WO2020057696A1 - Vorrichtung zur optischen direktaufnahme von hautabdrücken für mobile anwendung - Google Patents

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WO2020057696A1
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light
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guide layer
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Philipp Riehl
Holger Femel
Undine Richter
Jörg Reinhold
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JENETRIC GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for the optical direct recording of skin prints for mobile use, in particular for recording papillary lines of multi-finger or hand prints by means of mobile electronic devices, such as tablet PCs, mobile phones (smartphones) etc.
  • a high-quality system design is required to meet these requirement criteria.
  • the illuminating light of the background lighting can be collimated, as is known in various versions from US 2018/0121701 A1 (WO 2017/1 18030 A1).
  • additional optical elements have to be integrated between the lighting and the support surface in order to achieve the desired light shaping.
  • This additional layer increases the thickness of the entire device, is expensive and complex to position.
  • the structure includes a display screen with a display and a non-display area, a light guide that is in length and width coincides with the display screen and rests on the display screen and consists of two cover plates connected with a low-refractive adhesive layer.
  • the light is coupled in outside the display layer of the flat screen, a light bundle being coupled through a light-refractive layer below the display layer at an angle between 70 ° and 75 ° into the lower cover plate and transmitted in a totally reflected manner.
  • TIR internal total reflection
  • the display is an AMOLED (active matrix organic light-emitting diode), it can also be used as a sensor layer. This means that fingerprints can be detected and - using IR light - veins.
  • a disadvantage is the selective lateral coupling of the light via a diffraction grating, for which a laser source is required in order to couple the required light intensities into a light guide.
  • the illumination in the light guide takes place only in a triangular area and is subject to the known exponential weakening with increasing distance from the source point.
  • the decoupling of light from the light guide via the usual scattering centers as described, for example, in US 2018/0128957 A1 (Corning Incorporated), as lighting for high-quality fingerprint recording, which meets the FBI standards, is limited by the fact that the proportion of lighting beams for the TIR principle is rather small.
  • the light guide is arranged above the display, since this lowers the image quality or display quality of the display, since it lies in a lower level, which means it is further away from the display surface.
  • a light guide also always has a cloudiness due to the scattering centers for the light decoupling, which further reduces the quality of the display representations.
  • the invention has for its object to find a new possibility in an electronic mobile device for the optical direct recording of skin imprints of human autopodia, which meet the high requirements of the Personal identification based on the FBI standard and allows a display layer for the display of images or videos as well as for user guidance directly below the contact surface, without the local resolution of the fingerprints in particular decreasing.
  • the object is achieved in a device for the direct optical recording of dew prints, with a laminate which contains a bearing surface which is formed by an end layer of the laminate, as well as a combination of a display and a sensor layer, the sensor layer being arranged in a sensor grid, light-sensitive elements solved, in that a light source unit is arranged below the display, the light source unit is designed as a light guide layer and on a narrow side has a light coupling by means of LED, that the light guide layer has light coupling structures that are based on an angle of inclination of the light coupling structures and differences in the refractive indices between the neighboring layers of the light guide layer a directed coupling of light from the light guide layer in the direction of the end layer at a defined angle, which after passing through all layers to the final layer on the contact surface at the transition to air leads to internal total reflection (TIR), and allow with a small divergence angle range of ⁇ +/- 15 ° in order to achieve a high local resolution of the skin print to
  • the LED light coupling advantageously has a precollimation optics arranged downstream of the LED on the narrow side of the light guide layer, with which a horizontal divergence between 2.5 ° and 30 ° is set in a beam bundle coupled into the light guide layer in order to improve the resolution of the skin impression to be recorded to reach.
  • the pre-collimation optics Expediently a refractive optical element, preferably a convex or GRIN lens incorporated on the narrow side of the light guide layer or formed within the light guide layer in the form of a concave lens made of a medium with a lower refractive index than the light guide layer.
  • a plurality of closely adjacent LEDs with pre-collimation optics are arranged along a narrow side of the light guide layer in such a way that readout areas are present on the support surface, in which the beams of the LED do not overlap in either the horizontal or the vertical direction, in which skin marks with high local resolution can be recorded, and there are still intermediate areas in which there is no information about skin prints.
  • an authentication area of the support surface advantageously has a high density of readout areas with a share of> 50% and is designed for almost complete recordings of skin prints with high local resolution for authentication applications (home button).
  • another area of the contact surface expediently has a low density of readout areas with a proportion of intermediate areas of> 50% and is therefore for the incomplete absorption of skin prints with high local (vertical and horizontal) resolution for low security-relevant applications and the detection of finger gestures educated.
  • a corner light coupling with at least one LED is arranged on a narrow side provided by shortening at least one corner of the light guide layer, an intensity drop in the divergent beam bundle coupled into the light guide layer being compensated for by a growing fill factor of the light decoupling structures.
  • a diffusing screen is advantageously arranged between the LED and the light guide layer for uniform distribution of the coupled light in all solid angles, so that the light decoupling structures do not have to compensate for any light drop at the edge regions of the light guide layer adjacent to the shortened corner.
  • a further light guide layer is attached under the transparent light guide layer and with this through another one Adhesive layer connected by a refractive index chosen as low as in the first and second adhesive layers.
  • the light guide layer and the further light guide layer expediently have a light coupling on opposite narrow sides of the layer body. This is interesting in order to switch to the further light guide layer if the skin print which has been exposed with the previously used light guide layer is too bad (defect gaps, pixels, wet fingers, dry fingers, etc.). A second image can therefore be recorded here, which is shifted to the first image and possibly also with other wavelengths / angles.
  • the further light guide layer expediently couples out in the same way towards the direction of the support surface. This is interesting for the efficiency of the system, and especially for ToS-mobil, because the transparency of the OLED is so low there. Both light guide layers are operated quasi in parallel, but couple the light out at different points: Area 1 and Area 2. This enables higher light intensities to illuminate the object on top. Additional light guides with corresponding LED arrays for illuminating certain areas are conceivable.
  • the light guide layer and the further light guide layer prefferably have the light decoupling structures in regions of the light guide layers which are offset horizontally from one another in order to increase the efficiency of the light decoupling with simultaneous good homogeneity.
  • the partially transparent display contains the light-sensitive elements arranged in a defined grid, which are incorporated in a layer of luminous elements within the display.
  • a first variant has a method for the optical direct recording of skin impressions using a device according to claim 12 with a laminated body, which contains a bearing surface, which is formed by an end layer of the laminated body, and a combination of a display and a sensor layer, the sensor layer has light-sensitive elements arranged in a sensor grid, and which has a light source below the display, which contains a light guide layer coupled with an adhesion layer, under which another light guide layer is attached and with this by another Adhesive layer with a low chosen as for the first adhesive layer
  • Refractive index is linked to the following steps:
  • the first image in the image memory is replaced by the second image or
  • the second image is overlaid with the stored first image with a defined known offset and a high-resolution fused image is stored.
  • the invention is based on the basic consideration that when the functions of fingerprint recording and display functions for user guidance are merged into the support surface in a device, which should also, if possible, also implement document recording, the light intensity of the skin prints becomes insufficient, the display quality of the display layer decreases or the resolution and contrast of the images no longer meet the desired FBI standard. To make matters worse, the fact that the display is on top creates a considerable distance between the skin imprint to be recorded and the sensor layer, which further reduces contrast and resolution.
  • the invention solves these problems in that a light guide layer is arranged below the display and the light is coupled in by means of LEDs on a narrow side of the light guide layer and the light guide layer is provided with light decoupling structures which are based on the angle of inclination of the light decoupling structure and the refractive index differences between them allow the neighboring layers of the light guide layer up to the support surface on the top of the display to direct light coupling out at a defined angle, which leads to a small divergence angle range of ⁇ +/- 15 ° on the support surface during the transition to air to the TIR in order to achieve a high local resolution of the skin impression to be recorded to reach.
  • the decoupling of light can be further improved in a targeted manner by means of refractive indices of the adhesive layers and neighboring layers that are adapted to the light guide layer.
  • the use of an additional aperture layer and electronic shutter controls for each sensor element of the sensor layer further improve the quality of skin prints. It is also possible to record documents by illuminating the display.
  • the invention it is possible to record skin prints of human autopodia using a mobile electronic device with high quality, based on the FBI standard, and also to display information, among other things, on user guidance using a display below the contact surface and above the sensor level, without any deterioration is accompanied by the local resolution of the skin print images.
  • Fig. 1 a basic embodiment of the device according to the invention with a
  • Laminated body containing a display with a support surface for objects to be recorded, a light guide layer as a light source and a sensor layer,
  • 2b a section of the laminated body with special light decoupling structures on the top of the light guide layer for decoupling beams that reach the support surface at a total reflection angle
  • 2c two cutouts of the laminated body according to the embodiment of FIG. 2b in a plan view with wedge-shaped light decoupling structures which represent rectangles or trapezoidal surfaces rising from the direction of the LEDs
  • FIG. 3a a detail of the laminated body according to the embodiment of FIG. 2a with an enlarged wedge-shaped light coupling structure and representation of a representative beam which is coupled out to this structure to the support surface of the display and reaches the support surface at a total reflection angle,
  • 3b a representation of the light guide angle created in FIG. 3a
  • Fig. 4 several advantageous embodiments of the light coupling into the
  • Light guide layer of the device according to the invention in which uncollimated LEDs are coupled in on a narrow side of the light guide layer, with each object point generating a plurality of image points, (b) LEDs pre-collimated by the manufacturer illuminate directly, (c) couple LEDs with intermediate precollimation optics, (d) LEDs Shine in through pre-collimation optics embedded in the light guide layer and (e) LEDs of different wavelengths are alternately arranged for alternative spectral illumination,
  • the light decoupling structures of the light guide layer being designed in such a way that at each point of the support surface only illuminating light from a beam of a light decoupling structure for illuminating skin impressions hits,
  • FIG. 5b a preferred embodiment of the invention for taking high-resolution skin prints in a side view of the embodiment of FIG. 5a, 6: several advantageous embodiments of the coupling of light into the light guide layer of the device according to the invention, in which corner lighting (a) is realized with an uncollimated LED at a shortened corner of the light guide layer, each object point (in the horizontal direction) producing exactly one pixel, ( b) two LEDs with a diffusing screen arranged between them and (c) with an uncollimated LED, the shortened corner of the light guide layer having an adapted curved coupling surface,
  • Fig. 8 a particularly advantageous embodiment of the invention, wherein the
  • Sensor elements an additional aperture layer to reduce the incidence of light from several source locations on one and the same light-sensitive element of the sensor layer and a spectral filter layer for suppressing stray light are present, and
  • the device according to the invention comprises a laminated body 1 which, starting from a support surface 11 for the objects to be recorded (fingers 2 or document 3), has a display 17, the free surface of which provides the support surface 11.
  • an underlying flat light source unit 14 which is designed in the form of a light guide layer 141, on which at least one narrow side one or more LEDs 142 are attached as light sources, which are provided for coupling in more or less well-pre-collimated light, and a sensor layer located underneath 13 with photosensitive elements 131 contains.
  • a first adhesion layer 15 is preferably introduced as an adhesive layer and between the light guide layer 141 and the sensor layer 13 there is a second adhesion layer 16, preferably in the form of a Introduced adhesive layer.
  • the first adhesion layer 15 has a refractive index that is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive index of the light guide layer 141, the refractive index of the light guide layer 141 being between 1.45 and 2.0, and the second adhesion layer 16 has one Refractive index which is the same size as that of the first adhesive layer 15.
  • the display 17 has a multilayer structure as a conventional display element and contains an end layer 171, a substrate 172 and a lighting element layer 173 as the actual functional layer.
  • the upper side of the display 17 forms, by means of the end layer 171, a support surface 11 for a skin imprint 21 to be recorded or a document 3.
  • the support surface 11 is simultaneously designed as an interaction surface for the user of an electronic mobile device with an integrated device according to the invention, the user using a display 17 information in the form of text, images or videos can be displayed and the user can interact with the device via the sensor layer 13 for recording skin prints 21.
  • the display 17 contains light-emitting display pixels arranged in a grid in a luminous element layer 173.
  • the display 17 can be, for example, an OLED, LCD, QLED.
  • the display 17 can additionally be designed as a touch display, the display 17 containing capacitive or resistive touch sensors (not shown), as are usually used in mobile electronic devices.
  • the display 17 is additionally transparent for at least portions of illuminating light from the light guide layer 141 and has a transparency of at least 1% and preferably 10%.
  • the display can have a thickness of 100 gm to 10,000 gm.
  • the display preferably has a thickness of 500 pm to 2,000 pm in order to be sufficiently thin for a well-resolved absorption of skin prints and sufficiently thick for manageable mechanical stability.
  • first adhesion layer 15 which is optically transparent and is likewise transparent for at least portions of illuminating light from the light guide layer 141.
  • This can be an optically transparent double-sided adhesive tape (OCA) or a liquid adhesive that Cured for example by heat or UV radiation, act (LOCA).
  • OCA optically transparent double-sided adhesive tape
  • LOCA liquid adhesive that Cured for example by heat or UV radiation, act
  • a light guide layer 141 for illuminating skin prints 21 positioned on the support surface 11. Illumination light is coupled in on a narrow side of the light guide layer 141 by means of LED 142. Special light decoupling structures 144 (shown in FIGS. 2a-c) are used to decouple illuminating light from the light guide layer 141. These ensure that illuminating light undergoes an angle change within the light guide layer 141 and is then coupled out in a defined angle spectrum (exit angle g; Y) from the light guide layer 141 in the direction of the display 17 or contact surface 11 and illuminates an overlying skin imprint 21.
  • a defined angle spectrum exit angle g; Y
  • Polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), glass or other optically transparent materials with a refractive index n ⁇ 1, 5 are used as the light guide layer 141.
  • other materials with a refractive index between 1, 45 and 2.0 can also be used as the light guide layer 141.
  • the light-guiding effect at the locations of the light guide layer 141 without light coupling-out structures 144 is achieved by the difference in the refractive indices between the light guide layer 141 and the first adhesion layer 15 and second adhesion layer 16, the latter establishing the connection to the sensor layer 13.
  • the second adhesive layer 16 has the same or similar optical properties as the first adhesive layer 15.
  • the first and second adhesive layers 15, 16 have a lower refractive index than that
  • Light guide layer 141 in order to realize a light guiding effect by means of total internal reflection (TIR).
  • TIR total internal reflection
  • the two adhesive layers 15, 16 have a refractive index that is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive index of the light guide layer 141.
  • the refractive index difference is preferably between 5% and 10%, on the one hand to be sufficiently efficient and to guide enough light in the light guide layer 141 and on the other hand not to choose the guided angle spectrum too large and a low vertical divergence of the guided beams 147 for good resolution of the Realize skin areas 21 to be recorded
  • the sensor layer 13 arranged under the second adhesion layer 16 has light-sensitive elements 131 arranged in a grid with a resolution of 100 ppi to 1,000 ppi and, depending on the light intensity detected, passes on electronic signals which are converted into a gray-scale image.
  • the light-sensitive elements 131 of the sensor layer 13 are photodiodes with a defined sensitivity for a specific spectral range of the light.
  • the sensitivity of the light-sensitive elements 131 to the emitted illuminating light of the light guide layer 141 is spectrally adjusted in order to increase the signal-to-noise ratio (SNR).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the light-sensitive elements 131 of the sensor layer 13 have an electronic control unit for controlling the exposure time (not shown), e.g. B. as a rolling shutter or as a global shutter, as disclosed in US 2017/0085813 A1.
  • This enables the exposure time and thus the integration time of the light-sensitive elements 131 to be adapted to the different brightnesses of the display 17 and ambient light (stray light 4, only shown in FIG. 8), by the user or by the user in the application scenario of the device according to the invention different ambient light conditions varies.
  • This electronic shutter control means that the display 17 does not necessarily have to be switched off during the recording of skin prints 21 and the recording of higher-contrast skin prints 21 is nevertheless made possible.
  • a skin imprint 21 located on the contact surface 11 is recorded using the principle of disturbed internal total reflection (FTIR).
  • FTIR disturbed internal total reflection
  • illuminating light with a defined angle spectrum is coupled out of the light guide layer 141. At least portions of the illuminating light transmit through the partially transparent display 17 and then reach the contact surface 11, which is formed by the top of the display 17.
  • the illuminating light has a defined angular spectrum which, after passing through all layers up to the contact surface 11 (at an illuminating angle ß; ß '), leads to total internal reflection (TIR) during the transition to air. This means that the user of the mobile electronic device does not perceive any additional illuminating light which could outshine the light of the light element layer 173 of the display 17.
  • a skin imprint 21 consists alternately of skin valleys and skin mountains.
  • the total internal reflection on the contact areas 11 is disturbed due to the similar refractive index between the end layer 171 of the display 17 and the contact areas, parts of the illuminating light are scattered and decoupled into the contact areas 21.
  • the final layer 171 and air there is a big difference between the final layer 171 and air, which is why the illuminating light is reflected here by total internal reflection.
  • the illuminating light reflected on the contact surface 11 is again transmitted through the display 17 and the first adhesion layer 15, the light guide layer 141 and the second adhesion layer 16 before it is detected on the sensor layer 13 by the light-sensitive elements 131.
  • a contrast between skin mountains and skin valleys can thus be determined on the basis of the disturbed internal total reflection taking place on the skin mountains, since the detectable light intensity from the areas of the skin mountains is lower than from the skin valleys.
  • Glass, hardened glass or sapphire with a refractive index between 1.48 and 1.8 is usually used as the final layer 171. The greater the refractive index of the end layer 171, the smaller the illumination angles ⁇ (or ⁇ ', only drawn in FIG. 2a) that totally reflect at the interface with air (contact surface 11).
  • the image recording using the principle of disturbed total internal reflection has the advantage that directional illuminating light is used which, after striking the contact surface 11, is further reflected in the direction of the sensor layer 13.
  • This enables good resolution of the skin imprint 21 to be taken even over large distances or large layer thicknesses.
  • illuminating light with a small divergence angle range of less than +/- 15 ° is used.
  • the illumination light is restricted in its divergence both in the horizontal and in the vertical direction. It should be mentioned at this point that the refractive indices of the adhesive layers 15 and 16 defined above, which are said to differ slightly from that of the light guide layer 141, lose their meaning precisely when their thickness approximates the size of the light wavelength used. In that particular case, the rules of light refraction or total reflection described above are then to be applied to the refractive indices of subsequent layers, since the light then does not perceive the very thin adhesive layers 15 and 16.
  • the light emitted by the (n) LED 142 is passed on in the light guide layer 141 due to the light guide properties at a light guide angle a.
  • portions of the light propagating in the light guide layer 141 with the light guide angle a are coupled out at a defined angle in such a way that after passing through all layers of the layer body 1 up to the contact surface 11 of the end layer 171 of the display 17 at the transition to air, an illumination angle ⁇ is set for total internal reflection (TIR), the light decoupling structures 144 permitting coupling out of light beams with a small divergence angle range of ⁇ +/- 15 ° in order to achieve a high local resolution of the to achieve skin imprint 21.
  • TIR total internal reflection
  • One or more fingers 2 optionally also an entire hand (not shown) or a document 3, in particular ID documents (such as passport, driver's license, etc.) can optionally be placed on the end layer 171, which expediently provides the support surface 11 for the objects to be recorded. ), but also credit cards, boarding passes and other personal documents.
  • ID documents such as passport, driver's license, etc.
  • the light element layer 173 of the display 17 can be used for illuminating documents 3.
  • the beam bundle reflected at the light decoupling structure 144 can no longer be totally reflected by the change in angle at the first adhesion layer 15, but instead passes through it and the display 17 above it, depending on the refractive indices of the outer layers usual in the display 17 (not shown in FIG. 2a) ) has a beam of rays reflected on the light decoupling structure 144 as the illuminating light incident on the supporting surface 11, which illuminates the illuminating light totally on the supporting surface 11 (interface with air) and a recording of skin prints 21 according to the principle of disturbed internal total reflection (FTIR or short: TIR) enables.
  • FTIR disturbed internal total reflection
  • the illumination angle ß can be changed in a certain angle spectrum to an illumination angle ß 'as long as the illumination angles ß' on the bearing surface 11 lead to total reflection, with light coupling structures 144 having a different angle of inclination e 'being present and thus bundles of rays at a different reflection angle f 'are coupled out.
  • the possibility of using light decoupling structures 144 with different inclination angles e within a light source unit 14 is discussed in more detail in the description of FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 2b shows a further embodiment of the laminated body 1 in a side view with an enlarged view of the light guide layer 141, in this example a plurality of light coupling structures 144 being present on the upper side of the light guide layer 141.
  • the light decoupling structures 144 are designed in such a way that light guided in the light guide layer 141 when it strikes the light decoupling structures 144 for the first time at the interface with the first adhesion layer 15 lying above it and a second time at the interface with the display 17 at a defined refraction angle g from Coupling light guide layer 141 in the direction of display 17.
  • the main beam of the light guided in the light guide layer 141 is coupled out with the light guide angle a including a divergence when it strikes the light outcoupling structure 144, with no further restriction of the Divergence takes place through the angle of inclination e of the light decoupling structures 144.
  • the vertical divergence of the decoupled beam is larger than in FIG. 2a.
  • the maximum possible change in the angle between a and ⁇ is also lower than in FIG. 2a.
  • 3a and 3b show the relationships for the embodiment in FIG. 2a between the light guide angle a, the illumination angle ⁇ , the reflection angle f, the exit angle d and the inclination angle e.
  • preferred angles exit angle d
  • FIG. 3b contains the three conditions (identified by Roman numerals I, II, III) that must be fulfilled in order to ensure that the device functions properly:
  • the graphic in FIG. 3b shows the permitted combinations of the light guiding angle a of the light guided in the light guiding layer 141 and the inclination angle e of the light decoupling structures 144, which contribute to the imaging according to the invention when a skin impression 21 is taken (l + ll + III).
  • a skin impression 21 is taken (l + ll + III).
  • e the light guiding angle of the light decoupling structures 144 of e ⁇ 10
  • the uniform decoupling of light over the entire surface of the light guide layer 141 and thus homogeneous illumination of a skin imprint 21 lying on the support surface 11 is implemented by adapting a fill factor of the light
  • the vertical divergence of the decoupled illuminating light in comparison to the embodiment in FIG. 2b can be determined very precisely via the angle of inclination e of the light decoupling structures 144 and the difference in the refractive indices between the light guide layer 141 and the neighboring ones Adhesion layers 15, 16 can be set.
  • the device according to the invention can be optimized more in the direction of light intensity or a narrow angular spectrum of the illuminating light. Receives high quality skin prints 21 with high resolution one by the fact that the light coupled out from the light guide layer 141 has a very low divergence, that is to say the coupled-out angular spectrum is small.
  • FIG. 4 shows different types for the coupling of illuminating light on a narrow side of the light guide layer 141 by means of several LEDs 142 and their more or less divergent emitted beams 147 in five plan views, which differ in their state of precollimation. It is stated in advance for these design variants that most LEDs 142 have already been internally precollimated to a different degree.
  • partial illustration (a) of FIG. 4 shows the coupling of illuminating light on a narrow side of the light guide layer 141 by means of a plurality of LEDs 142 and their clearly divergent beams 147 in a top view.
  • Various embodiments can be used as the source for the illuminating light. If several LEDs 142 are used without collimation of the beam bundles 147, the individual beam bundles 147 overlap and result in an illuminated object point of a finger 2 resting on the support surface 11 being illuminated by different beam bundles 147 and distributed over several image points of the scanned image recording. or on a plurality of light-sensitive elements 131 of the sensor layer 13 (not shown here).
  • the illustration of an object point on a plurality of pixels is exemplified in partial illustration (a) of FIG. 4 by the arrows.
  • the mixing of the beams 147 of the plurality of light-emitting LEDs 142 inevitably leads to the generation of several image points in the sensor layer 13 from one object point on the support surface 11, with which the same object information, for example of a finger 2 resting on it, is detected on a plurality of light-sensitive elements 131 is and the resolution of the depicted tide print 21 decreases.
  • the partial image (a) shows schematically in a top view, like an object point (as a black point along the lower dashed line) drawn) is mapped onto two pixels that are at a distance from one another (as spaced points on the second dashed line).
  • An approach to improving the resolution or increasing the thickness of the display 17 is therefore provided by means for collimating the beams 147 of the LEDs 142, as shown in further partial images in FIG. 4.
  • the LEDs 142 are pre-collimated by the manufacturer and, as described above, are arranged close to one another and at a minimum distance from the narrow side of the light guide layer 141 to be coupled in.
  • a reasonable divergence of the beam bundles 147 can be achieved without additional pre-collimation optics 143 with good mixing of the light components of the individual LEDs 142.
  • light refraction occurs at the interface between air and the narrow side of the light guide layer 141 when the illuminating light is coupled in, as a result of which a certain pre-collimation is achieved.
  • the embodiment variants with an additional pre-collimation optics 143 according to partial illustrations (c) and (d) from FIG. 4 are preferred, with partial imaging (c) at the Refractive convex lenses molded onto the narrow side of the light guide layer 141 are selected as pre-collimation optics 143, which can also be replaced by GRIN lenses.
  • the refractive pre-collimation optics 143 are incorporated as concave lenses in the material of the light guide layer 141 and are formed from an optically thinner medium, ie with a significantly lower refractive index than the light guide layer 141.
  • a gaseous medium such as e.g. B. air.
  • the densely packed LEDs 142 are equipped with different spectral radiation wavelengths, which are alternately arranged and switchable along the narrow side of the light guide layer 141, at least two different spectral ranges being selected in order to thereby alternatively illuminate images of the applied ones Include objects, doldrums 21 or documents 3, which are preferably used for proof of authenticity.
  • FIGS. 5a and 5b A preferred embodiment of the device according to the invention for taking up high-resolution skin prints 21 is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • the light decoupling structures 144 of the light guide layer 141 are formed in such a way that at each point of the support surface 11 a maximum of illuminating light from a discrete beam 147 of a light decoupling structure 144 for illuminating skin prints 21 strikes, that is to say that at no point of the support surface 1 1 beams 147 of more impinge as a light decoupling structure 144 and overlap there.
  • the light decoupling structures 144 of the light guide layer 141 are designed such that the illumination light internally totally reflected with the illumination angles ⁇ decoupled from the light guide layer 141 at the interface between the end layer 171 of the display 17 and air and reflects back in the direction of the sensor layer 13 Passing through the partially transparent display 17, the first adhesion layer 15, the light guide layer 141 and the second adhesion layer 16 strikes the light-sensitive elements 131 of the sensor layer 13 in such a way that the expanded beams 147 of the individual light decoupling structures 144 do not overlap in the sensor layer 13 either.
  • the illumination has a small angular spectrum in this direction, as shown in FIG. 5a.
  • this is implemented by means of corresponding LEDs 142 and with pre-collimation optics 143 (as described for FIG. 4).
  • the illuminating light of the plurality of LEDs 142 is pre-collimated so strongly that their rays 147 do not overlap over the entire contact surface 11.
  • intermediate regions 149 also arise in which no illuminating light strikes the contact surface 11. No information of an object (finger 2) positioned on the support surface 11 can be recorded at the intermediate regions 149.
  • a high-resolution skin imprint 21 is detected by the readout areas 148 by the sensor layer 13.
  • the dimensioning of the described embodiment is possible in two ways.
  • the distance between the readout areas 148 is small compared to the structure of the skin impression 21 to be detected, so that a complete image can then be recorded on the entire contact surface 11 with low resolution.
  • the distance between the readout areas 148 is large compared to the structure of the skin impression 21 to be detected, so that the readout areas then 148 can be detected very well resolved by the light-sensitive elements 131 of the sensor layer 13, since there is no information overlay. Detection of third-order security features is also possible (resolution of skin pores). In this variant, no skin areas 21 are dissolved (detected) in the intermediate areas 149. Overall, you get a high-resolution but sketchy picture. Both variants are for applications with 1: 1 comparison z. B. very good for authentication.
  • a lighting variant shown in FIG. 5a is used, with an almost gap-free area for taking high-quality skin prints 21 on the side opposite the lighting coupling by the LEDs 142, which is used as a qualified authentication area 12 serves, e.g. B. for use as a so-called home button for smartphone sharing or for highly security-related applications, such as logging into a bank account, confirmation for transfers and more.
  • the area for low-security-relevant applications which can be set up on the opposite side (close illumination coupling by the LEDs 142), has intermediate areas 149 with detection gaps, but can also be used to record skin prints 21 and, for example, in use cases such as games, app Control and the like can be used.
  • the information of the recorded skin prints 21 provides valuable further information, since in addition to the position of one or more fingers 2 lying on top, the differentiation of the several fingers 2 and their orientation (alignment on the contact surface 11), rotation (left and right finger edge) and angle of attack ( laid flat or fingertip) can be evaluated. This additional information can be used effectively for more intuitive and simple app control.
  • FIG. 6 shows three top views of further design details of the device according to the invention with a so-called corner light coupling with at least one LED 142.
  • FIG. 6 contains a partial illustration (a), which shows a top view of an embodiment of the light coupling from an LED 142 into the light guide layer 141, in which the light coupling passes through at least one corner of the light guide layer 141 Shortening the same is implemented.
  • the shortened corner 145 creates an additional narrow side of the light guide layer 141, which has an angle of 135 ° with the usually present narrow sides of a rectangular light guide layer 141.
  • the advantage of this embodiment is that no collimation of the beam 147 of the LED 142 coupled into the light guide layer 141 is necessary in the horizontal direction through a pre-collimation lens system 143 (as shown in FIG. 4).
  • the LED 142 should preferably emit into the light guide layer 141 at an angle of +/- 45 ° to the adjacent rectangular narrow sides.
  • Each object point generates only a discrete image point in the horizontal direction, as can be seen from the black dots in partial illustration (a), because there is no overlapping of different beam bundles 147.
  • a reduction in resolution only takes place due to the vertical divergence (not shown), which, however, as already described above, is severely restricted due to the small differences in the refractive indices between the light guide layer 141 and adjacent adhesive layers 15 and 16 and the angle of inclination e of the light decoupling structures 144 and even to divergences can be limited by less than +/- 5 °.
  • the drop in intensity of the divergent beam 147 coupled into the light guide layer 141 can be compensated for by a growing fill factor from the size and density of the light decoupling structures 144 towards the edge.
  • the light guide layer 141 has absorbent coatings on the further narrow sides, on which no light is coupled in, which absorb or couple out light incident there.
  • partial illustrations (b) and (c) of FIG. 6 additional measures are drawn compared to the partial illustration (a), the partial or partial illumination (b) improving the light distribution or homogenization of (at least) two LEDs 142 by means of a lens 146 , through which light is emitted evenly in all directions, while in partial illustration (c) the shortened corner 145 is designed as a concave arc, so that all the divergent rays emerging from the LED 142 continue uninterrupted into the Light guide layer 141 can enter, so that light emerging from only one LED 142 can propagate illumination light in the entire light guide layer 141.
  • FIG. 7 shows an expedient embodiment of the device according to the invention which, in contrast to FIG. 1, has two mutually adjacent light guide layers 141, 141 ′.
  • the further light guide layer 141 ′′ has several advantages. Due to the high transparency of light guides, a plurality of light guide layers 141, 14T can be arranged one above the other and connected to one another by a low-refractive adhesive. A further adhesion layer 18 designed in this way should have the same refractive index as the second adhesion layer 16 between the light guide layer 141 and the sensor layer 13.
  • the second advantage is that several recordings can be made in succession with exclusive illumination, each with one of the same light guide layers 141, 14T etc., the images can be compared and the better one can be selected. In addition to live detection measures, this is interesting for the absorption of dry and moist skin prints 21. For living detection, illuminating light with other wavelengths (e.g. UV, IR) can be used in the further light guide layer 14T in addition to VIS spectral ranges.
  • a third advantage results if the two light guide layers 141, 141 'have different inclination angles e, e' of their light coupling structures 144 (shown in detail only in FIG.
  • the first light guide layer 141 can optionally be switched on or off.
  • the light of the LEDs 142 for each of the light guide layers 141 and 141 ' can be introduced on different, preferably opposite, narrow sides of the layer body 1.
  • This variant is symbolically represented by the dashed LED 142 on the right narrow side of the further light guide layer 141 ’as a selectable optional alternative.
  • FIG. 8 shows a preferred embodiment of the invention that is expanded compared to FIG. 1.
  • a filter layer which is shown here as a full-surface spectral filter layer 19 by way of example, is inserted above the sensor layer 13 and, above all, can perform an additional elimination of the ambient light.
  • the spectral filter layer 19 can also be applied to the separate light-sensitive elements 131 (not shown).
  • the spectral filter layer 19 is a narrowband filter and is adapted to the wavelength of the illuminating light of the light guide layer 141, so that it is transparent for most parts of the illuminating light and for remaining light components, for example for the light components of the luminous element layer 173 of the display 17 and further interference light 4 has an absorbent effect.
  • the sensor layer 13 contains an additional diaphragm layer 132, which exclusively couples the beams 147, which are specifically coupled out from the light guide layer 141 at defined illumination angles ⁇ , after the total reflection on the contact surface 11 onto the light-sensitive elements 131 come up with. All other angles are discriminated (reflected or absorbed) by the aperture layer 132.
  • the aperture layer 132 and the spectral filter layer 19 can also optionally be inserted in the designs according to FIGS. 1 and 7.
  • the aperture layer 132 reduces the influence of horizontal and vertical divergence of the illuminating light and, as a result, thicker end layers 171 can be used for displays 17 with a constant resolution, for example to improve protection and / or stability of the layer body 1 and of the entire device.
  • Illumination angles ß ’ that are not to be detected require non-transparent aperture materials.
  • Materials that are used in photolithographic coating processes because of their good structurability for example metals such as chromium, aluminum, gold, molybdenum, copper, silver, silicon, are preferred for the individual diaphragms in the diaphragm layer 132.
  • absorbent organic materials such as. B. polytetrafluoroethylene, and absorbent inorganic materials, such as diamond-like carbon layers, black chrome, copper indium disulfide, or materials with a special microstructure. are particularly preferred
  • FIG. 9 shows a further advantageous embodiment of the invention, in which, in contrast to the previous figures, specialization takes place through the combination of display 17 and light-sensitive elements 131.
  • the structure becomes even more compact and consists only of the light-guide layer 141 underneath the modified display 17.
  • the additional layers, such as spectral filter layer 19 and aperture layer 132, are also for this embodiment. can be integrated in an analog manner into the display 17.
  • high-resolution and high-contrast recordings of skin imprints 21 and also documents 3 are possible by means of a mobile electronic device which is based on a targeted coupling out of light from a light guide layer 141 at defined angles for total internal reflection (TIR).
  • diaphragm structures are assigned as diaphragm layer 132 in sensor layer 13 to the individual light-sensitive elements 131, which only allow the TIR angular ranges that are coupled out of light guide layer 141 for detection. Additional measures of the sensor control for setting electronic shutter functions (rolling or global shutter) can be used to further optimize the image recordings of skin prints 21 and security-relevant documents 3.
  • a light guide angle (of the light guided in light guide layer 141, 141 ') ß, ß' illumination angle (on the contact surface 1 1) d exit angle (from the light guide layer 141) e, e 'angle of inclination (of the light decoupling structure 144) f, f' reflection angle (of the light decoupling structure 144) y angle of refraction (of the light decoupling structure 144)

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Abstract

Eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken für Personenidentifikationen nach FBI-Standard weist direkt unterhalb der Auflagefläche (11) ein Display (17) und unterhalb des Displays (17) eine Lichtleiterschicht (141) auf, wobei die Lichtleiterschicht (141) an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED (142) und in der Fläche Lichtauskoppelstrukturen (144) enthält und mittels Neigungswinkeln ε der Lichtauskoppelstrukturen (144) und Unterschieden der Brechungsindizes der Nachbarschichten eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) in Richtung der Auflagefläche (11) unter definierten Winkeln erfolgt, die an der Auflagefläche (11) zu interner Totalreflexion (TIR) führen. Das Display (17) weist eine Transparenz von wenigstens 1 % des aus der Lichtleiterschicht (141) ausgekoppelten Lichts auf, wobei zwischen Display (17) und Lichtleiterschicht (141) sowie zwischen Lichtleiterschicht (141) und Sensorschicht (13) erste und zweite Adhäsionsschichten (15, 16) vorhanden sind, deren Brechungsindizes mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes von Lichtleiterschicht (141), Display (17) und Sensorschicht (13) sind.

Description

Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken für mobile Anwendung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken für mobile Anwendung, insbesondere zur Aufnahme von Papillarlinien von Mehrfinger- oder Handabdrücken mittels mobiler elektronischer Geräte, wie Tablet- PCs, Mobiltelefonen (Smartphones) etc..
Es gibt einerseits Systeme, die der Verifikation biometrischer Merkmale dienen, bei denen eine Übereinstimmung mit abgespeicherten Merkmalen vorliegen muss, beispielsweise um eine Zugangskontrolle für definierte Sperrbereiche zu ermöglichen.
Andere Systeme dienen der Identifikation durch den Abgleich mit Vergleichsdaten banken, beispielsweise Pass- und Visa-Erstellung, Personenidentitätsfeststellung bei Grenzkontrollen, insbesondere an Flughäfen, oder bei der erkennungsdienstlichen Erfassung durch die Polizei. Die Anforderungen hinsichtlich Qualität, Auflösung und Originaltreue der aufgenommenen Bilder der Hautabdrücke sind bei den letztgenannten Systemen sehr umfangreich.
Nicht zuletzt aufgrund hoher Anforderungen durch mit erkennungsdienstlichen Maßnahmen betraute Organisationen, wie beispielsweise das Federal Bureau of Investigation (FBI), gibt es bei diesen Systemen ein hohes Maß an Standardisierung, um einerseits eine möglichst zweifelsfreie Erkennung zu sichern und andererseits Datensätze, die mit verschiedenen Systemen aufgenommen wurden, vergleichbar zu machen.
Zur Erfüllung dieser Anforderungskriterien wird ein qualitativ hochwertiges Systemdesign benötigt. Bei einem optischen System bedeutet das beispielsweise, dass nicht nur der Aufnahmesensor bzw. die Aufnahmesensoren den Anforderungen genügen müssen, sondern auch die Beleuchtung und alle anderen für die Bilderzeugung notwendigen Komponenten, vor allem dann, wenn große Hautflächen, also mehr als ein Finger (zum Beispiel eine komplette Hand), gleichzeitig aufgenommen werden sollen.
Für die Erfassung von Finger- und Handabdrücken, welche die genannten hohen Qualitätsanforderungen erfüllen, werden derzeit unterschiedliche Systeme verwendet. Zum einen kommen kapazitive, semi-transparente TFT-Sensoren zum Einsatz, bei denen eine Nutzerführung durch ein Display unterhalb des Sensors realisiert werden kann. Das Lesen von sicherheitsrelevanten Objekten wie z. B. Pässen, Führerscheinen, Tickets, Bordkarten, etc. ist dabei allerdings nicht möglich, sodass ein separates Gerät oder zumindest eine zusätzliche optische Sensorschicht notwendig wäre, welche aber die Gerätekosten in die Flöhe treiben würde.
Zum anderen drängen Anordnungen auf den Markt, die eine direkte optische Abtastung der Flautabdrücke realisieren und die Vorteile einer visuellen Nutzerführung unter der Auflagefläche mit einer optischen Aufnahme von Dokumenten zusammenführen, indem optische semi-transparente TFT-Sensoren verwendet werden. Systeme, bei denen hierzu ein Display unter dem optischen Sensor positioniert ist, sind bereits aus der DE 10 2015 115 484 B3 bekannt. Fungiert das Display gleichzeitig als Beleuchtung oder wird eine Flintergrundbeleuchtung verwendet, so wird das aufliegende Objekt diffus, also ungerichtet beleuchtet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird anschließend von den lichtempfindlichen Elementen des Sensors detektiert. FHierbei ist die Dicke der Abschlussschicht zwischen der Auflagefläche und den lichtempfindlichen Elementen auf wenige Mikrometer beschränkt, da Auflösung und Kontrast mit zunehmender Entfernung zwischen Sensor und Auflagefläche schnell abnehmen.
Dennoch sind auch verschiedene Lösungen bekannt, die eine größere Dicke der Abschlussschicht bei gleichbleibender Bildqualität ermöglichen bzw. erfordern.
Dazu kann einerseits das Beleuchtungslicht der Flintergrundbeleuchtung kollimiert werden, wie in verschiedenen Ausführungen aus der US 2018/0121701 A1 (WO 2017/1 18030 A1 ) bekannt. Nachteilig erweist sich dabei allerdings, dass zusätzliche optische Elemente zwischen Beleuchtung und Auflagefläche integriert werden müssen, um die gewünschte Lichtformung zu realisieren. Diese zusätzliche Schicht erhöht die Dicke der gesamten Vorrichtung, ist teuer und komplex in der Fierstellung.
In ähnlicher Weise ist aus der US 2018/0165497 A1 bekannt geworden, in einen Flachbildschirm einen optischen Bildsensor einzubetten, der einen Fingerabdrucksensor enthalten kann. Der Aufbau umfasst einen Anzeigebildschirm mit einem Anzeige- und einem Nichtanzeigebereich, eine Lichtleiteinrichtung, die in Länge und Breite mit dem Anzeigebildschirm übereinstimmt und auf dem Anzeigebildschirm anliegt und aus zwei mit einer niedrigbrechenden Klebstoffschicht verbundenen Deckplatten besteht. Dabei erfolgt die Lichteinkopplung außerhalb der Displayschicht des Flachbildschirms, wobei ein Lichtbündel durch eine lichtbrechende Schicht unterhalb der Displayschicht unter einem Winkel zwischen 70° und 75° in die untere Deckplatte eingekoppelt und in dieser totalreflektiert weitergeleitet wird. Ein Anteil dieses totalreflektierten Lichts wird an der lichtbrechenden Schicht unter einem kleineren Winkel in die obere Deckplatte eingekoppelt und an der äußeren Grenzschicht zur Luft nach dem Prinzip der internen Totalreflexion (TIR) in Richtung des Displays zurückgeworfen, wobei es durch die niedrigbrechende Schicht transmittieren und auch die untere Deckplatte ohne Reflexion passieren kann. Da das Display ein AMOLED (active matrix organic light-emitting diode) ist, kann es auch als Sensorschicht genutzt werden. Damit kann eine Detektion von Fingerabdrücken und - durch Nutzung von IR- Licht - von Venen vorgenommen werden.
Nachteilig ist die punktuelle seitliche Einkopplung des Lichts über ein Beugungsgitter, wofür eine Laserquelle erforderlich ist, um benötigte Lichtintensitäten in einen Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch erfolgt die Ausleuchtung im Lichtleiter lediglich in einer dreieckigen Fläche und unterliegt der bekannten exponentiellen Schwächung mit zunehmender Entfernung vom Quellpunkt. Zudem ist die Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter über die üblichen Streuzentren, wie beispielsweise in der US 2018/0128957 A1 (Corning Incorporated) beschrieben, als Beleuchtung zur hochwertigen Fingerabdruckaufnahme, die den FBI-Standards genügt, dadurch beschränkt, dass der Anteil von Beleuchtungsstrahlen für das TIR-Prinzip eher klein ist. Außerdem erweist es sich als nachteilig, dass der Lichtleiter oberhalb des Displays angeordnet ist, da sich hierdurch die Bildqualität bzw. Anzeigequalität des Displays verringert, da es in einer unteren Ebene liegt, womit es weiter weg von der Anzeigefläche ist. Darüber hinaus weist ein Lichtleiter auch stets eine Trübung aufgrund der Streuzentren für die Lichtauskopplung auf, wodurch sich die Qualität der Displaydarstellungen weiter verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit in einem elektronischen mobilen Gerät zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die sich an den hohen Anforderungen der Personenidentifikation nach FBI-Standard orientiert und eine Anzeigeschicht zur Darstellung von Bildern oder Videos sowie zur Nutzerführung direkt unterhalb der Auflagefläche zulässt, ohne dass insbesondere die örtliche Auflösung der Fingerabdrücke abnimmt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Flautabdrücken, mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Abschlussschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display und einer Sensorschicht enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente aufweist, dadurch gelöst, dass eine Lichtquelleneinheit unterhalb des Displays angeordnet ist, wobei die Lichtquelleneinheit als Lichtleiterschicht ausgebildet ist und an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED aufweist, dass die Lichtleiterschicht Lichtauskoppelstrukturen aufweist, die auf Basis eines Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und von Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht in Richtung Abschlussschicht unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Abschlussschicht an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von < +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen, dass das Display eine definierte Transparenz von wenigstens 1 % des aus der Lichtleiterschicht in Richtung der Auflagefläche ausgekoppelten Lichts aufweist, dass zwischen dem Display und der Lichtleiterschicht eine erste Adhäsionsschicht sowie zwischen der Lichtleiterschicht und der Sensorschicht eine zweite Adhäsionsschicht vorhanden ist, wobei die erste und die zweite Adhäsionsschicht einen gleich großen Brechungsindex aufweisen, der mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht, des Displays und der Sensorschicht ist, deren Brechungsindizes zwischen 1 ,45 und 2,0 liegen.
Vorteilhaft weist die LED-Lichteinkopplung eine der LED nachgeordnete Vorkollimationsoptik an der Schmalseite der Lichtleiterschicht auf, mit der in einem jeweils in die Lichtleiterschicht eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen. Dabei ist die Vorkollimationsoptik zweckmäßig ein refraktives optisches Element, vorzugsweise eine an der Schmalseite der Lichtleiterschicht eingearbeitete konvexe oder GRIN-Linse oder innerhalb der Lichtleiterschicht in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht niedrigerem Brechungsindex ausgebildet.
In einer bevorzugten Gestaltung sind eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs mit Vorkollimationsoptiken entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht so angeordnet, dass Auslesebereiche auf der Auflagefläche vorhanden sind, in denen sich die Strahlenbündel der LED weder in horizontaler noch in vertikaler Richtung überlagern, in denen Hautabdrücke mit hoher örtlicher Auflösung aufnehmbar sind, und weiterhin Zwischenbereiche vorhanden sind, in denen keine Informationen über Hautabdrücke vorliegen. Dabei weist ein Authentifizierungsbereich der Auflagefläche vorteilhaft eine hohe Dichte an Auslesebereichen mit einem Anteil von > 50 % auf und ist für nahezu lückenlose Aufnahmen von Hautabdrücken mit hoher örtlicher Auflösung für Authentifikationsanwendungen (Home Button) ausgebildet. Des Weiteren weist ein anderer Bereich der Auflagefläche zweckmäßig eine geringe Dichte von Auslesebereichen mit einem Anteil an Zwischenbereichen von > 50 % auf und ist deshalb zur lückenhaften Aufnahme von Hautabdrücken mit hoher örtlicher (vertikaler und horizontaler) Auflösung für niedrige sicherheitsrelevante Anwendungen und die Erfassung von Fingergesten ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED an einer durch Einkürzung wenigstens einer Ecke der Lichtleiterschicht vorhandenen Schmalseite angeordnet, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen kompensiert ist. Dabei ist vorteilhaft eine Streuscheibe zwischen LED und Lichtleiterschicht zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel angeordnet, sodass die Lichtauskoppelstrukturen keinen Lichtabfall an den der eingekürzten Ecke benachbarten Randbereichen der Lichtleiterschicht kompensieren müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung ist unter der transparenten Lichtleiterschicht eine weitere Lichtleiterschicht angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht durch einen wie bei der ersten und zweiten Adhäsionsschicht niedrig gewählten Brechungsindex verbunden.
Zweckmäßig weisen die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht eine Lichteinkopplung an zueinander gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers auf. Dies ist interessant, um auf die weitere Lichtleiterschicht auszuweichen, falls der Hautabdruck, welcher mit der zuvor benutzten Lichtleiterschicht belichtet wurde, zu schlecht ist (Defektspalten, Pixel, nasser Finger, trockener Finger, etc.). Hier kann also ein zweites Bild aufgenommen werden, das zum ersten Bild verschoben ist und eventuell auch mit anderen Wellenlängen/Winkeln aufgenommen wurde. Dabei koppelt die weitere Lichtleiterschicht zweckmäßig in gleicher Weise zur Richtung der Auflagefläche hin aus. Dies ist für die Effizienz des Systems interessant, und vor allem für ToS-mobil, da dort die Transparenz des OLEDs so gering ist. Beide Lichtleiterschichten werden quasi parallel betrieben und koppeln das Licht aber an unterschiedlichen Stellen aus: Bereich 1 und Bereich 2. Damit sind höhere Lichtintensitäten zur Beleuchtung des aufliegenden Objekts möglich. Weitere Lichtleiter mit entsprechenden LED-Arrays zur Beleuchtung bestimmter Bereiche sind denkbar.
Andererseits ist es auch zweckmäßig, dass die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht die Lichtauskoppelstrukturen in zueinander horizontal versetzten Bereichen der Lichtleiterschichten aufweisen, um die Effizienz der Lichtauskopplung bei gleichzeitiger guter Homogenität zu erhöhen.
In einer besonders bevorzugten Gestaltung sind in dem teiltransparenten Display die in einem definierten Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente vorhanden, die innerhalb des Displays in einer Leuchtelementeschicht eingebracht sind.
In einer ersten Variante hat ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Abschlussschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display und einer Sensorschicht enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente aufweist, und der unterhalb des Displays eine Lichtquelle aufweist, die eine mit einer Adhäsionsschicht angekoppelte Lichtleiterschicht enthält, unter der eine weitere Lichtleiterschicht angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht mit einem, wie bei der ersten Adhäsionsschicht niedrig gewählten
Brechungsindex verbunden ist, die folgenden Schritte:
- Ausschalten des Displays während der Aufnahme zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke, um den relativen Anteil des gerichteten
Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays zu vergrößern,
- Aufnehmen eines ersten Bildes bei Beleuchtung mit der Lichtleiterschicht und Speichern in einem Bildspeicher,
- Analyse des ersten Bildes daraufhin, ob definierte Qualitätskriterien erfüllt sind,
- Aufnehmen eines zweiten Bildes bei Beleuchtung mit der weiteren Lichtleiterschicht, wenn Qualitätskriterien im ersten Bild nicht erfüllt sind,
- Analyse des zweiten Bildes daraufhin, ob Qualitätskriterien erfüllt sind, wobei
- bei Erfüllung der Qualitätskriterien im zweiten Bild das erste Bild im Bildspeicher durch das zweite Bild ersetzt wird oder
- bei Nichterfüllung der Qualitätskriterien im zweiten Bild das zweite Bild mit dem gespeicherten ersten Bild mit einem definierten bekannten Versatz überlagert und ein hochaufgelöstes fusioniertes Bild gespeichert wird.
Es ergibt sich aber bei Erfüllung der Qualitätskriterien im ersten Bild ebenfalls die
Möglichkeit der Aufnahme des zweiten Bildes, um entweder
- durch Zusammensetzen beider Bilder die Bildqualität zu verbessern oder
- durch Zusammensetzen beider Bilder unter Berücksichtigung eines definiert eingestellten Versatzes um den halben Abstand der lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht eine höhere Auflösung, als sie die Sensorschicht eigentlich aufweist, für höchstqualitative Aufnahmen zu erreichen.
Zur Einstellung des definierten Versatzes sind auch mehrere Lichtleiterschichten mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der Lichtauskoppelstrukturen denkbar.
In einer anderen Variante hat ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von
Hautabdrücken und Dokumenten unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Abschlussschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display und einer Sensorschicht enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente aufweist, und der unterhalb des Displays eine Lichtquelle aufweist, die eine mit einer ersten Adhäsionsschicht angekoppelte Lichtleiterschicht enthält, unter der eine weitere Lichtleiterschicht durch eine zweite Adhäsionsschicht verbunden ist, wobei die zweite Adhäsionsschicht einen wie die erste Adhäsionsschicht niedrig gewählten Brechungsindex aufweist, die folgenden Schritte:
- Ausschalten des Displays während der Aufnahme eines ersten Bildes zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke, um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays zu vergrößern,
- Aufnehmen des ersten Bildes bei Beleuchtung mit Licht unter einem für TIR in der Abschlussschicht des Displays geeigneten Beleuchtungswinkel ß, der aus der mit dem Beugungswinkel g auskoppelnden Lichtleiterschicht resultiert, und Speichern des ersten Bildes als Bild des aufgelegten Hautabdrucks in einem Bildspeicher und
- Aufnehmen eines zweiten Bildes bei Beleuchtung mit dem Display zur Aufnahme des Dokuments und Speichern des zweiten Bildes als Bild des aufgelegten Dokuments.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass beim Zusammenführen der Funktionen von Fingerabdruckaufnahme und Anzeigefunktionen zur Nutzerführung in der Auflagefläche in einem Gerät, das darüber hinaus möglichst auch eine Dokumentenaufnahme implementieren soll, in der Regel die Lichtintensität der Hautabdrücke unzureichend wird, die Anzeigequalität der Anzeigeschicht sinkt oder die Auflösung und der Kontrast der Aufnahmen nicht mehr dem angestrebten FBI-Standard entsprechen. Erschwerend kommt noch hinzu, dass durch ein obenauf liegendes Display ein erheblicher Abstand des aufzunehmenden Hautabdrucks zur Sensorschicht entsteht, wodurch Kontrast und Auflösung weiter abnehmen. Die Erfindung löst diese Probleme, indem eine Lichtleiterschicht unterhalb des Displays angeordnet ist und an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung mittels LED erfolgt und die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis des Neigungswinkels der Lichtauskoppelstruktur und der Brechzahlunterschiede zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Auflagefläche an der Displayoberseite eine gerichtete Lichtauskopplung unter einem definierten Winkel gestatten, der an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zur TIR mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von < +/-15° führt, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen.
Durch zur Lichtleiterschicht angepasste Brechungsindizes der Adhäsionsschichten und Nachbarschichten kann die Lichtauskopplung gezielt weiter verbessert werden. Darüber hinaus gestatten die Anwendungen einer zusätzlichen Blendenschicht und elektronischer Shuttersteuerungen für jedes Sensorelement der Sensorschicht eine weitere Verbesserung der Qualität von Hautabdrücken. Außerdem ist eine Aufnahme von Dokumenten durch die Beleuchtung mit dem Display möglich.
Mit der Erfindung ist es möglich, Hautabdrücke menschlicher Autopodien mittels eines mobilen elektronischen Geräts mit hoher Qualität, orientiert am FBI-Standard, aufzunehmen und außerdem Informationen unter anderem zur Nutzerführung mittels eines Displays unterhalb der Auflagefläche und oberhalb der Sensorebene anzuzeigen, ohne dass dabei eine Verschlechterung der örtlichen Auflösung der Hautabdruckbilder einhergeht.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem
Schichtkörper, enthaltend ein Display mit Auflagefläche für aufzunehmende Objekte, eine Lichtleiterschicht als Lichtquelle und eine Sensorschicht,
Fig. 2a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Unterseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen,
Fig. 2b: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Oberseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen, Fig. 2c: zwei Ausschnitte des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von Fig. 2b in einer Draufsicht mit keilförmigen Lichtauskoppelstrukturen, die aus Richtung der LEDs pultförmig ansteigende Rechtecke oder Trapezflächen darstellen,
Fig. 3a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von Fig. 2a mit einer vergrößerten keilförmigen Lichtauskoppelstruktur und Darstellung eines repräsentativen Strahlenbündels, das an dieser Struktur zur Auflagefläche des Displays ausgekoppelt wird und unter einem Totalreflexionswinkel die Auflagefläche erreicht,
Fig. 3b: eine zu Fig. 3a erstellte Darstellung des Lichtleitwinkels des in der
Lichtleiterschicht geführten Lichts über dem Neigungswinkel der keilförmigen Struktur, um die Abhängigkeit des Strahlverlaufs durch die Grenzflächen des Schichtkörpers aufgrund unterschiedlichen Brechungsverhaltens als Zustandsdiagramm aufzuzeigen,
Fig. 4: mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die
Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (a) unkollimierte LEDs eingekoppelt sind, wobei jeder Objektpunkt mehrere Bildpunkte erzeugt, (b) herstellerseitig vorkollimierte LEDs unmittelbar einstrahlen, (c) LEDs mit einer zwischengeordneten Vorkollimationsoptik einkoppeln, (d) LEDs über in der Lichtleiterschicht eingebettete Vorkollimationsoptiken einstrahlen und (e) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen zur alternativen spektralen Beleuchtung abwechselnd angeordnet sind,
Fig. 5a: eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke in einer Draufsicht auf den Schichtkörper, wobei die Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht so ausgebildet sind, dass an jedem Punkt der Auflagefläche lediglich Beleuchtungslicht eines Strahlenbündels einer Lichtauskoppelstruktur zur Beleuchtung von Hautabdrücken auftrifft,
Fig. 5b: eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke in einer Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 5a, Fig. 6: mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht eine Eckenbeleuchtung (a) mit einer unkollimierten LED realisiert ist, wobei jeder Objektpunkt (in horizontaler Richtung) genau einen Bildpunkt erzeugt, (b) zwei LEDs mit dazwischen angeordneter Streuscheibe und (c) mit einer unkollimierten LED, wobei die eingekürzte Ecke der Lichtleiterschicht eine angepasst gekrümmte Einkopplungsfläche aufweist,
Fig. 7: eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der oberhalb der Sensorschicht zwei Lichtleiterschichten unmittelbar übereinander und unterhalb eines darüber angeordneten Displays vorhanden sind,
Fig. 8: eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei über den
Sensorelementen eine zusätzliche Blendenschicht zur Verminderung des Lichteinfalls von mehreren Quellorten auf ein und dasselbe lichtempfindliche Element der Sensorschicht sowie eine Spektralfilterschicht zur Unterdrückung von Störlicht vorhanden sind, und
Fig. 9: eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die lichtempfindlichen Elemente unmittelbar in die Displayschicht eingebettet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einem Grundaufbau - wie in Fig. 1 dargestellt - einen Schichtkörper 1 , der beginnend von einer Auflagefläche 1 1 für die aufzunehmenden Objekte (Finger 2 oder Dokument 3) ein Display 17, dessen freie Oberfläche die Auflagefläche 1 1 bereitstellt, eine darunter liegende flächige Lichtquelleneinheit 14, die in Form einer Lichtleiterschicht 141 ausgebildet ist, an der an wenigstens einer Schmalseite eine oder mehrere LEDs 142 als Lichtquellen angebracht sind, die zur Einkopplung von mehr oder weniger gut vorkollimiertem Licht vorgesehen sind, sowie eine darunter befindliche Sensorschicht 13 mit lichtempfindlichen Elementen 131 enthält. Zwischen dem Display 17 des Schichtkörpers 1 und der Lichtleiterschicht 141 ist eine erste Adhäsionsschicht 15 vorzugsweise als Klebstoffschicht eingebracht und zwischen der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13 ist eine zweite Adhäsionsschicht 16 bevorzugt in Form einer Klebstoffschicht eingebracht. Dabei weist die erste Adhäsionsschicht 15 einen Brechungsindex auf, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 ist, wobei der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 zwischen 1 ,45 und 2,0 liegt, und die zweite Adhäsionsschicht 16 weist einen Brechungsindex auf, der genauso groß ist wie derjenige der ersten Adhäsionsschicht 15.
Das Display 17 ist als herkömmliches Anzeigeelement mehrschichtig aufgebaut und enthält eine Abschlussschicht 171 , ein Substrat 172 und eine Leuchtelementeschicht 173 als eigentliche Funktionsschicht. Die Oberseite des Displays 17 bildet mittels der Abschlussschicht 171 eine Auflagefläche 1 1 für einen aufzunehmenden Hautabdruck 21 oder ein Dokument 3. Die Auflagefläche 1 1 ist gleichzeitig als Interaktionsfläche für den Nutzer eines elektronischen mobilen Gerätes mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung ausgebildet, wobei dem Nutzer mittels Display 17 Informationen in Form von Text, Bildern oder Videos angezeigt werden können und der Nutzer über die Sensorschicht 13 zur Aufnahme von Hautabdrücken 21 mit dem Gerät interagieren kann.
Das Display 17 beinhaltet lichtemittierende rasterförmig angeordnete Displaypixel in einer Leuchtelementeschicht 173. Das Display 17 kann zum Beispiel ein OLED, LCD, QLED sein. Das Display 17 kann zusätzlich als Touch-Display ausgebildet sein, wobei das Display 17 kapazitive, oder resistive Touch-Sensoren enthält (nicht gezeichnet), wie sie in mobilen elektronischen Geräten üblicherweise eingesetzt werden. Das Display 17 ist zusätzlich für mindestens Anteile von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 transparent und weist eine Transparenz von mindestens 1 % und bevorzugt 10 % auf. Das Display kann eine Dicke von 100 gm bis 10.000 gm aufweisen. Bevorzugt hat das Display eine Dicke von 500 pm bis 2.000 pm, um ausreichend dünn für eine gut aufgelöste Aufnahme von Hautabdrücken und ausreichend dick für eine handhabbare mechanische Stabilität zu sein.
Unter dem Display 17 befindet sich eine erste Adhäsionsschicht 15, die optisch transparent ist und ebenfalls für mindestens Anteile von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 transparent ist. Hierbei kann es sich um ein optisch transparentes doppelseitig haftendes Klebeband (OCA) oder einen flüssigen Klebstoff, der beispielsweise über Wärme oder UV-Strahlung ausgehärtet wurde, handeln (LOCA). Diese Klebstoffe können zum Beispiel Silikone, Acrylate oder Epoxide sein.
Unter der ersten Adhäsionsschicht 15 befindet sich eine Lichtleiterschicht 141 zur Beleuchtung von auf der Auflagefläche 1 1 positionierten Hautabdrücken 21. Beleuchtungslicht wird an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels LED 142 eingekoppelt. Zur Auskopplung von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 kommen spezielle Lichtauskoppelstrukturen 144 (in Fig. 2a-c gezeichnet) zum Einsatz. Diese sorgen dafür, dass Beleuchtungslicht innerhalb der Lichtleiterschicht 141 eine Winkeländerung erfährt und anschließend in einem definierten Winkelspektrum (Austrittswinkel g; Y) aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Display 17 beziehungsweise Auflagefläche 1 1 ausgekoppelt wird und einen aufliegenden Hautabdruck 21 beleuchtet. Als Lichtleiterschicht 141 kommen Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas oder andere optisch transparente Werkstoffe mit einem Brechungsindex n ~ 1 ,5 zum Einsatz. Es können aber auch weitere Materialien mit einem Brechungsindex zwischen 1 ,45 und 2,0 als Lichtleiterschicht 141 zum Einsatz kommen. Der lichtleitende Effekt an den Stellen der Lichtleiterschicht 141 ohne Lichtauskoppelstrukturen 144 wird durch den Unterschied der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 sowie erster Adhäsionsschicht 15 und zweiter Adhäsionsschicht 16 realisiert, wobei letztere die Verbindung zur Sensorschicht 13 herstellt.
Die zweite Adhäsionsschicht 16 weist die gleichen oder ähnlichen optischen Eigenschaften wie die erste Adhäsionsschicht 15 auf. Die erste und zweite Adhäsionsschicht 15, 16 haben einen niedrigeren Brechungsindex als die
Lichtleiterschicht 141 , um einen lichtleitenden Effekt durch interne Totalreflexion (TIR) zu realisieren. Hierzu weisen die beiden Adhäsionsschichten 15, 16 einen Brechungsindex auf, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 ist. Bevorzugt liegt der Brechzahlunterschied zwischen 5 % und 10 %, um einerseits ausreichend effizient zu sein und genug Licht in der Lichtleiterschicht 141 zu leiten und andererseits das geleitete Winkelspektrum nicht zu groß zu wählen und eine niedrige vertikale Divergenz der geleiteten Strahlenbündel 147 für eine gute Auflösung der aufzunehmenden Hautbereiche 21 zu realisieren Die unter der zweiten Adhäsionsschicht 16 angeordnete Sensorschicht 13 weist in einem Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente 131 mit einer Auflösung von 100 ppi bis 1.000 ppi auf und gibt je nach detektierter Lichtintensität elektronische Signale weiter, die in ein Grauwertbild umgewandelt werden. Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 sind Fotodioden mit einer definierten Sensitivität für einen bestimmten Spektralbereich des Lichts. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensitivität der lichtempfindlichen Elemente 131 auf das emittierte Beleuchtungslicht der Lichtleiterschicht 141 spektral angepasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erhöhen.
Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 verfügen in einer weiteren Ausführungsform über eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung der Belichtungszeit (nicht gezeichnet), z. B. als Rolling-Shutter oder als Global-Shutter, wie sie in der US 2017/0085813 A1 offenbart ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Belichtungszeit und somit die Integrationszeit der lichtempfindlichen Elemente 131 an die verschiedenen Helligkeiten des Displays 17 und von Umgebungslicht (Störlicht 4, nur in Fig. 8 dargestellt) angepasst werden kann, die im Anwendungsszenario der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Nutzer oder durch unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen variiert. Durch diese elektronische Shuttersteuerung muss das Display 17 während der Aufnahme von Hautabdrücken 21 nicht zwingend ausgeschaltet werden und die Aufnahme von kontrastreicheren Hautabdrücken 21 wird trotzdem ermöglicht.
Die Aufnahme eines auf der Auflagefläche 1 1 befindlichen Hautabdrucks 21 erfolgt über das Prinzip der gestörten internen Totalreflexion (FTIR). Hierzu wird Beleuchtungslicht mit einem definierten Winkelspektrum aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelt. Mindestens Anteile des Beleuchtungslichts transmittieren durch das teiltransparente Display 17 und erreichen anschließend die Auflagefläche 11 , die durch die Oberseite des Displays 17 gebildet wird. Das Beleuchtungslicht besitzt hierzu ein definiertes Winkelspektrum, das nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Auflagefläche 1 1 (unter einem Beleuchtungswinkel ß; ß’) beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt. Das heißt, dass der Nutzer des mobilen elektronischen Geräts kein zusätzliches Beleuchtungslicht wahrnimmt, welches das Licht der Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 überstrahlen könnte. Ein Hautabdruck 21 besteht abwechselnd aus Hauttälern und Hautbergen. An den aufliegenden Hautbergen wird die interne Totalreflexion an der Auflagefläche 1 1 aufgrund des ähnlichen Brechungsindex zwischen Abschlussschicht 171 des Displays 17 und Hautbergen gestört, Anteile des Beleuchtungslichts werden gestreut und in die aufliegenden Hautbereiche 21 ausgekoppelt. An den Hauttälern besteht ein großer Unterschied von Abschlussschicht 171 zu Luft, weshalb hier durch interne Totalreflexion das Beleuchtungslicht reflektiert wird. Das an der Auflagefläche 1 1 reflektierte Beleuchtungslicht wird erneut durch das Display 17 sowie die erste Adhäsionsschicht 15, die Lichtleiterschicht 141 und die zweite Adhäsionsschicht 16 transmittiert, bevor es an der Sensorschicht 13 durch die lichtempfindlichen Elemente 131 detektiert wird. Ein Kontrast zwischen Hautbergen und Hauttälern kann somit aufgrund der an den Hautbergen stattfindenden gestörten internen Totalreflexion festgestellt werden, da die detektierbare Lichtintensität aus den Bereichen der Hautberge geringer ist als aus den Hauttälern. Als Abschlussschicht 171 kommt üblicherweise Glas, gehärtetes Glas oder Saphir mit einem Brechungsindex zwischen 1 ,48 und 1 ,8 zum Einsatz. Je größer der Brechungsindex der Abschlussschicht 171 ist, desto kleiner können die Beleuchtungswinkel ß (oder ß’, nur in Fig. 2a gezeichnet) sein, die an der Grenzfläche zu Luft (Auflagefläche 1 1 ) totalreflektieren.
Die Bildaufnahme über das Prinzip der gestörten internen Totalreflexion hat den Vorteil, dass gerichtetes Beleuchtungslicht eingesetzt wird, das nach Auftreffen an der Auflagefläche 1 1 weiterhin gerichtet in Richtung Sensorschicht 13 reflektiert wird. Dies ermöglicht auch über große Distanzen beziehungsweise große Schichtdicken hinweg eine gute Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21. Je kleiner die Divergenz des aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Lichts unter dem Beleuchtungswinkel ß hierbei ist, umso besser ist die Auflösung, beziehungsweise umso größer kann der Abstand zwischen Sensorschicht 13 und Auflagefläche 1 1 bei gleichbleibender Auflösung gewählt werden, da eine starke Signalverbreiterung der Informationen des Hautabdrucks 21 verringert wird. Um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21 zu erreichen, wird Beleuchtungslicht mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von weniger als +/-15° genutzt. Das Beleuchtungslicht wird sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung in seiner Divergenz eingeschränkt. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die oben definierten Brechungsindizes der Adhäsionsschichten 15 und 16, die gering von dem der Lichtleiterschicht 141 abweichen sollen, genau dann ihre Bedeutung verlieren, wenn sich ihre Dicke der Größe der verwendeten Lichtwellenlänge annähert. In jenem speziellen Fall sind die oben beschriebenen Regeln der Lichtbrechung bzw. Totalreflexion dann auf die Brechungsindizes darauffolgender Schichten anzuwenden, da das Licht die sehr dünnen Adhäsionsschichten 15 und 16 dann nicht wahrnimmt.
Das von der(n) LED 142 abgestrahlte Licht wird aufgrund der Lichtleitereigenschaften unter einem Lichtleitwinkel a in der Lichtleiterschicht 141 weitergeleitet. Wegen der noch weiter unten detailliert erläuterten Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 werden an den örtlich begrenzten Lichtauskoppelstrukturen 144 jeweils Anteile des in der Lichtleiterschicht 141 mit dem Lichtleitwinkel a propagierenden Lichts unter einem definierten Winkel so ausgekoppelt, dass nach Durchlaufen aller Schichten des Schichtkörpers 1 bis zur Auflagefläche 11 der Abschlussschicht 171 des Displays 17 beim Übergang zu Luft ein Beleuchtungswinkel ß für interne Totalreflexion (TIR) eingestellt ist, wobei die Lichtauskoppelstrukturen 144 eine Auskopplung von Lichtstrahlen mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von < +/- 15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21 zu erreichen.
Auf die Abschlussschicht 171 , die zweckmäßig die Auflagefläche 11 für die aufzunehmenden Objekte bereitstellt, können wahlweise ein oder mehrere Finger 2, gegebenenfalls auch eine ganze Hand (nicht gezeichnet) oder ein Dokument 3, insbesondere ID-Dokumente (wie Reisepass, Führerschein, etc.), aber auch Kreditkarten, Bordkarten und andere personengebundene Dokumente aufgelegt werden. Während für die Aufnahme von Hautabdrücken 21 von den an einer Grenzfläche der Lichtleiterschicht 141 vorhandenen Lichtauskoppelstrukturen 144 unter einem definierten Winkel Lichtanteile ausgekoppelt werden, kann für die Beleuchtung von Dokumenten 3 die Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 angewendet werden.
Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141 , wobei beispielhaft mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 mit einem Neigungswinkel e gezeichnet sind. Trifft das in der Lichtleiterschicht 141 unter dem Lichtleitwinkel a geführte Licht auf eine Lichtauskoppelstruktur 144 mit dem Neigungswinkel e, ergibt sich ein Reflexionswinkel f zum Lot der Lichtauskoppelstruktur 144, wobei gilt: f = a - e. Das an der Lichtauskoppelstruktur 144 reflektierte Strahlenbündel kann nun durch seine Winkeländerung nicht mehr an der ersten Adhäsionsschicht 15 totalreflektiert werden, sondern durchläuft diese sowie das darüber liegende Display 17. In Abhängigkeit von den Brechungsindizes der im Display 17 üblichen Außenschichten (in Fig. 2a nicht gezeichnet) weist ein an der Lichtauskoppelstruktur 144 reflektiertes Strahlenbündel als das an der Auflagefläche 11 auftreffende Beleuchtungslicht einen Beleuchtungswinkel ß auf, der an der Auflagefläche 1 1 (Grenzfläche zu Luft) das Beleuchtungslicht totalreflektiert und eine Aufnahme von Hautabdrücken 21 nach dem Prinzip der gestörten internen Totalreflexion (FTIR oder kurz: TIR) ermöglicht. Dabei kann der Beleuchtungswinkel ß in einem bestimmten Winkelspektrum zu einem Beleuchtungswinkel ß’ abgeändert werden, solange die Beleuchtungswinkel ß’ an der Auflagefläche 1 1 zu einer Totalreflexion führen, wobei Lichtauskoppelstrukturen 144 mit einem anderen Neigungswinkel e’ vorhanden sind und somit Strahlenbündel unter einem anderen Reflexionswinkel f’ ausgekoppelt werden. Auf die Möglichkeit, innerhalb einer Lichtquelleneinheit 14 Lichtauskoppelstrukturen 144 mit unterschiedlichen Neigungs winkeln e einzusetzen, wird in der Beschreibung zu Fig. 7 und 8 näher eingegangen.
Fig. 2b zeigt eine weitere Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141 , wobei in diesem Beispiel mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 vorhanden sind. Die Lichtauskoppelstrukturen 144 sind dabei so ausgebildet, dass in der Lichtleiterschicht 141 geführtes Licht beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstrukturen 144 ein erstes Mal an der Grenzfläche zur darüber liegenden ersten Adhäsionsschicht 15 und ein zweites Mal an der Grenzfläche zum Display 17 unter einem definierten Brechungswinkel g aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Display 17 auskoppelt. Hierbei wird der Hauptstrahl des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts mit dem Lichtleitwinkel a inklusive einer Divergenz beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstruktur 144 ausgekoppelt, wobei keine weitere Einschränkung der Divergenz durch den Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144 erfolgt. Dies macht zwar die Lichtauskopplung hinsichtlich der Lichtintensität effizienter, jedoch ist die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Strahlenbündels größer als bei Fig. 2a. Ebenfalls ist die maximal mögliche Änderung des Winkels zwischen a und ß niedriger als bei Fig. 2a.
Zur Art und Form der Lichtauskoppelstrukturen 144 im Material der Lichtleiterschicht 141 sind zwei Beispiele der Formgebung und Verteilung für einen Ausschnitt der Lichtleiterschicht 141 in Fig. 2c als Draufsichten zu der Darstellung der Lichtauskoppelstruktur 144 nach Fig. 2b gezeichnet. Außer den gezeigten Formen von Rechtecken und Trapezen sind aber auch Dreiecke, Kreissektoren bzw. Kreisabschnitte oder Abschnitte von Ellipsen geeignet.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen die Zusammenhänge für die Ausführungsform in Fig. 2a zwischen dem Lichtleitwinkel a, dem Beleuchtungswinkel ß, dem Reflexionswinkel f, dem Austrittswinkel d und dem Neigungswinkel e. In Abhängigkeit vom Unterschied der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und den angrenzenden Adhäsionsschichten 15 und 16 definieren sich Vorzugswinkel (Austrittswinkel d), unter denen Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelt wird. Hierzu ist in Fig. 3a in der Seitenansicht ein schematischer Strahlengang für Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 skizziert, wobei die Lichtleiterschicht 141 beispielhaft einen Brechungsindex von n = 1 ,49 und die angrenzenden Adhäsionsschichten 15 und 16 einen Brechungsindex von n = 1 ,41 aufweisen.
Zusätzlich beinhaltet Fig. 3b die drei Bedingungen (gekennzeichnet durch römische Zahlen I, II, III), die erfüllt sein müssen, um ein zweckmäßiges Arbeiten der Vorrichtung zu gewährleisten:
I: Geführte Strahlen (a > 71 °) müssen an der Lichtauskoppelstruktur 144 totalreflektiert werden:
1.41
f > sin = 71° I f = a - e
1.49 II: Der durch die Lichtauskoppelstruktur 144 abgelenkte Strahl, der mit dem Austrittswinkel d = a - 2·e an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 auftrifft, darf dort nicht totalreflektiert werden:
Figure imgf000021_0001
71°
1.49
III: Am Deckschicht-Luft-Übergang der Abschlussschicht des Displays 17 muss Totalreflexion stattfinden (Abschlussschicht 171 mit n = 1 ,49 angenommen):
Figure imgf000021_0002
1.49
Die Grafik in Fig. 3b zeigt für das oben genannte Zahlenbeispiel die erlaubten Kombinationen aus dem Lichtleitwinkel a des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts und dem Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144, die zur erfindungsgemäßen Bildgebung bei der Aufnahme eines Hautabdrucks 21 beitragen (l+ll+lll). Für einen Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144 von e ~ 10 werden die meisten Strahlen ausgekoppelt, die ursprünglich einen Lichtleitwinkel von a = 85° +/-5° hatten. Für das Display 17 mit ähnlichem Brechungsindex wie die Lichtleiterschicht 141 (n ~ 1 ,5) ergibt sich somit ein Winkelspektrum ß ~ d = 65° +/-5°. Die gleichmäßige Lichtauskopplung auf der gesamten Fläche der Lichtleiterschicht 141 und eine somit homogene Ausleuchtung eines auf der Auflagefläche 1 1 aufliegenden Hautabdrucks 21 wird durch das Anpassen eines Füllfaktors der Lichtauskoppelstrukturen 144 umgesetzt.
In der Ausführungsform mit Lichtauskoppelstrukturen 144, wie in Fig. 2a gezeichnet, kann die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Beleuchtungslichts im Vergleich zur Ausführungsform in Fig. 2b sehr genau über den Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144 und den Unterschied der Brechungsindizes zwischen der Lichtleiterschicht 141 und den benachbarten Adhäsionsschichten 15, 16 eingestellt werden. Je nach Anwendungsfall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr in Richtung Lichtintensität oder eines engen Winkelspektrums des Beleuchtungslichts optimiert werden. Qualitativ hochwertige Hautabdrücke 21 mit hoher Auflösung erhält man, indem das aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelte Licht eine sehr geringe Divergenz hat, also das ausgekoppelte Winkelspektrum klein ist.
In Fig. 4 sind unterschiedliche Arten für die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LEDs 142 und deren mehr oder weniger divergent abgestrahlte Strahlenbündel 147 in fünf Draufsichten dargestellt, die sich durch ihren Zustand der Vorkollimation unterscheiden. Vorangestellt sei für diese Ausführungsvarianten, dass die meisten LEDs 142 in unterschiedlichem Grad bereits intern vorkollimiert sind.
In der Teilabbildung (a) von Fig. 4 sind diesbezüglich die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LEDs 142 und deren deutlich divergente Strahlenbündel 147 in der Draufsicht dargestellt.
Als Quelle für das Beleuchtungslicht können verschiedene Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Werden mehrere LEDs 142 ohne Kollimation der Strahlenbündel 147 eingesetzt, überlagern sich die einzelnen Strahlenbündel 147 und führen dazu, dass ein beleuchteter Objektpunkt eines auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Fingers 2 durch unterschiedliche Strahlenbündel 147 beleuchtet wird und auf mehrere Bildpunkte der abgetasteten Bildaufnahme (verteilt), bzw. auf mehrere lichtempfindliche Elemente 131 der Sensorschicht 13 (hier nicht gezeichnet), abgebildet wird. Die Abbildung eines Objektpunkts auf mehrere Bildpunkte ist in Teilabbildung (a) der Fig. 4 durch die Pfeile beispielhaft dargestellt.
Durch das Durchmischen der Strahlenbündel 147 der mehreren lichtabstrahlenden LEDs 142 kommt es zwangsläufig dazu, dass von einem Objektpunkt an der Auflagefläche 1 1 mehrere Bildpunkte in der Sensorschicht 13 erzeugt werden, womit die gleiche Objektinformation zum Beispiel eines aufliegenden Fingers 2 auf mehreren lichtempfindlichen Elementen 131 detektiert wird und die Auflösung des abgebildeten Flautabdrucks 21 abnimmt. Je kleiner die horizontale und vertikale Divergenz der Strahlenbündel 147 ist, desto höher ist die Auflösung.
In Fig. 4 zeigt die Teilabbildung (a) schematisch in einer Draufsicht, wie jeweils ein Objektpunkt (jeweils als schwarzer Punkt entlang der unteren gestrichelten Linie gezeichnet) auf zwei voneinander entfernte Bildpunkte (als beabstandete Punkte auf der zweiten gestrichelten Linie) abgebildet wird. Dies geschieht, da durch das relativ dicke Display 17 und die Lichtleiterschicht 141 ein Abstand zwischen Auflagefläche 11 und Sensorschicht 13 existiert. Je geringer dieser Abstand ist, desto weniger läuft die Objektinformation breit und desto besser ist die Auflösung. Je geringer die Divergenz des Strahlenbündels 147 ist, desto besser ist die Auflösung bzw. umso größer kann die Dicke des Displays 17 bei gleicher Auflösung gewählt werden. Einen Ansatz zur Verbesserung der Auflösung bzw. Vergrößerung der Dicke des Displays 17 bilden daher Mittel zur Kollimation der Strahlenbündel 147 der LEDs 142, wie sie in weiteren Teilabbildungen von Fig. 4 gezeigt sind.
In Teilabbildung (b) sind vom Hersteller vorkollimierte LEDs 142 eingesetzt und diese - wie oben beschrieben - dicht gepackt zueinander und mit geringstem Abstand zur einzukoppelnden Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet. Dadurch kann ohne zusätzliche Vorkollimationsoptik 143 eine vertretbare Divergenz der Strahlenbündel 147 bei einer guten Durchmischung der Lichtanteile der einzelnen LEDs 142 realisiert werden. Außerdem kommt es an der Grenzfläche zwischen Luft und der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 bei der Einkopplung des Beleuchtungslichts zur Lichtbrechung, wodurch eine gewisse Vorkollimation erreicht wird.
Falls diese Art der Einkopplung den Anforderungen an die örtliche Auflösung der Bildaufnahme nicht gerecht wird, sind die Ausführungsvarianten mit einer zusätzlichen Vorkollimationsoptik 143 gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) von Fig. 4 zu bevorzugen, wobei in Teilabbildung (c) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeformte refraktive konvexe Linsen als Vorkollimationsoptik 143 gewählt sind, die auch durch GRIN-Linsen ersetzt werden können. In Teilabbildung (d) sind die refraktiven Vorkollimationsoptiken 143 als konkave Linsen im Material der Lichtleiterschicht 141 eingearbeitet und aus einem optisch dünneren Medium, d. h. mit deutlich kleinerem Brechungsindex gegenüber der Lichtleiterschicht 141 gebildet. Dafür eignet sich am besten ein gasförmiges Medium, wie z. B. Luft. Der mit Ausführungsbeispielen gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) erreichbare Kollimationszustand sichert zwar die bestmögliche Auflösung, hat aber den Nachteil einer ungleichmäßigen Intensitätsverteilung der Beleuchtung der Auflagefläche 1 1 , sodass zwischen diesen beiden Ausführungen und der Variante nach Teilabbildung (b) abzuwägen ist, welche Anforderungen den Vorrang erhalten sollen. Dazu sind auch noch die nachfolgenden Betrachtungen zu Fig. 5a und 5b zu beachten.
In der Teilabbildung (e) von Fig. 4 sind die dicht gepackten LEDs 142 mit verschiedenen spektralen Abstrahlungswellenlängen ausgestattet, die abwechselnd entlang der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet und schaltbar sind, wobei mindestens zwei unterschiedliche Spektralbereiche ausgewählt werden, um damit alternativ beleuchtete Bilder der aufgelegten Objekte, Flautabdrücke 21 oder Dokumente 3, aufzunehmen, die vorzugsweise zum Echtheitsnachweis verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke 21 ist in Fig. 5a und Fig. 5b dargestellt. Hierbei sind die Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 so ausgebildet, dass an jedem Punkt der Auflagefläche 1 1 maximal Beleuchtungslicht eines diskreten Strahlenbündels 147 einer Lichtauskoppelstruktur 144 zur Beleuchtung von Hautabdrücken 21 auftrifft, das heißt, dass an keinem Punkt der Auflagefläche 1 1 Strahlenbündel 147 von mehr als einer Lichtauskoppelstruktur 144 auftreffen und sich dort überlagern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 so ausgebildet, dass das Beleuchtungslicht mit den aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Beleuchtungswinkeln ß an der Grenzfläche zwischen Abschlussschicht 171 des Displays 17 und Luft intern totalreflektiert und in Richtung Sensorschicht 13 zurückreflektiert, wobei es nach Durchlaufen des teiltransparenten Displays 17, der ersten Adhäsionsschicht 15, der Lichtleiterschicht 141 und der zweiten Adhäsionsschicht 16 so auf die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 trifft, dass sich die aufgeweiteten Strahlenbündel 147 der einzelnen Lichtauskoppelstrukturen 144 in der Sensorschicht 13 ebenfalls nicht überlagern. Hierdurch wird eine verbesserte Auflösung des aufgelegten Hautabdrucks 21 realisiert, da sich die auf der Sensorschicht 13 abgebildeten Bildpunkte verschiedener auf der Auflagefläche 1 1 aufliegender Objektpunkte nicht überlagern, das heißt, dass jedes lichtempfindliche Element 131 der Sensorschicht 13 maximal das intern totalreflektierte Beleuchtungslicht von einem Punkt der Auflagefläche 1 1 detektiert. Somit sind hochauflösende Aufnahmen von Hautabdrücken 21 trotz eines großen Abstands zwischen Auflagefläche 1 1 und Sensorschicht 13 möglich, da es zu keiner Signalvermischung kommt. Diese spezielle Art der Beleuchtung muss sowohl in Einstrahlrichtung (Fig. 5b), als auch senkrecht zur Einstrahlrichtung (Fig. °5a) umgesetzt werden.
Um eine Überlagerung des Signals senkrecht zur Einstrahlrichtung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Beleuchtung in dieser Richtung ein kleines Winkelspektrum aufweist, wie in Fig. 5a gezeichnet. Dies wird, wie bereits beschrieben, durch entsprechende LEDs 142 und mit Vorkollimationsoptiken 143 (wie zu Fig. 4 beschrieben) realisiert. In einer speziellen Ausführung wird das Beleuchtungslicht der mehreren LEDs 142 so stark vorkollimiert, sodass sich deren Strahlenbündel 147 über die gesamte Auflagefläche 1 1 hinweg nicht überlagern. Hierdurch ist zwar die Auflösung eines aufzunehmenden Hautabdrucks 21 hoch, jedoch entstehen auch Zwischenbereiche 149, in denen kein Beleuchtungslicht auf die Auflagefläche 1 1 trifft. An den Zwischenbereichen 149 sind keine Informationen eines auf der Auflagefläche 1 1 positionierten Objekts (Finger 2) aufnehmbar. Von den Auslesebereichen 148 wird hingegen ein hochaufgelöster Hautabdruck 21 durch die Sensorschicht 13 detektiert.
Durch geeignete Anordnung der LEDs 142 und der Lichtauskoppelstrukturen 144 (horizontale und vertikale Divergenz, Füllfaktor und Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144) kann abhängig von der Dicke des Schichtkörpers 1 bzw. vom Abstand zwischen Auflagefläche 11 und Sensorschicht 13 eine Überlagerung der (an der Auflagefläche 11 reflektierten) aufeinanderfolgend ausgekoppelten Strahlenbündel N und N+1 in der Ebene der lichtempfindlichen Elemente 131 vermieden werden, wie in Fig. 5b gezeichnet.
Die Dimensionierung der beschriebenen Ausführungsform ist auf zwei Arten möglich. In einer ersten Variante ist der Abstand der Auslesebereiche 148 klein gegenüber der zu detektierenden Struktur des Hautabdruckes 21 , sodass dann ein komplettes Bild auf der gesamten Auflagefläche 1 1 mit geringer Auflösung aufnehmbar ist.
In einer zweiten Variante ist der Abstand der Auslesebereiche 148 groß gegenüber der zu detektierenden Struktur des Hautabdruckes 21 , sodass dann die Auslesebereiche 148 durch die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 sehr gut aufgelöst detektiert werden, da es keine Informationsüberlagerung gibt. Hierbei ist auch eine Detektion von Sicherheitsmerkmalen dritter Ordnung möglich (Auflösung von Hautporen). In den Zwischenbereichen 149 werden in dieser Variante keine Hautbereiche 21 aufgelöst (detektiert). Man erhält also insgesamt ein hochaufgelöstes, aber lückenhaftes Bild. Beide Varianten sind für Anwendungen mit 1 :1 -Vergleich z. B. zur Authentifikation sehr gut nutzbar.
Für mobile Anwendungen bei mobilen elektronischen Geräten ist es möglich, dass eine in Fig. 5a dargestellte Beleuchtungsvariante zum Einsatz kommt, wobei ein nahezu lückenfreier Bereich zur Aufnahme hochqualitativer Hautabdrücke 21 auf der der Beleuchtungseinkopplung durch die LEDs 142 gegenüberliegenden Seite vorliegt, der als qualifizierter Authentifizierungsbereich 12 dient, z. B. zur Nutzung als sog. Home- Button zur Smartphone-Freigabe oder für hochsicherheitsrelevante Anwendungen, wie Einloggen in ein Bankkonto, Bestätigung für Überweisungen und weiteres. Der Bereich für niedrigsicherheitsrelevante Anwendungen, der auf der gegenüberliegenden Seite (nahe Beleuchtungseinkopplung durch die LEDs 142) eingerichtet werden kann, weist zwar Zwischenbereiche 149 mit Detektionslücken auf, kann jedoch ebenfalls zur Aufnahme von Hautabdrücken 21 verwendet und beispielsweise bei Anwendungsfällen, wie Spielen, App-Steuerung und Ähnlichem eingesetzt werden. Hierbei liefern die Informationen der aufgenommenen Hautabdrücke 21 wertvolle weitere Informationen, da neben der Lage eines oder mehrerer aufliegender Finger 2 die Unterscheidung der mehreren Finger 2 sowie deren Orientierung (Ausrichtung auf der Auflagefläche 1 1 ), Rotation (linker und rechter Fingerrand) und Anstellwinkel (flach aufgelegt oder Fingerkuppe) ausgewertet werden können. Diese Zusatzinformationen können effektiv zur intuitiveren und einfacheren App-Steuerung genutzt werden.
In Fig. 6 sind drei Draufsichten auf weitere Ausführungsdetails der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer so genannten Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED 142 gezeigt.
Fig. 6 enthält dazu eine Teilabbildung (a), die eine Ausführungsform der Lichteinkopplung von einer LED 142 in die Lichtleiterschicht 141 in der Draufsicht zeigt, bei der die Lichteinkopplung an wenigstens einer Ecke der Lichtleiterschicht 141 durch Einkürzung derselben umgesetzt ist. Die eingekürzte Ecke 145 erzeugt eine zusätzliche Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 , die einen Winkel von 135° mit den üblicherweise vorhandenen Schmalseiten einer rechteckigen Lichtleiterschicht 141 aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keine Kollimation des in die Lichtleiterschicht 141 eingekoppelten Strahlenbündels 147 der LED 142 in horizontaler Richtung durch eine Vorkollimationsoptik 143 (wie in Fig. 4 gezeigt) notwendig ist. Die LED 142 soll dabei bevorzugt mit einem Winkel von +/-45° zu den benachbarten rechtwinkligen Schmalseiten in die Lichtleiterschicht 141 abstrahlen. Dabei erzeugt jeder Objektpunkt in horizontaler Richtung nur einen diskreten Bildpunkt, wie in der Teilabbildung (a) anhand der schwarzen Punkte zu sehen, weil es keine Überlagerung verschiedener Strahlenbündel 147 gibt. Eine Auflösungsverringerung findet lediglich durch die vertikale Divergenz statt (nicht gezeichnet), die jedoch, wie oben bereits beschrieben, aufgrund der geringen Unterschiede der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und benachbarten Adhäsionsschichten 15 und 16 sowie der Neigungswinkel e der Lichtauskoppelstrukturen 144 stark eingeschränkt und sogar auf Divergenzen von unter +/-5° begrenzt werden kann. Der Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht 141 eingekoppelten divergenten Strahlenbündels 147 lässt sich durch einen wachsenden Füllfaktor aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen 144 zum Rand hin kompensieren.
Bei einer so beschaffenen Eckenbeleuchtung können Reflexionen an den Randbereichen der benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht 141 nachteilig sein, da hierdurch Doppelbilder entstehen und zu einer Verschlechterung der Auflösung führen. Eine bevorzugte Ausführung ist es daher, dass die Lichtleiterschicht 141 an den weiteren Schmalseiten, an denen kein Licht eingekoppelt wird, absorbierende Beschichtungen aufweist, die dort auftreffendes Licht absorbieren oder auskoppeln.
In den Teilabbildungen (b) und (c) von Fig. 6 sind gegenüber der Teilabbildung (a) weitere Zusatzmaßnahmen gezeichnet, wobei in Teilabbildung (b) die Lichtverteilung bzw. -homogenisierung von (mindestens) zwei LEDs 142 durch eine Streuscheibe 146 verbessert wird, durch die Licht in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird, während in Teilabbildung (c) die eingekürzte Ecke 145 als konkaver Bogen ausgeführt ist, sodass alle divergent aus der LED 142 austretenden Strahlen ungebrochen in die Lichtleiterschicht 141 eintreten können, wodurch aus nur einer LED 142 austretendes Licht in der gesamten Lichtleiterschicht 141 Beleuchtungslicht propagieren kann.
Fig. 7 zeigt eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Unterschied zu Fig. 1 zwei zueinander benachbarte Lichtleiterschichten 141 , 141’ aufweist. Die weitere Lichtleiterschicht 141’ bringt dabei mehrere Vorteile. Aufgrund der hohen Transparenz von Lichtleitern können mehrere Lichtleiterschichten 141 , 14T beliebig übereinander angeordnet und durch einen niedrigbrechenden Klebstoff miteinander verbunden werden. Eine so ausgeführte weitere Adhäsionsschicht 18 sollte dabei den gleichen Brechungsindex aufweisen wie die zweite Adhäsionsschicht 16 zwischen der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Lichtleiterschichten 141 und 14T mit Licht gespeist werden.
Da gibt es zunächst die in Fig. 7 gezeichnete Variante, bei der die Lichtleiterschichten 141 , 14T von derselben Schmalseite des Schichtkörpers 1 mit LEDs 142 versehen sind. Hierfür ergibt sich als erstes der Vorteil einer Intensitätssteigerung des ausgekoppelten Lichts, da beide Lichtleiterschichten 141 , 14T hochtransparent sind und die weitere Lichtleiterschicht 14T die darüber liegende Lichtleiterschicht 141 faktisch nicht wahrnimmt. Zudem sind die parallel zueinander ausgekoppelten Lichtstrahlen aus der Draufsicht betrachtet zueinander versetzt und tragen zur Homogenisierung der Beleuchtung bei, indem jede Lichtleiterschicht 141 jeweils nur einen bestimmten Teil der Auflagefläche 1 1 beleuchtet, womit auch sehr gut größere Auflageflächen 1 1 beispielsweise für die Aufnahme ganzer Handflächen oder mehrerer Hände beleuchtet werden können.
Der zweite Vorteil besteht darin, dass mehrere Aufnahmen bei ausschließlicher Beleuchtung mit jeweils einer der gleichartigen Lichtleiterschichten 141 , 14T etc. nacheinander gemacht, die Bilder verglichen und das bessere ausgesucht werden können. Dies ist neben Maßnahmen zur Lebenderkennung für die Aufnahme von trockenen und feuchten Hautabdrücken 21 interessant. Zur Lebenderkennung kann in der weiteren Lichtleiterschicht 14T Beleuchtungslicht mit anderen Wellenlängen (z. B. UV, IR) zusätzlich zu VIS-Spektralbereichen eingesetzt werden. Ein dritter Vorteil ergibt sich, wenn die beiden Lichtleiterschichten 141 , 141’ unterschiedliche Neigungswinkel e, e’ ihrer Lichtauskoppelstrukturen 144 (im Detail nur in Fig. 2a gezeichnet) aufweisen und die Lichtleiterschicht 141 oder die weitere Lichtleiterschicht 141’ beispielsweise einen Beleuchtungswinkel ß’ verursacht, der zwar auch TIR-geeignet ist, aber vom Beleuchtungswinkel ß der Lichtleiterschicht 141 abweicht und somit ebenfalls ein Vergleichsbild des Hautabdrucks 21 erzeugt, der insbesondere für unterschiedliche Hauttypen (trockene und feuchte Haut) zu besseren Ergebnissen beitragen kann. Für diesen Beleuchtungsmodus kann die erste Lichtleiterschicht 141 wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden.
In einer modifizierten Variante von Fig. 7 kann das Licht der LEDs 142 für jede der Lichtleiterschichten 141 und 141’ an verschiedenen, vorzugsweise gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers 1 eingeleitet werden. Diese Variante wird durch die gestrichelt gezeichnete LED 142 auf der rechten Schmalseite der weiteren Lichtleiterschicht 141’ symbolisch dargestellt als wählbare optionale Alternative.
In diesem alternativen Fall führen die aus den Lichtleiterschichten 141 und 141’ ausgekoppelten Strahlen zu zwei unterschiedlichen Bildern mit einem örtlichen Versatz, der herausgerechnet werden kann, und somit können die beiden Fingerabdruckbilder zwecks Qualitätsverbesserung miteinander verglichen und das bessere Bild ausgewählt oder beide Bilder über anschließende Bildverarbeitung miteinander fusioniert werden.
In Fig. 8 ist eine gegenüber Fig. 1 erweiterte, bevorzugte Ausführung der Erfindung gezeigt. Dabei ist über der Sensorschicht 13 eine - hier beispielhaft als vollflächige Spektralfilterschicht 19 gezeichnete - Filterschicht eingefügt, die vor allem eine zusätzliche Eliminierung des Umgebungslichts vornehmen kann. Die Spektralfilterschicht 19 kann aber auch auf die separaten lichtempfindlichen Elemente 131 aufgebracht sein (nicht gezeichnet). Die Spektralfilterschicht 19 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schmalbandfilter und auf die Wellenlänge des Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht 141 angepasst, sodass sie für die meisten Teile des Beleuchtungslichts transparent ist und für restliche Lichtanteile, zum Beispiel für die Lichtanteile der Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 und weiteres Störlicht 4 absorbierend wirkt. Außerdem besteht gegenüber Fig. 1 und Fig. 7 die Besonderheit, dass die Sensorschicht 13 eine zusätzliche Blendenschicht 132 enthält, die ausschließlich die gezielt unter definierten Beleuchtungswinkeln ß aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Strahlenbündel 147 nach der Totalreflexion an der Auflagefläche 11 auf die lichtempfindlichen Elemente 131 einfallen lässt. Alle anderen Winkel werden von der Blendenschicht 132 diskriminiert (reflektiert oder absorbiert). Die Blendenschicht 132 sowie die Spektralfilterschicht 19 können auch wahlweise in den Ausführungen gemäß Fig. 1 und Fig. 7 eingefügt werden.
Durch die Blendenschicht 132 wird der Einfluss von horizontaler und vertikaler Divergenz des Beleuchtungslichts verringert und in der Folge lassen sich dickere Abschlussschichten 171 für Displays 17 bei gleichbleibender Auflösung verwenden, um beispielsweise Schutz und/oder Stabilität des Schichtkörpers 1 und der gesamten Vorrichtung zu verbessern.
Zum effektiven Blockieren von Störlicht 4 oder von totalreflektiertem Licht aus
Beleuchtungswinkeln ß’, die nicht detektiert werden sollen, sind nichttransparente Blendenmaterialien notwendig. Bevorzugt sind für die einzelnen Blenden in der Blendenschicht 132 Materialien, die aufgrund ihrer guten Strukturierbarkeit in photolithographischen Beschichtungsprozessen Verwendung finden, beispielsweise Metalle wie Chrom, Aluminium, Gold, Molybdän, Kupfer, Silber, Silizium. Aufgrund der Reflexionseigenschaften dieser Materialien kann es jedoch an den Oberflächen der Blenden zu unerwünschten Reflexionen kommen, die sich einschränkend auf den Kontrast der Bildaufnahme auswirken, das Rauschen erhöhen oder Doppelbilder erzeugen. Deshalb werden bevorzugt absorbierende organische Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen, und absorbierende anorganische Materialien, wie diamantähnliche Kohlenstoffschichten, schwarzes Chrom, Kupfer-Indium-Disulfid, oder Materialien mit spezieller Mikrostruktur eingesetzt. Besonders bevorzugt sind
Materialien, die sich über Druckverfahren, z. B. per Siebdruck, als strukturierte
Blendenschicht 132 über den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 aufbringen lassen, da diese schnell, flexibel sowie kostengünstig herstellbar sind. In Druckverfahren werden hierfür vornehmlich organische Materialien verwendet. Fig. 9 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung, bei der im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren eine Spezialisierung durch die Kombination von Display 17 und lichtempfindlichen Elementen 131 erfolgt. Durch eine Implementierung der lichtempfindlichen Elemente 131 in die übliche Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 wird der Aufbau noch kompakter und besteht nur noch aus der dem modifizierten Display 17 unterlagerten Lichtleiterschicht 141. Auch für diese Ausführung sind die zusätzlichen Schichten, wie Spektralfilterschicht 19 und Blendenschicht 132, in analoger Weise in das Display 17 integrierbar.
Mit den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind hochauflösende und kontrastreiche Aufnahmen von Hautabdrücken 21 sowie auch von Dokumenten 3 mittels eines mobilen elektronischen Gerätes möglich, das auf einer gezielten Auskopplung von Licht aus einer Lichtleiterschicht 141 unter definierten Winkeln für die interne Totalreflexion (TIR) basiert. Weiterhin sind Blendenstrukturen als Blendenschicht 132 in der Sensorschicht 13 den einzelnen lichtempfindlichen Elementen 131 zugeordnet, die ausschließlich die definiert aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten TIR-Winkelbereiche zur Detektion zulassen. Über zusätzliche Maßnahmen der Sensorsteuerung zur Einstellung elektronischer Shutterfunktionen (Rolling oder Global Shutter) sind weitere Optimierungen der Bildaufnahmen von Hautabdrücken 21 und sicherheitsrelevanten Dokumenten 3 erreichbar.
Bezugszeichenliste
1 Schichtkörper
11 Auflagefläche
12 Authentifizierungsbereich (Home Button)
13 Sensorschicht
131 lichtempfindliche Elemente
132 Blendenschicht
14 Lichtquelleneinheit
141 Lichtleiterschicht
141’ weitere Lichtleiterschicht
142 LED
143 Vorkollimationsoptik
144 Lichtauskoppelstruktur
145 (eingekürzte) Ecke
146 Streuscheibe
147 (in die Lichtleiterschicht 141 eingekoppeltes) Strahlenbündel
148 Auslesebereich
149 Zwischenbereich
15 erste Adhäsionsschicht
16 zweite Adhäsionsschicht
17 Display
171 Abschlussschicht
172 Substrat
173 Leuchtelementeschicht
18 weitere Adhäsionsschicht
19 Spektralfilterschicht (Bandpass)
2 Finger
21 (aufzunehmender) Hautabdruck
3 Dokument
4 Störlicht
a Lichtleitwinkel (des in Lichtleiterschicht 141 , 141’ geführten Lichts) ß, ß’ Beleuchtungswinkel (an der Auflagefläche 1 1 ) d Austrittswinkel (aus der Lichtleiterschicht 141 ) e, e’ Neigungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur 144) f, f’ Reflexionswinkel (der Lichtauskoppelstruktur 144) y Brechungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur 144)

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper (1 ), der eine Auflagefläche (1 1 ), die durch eine Abschlussschicht (171 ) des Schichtkörpers (1 ) gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display (17) und einer Sensorschicht (13) enthält, wobei die Sensorschicht (13) in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente (131 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Lichtquelleneinheit (14) unterhalb des Displays (17) angeordnet ist, wobei die Lichtquelleneinheit (14) als Lichtleiterschicht (141 ) ausgebildet ist und an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED (142) aufweist,
- die Lichtleiterschicht (141 ) Lichtauskoppelstrukturen (144) aufweist, die auf Basis eines Neigungswinkels e der Lichtauskoppelstrukturen (144) und von Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht (141 ) eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141 ) in Richtung Abschlussschicht (171 ) unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Abschlussschicht (171 ) an der Auflagefläche (1 1 ) beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von < +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21 ) zu erreichen,
- das Display (17) eine definierte Transparenz von wenigstens 1 % des aus der Lichtleiterschicht (141 ) in Richtung der Auflagefläche (1 1 ) ausgekoppelten Lichts aufweist und
- zwischen dem Display (17) und der Lichtleiterschicht (141 ) eine erste Adhäsionsschicht (15) sowie zwischen der Lichtleiterschicht (141 ) und der Sensorschicht (13) eine zweite Adhäsionsschicht (16) vorhanden ist, wobei
- die erste und die zweite Adhäsionsschicht (15, 16) einen gleich großen Brechungsindex aufweisen, der mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht (141 ), des Displays (17) und der Sensorschicht (13) ist, deren Brechungsindizes zwischen 1 ,45 und 2,0 liegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die LED- Lichteinkopplung eine der LED (142) nachgeordnete Vorkollimationsoptik (143) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141 ) aufweist, mit der in einem jeweils in die Lichtleiterschicht (141 ) eingekoppelten Strahlenbündel (147) eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21 ) zu erreichen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorkollimationsoptik (143) ein refraktives optisches Element ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) eine an der Schmalseite der
Lichtleiterschicht (141 ) eingearbeitete Linse ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) innerhalb der Lichtleiterschicht (141 ) in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht (141 ) niedrigerem Brechungsindex ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) in Form einer konvexen oder GRIN-Linse an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141 ) eingearbeitet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs (142) mit Vorkollimationsoptiken (143) entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (141 ) so angeordnet sind, dass Auslesebereiche (148) auf der Auflagefläche (1 1 ) vorhanden sind, in denen sich die Strahlenbündel (147) der LED (142) weder in horizontaler noch in vertikaler Richtung überlagern, in denen Hautabdrücke (21 ) mit hoher örtlicher Auflösung aufnehmbar sind, und weiterhin Zwischenbereiche (149) vorhanden sind, in denen keine Informationen über Hautabdrücke (21 ) vorliegen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Authentifizierungsbereich (12) der Auflagefläche (1 1 ) eine hohe Dichte an Auslesebereichen (148) mit einem Anteil von > 50 % aufweist und für nahezu lückenlose Aufnahmen von Hautabdrücken (21 ) mit hoher örtlicher Auflösung für Authentifikationsanwendungen ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Auflagefläche (1 1 ) eine geringe Dichte von Auslesebereichen (148) mit einem Anteil an Zwischenbereichen (149) von > 50 % aufweist und deshalb lückenhafte Aufnahmen von Hautabdrücken (21 ) mit hoher örtlicher vertikaler und horizontaler Auflösung für niedrige sicherheitsrelevante Anwendungen und die Erfassung von Fingergesten ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine
Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED (142) an einer durch Einkürzung wenigstens einer Ecke (145) der Lichtleiterschicht (141 ) vorhandenen Schmalseite angeordnet ist, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht (141 ) eingekoppelten divergenten Strahlenbündels (147) durch einen wachsenden Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen (144) kompensiert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuscheibe (146) zwischen LED (142) und Lichtleiterschicht (141 ) zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel der Lichtleiterschicht (141 ) angeordnet ist, sodass die Lichtauskoppelstrukturen (144) keinen Lichtabfall an den der eingekürzten Ecke (145) benachbarten Randbereichen der Lichtleiterschicht (141 ) kompensieren müssen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass unter der transparenten Lichtleiterschicht (141 ) eine weitere Lichtleiterschicht (141’) angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht (18) durch einen wie bei der ersten und der zweiten Adhäsionsschicht (15, 16) niedrig gewählten Brechungsindex verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141 ) und die weitere Lichtleiterschicht (141’) eine Lichteinkopplung an zueinander gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers (1 ) aufweisen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lichtleiterschicht (141’) in gleicher Weise wie die Lichtleiterschicht (141 ) zur Richtung der Auflagefläche (11 ) hin auskoppelt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141 ) und die weitere Lichtleiterschicht (141’) die Lichtauskoppelstrukturen (144) in zueinander horizontal versetzten Bereichen der beiden Lichtleiterschichten (141 , 141’) aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem teiltransparenten Display (17) die in einem definierten Raster angeordneten lichtempfindlichen Elemente (131 ) vorhanden sind, die innerhalb des Displays (17) in einer Leuchtelementeschicht (173) eingebracht sind.
17. Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12, mit folgenden Schritten:
- Ausschalten des Displays (17) während der Aufnahme zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke (21 ), um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht (141 ) im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays (17) zu vergrößern,
- Aufnehmen eines ersten Bildes mit der Sensorschicht (13) bei Beleuchtung mit der Lichtleiterschicht (141 ) und Speichern in einem Bildspeicher,
- Analyse des ersten Bildes daraufhin, ob definierte Qualitätskriterien erfüllt sind,
- Aufnehmen eines zweiten Bildes mit der Sensorschicht (13) bei Beleuchtung mit der weiteren Lichtleiterschicht (141’), wenn Qualitätskriterien im ersten Bild nicht erfüllt sind,
- Analyse des zweiten Bildes daraufhin, ob die definierten Qualitätskriterien erfüllt sind, wobei
- das erste Bild im Bildspeicher durch das zweite Bild ersetzt wird, falls die Qualitätskriterien im zweiten Bild erfüllt sind, oder - das zweite Bild mit dem gespeicherten ersten Bild mit einem definierten bekannten Versatz überlagert wird, falls die Qualitätskriterien im zweiten Bild nicht erfüllt sind, und ein hochaufgelöstes fusioniertes Bild gespeichert wird.
18. Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken und Dokumenten (3) unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12, mit folgenden Schritten:
- Ausschalten des Displays (17) während der Aufnahme eines ersten Bildes zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke (21 ), um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht (141 ) im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays (17) zu vergrößern,
- Aufnehmen des ersten Bildes mit der Sensorschicht (13) bei Beleuchtung unter einem für TIR in der Abschlussschicht (171 ) des Displays (17) geeigneten Beleuchtungswinkels ß mit der unter einem Beugungswinkel g auskoppelnden Lichtleiterschicht (141 ) und Speichern des Bildes als Bild des aufgelegten Hautabdruckes (21 ) in einem Bildspeicher und
- Aufnehmen eines zweiten Bildes mit der Sensorschicht (13) bei Beleuchtung mit dem Display (17) zur Aufnahme des Dokuments (3) und Speichern des zweiten Bildes als Bild des aufgelegten Dokuments (3).
- Hierzu 9 Seiten Zeichnungen -
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