DE69926645T2 - Gerät zur optischen fingerabdruckeingabe - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 8 eine perspektivische Schnittansicht eines optischen Systems, identisch zu dem in der 7 dargestellten, zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die obige Beschreibung der Vorrichtungen sind nur beispielhafte Mittel zur Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung eines elektronischen Fingerabdrucksabbildes.
  • 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.

Claims (12)

  1. Abbildungsvorrichtung umfassend eine Platte (1), die aus einem transparenten Material gebildet ist, mit einer äußeren Oberfläche für die Haut eines Fingers (5) und einer gegenüberliegenden inneren Oberfläche, eine Lichtquelle (2), um Licht auf die Oberfläche der Platte, die an die Haut des Fingers (5) angrenzt, zu richten oder von ihr zu reflektieren, eine lineare Sensoranordnung (4), und eine GRIN-Linsenanordnung (3), um das Licht von der obersten inneren Oberfläche der Platte (1) auf die lineare Sensoranordnung zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche der Platte (1) einen und nur einen erhöhten Abschnitt (1b) aufweist, und die GRIN-Linsenanordnung (3) in Bezug auf die Platte (1) in einem schrägen Winkel angeordnet ist.
  2. Abbildungsvorrichtung umfassend eine Platte (1), die aus einem transparenten Material gebildet ist, mit einer äußeren Oberfläche für die Haut eines Fingers (5) und einer gegenüberliegenden inneren Oberfläche, eine Lichtquelle (2), um Licht auf die Oberfläche der Platte (1), die an die Haut des Fingers (5) angrenzt, zu richten oder von ihr zu reflektieren, eine lineare Sensoranordnung (4), und einer Relay-Linsenanordnung (3), um das Licht von der obersten inneren Oberfläche der Platte (1) auf die lineare Sensoranordnung zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche der Platte (1) exakt einen erhöhten Abschnitt (1b) aufweist, und die Relay-Linsenanordnung (3) in Bezug auf die Platte (1) in einem schrägen Winkel angeordnet ist.
  3. Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere parallele lineare Sensoranordnungen umfasst sind.
  4. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von der Lichtquelle (2) durch Reflektion an einer inneren Oberfläche der Platte (1) mittels eines Spiegels oder einer inneren Totalreflektion umgelenkt wird.
  5. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (2) durch Reflektion an einer inneren aufgerauten Oberfläche der Platte (1) umgelenkt wird.
  6. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (2) durch eine am Lichteintritt in die Platte (1) eingeformte Linse kollimiert wird.
  7. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende der Platte (1) eine Rippe (1b) entweder aus dem Plattenmaterial oder einem anderen optisch transparenten Material gebildet ist.
  8. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von der Plattenoberfläche an einer inneren Oberfläche mittels eines Spiegels oder einer inneren Totalreflektion reflektiert wird, bevor es in die fokussierenden Mittel eintritt.
  9. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von den fokussierenden Mitteln an einer inneren Oberfläche mittels eines Spiegels oder einer inneren Totalreflektion reflektiert wird, bevor es die lineare Sensoranordnung (4) erreicht.
  10. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reservoir für Flüssigkeiten in die Plattenoberfläche eingelassen ist.
  11. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass geschwärzte Flächen auf der Platte (1) umfasst sind.
  12. Abbildungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Erfassung und Messung der Fingerbewegungsgeschwindigkeit und zur Korrektur geometrischer Fehler im elektronischen Ausgangsbild angewendet wird.
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