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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung elektronischer
Abbilder eines Fingers oder eines anderen Objekts mit Rippen u.
dgl., und auf eine kompakte optische Vorrichtung, um kontrastreiche
Abbildungsschnitte eines Fingerabdrucks auf Sensoren zu projizieren.
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Der
Stand der Technik für
Kontakt-Abbildungssensoren ist beispielhaft in der US-Patentschrift 5,214,273
erläutert,
die am 25. Mai 1993 für eine
Erfindung mit der Bezeichnung „Kontakt-Abbildungssensor" ausgegeben wurde.
Ein zweites Beispiel für
den Stand der Technik ist das US-Patent 5,321,146, das am 19. Juli
1994 für
eine Erfindung mit der Bezeichnung „Berührungsartiger Abbildungssensor
zur Entwicklung elektrischer Signale gemäß einer auf einem Dokument
dargestellten Abbildung" ausgegeben
wurde. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung verwenden die Erfindungen
der zuvor genannten Patente keine verhinderte innere Totalreflexion
(FTIR, frustrated total internal reflection) um einen kontrastreichen
Fingerabdruck zu erfassen.
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Der
Stand der Technik für
Fingerabdrucksensoren ist beispielhaft in dem US-Patent 4,784,484
erläutert,
das am 15. November 1988 für
eine Erfindung mit der Bezeichnung „Verfahren und Vorrichtung
für das
automatische Abtasten von Fingerabdrücken" ausgegeben wurde. Im Unterschied zur
vorliegenden Erfindung gebraucht das zuvor genannte US-Patent ein
separates Abtastmittel zur Messung der Fingerbewegungsgeschwindigkeit.
Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung lehrt das zuvor genannte
US-Patent ebenfalls nicht den Gebrauch von FTIR, um ein kontrastreiches
Fingerabdruckabbild zu betrachten. Im Unterschied zur vorliegenden
Erfindung verwendet das zuvor genannte US-Patent keine Gradientenindex-Stablinsenanordnung
und keine Relay-Linsenpaaranordnung.
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Der
Stand der Technik von Fingerabdrucksensoren ist ebenso beispielhaft
in dem US-Patent 5,619,586 erläutert,
welches am 8. April 1997 für
eine Erfindung mit der Bezeichnung „Verfahren und Vorrichtung
zur Herstellung eines direkt betrachtba ren Abbildes eines Fingerabdrucks" ausgegeben wurde. Dieses
Patent zeigt den Stand der Technik der FTIR (verhinderte innere
Totalreflektion) verwendet, um ein kontrastreiches Fingerabdruckabbild
zu erhalten. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zeigt jedoch
dieses US-Patent die Abbildung des gesamten Fingerabdrucks auf einmal
als ein Flächenabbild,
anstatt eines schmalen Streifenabbildes, das auf eine lineare Sensoranordnung
projiziert wird. Ebenso, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung,
zeigt dieses US-Patent nicht den Gebrauch von Gradientenindex-Stablinsen
oder Relay-Linsen, um den Fingerabdruck zu erfassen.
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Der
Stand der Technik für
Fingerabdrucksensoren ist ebenso beispielhaft erläutert in
dem US-Patent Nr. 5,096,290 welches am 27. August 1990, ausgegeben
wurde für
eine „Vorrichtung
zur Abbildung von Fingerabdrücken
unter Anwendung transparenter optischer Mittel, die eine elastische
Materialschicht aufweisen".
Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung behandelt dieses US-Patent
eher eine elastische Schicht für
die gesamte Zone des Fingerabdrucks, als einen schmalen Streifen
des Fingerabdrucks.
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Der
Stand der Technik für
Fingerabdrucksensoren ist ebenso beispielhaft in dem US-Patent 5,448,649
erläutert,
welches am 5. September 1995 ausgegeben wurde für eine „Vorrichtung zur Abbildung
von Fingerabdrücken
oder topographischen Reliefmustern auf der Oberfläche eines
Objekts". Im Unterschied
zur vorliegenden Erfindung offenbart diese US-Patentschrift keine
stationäre
Linsenanordnung und Sensoranordnung, umfasst keine Platte mit komplexer
Geometrie und bezieht eine physikalische Trennung zwischen der Platte
und der Linsenanordnung mit ein.
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Der
Stand der Technik für
Fingerabdrucksensoren ist noch ferner beispielhaft in einem Artikel
mit dem Titel „Fingerprint
Input Based on Scattered-light Detection" erläutert
(Fingerabdruckeingabe basierend auf Streulichtdetektion; in Applied
Opticts, 10. Dezember 1997, Optical Society of America, 36 (35), 9152–9156).
Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung offenbart dieser Artikel
keinen Gebrauch stationärer
Linsen und Sensoren, keinen Gebrauch einer Lichtquelle, um den gesamten Finger
zu beleuchten und bezieht eine physikalische Trennung zwischen der
Platte und der Linsenanordnung mit ein.
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Die
Erfindung stellt eine Fingerabdruckabbildende optische Eingangsvorrichtung
in Form eines CIS-Sensors (Contect Image Sensor) bereit, der kontrasteiche
Abbildschnitte auf eine lineare Sensoranordnung projiziert. Neuartige
Optiken werden verwendet um ein kontrastreiches Abbild zu erstellen mittels
FTIR oder direkter Beleuchtung von Leisten eines Fingerabdrucks,
die durch eine GRIN (GRadient INdex of Refraction)-Linsenanordnung
auf eine lineare Sensoranordnung projiziert werden.
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Das
hauptsächlich
bevorzugte Ausführungsbeispiel
ist ein miniaturisierter CIS-Sensor,
der angeordnet ist um die Ausdehnung des bewegten Fingerabdrucks
zu erfassen wie dieser über
die optisch transparente Platte des Sensors wischt. Um den Fingerabdruck
zu erfassen, muss Licht in das Innere der Platte eingeleitet werden.
Das Licht der Lichtquelle kann ins Innere der transparenten Platte
eingeleitet werden durch eine flache oder gekrümmte Oberfläche, die wie eine Lupe wirkt,
um das Licht auszurichten und beim Kollimieren zu helfen, sodass
dieses eine ebene Lichtfläche
mit der Ausdehnung der linearen Sensoranordnung ausbildet. Das einmal
eingebrachte Licht kann im Inneren der Platte ausgerichtet werden,
wahlweise durch Anwendung der inneren Totalreflektion (TIR, Total
Internal Reflection) oder durch Reflektion an einer spiegelähnlichen
Oberfläche
oder spiegelähnlichen
Oberflächen.
Die Anwendung von Reflektionen um das Licht im Inneren der Platte
auszurichten ermöglicht
der Lichtquelle irgendwo zweckmäßig angeordnet
zu werden, beispielsweise auf einer Leiterplatine (PCB, printed
circuit board). Die Anordnung der Lichtquelle kann die Form der
Platte verändern,
oder es der Platte ermöglichen, kompakter
hergestellt zu werden. Die reflelektierenden Oberflächen oder
TIR-Oberflächen der
Platte können
leicht rau, nicht perfekt glatt, sein um den Lichtstrahl teilweise
zu streuen und somit eine gleichmäßigere Ausleuchtung des Fingerabdrucks
zu bewirken.
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Mit
der Erfassung des Fingerabdrucks durch die transparente Platte unter
einem schrägen
Winkel kann ein kontrastreiches Abbild erhalten werden; das Fingerabdruckabbild
wird dann durch eine GRIN-Linsenanordnung auf die lineare Sensoranordnung
fokussiert. Alternativ können
die GRIN-Linse oder andere fokussierende Mittel angeordnet werden,
um reflektierte Fingerabdruckabbilder zu erfassen und die reflektierten
Abbilder auf die lineare Sensoranordnung zu projizieren. Um ein
kontrastreiches Fingerabdruckabbild zu erstellen wird das Licht
unter einem Winkel zu der obersten inneren Oberfläche der
Platte ausgerichtet (typischerweise 45° oder mehr zu einer Normalen
der Oberfläche
der Platte, abhängig
vom Brechungsindex der Platte der vorteilhaft größer als 1,5 ist), wo es durch
innere Totalreflektion (TIR) reflektiert wird, falls kein Fingerabdruck
präsent
ist. Dort wo die Leisten des Fingerabdrucks (Papillarleisten) die
(äußere) Oberseite
berühren
wird das Licht nicht reflektiert, aufgrund verhinderter innerer
Totalreflektion (FTIR) an der Oberfläche der Platte, was eine Absorption
von Licht bewirkt, die zu einem dunklen Muster für die Leisten des Fingerabdrucks
und hellem Licht an den Furchen des Fingerabdrucks führt, das
durch innere Totalreflektion (TIR) im Inneren der Platte reflektiert
wird. Verkürzungseffekte können durch
Bildverarbeitung ausgeglichen werden.
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Ein
kontrastreiches Abbild kann ebenso erhalten werden durch Erfassung
des Fingerabdrucks durch die transparente Platte unter einem schrägen Winkel,
aber mit direkter Beleuchtung des Fingers mit Licht, das im Wesentlichen
senkrecht zu der inneren abbildenden Oberfläche der Platte ausgerichtet
ist. Das Fingerabdruckabbild wird dann durch eine GRIN-Linsenanordnung
auf eine lineare Sensoranordnung fokussiert. Alternativ können die
GRIN-Linse oder andere fokussierende Mittel angeordnet werden, um
ein reflektiertes Fingerabdruckabbild zu erfassen und die reflektierten
Abbilder auf die lineare Sensoranordnung zu projizieren. Falls kein
Finger präsent
ist, entkommt das Licht durch die Oberfläche der Platte, während die
GRIN-Linse eine durch innere Totalreflektion (TIR) schwarze Oberfläche von
der Platte sieht. Ein kontrastreiches Fingerabdruckabbild erhält man,
wenn ein Finger auf der Platte platziert wird und die Leisten des
Fingerabdrucks wahlweise beleuchtet werden aufgrund physikalischen
Kontakts mit der Oberfläche
der Platte.
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Dort
wo die Leisten des Fingerabdrucks die oberste Oberfläche der
Platte berühren
leuchten die Leisten des Fingerabdrucks mit Streulicht, was zu einem
hellen Muster für
die Leisten des Fingerabdrucks und dunkleren Regionen für die Furchen
des Fingerabdrucks führt.
Der schräge
Betrachtungswinkel der GRIN-Linse verbessert den Kontrast, während eine
begrenzte Betrachtung von Leistendetails des Fingerabdrucks, die
nah an der Platte sind, diese aber nicht berühren, ermöglicht wird.
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Die
winklige Oberfläche
der Platte weist einen erhöhten
Streifen auf um den Andruck des Fingers auf die abbildende Oberfläche zu erhöhen, und damit
einen besseren Kontakt für
die innere Totalreflektion zu bieten. Die Plattenoberfläche oder
der erhöhte
Bereich kann ebenso aus Silikon gebildet sein oder einem anderen
Material mit optischen Benetzungs- oder niedrigen Reibeigenschaften
um die Abbildung beziehungsweise die Fingerbewegung zu verbessern.
Ein Flüssigkeitsreservoirs
kann in der Platte integriert sein oder eine angrenzende Oberfläche, um
die Benetzung des Fingers mit Öl
oder anderen Flüssigkeiten
zu ermöglichen,
und um die verhinderte innere Totalreflektion (FTIR) oder die Leuchtabbildung
der Leisten des Fingerabdrucks zu verbessern, sowohl als auch zur
Schmierung des Fingers für
eine gleichmäßige Bewegung.
Die Platte selbst kann ein Teil eines Schutzgehäuses für die Abtastelemente sein.
Die Oberflächen
der Platte können
mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet sein, die den
Streulicht absorbieren, um auf diese Weise das Rauschen am Sensorelement
zu reduzieren.
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Das
kontrastreiche Fingerabdruckabbild wird durch eine GRIN-Linsenanordnung
erfasst oder alternativ durch eine Relay-Linsenpaaranordnung oder irgendein
anderes funktionsgemäß gleichwertiges Mittel,
das eine Serie von kohärent überschneidenden
Abbildern erzeugt. Die GRIN-Linsenanordnung schaut unter einem schrägen Winkel
auf die Platte; der schmale Abbildungsstreifen des Fingerabdrucks wird
durch die GRIN-Linsenanordnung auf die Ausdehnung der linearen Sensoranordnung
fokussiert, das eine lineare Anordnung lichtempfindlichen Pixeln aufweisen
kann oder zwei oder mehrerer paralleler linearer Anordnungen lichtempfindlicher
Pixeln. Die Vorteile dieser Anordnung sind, dass ein sehr kompaktes
optisches Sys tem erreicht werden kann, das Fingerabdruckabbilder
erstellt, die geringe Verzerrung, hohe Auflösung und beträchtliche
Formatgröße aufweisen.
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Der
CIS-Sensor zur Fingerabdruckabbildung kann in unterschiedlichen
neuartigen Aufbauten angeordnet werden, die für verschiedene Anwendungen
und Fertigungstechniken optimiert werden können. Für jene Fachleute der Konstruktion
von optischen Komponenten sind die verschiedenen Merkmale aus den
verschiedenartigen Aufbauten verwend- oder kombinierbar, und andere
Materialien, Komponenten oder Technologien sind anwend- oder kombinierbar
um im Wesentlichen ähnliche
Abbildungssysteme für
Fingerabdrücke
zu erzielen.
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für einen
Fachmann leichter verständlich
aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, wenn diese im
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erfasst wird, wobei:
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1A eine
isometrische Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines Kontakt-Abbildungssensors
gemäß dem Stand
der Technik zeigt, ähnlich
zu denen die üblicherweise
in Telefaxgeräten
angewendet werden, wobei ein horizontal bewegter Papierbogen durch
eine GRIN-Stablinsenanordnung erfasst wird und ein schmaler Abbildungsstreifen
auf eine lineare Sensoranordnung projiziert wird.
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1B einen
Vergleich zwischen einer GRIN-Stablinsenanordnung gemäß dem Stand
der Technik und einer funktionsgemäß gleichwertigen Relay-Linsenpaaranordnung
zeigt, mit einem optischen Strahlen-Diagramm, welches die bekannte Abbildungsübertragungsfunktion
von Relay-Linsen darstellt.
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2 eine
Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer GRIN-Linsenanordnung unter
45° zeigt, die
ein unter 45° beleuchtetes
Fingerabdruckabbild erfasst, um ein kontrastreiches Streifenabbild
auf der linearen Sensoranordnung zu erstellen.
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3 eine
Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines beleuchteten Fingerabdrucks
zeigt, mit einem vom Boden eingebrachten und durch innere Totalreflektion
reflektierten Licht; einer GRIN-Linsenanordnung, die unter einem
Winkel weniger als 45° zur
Horizontalen montiert ist, wobei das von der GRIN-Linsenanordnung
projizierte kontrastreiche Abbild einmal durch innere Totalreflektion
reflektiert und dann auf die lineare Sensoranordnung ausgerichtet
wird.
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4 eine
Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer vertikal montierten
GRIN-Linsenanordnung zeigt, die einen Fingerabdruck erfasst, mit
Licht, das vom Boden eingeleitet wird und durch innere Totalreflektion
zum Fingerabdruck reflektiert, wobei das Abbild des Fingerabdrucks
durch innere Totalreflektion zu der GRIN-Linsenanordnung reflektiert,
welche dann ein kontrastreiches Fingerabdruckabbild direkt auf die
lineare Sensoranordnung projiziert.
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5 eine
Ansicht eines optischen Systems identisch zu dem der 4 zeigt,
mit Ausnahme einer Anordnung eines kleinen relayoptischen Linsenpaares
das die entsprechende GRIN-Linse ersetzt.
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6 eine
Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer horizontal eingesetzten
GRIN-Linsenanordnung zeigt, die einen beleuchteten Fingerabdruck
erfasst, wobei Licht horizontal von der Seite eingeleitet und durch
innere Totalreflektion zum Fingerabdruck reflektiert wird, und das
Fingerabdruckabbild durch innere Totalreflektion zu der GRIN-Linsenanordnung
reflektiert und danach wieder durch innere Totalreflektion hinunter
auf die lineare Sensoranordnung reflektiert wird.
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7 eine
Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer horizontal eingesetzten
GRIN-Linsenanordnung zeigt, die einen beleuchteten Fingerabdruck
erfasst, wobei Licht vom Boden eingeleitet und durch innere Totalreflektion
zum Fingerabdruck reflektiert wird, und das kontrastreiche Fingerabdruckabbild
durch innere Totalreflektion zu der GRIN-Linsenanordnung reflektiert
und danach wieder durch innere Totalreflektion hinunter auf die
lineare Sensoranordnung reflektiert wird.
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8 eine
perspektivische Schnittansicht eines optischen Systems, identisch
zu dem in der 7 dargestellten, zeigt.
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9 eine
Schnittansicht eines optischen Systems ähnlich zu dem in der 7 dargestellten zeigt,
mit der Ausnahme, dass die GRIN-Linsenanordnung durch zwei transparente
optische Elemente aufgenommen ist.
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10 eine
Schnittansicht eines optischen Systems ähnlich zu der in in der 7 dargestellten zeigt,
mit der Ausnahme, dass die lineare Sensoranordnung direkt auf einer
Leiterplatine montiert ist, als ein Chip-auf-Platine-Aufbau, wobei
die Notwendigkeit für
eine lineare Sensoranordnungsbaugruppe eliminiert ist.
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11 eine
Schnittansicht eines optischen Systems zeigt, ähnlich zu dem in der 7 dargestellten,
mit der Ausnahme, dass die optischen Elemente direkt auf einer Leiterplatine
befestigt sind, und die lineare Sensoranordnung als ein Flip-Chip auf
der gegenüberliegenden
Leiterplatinenseite montiert ist, wobei es dem Licht ermöglicht ist, über einen Schlitz
in der Platine, die Oberfläche
der linearen Sensoranordnung zu erreichen.
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12 eine
Schnittansicht eines optischen Systems zeigt, ähnlich zu dem in der 3 dargestellten,
mit einer Seitenansicht eines beleuchteten Fingerabdrucks, wobei
Licht vom Boden eingeleitet und in einer Richtung im Wesentlichen
senkrecht zu der Abbildungsoberfläche der Platte abgelenkt wird; einer
GRIN-Linsenanordnung die unter einem Winkel von näherungsweise
45° zur
Platte montiert ist, wobei das von der GRIN-Linsenanordnung projizierte kontrastreiche
Abbild einmal durch innere Totalreflektion reflektiert und dann
auf eine lineare Sensoranordnung ausgerichtet ist.
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In 1A ist
ein einfacher CIS (Contact Image Sensor) gezeigt, der üblicherweise
in Fax-Geräten
und Blatt-Zuführ-Dokumentenscanner
nach dem Stand der Technik verwendet wird. Ein CIS-Abbilder umfasst
vier Basiskomponenten, die eine transparente Platte, eine Lichtquelle,
eine Linsenanordnung und eine lineare Sensoranordnung umfassen.
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In 1A ist
die Platte 1 aus einem transparenten Glas oder Plastik
oder einem anderen geeigneten transparenten Material gebildet. Die
Lichtquelle 2 ist geeigneterweise eine Anordnung von lichtemittierenden
Dioden (LEDs) oder irgendeine andere geeignete Lichtquelle wie beispielsweise
ein elektrisch leuchtender Streifen oder eine fluoreszierende Miniaturröhre. Das
Linsensystem ist typischerweise eine GRIN-Linsenanordnung 3,
die durch eine Relay-Linsenanordnung ersetzt werden kann, wie in 1B gezeigt.
Die lineare optische Sensoranordnung 4, mit einer einzelnen
linearen Anordnung (Reihenanordnung), oder zwei oder mehrerer paralleler Reihen
lichtempfindlicher Pixeln, kann CCD-Pixel (Charge Coupled Device)
verwenden, oder kann CMOS-Pixel (Complementary Metal Oxide Semiconductor),
APS-Pixel (Active Pixel Sensing), photodiodische Pixel, oder eine
sonstige lineare Anordnung einer lichtempfindlichen oder infrarotempfindlichen Technologie
verwenden. Die Ausdehnung der Platte 1, der Lichtquelle 2,
der GRIN-Linsenanordnung 3 und
der linearen Sensoranordnung 4 kann irgendeiner geeigneten
Länge,
entsprechend, gemäß der vorliegenden
Abbildungsanwendung.
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In 1A ist
der CIS-Sensor gezeigt, wie er ein bedrucktes Blatt Papier 5 abbildet,
das über
die Platte 1 bewegt wird. Für Faxgeräte und Dokumentenscanner wird
das Papier 5 mechanisch über die Platte bewegt; alternativ
kann der CIS-Sensor mechanisch bewegt sein unterhalb des Papiers 5 auf
der feststehenden Platte. In der gewöhnlichen Ausführungsform
eines CIS-Sensors scheint bzw. strahlt die Lichtquelle 2 einen
Lichtstrahl 2a durch die transparente Platte 1 hindurch
und beleuchtet das Objekt, beispielsweise die gedruckten Buchstaben
auf einem Papier 5. Etwas Licht 2b wird dann vom
Papier 5 gestreut und reflektiert und wird durch eine GRIN-Linsenanordnung 3 erfasst
und als Licht 2c auf einer linearen Sensoranord nung 4 fokussiert.
Ein elektronisches Grauskalenabbild wird Linie für Linie durch die lineare Sensoranordnung 4 zusammengetragen
und anschließend
gespeichert, verändert,
bearbeitet, interpretiert, übertragen,
dargestellt, ausgedruckt oder anderweitig verwendet.
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Wenn
ein Finger über
die Platte 1 der 1A gezogen
wird (anstelle eines Papierdokuments), muss eine zusätzliche
Messeinrichtung verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Fingers über der
Platte zu messen. Das Fingerabdruckabbild das man aus dem CIS-Sensor
erhält,
wird einen sehr geringen Kontrast zwischen den Leisten und Furchen des
Fingerabdrucks aufweisen. Der geringe Kontrast verursacht Probleme
in der Interpretation der signifikanten Merkmale des Fingerabdruckabbildes,
was solch ein Abbild nicht optimal für einen Fingerabdruck-Abgleich oder eine
-überprüfung macht.
Jedoch können
Abbildungsverbesserungstechniken angewandt werden, um ein Abbildungssystem
für Fingerabdrücke herzustellen,
das einen standardmäßigen CIS-Sensor
verwendet.
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1B vergleicht
eine GRIN-Linsenanordnung 3 mit einer Relay-Linsenanordnung 6,
die aus einer linearen Anordnung eines Relay-Linsenpaares besteht.
In diesem Diagramm ist die Relay-Linsenanordnung 6 funktional
gleichwertig zur GRIN-Linsenanordnung 3, die ein 1:1 Abbild
ist (keine Vergrößerung,
Verkleinerung oder Abbildungsinversion). Die GRIN-Linsenanordnung 3 und
die Relay-Linsenanordnung 6 erzeugen beide eine Serie von
sich überschneidenden,
kohärenten
Abbildungen, um ein einzelnes schmales Abbild der Ausdehnung der
Anordnung zu erzeugen. Die allgemeine optische Eigenschaft einer
Relay-Linse ist schematisch mit dem Relay-Linsenpaar 7 dargestellt,
worin ein Abbild zu der Brennebene übertragen oder weitergegeben
wird ohne Änderung
in der Größe oder
Ausrichtung. Demgegenüber
verwenden die GRIN-Linsenanordnungen 3 optische Fasern
als Stablinsen zur Ablenkung des Abbildes um dasselbe optische Ergebnis
zu erreichen. In allen CIS-Abbildungssystemen, einschließlich solcher
die zur Abbildung des Fingerabdrucks ausgebildet sind, kann eine
entsprechend gestaltete Relay-Linsenanordnung eine GRIN-Linsenanordnung
ersetzen.
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In 2 ist
ein allgemeines Ausführungsbeispiel
des Fingerabdrucksensors gezeigt. Eine Oberflächenmontage-Technologie (SMT,
Service Mount Technology) wird angewendet, um die elektronischen Komponenten
zu montieren, die Baugruppe 8 der linearen Sensoranordnung
und die lineare Anordnung lichtemittierender Dioden (LED) als Lichtquelle 2 auf der
Leiterplatine (PCB, Printed Circuit Board) 9. Der Siliziumchip
der linearen Sensoranordnung 4 ist in der Sensorbaugruppe 8 aufgenommen
und durch Anschlussdrähte 4a angeschlossen.
Die lineare Sensoranordnung 4 kann eine lineare Anordnung
lichtempfindlicher Pixeln, oder zwei oder mehrere parallele Linearanordntungen
aufweisen. Die Baugruppe 8 nimmt ebenso die transparente
Platte 1 auf. Die Platte 1 dient ebenso als Abdeckung
für die
Baugruppe 8, die eine dichte Umschließung für die lineare Sensoranordnung 4 bildet.
Die GRIN-Linsenanordnung 3 ist eingebaut oder anderweitig
an der Platte 1 befestigt, so dass die GRIN-Linsenanordnung 3 in
einer geeigneten Position ist, in der sie fähig ist, auf die Innenfläche 1a der
Platte 1 und ebenfalls auf die lineare Sensoranordnung 4 zu
fokussieren. (Da die GRIN-Linsenanordnung 3 ein schmales
Streifenabbild auf die lineare Sensoranordnung 4 projiziert, kann
die Orientierung der linearen Sensoranordnung 4 zu der
in der 2 dargestellten variieren; bspw. kann die pixelempfindliche
Oberfläche
der linearen Sensoranordnung 4 ebenso gekippt sein, sodass
sie senkrecht ist zu der Achse des Lichtes 2c, dass von der
GRIN-Linsenanordnung 3 kommt.) Die Oberseite der Platte 1 des
Fingerabdrucksensors ragt durch eine Öffnung in der Eindeckung 12 leicht
hervor, die ein Teil einer Umschließung für den Sensor sein kann. Ein
Finger mit einem Fingerabdruck 5 wird über das oberste Ende der Sensorplatte
gewischt um ein Fingerabdruckabbild zu erhalten.
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In
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die
lineare LED-Anordnung
als Lichtquelle 2 einen Lichtstrahl 2a, das idealerweise
eine kollimierte Fläche
aus monochromatischem Licht ist, mit der Ausdehnung des Fingerabdrucks.
Der Lichtstrahl 2a scheint aufwärts in die transparente Platte 1,
wo er durch innere Totalreflektion an der Innenfläche 1c reflektiert
wird und dann in Richtung der obersten Innenfläche 1a der transparenten
Platte 1 ausgerichtet wird. Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die
Außenfläche der
Platte 1 oberhalb der Position 1a, was eine verhinderte
innere Totalreflektion (FTIR) verursacht, dort wo die Leisten des
Fingerabdrucks die Platte berühren
und was dunkle Bereiche für
die Leisten des Fingerabdrucks und helle Bereiche für die Furchen
des Fingerabdrucks bewirkt. Der lineare Streifen des kontrastreichen
Fingerabdruckabbildes 2b wird in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 ausgerichtet,
welche dann das Licht 2c des Fingerabdruckstreifens auf
die Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert.
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Die 2 zeigt
ebenso unterschiedliche Weiterentwicklungen, die die Funktion verbessern. Das
oberste Ende der Platte 1 weist einen etwas erhöhten Streifen 1b auf,
der für
einen erhöhten
Andruck des Fiugerabdrucks auf der Platte sorgt, zur Verbesserung
der Abbildungsqualität,
bedingt dadurch, dass die Haut die Platte fester kontaktiert. Die Innenfläche 1c der
Platte 1 ist aufgeraut um als ein reflektierender Diffusor
für den
Lichtstrahl 2a zu wirken, um eine konstantere Beleuchtung über der
Ausdehnung des Fingerabdrucks zu erstellen. Die Fläche 1f der
Platte 1 ist geschwärzt
um Streulicht das die lineare Sensoranordnung 4 erreicht
zu eliminieren. Auf der Oberseite der Platte 1 ist ein
Schwamm oder ein anderes absorbierendes oder kapilarisches Material 11 angeordnet,
das optional in eine Ausnehmung der Platte 1 geklebt ist
und welches mit Wasser oder Öl
oder schmierenden Flüssigkeiten
getränkt werden
kann. Die Funktion des Schwammes 11 ist es, die Haut des
Fingerabdrucks 5 zu befeuchten, bevor der Finger die Platte 1 am
erhöhten
Streifen 1b überstreicht,
um trockene Haut auf dem Fingerabdruck auszugleichen und ein kontrastreicheres
Abbild zu erstellen. Ein besonderer Vorteil des Schwammes 11 ist,
dass er den Finger automatisch in einer einzigen Durchziehbewegung
schmiert, wenn das Fingerabdruckabbild erstellt wird.
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In 2 und
dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung
erzeugt die lineare Sensoranordnung 4 ein elektronisches
Signal, entsprechend dem aktuellen Streifen des Fingerababdruckbildes,
der durch das CIS-optische System in der Platte 1 erfasst
wird. Im Gegensatz zu einem Dokumentenscanner, bei dem Papier über den CIS-Sensor
mit vorbestimmter gleichmäßiger Geschwindigkeit
durch einen Elektromotor bewegt wird, muss jedoch ein CIS-Sensor
für Fingerabdruckabbildung
variable und unbekannte Bewegungsgeschwindigkeiten des Fingers,
sowie er über
die Platte 1 gewischt wird, aufnehmen. Ein einfaches Verfahren
zur Messung der Fingerbewegungsgeschwindigkeit ist die Verwendung
eines externen Sensors. Die Messung der Fingerbewegungsgeschwindigkeit
kann zum Berichtigen der Abbildungsdaten der linearen Sensoranordnung 4 angewendet
werden, um ein geometrisch korrektes Fingerabdruckabbild zu erhalten.
Ein zweites bevorzugtes Verfahren zur Messung der Fingergeschwindigkeit
ist der Vergleich der aufeinander folgenden Abtastungen (Scans)
der parallelen linearen Anordnungen in der linearen Sensoranordnung 4.
Dieses Verfahren zur Beurteilung der Fingergeschwindigkeit von der
linearen Sensoranordnung ist in dem im gemeinschaftlichen Besitz
befindlichen US-Patent 08/892,577, angemeldet am 16. Juli 1997 für eine Erfindung
mit der Bezeichnung „Abbildungsvorrichtung
und -verfahren mit linearem Sensor", offenbart.
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Die 3 zeigt
eine Schnittansicht eines weiteren praktischen Ausführungsbeispieles
eines Fingerabdrucksensors, der durchstreckbare (Durchgangsloch-Technologie) elektronische
Komponenten verwendet, wobei die Baugruppe 8 der linearen
Sensoranordnung und die lineare LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an
die Leiterplatine (PCB) 9 angelötet sind. Der Siliziumchip
der linearen Sensoranordnung 4 ist von einer Sensorbaugruppe 8 aufgenommen, welche
ebenso eine transparente Platte 1 aufnimmt. Die GRIN-Linsenanordnung 3 ist
eingebaut oder anderweitig an der Platte 1 befestigt, so
dass die Brennweite der Fingerabdruckabbildung auf der linearen Sensoranordnung 4 entspricht.
Die Platte 1 dient ebenso als Abdeckung für die Baugruppe 8,
die eine abgedichtete Umschließung
für die
lineare Sensoranordnung 4 erstellt. Das oberste Ende der
Oberseite der Platte 1 des Fingerabdrucksensors ragt durch eine Öffnung in
der Eindeckung 12, die ein Teil des Sensorgehäuses darstellt.
In diesem Ausführungsbeispiel
strahlt die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung) eine
Lichtfläche 2a aufwärts in die
transparente Platte 1, wo sie durch innere Totalreflektion
(TIR) oder Spiegelreflektion an der Innenfläche 1c in Richtung
der Innenfläche 1a abprallt.
Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die Außenfläche der Platte 1 oberhalb
der Position 1a, was eine verhinderte Totalreflektion (FTIR)
eines linearen Streifens des Fingerabdruckabbildes 2b in
Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 bewirkt. Das Licht 2c von
der GRIN- Linsenanordnung 3 wird
durch innere Totalreflektion (TIR) oder an einer spiegelnden Oberfläche an der Innenfläche 1e der
Platte 1 reflektiert und wird dann abwärts ausgerichtet und über die
Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert. Falls
eine spiegelnde Oberfläche
an der Fläche 1e verwendet wird,
kann die reflektierende Schicht auf der Außenfläche der Platte 1 aufgebracht
sein. Die in der 3 gezeigte optische Konstruktion
mit einer einzelnen inneren Totalreflektion oder Spiegelreflektion
des Fingerabdruckabbildes an der Innenfläche 1e der Platte 1 bewirkt,
dass das Abbild des Fingerabdrucks auf der linearen Sensoranordnung 4 sowohl
verkürzt als
auch richtungsverkehrt in Bezug auf die Richtung der Fingerbewegung
ist; die Verkürzung
und Richtungsumkehrung sind leicht beschreibbar und ausgleichbar
durch Anpassungen im elektronischen Auslesen der linearen Sensoranordnung 4.
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Die 3 zeigt
ebenso unterschiedliche Weiterentwicklung zur Verbesserung der Funktion. Das
oberste Ende der Platte 1 weist einen leicht erhöhten Streifen 1b auf,
der aus einem Silikongummi oder anderen flexiblen oder steifen transparenten Materialien
hergestellt ist, welcher einen örtlich
erhöhten
Druck des Fingerabdrucks auf die Platte und ebenso einen verbesserten
optischen Kontakt zwischen dem Fingerabdruck und dem flexiblen obersten
Ende der Platte 1 zur Verbesserung der Abbildungsqualität erzeugt.
Die Fläche 1f der
Platte 1 ist geschwärzt
um Streulicht zu reduzieren, dass die lineare Sensoranordnung 4 erreicht.
Die Fläche 1g im Inneren
der Platte 1 wirkt letztlich wie eine Barriere um Streulicht
vom Strahl 2a zu eliminieren, der die lineare Sensoranordnung 4 erreicht.
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Die 4 zeigt
eine Schnittansicht eines weiteren praktischen Fingerabdrucksensors,
der durchstreckbare (Durchgangsloch-Technologie) elektronische Komponenten
verwendet, wobei die Baugruppe 8 der linearen Sensoranordnung
und die lineare LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an die
Leiterplatine (PCB) 9 angelötet sind. Der Siliziumchip der
linearen Sensoranordnung 4 ist von einer Sensorbaugruppe 8 aufgenommen,
welche ebenso eine transparente Platte 1 aufnimmt. Die
GRIN-Linsenanordnung 3 ist
eingebaut oder anderweitig an der Platte befestigt. Die Platte 1 dient
ebenso als Abdeckung für
die Baugruppe 8, die eine abgedichtete Um schließung für die lineare
Sensoranordnung 4 und die GRIN-Linsenanordnung 3 erstellt.
Die Oberseite der Platte 1 des Fingerabdrucksensors ragt
durch eine Öffnung
in der Eindeckung 12 leicht hervor, die den Sensor umschließt. In diesem
Ausführungsbeispiel strahlt
die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung) eine kollimierte
Lichtfläche 2a aufwärts in die
transparente Platte 1, wo sie durch innere Totalreflektion (TIR)
an der Innenfläche 1c in
Richtung der Innenfläche 1a abprallt.
Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die Außenfläche der Platte 1 oberhalb
der Position 1a, was eine verhinderte innere Totalreflektion (FTIR)
eines linearen Streifens des Fingerabdruckabbildes 2b in
Richtung der Innenfläche 1d bewirkt,
wo es in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 durch innere
Totalreflektion (TIR) oder eine spiegelnde Fläche reflektiert wird. Falls
eine spiegelnde Oberfläche an
der Fläche 1d verwendet
wird, kann die reflektierende Schicht an der Außenseite der Platte 1 aufgebracht
sein. Das Licht 2c von der GRIN-Linsenanordnung 3 wird
dann abwärts
ausgerichtet und über
der Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert.
Die in der 4 gezeigte optische Konstruktion mit
einer einzigen inneren Totalreflektion oder Spiegelreflektion des
Fingerabdruckabbildes an der Innenfläche 1d der Platte 1 bewirkt,
dass das Abbild des Fingerabdrucks auf der linearen Sensoranordnung 4 sowohl
verkürzt
als auch richtungsverkehrt ist, in Bezug auf die Richtung der Fingerabdruckbewegung;
die Verkürzung
und Richtungsumkehrung sind leicht beschreibbar und ausgleichbar
durch Anpassungen im elektronischen Auslesen der linearen Sensoranordnung 4.
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Die 4 zeigt
ebenso zwei optionale Weiterentwicklungen, welche die Funktion verbessern können. Die
Fläche 1f der
Platte 1 ist geschwärzt,
um Streulicht, dass die lineare Sensoranordnung 4 erreicht,
zu reduzieren. Die Innenfläche 1c der
Platte 1 ist aufgeraut um für den Lichtstrahl 2a als
reflektiever Diffuser (Lichtstreuer) zu wirken, um eine konstantere
Beleuchtung über
der Ausdehnung des Fingerabdrucks zu erzeugen.
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Die 5 zeigt
eine Schnittansicht eines weiteren praktischen Fingerabdrucksensors,
der durchstreckbare (Durchgangsloch-Technologie) elektronische Komponenten
verwendet, wobei die Baugruppe 8 der linearen Sensoranordnung
und die linea re LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an die
Leiterplatine (PCB) 9 angelötet sind. Der Siliziumchip der
linearen Sensoranordnung 4 ist von einer Sensorbaugruppe 8 aufgenommen,
welche ebenso eine transparente Platte 1 aufnimmt. Die
Relay-Linsenanordnung 6 ist
in der Platte 1 derart eingebaut oder anderweitig befestigt,
dass sie ein Abbild des Fingerabdrucks 5 auf die lineare
Sensoranordnung 4 projiziert. Die Platte 1 dient
ebenso als Abdeckung für
die Baugruppe 8, die eine abgedichtete Umschließung für die lineare
Sensoranordnung 4 und die Relay-Linsenanordnung erstellt. In diesem
Ausführungsbeispiel
wird das Fingerabdruckabbild in einer Art und Weise identisch zur 4 ermittelt,
mit der Ausnahme, dass eine Relay-Linsenanordnung 6 anstelle
einer GRIN-Linsenanordnung verwendet wird. Als eine optionale Verbesserung
ist die Fläche 1f der
Platte 1 geschwärzt,
um Streulicht, das die lineare Sensoranordnung 4 erreicht,
zu reduzieren.
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Die 6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines kompakteren Fingerabdrucksensors.
Der Siliziumchip der linearen Sensoranordnung 4 ist innerhalb einer
Baugruppe 8 durch eine transparente Glas- oder Plastikabdeckung 10 eingeschlossen.
Die Platte 1 wird über
der Sensorbaugruppe 8 und der Abdeckung 10 durch
Klebstoff oder andere befestigende oder stützende Mittel in Position gehalten.
Die GRIN-Linsenanordnung 3 und
die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung) sind in der Platte 1 eingebaut oder
anderweitig befestigt. Die Lichtquelle 2 strahlt eine kollimierte
Lichtfläche 2a seitwärts in die
transparente Platte 1, wo diese durch innere Totalreflektion
(TIR) oder Spiegelreflektion an der Innenfläche 1c in Richtung
des obersten Endes der Innenfläche 1a der
transparenten Platte 1 abprallt. Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die
Außenfläche der
Platte 1 oberhalb der Position 1a, was bewirkt,
dass ein linearer Streifen des Fingerabdruckabbildes durch verhinderte
innere Totalreflektion (FTIR) an 1a in Richtung der Innenfläche 1d reflektiert
wird, wo er wiederum in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 durch innere
Totalreflektion (TIR) oder eine Spiegelfläche reflektiert wird. Das Licht
von der GRIN-Linsenanordnung 3 wird
dann durch innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion an
der Innenfläche 1e reflektiert,
welche dann das Licht abwärts
ausrichtet, durch die Abdeckung 10 hindurch, wo das Abbild über der Ausdehnung
der linear Sensoranordnung 4 fokussiert wird. Falls eine
spiegelnde Oberfläche
an der Fläche 1e und/oder 1d verwendet
wird, kann die reflektierende Schicht an der Außenseite der Platte 1 aufgebracht
sein. Die in der 6 gezeigte optische Konstruktion
mit zwei inneren Totalreflektionen oder Spiegelreflektionen des
Fingerabdruckabbildes an den Innenflächen 1d und 1e der
Platte 1 bewirkt auf der linearen Sensoranordnung 4 ein
Fingerabdruckabbild das verkürzt
in Bezug auf die Fingerbewegungsrichtung aber nicht richtungsverkehrt
ist; die Verkürzung
ist leicht beschreibbar und ausgleichbar durch Anpassungen im elektronischen
Auslesen der linearen Sensoranordnung 4.
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Die 7 zeigt
eine Querschnittsansicht eines weiteren kompakten Fingerabdrucksensors,
der durchstreckbare (Durchgangsloch-Technologie) elektronische Komponenten
verwendet, wobei die Baugruppe 8 der linearen Sensoranordnung
und die lineare LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an die
Leiterplatine (PCB) 9 angelötet sind. Der Siliziumchip der
linearen Sensoranordnung 4 ist innerhalb der Sensoreinheit 8 durch
eine transparente Plastik- oder Glasabdeckung 10 gekapselt.
Die Platte 1 ist über der
Abdeckung 10 durch Klebstoff oder andere Hilfs- oder Befestigungsmittel
gehalten. Die GRIN-Linsenanordnung 3 ist in die Platte 1 eingebaut
oder anderweitig befestigt. Die Lichtquelle 2 (lineare
LED-Anordnung) strahlt aufwärts
in die transparente Platte 1 durch eine gekrümmte Fläche 1h,
die als Linse dient, um das Licht innerhalb der Platte 1 zu
kollimieren, was die Menge an Licht, die zur Abbildung des Fingerabdrucks
zur Verfügung
steht, erhöht.
Das Licht von der Lichtquelle 2 prallt in Folge innerer
Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion an der Innenfläche 1c in
Richtung der obersten Innenfläche 1a der transparenten
Platte 1 ab. Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die
Außenfläche der
Platte 1 oberhalb der Position 1a, was bewirkt,
dass ein linearer Streifen des Fingerabdruckabbildes durch verhinderte
innere Totalreflektion (FTIR) von 1a in Richtung der Innenfläche 1d reflektiert
wird, wo er wiederum durch innere Totalreflektion oder Spiegelreflektion
in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 reflektiert wird. Der
schmale Abbildungsstreifen wird von der GRIN-Linsenanordnung 3 dann
durch innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion auf die
Innenfläche 1e reflektiert,
welche das Abbild abwärts
ausrichtet durch die Abdeckung 10 hindurch, wo es über der Ausdehnung
der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert wird. Falls eine
spiegelnde Oberfläche
an der Fläche 1e und/oder 1d verwendet
wird, kann die reflektierende Schicht an der Außenfläche der Platte 1 aufgebracht
werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist
die obere Innenfläche 1a der
Platte 1 in einem leicht erhöhten Streifen 1b umfasst,
der einen erhöhten
Andruck des Fingerabdrucks auf die abbildende Oberfläche der
Platte oberhalb 1a erhöht,
um die Abbildungsqualität
zu verbessern. Wie auch in 6 ist das
Abbild auf der linearen Sensoranordnung 4 verkürzt aber
nicht richtungsverkehrt.
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Die 8 zeigt
eine perspektivische Ansicht des in der 7 gezeigten
Sensors, mit elektronischen Komponenten, wobei die Baugruppe 8 der
linearen Sensoranordnung und die lineare LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an
die Leiterplatine (PCB) 9 angelötet sind und wobei in dieser
perspektivischen Ausicht die Enden der Sensorbaugruppe 8 zu
Darstellungszwecken abgeschnitten sind. In dieser Ansicht ist die
Ausdehnung des Fingerabdrucksensors, gemessen entlang der Ausdehnung
der transparenten Platte 1 und des erhöhten Streifens 1b,
ungefähr 19
mm oder näherungsweise
gleich der Ausdehnung eines menschlichen Fingers, obwohl Abweichungen zu
diesem Maß ebenso
zufrieden stellend funktionieren werden. Die Breite der GRIN-Linsenanordnung 3 entspricht
wenigstens der Breite der linearen Sensoranordnung 4 und
ist eingebaut oder anderweitig an der Platte 1 befestigt,
um das Fingerabdruckbild genau auf die lineare Sensoranordnung 4 zu
fokussieren. Die Lichtquelle 2 kann als lineare Leiste
aus mehreren linearen LED-Anordnungen angesehen werden, oder als
eine sonstige länglich
ausgedehnte Lichtquelle, die eine aufwärtsgerichtete Fläche aus näherungsweise
kollimiertem Licht 2a erstellt, welche ebenso der Ausdehnung
des Fingerabdruckssensors entspricht. Die Lichtfläche des
Lichtstrahls 2a ist in die Platte 1 hinein ausgerichtet
und wird durch innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion
an der Innenfläche 1c der
Platte 1 auf die Innenfläche 1a reflektiert,
um die Ausdehnung des erhöhten
Streifens 1b der Platte 1 zu beleuchten. Wenn
die Haut des Fingerabdrucks gegen die erhöhte Fläche des Streifens 1b gepresst
wird, bewirken die Leisten des Fingerabdrucks eine verhinderte innere
Totalreflektion (FITR) und absorbieren Licht an der Stelle 1a,
während
die Furchen des Fingerabdrucks die Platte nicht berühren und
folglich es dem Licht ermöglichen, durch
innere Totalreflektion von der Innenfläche 1a reflektiert
zu werden. Der schmale Streifen der Fingerabdruckabbildung von der
Ausdehnung der Fläche 1a wird
durch innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion entlang
der Ausdehnung der Innenfläche 1d reflektiert
und wird in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 ausgerichtet.
Die GRIN-Linsenanordnung 3 wirkt in der Art und Weise einer
Relay-Linse und lenkt den Abbildungsstreifen des Fingerabdrucks
ab und sendet dieses Abbild um abermals durch innere Totalreflektion
oder Spiegelreflektion entlang der Ausdehnung der Innenfläche 1e reflektiert
zu werden, die dann das Abbild abwärts ausrichtet durch die Glas-
oder Plastikabdeckung 10 hindurch, wo der schmale Streifen
des Fingerabdrucks über
der Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert
wird. Falls eine spiegelnde Oberfläche an der Fläche 1e und/oder 1d verwendet wird,
kann die reflektierende Schicht auf der Außenfläche der Platte 1 aufgebracht
sein.
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Die 9 zeigt
eine Querschnittsansicht einer praktischen Anordnung ähnlich zu
der in der 7 gezeigten, der durchstreckbare
(Durchgangsloch-Technologie) elektronische Komponenten verwendet,
wobei die Baugruppe 8 der linearen Sensoranordnung und
die lineare LED-Anordnung als Lichtquelle 2 an die Leiterplatine
(PCB) 9 angelötet sind.
In dieser Anordnung ist die Funktion der transparenten Platte in
zwei Teile aufgeteilt. Die Platte 1 ist auf der Abbdeckung 10 durch
Kleber oder andere Befestigungsmittel aufgebracht. Der Siliziumchip
der linearen Sensoranordnung 4 ist in einer Sensoreinheit 8 durch
eine transparente Plastik- oder Glasabdeckung 10 gekapselt,
die ebenso als ein Teil der optischen Bahn dient, um das Fingerabdruckbild
von der Innenfläche 1e zu
reflektieren. Die GRIN-Linsenanordnung 3 ist zwischen der
Platte 1 und der Abdeckung 10 eingebaut oder anderweitig
befestigt; die lichtundurchlässige
Schicht 1f dient zur Begrenzung des ungewünschten
Lichtes, dass die lineare Sensoranordnung 4 erreicht. Die
Oberseite der Platte 1 des Fingerabdrucksensors ragt aus
einer Öffnung
in der Eindeckung 12 leicht hervor, die ein Teil einer
Umschließung
für den
Sensor ist. Die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung) strahlt
aufwärts
in die transparente Platte 1. Die kollimierte Lichtfläche 2a prallt durch
innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion an der Innenfläche 1c in
Richtung der obersten Innenfläche 1a der
transparenten Platte 1 ab. Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die
Außenfläche der
Platte 1 oberhalb der Position 1a, was bewirkt, dass
ein Fingerabdruckabbildungsstreifen durch verhinderte innere Totalreflektion
(FTIR) an 1a in Richtung der Innenfläche 1d reflektiert
wird, wo er abermals durch innere Totalreflektion oder Spiegelreflektion
in Richtung der GRIN-Linsenanordnung 3 refleltiert
wird. Der schmale Abbidlungsstreifen von der GRI-Linsenanordnung 3 wird dann
durch innere Totalreflektion (TIR) oder Spiegelreflektion an der
Innenfläche 1e reflektiert,
die das Abbild abwärts
durch die Abdeckung 10 hindurch ausrichtet, wo es über der
Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert wird.
Falls eine spiegelnde Oberfläche
an der Fläche 1e und/oder 1d verwendet
wird, kann die reflektierende Schicht auf einer Außenfläche der Platte 1 aufgebracht
werden. Wie in 7 ist die Abbildung auf der
linearen Sensoranordnung 4 verkürzt aber nicht richtungsverkehrt.
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Die 10 zeigt
eine Querschnittsansicht eines praktischen miniaturisierten Sensors,
der einen Chip-auf-Platine-Aufbau mit Anschlussdrähten 4a für die lineare
Sensoranordnung 4 und eine Oberflächenmontagetechnik für die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung)
verwendet, wobei beide auf der Leiterplatine 9 befestigt
sind. Der Verzicht einer Baugruppe für die lineare Sensoranordnung 4 ermöglicht eine
weitere Miniaturisierung des Fingerabdruckssensors. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Platte 1 so konstruiert, um auf die Leiterplatine 9 geklebt oder
anderweitig befestigt werden zu können und um vollständig die
lineare Sensoranordnung 4 abzudecken und sie vor der Umgebung
zu schützen.
Die GRIN-Linsenanordnung 3 ist
eingebaut oder anderweitig an der Platte 1 befestigt. Der
Fingerabdruck wird optisch abgetastet in einer Art und Weise identisch
zu der in der 7 gezeigten. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die obere Innenfläche 1a der Platte 1 in
einem leicht erhöhten
Streifen 1b umfasst, der einen erhöhten Andruck des Fingerabdrucks
auf die abbildende Oberfläche
der Platte über 1a ergibt, um
die Abbildungsqualität
zu verbessern. Wie in 2 dient ein Schwamm oder ein
anderes absorbierendes oder kapilarisches Material 11 dazu,
ein Fluid auf die Haut des Fingerabdrucks aufzubringen, um einen
verbesserten optischen Kontakt mit der Platte 1 zu erzeugen.
Die Oberseite der Platte 1 des Fingerabdruckssensors ragt
durch eine Öffnung
in der Eindeckung 12 leicht hervor, die den Sensor umschließt.
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Die 11 zeigt
eine Querschnittsansicht eines praktischen unterminiaturisierten
Fingerabdrucksensors. Die Komponenten sind beidseitig auf der Leiterplatine 9 montiert.
Auf der Unterseite der Leiterplatine 9 ist die Lichtquelle 2 (lineare
LED-Anordnung) montiert,
die eine Lichtfläche
aufwärts
durch ein Langloch oder viele einzelne Löchter strahlt. Ebenso ist die
lineare Sensoranordnung 4 auf der Unterseite der Leiterplatine 9 durch
Anwendung einer „Flip-Chip"-Technologie montiert,
die entweder den Chip mit Druckschweißung mit der Plattine verbindet
und ebenso die erforderliche elektrische Kontaktierung erstellt
oder ist durch Verwendung eines speziellen elektrisch leitenden
Klebers montiert zur Verklebung der elektrischen Kontakte und zur
Halterung des Chips auf der Leiterplatine; ein Epoxidharz-Überzug 4b oder andere
geeignete Materialien können
zum Schutz der linearen Sensoranordnung 4 verwendet werden.
Da die lineare Sensoranordnung 4 mit in Richtung zur gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatine (PCB) ausgerichteten Pixeln angeklebt werden
muss, sorgt das Langloch 9b dafür, dass es dem Licht ermöglicht ist,
auf die Pixel zu scheinen. Auf der Oberseite der Leiterplatine ist
die Platte 1 aufgeklebt oder anderweitig aufmontiert. Die
GRIN-Linsenanordnung 3 ist in die Platte 1 eingebaut
oder anderweitig befestigt. In dieser Anordnung ist die optische
Bahn ansonsten gleich zu der in der 7 gezeigten.
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Die 12 zeigt
eine Querschnittsansicht eines weiteren praktischen Fingerabdruckssensors, der
Oberflächenmontagetechnologie
verwendet, um die elektronischen Komponenten der Baugruppe 8 der
linearen Sensoranordnung 8 und der Lichtquelle 2 (lineare
LED-Anordnung) an die Leiterplatine 9 anzulöten. Der
Siliziumchip der linearen Sensoranordnung 4 ist von der
Sensoreinheit 8 aufgenommnen, die durch eine transparente
Abdeckung 10 abgedichtet ist und die ebenso die transparente
Platte 1 trägt. Die
GRIN-Linsenanordnung 3 ist in der Platte 1 so eingebaut
oder anderweitig befestigt, dass die Brennweite zur Fingerabdruckabbildung
auf der linearen Sensorranordnung 4 geeignet ist. Die Oberseite der
Platte 1 des Fingerabdrucksensors ragt durch eine Öffnung in
der Deckfläche 12 leicht
hervor, die einen Teil der Sensorumhüllung darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel
scheint die Lichtquelle 2 (lineare LED-Anordnung) durch
eine brechende Oberflä che 1h aufwärts in die
transparente Platte 1, was eine im Wesentlichen kolliminierte
Lichtfläche 2a erzeugt
die im Wesentlichen senkrecht zur inneren Plattenoberfläche 1a ist.
Die Haut des Fingerabdrucks 5 berührt die Außenfläche der Platte 1 oberhalb
der Position 1a, was ein Leuchten der Leisten des Fingerabdrucks von
der Lichtquelle 2a her bewirkt. Die GRIN-Linsenanordnung 3 erfasst
einen linearen Abbildungsstreifen des Fingerabdrucks auf 1a entlang
der Lichtbahn 2b. Die Fingerabdruckabbildung von 1a wird
nicht mittels einer inneren Totalreflektion (TIR) oder verhinderten
inneren Totalreflektion (FTIR) erfasst, sondern eher durch Streulicht
von den Leisten des Fingerabdrucks. Durch Positionierung der GRIN-Linsen
zur Erfassung der Plattenoberfläche 1a unter
einem schrägen
Winkel, typischer Weise 45°,
so dass nur sehr wenig Licht von den Furchen des Fingerabdrucks übertragen
wird, erhält
man ein kontrastreiches Abbild des Fingerabdrucks. Das Licht 2c von der
GRIN-Linsenanordnung 3 wird durch innere Totalreflektion
(TIR) oder an einer Spiegelfläche
auf der Innenfläche 1e der
Platte 1 reflektiert und dann abwärts ausgerichtet und über der
Ausdehnung der linearen Sensoranordnung 4 fokussiert. Falls
eine spiegelnde Oberfläche
an der Fläche 1e verwendet wird,
kann die reflektierende Schicht auf der Außenfläche der Platte 1 aufgebracht
sein. Die in der 12 gezeigt optische Konstruktion,
mit einer einzelnen inneren Totalreflektion oder spiegelnden Reflektion
des Fingerabdruckabbildes an der Innenfläche 1e der Platte 1,
bedingt ein Fingerabdruckabbild auf der linearen Sensoranordnung 4,
das sowohl verkürzt
als auch richtungsverkehrt in Bezug zur Fingerabdruckbewegung ist.
Die Verkürzung
und Richtungsumkehr sind leicht zu erfassen und ausgleichbar durch
Anpassungen im elektronischen Auslesen der linearen Sensoranordnung 4.
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Die 12 zeigt
ebenso verschiedene optionale Weiterentwicklungen um die Funktion
zu verbessern. Die Fläche 1f der
Platte 1 ist geschwärzt
um Streulicht, das die lineare Sensoranordnung 4 erreicht,
wenn sich kein Finger auf der Platte 1 befindet zu reduzieren.
Schließlich
wirkt die Fläche 1g innerhalb
der Platte 1 als eine Barriere um Streulicht vom Strahl 2a,
das die lineare Sensoranordnung 4 erreicht, zu beseitigen.
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Die
obige Beschreibung der Vorrichtungen sind nur beispielhafte Mittel
zur Ausführung
des Verfahrens zur Erzeugung eines elektronischen Fingerabdrucksabbildes.
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In
dem die Prinzipien der Erfindung nun in den erläuterten Ausführungsbeispielen
deutlich gemacht wurden, wird für
einen Fachmann sofort offensichtlich, dass viele Abänderungen
der Aufbauten, der Anordnungen, der Größenverhältnisse, der Elemente, der
Materialen und Komponenten in der Anwendung dieser Erfindung verwendet
werden können
und dass diese andererseits insbesondere für spezifische Umgebungen und
betriebsbedingte Erfordernisse anpassbar sind, ohne von diesen Prinzipien
abzuweichen. Die Ansprüche
sind dafür
vorgesehen, solche Veränderungen
zu umfassen und gemäß jedoch
des tatsächlichen
Erfindungsumfangs einzubeziehen. Während ein Finger beschrieben wurde,
zur Erzeugung eines elektronischen Fingerabdruckabbildes, sollte
insbesondere gewürdigt
werden, dass auch andere Objekte Rippen und Täler aufweisen oder verschiedenartige
Oberflächen
(beispielsweise Zehen, Nasen u. a. menschliche Körperteile sowie als auch leblose
Oberflächen)
die in der vorliegenden Erfindung auch umfasst sind.