DE10163351C1 - Verfahren und Anordnung zur verzerrungsarmen Aufnahme von an einer Kontaktfläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur verzerrungsarmen Aufnahme von an einer Kontaktfläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden IntensitätsmusternInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Aufnahme von an einer Kontaktfläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern, insbesondere zur verzerrungsarmen Aufnahme von relativ großflächigen Finger-, Hand- oder Fußabdrücken oder anderen Hautpartien. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neuartige Möglichkeit zur Aufnahme von an einer Kontaktfläche nach dem Prinzip der gestörten Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern zu finden, die mit einfachen optischen Mitteln die Ausgabe eines hochaufgelösten verzerrungsarmen Abbildes des Intensitätsmusters gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Auflagefläche für das Messobjekt homogen mit einer Lichtquelle unter einem Winkel der Totalreflexion beleuchtet wird, ein Abbild der Auflagefläche als Intensitätsmuster lediglich über ein abbildendes optisches System auf den Bildsensor abgebildet wird, so dass das Abbild auf dem Bildsensor verzerrt, jedoch in allen Bildteilen scharf abgebildet ist und an der Auflagefläche totalreflektiertes Licht der Lichtquelle parallel zur Achse des optischen Systems eintritt, das Abbild der Auflagefläche durch den Bildsensor mit wesentlich mehr Bildelementen (Pixeln) abgetastet wird, als für die gewünschte Auflösung im ausgabeseitigen Endbild des Intensitätsmusters erforderlich sind, und das optoelektronisch gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild mittels Verschiebungs-, Interpolations- und Mittelungsoperationen auf Basis der Erzeugung von zusammengefassten ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Aufnahme von an einer
Kontaktfläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern,
insbesondere zur verzerrungsarmen Aufnahme von relativ großflächigen Finger-,
Hand- oder Fußabdrücken oder anderen Hautpartien.
Bei bekannten Geräten zur Aufnahme von Finger- und Handabdruck-Bildern, die
nach dem Prinzip der inneren Totalreflexion (engl.: total internal reflection - TIR) an
Prismen arbeiten, ist aufgrund einer perspektivischen Abbildung der Auflagefläche,
bei der das Bild des Abdruckes trapezförmig verzerrt und in einer Richtung stark
komprimiert wird, eine Korrektur notwendig, um an allen Stellen im Bild die gleiche
Auflösung und den gleichen Abbildungsmaßstab für die Abbildung einer
vorgegebenen rechteckigen Auflagefläche auf einen (meist quadratischen)
Flächensensor zu erreichen.
Es sind bisher mehrere Möglichkeiten zur Korrektur der vorgenannten Verzerrung
bekannt geworden:
- - Zusätzliche Prismen zur Aufhebung der perspektivischen Verzerrung und Anpassung des Abbildungsmaßstabes in horizontaler und vertikaler Richtung (z. B. US 5,650,842 oder EP 0 308 162 A2),
- - telezentrische Abbildungsoptiken auch im Zusammenwirken mit Zylinderlinsen zur Anpassung des Abbildungsmaßstabes in horizontaler und vertikaler Richtung (z. B. US 5,900,993),
- - holografische Oberflächen (z. B. US 5,892,599),
- - Zylinderlinsensysteme, die sich jedoch wegen ungenügender Korrekturmöglichkeiten für forensische Anwendungen nicht eignen (siehe z. B. Stoltzmann et al. "Versatile anamorphic electronic fingerprinting: Design and manufacturing considerations" SPIE Vol. 2537, Aug. 1995, S. 105-116)
- - entzerrende Multi-Element-Strukturen (z. B. R. T. Hebert: "Off-axis optical elements in integrated, injection-molded assemblies", SPIE, Vol. 2600, Dez. 1995, S. 129- 134).
Geräte mit telezentrischen Abbildungsoptiken sind allgemein lichtschwach und
benötigen deshalb eine stärkere Beleuchtung, hochempfindliche Sensoren oder eine
lange Zeit für die Bildgewinnung und sind damit anfällig für Störungen während der
Bilderfassung. Der unterschiedliche Abbildungsmaßstab in horizontaler und vertikaler
Richtung kann durch den Einsatz von Zylinderlinsen weitgehend korrigiert werden.
Die Zylinderlinsen sind jedoch ebenso wie die für telezentrische Abbildung notwen
digen großen Feldlinsen für die Anwendung bei großen Aufnahmeflächen zu teuer.
Generell sind zylindrische Optiken schwierig herzustellen (und damit teuer) und
können vor allem nicht so gut korrigiert werden, dass der Einsatz für forensische
Zwecke möglich ist.
Die Verwendung von holografischen Oberflächen wie sie z. B. in "Prism fingerprint
sensor that uses a holographic optical element", Applied Optics, Vol. 35, Sept. 1996,
S. 5242-5245, beschrieben wurde, ist ebenfalls nur auf den Einsatz bei kleinen
Aufnahmeflächen, etwa für die Aufnahme von einzelnen Fingerabdrücken geeignet,
da sie mit dem Prisma nur schwierig störstellenfrei zu verbinden sind und die Kosten
des Gerätes in die Höhe treiben.
In wellenleitenden Multi-Element-Strukturen abgeformte Verschiebungs- und Neigungs
optiken (siehe z. B. R. T. Hebert a. a. O.) setzen die Herstellung komplexer optischer
Oberflächen voraus, die schwierig herstellbar und dadurch teuer sind. Auch hier sind
Linsen mit großen Durchmessern erforderlich, um eine akzeptable Lichtstärke des Systems
zu erreichen, und eine restlose Beseitigung der Verzerrung wird nicht erreicht.
Geräte mit Korrekturprismen setzen eine starre Anordnung der Prismen und abbilden
den Optikelemente zueinander voraus, was insbesondere Nachteile für einen Einbau der
Optik in ein vorgegebenes Volumen mit sich bringt. Außerdem sind die Korrekturprismen
im Verhältnis zu Rundoptiken teuer in der Herstellung und haben eine verhältnismäßig
große Masse, die sich nachteilig auf die Gesamtmasse des Gerätes auswirkt. Auftretende
Farbfehler der Anordnung begrenzen zusätzlich die optische Leistungsfähigkeit.
Eine geeignete Anpassung eines solchen Systems für forensische Zwecke ist der
Patentschrift DE 198 04 129 C1 zu entnehmen. Das dort beschriebene Verfahren zur
Gewinnung von Bildinformation über die Oberflächenstruktur einer Handinnenfläche
(oder Teile einer Hand) kompensiert die trapezförmige Verzerrung des Abbildes der
Abtastfläche durch eine anamorphotische Abbildung mit Prismen, wobei jedoch eine
gezielt belassene Höhenstauchung dazu benutzt wird, um die Seitenverhältnisse von
Abtastfläche und Bildsensorfläche aneinander anzupassen. Die Höhenstauchung des vom
Bildsensor abgetasteten Abbildes wird anschließend elektronisch durch Interpolation zur
Wiederherstellung des Seitenverhältnisses der Abtastfläche beseitigt. Nachteilig ist
neben der anamorphotischen Korrekturoptik die abschließende elektronische Inter
polation des Bildes, die nicht vollständig auf realen Pixeldaten des Bildsensors basiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Aufnahme von
an einer Kontaktfläche nach dem Prinzip der gestörten Totalreflexion entstehenden
Intensitätsmustern zu finden, die mit einfachen optischen Mitteln ein hochaufgelöstes
verzerrungsarmes Abbild des Intensitätsmusters erreicht, ohne dass die geforderte
Auflösung der Bildinformation durch Verarbeitungsschritte erzeugt wird, die die
Pixelzahl im Endbild gegenüber der vom Bildsensor ausgelesenen Pixelzahl erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur verzerrungsarmen
Aufnahme von an einer Auflagefläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden
Intensitätsmustern, mit einer Lichtquelle, einem Prisma, das die Auflagefläche
beinhaltet, und einem Bildsensor, wobei die von der Lichtquelle beleuchtete
Auflagefläche auf den Sensor derart abgebildet wird, dass an der Auflagefläche
totalreflektiertes Licht der Lichtquelle, das teilweise durch Kontakt mit anliegenden
Bereichen eines Messobjekts in seiner Totalreflexion gestört ist, als Intensitätsmuster
der Auflagefläche auf den Bildsensor abgebildet wird, dadurch gelöst, dass zur
Abbildung der Auflagefläche auf den Bildsensor lediglich ein herkömmliches
Standardobjektiv vorgesehen ist und der Bildsensor bezüglich der Achse des Objektivs
entgegengesetzt zur Neigung der Auflagefläche geneigt ist, so dass auf dem
Bildsensor ein trapezförmig verzerrtes, aber in allen Bildteilen scharfes Abbild der
Auflagefläche vorhanden ist, dass mit dem Bildsensor eine wesentlich größere Anzahl
von Bildelementen (Pixeln) aufnehmbar ist, als für eine in einem ausgabeseitigen
Endbild geforderte Auflösung notwendig wäre, und somit durch die optoelektro
nische Wandlung ein Überschuss an abgetasteten Bilddaten in Bezug auf das Endbild
vorhanden ist, und dass dem Bildsensor eine Verarbeitungseinheit zur elektronischen
oder rechnerischen Entzerrung der Bilddaten durch Änderung von Pixelschwer
punktdaten auf Basis von Verschiebungsprozessen und/oder Mittelungsoperationen
aus dem Bilddatenüberschuss nachgeordnet ist, wobei infolge der erhöhten Anzahl
der abgetasteten Pixel gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel des Endbildes des
Intensitätsmusters eine verlustarme Entzerrung erfolgt.
Vorteilhaft ist die Auflagefläche, soweit diese in den zwei Dimensionen der Ebene
unterschiedliche Abmessungen hat, eine Längsrichtung und eine Querrichtung
aufweist und die Längsrichtung die größere Abmessung bezeichnet, mit der
Längsrichtung parallel zu einer von einfallendem und reflektiertem Licht
aufgespannten Reflexionsebene ausgerichtet und steht auf der Reflexionsebene
senkrecht, so dass das Abbild der Auflagefläche annähernd eine quadratische Fläche
des Bildsensors ausfüllt, wobei das Abbild der Auflagefläche in Längsrichtung
gestaucht und in der Querrichtung trapezförmig verzerrt auf dem Bildsensor
abgebildet wird.
Dabei weist das vom Bildsensor abgetastete Abbild der Auflagefläche in beiden
Bilddimensionen eine mindestens um den Faktor 1,1 größere Anzahl von Pixeln auf,
als sie für die im entzerrten Endbild gewünschte Auflösung erforderlich ist.
Bei deutlich unterschiedlichen Seitenlängen der Auflagefläche wird vorzugsweise mit
erhöhten Pixelzahlen in einer der Längsrichtung der Auflagefläche zugeordneten
Abtastrichtung bis zu einem Faktor von 1,5 gearbeitet. Dazu ist zweckmäßig mit dem
Bildsensor in einer Dimension seiner Aufnahmefläche, die gegenüber der optischen
Achse des optischen Systems geneigt und der Längsrichtung der Aufnahmefläche
zugeordnet ist, eine höhere Dichte der Pixel abtastbar als in der anderen Dimension.
Für die Realisierung beliebig ausgewählter Abtastdichten des Bildsensors zur Erzielung
ausreichender Pixeldichten im auszugebenden Endbild sind unterschiedlichste
Ausführungsformen des Bildsensors möglich.
In einer ersten vorteilhaften Variante weist der Bildsensor eine lichtempfindliche
Fläche in Form einer Empfängermatrix (56) auf, wobei die Empfängermatrix (56) in
der Dimension, die der Längsrichtung der Auflagefläche zugeordnet ist, eine höhere
Dichte der Pixel aufweist als in der anderen Dimension.
Bei einer zweiten zweckmäßigen Möglichkeit, mit dem Bildsensor zweidimensional
unterschiedliche Pixeldichten abzutasten, weist der Bildsensor eine Empfängermatrix
(56) mit in beiden Dimensionen gleichmäßigen Pixelabständen auf, wobei die
Empfängermatrix (56) zur Realisierung einer Subpixelabtastung mindestens in einer
Dimension, die der Längsrichtung der Auflagefläche zugeordnet ist, um Bruchteile
des Matrixrasters verschiebbar ist.
Dabei ist es in dieser Realisierungsform des Bildsensors von Vorteil, dass die Anzahl
der abgetasteten Pixel des Abbildes bezüglich der Längs- und Querrichtung der
Auflagefläche durch einen zweidimensionalen Microscan-Prozess von
Subpixelabtastungen des Abbildes beliebig einstellbar ist.
Aber auch bei beliebiger Ausführung der Empfängermatrix ist die Anzahl der
abgetasteten Pixel des Abbildes bezüglich der Längs- und Querrichtung der
Auflagefläche zweckmäßig durch einen zweidimensionalen Microscan-Prozess mit
unterschiedlicher Anzahl von Subpixelabtastungen des Abbildes beliebig einstellbar,
wobei eine erhöhte Anzahl von Schritten in der Dimension des Abbildes, die der
Längsrichtung der Auflagefläche zugeordnet ist, an die Stauchung des Abbildes in
dieser Dimension angepasst ist.
Eine dritte vorteilhafte Gestaltung des Bildsensors mit in beiden Flächendimensionen
unterschiedlicher Dichte der Pixel der lichtempfindlichen Fläche besteht darin, dass
der Bildsensor in der Dimension der lichtempfindlichen Fläche, die der Querrichtung
der Auflagefläche zugeordnet ist, eine Empfängerzeile aufweist, wobei die
Empfängerzeile mit einer an die Verkürzung des Abbildes in der Längsrichtung der
Auflagefläche angepassten Abtastschrittweite bewegt wird. Dabei kann die
Empfängerzeile vorzugsweise mit einer an die reale Stauchung des Abbildes
angepassten, sukzessive geänderten Abtastschrittweite bewegt werden, um die
Entzerrung in dieser Dimension vollständig elektronisch, d. h. durch engere, z. T.
überlappende Abtastung und anschließende Speicherung in einem gewöhnlichen,
metrisch organisierten Bildspeicher (mit äquidistanten Pixelorten), auszuführen.
Die Anzahl der vom Bildsensor abgetasteten Pixel des Abbildes, bezogen auf das
Verhältnis von Quer- zu Längsrichtung der Auflagefläche, hat bei den vorgenannten
Varianten des Bildsensors zweckmäßig ein Verhältnis zwischen 0,5 und 1, wobei das
Verhältnis vorzugsweise bei 0,9 liegt.
Zur Anpassung unterschiedlicher Verhältnisse von Längs- zu Querrichtung der
Auflagefläche an das Format der lichtempfindlichen Fläche des Bildsensors sind
vorteilhaft Prismen mit verschiedenen Brechungsindizes einsetzbar, wobei infolge des
Austausches von Prismen mit verschiedenen Brechungsindizes unterschiedliche
Winkel der Totalreflexion an der Auflagefläche und somit unterschiedliche Grade der
Stauchung des Abbildes der Auflagefläche auf dem Bildsensor einstellbar sind.
Um den Platzbedarf für die optische Abbildung der Auflagefläche auf die
lichtempfindliche Fläche des Bildsensors zu minimieren, sind im optischen
Strahlengang zwischen der Auflagefläche des Prismas und dem Bildsensor
zweckmäßig Strahlumlenkelemente zur raumsparenden Faltung des Strahlengangs
vorgesehen.
Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Aufnahme von an einer
Auflagefläche durch gestörte Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern, bei
dem die Totalreflexion an der Auflagefläche (durch Kontakt mit anliegenden
Bereichen eines Messobjekts) teilweise gestört wird, durch folgende Schritten gelöst:
- - homogenes Beleuchten der Auflagefläche mit einer Lichtquelle unter einem Winkel der Totalreflexion,
- - Abbilden der Auflagefläche auf einen Bildsensor derart, dass ein Abbild der Auflagefläche als Intensitätsmuster lediglich über ein herkömmliches Objektiv auf dem Bildsensor erzeugt wird, so dass an der Auflagefläche totalreflektiertes Licht der Lichtquelle in das Objektiv eintritt und das Abbild auf dem Bildsensor verzerrt, jedoch in allen Bildteilen scharf abgebildet wird,
- - Aufnehmen des Abbildes der Auflagefläche durch den Bildsensor mit wesentlich mehr Bildelementen (Pixeln), als für die gewünschte Auflösung im ausgabeseitigen Endbild des Intensitätsmusters erforderlich sind, und
- - Entzerren des optoelektronisch gewandelten, trapezförmig verzerrten Abbildes auf der Basis von Verschiebungsprozessen und/oder Mittelungsoperationen mittels der Erzeugung von zusammengefassten Pixeldaten aus einem Datenüberschuss, der infolge der erhöhten Anzahl von mit dem Bildsensor aufgenommenen Pixeln gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel eines auszugebenden Endbildes vorhanden ist.
Vorteilhaft wird das optoelektronisch gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild
mittels elektronischer Taktverschiebung und Verkämmung von Pixeldatenströmen im
Auslese- und Speicherungsprozess eines Abbildes entzerrt, wobei der aus der
erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln resultierende Datenüberschuss zur
Erzeugung korrigierter Pixelorte benutzt wird. Dabei wird das Abbild vorzugsweise
mit einer Empfängerzeile in unterschiedlich großen Abtastschritten in einer ersten
Dimension des Bildsensors, die zur Achse des optischen Systems geneigt ist,
abgetastet, wobei die Größe der Abtastschritte während einer Abtastung des
kompletten Abbildes der Auflagefläche sukzessive entsprechend der realen
Stauchung des Abbildes geändert wird und das optoelektronisch gewandelte Abbild
durch metrisches, zeilenrichtiges Verkämmen der Datenströme der Pixelreihen und
verändertes Takten der Datenströme von unterschiedlich langen Pixelreihen des
Abbildes zu verdichteten Zeilen mit einheitlicher Pixelzahl elektronisch entzerrt wird.
In einer zweiten vorteilhaften Variante des Verfahrens wird das optoelektronisch
gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild aus dem Datenüberschuss, der infolge der
erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln vorhanden ist, allein mittels
Berechnung von zusammengefassten Pixeldaten, die dem gewünschten Pixelraster
des auszugebenden Endbildes entsprechen, auf Basis von Interpolations- und
Mittelungsoperationen entzerrt. Dabei wird das Abbild der Auflagefläche zur
Erhöhung der Abtastdichte vorteilhaft mit einer Empfängermatrix in beiden
Dimensionen der Matrix in Subpixelschritten abgetastet und das elektronisch
gewandelte Abbild durch elektronisches zeilenrichtiges Verkämmen und
anschließende Berechnung von korrigierten Pixeldaten, die der metrischen Pixelzahl
des gewünschten Endbildes entsprechen und Mittelungen und Interpolationen von
prozentualen Signalanteilen benachbarter Pixel auf Basis einer Pixelzusammenfassung
beinhalten, entzerrt.
Zweckmäßig wird das Abbild dazu in einer Dimension der Empfängermatrix, die
gegenüber der Achse des optischen Systems geneigt ist, enger abgetastet, um eine in
Längsrichtung der Auflagefläche infolge der Stauchung des Abbildes relativ geringere
Abtastdichte teilweise zu kompensieren.
Es ist jedoch auch eine zweidimensional gleichmäßige (n × n)-Subpixelverschiebung
als Abtastmuster der Empfängermatrix ohne Auflösungsverlust anwendbar, wenn die
Abtastdichte entsprechend der Stauchung des Abbildes groß genug gewählt wird
und die Stauchungskompensation allein durch Berechnung der zusammengefassten
Pixel für das Endbild erfolgt.
In einer dritten Ausführung des Verfahrens kann das optoelektronisch gewandelte,
trapezförmig verzerrte Abbild auf Basis des Datenüberschusses, der aus der erhöhten
Anzahl von aufgenommenen Pixeln resultiert, auch mittels einer Kombination aus
elektronischen Verschiebeprozessen und Berechnung von zusammengefassten
Pixeldaten durch rechnerische Interpolations- und Mittelungsoperationen entzerrt
werden.
Vorteilhaft erfolgt das Abtasten des Abbildes in der ersten Dimension, die zur Achse
des optischen Systems geneigt ist, mit einer höheren Dichte der Zeilen einer
Empfängermatrix gegenüber der zweiten Dimension, wobei das Abbild in der
besagten ersten Dimension mindestens zu einem wesentlichen Teil elektronisch (d. h.
durch engere Bildabtastung und Streckung im Wege einer metrischen Speicherung)
gestreckt wird und die vollständige Entzerrung mittels Berechnung von
zusammengefassten Pixeldaten erfolgt. Zur Erreichung unterschiedlicher
Abtastdichten (Pixelzahlen) in den beiden Dimensionen des Abbildes sind sowohl
Empfängermatrizen mit in Spalten- und Zeilenrichtung unterschiedlichem Abstand
der lichtempfindlichen Elemente als auch symmetrische Empfängermatrizen mit
geeigneter Verschiebeeinrichtung für eine (m × n)-Subpixelabtastung sowie eine
mechanisch in Richtung der ersten Dimension bewegte Empfängerzeile verwendbar.
Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass eine optische
Korrektur der Abbildungsverzerrung infolge der schrägen Strahlrichtung nach der
Totalreflexion an der Auflagefläche wegen der benötigten speziellen optischen
Systeme (Prismen und Zylinderoptiken) zuviel Platz benötigt und bezüglich Kosten
und Justage zu aufwendig ist. Deshalb geht die Erfindung von der Modellierung der
verzerrten Abbildung aus, die an sich einfach über eine Zentralprojektion beschrieben
werden und somit - mathematisch einfach berechenbar - zu einer elektronischen
und/oder rechentechnischen Entzerrung des Abbildes der Auflagefläche verwendet
werden kann. Erfindungsgemäß ist demnach lediglich ein in allen Bildteilen scharfes
Abbild der Auflagefläche erforderlich, wobei die Entzerrung des Abbildes erst mit der
Abtastung des Abbildes durch den Bildsensor beginnt. Grundvoraussetzung für die
verlustarme (oder auch "verlustfreie") Entzerrung des Abbildes der Auflagefläche ist
eine ausreichend hoch aufgelöste Abtastung des verzerrten Abbildes der
Auflagefläche, die bei der Entzerrung des Abbildes ausreichend Stützstellen für die
erfindungsgemäßen Interpolations- und Mittelungsoperationen bereitstellt. Dazu sind
an die Abtastdichte bestimmte Mindestanforderungen zu stellen. Bestimmte
Abtastmuster oder geeignete mechanische Voraussetzungen des Bildsensors
(ungleiche Abtastdichten in den beiden Dimensionen des Abbildes) vereinfachen bzw.
verkürzen die Korrekturrechnungen, die im Wesentlichen auf einer
Zusammenfassung von abgetasteten Pixeln des Abbildes beruht, wobei die
Zusammenfassung unter Berücksichtigung des modellierten Verzerrungsmusters und
entsprechend dem Pixelraster, das für die gewünschte Auflösung im auszugebenden
Endbild erforderlich ist, vorgenommen wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, von an einer Kontaktfläche nach dem Prinzip der
gestörten Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern eine Bildaufnahme zu
realisieren, die mit einfachen optischen Mitteln ein hochaufgelöstes,
verzerrungsarmes Abbild des Intensitätsmusters erzeugt. Das Gewicht einer
erfindungsgemäßen Anordnung wird im Wesentlichen nur noch von Prisma, Objektiv,
Bildsensor und mechanischen Verbindungselementen sowie der (gewichtsmäßig
vernachlässigbaren) Auswerteelektronik bestimmt und kann damit auch bei großen
Auflageflächen relativ gering gehalten werden.
Weiterhin ist die Anordnung wegen der fehlenden Notwendigkeit von optischen
Korrekturelementen unempfindlich gegen Dejustierung, so dass sie für forensische
Zwecke zur Identifikation von Hautpartien bestens geeignet ist. Die fehlenden
optischen Korrekturelemente wirken sich außerdem auf die Baugröße der
erfindungsgemäßen Anordnung positiv aus, da der optische Strahlengang zwischen
Prisma und optisch abbildendem System beliebig zur Umlenkung durch Planspiegel
genutzt werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung mit einer rechnerischen
Korrektur eines höhenmäßig gestauchten trapezförmigen Abbildes der
Auflagefläche,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erfindung mit wenigstens teilweiser
elektronischer Korrektur des gestauchten trapezförmigen Abbildes der
Auflagefläche,
Fig. 3 eine Rasterdarstellung des verzerrten Abbildes gegenüber der rechteckigen
Auflagefläche,
Fig. 4 den erfindungsgemäßen Lösungsansatz für die umkehrbar eindeutige
Zuordnung der Pixel des verzerrten Abbildes zu den Pixeln des entzerrten
Endbildes durch Zentralprojektion,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Entzerrung auf Basis der
Zentralprojektion in Richtung der optischen Achse betrachtet, sowie eine
Gegenüberstellung zu herkömmlicher verlustbehafteter Entzerrung,
Fig. 6 eine Variante der Erfindung mit teilweiser elektronischer Entzerrung des
Abbildes durch unterschiedliche Abtastdichten in den beiden Dimensionen
des Bildsensors,
Fig. 7 eine Variante der Erfindung, bei der eine vollständige elektronische
Entzerrung des Abbildes durch ungleichmäßige Abtastdichten in einer
Dimension des Bildsensors und anschließende unterschiedliche Auslesetakte
in der anderen Dimension erfolgt,
Fig. 8 eine Variante der Erfindung mit einer in Mikroscan-Schritten verschobenen
Empfängermatrix zur Realisierung von vollständig rechentechnischer als auch
einer Kombination aus elektronischer und rechnerischer Entzerrung,
Fig. 9 Darstellung der Methodik der rechnerischen Entzerrung durch Interpolation
und Mittelung von Pixelumgebungen anhand eines stark vergrößerten
Flächenelements des verzerrten Abbildes.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht in ihrem Grundaufbau - wie in Fig. 1
dargestellt - aus einer Lichtquelle 1, einem Prisma 2 mit einer Auflagefläche 21, mit
der ein Messobjekt 3 (z. B. die Finger einer Hand oder andere Hautpartien eines
Menschen) in Kontakt gebracht wird, einem optisch abbildenden System,
vorzugsweise einem herkömmlich verfügbaren Objektiv 4, und einem Bildsensor 5.
Das Objektiv 4 erzeugt dabei eine scharfe Abbildung der Auflagefläche 21 unter
einem Winkel der Totalreflexion des von der Lichtquelle 1 kommenden Lichts auf dem
Bildsensor 5. Dem Bildsensor 5 nachgeordnet schließen sich eine
Entzerrungseinrichtung 6 und eine Ausgabeeinheit 7 an.
Fig. 2 zeigt gegenüber Fig. 1 eine speziellere Ausgestaltung, bei der die
Entzerrungseinrichtung 6 mindestens einen Bildspeicher 61, dem bereits eine
elektronische Entzerrungseinheit 62 vorgeordnet ist, und eine rechentechnische
Entzerrungseinheit 63 enthält. Die elektronische Entzerrungseinheit 62 ist dabei eng
mit einer dem Bildsensor 5 zugehörigen Abtast- und Auslese-Einheit 52 (die ggf.
auch Scanmechanismen mit beinhaltet) verknüpft. Dabei kann die
Entzerrungseinrichtung 6 sowohl nur eine elektronische Entzerrungseinheit 62 oder
nur eine rechentechnische Entzerrungseinheit 63 als auch eine aufeinanderfolgende
Kombination beider Einheiten 62 und 63 enthalten. Die für die drei Fälle
notwendigen Voraussetzungen werden unten noch genauer erläutert. Die gezeigte
optische Anordnung enthält das Prisma 2, vorzugsweise ein 90°-Prisma aus BK7, mit
seiner Lichteintrittsfläche 23 gegenüber einer flächenhaften Lichtquelle 1, die aus
speziell für gleichmäßige Ausleuchtung geeigneten breitstrahlenden LEDs 11 sowie
einer Streuscheibe 12 aus Kunststoff besteht, das Objektiv 4, das vorzugsweise ein
Tessar 4,5/50 oder ähnliches für CCD-Anwendungen oder LCD-Projektion geeignetes
Objektiv ist und dessen Modulationsübertragungsfunktion (MTF) so ausgebildet ist,
dass Strukturen in der Größe der lichtempfindlichen Pixel des Sensorarrays mit
mindestens 10% aufgelöst werden, sowie einen Bildsensor 5 mit quadratischer
Sensorfläche wobei ein Pixelraster verwendet wird, welches in x-Richtung dx größer
als in y-Richtung dy ist (wie Fig. 5). Die Auflagefläche 21 des Prismas 2 und die
Lichtaustrittsfläche 22 sind plan und optisch feinpoliert.
Zunächst soll auf die optischen Bedingungen der Bildaufnahme genauer eingegangen
werden.
Damit die Auflagefläche 21 in allen Bildteilen tatsächlich scharf abgebildet wird, sind
die Auflagefläche 21 und der Bildsensor 5 bezüglich der optischen Achse 41 des
Objektivs 4 gegensätzlich geneigt (nach Scheimpflug) angeordnet. Auf dem
Bildsensor 5 entsteht - infolge der an den Kontaktstellen gestörten inneren
Totalreflexion im Prisma 2 - ein Abbild 51 mit hohem Kontrast und hoher Auflösung,
es ist jedoch perspektivisch verzerrt. Das Ergebnis der optisch verzerrten Übertragung
ist ein trapezförmiges, höhenverkürztes, aber scharfes Abbild 51 der Auflagefläche
21, wobei die Höhenverkürzung zweckmäßig bei einer im Wesentlichen rechteckigen
Auflagefläche 21 in der längeren Dimension (nachfolgend erste Dimension in
Längsrichtung der Auflagefläche 21) erfolgt, um das Abbild 51 besser an vorrangig
verfügbare Bildsensoren 5 mit quadratischer oder annähernd quadratischer
lichtempfindlicher Empfängerfläche 53 anzupassen.
Durch eine Veränderung der Neigung der optischen Achse 41 des Objektivs 4 zu der
Auflagefläche 21 des Prismas 2 kann in Abhängigkeit von der Brennweite des
verwendeten Objektivs 4 die perspektivische Verzerrung (Höhenverkürzung des
Abbildes 51 bzw. Längsverkürzung der Auflagefläche 21) verändert werden. Damit
sind die Dimensionen des Abbildes 51 und die Seitenverhältnisse der
lichtempfindlichen Empfängerfläche 53 (innerhalb der durch das Prinzip der
Totalreflexion vorgegebenen Grenzen) aneinander anpassbar. Vorzugsweise ist die
Lichtaustrittsfläche 22 des Prismas 2 so gestaltet, dass diese zur Vermeidung von
Farbfehlern senkrecht auf der optischen Achse 41 steht. Das bedeutet aber auch,
dass das Prisma 2 nicht notwendig ein 90°-Prisma ist.
Andererseits sind aber auch geringe Abweichungen (unter Inkaufnahme eines
Farbfehlers, der mit einer monochromatischen Lichtquelle 1 gering gehalten werden
kann) in Richtung eines größeren Winkels zwischen Auflagefläche 21 und
Lichtaustrittsfläche 22 des Prismas 2 zwecks einer teilweise optischen Entzerrung
(Verringerung der Längsverkürzung) des Abbildes 51 möglich und sinnvoll.
Fig. 3 zeigt links eine rechteckige Vorlage 31 mit einer Breite xV und einer Höhe yV,
die auf die Auflagefläche 21 des Prismas 2 aufgebracht und über das Objektiv 4 auf
den Bildsensor 5 abgebildet wird. Zur Verdeutlichung der Übertragungsfunktion der
Vorlage 31 auf den Bildsensor 5 sind zusätzlich regelmäßige Rasterlinien in der
Vorlage 31 eingezeichnet. Diese zeigen besonders deutlich, dass das rechts in Fig. 3
dargestellte Abbild 51 trapezförmig verzerrt ist mit einer kleineren unteren Breite XBu
und einer größeren oberen Breite xBo sowie einer zusätzlich gestauchten Höhe der
Trapezform in y-Richtung um einen Faktor von ca. 1,4. Dieser Faktor gestattet es,
eine (z. B. zur Aufnahme von Vier-Finger-, vollständigen Hand- oder Fußabdrücken)
zweckmäßige langgestreckte Rechteckform der Auflagefläche 21 an die kommerziell
gängige annähernd quadratische Form der lichtempfindlichen Empfängerfläche 53
anzugleichen, um den Bildsensor 5 möglichst vollständig auszunutzen. Deshalb wird
am Prisma 2 die Ebene der Totalreflexion, die durch die Richtungen von einfallendem
Licht und an der Auflagefläche 21 total reflektiertem Licht aufgespannt wird und in
Fig. 1 und 2 parallel zur Zeichenebene verläuft, vorzugsweise in Richtung der größten
Ausdehnung der Auflagefläche 21 ausgerichtet.
Den Lösungsansatz für die Korrektur der in Fig. 3 dargestellten Verzerrung des
Abbildes 51 gegenüber der Vorlage 31 liefert Fig. 4, die das Schema einer
eindimensionalen Zentralprojektion wiedergibt. Dieser Lösungsansatz wird zur
Entzerrung des Abbildes 51 zweidimensional angewendet. Mit der Annahme eines
Projektionszentrums PZ erhalten alle auf der Empfängerfläche 53 des Bildsensors 5
befindlichen Bildpunkte (Pixel) PBi eine umkehrbar eindeutige (eineindeutige)
Zuordnung zu einem bestimmten Objektpunkt POi. Durch die zweidimensionale
Beschreibung dieses Zusammenhangs mittels mathematischer Matrizen erhält man
eine rechentechnisch gut handhabbare Lösung für die Entzerrung des Abbildes 51.
Da die lichtempfindlichen Elemente 54 des Bildsensors 5 diskret angeordnet sind, ist
es notwendig, während oder nach der Entzerrung mittels Schwerpunktverfahren oder
anderer Verfahren (Interpolations- und Mittelungsverfahren) aus einer Anzahl von
Umgebungspixeln prozentuale Anteile der (dem eingefallenen Licht proportionalen)
Ladungsmengen zu einem Grauwert eines gesuchten diskreten Pixels
(Bildelementfläche) im korrigiert auszugebenden Endbild zu bestimmen, wobei die
Größe der Pixel des Endbildes durch die im Endbild (in der Ausgabeeinheit 7)
gewünschte Auflösung vorgegeben ist.
Damit die Entzerrung des Abbildes 51 "ohne Informationsverlust" erfolgt, d. h. ohne
dass für eine beliebige Flächeneinheit des Endbildes 71 durch Interpolation Pixel
errechnet werden, die durch eine gegenüber dem Endbild 71 geringere Anzahl von
Pixeln pro Flächeneinheit im Abbild 51 gestützt sind, ist gegenüber der gewünschten
Anzahl von Pixeln im Endbild eine wesentlich größere Anzahl von Abtastpunkten im
Abbild 51, d. h. von lichtempfindlichen Elementen 54 des Bildsensors 5, die durch das
Abbild 51 beleuchtet sind, erforderlich. Dies ist insbesondere in Richtung der
Höhenverkürzung des Abbildes 51 bezüglich der Längsrichtung der Auflagefläche 21
notwendig.
Eine eindrucksvolle Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips der verlustarmen
(nach dem mathematischen Prinzip der Zentralprojektion sogar eigentlich
"verlustfreien") Entzerrung zeigt Fig. 5 in Gegenüberstellung zu einer üblichen
verlustbehafteten Entzerrung einer trapezförmigen Verzerrung. Das Prinzip der
rechnerischen Entzerrung gemäß der Erfindung ist - wie der unteren Darstellung von
Fig. 5 zu entnehmen ist - eine die Verzerrung einrechnende, weitere Komprimierung
der aufgenommenen (beleuchteten) Pixel 55 des Abbildes 51 (nachfolgend auch
Bilddaten genannt).
Das bei der Entzerrung angewendete Verfahren kann auch in zwei Schritten erfolgen,
indem erst eine, dann die andere Dimension entzerrt wird. Bei einer "verlustfreien"
Entzerrung geht man davon aus, dass das verzerrte Abbild 51 in beiden Dimensionen
mehr Pixel hat und damit größer als das entzerrte Endbild 71 ist. Durch die eindeutige
Zuordnung von Pixeln im Abbild 51 und im entzerrten Endbild 71 ist es möglich, die
Pixel des verzerrten Abbildes 51 auf die Pixel im Endbild 71 ohne signifikanten Verlust
an benötigter Information zu transformieren, weil im Abbild 51 ein Überschuss an
Information infolge der größeren Abtastdichte vorhanden ist. Bei der herkömmlichen
Entzerrung einer trapezförmigen Verzeichnung, wie sie im oberen Teil der Fig. 5
dargestellt ist, ist die Korrektur verlustbehaftet, da mindestens in Teilen des Abbildes
51 aus einem Pixel im verzerrten Abbild 51 die Information für mehr als ein Pixel im
entzerrten Bild gewonnen wird. Das bedeutet, dass die abgetastete Bildinformation
gedehnt wird und somit nicht jedes Pixel im entzerrten Bild die zur geforderten
Auflösung benötigte definiert diskrete Information trägt.
Die Entzerrung gemäß der Erfindung verläuft konkret nach folgendem Schema:
- - homogenes Beleuchten der Auflagefläche 21 mit einer Lichtquelle 1 unter einem Winkel der Totalreflexion,
- - Abbilden der Auflagefläche 21 auf einen Bildsensor 5 derart, dass ein Abbild der Auflagefläche als Intensitätsmuster lediglich über ein abbildendes optisches System 4 auf dem Bildsensor 5 erzeugt wird so dass das Abbild 51 auf dem Bildsensor 5 verzerrt, jedoch in allen Bildteilen scharf abgebildet ist und an der Auflagefläche 21 totalreflektiertes Licht der Lichtquelle 1 parallel zur optischen Achse 41 des optischen Systems 4 eintritt,
- - Aufnehmen des Abbildes 51 der Auflagefläche 21 durch den Bildsensor mit wesentlich mehr Bildelementen (Pixeln), als für die gewünschte Auflösung im ausgabeseitigen Endbild des Intensitätsmusters erforderlich sind, und
- - Entzerrung des optoelektronisch gewandelten, trapezförmig verzerrten Abbildes 51 mittels Interpolations- und Mittelungsoperationen auf Basis der Erzeugung von zusammengefassten Pixeldaten aus einem Datenüberschuss, der infolge der erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln vorhanden ist.
Das vom Bildsensor 5 aufgenommene Abbild 51 ist je nach Brechzahl des Glases des
Prismas 2, Brennweite des verwendeten abbildenden Objektivs 4 und Neigung der
Auflagefläche 21 zur optischen Achse 41 des Objektiv 4 unterschiedlich stark
gestaucht und trapezförmig verzerrt. Diese Verzerrung der abgebildeten
Auflagefläche 21 wird nachfolgend durch eine optoelektronische und/oder
rechentechnische Entzerrung/Korrektur beseitigt.
Die Verzerrung wird in einem ersten Beispiel - auf Basis der Darstellung von Fig. 6
verdeutlicht - so gewählt, dass durch unterschiedliche Abmessungen der Sensor
elemente 54 des Bildsensors 5 in vertikaler und horizontaler Richtung (oder bei
Sensoranordnungen mit mechanischer Sensorverschiebung durch eine in horizontaler
und vertikaler Richtung unterschiedliche Anzahl von Abtastschritten) diese Verzerrung
mindestens teilweise aufgehoben wird und die Seitenverhältnisse von Auflagefläche
21 und Empfängerfläche 53 optimal aufeinander abgestimmt sind.
Weiterhin wird die Anzahl der Sensorelemente 54 des Bildsensors 5 so gewählt, dass
der Bildsensor 5 mehr Bildpunkte pro Flächeneinheit liefert, als für das korrigierte
(entzerrte) Endbild 71 gefordert wird. Die so erhaltene höhere Informationsdichte ist
für die anschließende elektronische oder rechentechnische Korrektur der Verzerrung
notwendige Voraussetzung, um Informationsverluste zu minimieren bzw. eine
Auflösungsverringerung zu vermeiden. Dazu ist der Bildsensor 5 so gestaltet, dass er
in Richtung der komprimierten ersten Dimension (y-Richtung) des Abbildes 51, die
der Längsausdehnung der Auflagefläche 21 zugeordnet ist, einen geringeren
(Mitten-)Abstand (nachfolgend auch: Pixelraster) dy der Sensorelemente 54 als in der
anderen Richtung mit dem Pixelabstand dx aufweist.
Wird anstelle eines Matrixempfängers ein mechanisch abtastendes System als
äquivalente Bildaufnahmeeinrichtung eingesetzt, so sind in Analogie zur
Matrixabtastung mehr und engere Abtastschritte in y-Richtung auszuführen, so dass
in der mechanisch abgetasteten y-Richtung ein geringeres Pixelraster dy der in
gleicher Weise entsteht.
Die Komprimierung der ersten Dimension (Längsausdehnung) der Aufnahmefläche
21 wird dabei so ausgenutzt, dass beliebige Aufnahmeflächen 21 mit deutlich
ungleichen Seitenlängen auf quadratische oder annähernd quadratische Bildsensoren
5 abgebildet werden können. Selbstverständlich sind auch rechteckige
Sensoranordnungen verwendbar, wenn dabei von vornherein bestimmte Gruppen
von Sensorelementen ungenutzt (unbelichtet) bleiben.
Als besonders geeigneter Bildsensor 5 wird eine CCD-Matrix 56 (SONY, Typ ICX055)
mit 500 × 582 Pixeln und einem Pixelraster von 9.8 × 6.3 µm2 eingesetzt. Es sind
jedoch auch andere CCD- oder CMOS-Matrizen geeignet.
Durch die perspektivische Verzerrung bei der Abbildung wird das Abbild 51 der
Auflagefläche 21 in Längsrichtung etwa um den Faktor 1,4 komprimiert. Das in y-
Richtung kleinere Pixelraster hebt diese Verzerrung teilweise auf, jedoch mit einem
konstanten Faktor. Dadurch bleibt eine Restverzeichnung in y-Richtung erhalten.
Diese muss noch durch nachfolgende rechentechnische Operationen ausgeglichen
werden.
Die Verzeichnung in x-Richtung kann durch elektronische Verfahren beseitigt werden
oder durch rechentechnische Operationen in einem Verfahrensschritt mit der
Restverzeichnung in y-Richtung.
Eine vollständig elektronische Beseitigung der Stauchung des Abbildes 51 in y-
Richtung ist durch die mechanische Abtastung des Abbildes 51 durch eine
Empfängerzeile 55 möglich, wie sie stilisiert in Fig. 7 dargestellt ist. Die
Empfängerzeile 55 hat so viele Pixel, dass mindestens die für das Gesamtsystem
geforderte Auflösung in x-Richtung überall im Endbild 71 unter dem Gesichtspunkt
"verlustfreier" Entzerrung erreicht wird bzw. dass die Abtastung mit einer weitaus
höheren Auflösung erfolgt, um bei der Korrektur durch Interpolations- und
Mittelungsoperationen eine Redundanz der Pixelberechnungen im Endbild 71 zu
erreichen. Dazu ist prinzipiell jede Empfängerzeile 55 mit einer ausreichenden Zahl
von lichtempfindlichen Elementen 54 geeignet, die mindestens 10% mehr Elemente,
als in der entsprechenden Dimension des Endbildes 71 Pixel erforderlich sind,
aufweist. Die Empfängerzeile 55 wird in der Bildebene des Objektivs 4 orthogonal zu
ihrer Längsausdehnung schrittweise oder kontinuierlich verschoben.
Durch die bei der Abbildung auftretende perspektivische Verzerrung wird das Abbild
51 der Auflagefläche 21 orthogonal zur Ausrichtung der Empfängerzeile 55 etwa um
den Faktor 1,4 komprimiert. Dadurch entsteht im Abbild 51 ein Seitenverhältnis
von 1 : 0,77.
Durch eine angepasste Wahl der Abtastschrittweite bei der Bewegung der
Empfängerzeile 55 derart, dass die Abtastschrittweite dy (wie in Fig. 7 dargestellt) von
oben beginnend nach unten mit dy1 < dy2 < dy3 < . . . < dy1 entsprechend dem
Auflösungsverlust durch die perspektivische Verzerrung in y-Richtung immer kleiner
wird, kann im nachgeordneten Bildspeicher 61 infolge der Fiktion eines
gleichmäßigen Pixelrasters die perspektivische Verzerrung in y-Richtung bereits in
einfacher Weise komplett aufgehoben werden. Diese Vorgehensweise entspricht der
weiter oben bereits mehrfach angesprochenen "vollständig elektronischen"
Entzerrung in einer ersten Dimension (y-Richtung).
Wird eine kontinuierlich in y-Richtung bewegte Empfängerzeile 55 verwendet, wird
sinngemäß die Bewegungsgeschwindigkeit angepasst.
Im Ergebnis dieser speziellen mechanischen Abtastprozedur entsteht ein Abbild 51,
welches in y-Richtung komplett entzerrt, jedoch in x-Richtung in Abhängigkeit von
der y-Position noch unterschiedlich stark verzerrt ist. Diese Verzerrung in x-Richtung
wird anschließend vollständig und quasi verlustfrei beseitigt entweder durch
elektronische Korrektur oder - wie weiter unten (zu Fig. 9) näher beschrieben -
rechentechnische Operationen in Form einer mathematischen Zuordnung einer
größeren Zahl von Pixeln auf eine kleinere Pixelzahl des Endbildes 71.
Die vorstehend erwähnte elektronische Korrektur in Zeilenrichtung (x-Richtung) der
Empfängerzeile 55 verwendet das analoge Ausgangssignal der Empfängerzeile 55,
dem durch Taktung bei Originalbeschaltung eine bestimmte Pixelzuordnung
zugewiesen ist. Auf Basis des Datenüberschusses infolge der deutlich größer
gewählten Anzahl der lichtempfindlichen Elemente 54 der Empfängerzeile 55
gegenüber der geforderten Pixelzahl (Auflösung) im Endbild 71 wird das analoge
Ausgangssignal in Kenntnis der Größe der trapezförmigen Verzerrung (gemäß der
Modellierung des Abbildungsprozesses nach Fig. 4) je Zeilenauslesung der
Empfängerzeile 55 einer neuen Taktung unterworfen, deren Taktfrequenz zu der im
Endbild 71 gewünschten Pixelzahl führt. Das Ergebnis ist dann ein komplett
elektronisch entzerrtes Bild mit voller Bildqualität der abgebildeten Auflagefläche 21.
Im folgenden Beispiel wird auf die Beschreibung einer elektronischen Entzerrung
durch unterschiedliche Abtastdichten in den unterschiedlichen Bilddimensionen
verzichtet, obwohl diese im Wege unterschiedlicher Pixelraster implizit enthalten sein
kann. Beschrieben wird eine Subpixelabtastung gemäß Fig. 8, wobei ein n × n-
Mikroscan in seiner Anwendung im Sinne der erfindungsgemäßen Bildentzerrung
angenommen wird.
Als Bildsensor 5 wird eine CCD-Matrix 56 mit 1300 × 1030 quadratischen Pixeln und
einem Pixelraster von 6.7 × 6.7 µm2 (z. B. SONY, Typ ICX085AL oder eine andere
geeignete CCD- oder CMOS-Matrix) eingesetzt. Die in Fig. 6 schematisch dargestellte
Matrix 56, die lichtempfindliche Elemente 54 in einem Feld von 8,71 × 6,9 mm2
aufweist, wird so angeordnet, dass die kurze Seitenlänge der gestauchten ersten
Dimension (y-Richtung) des Abbildes 51 (siehe Fig. 2: in der Zeichenebene sichtbare
Ausdehnung des Abbildes 51) zugeordnet wird.
Bei einer Auflagefläche von 78 × 86 mm2 wird durch das Objektiv 4 und die
auftretende perspektivische Verzerrung das trapezförmige Abbild 51 mit einem
umschreibenden Rechteck von 8.71 × 6.86 mm2 auf die Matrix 56 abgebildet,
welches dem Feld der lichtempfindlichen Elemente 54 auf der Matrix 56 nahezu
entspricht. Durch die Abbildung wird damit aus der Auflagefläche 21 mit einem
Seitenverhältnis von etwa 1 : 1,1 wird ein Abbild 51, das die Matrix 56 mit einem
Seitenverhältnis von 1 : 0,79 voll ausnutzt.
Die meist für forensische Anwendungen geforderte Auflösung von mindestens 500 dpi
für das Endbild 71 der Auflagefläche 21 kann mit einer solchen Anordnung nur
erreicht werden, wenn die Matrix 56 wenigstens mit einem (2 × 2)-Mikroscan mit
der Schrittweite von ½ Pixelabstand (hier 3,35 µm) in beiden Richtungen bewegt wird
(wie in Fig. 2 durch Pfeile am Bildsensor 5 angegeben, wobei die Bewegung in y-
Richtung wie sichtbar und in x-Richtung senkrecht zur Zeichenebene erfolgt).
Fig. 8 zeigt in ihren fünf Teilabbildungen zunächst vier im Quadrat angeordnete
(bezüglich der Pixelzahl) reduzierte Darstellungen der Abtastschritte eines (2 × 2)-
Mikroscans sowie unterhalb eine Strichlinie das verkämmte Ergebnisbild 63. Die in
vier unterschiedlichen Positionen erhaltenen Teilbilder 62, die durch unterschiedliche
Füllungen der lichtempfindlichen Elemente 54 gekennzeichnet sind, werden
anschließend im Bildspeicher 61 verkämmt zu einem (noch immer trapezförmig
verzerrten) Ergebnisbild 63 mit 2600 × 2060 Pixeln, wie es unterhalb der vier
Teilbilder 62, getrennt durch eine gestrichelte Linie, vereinfacht dargestellt ist. Damit
wird die Bildfläche des Abbildes 51 enger (hier: lückenlos) abgetastet, d. h. die
Auflösung im Abbild 51 erhöht.
Dieses trapezförmig verzerrte Ergebnisbild 63 wird mit einem vorher ermittelten
Korrekturparametersatz rechentechnisch in der Entzerrungseinheit 6 (siehe Fig. 1)
entzerrt. Bei einer geforderten Auflösung von 500 dpi entsteht ein korrigiertes
Endbild 71 mit ca. 1535 × 1690 Pixeln, das in der Ausgabeeinheit 7 zur weiteren
Verwendung (z. B. Personenidentifikation, forensische Personenkartei etc.) zur
Verfügung steht. Durch die (1,69 × 1,22)-fache Anzahl von Pixeln im trapezförmig
verzerrten verkämmten Ergebnisbild 63 gegenüber der notwendigen Pixelzahl im
korrigierten Endbild 71 ist der notwendige Datenüberschuss vorhanden, um eine
bezüglich der geforderten Auflösung (z. B. 500 dpi) quasi verlustfreie Transformation
durchführen zu können.
Die dazu anzuwendende mathematisch durch Zentralprojektion modellierte
rechentechnische Entzerrung (nachfolgend mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben) kann
mit der bereits in den vorstehenden Beispielen beschriebenen elektronischen
Verfahrensweise kombiniert oder ergänzt werden.
Anhand von Fig. 8 soll die Entstehung eines verkämmten Ergebnisbildes 63 durch
Subpixelabtastung am Beispiel des (2 × 2)-Mikroscans erläutert werden. In der
linken oberen Darstellung ist ein Ausschnitt der Matrix 56 mit neun
lichtempfindlichen Elementen 54 dargestellt, wobei letztere einen Mittenabstand
(Pixelraster) dx und dy haben. Es wird ein erstes Teilbild 62 eingezogen (abgetastet),
das in der links oben als "1. Abtastposition" bezeichneten Darstellung von Fig. 8 als
Signalwerte (Daten) der neun gezeigten Pixelflächen aufzufassen ist. Die Matrix 56
wird danach durch mechanische Verschiebung aus der 1. Abtastposition um dx/2 in
eine 2. Abtastposition verschoben (Teilbild 62 oben rechts). Dadurch werden die
lichtempfindlichen Elemente 54 in einen vorher lichtunempfindlichen Bereich
geschoben und ein zweites Teilbild 62 in Form von neuen Signalwerten (Daten) in
veränderter Position eingezogen, die durch schraffiert ausgefüllten lichtempfindlichen
Elemente 45 dargestellt sind. Die Zusammenschau der Ausgangsposition der Matrix
56 mit den Daten aus dem zweiten Abtastschritt ergibt eine doppelte Auflösung in
Zeilenrichtung (hier: lückenlose Abtastung). Die Auflösungsvergrößerung lässt sich in
Spaltenrichtung analog erzeugen (Teilbilder 62 für den 3. und 4. Abtastschritt) und
wird in Fig. 8 in der mittleren rechten und mittleren linken Darstellung verdeutlicht,
wobei die rechte Darstellung den 3. Abtastschritt und die linke den abschießenden 4.
Abtastschritt darstellt. Die Zusammenschau des 4. Abtastschrittes mit der
Ausgangsposition der Matrix 56 weist wiederum deutlich die verdoppelte Auflösung
in y-Richtung aus.
Das in Fig. 8 unten dargestellte verkämmte Ergebnisbild 63, das beim (2 × 2)-
Mikroscan mit lichtäquivalenten Signalwerten (Daten) gemäß den unterschiedlich
markierten lichtempfindliche Flächen 54 aus den vier Positionen der Teilbilder 62:
1. Abtastschritt: ohne Schraffur,
2. Abtastschritt: schräg nach links schraffiert,
3. Abtastschritt: Karostruktur,
4. Abtastschritt: schräg nach rechts schraffiert
zeilen- und spaltenrichtig zusammengesetzt wird, hat in beiden Richtungen die doppelte Auflösung gegenüber der Auslesung einer nicht mit Mikroscanschritten bewegten Matrix 56.
1. Abtastschritt: ohne Schraffur,
2. Abtastschritt: schräg nach links schraffiert,
3. Abtastschritt: Karostruktur,
4. Abtastschritt: schräg nach rechts schraffiert
zeilen- und spaltenrichtig zusammengesetzt wird, hat in beiden Richtungen die doppelte Auflösung gegenüber der Auslesung einer nicht mit Mikroscanschritten bewegten Matrix 56.
Die Auflösung kann auch bei Bedarf durch Verschiebung der Matrix 56 in 3, 4, n
Schritten um x/3, x/4, . . ., x/n, bzw. in 3, 4, . . ., m Schritten um y/3, y/4, . . ., y/m in
Abhängigkeit vom Verhältnis von lichtempfindlichen und lichtunempfindlichen
Flächen weiter erhöht werden.
Deshalb soll noch gesondert auf eine bevorzugt anzuwendende Ausführung der
Subpixelabtastung in Form eines (n × m)-Mikroscans eingegangen werden.
In diesem Beispiel soll von einer Auflagefläche 21 mit den Abmessungen 130 × 143 mm2
ausgegangen werden. Diese wird (mit Bezug auf Fig. 2) über das bereits oben
näher bezeichnete Objektiv 4 (Tessar 4,5/50) in ein trapezförmig verzerrtes Abbild 51
mit einem umschreibenden Rechteck von 8,71 × 6,84 mm2 auf den Bildsensor 5
abgebildet, wobei das das Abbild 51 umschreibende Rechteck nahezu die verfügbare
Fläche der lichtempfindlichen Elemente 54 der Matrix 56 ausfüllt. Die Auflagefläche
21 mit einem Seitenverhältnis von 1 : 1,1 wird somit über die optische Abbildung des
Objektivs 4 in ein Abbild 51 umgewandelt, das die Matrix 56 mit einem
Seitenverhältnis von 1 : 0,79 optimal ausnutzt.
Als Bildsensor 5 wird wiederum eine CCD-Matrix 56 (z. B. SONY, Typ ICX085AL oder
eine andere geeignete CCD- oder CMOS-Matrix) mit 1300 × 1030 quadratischen
lichtempfindlichen Elementen 54 und einem Pixelraster von 6,7 × 6,7 µm2 eingesetzt.
Die Matrix 56 wird - wie beim (n × n)-Mikroscan - mit der kurzen Seitenlänge in
Richtung der Stauchung (Höhenverkürzung) des Abbildes 51 (d. h. in y-Richtung)
ausgerichtet. Eine geforderte Auflösung von 500 dpi im korrigierten Endbild 71 kann
mit einer solchen Anordnung aus dem verzerrten Abbild 51 nur erreicht werden,
wenn die Matrix 56 (mindestens) mit einem 3 × 4 Mikroscan mit einer Schrittweite
von 1/3 Pixelabstand (hier 2,233 µm) in jeweils drei Schritten in x-Richtung und mit
einer Schrittweite von ¼ Pixelabstand (hier 1,675 µm) jeweils vier Schritten in y-
Richtung bewegt wird. Prinzipiell wird auf die Vorgehensweise von Fig. 8 Bezug
genommen, wobei die Anzahl der Mikroscan-Abtastschritte auf insgesamt zwölf
ansteigt und vorzugsweise ein mäanderförmiges Verschiebungsmuster angewendet
wird. Die so in zwölf Positionen erhaltenen Teilbilder 62 weisen im Unterschied zu
dem in Fig. 8 gezeigten Abtastmuster des (2 × 2)-Mikroscans jeweils Überlappungen
der einzeln abgetasteten Teilbilder 62 auf, so dass die Informationsgewinnung zu
einer höheren Auflösung (einem größeren Datenüberschuss) gegenüber dem obigen
(2 × 2)-Scan führt. Dabei ist die in y-Richtung noch größere Abtastdichte deshalb
notwendig um die Stauchung des Abbildes 51 ohne Informationsverlust entzerren zu
können. Die einzelnen Teilbilder 62 werden im Bildspeicher 61 zeilen- und
spaltenrichtig verkämmt, wobei sich durch die größere Anzahl von Abtastschritten in
y-Richtung schon eine teilweise Entzerrung (analog der zu Fig. 6 beschrieben
teilweisen Streckung in y-Richtung) ergibt. Infolge der Verkämmung der Teilbilder 62
entsteht im Bildspeicher 61 ein noch immer trapezförmig verzerrtes Ergebnisbild 63
aus ca. 3900 × 4120 Pixeln.
Dieses (infolge der Subpixelabtastung des Abbildes 51) hochaufgelöste Ergebnisbild
63 wird nun mit einem vorher ermittelten Korrekturparametersatz entzerrt. Bei einer
geforderten Auflösung von 500 dpi muss das korrigierte Endbild 71 aus 2560 × 2815
Pixeln bestehen. Durch die (1,52 × 1,46)-fache Anzahl von Pixeln im verkämmten
Ergebnisbild 63 gegenüber der notwendigen Pixelzahl im korrigierten (entzerrten)
Endbild 71 ist ein hinreichend großer Informationsüberschuss vorhanden, um eine
bezüglich der gewünschten Auflösung quasi verlustfreie Transformation durchführen
zu können.
Die trapezförmige Verzerrung lässt sich gut mathematisch erfassen und durch die
Wahl eines geeigneten Korrekturparametersatzes durch Bildverarbeitungsalgorithmen
einfach korrigieren. Dabei liegt die in Fig. 4 eindimensional skizzierte
Zentralprojektion zur Erstellung des Parametersatzes zugrunde. Die rechentechnische
Korrektur bietet den Vorteil einer hohen Flexibilität und die Möglichkeit durch eine
einfache Änderung des Parametersatzes jede beliebige Paarung der Größen von
Prismen 2 und Bildsensoren 5 zu korrigieren und ein Endbild 71 mit gewünschter
Auflösung in der Ausgabeeinheit 7 auszugeben. Die vorhandene Verzerrung des nach
dem Mikroscan verkämmten Ergebnisbildes 63 kann durch elektronische und/oder
rechentechnische Operationen mit sehr geringem Verlust an Bildinformation anhand
eines Korrekturparametersatz erfolgen, der entweder für eine ganze Serie von
Geräten (mit gleicher optischer Konfiguration) oder bei sehr hohen Anforderungen
an die Geometrietreue für jedes einzelne Gerät ermittelt wird. Der
Korrekturparametersatz wird durch Auflegen einer genau bekannten Vorlage 31 (z. B.
analog zu Fig. 3) und Messung der Verzerrung im nicht korrigierten Abbild 51 exakt
ermittelt, d. h. für jedes Gerät kalibriert.
Fig. 9 soll den Vorgang der Interpolations- und Mittelungsoperationen aus dem
Datenüberschuss noch einmal näher erläutern. Dargestellt ist das regelmäßige
Ablagemuster eines vom Bildsensor 5 bereitgestelltes, ggf. durch einen Mikroscan
höher aufgelöstes zeilen- und spaltenrichtig verkämmtes Ergebnisbild 63. Ob durch
den Abtastprozess und die nachfolgende Zwischenspeicherung im Bildspeicher 61
schon eine teilweise Entzerrung stattgefunden hat, kann außer Betracht bleiben,
solange die Korrektur (Entzerrung) nicht vollständig erfolgt ist. Der gezeichnete
Ausschnitt von sechzehn Pixeln, die auf Grundlage ihrer metrischen Lage der
Abtastpunkte geordnet im Bildspeicher 61 abgelegt worden sind, enthält die obere
linke Ecke des abgetasteten Abbildes 51 der Auflagefläche 21. Die scharfe
Begrenzung des Abbildes 51 dient lediglich der vereinfachten Darstellung. Tatsächlich
werden die Pixel P12 bis P14 sowie P22 bis P42 ein kleineres Signal (der aufgenommenen
Intensität) beinhalten und somit gleitend den Rand des Abbildes 51 anzeigen. Dazu
sind im Stand der Technik hinreichend viele Algorithmen zur Kantendetektion
bekannt. Mit dem oben erwähnten Prinzip der Zentralprojektion und unter Nutzung
von Kalibrierungsvorlagen 31 ist aus dem Umriss des Abbildes 51 (und ggf. einigen
zusätzlichen Merkmalen der Kalibrierungsvorlage 31) ein Verteilungsmuster der für
die gewünschte Auflösung im Endbild 71 erforderlichen Anzahl und Lage
(einschließlich der Form infolge der Verzerrung) mathematisch einfach bestimmbar.
Fig. 9 zeigt als schraffierte Fläche ein so bestimmtes Pixel zur Zusammenfassung der
dafür zu nutzenden Information (Pixeldaten) aus dem im Bildspeicher 61 abgelegten
Ergebnisbild 63, das bereits zeilen- und spaltenrichtig verkämmt ist. Die Information
des schraffiert dargestellten korrigierten Pixels 72 im Endbild 71 wird nun
entsprechend den Flächenanteilen der beteiligten Pixel P12 bis P14, P22 bis P24
und P32 bis P34 des zwischengespeicherten Ergebnisbildes 63 durch Mittelungs
operationen der gespeicherten Pixeldaten sowie eine Interpolation des
Pixelschwerpunkts bestimmt.
Die nicht für die Gewinnung des Endbildes 71 notwendigen Pixel des Ergebnisbildes
63, d. h. nicht vom trapezförmigen Abbild 51 belichtete Randpixel, können zur
Übertragung zusätzlicher optischer oder Verarbeitungsinformationen genutzt
werden. Bezüglich der Darstellung von Fig. 9 wären das z. B. die Pixel P31 und P41.
Mit der oben beschriebenen Vorgehensweise der Behandlung optisch nicht
korrigierter Abbilder 51 der Auflagefläche 21 allein durch elektronische und
rechentechnische Entzerrung sind schwere und in komplizierten Justierfassungen
gehalterte optische Korrekturelemente in der erfindungsgemäßen Anordnung
vollkommen entbehrlich. Das Gewicht einer Anordnung gemäß den Fig. 1 oder 2
wird im Wesentlichen nur noch von Prisma 2, Objektiv 4, Bildsensor 5, von
mechanischen Verbindungselementen (nicht dargestellt) sowie der (an sich leichten)
Auswerteelektronik bestimmt und kann damit auch bei großen Auflageflächen 21
relativ gering gehalten werden.
Die Anordnung ist unempfindlicher gegen Dejustierung, weil die genaue Justierung
einer Vielzahl von Abbildungs- und Korrekturelementen nicht mehr notwendig ist.
Nachjustierungen geschehen stets durch Anpassung des verwendeten
Korrekturparametersatzes elektronisch und rechentechnisch.
Da zwischen Prisma 2 und Objektiv 4 kein weiteres optisches Bauelement positioniert
werden muss, kann der Strahlengang in diesem Bereich durch Planspiegel beliebig
umgelenkt werden, um eine geringe Baugröße oder den Einbau in ein vorgegebenes
Volumen besser zu realisieren.
1
Lichtquelle
11
LED
12
Steuscheibe
2
Prisma
21
Auflagefläche
22
Lichtaustrittsfläche
23
Lichteintrittsfläche
3
Messobjekt
31
Vorlage
4
Objektiv
41
optische Achse
5
Bildsensor
51
Abbild (der Auflagefläche)
52
Abtast- und Auslese-Einheit
53
Empfängerfläche
54
lichtempfindliche Elemente
55
Zeilenempfänger
56
Matrix
6
Entzerrungseinrichtung
61
Bildspeicher
62
elektronische Entzerrungseinheit
63
rechentechnische
7
Ausgabeeinheit
71
(korrigiertes) Endbild
72
korrigiertes Pixel
Claims (27)
1. Anordnung zur verzerrungsarmen Aufnahme von an einer Auflagefläche durch
gestörte Totalreflexion entstehenden Intensitätsmustern, mit einer Lichtquelle,
einem Prisma, das die Auflagefläche beinhaltet, und einem Bildsensor, wobei die
von der Lichtquelle beleuchtete Auflagefläche auf den Sensor derart abgebildet
wird, dass an der Auflagefläche totalreflektiertes Licht der Lichtquelle, das
teilweise durch Kontakt mit anliegenden Bereichen eines Messobjekts in seiner
Totalreflexion gestört ist, als Intensitätsmuster der Auflagefläche auf den
Bildsensor abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Abbildung der Auflagefläche (21) auf den Bildsensor (5) lediglich ein herkömmliches Objektiv (4) vorgesehen ist und der Bildsensor (5) bezüglich der Achse (41) des Objektivs (4) entgegengesetzt zur Neigung der Auflagefläche (21) geneigt ist, so dass auf dem Bildsensor (5) ein verzerrtes, aber in allen Bildteilen scharfes Abbild (51) der Auflagefläche (21) vorhanden ist,
mit dem Bildsensor (5) eine wesentlich größere Anzahl von Bildelementen (Pixeln) aufnehmbar ist, als sie für eine in einem ausgabeseitigen Endbild (71) des Intensitätsmusters geforderte Auflösung notwendig wäre, und somit durch die optoelektronische Wandlung ein Überschuss an abgetasteten Bilddaten in Bezug auf das Endbild (71) vorhanden ist, und
dem Bildsensor (5) eine Verarbeitungseinheit (6) zur elektronischen oder rechnerischen Entzerrung der Bilddaten durch Änderung von Pixelschwer punktdaten auf Basis von Verschiebungsprozessen und/oder Mittelungsopera tionen aus dem Datenüberschuss nachgeordnet ist, wobei infolge der erhöhten Anzahl der abgetasteten Pixel gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel des Endbildes (71) des Intensitätsmusters eine verlustarme Entzerrung erfolgt.
zur Abbildung der Auflagefläche (21) auf den Bildsensor (5) lediglich ein herkömmliches Objektiv (4) vorgesehen ist und der Bildsensor (5) bezüglich der Achse (41) des Objektivs (4) entgegengesetzt zur Neigung der Auflagefläche (21) geneigt ist, so dass auf dem Bildsensor (5) ein verzerrtes, aber in allen Bildteilen scharfes Abbild (51) der Auflagefläche (21) vorhanden ist,
mit dem Bildsensor (5) eine wesentlich größere Anzahl von Bildelementen (Pixeln) aufnehmbar ist, als sie für eine in einem ausgabeseitigen Endbild (71) des Intensitätsmusters geforderte Auflösung notwendig wäre, und somit durch die optoelektronische Wandlung ein Überschuss an abgetasteten Bilddaten in Bezug auf das Endbild (71) vorhanden ist, und
dem Bildsensor (5) eine Verarbeitungseinheit (6) zur elektronischen oder rechnerischen Entzerrung der Bilddaten durch Änderung von Pixelschwer punktdaten auf Basis von Verschiebungsprozessen und/oder Mittelungsopera tionen aus dem Datenüberschuss nachgeordnet ist, wobei infolge der erhöhten Anzahl der abgetasteten Pixel gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel des Endbildes (71) des Intensitätsmusters eine verlustarme Entzerrung erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Auflagefläche (21), soweit diese in den zwei Dimensionen der Ebene
unterschiedliche Abmessungen hat, eine Längsrichtung und eine Querrichtung
aufweist und die Längsrichtung die größere Abmessung bezeichnet, mit der
Längsrichtung parallel zu einer von einfallendem und reflektiertem Licht
aufgespannten Reflexionsebene ausgerichtet ist und auf der Reflexionsebene
senkrecht steht, so dass das Abbild (51) der Auflagefläche (21) eine annähernd
quadratische Fläche des Bildsensors (5) ausfüllt, wobei das Abbild (51) der
Auflagefläche (21) in Längsrichtung gestaucht und in der Querrichtung
trapezförmig verzerrt auf dem Bildsensor (5) abgebildet wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das abgetastete Abbild (51) der Auflagefläche (21) eine in beiden Dimensionen
mindestens um den Faktor 1,1 größere Anzahl von Pixeln aufweist, als sie für die
im entzerrten Endbild (71) gewünschte Auflösung erforderlich ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Bildsensor (5) in einer Dimension seiner Empfängerfläche (53), die
gegenüber der optischen Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt und der
Längsrichtung der Auflagefläche (21) zugeordnet ist, eine höhere Dichte der Pixel
abtastbar ist als in der anderen Dimension.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bildsensor (5) eine lichtempfindliche Empfängerfläche (53) mit in beiden
Dimensionen unterschiedlicher Dichte der lichtempfindlichen Elemente (54)
aufweist, wobei die Empfängerfläche (53) eine Matrix (56) ist und in einer
Dimension, die der Längsrichtung der Auflagefläche (21) zugeordnet ist, eine
höhere Dichte der lichtempfindlichen Elemente (54) aufweist als in der anderen
Dimension.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bildsensor (5) eine Empfängerfläche (53) mit in beiden Dimensionen
gleichmäßigen Pixelabständen aufweist, wobei die Empfängerfläche (53) eine
Matrix (56) ist und mindestens in einer Dimension, die der Längsrichtung der
Auflagefläche (21) zugeordnet ist, um Bruchteile des Matrixrasters (dx; dy)
verschiebbar ist, um mindestens eine Subpixelabtastung in dieser Dimension
auszuführen.
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der abgetasteten Pixel des Abbildes (51) bezüglich der Längs- und
Querrichtung der Auflagefläche (21) durch einen zweidimensionalen Microscan-
Prozess in der Anzahl von Subpixelabtastungen des Abbildes (51) beliebig
einstellbar ist.
8. Anordnung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der abgetasteten Pixel des Abbildes (51) bezüglich der Längs- und
Querrichtung der Auflagefläche (21) durch einen zweidimensionalen Microscan-
Prozess mit unterschiedlicher Anzahl von Subpixelabtastungen des Abbildes (51)
beliebig einstellbar ist, wobei eine erhöhte Anzahl von Abtastschritten in der
Dimension des Abbildes (51), die der Längsrichtung der Auflagefläche (21)
zugeordnet ist, an die Stauchung des Abbildes (51) in dieser Dimension angepasst ist.
9. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bildsensor (5) eine Empfängerfläche (53) mit in beiden Dimensionen
unterschiedlicher Dichte der lichtempfindlichen Elemente (54) aufweist, wobei in
der Dimension der Empfängerfläche (53), die der Querrichtung der Auflagefläche
(21) zugeordnet ist, eine Empfängerzeile (55) angeordnet ist und in der Dimension,
die der Längsrichtung der Auflagefläche (21) zugeordnet ist, die Empfängerzeile
(55) mit einer an die Verkürzung des Abbildes (51) in der Längsrichtung der
Auflagefläche (21) angepassten Abtastschrittweite bewegt wird.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Empfängerzeile (55) mit einer an die reale Stauchung des Abbildes (51)
angepassten, sukzessive verkürzten Abtastschrittweite bewegt wird.
11. Anordnung nach Anspruch 4, 5, 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der vom Bildsensor (5) abgetasteten Pixel des Abbildes (51), bezogen
auf das Verhältnis von Quer- zu Längsrichtung der Auflagefläche (21), ein
Verhältnis zwischen 0,5 und 1 aufweist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Anpassung unterschiedlicher Verhältnisse von Längs- zu Querrichtung der
Auflagefläche an das Format der Empfängerfläche (53) des Bildsensors (5) Prismen
(2) mit verschiedenem Brechungsindex vorgesehen sind, wobei infolge
verschiedener Brechungsindizes von ausgewählten Prismen (2) unterschiedliche
Winkel der Totalreflexion an der Auflagefläche (21) und somit ein unterschiedlicher
Grad der Stauchung des Abbildes (51) der Auflagefläche (21) auf dem Bildsensor
(5) einstellbar ist.
13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
im optischen Strahlengang zwischen der Auflagefläche (21) des Prismas (2) und
dem Bildsensor (5) Strahlumlenkelemente zur raumsparenden Faltung des
Strahlengangs vorgesehen sind.
14. Verfahren zur Aufnahme von an einer Auflagefläche durch gestörte Totalreflexion
entstehenden Intensitätsmustern, bei dem die Totalreflexion an der Auflagefläche
(durch Kontakt mit anliegenden Bereichen eines Messobjekts) teilweise gestört
wird, mit folgenden Schritten:
- - homogenes Beleuchten der Auflagefläche (21) mit einer Lichtquelle (1) unter einem Winkel der Totalreflexion,
- - Abbilden der Auflagefläche (21) auf einen Bildsensor (5) derart, dass ein Abbild (51) der Auflagefläche (21) als Intensitätsmuster lediglich über ein herkömm liches Objektiv (4) auf dem Bildsensor (5) erzeugt wird, so dass an der Auflage fläche (21) totalreflektiertes Licht der Lichtquelle (1) in das Objektiv (4) eintritt und das Abbild (51) auf dem Bildsensor (5) verzerrt, jedoch in allen Bildteilen scharf abgebildet wird,
- - Aufnehmen des Abbildes (51) der Auflagefläche (21) durch den Bildsensor (5) mit wesentlich mehr Bildelementen (Pixeln), als für die gewünschte Auflösung im ausgabeseitigen Endbild (71) des Intensitätsmusters erforderlich sind, und
- - Entzerrung des optoelektronisch gewandelten, trapezförmig verzerrten Abbildes (51) auf der Basis von Verschiebungsprozessen und/oder Mittelungsoperationen mittels der Erzeugung von zusammengefassten Pixeldaten aus einem Datenüberschuss, der infolge der erhöhten Anzahl von mit dem Bildsensor aufgenommenen Pixeln gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel eines auszugebenden Endbildes (71) vorhanden ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das optoelektronisch gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild (51) mittels
elektronischer Taktverschiebung und Verkämmung von Pixeldatenströmen im
Auslese- und Speicherungsprozess eines Bildes (63) entzerrt wird, wobei der
Datenüberschuss, der infolge der erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln
gegenüber der notwendigen Zahl der Pixel eines auszugebenden Endbildes (71)
vorhanden ist, zur Erzeugung korrigierter Pixelzuordnungen benutzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild mit einer Empfängerzeile (55) in unterschiedlich großen Abtastschritten in einer ersten Dimension des Bildsensors (5), die zur Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt ist, abgetastet wird, wobei die Größe der Abtastschritte während einer Abtastung des kompletten Abbildes (51) der Auflagefläche (21) sukzessive entsprechend der realen Stauchung des Abbildes (51) geändert wird, und
das optoelektronisch gewandelte Abbild (51) durch zeilenrichtiges Verkämmen der Pixeldatenströme und verändertes Takten der Zeilendatenströme von unterschiedlich langen Zeilen des Abbildes (51) zu verdichteten Zeilen mit einheitlicher Pixelzahl elektronisch entzerrt wird.
das Abbild mit einer Empfängerzeile (55) in unterschiedlich großen Abtastschritten in einer ersten Dimension des Bildsensors (5), die zur Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt ist, abgetastet wird, wobei die Größe der Abtastschritte während einer Abtastung des kompletten Abbildes (51) der Auflagefläche (21) sukzessive entsprechend der realen Stauchung des Abbildes (51) geändert wird, und
das optoelektronisch gewandelte Abbild (51) durch zeilenrichtiges Verkämmen der Pixeldatenströme und verändertes Takten der Zeilendatenströme von unterschiedlich langen Zeilen des Abbildes (51) zu verdichteten Zeilen mit einheitlicher Pixelzahl elektronisch entzerrt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abtasten des Abbildes (51) in der zweiten Dimension, die orthogonal zur
Achse (41) des optischen Systems (4) ausgerichtet ist, mittels einer Empfängerzeile
(55) erfolgt, wobei die Empfängerzeile (55) in der ersten Dimension, die
gegenüber der Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt ist, mechanisch
verschoben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das optoelektronisch gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild (51) aus dem
Datenüberschuss, der infolge der erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln
vorhanden ist, allein mittels Berechnung von zusammengefassten Pixeldaten, die
dem gewünschten Pixelraster des auszugebenden Endbildes (71) entsprechen, auf
Basis von Interpolations- und Mittelungsoperationen entzerrt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) der Auflagefläche (21) mit einer Empfängermatrix (56) in mindestens einer Dimension der Matrix (56) in Subpixelschritten abgetastet wird und
das elektronisch gewandelte Abbild (51) durch elektronisches zeilen- und spaltenrichtiges Verkämmen und anschließende Berechnung von korrigierten Pixeldaten, die der metrischen Pixelzahl des gewünschten Endbildes (71) entsprechen und Mittelungen und Interpolationen von prozentualen Signalanteilen benachbarter Pixel auf Basis einer Pixelzusammenfassung beinhalten, entzerrt wird.
das Abbild (51) der Auflagefläche (21) mit einer Empfängermatrix (56) in mindestens einer Dimension der Matrix (56) in Subpixelschritten abgetastet wird und
das elektronisch gewandelte Abbild (51) durch elektronisches zeilen- und spaltenrichtiges Verkämmen und anschließende Berechnung von korrigierten Pixeldaten, die der metrischen Pixelzahl des gewünschten Endbildes (71) entsprechen und Mittelungen und Interpolationen von prozentualen Signalanteilen benachbarter Pixel auf Basis einer Pixelzusammenfassung beinhalten, entzerrt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) in einer Dimension der Matrix (56), die gegenüber der Achse (41)
des optischen Systems (4) geneigt ist, enger abgetastet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) mit einer zweidimensional gleichmäßigen Subpixelverschiebung
der Matrix (56) abgetastet wird, wobei entsprechend der Stauchung des Abbildes
(51), die in der gegenüber der Achse (41) des optischen Systems (4) geneigten
Dimension der Matrix (56) auftritt, die Abtastdichte so groß gewählt wird, dass sie
bei einer Entzerrung der Stauchung mindestens eine im auszugebenden Endbild
(71) geforderte Pixelzahl übersteigt, und die Stauchung bei der Berechnung der
zusammengefassten Pixel für das Endbild (71) entzerrt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das optoelektronisch gewandelte, trapezförmig verzerrte Abbild (51) auf Basis des
Datenüberschusses, der aus der erhöhten Anzahl von aufgenommenen Pixeln
resultiert, mittels einer Kombination aus elektronischen Verschiebeprozessen und
Berechnung von zusammengefassten Pixeldaten durch rechnerische Interpolations-
und Mittelungsoperationen entzerrt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) in der ersten Dimension, die zur Achse (41) des optischen Systems
(4) geneigt ist, mit einer höheren Dichte gegenüber der zweiten Dimension
abgetastet wird, wobei das Abbild (51) in der besagten ersten Dimension
mindestens zu einem wesentlichen Teil elektronisch durch geeignete Abtast- und
Speicherprozesse gestreckt wird und die vollständige Entzerrung mittels
Berechnung von zusammengefassten Pixeldaten erfolgt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) mit einer Empfängermatrix (56) abgetastet wird, die in
Spaltenrichtung einen geringeren Abstand der lichtempfindlichen Elemente (54)
als in Zeilenrichtung aufweist.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) mit einer symmetrischen Matrix (56) abgetastet wird, wobei die
Matrix (56) mittels einer geeigneten Verschiebeeinrichtung in der ersten
Dimension, die zur Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt ist, eine
Subpixelabtastung mit größerer Anzahl von Abtastschritten ausführt als in der
zweiten Dimension.
26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abbild (51) in der zweiten Dimension, die orthogonal zur Achse (41) des
optischen Systems (4) ausgerichtet ist, mittels einer Empfängerzeile (55)
abgetastet wird und die Empfängerzeile (55) in der ersten Dimension, die
gegenüber der Achse (41) des optischen Systems (4) geneigt ist, mechanisch
verschoben wird, wobei die Empfängerzeile (55) mit Abtastschritten bewegt wird,
die kleiner sind als die Abstände der lichtempfindlichen Elemente (54) in
Zeilenrichtung.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass
die Empfängerzeile (55) in der ersten Dimension mit Abtastschritten bewegt wird,
die kleiner sind als die Abstände der lichtempfindlichen Elemente (54) in
Zeilenrichtung und die in der Schrittweite sukzessive entsprechend der realen
Stauchung des Abbildes (51) angepasst werden.
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