DE69727266T2

DE69727266T2 - Faseroptisches Bildeingabegerät

Info

Publication number: DE69727266T2
Application number: DE69727266T
Authority: DE
Inventors: Haruyoshi Hamamatsu-shi TOYODA; Kazuhiro Hamamatsu-shi Nakamura
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: EP0819954B1; US5875025A; EP0819954A3; EP0819954A2; DE69727266D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung. Ausführungsformen der Erfindung sind geeignet zum Erhalten einer Objektabbildung eines Fingerabdrucks, eines Gummistempels und dergleichen mit Unregelmäßigkeiten (Vertiefungen und Vorsprüngen).
Für diese Art von Abbildungseingabevorrichtungen sind zum Beispiel Vorrichtungen (erstes herkömmliches Beispiel) bekannt, wie sie im US-Patent Nr. 4 932 776 und der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 6-300930 beschrieben sind. Wie in der 1 gezeigt, umfaßt eine solche Abbildungseingabevorrichtung eine faseroptische Platte (FOP) B, in der eine Anzahl von optischen Fasern A zu einem Bündel zusammengefaßt ist, und eine Lichtquelle (Beleuchtungseinrichtung) D zum Bestrahlen der Eingangsfläche C der faseroptischen Platte B, wodurch ein Abbild eines Fingerabdrucks oder dergleichen mit Unregelmäßigkeiten ausgegeben wird. Bei dieser Abbildungsvorrichtung fällt, wenn ein Finger C1 oder dergleichen mit der Eingangsfläche C der faseroptischen Platte B in Kontakt steht, das Licht von der Lichtquelle D nur von den vorstehenden Abschnitten des Fingers C1, die mit der Eingangsfläche C in direktem Kontakt stehen, auf die faseroptische Platte B. Das einfallende Licht läuft dann durch die faseroptische Platte B und wird an der Ausgangsfläche E ausgegeben, so daß ein Abbild E1 (ein Fingerabdruckbild oder dergleichen) erhalten wird, das dem unregelmäßigen Muster des Fingerabdrucks oder dergleichen entspricht.
Bei dieser Abbildungseingabevorrichtung weist jedoch, wenn Licht von einem Teil einfällt, in dem der Finger C1 oder dergleichen nicht mit der Eingangsfläche C in Kontakt steht, das ausgegebene Abbild E1 einen geringeren Kontrast auf und wird undeutlich. Entsprechend ist im allgemeinen die Eingangsfläche C der faseroptischen Platte B bezüglich der optischen Achse (die mit der Richtung der optischen Achse der einzelnen optischen Fasern darin zusammenfällt) um einen vorgegebenen Winkel geneigt. Eine solche faseroptische Platte (erstes herkömmliches Beispiel) mit einer bezüglich der optischen Achse geneigten Eingangsfläche C ist als schräge FOP bekannt, ihr schräger Winkel θ₀ wird als Neigungswinkel bezeichnet. Bei der faseroptischen Platte B des ersten herkömmlichen Beispiels sind der Neigungswinkel θ₀ und die numerische Apertur NA der optischen Fasern A so aufeinander abgestimmt, daß verhindert wird, daß unnötig Licht (Streulicht), das von dem nicht in Kontakt mit der Eingangsfläche C stehenden Teil (dem vertieften Abschnitt des Fingers oder dergleichen, der nicht mit der Eingangsfläche C in Kontakt steht) einfällt, sich durch die optischen Fasern A ausbreitet (aufgrund des Erfüllens der Totalreflexionsbedingung). Im Ergebnis wird das erwähnte unnötige Licht theoretisch nicht an der Ausgangsfläche E ausgegeben.
Auch beschreibt zum Beispiel die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-174947 als faseroptische Platte eines zweiten herkömmlichen Beispiels einen Aufbau, bei dem zwischen den optischen Fasern, die die faseroptische Platte bilden, ein optischer Ab sorber angeordnet ist. Durch die Anordnung des optischen Absorbers wird Licht daran gehindert, quer über benachbarte optische Fasern zu laufen, wodurch das unnötig an der faseroptischen Platte von den Teilen, an denen das Objekt C1 und die Eingangsfläche C nicht miteinander in Kontakt stehen, einfallende Licht in der faseroptischen Platte wirksam abgeschwächt wird. Mit einer faseroptischen Platte mit einem solchen Aufbau kann entsprechend der Kontrast der davon ausgegebenen Abbildung verbessert werden.
Bei der Untersuchung des genannten Standes der Technik haben die Erfinder die folgenden Probleme festgestellt. Wenn Licht in der faseroptischen Platte über benachbarte optische Fasern läuft, kann der Kontrast der Ausgangsabbildung (der Abbildung des Objekts mit Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche) schlechter werden und das Bild undeutlich werden. Wenn zum Beispiel wie bei der in der genannten japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-174947 beschriebenen faseroptischen Platte zwischen den benachbarten optischen Fasern ein optischer Absorber angeordnet wird, ist es schwierig, durch den optischen Absorber das Licht vollständig zu absorbieren, so daß Licht, das von dem Teil einfällt, an dem das Objekt nicht mit der Eingangsfläche in Kontakt steht, zu der benachbarten optischen Faser übergehen kann. Dann kann, wie in der 2 gezeigt, wenn das Licht an einer oder beiden Seitenflächen F der faseroptischen Platte B und der Eingangsfläche C reflektiert wird, dieses reflektierte Licht in eine Richtung geführt werden, in der das Licht in der optischen Faser totalreflektiert wird, so daß es durch die optische Faser läuft und an der Ausgangsfläche E ausgegeben wird. In einem solchen Fall kann, wie oben angegeben, das ausgegebene Abbild wegen des Einflusses des ausgegebenen unnötigen Lichts (Streulichts) undeutlich werden.
Um diese Probleme zu überwinden, ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Abbildungseingabevorrichtung zum Erhalten einer kräftigen Abbildung eines Objekts mit Unregelmäßigkeiten (Vertiefungen und Vorsprüngen) an seiner Oberfläche zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird eine Abbildungsvorrichtung wie in Patentanspruch 1 angegeben geschaffen.
Bei Ausführungsformen der Erfindung hält das Halteelement eine Anzahl von Lichtquellen so, daß von den Strahlungskomponenten des einfallenden Lichts, die zwischen dem von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrom und der Eingangsfläche gebildet werden, die horizontale Komponente θ_H des Einfallswinkels in einer Ebene senkrecht zur Eingangsfläche und parallel zum Bezugsende an der Eingangsfläche, das den Neigungswinkel θ₀ festlegt, im Bereich von wenigstens 0° und nicht mehr als 20° liegt. Vorzugsweise hält das Halteelement jede Lichtquelle so, daß von dem von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrom der Mittelstrahl parallel zur Eingangsfläche ist (θ_H = 0°). Dabei hält vorzugsweise das Halteelement die Lichtquelle so, daß von den Richtungsvektorkomponenten des Mittelstrahls eine Komponente an der Eingangsfläche von einem Hilfsende der Eingangsfläche, das dem Bezugsende gegenüberliegt, zum Bezugsende gerichtet ist.
Das Halteelement kann des weiteren einen Aufbau zum Einstellen des Divergenzwinkels des Lichtstroms aufweisen, der von der Lichtquelle ausgesendet wird. Das Halte element kann auch ein Lichtabschirmelement zum Abdecken, mittels eines Luftspaltes, der Eingangsfläche der ersten FOP umfassen. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel der ersten FOP im Bereich von 25° bis 40°.
Die erfindungsgemäße Abbildungseingabevorrichtung umfaßt des weiteren einen Abbildungssensor mit einer Lichtaufnahmefläche, die so angeordnet ist, daß sie der Ausgangsfläche der ersten FOP gegenüberliegt, und kann verschiedene Arten von Aufbauten umfassen.
Insbesondere kann zwischen der ersten FOP und dem Abbildungssensor eine zweite FOP angeordnet werden. Die zweite FOP kann eine konische FOP sein, deren Querschnittfläche von der ersten FOP zum Abbildungssensor hin abnimmt. Auch können die Ausgangsfläche und die Eingangsfläche der ersten FOP zueinander parallel sein. Außerdem kann zwischen der ersten FOP und dem Abbildungssensor oder zwischen der zweiten FOP und dem Abbildungssensor ein optisches System angeordnet werden.
Mit diesem Halteaufbau wird es leichter, die Einstrahlrichtung der Lichtquelle zu kontrollieren, und der Lichtstrom wird daran gehindert, innerhalb des oben erwähnten Einfallswinkelbereichs X für Streulicht eingestrahlt zu werden. Im Ergebnis wird an der Ausgangsfläche sicher nur die gewünschte Lichtkomponente ausgegeben, so daß sich ein kräftigeres Bild ergibt (dessen Kontrast nicht durch Streulicht verringert ist).
Die vorliegende Erfindung läßt sich besser anhand der folgenden genauen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen verstehen, die nur beispielhaft ist bzw. sind und die die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen.
Aus der folgenden genauen Beschreibung geht auch der Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung besser hervor. Die genaue Beschreibung und die bestimmten Beispiele zeigen beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung abgeändert und modifiziert werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen Abbildungseingabevorrichtung darstellt;
2 eine Ansicht zur Erläuterung der Probleme bei der herkömmlichen Abbildungseingabevorrichtung;
3 eine auseinandergezogene Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
4 eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
5 eine Ansicht zur Erläuterung, wie sich Licht in einer faseroptischen Platte ausbreitet;
6 eine Ansicht der Konfiguration des Querschnitts der faseroptischen Platte bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
7 eine Ansicht zur Erläuterung des Mechanismusses, durch den in der faseroptischen Platte Streulicht erzeugt wird;
8 eine Ansicht zur Erläuterung des Einfallswinkels eines Lichtstroms, der auf die faseroptische Platte fällt;
9 eine Ansicht zur Erläuterung des Streulicht-Einfallswinkelbereichs;
10 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Messen des Streulicht-Einfallswinkelbereichs hinsichtlich der vertikalen Einfallswinkelkomponente;
11 ein Diagramm für die Beziehung zwischen der vertikalen Einfallswinkelkomponente und der emittierten Lichtmenge, bestimmt mit dem Verfahren der 10;
12 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Messen des Streulicht-Einfallswinkelbereichs hinsichtlich der horizontalen Einfallswinkelkomponente;
13 ein Diagramm für die Beziehung zwischen der horizontalen Einfallswinkelkomponente und der emittierten Lichtmenge, bestimmt mit dem Verfahren der 12;
14 eine Ansicht zum Erläutern der Divergenz des Lichtstroms, der von einer Lichtquelle emittiert wird;
15 eine Ansicht des Aufbaus eines Halteelements zum Halten der Lichtquelle in einer vorgegebenen Position;
16 bis 18 sind Ansichten von Aufbauten zum Einstellen des Divergenzwinkels des Lichtstroms, der von der Lichtquelle emittiert wird;
19 ist eine Ansicht des optimalen Bereichs zum Anbringen der Lichtquelle bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
20 ist eine Ansicht zum Erläutern des Zustands der Installation der Lichtquelle bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
21 eine Ansicht einer schematischen Konfiguration bei einer ersten Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
22 eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Photographieren einer Abbildung der Eingangsfläche der faseroptischen Platte hinsichtlich der vertikalen Einfallswinkelkomponente;
23 bis 28 sind Photographien, die Halbtonbilder der Ausgangsfläche der faseroptischen Platte an einem Display gemäß dem Verfahren der 22 zeigen, entsprechend Abbildungen, bei denen die vertikale Einfallswinkelkomponente 0°, 30°, 60°, 90°, 120° und 150° ist;
29 ist eine Ansicht der schematischen Konfiguration einer Vorrichtung zum Messen des Streulichtausgangs von faseroptischen Platten mit verschiedenen Neigungswinkeln bei einer Änderung der vertikalen Einfallswinkelkomponente;
30 ist ein Diagramm für die Beziehung zwischen der vertikalen Einfallswinkelkomponente und dem Streulichtausgang, gemessen mit der Vorrichtung der 29;
31 ist eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei einer zweiten Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
32 eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei einer dritten Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
33 eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei einer vierten Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung;
34 eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei einer fünften Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung; und
35 eine Ansicht der schematischen Konfiguration bei einer sechsten Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Abbildungseingabevorrichtung anhand der 3 bis 35 erläutert. In den Zeichnungen sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, und überlappende Erläuterungen werden nicht wiederholt.
Die 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung. Diese erfindungsgemäße Abbildungseingabevorrichtung umfaßt eine FOP 2 (erste FOP), in der eine Anzahl von optischen Fasern zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Diese FOP 2, die eine Eingangsfläche 22, die bezüglich der optischen Achse der einzelnen optischen Fasern um einen vorgegebenen Neigungswinkel θ₀ (0° < θ₀ < 90°) geneigt ist, und eine Ausgangsfläche 23 aufweist, die der Eingangsfläche 22 gegenüberliegt, befindet sich in einem Gehäuse 100. An der Seite der Ausgangsfläche 23 der FOP 2 ist ein Abbildungssensor (CCD) 6 angeordnet, der von einem Sockel 300 mit einer Einsetzvertiefung 301 an einer seiner Hauptflächen gehalten wird. Der Sockel 300 steht mit dem Gehäuse 100 in Eingriff und bildet so einen dunklen Raum zur Aufnahme der FOP 2. Das Gehäuse 100 weist des weiteren eine Oberseite 150 auf, die mit einer Öffnung 101 versehen ist, damit die Eingangsfläche 22 der FOP 2 freiliegt. Lichtquellen (Beleuchtungseinrichtungen) 3 zum Beleuchten der Eingangsfläche 22 der FOP 2 werden von einem Halteelement 200 in vorgegebenen Positionen gehalten. Diese Halteelemente 200 umfassen Halteabschnitte 250 und 260, die so angeordnet sind, daß sie einander quer über die Öffnung 101 des Gehäuses 100 gegenüberliegen. Jede der Lichtquellen 3 ist in einer Öffnung 201 in einem der Halteabschnitte 250 und 260 untergebracht.
Die erfindungsgemäße Abbildungseingabevorrichtung umfaßt des weiteren ein Steuersystem 400. Das Steuersystem 400 nimmt vom Abbildungssensor 6 ein elektrisches Signal (Videosignal) auf, unterwirft dieses erhaltene Signal einer vorgegebenen Bildverarbeitung und kontrolliert die Ansteuerung der Lichtquellen 3.
Die 4 zeigt den Aufbau des Hauptteils der Abbildungseingabevorrichtung. Wie in der 4 gezeigt, umfaßt diese Abbildungseingabevorrichtung 1 mindestens die FOP 2 und als Lichtquelle eine LED 3. Die FOP 2 umfaßt eine Anzahl von optischen Fasern 21, die im wesentlichen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind und zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Die beiden Endabschnitte der optischen Fasern 21 befinden sich an der Eingangsfläche 22 bzw. der Ausgangsfläche 23, so daß das Licht, das an der Eingangsfläche 22 einfällt, an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wird. Wie in den 5 und 6 gezeigt, ist zwischen benachbarten optischen Fasern 21 in der FOP 2 ein optischer Absorber 24 angeordnet. Der optische Absorber 24, der zum Ausbilden einer optischen Isolation zwischen benachbarten optischen Fasern 21 verwendet wird, dient zur Absorption des Lichts, das aus den optischen Fasern 21 austritt, wodurch verhindert wird, daß Licht zu benachbarten optischen Fasern 21 übertritt. Die einzelnen optischen Fasern 21 werden hier von einem Kern 21b mit einem vorgegebenen Brechungsindex n_Kern und einer Hülle 21a gebildet, die die um den äußeren Umfang des Kerns 21b herum angeordnet ist und die einen Brechungsindex n_Hülle besitzt, der kleiner ist als n_Kern.
Die Eingangsfläche 22, die dazu verwendet wird, daß aufgrund von vorstehenden Abschnitten eines Objekts 4, die damit in Kontakt stehen, Licht in die optischen Fasern 21 eintritt, ist bezüglich der Richtung der optischen Achse der optischen Fasern 21 um einen vorgegebenen Winkel geneigt (weder parallel noch senkrecht dazu). Vorzugsweise wird der Neigungswinkel θ₀ der Eingangsfläche 22 so gewählt, daß unnötig von vertieften Abschnitten (Nichtkontakt-Abschnitten) des Objekts 4, die nicht mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt stehen, einfallendes Licht (von den vertieften Abschnitten reflektiertes Licht) sich nicht durch die optischen Fasern 21 ausbreitet. Ein solcher Neigungswinkel der Eingangsfläche 22 wird entsprechend den Brechungsindizes der Hülle 21a und des Kerns 21b der optischen Fasern 21 wie in der 5 gezeigt bestimmt. Das heißt, daß, wenn der Brechungsindex oder Hülle 21a n_Hülle ist, der Brechungsindex des Kerns 21b n_Kern und der Brechungsindex der Luft gleich 1 ist, der Neigungswinkel θ₀ kleiner ist als der Winkel θ_M, der die folgenden Ausdrücke (1) bis (3) erfüllt: nKern·sinβ = nHülle·sin90° (1)(Bedingung zur Ausbreitung über Totalreflexion) nKern·sinα = sin90° (2)(Bedingung für einen Einfallswinkel von 0°) θM + (90° + α) + (90° – β) = 180° (3).
Der Neigungswinkel θ₀ ist der Winkel, bei dem das im wesentlichen parallel auf die Eingangsfläche 22 einfallende Licht durch die optische Faser 21 läuft, wobei es durch einen Winkel, der nahe am kritischen Winkel liegt, totalreflektiert wird. Wenn dieser Neigungswinkel θ₀ kleiner als θ_M gewählt wird, wird theoretisch verhindert, daß das Licht an der Grenzfläche zwischen der Hülle 21a und dem Kern 21b reflektiert wird und sich daher durch die optische Faser 21 ausbreitet, egal mit welchen Winkel das Licht von der Luft her einfällt. Wenn zum Beispiel die Brechungsindizes der Hülle 21a und des Kerns 21b der optischen Faser 21 n_Hülle = 1,45 bzw. n_Kern = 1,50 sind, ist der theoretische Neigungswinkel θ_M = etwa 36°, wodurch der Neigungswinkel θ₀ auf einen Winkel eingestellt werden kann, der kleiner ist als 36°, z. B. auf etwa 30°. Da der Neigungswinkel θ₀ nicht unabhängig vom Material der optischen Faser 21 gewählt werden kann, da er von den Brechungsindizes n_Hülle und n_Kern des Kerns 21b und der Hülle 21a der optischen Faser 21 abhängt, wird er typischerweise so eingestellt, daß er im Bereich von etwa 20° bis 40° liegt.
Andererseits ist die Ausgangsfläche 23, die die Ausgabefläche zur Abgabe des Lichts ist, das nach dem Einfallen an der Eingangsfläche 22 durch die optische Faser 21 läuft, im wesentlichen senkrecht zur Richtung der optischen Achse der optischen Faser 21 angeordnet, so daß das Licht leicht von der optischen Faser 21 abgegeben werden kann.
Bei dieser FOP 2 wird, wenn zwischen der Eingangsfläche 22 und der Ausgangsfläche 23 ein optischer Weg mit einer vorgegebenen Länge eingestellt wird, das von Abschnitten, in denen das Objekt 4 und die Eingangsfläche 22 nicht miteinander in Kontakt stehen, einfallende Licht (d. h. aus der Luft) beim Durchlaufen der optischen Faser abgeschwächt, so daß theoretisch verhindert wird, daß es an der Ausgangsfläche 23 abgegeben wird.
Es ist jedoch schwierig zu erreichen, daß der optische Absorber 24, der zwischen den optischen Fasern 21 in der FOP 2 angeordnet ist, vollständig verhindert, daß Licht zwischen den optischen Fasern 21 übertritt. Wenn zum Beispiel starkes Licht einfällt, kann das einfallende Licht vom optischen Absorber 24 durchgelassen werden und zu der benachbarten optischen Faser 21 geführt werden. Wie in der 7 gezeigt kann, wenn solches Licht von der Hülle 21a oder dem Kern 21b der FOP 2 oder dem optischen Absorber 24 oder einer Seitenfläche 25 der FOP 2 reflektiert wird (in der 7 wird das Licht von der Seitenfläche 25 reflektiert) und außerdem von der Eingangsfläche 22 zur Innenseite der FOP 2 reflektiert wird, sich das Licht durch die optische Faser 21 ausbreiten (längs der Richtung der optischen Achse der optischen Faser 21 laufen), wobei es totalreflektiert wird, so daß es an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wird.
Die LED 3, die eine Lichtquelle ist, wird daher vom Halteelement 200 so gehalten, daß das Licht von der Lichtquelle in einem Winkelbereich auf die Eingangsfläche 22 der FOP 2 einfällt, der außerhalb des Einfallswinkelbereichs für Streulicht liegt (außerhalb des Einfallswinkels für Streulicht, das die Ausgangsfläche 23 erreichen kann). Wie in der 4 gezeigt, ist die LED 3 eine Einrichtung zum Bestrahlen des Objekts 4, das mit der Eingangsfläche in Kontakt steht, z. B. ein Finger, wobei das Licht eine vorgegebene Wellenlänge hat, wodurch die Lichtmenge wirksam erhöht wird, die von dem damit in Kontakt stehenden Objekt 4 auf die Eingangsfläche 22 einfällt. Als LED 3 wird vorzugsweise eine verwendet, die Licht mit einer hohen Richtwirkung ausstrahlt. Wenn eine solche LED 3 verwendet wird, ist es einfacher, die Lichteinstrahlrichtung (Ausbreitungsrichtung des Lichtstroms, der von der Lichtquelle emittiert wird) zu steuern, wodurch verhindert wird, daß das Licht mit einem möglichen Einfallswinkel für Streulicht eingestrahlt wird. Ohne Einschränkung auf die LED 3 können auch andere Lichtemitter wie Laser und Lampen als Lichtquelle verwendet werden, solange sie Licht unter einem Winkel einstrahlen können, der sich vom Einfallswinkel für Streulicht unterscheidet. Auch kann zwischen der Lichtquelle und der Eingangsfläche 22 ein optisches System wie eine Linse angeordnet werden, um die Eingangsfläche 22 mit kollimierten Licht zu bestrahlen.
In dieser Beschreibung werden, wie in der 8 gezeigt, die Einfallswinkelkomponenten des Lichtstroms, der die Eingangsfläche 22 der FOP 2 beleuchtet, als aufgeteilt in eine vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V und eine horizontale Einfallswinkelkomponente θ_H beschrieben.
In der 8 ist die Eingangsfläche 22 der FOP 2 als eine Fläche in der x-y-Ebene definiert, und die Normale auf die x-y-Ebene ist die z-Achse. Entsprechend ist die x-Achse eine Achse in der x-y-Ebene, die parallel zu sowohl einem Bezugsende 220 zum Definieren des Neigungswinkels θ₀ (eines spitzen Winkels) als auch einem Hilfsende 230 ist, das dem Bezugsende 220 mit der Eingangsfläche 22 dazwischen gegenüberliegt. Auch ist die y-Achse eine Achse in der x-y-Ebene, die wenigstens senkrecht zum Bezugsende 220 ist. Das Bezugsende 220 ist hier die Grenzlinie zwischen der Seitenfläche 25 und der Eingangsfläche 22 und damit das Segment, das den Neigungswinkel θ₀ (einen spitzen Winkel) einschließt. Das Hilfsende 230 ist die Grenzlinie zwischen der Seitenfläche 25 und der Eingangsfläche 22 und damit das Segment, das dem Bezugsende 220 gegenüberliegt.
Die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V bezeichnet entsprechend, wenn ein einfallender Lichtstrom, der auf die Eingangsfläche 22 gerichtet ist, auf die angegebene y-z-Ebene projiziert wird, die Winkelkomponente (0° bis 180°), die zwischen der einfallenden Lichtstromkomponente in der y-z-Ebene und der y-Achse gebildet wird. Andererseits bezeichnet die horizontale Einfallswinkelkomponente θ_H, wenn der einfallende Lichtstrom, der auf die Eingangsfläche 22 gerichtet ist, auf die angegebene x-z-Ebene projiziert wird, die Winkelkomponente (0° bis 90°), die zwischen der einfallenden Lichtstromkomponente in der x-z-Ebene und der x-Achse gebildet wird. Hinsichtlich der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V bezeichnet hier 0° die Seite des Bezugsendes 220, gesehen vom Ursprung O an der Eingangsfläche 22, während 180° die Seite des Bezugsendes 230 bezeichnet, gesehen vom Ursprung O. Hinsichtlich der horizontalen Einfallswinkelkomponente θ_H bezeichnet andererseits 0°, daß sie mit der x-Achse in der 8 zusammenfällt, während 90° angibt, daß sie mit der z-Achse zusammenfällt.
Streulicht bezeichnet des weiteren unnötiges Licht, das an der Eingangsfläche 22 in die FOP 2 eintritt und dann vom optischen Absorber 24 durchgelassen wird, um die optische Faser 21 unabhängig von seiner optischen Achse zu durchlaufen. Der Einfallswinkelbereich X für Streulicht ist der Einfallswinkelbereich für unnötig auf die Eingangsfläche 22 einfallenden Lichtstrom (definiert durch die Winkelkomponente in der y-z-Ebene, ähnlich wie die oben erwähnte vertikale Einfallswinkelkomponente, in der die Neigungswinkelseite der FOP 2 auf 0° eingestellt ist). Wie in der 7 zu sehen, wird, wenn Licht unter diesem Winkel an der Eingangsfläche 22 in die FOP 2 eintritt, es als Ergebnis der Reflexion an den Grenzflächen wie der Seitenfläche 25 und der Eingangsfläche 22 an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben, nachdem es die optische Faser 21 mittels Totalreflexion durchlaufen hat. Der Einfallswinkelbereich X für Streulicht liegt in dem Bereich, der vom folgenden Ausdruck (4) angegeben wird: (XC – Θ) ≤ X ≤ (XC + Θ) (4), wobei X_C der Einfallsmittenwinkel für Streulicht ist, der durch den Ausdruck (90° – sin^–1(n_Kernsin(90° – 3θ₀))) gegeben ist; n_Kern ist der Brechungsindex des Kerns der optischen Faser; θ₀ ist der Neigungswinkel; Θ ist der kritische Winkel für die Totalreflexion an Luft, der durch den Ausdruck (sin^–1(n_Kernsin(90° – S_C – ϕ))) gegeben ist; wobei S_C der Einfallsmittenwinkel für Streulicht in der optischen Faser ist, der durch der Ausdruck (sin^–1(1/n_Kern)sinX_C)) gegeben ist; ϕ ist der kritische Winkel für Totalreflexion in der optischen Faser, der durch den Ausdruck (sin^–1(n_Hülle/n_Kern)) gegeben ist; und n_Hülle ist der Brechungsindex der Hülle der optischen Faser (vgl. 9).
Wenn in der 7 der Brechungswinkel des unter dem Winkel X_C (vertikale Einfallswinkelkomponente) bezüglich der Eingangsfläche 22 auf die FOP 2 mit dem Brechungsindex n_Kern einfallenden Lichts gleich γ ist, ergibt sich aus den Brechungsgesetzen der folgende Ausdruck (5): sin(90° – XC) = nKern·sinγ (5).
Wenn wie in der 7 gezeigt der Brechungswinkel für das sich durch die optische Faser 21 mit dem Winkel γ von der Eingangsfläche 22 ausbreitende und von der Seitenfläche 25 totalreflektierte Licht gleich δ ist und der Brechungswinkel bei der weiteren Totalreflexion an der Eingangsfläche 22 gleich ε ist, ergibt sich aus der Summe der Innenwinkel des Dreiecks, das den Einfallspunkt an der Eingangsfläche 22, den Reflexionspunkt an der Seitenfläche 25 und den Reflexionspunkt an der Eingangsfläche 22 verbindet, der folgende Ausdruck (6): (90° – γ) + 2δ + ε = 180° (6).
In der 7 ergibt sich auch aus der Summe der Innenwinkel des Dreiecks, das den Neigungswinkel θ₀ der FOP 2, den Reflexionspunkt an der Seitenfläche 25 und den Reflexionspunkt an der Eingangsfläche 22 verbindet, der folgende Ausdruck (7): θ0 + (90° + δ) + ε = 180° (7).
Das von Eingangsfläche 22 in die FOP 2 reflektierte Licht durchläuft bezüglich der Eingangsfläche 22 die FOP 2 unter dem Winkel ε. Wenn der Winkel ε des Lichts mit θ₀ zusammenfällt, das die Richtung der optischen Achse der FOP 2 bezeichnet, erreicht das Licht die Ausgangsfläche 23. Das heißt, daß, wenn der folgende Ausdruck (8) erfüllt ist, das unter dem Einfallswinkel X_C (Winkelkomponente, die der vertikalen Einfallswinkelkomponente entspricht) einfallende Streulicht parallel zu der optischen Achse der FOP 2 diese durchläuft: ε = θ0 (8)
Wenn δ durch die Ausdrücke (6) bis (8) eliminiert wird und so γ als Funktion von θ₀ ausgedrückt wird und die sich ergebende Funktion dazu verwendet wird, das γ im Ausdruck (5) zu ersetzen, ergibt sich der Einfallsmittenwinkel X_C für das Streulicht durch den folgenden Ausdruck (9): XC = 90° – sin–1(nKern·sin(90° – 3θ0)) (9).
Der Einfallsmittenwinkel X_C für das Streulicht ist die Winkelkomponente in der y-z-Ebene, die der vertikalen Einfallswinkelkomponente des Lichtstroms entspricht, wenn das Streulicht schließlich parallel zu der Richtung der optischen Achse der optischen Faser 21 wird. Der mögliche Bereich für den Einfallswinkel X für Streulicht, bei dem das Streulicht an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wird, nachdem es die optische Faser 21 durchlaufen hat und dabei totalreflektiert wurde, ist der Winkelbereich, der erhalten wird, wenn der kritische Winkel Θ für die Totalreflexion zum Einfallsmittenwinkel X_C für das Streulicht hinzuaddiert und davon subtrahiert wird, wie es in der 9 gezeigt ist. Der kritische Winkel für die Totalreflexion bezeichnet den minimalen Einfallswinkel des Lichts vom Kern 21b zur Hülle 21a, wenn das Licht durch die optische Faser 21 läuft, während es totalreflektiert wird. Der Einfallswinkel für Streulicht liegt damit im Bereich von (X_C – Θ) bis (X_C + Θ), was durch den Ausdruck (4) dargestellt wird. In der 9 bezeichnet Θ_– den kritischen Winkel (Θ) für die Totalreflexion auf der Seite des Bezugsendes 220 vom Einfallsmittenwinkel X_C für Streulicht, während Θ₊ den kritischen Winkel (Θ) für die Totalreflexion an der Seite des Hilfsendes 230 vom Einfallsmittenwinkel X_C für Streulicht bezeichnet.
Im folgenden werden Experimente zum Messen des Ausgangs der FOP 2 (Ausgang an der Ausgangsfläche 23) hinsichtlich der vertikalen Komponente θ_V des Einfallswinkels und der horizontalen Komponente θ_H des Einfallswinkels erläutert, wobei diese Komponenten Einfallswinkelkomponenten des Lichtstroms sind, der von der Lichtquelle emittiert wird.
Zuerst wird hinsichtlich der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V wie in der 10 gezeigt in den jeweiligen Zuständen, in denen die horizontale Einfallswinkelkomponente θ_H bezüglich der FOP 2 mit einem Neigungswinkel von 30° auf 15°, 30° und 90° eingestellt ist, während die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V sich zwischen 0° und 180° ändert, die Ausgangslichtmenge an der Ausgangsfläche 23 gemessen. Das heißt, daß in den jeweiligen Zuständen, in denen die horizontale Einfallswinkelkomponente θ_H auf die vorgegebenen Winkel (15°, 30° und 90°) eingestellt ist, eine Messung erfolgt, während die LED 3 zusammen mit einem optischen System (einer Linse) zum Bündeln des Ausgangslichts der LED 3 in der Richtung bewegt wird, die in der 10 durch den Pfeil L1 angezeigt wird.
Die 11 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V und der Menge des an der Ausgangsfläche 23 ausgegebenen Lichts, gemessen mit dem in der 10 gezeigten Verfahren. In diesem Diagramm gibt die Ordinate einen normalisierten Wert an, bei dem der maximale Ausgang bei 100 liegt.
Wie sich aus diesem Diagramm ergibt, liegt der Einfallswinkel X für Streulicht im Bereich von etwa 70° bis 110°, ohne erheblich von der horizontalen Einfallswinkelkomponente θ_H abhängig zu sein. Das heißt es ist ersichtlich, daß, wenn die Lichtquelle 3 an einer Stelle angeordnet wird, in der der von der Lichtquelle 3 ausgesendete Lichtstrom derart auf die Eingangsfläche 22 einfällt, daß die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V außerhalb des erwähnten Bereichs (70° bis 110°) liegt, das Streulicht daran gehindert werden kann, die FOP 2 zu durchlaufen.
Hinsichtlich der horizontalen Einfallswinkelkomponente θ_H wird, wie in der 12 gezeigt, in dem Zustand, in dem die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V bezüglich der FOP 2 mit einem Neigungswinkel von 30° auf 90° eingestellt ist, während sich die horizontale Einfallswinkelkomponente θ_H von 0° bis 90° ändert, die Ausgangslichtmenge an der Ausgangsfläche 23 gemessen. Das heißt, daß in einem Zustand, in dem die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V auf einen vorgegebenen Winkel (90°) eingestellt ist, eine Messung erfolgt, während die LED 3 zusammen mit einem optischen System (einer Linse) zum Bündeln des Ausgangslichts der LED 3 in die durch den Pfeil L2 in der 12 angezeigte Richtung bewegt wird.
Die 13 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der horizontalen Einfallswinkelkomponente θ_H und der Menge des an der Ausgangsfläche 23 ausgegebenen Lichts, gemessen mit dem in der 12 gezeigten Verfahren. In diesem Diagramm gibt die Ordinate einen normalisierten Wert an, bei dem der maximale Ausgang bei 100 liegt.
Wie sich aus diesem Diagramm ergibt, ist eine näher bei 0° liegende horizontale Komponente θ_H des Einfallswinkels zu bevorzugen, sie wird vorzugsweise auf 20° oder weniger eingestellt.
Auch wenn für die Lichtquelle 3 vorzugsweise ein Lichtemitter mit einer Richtwirkung verwendet wird, kann auch eine Lichtquelle mit einem vorgegebenen Divergenzwinkel um einen Mittelstrahl 30 verwendet werden, wie es in der 14 gezeigt ist. Bei der Verwendung einer solchen Lichtquelle 3 bestrahlt jedoch der Lichtstrom von der Lichtquelle 3 die Eingangsfläche 22 immer in einem gewissen Ausmaß unter einem Divergenzwinkel, auch wenn die Lichtquelle 3 in der Befestigungsöffnung 201 untergebracht ist, die in den Halteabschnitten 250 und 260 mit einer Höhe h ausgebildet sind. Dieser Divergenzwinkel des Lichtstroms von der Lichtquelle 3 kann jedoch geregelt werden, wenn der Abstand vom Öffnungsabschnitt 202 der Befestigungsöffnung 201 in den Halteabschnitten 250 und 260 wie in den 16 bis 18 gezeigt eingestellt wird. Natürlich kann auch ein optisches System (zum Beispiel eine Linse) als Bündeleinrichtung am Öffnungsabschnitt 202 vorgesehen werden.
Es ist auch zu sehen, daß, da die horizontale Komponente θ_H des Einfallswinkels des Lichtstroms, der auf die Eingangsfläche 22 fällt, wie erwähnt vorzugsweise in der Nähe von 0° liegt, es in einem Zustand, in dem jede Lichtquelle vom Halteabschnitt 200 (derart, daß der Mittelstrahl 30 und die Eingangsfläche 22 parallel sind) wie in der 15 gezeigt gehalten wird, vorzugsweise der Lichtstrom die Eingangsfläche 22 auf der Basis des Segments, das den Ursprung O an der Eingangsfläche 22 mit dem Bezugsende 220 verbindet, im Bereich von +120° bis +180° oder von –120° bis –180° bestrahlt, wie es in der 19 gezeigt ist. Wenn die Ausstrahlungsrichtung des Mittelstrahls 30 in diesem Bereich liegt, läuft von den Richtungsvektorkomponenten des Mittelstrahls 30 wenigstens eine Komponente an der Eingangsfläche 22 vom Hilfsende 230 zum Bezugsende 220.
Angesichts dieser Untersuchungen hält bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung das Halteelement 200 jede Lichtquelle 3 in einer Position, bei der der Mittelstrahl 30 von der Lichtquelle 3 parallel zu der Eingangsfläche 22 verläuft und bezüglich der Achse an der Eingangsfläche 22, die senkrecht auf dem Bezugsende 220 steht (und die mit der y-Achse zusammenfällt), einen Winkel von 125° bildet (siehe 20).
Das Streulicht ist nicht auf das unnötig eingestrahlte Licht von der Lichtquelle 3 beschränkt. Entsprechend kann, wie in der 21 gezeigt, wenn das Halteelement 200 mit einem Lichtabschirmelement 270 zum Abdecken der Eingangsfläche 22 versehen ist, besser verhindert werden, daß Streulicht auf die Eingangsfläche 22 fällt (erste Anwendung).
Die 23 bis 28 zeigen Photographien der Ausgangsfläche 23 der FOP 2 an einem Display bei sich ändernder vertikaler Komponente θ_V des Einfallswinkels.
Der Neigungswinkel θ₀ der für die Photographien verwendeten FOP 2 betrug 30°, die horizontale Komponente θ_H des Einfallswinkels 90°, und die Lichtquelle 3 wurde in der Richtung des Pfeiles L3 in der 22 bewegt, wobei die Ausgangsfläche 23 (jede Photographie zeigt die Ausgangsfläche 23 der FOP 2 auf der linken Seite) photographiert wurde, wenn die vertikale Komponente θ_V des Einfallswinkels 0° (23), 30° (24), 60° (25), 90° (26), 120° (27) und 150° (28) betrug.
Wie aus diesen Photographien ersichtlich ist, kann das Streulicht wirkungsvoll am Eintreten gehindert werden, wenn die vertikale Komponente θ_V des Einfallswinkels nahe 60° oder wenigstens 120° liegt. Im Gegensatz dazu wird das Streulicht nicht so wirkungsvoll am Eintreten gehindert, wenn die vertikale Komponente θ_V des Einfallswinkels 0° oder 30° beträgt. Das Streulicht wird außerdem nicht am Eintreten gehindert, wenn die vertikale Komponente θ_V des Einfallswinkels 90° beträgt. Die in den Photographien der 23 und 24 gezeigten Fingerabdruckmuster sind Fettkomponenten, die auf der Eingangsfläche 22 der FOP 2 verbleiben. Die photographierten Ergebnisse fallen auch mit der Tendenz der im Diagramm der 11 gezeigten Ergebnisse überein (für θ_H = 90°).
Wie oben angegeben, ist bei einem Kern-Brechungsindex n_Kern und einem Mantel-Brechungsindex n_Hülle der FOP 2 von 1,50 bzw. 1,45 (NA = 0,35) der kritische Winkel Θ für die Totalreflexion in Luft etwa 20°. Wenn die FOP 2 Neigungswinkel θ₀ von 20° und 30° aufweist, läßt sich der Einfallswinkelbereich X für Streulicht aus dem Ausdruck (4) zu 21° (= 41° – 20°) bis 61° (= 41° + 20°) und 70° (= 90° – 20°) bis 110° (= 90° + 20°) berechnen. Wenn die Eingangsfläche 22 mit dem Lichtstrom von der LED 3 außerhalb dieses gegebenen Bereichs für den Einfallswinkel X des Streulichts bestrahlt wird, wird an der Ausgangsfläche 23 der FOP 2 kein Streulicht ausgegeben, und es wird nur das auf die Eingangsfläche 22 fallende Licht kräftig an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben, das von den Teilen ausgeht, die mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt stehen. Es ist anzumerken, daß die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 den oberen Bereich nutzt.
Um die Werte für den Einfallswinkelbereich X für Streulicht weiter zu überprüfen, haben die Erfinder die Eigenschaften der Einfallswinkelkomponente (der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V) und die Ausgangsintensität des Streulichts unter Verwendung von echten FOPs 2 und der in der 29 gezeigten Meßvorrichtung gemessen. Die 30 zeigt die mit der Meßvorrichtung der 29 erhaltenen Meßdaten. Die verwendeten FOPs 2 wiesen einen Neigungswinkel θ₀ von 20° bzw. 30° auf. In jeder FOP 2 war der Kern-Brechungsindex n_Kern gleich 1,50 und der Mantel-Brechungsindex n_Hülle gleich 1,45 (NA = 0,35). Mit jeder FOP 2 wurde bei einer festen horizontalen Einfallswinkelkomponente θ_H von 90° die Änderung in der Ausgangsintensität des Streulichts gemessen, das an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wurde, während die vertikale Einfallswinkelkomponente θ_V bezüglich der Eingangsfläche 22 von 5° bis 180° geändert wurde (es wird angenommen, daß die Bezugsendeseite der FOP 2 bei 0° liegt). Als Lichtquelle wurde ein Halbleiterlaser 51 (der Laser LN9R der Matsushita Electric Industrial Co., Ltd; 35 mW, 680 nm) verwendet. Als Meßeinrichtung für die Ausgangsintensität wurde eine CCD 52 (BS7259 der Matsushita Electronics Industry Corp.) an der Ausgangsfläche 52 angebracht, deren Ausgangssignal von einer Ausgangssignal-Erfassungseinrichtung (DVS3000 der Hamamatsu Photonics K. K.) aufgenommen wurde, wobei die Ausgangsintensität des Streulichts durch eine regionale Integration gemessen wurde.
Wie das Diagramm der 30 zeigt, ist bei der FOP 2 mit einem Neigungswinkel von 20° die Ausgangsintensität des Streulichts bei einer vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V von 30° maximal und nimmt mit einer Zunahme der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V von diesem Winkel an ab. Bei der FOP 2 mit einem Neigungswinkel von 30° ist die Ausgangsintensität des Streulichts bei einer vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V von 90° maximal und nimmt mit einer Zunahme der vertikalen Einfallswinkelkomponente θ_V von diesem Winkel an ab, wobei die Ausgangsintensität auch in der Nähe eines Einfallswinkels von 20° ansteigt. In dem Diagramm der 30 ist auf der Ordinate ein normalisierter Wert aufgetragen, bei dem der Maximalwert der Ausgangsintensität des Streulichts gleich 1 ist.
Als Ergebnis dieser Messung ist ersichtlich, daß der erwähnte theoretische Wert für den Einfallswinkelbereich X des Streulichts und die tatsächliche Komponente des Einfallswinkels (die vertikale Komponente θ_V des Einfallswinkels), bei der die Ausgangsintensität des Streulichts maximal ist, im wesentlichen als vom Neigungswinkel θ₀ abhängige Funktion zusammenfallen. Es ist auch ersichtlich, daß das Licht, das innerhalb des Bereichs für den Einfallswinkel X für Streulicht einfällt, der vom obigen Ausdruck (4) angegeben wird, zu Streulicht wird, das an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wird. Wenn der Lichtstrom von der Lichtquelle 3 mit einem Einfallswinkel bezüglich der Eingangsfläche 22 ausgestrahlt wird, der außerhalb des Einfallswinkelbereichs X für Streulicht liegt, kann das Streulicht daran gehindert werden, ausgegeben zu werden, so daß nur das erwünschte Licht allein klar ausgegeben wird.
In der Folge wird ein Verfahren zur Anwendung der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung 1 und dessen Betrieb erläutert.
In der 4 ist die LED 3 so angeordnet, daß die den Lichtstrom abgebende Fläche auf die Eingangsfläche 22 der FOP 2 gerichtet ist, und die Eingangsfläche 22 wird unter einem Winkel, der größer ist als die Obergrenze für den Einfallswinkelbereich X für Streulicht, mit dem Lichtstrom bestrahlt. Die Ausgangsfläche 23 der FOP 2 ist mit einer photoelektrischen Umwandlungseinrichtung 6 wie einer CCD versehen, so daß das Abbild des von der Ausgangsfläche 23 ausgegebenen Lichts in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgegeben werden kann. Wenn ein Objekt mit Unregelmäßigkeiten an seiner Oberfläche, z. B. der Finger 4, in Kontakt mit der Eingangsfläche 22 der FOP 2 gebracht wird, wie es in dem strichpunktierten Kreis in der 4 angezeigt wird, kommen nur die vorstehenden Teile 41 des Fingerabdrucks des Fingers 4 mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt.
Der Finger 4 wird mit dem Licht von der LED 3 bestrahlt, und dieses Licht fällt mittels der vorstehenden Teile 41 des Fingerabdrucks des Fingers 4 auf die optischen Fasern 21. Da dabei das Licht von der LED 3 unter einem Winkel auf die Eingangsfläche 22 einfällt, der größer ist als die Obergrenze des Einfallswinkelbereichs X für Streulicht, wird es auch dann nicht zu Streulicht, das an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben wird, wenn es aus der Luft und nicht über den Finger 4 direkt auf die Eingangsfläche 22 einfällt.
Das über den Finger 4 auf die optischen Fasern 21 einfallende Licht läuft durch die einzelnen optischen. Fasern 21, wobei es darin totalreflektiert wird, und erreicht die Ausgangsfläche 23, an der es als Abbildung ausgegeben wird, die dem Fingerabdruck (dem Unregelmäßigkeitsmuster) des Fingers 4 entspricht. Da kein Streulicht von Teilen auf die Eingangsfläche 22 einfällt, an denen die Eingangsfläche 22 und der Finger 4 nicht miteinander in Kontakt stehen, bleiben die Abschnitte (die vertieften Abschnitte, die nicht mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt stehen) in der Ausgangsfläche 23 außerhalb des Fingerabdruckabbildes dunkel, wodurch sich eine deutliche Fingerabdruck-Lichtabbildung mit hohem Kontrast ergibt. Die sich ergebende klare Abbildung wird der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung 6 zugeführt, um als elektrisches Signal verarbeitet zu werden.
Wie oben beschrieben kann bei der erfindungsgemäßen Abbildungseingabevorrichtung 1 das Abbild eines Objekts klar entsprechend der Form der Unregelmäßigkeiten, die mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt stehen, ausgegeben werden. Sie ist dementsprechend gut brauchbar in einer Vorrichtung zum Identifizieren von unregelmäßigen Formen, etwa zum Erfassen von Fingerabdrücken.
Die oben beschriebene Abbildungseingabevorrichtung 1 macht von einer FOP 2 mit einem trapezförmigen Querschnitt Gebrauch, bei dem die Eingangsfläche 22 und die Ausgangsfläche 23 nicht parallel zueinander sind. Die FOP 2 kann jedoch auch einen parallelogrammartigen Querschnitt haben, bei dem die Eingangsfläche 22 und die Ausgangsfläche 23 zueinander parallel sind (zweite Anwendung). Das heißt, daß, wie in der 31 gezeigt, die Abbildungseingabevorrichtung 1a gemäß der zweiten Anwendung wenigstens die Lichtquelle 3 und die FOP 2 mit einer Eingangsfläche 22 und einer Ausgangsfläche 23 umfaßt, die zueinander parallel sind. Auch bei dieser so aufgebauten Abbildungseingabevorrichtung 1a wird, wenn die Eingangsfläche 22 mit einem Lichtstrom von der Lichtquelle 3 unter einem Winkel bestrahlt wird, der außerhalb des oben genannten Einfallswinkel bereichs X für Streulicht liegt, eine klare Abbildung an der Ausgangsfläche 23 ausgegeben, die den vorspringenden Teilen entspricht, die mit der Eingangsfläche 22 in Kontakt stehen.
Wie in den 32 bis 35 gezeigt, kann die erfindungsgemäße Abbildungseingabevorrichtung in verschiedenen Konfigurationen realisiert werden.
Die in der 32 gezeigte dritte Anwendung ist so aufgebaut, daß zwischen einer schrägen FOP 500 mit einer Eingangsfläche 501 und einem Abbildungssensor 601 eine sich verjüngende FOP 600 angeordnet ist, deren Querschnittsfläche sich von der schrägen FOP 500 zum Abbildungssensor 601 hin verjüngt. Auch bei diesem Aufbau kann wirkungsvoll verhindert werden, daß sich Streulicht durch die optische Faser ausbreitet, wenn die Eingangsfläche 22 mit einem Lichtstrom unter einem Winkel bestrahlt wird, der außerhalb des oben genannten Einfallswinkelbereichs X für Streulicht liegt.
Die in der 33 gezeigte vierte Anwendung umfaßt eine schräge FOP 510 mit einer Eingangsfläche 511 und einer dazu parallelen Ausgangsfläche 512; einen Abbildungssensor 601; eine schräge FOP 510 und ein optisches System (eine Linse) 602, das bzw. die zwischen der schrägen FOP 510 und dem Abbildungssensor 601 angeordnet ist. Die Ausgangsfläche 512 der schrägen FOP 510 wurde dabei einem Streuprozeß unterworfen.
Die in der 34 gezeigte fünfte Anwendung umfaßt eine schräge FOP 520 mit einer Eingangsfläche 521 und einer dazu parallelen Ausgangsfläche 522; einen Abbildungssensor 601 und wie bei der obigen dritten Anwendung (32) eine sich verjüngende FOP 600, die zwischen der schrägen FOP 520 und dem Abbildungssensor 601 angeordnet ist.
Die in der 35 gezeigte sechste Anwendung umfaßt eine schräge FOP 520 mit einer Eingangsfläche 521 und einer dazu parallelen Ausgangsfläche 522; einen Abbildungssensor 601; eine schräge FOP 530 mit einer Eingangsfläche 531 und einer Ausgangsfläche 532, die zwischen der schrägen FOP 520 und dem Abbildungssensor 601 angeordnet ist; und ein optisches System 602, das zwischen der schrägen FOP 530 und dem Abbildungssensor 601 angeordnet ist. Bei jeder der derart aufgebauten vierten bis sechsten Anwendungen kann das Streulicht wirkungsvoll daran gehindert werden, sich durch die optische Faser auszubreiten, wenn die Eingangsfläche 22 mit einem Lichtstrom unter einem Winkel bestrahlt wird, der größer ist als die Obergrenze für den Einfallswinkelbereich X für Streulicht.
Wie beschrieben wird nur Licht, das von vorstehenden Teilen eines Objekts auf die Eingangsfläche einfällt, die mit der Eingangsfläche in Kontakt stehen, an der Ausgangsfläche ausgegeben, das bezüglich der Eingangsfläche unter einem Winkel ausgestrahlt wird, der außerhalb des Einfallswinkelbereichs für Streulicht liegt, während das Licht, das von vertieften Teilen des Objekts, die nicht mit der Eingangsfläche in Kontakt stehen, auf die Eingangsfläche fällt, nicht an der Ausgangsfläche ausgegeben wird. Entsprechend kann eine klare Objektabbildung erhalten werden, die dem Unregelmäßigkeitsmuster der Oberfläche des Objekts entspricht.
Wenn als Lichtquelle eine Licht ausgebende Quelle mit einer hohen Richtwirkung verwendet wird oder eine Anordnung zum Begrenzen des Divergenzwinkels des Licht stroms von der Lichtquelle vorgesehen wird, kann die Einstrahlrichtung des Lichts von der Lichtquelle (die Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstroms) leicht kontrolliert werden, wodurch das Licht daran gehindert werden kann, im Einfallswinkelbereich für Streulicht eingestrahlt zu werden. Folglich wird nur das erwünschte Licht allein an der Ausgangsfläche ausgegeben.

Claims

Abbildungsvorrichtung mit einer ersten faseroptischen Platte (2, 500, 510, 520) mit einem Bündel von optischen Fasern und einer Eingangsfläche (22, 501, 511, 521), einer zweiten Fläche (25) und einer Ausgangsfläche (23, 512, 522), wobei sich die Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) und die zweite Fläche (25) entlang einer Bezugslinie (220) unter einem Winkel θ₀ schneiden, die Ausgangsfläche (23, 522) der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) gegenüberliegt und jede optische Faser in dem optischen Faserbündel eine unter dem Winkel θ₀ zu der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) geneigte optische Achse aufweist; und mit einer Lichtquelle (3, 51), die dafür vorgesehen ist, die Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) direkt mit einem Lichtstrahlbündel zu beleuchten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halteelement (200) derart angeordnet ist, daß es im Gebrauch die Lichtquelle (3, 51) an einer vorbestimmten Position hält, wobei der Winkel, der zwischen (a) der Vektorkomponente eines Lichtstrahls des Lichtstrahlbündels in einer im wesentlichen senkrecht zu der Bezugslinie (220) und parallel zu der Längsrichtung der optischen Fasern ausgerichteten Ebene (YZ), und (b) der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) gebildet wird, bei einer Messung von der Bezugslinienseite der Eingangsfläche her im Gebrauch immer im Bereich zwischen (X_c + Θ) und 180° liegt, wobei X_c durch den Ausdruck (90° – sin^–1(n_Kern·sin(90° – 3θ₀))) gegeben ist, wobei n_Kern der Brechungsindex des Kerns der optischen Fasern ist; und Θ der kritische Winkel für Totalreflektion an Luft ist, gegeben durch den Ausdruck (sin^–1(n_Kern·sin(90° – S_c – ϕ))), wobei S_c gleich (sin^–1((1/n_Kern)·sinX_c)) und ϕ der kritische Winkel für Totalreflektion in den optischen Fasern ist, gegeben durch den Ausdruck (sin^–1(n_Hülle/n_Kern)), wobei n_Hülle der Brechungsindex des Mantels der optischen Fasern ist.
Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit mindestens einem Lichtquellenpaar (3, 51), die jeweils die Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) mit einem Lichtstrahlbündel beleuchten; und mit einem Gehäuse (100) zum Aufnehmen der ersten faseroptischen Platte (2, 500, 510, 520), wobei das Gehäuse eine Oberseite (150) aufweist, die mit einer Öffnung (101) zum Freilegen der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) ausgestattet ist; und wobei das Halteelement (200) Halteabschnitte (250) zum entsprechenden Halten der Lichtquellen (3, 51) derart aufweist, daß die Lichtquellen (3, 51) zumindest einen Teil der Öffnung (101) des Gehäuses (100) umgeben, wobei die Halteabschnitte (250) auf der Oberseite (150) so vorgesehen und positioniert sind, daß sie einander quer über die Öffnung (101) des Gehäuses (100) gegenüberliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halteelement (200) dazu ausgelegt ist, die oder jede Lichtquelle (3, 51) derart zu halten, daß der Winkel, der zwischen (a) der Komponente eines Strahls des oder der Lichtstrahlbündel in einer im wesentlichen senk recht zu der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) und parallel zu der Bezugslinie (220) ausgerichteten Ebene (XZ) und (b) der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) gebildet wird, innerhalb des Bereichs von 0° bis 20°, inklusive, liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Winkel θ₀ innerhalb des Bereichs von 25° bis 40°, inklusive, liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (200) dazu ausgelegt ist, die oder jede Lichtquelle (3, 51) derart zu halten, daß eine Komponente eines Lichtstrahls des oder jedes auf die Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) einfallenden Lichtstrahlbündels von einem der Bezugslinie (220) gegenüberliegenden Hilfsende (230) auf der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) zu der Bezugslinie (220) hin geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (200) die oder jede Lichtquelle (3, 51) derart hält, daß der Mittelstrahl des oder jedes Lichtstrahlbündels parallel zur Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Lichtquelle (3, 51) ein divergentes Lichtstrahlbündel erzeugt und das Halteelement (200) eine Struktur zum Anpassen des Divergenzwinkels des oder jedes Lichtstrahlbündels aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (200) ein Lichtabschirmelement (270) zum Abdecken der Eingangsfläche (22, 501, 511, 521) mittels eines Spalts aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit weiterhin einem Bildsensor (6, 601) mit einer Lichtaufnahmefläche, die der Ausgangsfläche (23) gegenüberliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, mit weiterhin einer zwischen der ersten faseroptischen Platte (500) und dem Bildsensor (601) vorgesehenen zweiten faseroptischen Platte (600), die eine Querschnittsfläche aufweist, die sich von der ersten faseroptischen Platte (500) zum Bildsensor (601) hin verjüngt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Eingangsfläche (521) und die Ausgangsfläche (522) der ersten faseroptischen Platte (520) im wesentlichen parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, mit weiterhin einem zwischen der ersten faseroptischen Platte (520) und dem Bildsensor (601) vorgesehenen optischen System (602).
Vorrichtung nach Anspruch 12, mit weiterhin einer zwischen der ersten faseroptischen Platte (520) und dem Bildsensor (601) vorgesehenen zweiten faseroptischen Platte (530), die eine Eingangsfläche (531) und eine Ausgangsfläche (532) aufweist, die im wesentlichen parallel sind.