchschnittliche Winkel zwischen der Oberfläche 2.4 und der optischen Achse 3.0 ist größer als der Winkel der Objektebene 2.2. Das Vorhandensein der sphärischen Oberfläche 2.3 macht es möglich, daß die Differenz in der Weglänge der Hauptstrahlen P1, P2, P3, die von extremen Punkten 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3 des Fingerabdrucks beginnen, geringer als 4% ist.
Das Bild des Fingerabdrucks, das durch die sphärische Oberfläche 2.3 auf der Oberfläche 2.4 erzeugt wird, wird im wesentlichen mit dem Petzval-Feld der Optiken 3 zusammenfallen. In diesem Fall ist die Petzval-Summe der Optiken 3 gleich P = -0,1. Die quasi-symmetrischen Optiken 3, die aus vier Linsen beste hen, d. h. der Sammellinse 3.1, der Diffraktionslinse 3.2, der Diffraktionslinse 3.3 und der Sammellinse 3.4, zusammen mit einer Petzval-Summe von -0,1, wird ein Bild guter Qualität in der Bildebene der Optiken 3 erzeugen, das normal zur optischen Achse ist, und wobei ein Bilddetektor 4 auch in versetzter Position relativ zur optischen Achse 3.0 angeordnet werden kann. Der Bilddetektor 4 ist vorzugsweise ein CCD-Detektor bei ausreichender Auflösung. Die "Trapezoid"- Verzerrung für den zentralen Punkt 2.2.2 des Objektfelds des Fingerabdrucks mit einer Größe von 25 mm · 25 mm auf der Objektebene 2.2 wird ungefähr 8% sein im Falle, daß der Neigungswinkel der Objektebene 45 Grad beträgt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des bildgebenden Systems gemäß der Erfindung, wobei der Winkel zwischen der totalreflektierenden Oberfläche 2.2 des Prismas 2 mit der optischen Achse 3.0 gleich δ = 65 Grad ist. Die Beleuchtung des Prismas 2 geschieht auf die gleiche Weise wie in dem vorigen Ausführungsbeispiel. Das Feld für den Fingerabdruck hat eine Größe von 25 mm · 25 mm auf der Totalreflexions-Objektebene 2.2 des Prismas 2, welche wieder in versetzter Position relativ zu der optischen Achse 3.0 der Optiken 3 ist. Das Prisma 2 hat einen Brechungsindex n von ungefähr 1,8, und das Bild des Fingerabdrucks wird durch die sphärische Oberfläche 2.3 des Prismas 2 an die Optiken 3 gebracht. Der zentrale Punkt der Krümmung der sphärischen Oberfläche 2.3 fällt auf die optische Achse 3.0 in enger Nachbarschaft zur Eingangspupille der Optiken 3, und der Krümmungsradius ist R = 76,43 mm. Die Funktion dieser sphärischen Oberfläche 2.3 ist die gleiche wie im ersten Ausführungsbeispiel. Mit der Anordnung nach Fig. 2 wird der Unterschied zwischen den effektiven optischen Weglängen der Hauptstrahlen, die vom zentralen Punkt des Feldes des Fingerabdrucks beginnen, bis zur Bildebene kleiner als 2%, und dies ist im wesentlichen eine Folge des Vorhandenseins der sphärischen Oberfläche 2.3.
Das Bild des Fingerabdrucks, wie es auf der virtuellen Oberfläche 2.4 gebildet wird, macht es möglich, daß die Petzval-Summe der Optiken 3 so hoch wie P = 0,3 wird. Die Optiken 3 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus nur drei Lin sen, d. h. einer Sammellinse 3.5, einer Diffraktionslinse 3.6 und einer Sammellinse 3.7. Die Optiken 3 erzeugen ein Bild hoher Qualität in der Bildebene senkrecht auf die optische Achse 3.0, wo der Bilddetektor 4 angeordnet ist. Die "Trapezoid"-Verzerrung relativ zum zentralen Punkt 2.2.2 des Feldes des Fingerabdrucks auf der Objektebene 2.4 wird ±4% sein. Das Ausmaß der Punktstreufunktion liegt zwischen 10 bis 35 um, was ausreichend ist, um eine sehr gute Bildauflösung zu erreichen.
Die Ausführungsbeispiele, die in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, entsprechen den zwei extremen Werten des praktisch realisierbaren Bereichs. Zwischen diesen Extremwerten sind mehrere weitere Zwischenausführungen realisierbar, die alle durch die folgenden Eigenschaften charakterisiert werden können:
1. Das Prisma 2 als Objektebene, die von der optischen Achse 3.0 der Optiken 3 optisch versetzt ist, die nächste Oberfläche des Prismas 2 zu den Optiken 3 ist die sphärische Oberfläche 2.3, und der zentrale Punkt der Krümmung dieser Oberfläche fällt auf die optische Achse 3.0 in der Nähe der Eingangspupille der Optiken 3.
2. Als Funktion des Neigungswinkels zwischen der Totalreflexions- Objektebene 2.2 und der optischen Achse 3.0 sind die Werte des Brechungsindex n, die Differenz dP in der effektiven optischen Weglänge der Hauptstrahlen P1, P2, P3, die Petzval-Summe P, die Anzahl der Linsen und die relative Öffnung f/NO der Optiken 3 sowie der Betrag der "Trapezoid"-Verzerrung D in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Um ein Bild guter Qualität zu erhalten, sollten gewisse Beziehungen zwischen den Brennpunktabständen fi der Linsen, die die Optiken 3 bilden, und den entstehenden Brennpunktabständen f- der Optiken 3 eingehalten werden. In dem Fall des Ausführungsbeispiels mit vier Linsen ist diese Beziehung:
Im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels mit drei Linsen ist die Funktion wie folgt:
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Optiken 3 für vier bzw. drei Linsen sind die tatsächlichen Parameter der Optiken in den Tabellen 2 und 3 angegeben. Tabelle 2 bezieht sich auf das erste Ausführungsbeispiel mit vier Linsen und Tabelle 3 auf das zweite Ausführungsbeispiel mit drei Linsen. In den Tabellen bezeichnet Ri den Krümmungsradius der i-ten Oberfläche, wobei die Zahl im Fall einer konvexen Oberfläche positiv ist und im Fall einer konkaven Oberfläche negativ. Die Seriennummer i nimmt von der Lichtquelle bis zur Bildebene zu. Die Linse li bezeichnet die i-te Linse, di bezeichnet die Dicke der i-ten Linse li entlang der optischen Achse, ni bezeichnet den Brechungsindex der i-ten Linse li, lj bezeichnet den Abstand entlang der optischen Achse zwischen den Linsen li und lj. Tabelle 2 Tabelle 3

Claims

1. Optisches Abbildungssystem zum Abbilden eines Gegenstandes, hauptsächlich für eine Vorrichtung zum Lesen eines Fingerabdruckes, das aufweist:

ein Totalreflexionsprisma (2) mit einer Oberfläche für eine Totalreflexion mit einem Zentrum (2.2.2), die eine Objektebene (2.2) zum Aufnehmen des Objektes bildet, wobei das Totalreflexionsprisma (2) eine erste Übertragungsoberfläche (2.1) zum Empfangen von Licht aufweist, um den Gegenstand, wenn er auf der Objektebene (2.2) angeordnet ist, durch das Innere des Prismas (2) zu beleuchten, und eine zweite übertragende Oberfläche (2.3), um das Licht zu übertragen, das von der Totalreflexionsoberfläche reflektiert worden ist;

eine optische Einrichtung (3), die eine optische Achse aufweist und eine Eingangs- und Ausgangspupille, wobei die Eingangspupille das reflektierte Licht, das durch die übertragende Oberfläche (2.3) übertragen worden ist, empfängt, und wobei die optische Einrichtung (3) das Bild auf der Objektebene (2.2) in einer Bildebene bildet, die senkrecht zu der optischen Achse ist; und

eine elektronische Bilddetektor-Einrichtung (4), die in der Bildebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (2.2.2) der Objektebene (2.2) versetzt von der optischen Achse (3.0) in einer Richtung senkrecht zu und relativ zu der optischen Achse (3.0) ist, und daß die Bilddetektor-Einrichtung (4) auch von der optischen Achse (3.0) in Übereinstimmung mit der Bildbildung durch die optische Einrichtung (3) versetzt ist.

2. Abbildungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektebene (2.2) einen Winkel zwischen 45º und 65º mit der optischen Achse (3.0) einschließt und daß der Reflexionsindex des Totalreflexionsprismas (2) zwischen 1,5 und 1,85 beträgt.

3. Abbildungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche (2.3) des Totalreflexionsprismas (2) eine gekrümmte Oberfläche ist, die die Objektebene (2.2) in eine weitere gekrümmte Oberfläche (2.4) abbildet, die in das Innere des Prismas (2) fällt, und wobei der Durchschnittswinkel zwischen dieser weiteren gekrümmten Oberfläche (2.4) und der optischen Achse (3.0) größer als der Winkel zwischen der Objektebene (2.2) und der optischen Achse (3.0) ist.

4. Abbildungssystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Oberfläche (2.3) sphärisch ist und daß der Zentrumspunkt seiner Krümmung in die optische Achse (3.0) in einem engen Bereich zu der Eingangspupille der optischen Einrichtung (3) fällt.

5. Abbildungssystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (3) eine relative Blendenöffnung zwischen f/6 und f/3,5 aufweist, und daß die Petzval-Summe der optischen Einrichtung (3) zwischen -0,1 und 0,3 beträgt.

6. Abbildungssystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (3) drei einzelne Linsen (3.5, 3.6 und 3.7) aufweist und daß die genormten Fokuslängen der Linsen in die folgenden Bereiche fallen:

0,5 ≤ f3,5 ≤ 0,8; 0,35 ≤ f3,6 ≤ 0,55 et 0,5 ≤ f3,7 ≤ 08

7. Abbildungssystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektebene (2.2) des Totalreflexionsprismas (2) einen Winkel von 65º mit der optischen Achse (3.0) einschließt, daß die zweite Oberfläche (2.3) sphärisch ist, daß ihr Radius zwischen ungefähr 76 und 77 mm liegt und daß ihr Zentrumspunkt auf den Zentrumspunkt der Eingangspupille in der optischen Einrichtung (3) fällt.

8. Abbildungssystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiien der Krümmung (R1...R6) der Linsen (3.5, 3.6 und 3.7) der optischen Einrichtung (3), die Dicken d1, d2, d3 der Linsen, die längs der optischen Achse (3.0) gemessen worden sind, die Abstände e1,2 und e2,3 dazwischen sowie die Werte der Refraktionsindizes n1, n2, n3 im wesentlichen wie in der folgenden Tabelle definiert sind:

9. Abbildungssystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (3) vier einzelne Linsen (3.1, 3.2, 3.3 und 3.47) aufweist und daß die Beziehung zwischen den Fokusabständen (f3,1, f3,2, f3,3 und f3,4) davon und die genormten Fokuslängen der vier Linsen in die folgenden Bereiche fallen:

0,28 ≤ f3,1 et f3,2 et f3,3 et f3,4 ≤ 0,44

10. Abbildungssystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektebene (2.2) des Totalreflexionsprismas (2) einen Winkel von 45º mit der optischen Achse (3.0) einschließt, daß die zweite Oberfläche (2.3) sphärisch ist, daß ihr Radius ungefähr 75 mm ist und daß ihr Zentrumspunkt auf den Zentrumspunkt der Eingangspupille der optischen Einrichtung (3) fällt.

11. Abbildungssystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiien der Krümmung (R1...R8) der Linsen (3.1, 3.2, 3.3 und 3.4) der optischen Einrichtung (3), die Dicken d1, d2, d3, d4 der Linsen, die längs der optischen Achse (3.0) gemessen werden, die Abstände e1,2, e2,3 und e3,4 dazwischen sowohl als die Werte der Refraktionsindizes n1, n2, n3 und n4 im wesentlichen wie in der folgenden Tabelle definiert sind: