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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Akquisitionsvorrichtung
für die
Benutzung in einem Erfassungs- und Erkennungssystem. Insbesondere
enthält
die vorliegende Erfindung eine optische Akquisitionsvorrichtung
zum Erhalten kontrastreicher und verzerrungsarmer Bilder gemusterter
Objekte.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Erkennungssysteme
für gemusterte
Objekte werden in industriellen und kommerziellen Bereichen gebräuchlich,
und haben eine Vielfalt von Anwendungen. Z.B. können solche Systeme in Scannern
zum Scannen von Texten, Zeichnungen und Fotografien benutzt werden.
In letzter Zeit haben Hersteller versucht die Kosten, die mit einem
Muster-Erkennungssystem verbunden sind, zu reduzieren, um sie für die Verbraucherbenutzung
realisierbarer zu machen. Eine solche Verbraucheranwendung für Muster-Erkennungssysteme
enthält
die Fingerabdruckakquisition und -erkennung. Solch ein System ist
z.B. nützlich
für die
Verbesserung der Computersicherheit durch Lesen des Fingerabdrucks
eines potentiellen Benutzers und zum Vergleichen mit den Fingerabdrücken von
Benutzern, die autorisiert sind den Computer zu benutzen oder Zugang
zu gewissen Daten oder Funktionen des Computers haben. Solch ein System
könnte
z.B. den Platz eines Sicherheitssystems einnehmen, das einen Login-Namen
und ein Passwort benutzt.
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Die
erste Sache, zu der ein solches Fingerabdruck-Erkennungssystem oder
jedes Muster-Erkennungssystem
in der Lage sein muss zu tun, ist die akkurate Erfassung des Fingerabdrucks
oder anderer Muster für
eine Analyse. Es existiert eine Anzahl von Mechanismen für eine solche
Erfassung von Musterdaten. Z.B. US-Patent Nr. 3,975,711; 4,681,435;
5,051,576; 5,177,435 und 5,233,404 beschreiben alle Vorrichtungen
zum Akquirieren eines Bildes eines gemusterten Objekts.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines solchen optischen Fingerabdruckerfassungs- und -erkennungssystems
des Stands der Technik. In 1 enthält ein optisches
Erfassungssystem 108 eine Lichtquelle 112, ein
optisches Dreiecksprisma 110, eine Linsenbaugruppe 114,
einen Bildsensor 116 und eine Speicher- und Verarbeitungseinheit 125.
Das Prisma 110 enthält
eine Abbildungsoberfläche 118,
eine Lichtempfangsoberfläche 120 und
eine Sichtoberfläche 122.
Die Abbildungsoberfläche 118 ist
die Oberfläche,
gegen welche ein gemustertes Objekt, wie z.B. ein Fingerabdruck,
zum Abbilden gelegt wird. Die Lichtquelle 112, welche z.B.
eine lichtemittierende Diode (LED) sein kann, ist benachbart zu der
Lichtempfangsoberfläche 120 angeordnet
und erzeugt einfallendes Licht 124, das an das optische Prisma 110 gesandt
wird. Das optische Prisma 110 ist ein gleichschenldiges,
rechtwinkliges Dreieck, dessen Winkel gegenüber der Abbildungsoberfläche 118 etwa
90 Grad beträgt
und die beiden anderen „Basis" Winkel (d.h. die
beiden Winkel eines gleichschenkligen Prismas, die gleich sind)
betragen beide etwa 45 Grad.
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Allgemein
trifft einfallendes Licht 124 die Abbildungsoberfläche 118 in
einem Winkel 126 mit der Einfallsoberflächennormalenlinie 115.
Der Winkel 126 ist größer als
der kritische Winkel 128. Im Allgemeinen wird ein kritischer
Winkel zwischen einem einfallenden Lichtstrahl und einer Normalenlinie
auf eine Oberfläche
gemessen. Über
einem kritischen Winkel wird das einfallende Licht eine interne
Totalreflexion an der Oberfläche
erfahren und unterhalb des kritischen Winkels wird das einfallende
Licht durch die Oberfläche
hindurchtreten. Dementsprechend ist der kritische Winkel 128 der
Winkel der Normalenlinie zur Abbildungsoberfläche 118, über dem
einfallendes Licht von der Abbildungsoberfläche 118 intern totalreflektiert
wird und aus dem Prisma 110 als reflektiertes Licht 130 durch
die Sichtoberfläche 122 austritt. Reflektiertes
Licht 130 tritt durch die Linsenbaugruppe 144,
die sich benachbart zu der Sichtoberfläche 122 befindet,
hindurch. Die Linsenbaugruppe 114 kann eine oder mehrere
optische Linsen enthalten. Danach wird das Licht von der Linsenbaugruppe 114 durch
den Bildsensor 116 erfasst. Der Bildsensor 116,
der z.B. ein Ladungskopplungsspeicher (CCD) oder ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS)
sein kann, erfasst optische Lichtbilder und konvertiert diese in
elektrische Signale. Solche Bildsensoren sind denen, die in dieser
Technik qualifiziert sind, gut bekannt. Die elektrischen Signale werden
dann an die Speicher- und Verarbeitungseinheit 125 übertragen.
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Die
Speicher- und Verarbeitungseinheit 125 kann eine Speichereinheit,
einen Prozessor und einen Analog- zu- Digital Konverter (nicht gezeigt)
enthalten. Der Analog- zu- Digital Konverter konvertiert das analoge
elektrische Signal von dem Bildsensor 116 in digitale Daten.
Der Speicher wird zum Speichern der digitalen Daten und Algorithmen
zum Vergleichen eines erfassten Fingerabdruckbildes mit einem gespeicherten
Fingerabdruckbild benutzt. Der Prozessor vergleicht die erfassten
digitalen Daten mit Daten, die vorher in dem Speicher gespeichert
wurden, basierend auf einem Algorithmus zum Vergleichen solcher
Daten. Der Prozessor kann die erfassten Daten auch für Zwecke
verschieden von denen des Vergleichs mit den gespeicherten Daten analysieren.
Solche Speicher und Prozesseinheiten sind für solche, die qualifiziert
in der Technik sind, bekannt und können Standardpersonalcomputer,
die mit geeigneter Software ausgestattet sind, enthalten. Algorithmen
zum Verarbeitung und Vergleichen von Bilddaten sind z.B. in US-Patent Seriennr.
4,135,147 und 4,688,995 beschrieben, wobei jede von ihnen in ihrer Gesamtheit
unter Bezugnahme enthalten ist.
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Wird
ein Fingerabdruck auf die Abbildungsoberfläche 118 des optischen
Prismas gehalten, berühren
Erhöhungen 111 des
Fingerabdrucks die Abbildungsoberfläche 118 und Vertiefungen 109 des Fingerabdrucks
bleiben berührungslos
mit der Abbildungsoberfläche 118.
Folglich erfährt
in Fingerabdrucksvertiefungen 109 das von der Lichtquelle 112 in
das optische Prisma 110 einfallende Licht 124 interne
Totalreflexion an der Abbildungsoberfläche 118, wenn der
Einfallswinkel des eintretenden Lichtes den kritischen Winkel des
optischen Prismas 110 überschreitet.
Jedoch wird an den Erhöhungen 111 eines
Fingerabdrucks etwas von dem einfallenden Licht 124 absorbiert
und von der Fingerabdruckserhöhung
gestreut. Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff „gestreut" Licht, welches nach
Auftreffen auf eine irreguläre
Oberfläche
von der irregulären
Oberfläche
irregulär
reflektiert oder in vielfache Richtungen abgestrahlt wird.
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Als
ein Ergebnis dieser Streuung und/oder Absorption gibt es weniger
als interne Totalreflexion des einfallenden Lichtes 124 an
den Fingerabdruckerhöhungen 111.
Folglich ist die Intensität
des reflektierten Lichtes 130, das das Prisma 110 von
den Vertiefungen 109 eines Fingerabdrucks verlässt von einer
größeren Intensität als das
reflektierte Licht 130, das das Prisma 110 von
den Erhöhungen 111 verlässt. Das
von den Erhöhungen 111 mit
niedrigerer Intensität
reflektierte Licht 130 wird, zum Anzeigen der Anwesenheit
eines Objektes an der Stelle des Einfalls zwischen dem Lichtstrahl
und der Fingerabdruckoberfläche,
in dunklere Bereiche umgewandelt. Umgekehrt wird das mit höherer Intensität reflektierte
Licht 130, wie z.B. das das interne Totalreflexion erfährt, zum
Anzeigen der Abwesenheit eines Objekts an der Stelle des Einfalls
zwischen dem einfallenden Licht 124 und der Abbildungsoberfläche 118,
in hellere Bereiche umgewandelt. Dies erlaubt die Unterscheidung
der dunkleren Fingerabdruckerhöhungen 111 von
den relativ helleren Fingerabdruckvertiefungen 109. Da
die Absorption des an den Fingerabdruckerhöhungen 111 einfallenden
Lichtes hauptsächlich
für die
Erzeugung eines Fingerabdruckbildes verantwortlich ist, wird das
System 108 als ein „Absorptions"-Abbildungssystem
bezeichnet.
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Das
oben beschriebene System erlaubt eine Erfassung eines optischen
Fingerabdruckbildes und eine Verarbeitung der elektrischen Darstellung
des optischen Fingerabdruckbildes. Jedoch er fährt das einfallende Licht in
Bereichen der Fingerabdruckerhöhungen 111 weiterhin
etwas interne Totalreflexion und etwas Streuung in einer Richtung
parallel zu dem reflektierten Licht 130. Folglich kann
der Intensitätsunterschied
zwischen dem von den Fingerabdruckvertiefungen 109 und
den Fingerabdruckerhöhungen 111 reflektierten
Licht 130 relativ gering sein. D.h. der Kontrast zwischen
den Fingerabdruckerhöhungen 111 und
-vertiefungen 109 in dem Fingerabdruckbild kann relativ
gering sein. Das kann Bilderhaltung, -verarbeitung und -vergleich
relativ schwierig machen.
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Zusätzlich neigt
das optische Erkennungssystem 108 dazu, aufgrund des relativ
großen
Abstandes zwischen dem optischen Prisma 110 und der Linsenbaugruppe 114,
relativ groß zu
sein. Der große Abstand
zwischen dem optischen Prisma 110 und der Linsenbaugruppe 114 wird
durch die Tatsache verursacht, dass ein Fingerabdruck auf der Abbildungsoberfläche 118 eher
größer ist
als die erste Linse der Linsenbaugruppe 114. Folglich wird,
wenn die Linsenbaugruppe 114 relativ nah an die Sichtoberfläche 122 platziert
wird, die Linsenbaugruppe 114 wahrscheinlich das Fingerabdruckbild
an Punkten in der Nähe
der Ränder
des Fingerabdrucks nicht erfassen. Dadurch ist ein relativ großer Abstand
zwischen dem optischen Prisma 110 und der Linsenbaugruppe 114 in
dem System 108 wünschenswert,
weil es ein besseres Bild in der Nähe der Fingerabdruckränder bereitstellt.
Folglich kann ein relativ kompaktes Erstellen des Bilderhaltungssystems 108 problematisch sein.
Zusätzlich
kann ein relativ großer
Abstand zwischen der Sichtoberfläche 122 und
der Linsenbaugruppe 114 einen Verlust des Kontrasts des
Fingerabdruckbildes aufgrund von Lichtinterferenzen bewirken.
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Weiter
kann ein Phänomen,
das als Trapezverzerrung bekannt ist, in dem Mustererhaltungssystem 108 auftreten.
Trapezverzerrung in einem Bildgebungs- bzw. Abbildungssystem hat
den Effekt, dass die Erstellung des durch das System erzeugten Bildes
eines Quadrates als Trapez erscheint. 2 ist eine
schematische Darstellung, die zeigt warum Trapezverzerrung in dem
Bilderhaltungssystem 108 auftritt. Einfallendes Licht 124 von
der Lichtquelle 112 tritt in das Prisma 110 ein
und reflektiert das Abbildungsobjekt AB von der Abbildungsoberfläche 118. Reflektiertes
Licht 130 tritt dann von der Sichtoberfläche 122 aus
und läuft
zu den Punkten A' und
B' des Linsenzusammenbaus 114 zum
Bilden des Objektes A'B'. Betrachtet man
Objekt AB durch die Sichtoberfläche 122,
so erscheint das Objekt AB als ob es sich an einem „scheinbaren
Bild"-Objekt ab
befinden würde.
Speziell Punkt A erscheint als wäre
er an einem Punkt a in einem Abstand aa' von der Sichtoberfläche 122 und Punkt
B erscheint als wäre
er an einem Punkt b in einem Abstand bb' von der Sichtoberfläche 122. Der Abstand,
in dem ein scheinbares Bild eines Objektes von der Sichtoberfläche 122 erscheint,
wird durch den tatsächlichen
Abstand des Objektes von der Sichtoberfläche 122 dividiert
durch den Brechungsindex n des Prismas 110 gegeben. Speziell wird
der Abstand aa' gegeben
durch: aa' =
Aa'/n,wobei „n" der Brechungsindex
des Prismas 110 ist. Ähnlich, bb' =
Bb'/n.
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Trapezverzerrung
tritt auf, wenn die Lichtweglänge
von dem scheinbaren Abbild eines Objektes zu der Linsenebene des
Linsenzusammenbaus 114 für verschiedene Teile des abgebildeten
Objektes verschieden ist. Trapezverzerrung tritt speziell im System 108 auf,
weil der Abstand aA' größer ist
als der Abstand bB'.
Wie die oberen Gleichungen klarmachen, kann Trapezverzerrung nur
dann auftreten, wenn Licht durch ein Objekt tritt, das einen Brechungsindex
aufweist, der nicht gleich 1 ist (vorausgesetzt das Objekt ist in
der Luft, welche einen Brechungsindex von n = 1 aufweist).
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Um
diese Verzerrung zu korrigieren, haben Hersteller des Standes der
Technik die Linsenebene 107 des Linsenzusammenbaus 114 und
den Bildsensor 116 zum Erhöhen des Abstandes bB' und zum Verringern
des Abstandes aA' bis
zu einem Punkt, an dem die zwei Abstände in etwa gleich sind, geneigt. Jedoch
ist es eine Eigenschaft eines gleichschenklig-rechtwinkligen Prismas
(d.h. ein Dreiecksprisma, in dem die Basiswinkel etwa 45 Grad betragen
und der Nichtbasiswinkel oder Scheitelwinkel etwa 90 Grad beträgt), dass
das reflektierte Licht 130 das Prisma 110 im Allgemeinen
senkrecht aus der Sichtoberfläche 122 austritt.
D.h., dass keine Brechung des reflektierten Lichtes 130 auftritt,
wenn es aus der Sichtoberfläche 122 austritt.
Weiter, im Allgemeinen, je größer der
Einfallswinkel auf eine Oberfläche
eines transparenten Objekts, desto größer der Anteil von einfallendem
Licht, das von der Oberfläche
reflektiert wird. Folglich, während
das Neigen des Linsenzusammenbaus 114 die Trapezverzerrung
reduzieren kann, bewirkt sie auch eine größere Reflektion des reflektierten
Lichtes 130 von der Oberfläche des Linsenzusammenbaus 114 und
der Oberfläche
des Bildsensor 116, weil das reflektierte Licht 130 die
Linsenbaugruppe 114 in einem größeren Einfallswinkel trifft.
Dies reduziert die Intensität
des Lichtes, das in den Bildsensor 116 eintritt und macht
die Bildverarbeitung und den Bildvergleich schwieriger.
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Zusätzlich ermöglicht die
relative Anordnung der Lichtquelle 112 und des Linsenzusammenbaus 114,
dass Streulicht, das von der Lichtquelle 112 ausgesandt
wird, in die Linsenbaugruppe 114 eintritt. Dies kann zusätzlich Hintergrundlicht-„Rauschen" erzeugen, welches
weiter die Qualität
eines erfassten Bildes reduzieren kann und die Bildverarbeitung schwieriger
macht.
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Zum Überwinden
einiger der Schwierigkeiten, die mit der Bauart der oben beschriebenen
Absorptionsbilderhaltungssysteme verbunden sind, wurden Erhaltungssysteme
entwickelt, die hauptsächlich
auf Streuungsmechanismen anstatt auf Absorptionsmechanismen basieren.
Ein solches Erhaltungssystem ist in dem US-Patent Nr. 5,233,404
beschrieben, das für
J. Lougheed et al. am 3. August 1993 (Lougheed et al.) erteilt wurde. 3 ist
ein schematisches Diagramm, das den Bilderhaltungsbereich der Vorrichtung
zeigt, die von Lougheed et al. beschrieben ist. Wie in 3 gezeigt,
enthält
ein Bilderhaltungssystem 208 des Standes der Technik ein Trapezprisma 210,
eine Lichtquelle 212, eine Linsenbaugruppe 214 und
einen Bildsensor 216. Das Trapezprisma 210 enthält zumindest
eine Abbildungsoberfläche 218,
eine Lichtempfangsoberfläche 220 und
eine Sichtoberfläche 222.
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Die
Abbildungsoberfläche 218 ist
die Oberfläche,
gegen welche ein abzubildendes Objekt, wie z.B. ein Fingerabdruck,
platziert wird. Die Lichtquelle 212 zeigt und befindet
sich benachbart zu der Lichtempfangsoberfläche 220, welche im
Wesentlichen parallel zu der Abbildungsoberfläche 218 ist. Folglich projiziert
einfallendes Licht 224, das durch die Lichtquelle 212 ausgesandt
wird, Licht durch das Prisma 210 und auf die Abbildungsoberfläche 218 in
einem Winkel, der im Allgemeinen kleiner ist als der kritische Winkel 228 der
Abbildungsoberfläche 210.
Deswegen tritt in den Vertiefungen 209 eines Fingerabdruckes,
der gegen die Abbildungsoberfläche 218 platziert
ist, dort wo der Fingerabdruck die Abbildungsoberfläche nicht
berührt,
interne Totalreflexion nicht auf und einfallendes Licht 224 tritt
durch die Abbildungsoberfläche 218.
An Stellen, an denen Fingerabdruckerhöhungen 211 in Kontakt
mit der Abbildungsoberfläche 218 stehen,
trifft einfallendes Licht 224 die Fingerabdruckerhöhungen zum
Erzeugen von gestreutem (oder gleichbedeutend irregulär reflektiertem)
Licht 230. Das gestreute Licht 230 verbreitet
sich zurück
in das Prisma 210 in im Wesentlichen allen Richtungen,
enthaltend die Richtung des Linsenzusammenbaus 214, der
sich benachbart zu der Sichtoberfläche 222 befindet.
Gestreutes Licht tritt durch die Sichtoberfläche 222 und in die
Linsenbaugruppe 214, um von dem Lichtsensor 216 erkannt zu
werden, der, wie oben, ein CCD, ein CMOS oder eine andere Art von
Detektor sein kann.
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Im
Bereich einer Fingerabduckvertiefung 209 tritt einfallendes
Licht 224 durch die Abbildungsoberfläche 218. Und in dem
Gebiet einer Fingerabdruckerhöhung 211 streut
einfallendes Licht 224 von der Abbildungsoberfläche 218,
damit es von der Linsenbaugruppe 214 und dem Bildsensor 216 empfangen
wird. Dementsprechend ist das Bild des Fingerabdrucks bei den Fingerabdruckerhöhungen 211 relativ
hell und bei den Fingerabdruckvertiefungen 209 relativ
dunkel. Da gestreutes Licht 230 durch den Bildsensor 216 empfangen
wird, wird diese Art von System als ein „Streuungs"-System bezeichnet.
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Der
Intensitätsunterschied
zwischen Erhöhungen
und Vertiefungen in einem Fingerabdruckbild, das durch solch ein
Streuungssystem erzeugt wurde, kann größer sein als der Intensitätsunterschied
zwischen Erhöhungen
und Vertiefungen eines Fingerabdruckbildes, das in einem Absorptionssystem,
wie in 1 dargestellt, erzeugt wurde. Als ein Ergebnis
kann das Fingerabdruckbild, das durch solch ein Streuungssystem
erzeugt wurde, höheren Kontrast
zwischen Fingerabdruckerhöhungen
und -vertiefungen anzeigen als ein Bild, das von einem Absorptionssystem
erzeugt wurde. Folglich kann das Bild exakter von einem Bildsensor 216 erhalten
werden. Dies kann Fehler in nachfolgenden Fingerabdruckvergleichen,
die von dem System durchgeführt werden,
reduzieren. Jedoch kann ein Trapezprisma, so wie Prisma 210,
teurer herzustellen sein als ein Dreiecksprisma, wie das Prisma 110,
das in 1 dargestellt ist. Das ist deshalb, unter anderen
Gründen,
dass eine zusätzliche
Oberfläche
zu polieren ist. Dies kann den Preis eines Abbildungssystems, wie z.B.
des Abbildungssystems 208, erhöhen und es weniger praktikabel
für die
Verbraucherbenutzung machen. Weiter kann ein Trapezprisma, wie das
Prisma 210, welches groß genug ist, um bei Fingerabdruckabbildungen
benutzt zu werden, größer sein
als ähnlich
geeignete Dreiecksprismen. Folglich kann der Gebrauch eines Trapezprismas,
wie das Prisma 110, bewirken, dass ein Abbildungssystem
relativ wenig kompakt sein kann.
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Zusätzlich kann
das Bilderhaltungssystem 208 eine Trapezverzerrung eines
Fingerabdruckbildes in einer ähnlichen
Weise zu der des Bilderhaltungssystems 108 bewirken. Das
ist speziell dann der Fall, wenn die Abbildungsoberfläche 218 und
die Sichtoberfläche 220 einen
Winkel von etwa 45 Grad miteinander bilden. Wenn dies der Fall ist,
wird das Bilderhaltungssystem 208 Trapezverzerrungen, wie oben
diskutiert, erzeugen, so wie das das Bilderhaltungssystem 108 macht.
Solch ein Bilderhaltungssystem, das ein Trapezprisma benutzt, das
einen 45 Grad Winkel zwischen der Abbildungsoberfläche und der
Sichtoberfläche
aufweist, ist z.B. in dem US-Patent Nr. 5,210,588 beschrieben.
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Wie
die obige Diskussion klarmacht, gibt es einen Bedarf für verbesserte
Bilderhaltungsvorrichtungen für
die Benutzung in Erkennungssystemen gemusterter Objekte. Besonders
eine Bilderhaltungsvorrichtung, die kontrastreiche und verzerrungsarme Bilder
erzeugt, wäre
wünschenswert.
Zusätzlich
sollte die Vorrichtung relativ kompakt sein. Auch sollte die Vorrichtung
zu relativ geringen Kosten herstellbar sein, um sie für Verbraucherbenutzung
bezahlbar zu machen.
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Die
US-A-5 623 553 beschreibt eine Fingerabdruckeingabevorrichtung zum
Erkennen eines Fingerabdruckbildes. Die Vorrichtung enthält einen
optisch transparenten Block, der einen Brechungsindex aufweist,
der größer ist
als ein Brechungsindex eines den optisch transparenten Block umgebendes
Medium. Der optisch transparente Block weist eine Bilderkennungsoberfläche auf,
worauf der Finger zumindest auf einem Teil der Bilderkennungsoberfläche platziert
wird. Die Vorrichtung enthält
weiter lichtemittierende Mittel zum Emittieren von Licht zu der
Bilderkennungsoberfläche.
Das lichtemittierende Mittel ist so positioniert, dass Licht, das
von den emittierenden Mitteln emittiert wird, von innerhalb des
optisch transparenten Blocks in einem Winkel auf die Bilderkennungsoberfläche einfallend
ist, der kleiner ist als ein kritischer Winkel. Die Vorrichtung
enthält
ebenfalls Bildabtastmittel zum Empfangen von nur dem Licht, das
an der Bilderkennungsoberfläche
gestreut wurde und zu den Bildabtastmitteln ohne interne Reflektion in
dem optisch transparenten Block gerichtet wurde. Die Bildabtastmittel
sind so positioniert, dass das Licht, das an der Bilderkennungsoberfläche gestreut wurde,
nur dann die Bildabtastmittel erreicht, wenn es in einem Winkel
größer als
der kritische Winkel gestreut wurde, und wenn sie innerhalb des
optisch transparenten Blocks nicht abgelenkt wurden. Der optisch
transparente Block enthält
zumindest zwei andere Oberflächen,
wobei die Bildabtastmittel einer der zumindest zwei anderen Oberflächen zugewandt sind.
Letztendlich enthält
die Vorrichtung zusätzliche Lichtemittierungsmittel.
Der optisch transparente Block enthält ein Dreiecksprisma und die
Lichtemittierungsmittel sind derart positioniert, dass Licht, das einfallend
auf eine der zumindest zwei anderen Oberflächen ist und danach einfallend
auf die Bilderkennungsoberfläche
ist. Die zusätzlichen
Lichtemittierungsmittel sind derart positioniert, dass Licht, einfallend
auf die andere der zumindest zwei Oberflächen ist und dann einfallend
auf die Bilderkennungsoberfläche
ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine kompakte Vorrichtung
zum Bilden eines kontrastreichen, verzerrungsarmen Abbildes eines
gemusterten Objekts bereitgestellt, enthaltend:
einen Lichtrefraktor
zum Reflektieren und Brechen von Licht, enthaltend:
eine Abbildungsoberfläche, gegen
die das abzubildende gemusterte Objekt platziert wird;
mindestens
eine Lichteintrittsoberfläche,
die zur Abbildungsoberfläche
benachbart ist, und durch die Licht in den Refraktor eintritt; und
eine
Sichtoberfläche,
die zu der Abbildungsoberfläche
benachbart ist und durch die ein Bild des gemusterten Objekt projiziert
wird und die die gleiche Oberfläche,
wie die Lichteintrittsoberfläche
ist;
eine weitere Oberfläche,
die zwischen der Abbildungsoberfläche und der Lichteintrittsoberfläche positioniert
ist und verschieden von diesen ist;
mindestens eine Fokussierungslinse,
die zu der Sichtoberfläche
benachbart ist, zum Empfangen und Fokussieren eines Bildes des gemusterten
Objekts, das durch die Sichtoberfläche projiziert wird; und
mindestens
eine Lichtquelle, die sich benachbart zu der Lichteintrittsoberfläche befindet,
zum Aussenden einfallenden Lichts, das in den Lichtrefraktor zum
Erzeugen eines Bildes des gemusterten Objekts an der Sichtoberfläche eintritt,
wobei das Bild von der mindestens einen Fokussierungslinse fokussiert
wird, und wobei die Lichtquelle derart positioniert ist, dass von
ihr ausgesandtes und in den Refraktor eintretendes Licht mindestens
die weitere Oberfläche
derart trifft, bevor es die Abbildungsoberfläche trifft, dass das von der
Abbildungsoberfläche
und durch die Sichtoberfläche
projizierte Bild des gemusterten Objektes im Wesentlichen von dem
ganzen gestreuten Licht von der Abbildungsoberfläche erzeugt wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Abbildung eines gemusterten Objekts bereitgestellt, enthaltend:
Bereitstellen
eines Lichtrefraktors, der eine Abbildungsoberfläche, eine Lichtempfangsoberfläche, eine
Sichtoberfläche,
die die selbe wie die Lichtempfangsoberfläche ist, und eine weitere Oberfläche, die unterschiedlich
von der Lichtempfangsoberfläche und
der Abbildungsoberfläche
ist und sich zwischen diesen befindet, aufweist;
Platzieren
des gemusterten Objekts gegen die Abbildungsoberfläche des
Lichtrefraktors;
Projizieren von einfallendem Licht von einer
Lichtquelle durch die Lichtempfangsoberfläche des Lichtrefraktors;
Reflektieren
des einfallenden Lichts von mindestens der weiteren Oberfläche bevor
das einfallende Licht auf die Abbildungsoberfläche trifft; und
Streuen
des einfallenden Lichts von der Abbildungsoberfläche und des gemusterten Objekts
und durch die Sichtoberfläche.
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Ausführungsformen
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun, wie beansprucht, und mit anderen Beispielen,
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen die Ausführungsformen
in den 4, 5, 6A, 6B, 19 und 20 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dargestellt sind, beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Schema einer vorbekannten Bilderhaltungsvorrichtung des Standes
der Technik, die eine Absorptionsbilderhaltungstechnik anwendet.
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2 ist
ein Schema der Bilderhaltungsvorrichtung der 1, das Trapezverzerrung
darstellt.
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3 ist
ein Schema einer zweiten Bilderhaltungsvorrichtung des Standes der
Technik, die eine Streuungsbilderhaltungstechnik benutzt.
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines Bilderhaltungssystems, das ein
Prisma, eine Lichtquelle, einen Linsenzusammenbau, und einen Bildsensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
und wobei die Sichtoberfläche
des Prismas die Lichtempfangsoberfläche hiervon enthält.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht des Prismas und der Lichtquelle, die
in 4 gezeigt sind.
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6A ist
ein schematisches Diagramm des Bilderhaltungssystems, das in 4 gezeigt
ist, darstellend wie die Trapezverzerrung reduziert wird.
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6B ist
ein schematisches Diagramm, das eine Linsenbaugruppe zeigt, die
in dem Bilderhaltungssystem, das in 4 gezeigt
ist, benutzt werden kann.
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7 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Bilderhaltungssystems,
das ein Prisma, eine Lichtquelle, eine Linsenbaugruppe und einen
Bildsensor enthält,
und worin die Sichtoberfläche des
Prismas benachbart zu der Lichtempfangsoberfläche ist.
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8 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Bilderhaltungssystems,
das ein Prisma und eine Lichtquelle enthält, und worin eine Lichtquelle
benachbart zu jeder Dreiecksendfläche des Prismas ist.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht des Prismas und der Lichtquellen, die
in 8 gezeigt sind.
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10A ist eine Vorderansicht des Prismas und der
Lichtquelle, die in 8 gezeigt sind.
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10B ist eine perspektivische Teilansicht des Prismas
und der Lichtquellen, die in 8 gezeigt
sind.
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11 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Teilbilderhaltungssystems,
das Lichtquellen und ein Prisma enthält, und wobei jede Lichtquelle
eine Streifenlichtquelle enthält,
die benachbart zu einer Dreiecksendfläche des Prismas ist.
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12 ist
eine Hinteransicht des Prismas und der Lichtquelle, die in 11 gezeigt
sind.
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13 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Bilderhaltungssystems,
das ein Prisma, eine Lichtquelle, eine Linsenbaugruppe und einen
Bildsensor enthält,
und wobei einfallendes Licht interne Totalreflexion erfährt.
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14 ist
eine perspektivische Ansicht des Prismas und der Lichtquelle, die
in 13 gezeigt sind.
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15 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Lichterhaltungssystems,
das eine erste Linse, einen Linsenzusammenbau, eine Lichtquelle
und einen Bildsensor enthält.
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16 ist
eine Draufsicht der ersten Linse und der Lichtquelle, die in 15 gezeigt
sind.
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17 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Bilderhaltungssystems,
das einen Linsenzusammenbau, eine Lichtquelle und einen Bildsensor
enthält.
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18 ist
ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform
der Linse, die in 17 gezeigt ist.
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19 ist
eine Draufsicht einer Computermaus und eines Computerverbindungskabels
hierfür, wobei
die Maus ein Bilderhaltungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
aufnimmt.
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20 ist
eine perspektivische Ansicht der Computermaus, die in 19 gezeigt
ist.
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21 ist
eine Seitenansicht der Computermaus, die in 19 gezeigt
ist.
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22 ist
eine teilweise aufgebrochene Ansicht der Computermaus, die in 19 gezeigt
ist, und die ein Bilderhaltungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
aufnimmt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die 4 und 5 zeigen
ein Bilderhaltungssystem für
gemusterte Objekte 308 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Erhaltungssystem 308 enthält bevorzugt ein Dreiecksprisma 310,
eine Lichtquelle 312, eine Linsenbaugruppe 314 und
einen Bildsensor 316. Das Prisma 310 ist ein fünfflächiges gleichschenkliges
Dreiecksprisma, dessen Länge sich
in die Ebene der 4 erstreckt. Das Prisma 310 beinhaltet
eine rechteckige Abbildungsoberfläche 318, gegen welche
ein abzubildendes Objekt, wie ein Fingerabdruck 335, platziert
wird. Das Prisma 310 enthält ebenfalls eine rechteckige
Sichtoberfläche 320,
durch welche ein Abbild eines Fingerabdrucks 335, der gegen
die Abbildungsoberfläche 318 platziert
ist, aus dem Prisma 310 austritt. In den Ausführungsformen
der 4 und 5 dient die Sichtoberfläche 320 auch
als Lichtempfangsoberfläche
zum Ermöglichen,
dass Licht in das Prisma 310 eintritt. Eine Lichtstreuungsoberfläche 322 des
Prismas weist eine dritte rechteckige Oberfläche des Prismas 310 auf.
Aus den unten detaillierten Gründen,
ist die Lichtstreuungsoberfläche 322 bevorzugt eine
diffuse.
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Die
Lichtquelle 312 ist bevorzugt eine längliche LED-Anordnung, die
eine einzelne Reihe von lichtemittierenden Dioden (LEDs) aufweist,
die sich längs
(in die Ebene der 4 hinein) des Prismas 310 erstreckt.
Wenn solche LEDs als Lichtquelle 312 benutzt werden, kann
eine diffuse Abdeckung zwischen die LEDs und die Sichtoberfläche 320 zum
Bereitstellen einer gleichmäßigeren
Ausleuchtung der Abbildungsoberfläche 318 platziert
werden. Es ist jedoch auch innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden
Erfindung, dass die Lichtquelle 312 von jeder anderen Art
von Lichtquellen zum Zuführen
einfallenden Lichtes in das Prisma 310 sein kann. Bevorzugt
ist die Lichtquelle 312 längs einer Kante 338 des
Prismas 310 platziert, welche der Abbildungsoberfläche 318 gegenüberliegt.
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Die
Linsenbaugruppe 314 dient zum Empfangen von gestreutem
Licht 330 des Fingerabdrucks 335 und fokussiert
gestreutes Licht 330 auf den Bildsensor 316. Die
Linsenbaugruppe 314 kann eine einzelne Linse sein oder
kann bevorzugt aus mehreren Linsen bestehen. Am meisten bevorzugt
hat die Linsenbaugruppe 314 eine Brennweite von etwa 13,48
mm und befindet sich etwa 13,5 mm von der Sichtoberfläche 320 entfernt.
Zusätzlich,
wie in 6B gezeigt ist, welches ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform des Linsenzusammenbaus 314 ist,
besteht die Linsenbaugruppe am meisten bevorzugt aus drei Linsen 904, 906 und 908, deren
jeweilige optischen Achsen auf einer gemeinsamen optischen Achse 902 ausgerichtet
sind. Meist bevorzugt hat die Linse 904 einen Durchmesser
von etwa 17,8 mm und die beiden Linsen 906 und 908 haben
am meisten bevorzugt einen Durchmesser von etwa 6 mm. In der Linsenbaugruppe 314 kann
jede Anzahl von Linsen enthalten sein.
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Der
Bildsensor 316 erfasst optische Lichtbilder des Linsenzusammenbaus 314 und
konvertiert diese in elektrische Signale. Der Bildsensor 316 kann eine
Ladungskopplungsvorrichtung („CCD") oder jedes andere
Mittel zum Konvertieren eines Lichtsignals in entweder ein analoges
oder ein digitales elektrisches Signal sein. Bevorzugt ist der Bildsensor 316 ein
Komplementärmetalloxidhalbleiter.
CCD und CMOS Bildsensoren sind bei Fachleuten in der Technik bestens
bekannt. Die elektrischen Signale, die durch den Bildsensor 316 erzeugt
werden, können durch
bekannte Mittel verarbeitet werden und benutzt werden, um eingegebene
Muster, wie Fingerabdrücke,
zu vergleichen. Wie in dem Hintergrundsabschnitt bemerkt, sind solche
Signalverarbeitungsmittel z.B. in den US-Patenten Nr. 4,134,147
und 4,688,995 beschrieben, die unter Bezugnahme enthalten sind.
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Um
ein optisches Bild des Fingerabdrucks 335 auf dem Bildsensor 316 zu
erzeugen, wird der Fingerabdruck 335 gegen die Abbildungsoberfläche 318 platziert.
Einfallendes Licht 324 von der Lichtquelle 312 tritt
durch die Sichtoberfläche 320 in
das Prisma 310. Da sich die Lichtquelle 312 benachbart zu
der Kante 338 befindet, trifft einfallendes Licht 324 die
Streuungsoberfläche 322.
Wie oben bemerkt, ist die Streuungsoberfläche 322 bevorzugt
diffus. So also wird ein relativ hoher Anteil des einfallenden Lichtes 334,
das die Streuungsoberfläche 322 trifft, intern
in dem Prisma 310 gestreut. Dieses gestreute Licht trifft
dann auf die Abbildungsoberfläche 318. Auch
wenn die Lichtstreuungsoberfläche 322 nicht diffus
ist, wird im Wesentlichen alles einfallende Licht 324 die
Streuungsoberfläche 322 in
einem Winkel 323 treffen, der größer ist als der kritische Winkel
der Streuungsoberfläche 322.
Folglich wird das einfallende Licht von der Streuungsoberfläche 322 reflektiert werden
und die Abbildungsoberfläche 318 treffen. Zur
Verbesserung der Reflexion des einfallenden Lichtes von der Streuungsoberfläche 322 wird
in Betracht gezogen, eine verspiegelte Fläche einer Reflexionsoberfläche 381 zur
Streuungsfläche 322 hin
zu platzieren.
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Da
einfallendes Licht 324 von der Streuungsoberfläche 322 gestreut
oder direkt davon reflektiert wird, wird ein relativ hoher Prozentsatz
des einfallenden Lichtes 324 die Abbildungsoberfläche 318 in
einem Winkel 327 treffen, der kleiner ist als der kritische
Winkel 328 der Abbildungsoberfläche 318. Dementsprechend
wird einfallendes Licht 324, welches die Abbildungsoberfläche 318 in
einem Bereich dieser trifft, in dem eine Fingerabdruckvertiefung 309 ist,
keine interne Totalreflexion erfahren und wird im Wesentlichen durch
die Abbildungsoberfläche 318 durchtre
ten, so dass im Wesentlichen kein Licht, das einen Bereich der Abbildungsoberfläche 318 trifft,
in dem eine Fingerabdruckvertiefung 309 ist, durch die Abbildungsoberfläche 322 gerichtet
wird. Jedoch wird einfallendes Licht 324, das einen Bereich
der Abbildungsoberfläche 318 trifft,
in dem eine Fingerabdruckerhöhung 311 ist,
die die Abbildungsoberfläche 318 berührt, im
Wesentlichen gestreut und gestreutes Licht 330 erzeugen.
Ein Teil des gestreuten Lichts 330 wird aus dem Prisma 310 über die
Sichtoberfläche 320 austreten.
Bei dem Austritt aus dem Prisma 310 wird gestreutes Licht 330 in
die Linsenbaugruppe 314 abgelenkt, welche das gestreute Licht 330 auf
den Bildsensor 316 fokussiert.
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Weil
einfallendes Licht 324 von der Streuungsoberfläche 322 gestreut
werden kann, stellt das einfallende Licht 324 eine relativ
gleichmäßige Ausleuchtung über die
Abbildungsoberfläche 318 bereit, was
ein relativ gleichmäßiges Abbild
erzeugt. So ein gleichmäßiges Abbild
ist bevorzugt, weil es einfacher zu verarbeiten ist und mit anderen
gespeicherten Fingerabdruckdaten zu vergleichen ist. Zur weiteren
Erhöhung
der Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung über die
Abbildungsoberfläche 318 kann
der Teil der Sichtoberfläche 320,
der der Lichtquelle 312 zugewandt ist, durch Ätzlinien 370 in
der Sichtoberfläche 320,
die in 5 gezeigt sind, gestreift werden. Die Linien 370 laufen
längs des
Prismas 310 und parallel zum Scheitel 338. Die
Linien 370 bewirken eine Streuung des Lichts, das von der
Lichtquelle 312 emittiert wird, wenn es durch die Sichtoberfläche 320 tritt.
Wie oben angemerkt, verbessert diese Streuung die Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung der Abbildungsoberfläche 318.
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Zusätzlich zu
den oben beschriebenen Komponenten enthält das Bilderhaltungssystem 308 bevorzugt
ein Lichtblockierschild 350 in einem Bereich der Lichtempfangsoberfläche, der
benachbart zu der Lichtquelle 312 ist. Bevorzugt läuft das
Lichtblockierschild auf der ganzen Länge des Prismas 310 (in
die Ebene der 4 hinein). Das Lichtblockierschild 350 soll
die Menge von Streulicht von der Lichtquelle 312 reduzieren,
welches in die Linsenbaugruppe 314 eintreten könnte und
mit einem Fingerabdruckabbild interferieren oder dieses trüben könnte. Es
ist ebenfalls berücksichtigt,
dass die Oberfläche
des Lichtblockierschildes 350, die dem Inneren des Prismas 310 zugewandt
ist, verspiegelt wird. Diese Verspiegelung kann als gewünschte Erhöhung der
Intensität
des gestreuten Lichts, das auf die Abbildungsoberfläche 318 einfällt, wirken.
Zusätzlich
oder anstatt der Lichtblockieroberfläche 350 kann eine
zweite Lichtblockieroberfläche 352 zwischen
die Lichtquelle 312 und der Linsenbaugruppe 314 platziert
werden. Das Licht schild 352 erstreckt sich bevorzugt in
einem Winkel von der Sichtoberfläche 320 zum
Blockieren des Eintretens von Streulicht von der Lichtquelle 312 in
die Linsenbaugruppe 314.
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Da
die Lichtquelle 312 relativ schmal ist und sich benachbart
zu der Kante 338 gegenüber
der Abbildungsoberfläche 318 befindet,
wird im Wesentlichen alles einfallende Licht 324, das die
Abbildungsoberfläche 318 erreicht,
von der Streuungsoberfläche 322 reflektiert
oder gestreut. D.h. dass fast kein einfallendes Licht 324 der
Lichtquelle 312 die Abbildungsoberfläche 318 direkt trifft.
Um die Wahrscheinlichkeit, dass einfallendes Licht 324 direkt
die Abbildungsoberfläche 318 trifft,
ist die Lichtquelle 312 bevorzugt so konfiguriert ist,
dass sie sich nicht über eine
in 5 gezeigte Linie 360 erstreckt, die sich über die
Länge des
Prismas 310 erstreckt und die durch Verschneidung einer
zur Sichtoberfläche 320 senkrechten
Ebene definiert ist, die die Kante 365 schneidet, welche
benachbart zu der Abbildungsoberfläche 318 ist. Wenn
die Lichtquelle 312 auf der gleichen Seite dieser Linie
gehalten wird wie der Scheitel 338, dann wird im Wesentlichen
kein einfallendes Licht 324, das senkrecht von der Lichtquelle 312 emittiert
wird, direkt die Abbildungsoberfläche 318 treffen.
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Durch
Minimieren des einfallenden Lichtes 322 der Lichtquelle 312,
das direkt auf die Abbildungsoberfläche einfällt, gibt es im Wesentlichen
keine interne Totalreflexion von einfallendem Licht 324 in
Bereichen der Abbildungsoberfläche 318,
in denen Fingerabdruckvertiefungen sind. Das bedeutet, das relativ
wenig Licht von diesen Vertiefungsbereichen durch die Sichtoberfläche 320 in
die Linsenbaugruppe 314 tritt. Nahezu wird im Wesentlichen
alles Licht, das von der Abbildungsoberfläche 318 in die Linsenbaugruppe 314 tritt,
von den Fingerabdruckerhöhungen 311 auf
der Abbildungsoberfläche 318 gestreut. Dies
stellt ein Fingerabdruckabbild zur Verfügung, das einen relativ hohen
Kontrast zwischen den Fingerabdruckerhöhungen 311 und -vertiefungen 309 aufweist.
Ein solches kontrastreiches Fingerabdruckabbild ist relativ einfach
zu verarbeiten und mit anderen Fingerabdruckabbildern zu vergleichen
und kann daher die Verarbeitungsgenauigkeit vorteilhaft erhöhen.
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Weiter
wird die Benutzung dieser Streuungstechnik zur Bilderhaltung mit
einem Dreiecksprisma erreicht, im Gegensatz zu einem Trapezprisma,
wie dies von Lougheed im Hintergrundsabschnitt beschrieben wurde.
Da Dreiecksprismen effizienter herstellbar sind als Trapezprismen,
kann das Bilderhaltungssystem 308 vorteilhafterweise relativ
weniger teuer hergestellt werden.
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Weiterhin
streut gestreutes Licht im Allgemeinen von einem Objekt in viele
Richtungen entgegengesetzt zu im Wesentlichen einer Richtung. Folglich
kann gestreutes Licht von einem Objekt durch eine Linse über einen
weiten Bereich von Abständen ohne
eine signifikante Abnahme der Qualität des Bildes in der Nähe der Ränder des
Bildes aufgenommen und fokussiert werden. Dementsprechend kann die
Linsenbaugruppe 314 relativ nah an die Sichtoberfläche 320 ohne
signifikanten Verlust der Bildqualität platziert werden. Dies ermöglicht,
das Bilderhaltungssystem 308 vorteilhaft relativ kompakt
auszubilden.
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Zusätzlich kann
das Bilderhaltungssystem der vorliegenden Erfindung die Trapezverzerrung
reduzieren. Wie in dem Hintergrundabschnitt diskutiert, offenbart
sich Trapezverzerrung in einem Bild derart, dass es verzerrte Dimensionen
gegenüber
denen des tatsächlich
abzubildenden Objektes hat. Trapezverzerrung wird verursacht durch
eine Veränderung der
Weglängen
des Lichts von dem scheinbaren Bild eines Objekts zu der Linsenbaugruppe 314,
von einem Teil des abgebildeten Objektes zu einem anderen. Wie in 6A gezeigt,
ist jedoch in dem Bilderhaltungssystem 308 die Weglänge des
gestreuten Lichts 330 von verschiedenen Punkten des scheinbaren
Bildes 335' des
Fingerabdrucks 335 zu der Linsenbaugruppe 314 im
Wesentlichen die gleiche. Speziell der Weg AA' ist im Wesentlichen gleich dem Weg BB' und dem Weg CC'. Folglich kann Trapezverzerrung
vorteilhaft reduziert werden. Wie in 6A gezeigt,
wird grundsätzliche
Angleichung der Wege AA',
BB' und CC' durch Neigung des
Linsenzusammenbaus 314 bezüglich der Sichtoberfläche 320 ermöglicht.
Jedoch, im Gegensatz zu dem Bilderhaltungssystem 108, das
in 1 gezeigt ist, reduziert ein solches Neigen des
Linsenzusammenbaus 314 nicht die Intensität des Bildes,
das den Bildsensor 316 erreicht. Wie in dem Hintergrundabschnitt
mit Bezug auf das Bilderhaltungssystem 108 bemerkt wurde,
bewirkt ein Neigen des Linsenzusammenbaus 114, dass reflektiertes
Licht das erste Element des Linsenzusammenbaus 314 in einem
Winkel zu einer Normalenlinie dazu trifft. Dies bewirkt eine größere Reflexion
des reflektierten Lichts 130 von der Oberfläche des
Linsenzusammenbaus 114 und reduziert dabei in ungewünschter
Weise die Bildintensität am
Bildsensor 116.
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Jedoch,
wie oben bemerkt, ist das Prisma 310 ein gleichschenkliges
Prisma und hat bevorzugter Weise die Basiswinkel 340 und 341,
die über
45 Grad messen. Der Basiswinkel 340 ist der Winkel an der
Kante 365 zwischen der Abbildungsoberfläche 318 und der Streuungsoberfläche 322,
und der Basiswinkel 341 ist der Winkel an der Kante 338,
welcher gegenüber
der Abbildungsoberfläche 318 ist. Weiter
hat das Prisma 310 bevorzugt einen Brechungsindex ungleich
von 1. Folglich wird gestreutes Licht 330, welches die
Sichtoberfläche 320 trifft,
von der Normalen zur Sichtoberfläche 320 weggelenkt, wenn
es das Prisma 310 verlässt.
Als solches trifft gestreutes Licht 330 durch Neigen der
Linsenebene 307 der Linsenbaugruppe 314 die Linsenbaugruppe 314 im
Wesentlichen mit 90 Grad. Folglich gibt es keinen Verlust der Bildintensität aufgrund
von übermäßiger Reflexion
des gestreuten Lichtes an der Oberfläche des Linsenzusammenbaus 314,
und die Trapezverzerrung kann ohne Verlust der Bildintensität am Bildsensor 316 reduziert
werden. Bevorzugt messen die Basiswinkel des Prismas 310 an
den Kanten 365 und 338 bevorzugt zwischen 50 und
65 Grad einschließlich
und messen meist bevorzugt entweder 62 Grad oder 63 Grad. Wenn das
Prisma 310 Basiswinkel von etwa 62 Grad hat, ist der Brechungsindex
des Prismas 310 bevorzugt zwischen 1,71 und 1,72 und am
meisten bevorzugt etwa 1,713. Wenn das Prisma 310 Basiswinkel
von etwa 63 Grad hat, hat das Prisma 310 bevorzugt einen
Brechungsindex zwischen 1,67 und 1,70 und am meisten bevorzugt etwa 1,6935
oder 1,6968. Jedoch ist berücksichtigt,
dass das Prisma 310 jeden Brechungsindex höher als
1 hat.
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Das
Prisma 310 kann aus Glas, Acryl oder jedem anderen transparenten
Material hergestellt sein, das einen Brechungsindex verschieden
von 1 (den von Luft) hat. Prismen, die den bevorzugten Brechungsindex
und die bevorzugten Winkel haben, sind kommerziell erhältlich bei
Shinkwang Ltd. in Seoul, Korea und werden aus Glas, das die Bezeichnung
LaK-7 oder LaK-8 hat, hergestellt.
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Die
Linsenbaugruppen, wie die Linsenbaugruppe 314, sind kommerziell
bei Seoul Optical Systems Ltd. in Seoul, Korea erhältlich und
sind bevorzugt aus einem Glas gefertigt, das die kommerzielle Bezeichnung
BK7 hat. Wenn mehr als ein Element in der Linsenbaugruppe 314,
wie in 6A gezeigt, verwendet wird,
können
die einzelnen Elemente in einem Rahmen ausgerichtet und beabstandet
werden, der durch Plastikgießen
oder durch jedes andere Fabrikationsmittel, das in der Technik bekannt
ist, gefertigt wurde.
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Die
Lichtquelle 312 besteht bevorzugt aus vier Standard LEDs,
die in einer geraden Anordnung auf einer Leiterplatte positioniert
sind. Das Betreiben der LEDs ist für solche Fachleute bekannt.
Der Bildsensor 316 ist bevorzugt ein CMOS Typ Sensor und
ist kommerziell erhältlich
bei Hyudai Electronics in Seoul, Korea, VLSI Vision, Ltd. in San
Jose, Kalifornien oder Omnivision Technologies Inc. in Sunnyvale,
Kalifornien.
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Um
die Komponenten der Bilderhaltung in den relativen Positionen, wie
in 4 gezeigt, zu befestigen, kann ein Rahmen, der
Halteschlitze für
jede Komponente hat, aus Plastik gegossen oder anderweitig hergestellt
werden. Die Lichtquelle 312 kann entweder in einen Halteschlitz
benachbart zu der Bildfläche 320 platziert
werden oder in Richtung der Sichtoberfläche 320 durch Verwendung
eines durchsichtigen Klebers, der in der Technik bekannt ist, befestigt
werden.
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In
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in den 4–6 gezeigt ist, befindet sich die Lichtquelle 312 benachbart
zu der Sichtoberfläche 320,
die auch die Lichtempfangsoberfläche
ist. Jedoch ist es möglich
die Lichtquelle 312 an andere Oberflächen des Dreiecksprismas zu
bewegen. Ein solches Beispiel, in der sich die Lichtquelle benachbart
zu einer Oberfläche
befindet, die eine andere als die Sichtoberfläche ist, ist in 7 dargestellt.
Wie gezeigt, enthält
ein Bilderhaltungssystem 408 ein gleichschenkliges Dreiecksprisma 410,
eine Lichtquelle 412, eine Linsenbaugruppe 414 und
einen Bildsensor 416. Wie bei dem Prisma 310 des
Bilderhaltungssystems 308 enthält das Prisma 410 eine Abbildungsoberfläche 418,
gegen welche ein Fingerabdruck 435 platziert wird, und
eine Sichtoberfläche 420,
durch welche ein Abbild des Fingerabdrucks 435 auf die
Linsenbaugruppe 414 projiziert wird.
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Jedoch
ist, wie gezeigt, die Lichtquelle 412 benachbart zu einer
Lichtempfangsoberfläche 422 platziert,
welche verschieden von der Sichtoberfläche 420 ist. Die Lichtquelle 412 ist
eine relativ schmale Lichtquelle und kann, z.B. eine einzelne Reihe
von LEDs sein. Die Lichtquelle 412 ist bevorzugt direkt benachbart
zu der Kante 448 gegenüber
der Sichtoberfläche 418 platziert
und läuft
längs des
Prismas 418 (in die Ebene der 7 hinein).
Wie die Lichtquelle 312 des Bilderhaltungssystems 308 kreuzt
bevorzugt kein Teil der Lichtquelle 412 eine Linie, die auf
der Lichtempfangsoberfläche 422 durch
die Verschneidung der Lichtempfangsoberfläche 422 und einer
Ebene definiert ist, die senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche 422 ist
und die Kante 465 gegenüber
der Lichtempfangsoberfläche 422 schneidet.
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Von
der Lichtquelle 412 einfallendes Licht 424 tritt
durch die Lichtempfangsoberfläche 422 und trifft
die Sichtoberfläche 420.
Da der Einfallswinkel eines wesentlichen Teils des einfallenden
Lichtes 424 auf die Sichtoberfläche 420 größer ist
als der kritische Winkel der Oberfläche 420, wird das
einfallende Licht von der Oberfläche 420 reflektiert
oder gestreut und trifft die Abbildungsoberfläche 418. An diesem Punkt
ist die Funktionsweise des Bilderhaltungssystems 408 im
Wesentlichen die gleiche wie der des Bilderhaltungssystems 308.
Das einfallende Licht 424 trifft die Abbildungsoberfläche in einem
Winkel kleiner als der kritische Winkel der Abbildungsoberfläche 418 und
projiziert ein Abbild des Fingerabdrucks 435 durch die
Sichtoberfläche 420 und auf
die Linsenbaugruppe 414. Dann fokussiert die Linsenbaugruppe 414 dieses
Bild auf den Bildsensor 416.
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Wie
bemerkt, wird das einfallende Licht 424 von der Sichtoberfläche 420 gestreut
oder reflektiert bevor es die Abbildungsoberfläche 418 trifft. Das
liefert vorteilhaft eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung der Abbildungsoberfläche 418.
Zusätzlich
trifft im Wesentlichen alles einfallende Licht 424 die
Abbildungsoberfläche 418 in
einem Winkel, der kleiner ist als der kritische Winkel der Abbildungsoberfläche 418.
Folglich, wie oben bezüglich
des Bilderhaltungssystems 308 diskutiert wurde, wird das
Abbild des Fingerabdrucks 435 durch die Sichtoberfläche 420 durch
im Wesentlichen das gesamte gestreute Licht 430 erzeugt.
Das ermöglicht
vorteilhaft, dass die Linsenbaugruppe 414 nah an die Sichtoberfläche 420 ohne
wesentliche Bildverschlechterung platziert werden kann, und liefert
ein relativ kontrastreiches Abbild des Fingerabdrucks 435.
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Wie
bei dem Bilderhaltungssystem 308 kann das Bilderhaltungssystem 408 auch
ein Lichtblockierschild 450 auf der Sichtoberfläche 420 enthalten,
das längs
dieser läuft
(in die Ebene der 7 hinein), und benachbart zum
Scheitel 438 ist. Die Oberfläche des Lichtschildes 424,
das zur Sichtoberfläche 420 zeigt, kann
opak, diffus oder verspiegelt sein. Zusätzlich oder alternativ kann
das Bilderhaltungssystem 408 ein zweites Lichtblockierschild 452 enthalten,
das sich entlang der Sichtoberfläche 420 erstreckt
und sich in einem Winkel davon erstreckt. Beide Lichtblockierschilder 450 und 452 dienen
zur Vermeidung der Verschlechterung eines Bildes des Fingerabdrucks 435 durch
Vermindern der Menge von Streulicht der Lichtquelle 412,
welches in die Linsenbaugruppe 414 eintreten könnte.
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Weiter,
wie bei dem Bilderhaltungssystem 308, kann die Oberfläche der
Lichtempfangsoberfläche 422 in
dem Bereich, in dem die Lichtquelle 412 zu der Lichtempfangsoberfläche 422 zeigt,
mit Linien, die die Länge
der Oberfläche 422 entlang
laufen und parallel zur Kante 438 sind, gestreift werden.
Solche Linien dienen dazu, das einfallende Licht 424 diffuser
zu machen. Wie oben erklärt,
liefert dies eine gleichmäßigere Ausleuchtung
der Abbildungsoberfläche 418.
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Weiterhin
enthält
das gleichschenklige Prisma 410 bevorzugt Basiswinkel 440 und 441,
die größer sind
als 45 Grad. Weiter bevorzugt sind die Basiswinkel 440 und 441 zwischen
50 und 65 Grad einschließlich
und messen am meisten bevorzugt entweder 62 Grad oder 63 Grad. Auch
ist der Brechungsindex des Prismas 410 bevorzugt größer als 1,5.
Als solches, wenn gestreutes Licht 430 durch die Sichtoberfläche 420 tritt,
wird gestreutes Licht 430 von einer senkrechten Linie auf
die Sichtoberfläche 420 weggelenkt.
Folglich, wie in 7 gezeigt, kann die Linsenebene
des Linsenzusammenbaus 414 bezüglich der Sichtoberfläche 420 geneigt
werden, um vorteilhaft die Trapezverzerrung zu reduzieren, und gestreutes
Licht 430 wird weiterhin in die Linsenbaugruppe 420 im
Wesentlichen senkrecht zu der Linsenebene eintreten. Folglich kann,
wie bei dem Bilderhaltungssystem 308, die Intensität des Abbildes
des Fingerabdruckes 435 relativ hoch bleiben.
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Die
Komponenten des Bilderhaltungssystems 408, das das Prisma 410,
die Lichtquelle 412, die Linsenbaugruppe 414 und
den Bildsensor 416 enthält,
können
alle die selben Komponenten sein, wie die des Bilderhaltungssystems 308.
Auch kann das Bildsystem 408 im Wesentlichen in der selben Art
und Weise wie das Bilderhaltungssystem 308 hergestellt
werden. Speziell für
die Befestigung der Komponenten der Bilderhaltung in der relativen
Position, die in 8 gezeigt ist, kann ein Rahmen,
der Halteschlitze für
jede Komponente aufweist, aus Plastik gegossen werden oder anderweitig
hergestellt werden. Die Lichtquelle 412 kann entweder in einem
Halteschlitz benachbart zu der Lichtempfangsoberfläche 422 platziert
werden oder in Richtung der Lichtempfangsoberfläche 422 mittels eines
durchsichtigen Klebers befestigt werden, der in der Technik bekannt
ist.
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Es
ist in Betracht gezogen, dass der Rahmen und die Halteschlitze,
die oben diskutiert wurden, Teile einer Standardcomputerbenutzereingabevorrichtung,
wie z.B. einer Tastatur, eines Trackballs oder einer Maus sind.
Das ist, um dem optischen Erhaltungssystem der vorliegenden Erfindung
zu ermöglichen,
in einer solchen Vorrichtung aufgenommen zu werden. Die 19 bis 22 zeigen
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der ein optisches Erhaltungssystem,
wie das System 308, in einer sonst herkömmlichen Computermaus aufgenommen
ist.
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Die 19 ist
eine Draufsicht einer Computermaus 910, in der ein optisches
Erhaltungssystem, wie das Erhaltungssystem 408, aufgenommen
ist. An der Maus 910 sind ein paralleler Anschlussverbinder 920 und
ein herkömmlicher
Computermausverbinder 930 angebracht. Es wurde auch in
Betracht gezogen, dass die Maus 910 einen seriellen Anschlussverbinder
statt des parallelen Anschlussverbinders enthält. Wie man in den 20 und 21,
die entsprechend eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht
der Maus 910 zeigen, sehen kann, kann die Abbildungsoberfläche 418 des
Prismas 410 an einem Rand der Maus 910 exponiert
sein. Dies ermöglicht
einem Benutzer, bei der Benutzung der Maus 910 einen Daumen
oder einen Finger gegen die Abbildungsoberfläche 418 zu platzieren,
damit ein Fingerabdruckabbild von einem Computer erfasst werden
kann, der mit der Maus 910 verbunden ist. Die 22 ist
ein partieller Ausbruch der Draufsicht der Maus 910, die
das darin aufgenommene Bilderhaltungssystem 408 zeigt.
Wie gezeigt, wird das Bilderhaltungssystem 408 durch die
Rahmen 917, die das Prisma 410, die Linsenbaugruppe 414 und
den Bildsensor 416 festhalten, an der Stelle gehalten.
Zusätzlich
läuft eine
Signalschaltung 406, die eine elektrische Leitung sein
kann, von dem Bildsensor 416 zu Erkennungselektroniken
(nicht gezeigt).
-
Wie
oben angemerkt, kann das Bilderhaltungssystem 308 vorteilhaft
relativ kompakt gemacht werden. Dies erleichtert die Platzierung
des Bilderhaltungssystems 308 in der Maus 910.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform enthält die Computermaus 910 beide
eine horizontale Führung 911 und
eine vertikale Führung 912 zum
Sicherstellen, dass ein Finger, dessen Fingerabdruck genommen werden
soll, genau jeweils in der horizontalen und der vertikalen Richtung
bezüglich
der Abbildungsoberfläche 318 ausgerichtet
ist. In einigen Ausführungsformen
der Computermaus kann die Benutzung von nur einer der horizontalen
oder der vertikalen Führung
für die
Ausrichtung des Fingers mit dem optischen Prisma ausreichend sein.
In der 21 ist die vertikale Führung 912 in
der Nähe
des Bodens der Computermaus gezeigt. In einer alternativen Ausführungsform
kann sich die vertikale Führung 912 eher
in der Nähe
des Oberteils der Computermaus 910 (oder gleichbedeutend
der Abbildungsoberfläche 418)
als am Boden, wie in 21 gezeigt, befinden.
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Wie
oben angemerkt, ist die Maus 910 mit einem parallelen Verbinder 920 und
einem herkömmlichen
Computermausverbinder 930 verbunden. Der parallele Verbinder 920 übermittelt
Fingerabdruckerfassungsdaten von der optischen Struktur an einen Computer,
mit dem die Zeigevorrichtung verbunden ist. Der herkömmliche
Mausanschlussverbinder transferiert Energie und andere Signale im
Bezug auf herkömmliche
Mausoperationen zwischen der Computermaus 910 und einem
Computer (nicht gezeigt), mit dem die Computermaus 910 verbunden
ist. Der herkömmliche
Mausanschlussverbinder 930 kann ein PS/2 Anschlussverbinder
sein. Es wurde ebenso in Betracht gezogen, dass der Mausanschlussverbinder 930 nicht
benutzt wird, und dass nur ein universeller Serienbusverbinder anstatt
des parallelen Verbinders 920 benutzt wird.
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Auch
wenn die obige Beschreibung in Bezug auf eine Computermaus erstellt
wurde, soll angemerkt werden, dass die optische Struktur der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit zahlreichen anderen Vorrichtungen benutzt
werden kann. Speziell kann die optische Struktur in Telefonen, Fernsehgeräten, Fahrzeugen,
Türen und
in anderen Gegenständen
eingebaut werden. Das Fingerabdruckabbild kann als ein Sicherungszugangsschlüssel durch
die zuvor genannten Gegenstände
benutzt werden und kann als ein Sicherheitszugangsschlüssel oder
Passwort für
den Zugang auf ein Computersystem, entweder beim Booten des Computers
oder bei einem Neueinstieg in das Computersystem aus einem Bildschirmschoner
heraus, benutzt werden.
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Ein
anderes Beispiel, das die Lichtquelle jedoch an einer anderen Stelle
hat, ist in den 8 bis 10 gezeigt. 8 ist
eine Seitenansicht eines Bilderhaltungssystems 508, das,
wie die Bilderhaltungssysteme 308 und 408, ein
gleichschenkliges Dreiecksprisma 510, eine Linsenbaugruppe 514 und
einen Bildsensor 516 enthält. Wie bei dem Prisma 310 des Bilderhaltungssystems 308 enthält das Prisma 510 eine
Abbildungsoberfläche 518,
gegen welche ein Fingerabdruck 535 platziert wird, und
eine Sichtoberfläche 520,
durch welche ein Abbild des Fingerabdrucks 535 auf die
Linsenbaugruppe 514 projiziert wird. Jedoch, wie das am
besten in den 9 und 10A gesehen
werden kann, welche jeweils eine perspektivische Ansicht und eine
Vorderansicht des Prismas 510 sind, enthält das Bilderhaltungssystem 508 bevorzugt
mindestens zwei einzelne Lichtquellen 512a und 512b,
wobei jede einzelne jeweils auf eine Dreiecksendoberfläche 519 und 521 (gezeigt
in 9) des Prismas 510 platziert ist. Jede
der Lichtquellen 512a und 512b ist bevorzugt eine
Anordnung von LEDs. Jedoch können
die Lichtquellen 512a und 512b jede Lichtquelle
sein, die das Innere des Prismas 510 ausleuchten. Es wurde
auch in Betracht gezogen, dass das Bilderhaltungssystem 508 nur
eine oder mehr als zwei Lichtquelle enthält.
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Der
Betrieb des Lichterhaltungssystems 508 ist in den 10A und 10B gezeigt.
Wie gezeigt wird, ist einfallendes Licht 524, das von einem
Bereich der Lichtquelle 512a in der Nähe der Abbildungsoberfläche 518 emittiert
wurde, einfallend für die
Abbildungsoberfläche 518 in
einem Winkel, der größer ist
als der kritische Winkel der Abbildungsoberfläche 518. Folglich
erfährt
einfallendes Licht 524 in Bereichen der Abbildungsoberfläche 518,
in denen die Fingerabdruckvertiefungen 509 sind, interne
Totalreflexion, und reflektiertes Licht 530a wird die Dreiecksfläche 521 des
Prismas 510 treffen. Das reflektierte Licht wird dann entweder
durch die Oberfläche 521 treten
oder von der Oberfläche 521 gestreut
werden. Andererseits wird einfallendes Licht 524, das eine
Fingerabdruckerhöhung 511 trifft,
hauptsächlich Streuung
erfahren, da ein relativ kleiner Anteil von solch einem einfallenden
Licht 524 absorbiert wird. Das gestreute Licht 530b wird
in Richtung der Sichtoberfläche 520 strahlen
und durch sie hindurch in die Linsenbaugruppe 514 gelangen.
Wie in 10B, welches eine perspektivische
Teilansicht des Prismas 510 und der Lichtquellen 512a und 512b ist,
gezeigt ist, wird das einfallende Licht 524, das von der Lichtquelle 512a oder 512b in
der Nähe
der Prismenkante 557 zwischen der Abbildungsoberfläche 518 und
der Sichtoberfläche 520 emittiert
wurde, zuerst intern total von der Abbildungsoberfläche 518 reflektiert.
Dann wird es, aufgrund der Nähe
der Sichtoberfläche 520 zu
der Abbildungsoberfläche 518, nahe
der Kante 557 intern total von der Sichtoberfläche 520 reflektiert
und tritt nicht in die Linsenbaugruppe 514 ein. Folglich
wirkt das Prisma 510 nahe der Kante 557 als ein
Lichtleiter und Licht, das die Sichtoberfläche 520 nahe der Kante 557 verlässt, ist im
Wesentlichen alles gestreute Licht von der Abbildungsoberfläche 518.
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Zusätzlich,
wieder in Bezug auf 10A, wird einfallendes Licht 524' von einem Bereich
der Lichtquelle 512a, der weiter von der Abbildungsoberfläche 518 entfernt
ist, voraussichtlich die Abbildungsoberfläche 518 in einem Winkel
kleiner als der kritische Winkel der Abbildungsoberfläche 518 treffen.
Dementsprechend wird einfallendes Licht 524' ein Abbild des Fingerabdrucks 535 in
der gleichen Weise erzeugen, wie das das einfallende Licht 324 und 424 der
jeweiligen Bilderhaltungssysteme 308 und 408 macht.
Das einfallende Licht 524' führt zu einer
Bereitstellung einer Ausleuchtung eines Bereiches der Abbildungsoberfläche 518, äquidistant
zwischen Lichtquelle 512a und Lichtquelle 512b,
und einfallendes Licht 524 führt zum Bereitstellen der Ausleuchtung
eines Bereiches nahe der Kanten der Abbildungsoberfläche 518,
welche benachbart zu den Enddreiecksoberflächen 519 und 521 sind.
Auf diesem Weg liefern die Lichtquellen 512a und 512b relativ
gleichmäßige Ausleuchtung über die
Gesamtheit der Abbildungsoberfläche 518.
Folglich kann das Bilderhaltungssystem 508 vorteilhaft
ein relativ gleichmäßiges Abbild
des Fingerabdrucks 535 erzeugen.
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Wie
oben diskutiert, erzeugt das Bilderhaltungssystem ein Abbild des
Fingerabdrucks 535 mit im Wesentlichen allem gestreuten
Licht. Folglich ist, wie bei dem Bilderhaltungssystem 308 und 408,
das durch das Bilderhaltungssystem 508 erzeugte Abbild relativ
kontrastreich. Zusätzlich
ist die Linsenbaugruppe 514, wie in 10A gezeigt,
bevorzugt breit genug, um sich von der Dreiecksfläche 519 zu
der Dreiecksfläche 521 zu
erstrecken. Folglich kann die Linsenbaugruppe relativ nah an die
Sichtoberfläche 520 platziert
werden. Das ermöglicht
vorteilhafterweise, dass das Erhaltungssystem 508 relativ
kompakter sein kann.
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Weiter
hat das Prisma 510 Basiswinkel 540 und 541,
die bevorzugt über
50 Grad messen und weiter bevorzugt zwischen 50 Grad und 65 Grad messen
und meist bevorzugt 62 Grad von 63 Grad messen. Dementsprechend
bricht, wie bei den Bilderhaltungssystemen 308 und 408,
das gestreute Licht 530a und 530b, wenn es die
Sichtoberfläche 520 verlässt. Das
ermöglicht,
dass die Linsenbaugruppe bezüglich
der Sichtoberfläche 520 geneigt werden
kann, um die Trapezverzerrung ohne wesentlichen Verlust der Bildintensität zu reduzieren.
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Obwohl
die Lichtquellen 514a und 514b, wie in den 8 bis 10 gezeigt, sich im Wesentlichen gleich
mit den jeweiligen Enddreiecksflächen 519 und 521 erstrecken
können,
wurde ebenfalls in Betracht gezogen, dass die Lichtquellen, die
sich auf den Enddreiecksflächen 519 und 521 des
Prismas 510 befinden, nur einen Teil jeder Oberfläche 519 und 521 bedecken.
Z.B. können
die Lichtquellen, wie in den 11 und 12 gezeigt,
relativ schmale Streifenlichtquellen sein. Die 11 und 12 zeigen
das Prisma 510 mit Streifenlichtquellen 572a und 572b,
die jeweils an den Dreiecksoberflächen 519 und 521 angebracht
sind. Die Streifenlichtquellen 572a und 572b laufen
jeweils entlang der Ecken 518a und 518b, an denen
die Enddreiecksoberflächen 519 und 521 jeweils
die Abbildungsoberfläche 518 treffen.
Jede der Lichtquellen 572a und 572b ist bevorzugt
eine einzelne Reihe von LEDs. Jedoch kann jede relativ schmale Streifenlichtquelle,
die das Innere des Prismas 510 ausleuchtet, benutzt werden.
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Die
Lichtquellen 572a und 572b arbeiten jeweils in
einer ähnlichen
Weise wie die jeweiligen Lichtquellen 512a und 512b,
um die Abbildungsoberfläche 518 auszuleuchten.
Da jedoch kein Teil der Lichtquellen 572a und 572b in
einem Bereich der Enddreiecksflächen
relativ distal zur Abbildungsoberfläche 518 ist, könnte die
Ausleuchtung durch die Lichtquellen 572a und 572b nicht
so gleichmäßig sein,
wie mit den Lichtquellen 512a und 512b. Jedoch
beleuchten die Lichtquellen 572a und 572b andererseits
die Abbildungsoberfläche 518 im
Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Lichtquellen 512a und 512b und
folglich bleiben alle zusätzlichen Vorteile
des Bilderhaltungssystems 508 erhalten. Weiter, da die
Lichtquellen 572a und 572b jeweils kleiner sind
als die Lichtquellen 512a und 512b, können die
Lichtquellen 572a und 572b weniger kostspielig
hergestellt werden und verbrauchen weniger Energie. Das Bilderhaltungssystem 508 kann
im Wesentlichen in der gleichen Art und mit im Wesentlichen den
gleichen Komponenten wie die Bilderhaltungssysteme 308 und 408 hergestellt
werden.
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Ein
anderes Beispiel, das, sowie es die Bilderhaltungsvorrichtung 508 macht,
ein intern totalreflektiertes Lichtabbild eines Fingerabdrucks benutzt, ist
in den 13 und 14 gezeigt.
Die 13 ist eine Seitenansicht einer Bilderhaltungsvorrichtung 608,
die ein gleichschenkliges Dreiecksprisma 610, eine Lichtquelle 612,
eine Linsenbaugruppe 614 und einen Bildsensor 616 enthält. Wie
die Prismen 310, 410 und 510, enthält das Prisma 610 eine
Abbildungsoberfläche 618,
gegen welche ein Fingerabdruck 635 platziert wird, eine
Sichtoberfläche 620, durch
welche ein Abbild des Fingerabdrucks 635 projiziert wird,
und eine Lichtempfangsoberfläche 622, durch
welche das Innere des Prismas 608 beleuchtet wird. Die
Lichtquelle 612 befindet sich benachbart zu der Lichtempfangsoberfläche 622 und
kann sich mit dieser im Wesentlichen gleich erstrecken, wie in 14 dargestellt,
die eine perspektivische Ansicht des Prismas 610 mit der
Lichtquelle 612 ist. Die Linsenbaugruppe 614 nimmt
ein Abbild des Fingerabdrucks 635 auf und fokussiert das
Abbild auf den Bildsensor 616.
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In
einer ähnlichen
Art und Weise zu der des Bilderhaltungssystems 508 trifft
einfallendes Licht 624 von der Lichtquelle 612 entweder
auf einen Bereich der Abbildungsoberfläche 618, in dem eine
Fingerabdruckerhöhung 611 oder
eine Fingerabdruckvertiefung 609 ist. Bevorzugt ist der
Scheitelwinkel 642 des Prismas 610 gegenüber der
Lichtempfangsoberfläche 622 klein
genug, so dass die Abbildungsoberfläche 618 nah genug
an der Sichtoberfläche 620 zum
Erzeugen eines Lichtleitereffekts in dem Prisma 610 ist.
D.h. wenn die Abbildungsoberfläche 518 nah
genug an der Sichtoberfläche 620 ist,
wird einfallendes Licht 624, das die Abbildungsoberfläche 618 in
einem Bereich trifft, in dem eine Fingerabdruckvertiefung 609 ist,
die Abbildungsoberfläche 618 in
einem Winkel größer als
der kritische Winkel treffen und interne Totalreflexion erfahren.
Intern totalreflektiertes Licht 630a wird dann die Sichtoberfläche 620 treffen,
und wird, bevor es durch die Sichtoberfläche 620 in die Linsenbaugruppe 614 tritt,
noch einmal interne Totalreflexion erfahren. Dies wird solange andauern,
bis das intern totalreflektierte Licht 630a entweder komplett
keilförmig
ist, oder das Prisma 610 durch den Scheitel 665 gegenüber der
Lichtempfangsoberfläche 622 verlässt. Jedoch
wird das einfallende Licht 624, das einen Bereich der Abbildungsoberfläche 618 trifft,
in dem eine Fingerabdruckerhöhung 611 ist,
hauptsächlich
von der Fingerabdruckerhöhung 611 gestreut.
Ein Teil dieses gestreuten Lichtes 630b wird das Prisma 610 durch
die Sichtoberfläche 620 verlassen
und wird durch die Linsenbaugruppe 614 aufgenommen werden,
welche das gestreute Licht 630 auf den Bildsensor 616 fokussiert.
Folglich wird das Abbild des Fingerabdrucks 635 relativ
hell an den Fingerabdruckerhöhungen 611 und
relativ dunkel an den Fingerabdruckvertiefungen 609 sein.
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In
der oben beschriebenen Art und Weise wirkt das Prisma 610 im
Wesentlichen als ein Lichtleiter, um einfallendes Licht 624 zu
enthalten, welches nicht durch eine Fingerabdruckerhöhung 611 gestreut
ist, und wird ein Abbild des Fingerabdrucks 635 durch hauptsächliche
Benutzung von gestreutem Licht erzeugen. Dementsprechend wird ein
Bild, das durch das Bilderhaltungssystem 608 erzeugt wurde,
relativ kontrastreich sein und kann dadurch relativ kompakt gemacht
werden, dass die Linsenbaugruppe 614 relativ nah an die
Sichtoberfläche 620 platziert
wird.
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Weiterhin
enthält
das gleichschenklige Prisma 610 die Basiswinkel 640 und 641,
welche größer als
50 Grad sind. Ebenso ist der Brechungsindex des Prismas 410 bevorzugt
größer als
1. Als solches wird, wenn gestreutes Licht 630 durch die
Sichtoberfläche 620 passiert,
das gestreute Licht 630 von einer auf die Sichtoberfläche 620 senkrechten
Linie weggelenkt. Folglich kann, wie in 13 gezeigt,
die Linsenebene des Linsenzusammenbaus 614 bezüglich der
Sichtoberfläche 620 geneigt
werden, um vorteilhaft die Trapezverzerrung zu reduzieren und gestreutes
Licht 630 kann weiterhin im Wesentlichen senkrecht zur
Linsenebene in die Linsenbaugruppe 620 eintreten. Folglich
kann, wie bei den Bilderhaltungssystemen 308, 408 und 508 die
Bildintensität
des Fingerabdrucks 635 relativ hoch bleiben.
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Es
ist nicht notwendig, dass ein Bilderhaltungssystem, das einen lichtleiterartigen
Refraktor, wie das Prisma 510 oder das Prisma 610,
benutzt, darauf beschränkt
ist ein Dreiecksprisma zu benutzen. Andere Lichtrefraktoren, welche
als Lichtleiter agieren, können
ebenfalls in einem Bilderhaltungssystem benutzt werden. Z.B. zeigen
die 15 und 16 jeweils
eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Bilderhaltungssystems 708,
das eine kreisförmige
konkave Linse 710, Lichtquellen 712a, 712b und 712c,
eine Linsenbaugruppe 714 und eine Bildsensor 716 enthält. Die
konkave Linse 710 enthält
eine Abbildungsoberfläche 718,
eine flache Sichtoberfläche 720 und
eine kreisförmige
Lichtempfangsoberfläche 722.
Die Lichtquellen 712a, 712b und 712c sind
bevorzugt äquidistant
um den Umfang der Lichtempfangsoberfläche 722 beabstandet.
Es wurde ebenfalls in Betracht gezogen, dass die Bilderhaltungsvorrichtung
nur eine, zwei oder mehr als drei Lichtquellen enthält.
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In
einer ähnlichen
Art wie das Prisma 610 wirkt die konkave Linse 710 als
Lichtleiter. Insbesondere trifft einfallendes Licht 724 von
den Lichtquellen 712a, 712b und 712c die
Abbildungsoberfläche 718 in
einem Winkel größer als
der kritische Winkel der Abbildungsoberfläche 718. Dementsprechend
erfährt einfallendes
Licht 724 in Bereichen der Abbildungsoberfläche 718,
in denen eine Fingerabdruckvertiefung 709 ist, interne
Totalreflexion. Das reflektierte Licht 730 verbreitet sich
dann durch die konkave Linse 710 ohne durch die Sichtoberfläche 722 zu
treten, um in die Linsenbaugruppe 714 einzutreten. Wenn das
einfallende Licht 724 auf einem Bereich der Abbildungsoberfläche 718 trifft,
in dem eine Fingerabdruckerhöhung 711 ist,
wird das einfallende Licht hauptsächlich gestreut und etwas von
dem gestreuten Licht 730 tritt durch die Sichtoberfläche 718 und wird
durch die Linsenbaugruppe 714 auf den Bildsensor 716 fokussiert.
Auf diese Weise erzeugt das Bilderhaltungssystem 708 ein
Abbild des Fingerabdrucks 735, wobei Fingerabdruckerhöhungen 711 relativ
hell und Fingerabdruckvertiefungen 709 relativ dunkel sind.
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Wenn
eine Bilderhaltungsoberfläche
benutzt wird, die eine flache Abbildungsoberfläche hat, könnte ein zweidimensionales
Bild eines Fingerabdrucks auf die Abbildungsoberfläche statt
eines eigentlichen Fingerabdrucks platziert werden. Auf diese Weise könnte es
möglich
sein die Verarbeitungs- und Vergleichsvorrichtung, die an ein Bilderhaltungssystem angeschlossen
ist, zu täuschen,
indem ein falscher Abgleich zwischen der zweidimensionalen Kopie
des Fingerabdruckes und des realen Fingerabdruckes registriert wird.
Jedoch ist die Abbildungsoberfläche 718 der
Linse 710 konkav. Folglich wäre es vorteilhaft schwieriger
ein zweidimensionales Bild eines Fingerabdrucks auf die Abbildungsoberfläche 718 zu
platzieren und dadurch die Verarbeitungs- und Vergleichsvorrichtung, die mit
dem Bilderhaltungssystem 708 verbunden ist, zu täuschen.
Zusätzlich
wird eine konkave Abbildungsoberfläche 718 sich näher an die
gekrümmte
Kontur eines Daumens oder eines Fingers, dessen Fingerabdruck abgebildet
werden soll, anpassen. Das bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist,
dass ein größerer Anteil
der Oberfläche
eines Fingerabdrucks in Berührung
mit der Abbildungsoberfläche 718 kommen
wird und dadurch ermöglicht
wird, dass ein größerer Bereich
des Fingerabdrucks abgebildet wird. Das kann vorteilhaft Fehler in
der Verarbeitung und des Vergleichs des Fingerabdrucks reduzieren.
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Auch
wenn die Objektlinse 714 des Bilderhaltungssystems 708 von
der konkaven Linse 710 getrennt ist, ist es möglich, die
erste Objektlinse in der Linsenbaugruppe 714 und die konkave
Linse, wie die Linse 710, als eine einzelne Einheit zu
formen. Solch ein Bilderhaltungssystem ist in 17 gezeigt. Das
Bilderhaltungssystem 808 enthält eine Linse 810,
die eine Abbildungsoberfläche 818 aufweist, welche
konkav ist, und eine Sichtoberfläche 822,
welche konvex ist. Das Bilderhaltungssystem 808 enthält ebenfalls
Lichtquellen 812a, 812b, welche im Wesentlichen
die selben sind wie die Lichtquellen 712a, 712b,
und kann eine dritte Lichtquelle, die im Wesentlichen die gleiche
ist wie Lichtquelle 712, enthalten. Das Bilderhaltungssystem 808 enthält ebenfalls
einen Bildsensor 816 und eine Linsenbaugruppe 814,
welche eine oder keine Objektlinse enthalten kann. Es wird auch
in Betracht gezogen, dass das Bilderhaltungssystem 808 keine
Linsenbaugruppe getrennt von der Linse 810 enthält. Stattdessen
ist es innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung die Linsenbaugruppe 814 in
die Linse 810 als eine einzelne Einheit aufzunehmen.
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Das
Bilderhaltungssystem 808 funktioniert im Wesentlichen in
der gleichen Art und Weise wie das Bilderhaltungssystem 708 und
enthält
folglich alle seine Vorteile. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen,
dass die Abbildungsoberfläche 818 der
Linse 810 eher flach als konkav ist, so wie es in 18 gezeigt
ist.
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Viele
weitgehend verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
erstellt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung,
wie durch die anhängenden
Ansprüche
definiert, abzuweichen. Es soll verstanden werden, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen, die in der Beschreibung
beschrieben sind, beschränkt
ist. Obwohl z.B. die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildung eines Fingerabdrucks
beschrieben wurden, ist jede andere Art von einem gemusterten Objekt
in Betracht gezogen, um von der vorliegenden Erfindung abgebildet
zu werden.