Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
COMPACT DEVICE FOR ANAMORPHICALLY IMAGING THE SURFACE OF OBJECTS USING A REFLECTING PRISM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/098309
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for imaging the surface of objects, according to which prisms (8, 13) are provided in the detection beam path (5.2) between a scanning prism (1) and an optoelectronic sensor (4). Such optical arrangements are especially suitable for exposing fingerprints. According to the invention, at least one of the prisms (8) located in the detection beam path (5.2) is embodied as a reflecting prism comprising a radiation-receiving surface and a radiation-emitting surface which can coincide in a prism surface (10), and a reflecting back surface (9) which is struck by the irradiated light inside the prism (8).

Inventors:
BENEDIX GUENTHER (DE)
SCHULZ MATHIAS (DE)
PIEHLER EBERHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2003/003527
Publication Date:
November 27, 2003
Filing Date:
April 04, 2003
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ZEISS CARL JENA GMBH (DE)
BENEDIX GUENTHER (DE)
SCHULZ MATHIAS (DE)
PIEHLER EBERHARD (DE)
International Classes:
A61B5/117; G02B13/10; G02B17/02; G02B17/08; G06K9/00; (IPC1-7): G02B13/10; A61B5/117; G06K9/00
Foreign References:
US5625448A1997-04-29
DE4304605C11994-03-31
DE3421220A11985-12-12
EP1104908A12001-06-06
US5796858A1998-08-18
Attorney, Agent or Firm:
CARL ZEISS JENA GMBH (Jena, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Anordnung zur Abbildung von Gegenständen, bei der die Gegenstände (3) auf die Abtastfläche (2) eines Ab tastprismas (1) aufzulegen sind und im Detektionsstrah lengang (5.2) zwischen dem Abtastprisma (1) und einem optoelektronischen Sensor (4) weitere Prismen (8, 13, 18) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der weiteren Prismen als reflektieren des Prisma (8,18) ausgebildet ist, das über eine Ein strahlfläche und eine Abstrahlfläche sowie eine reflek tierende Rückfläche (9) verfügt, auf die das einge strahlte Licht im Inneren des Prismas (8,18) trifft.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Prisma zur anamorphotischen Beeinflussung des Detektionsstrahlengangs (5.2) und ein zweites Pris ma zum Ausgleich von Astigmatismus vorgesehen sind, wo bei das erste und/oder das zweite Prisma als reflektie rendes Prisma (8,18) ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Einstrahlfläche und die Abstrahlfläche in einer gemeinsamen Prismenfläche (10) zusammenfallen.
4. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Pris men (8,18) an ihrer Rückfläche (9) mit einer Spiegel schicht versehen sind oder die Rückfläche (9) auf eine Spiegelfläche aufgekittet ist.
5. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß im Detektionsstrahlen gang (5.2) mindestens ein Planspiegel (11,12, 15,16, 17) zur Ablenkung, insbesondere zur Faltung des Strah lengangs vorgesehen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgende Plan spiegel (11,12) zwischen dem ersten Prisma (8) zur anamorphotischen Beeinflussung und dem zweiten Pris ma (13) zum Ausgleich des Astigmatismus vorgesehen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei unmittelbar aufeinander folgende Planspiegel (11, 12,15) vorgesehen sind.
8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß dem optoelektronischen Sen sor (4) ein Objektiv (14) vorgeordnet ist und zwischen dem Objektiv (14) und dem optoelektronischen Sensor (4) mindestens ein optisches Element zur Ablenkung bzw. Faltung des. Detektionsstrahlengangs (5.2) vorhanden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Element bevorzugt eine Zylinderlinse, be sonders bevorzugt ein Planspiegel vorgesehen ist.
Description:
KOMPAKTE VORRICHTUNG ZUR ANAMORPHOTISCHEN ABBILDUNG DER OBERFLÄCHE VON GEGENSTÄNDEN UNTER VERWENDUNG EINES REFLEKTIERENDEN PRISMAS Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abbildung der Oberfläche von Gegenständen, bei der die Gegenstände auf die Abtastfläche eines Abtastprismas aufzulegen sind und im Detektionsstrahlengang zwischen dem Abtastprisma und einem optoelektronischen Sensor weitere Prismen vorgesehen sind. Derartige optische Anordnungen sind insbesondere zur Aufnahme von Fingerabdrücken geeignet.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen zur Ab- bildung von Gegenständen bekannt, die nach dem optischen Prinzip der gestörten Totalreflexion arbeiten.

Diesbezüglich ist in DE 34 21 220 C2 eine"Vorrichtung zur verzerrungsfreien Abbildung von schiefwinklig zur Bildebene angeordneten Gegenständen"beschrieben, bei der ein reflek- tierendes Prisma als Abtastprisma verwendet wird. Der Ge- genstand ist von außen an eine Abtastfläche des Abtastpris- mas anzudrücken, während im Inneren des Abtastprismas Be- leuchtungslicht auf. die Abtastfläche gerichtet ist. Das Be- leuchtungslicht wird innerhalb des Abtastprismas von der Abtastfläche reflektiert und nimmt dabei Bildinformationen von dem aufliegenden Oberflächenabschnitt des Gegenstandes auf.

Diese Vorrichtung, die insbesondere zur Erfassung, Untersu- chung und Identifikation von Fingerabdrücken vorgesehen ist, ist dadurch charakterisiert, daß zwischen dem Ab- tastprisma und dem bildseitigen Endabschnitt der Vorrich- tung zwei Ablenkprismen, von denen eines der anamorphoti-

schen. Vergrößerung des abzubildenden Gegenstandes, das an- dere zum Ausgleich des Astigmatismus dient, sowie ein Ob- jektiv vorgesehen sind, dem eine optische Wiedergabeein- richtung oder eine optische Auswerteeinrichtung nachgeord- net ist.

Die beiden Ablenkprismen sollen in Kombination eine anamor- photische Vergrößerung ohne Auftreten von Astigmatismus bei naher Bild-und Gegenstandsebene ermöglichen, so daß eine verzerrungsarme und hochauflösende Aufnahme erzielt werden kann.

Allerdings besteht ein wesentlicher Nachteil dieser Anord- nung in dem durch die Verwendung der Ablenkprismen beding- ten Verlauf des Strahlenganges, was zur Folge hat, daß nach diesem Prinzip lediglich Geräteaufbauten mit verhältnismä- ßig großem Bauvolumen, insbesondere großer Bauhöhe, möglich sind.

Insofern genügt diese Anordnung nicht der häufig gestellten Forderung nach einer kompakten, platzsparenden Gerätebau- weise.

, Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art so weiterzu- bilden, daß der Aufbau von Geräten mit verringertem Bauvo- lumen, insbesondere mit reduzierter Bauhöhe, möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens eines der weiteren im Detektionsstrahlengang vorhandenen Prismen als reflektierendes Prisma ausgebildet ist, das über eine Einstrahlfläche, eine reflektierende Rückfläche,

auf die das eingestrahlte Licht im Inneren des Prismas trifft, sowie über eine Abstrahlfläche verfügt.

Da aufgrund des Einsatzes reflektierender Prismen nun nicht mehr wie im Stand der Technik der optische Weg durch Ab- lenkprismen hindurchgeführt wird, läßt sich eine erhebliche Verringerung der Höhe bei Geräten erzielen, die nach den erfindungsgemäßen Merkmalen aufgebaut werden.

Vorteilhaft können die reflektierenden Prismen so gestaltet sein, daß die Einstrahlfläche und die Abstrahlfläche in ei- ner gemeinsamen Prismenfläche zusammenfallen, so daß das Detektionslicht durch dieselbe Fläche, durch die es in das Prisma eintritt, wieder aus dem Prisma herausgeführt wird.

Erfindungsgemäß können sowohl das Prisma zur anamorphoti- schen Vergrößerung als auch das Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus-als reflektierende Prismen ausgebildet sein.

Jedoch sind auch Ausführungen denkbar, bei denen entweder nur das eine oder das andere dieser beiden Prismen reflek- tierend ausgebildet ist.

Auf diese Weise. läßt sich auch bei gleichbleibender Länge des optischen Weges die Kompaktheit eines entsprechenden Gerätes nach Bedarf verkürzen.

Reflektive Prismen lassen sich beispielsweise herstellen, indem eine der Einstrahlfläche des Prismas gegenüberliegen- de Fläche, im Sinne dieser Erfindung als Rückfläche be- zeichnet, mit einer Spiegelschicht versehen wird oder diese Fläche auf eine Spiegelfläche aufgekittet wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist im Detektionsstrahlengang zwischen dem Ab- tastprisma und einem Objektiv, das dem optoelektronischen Sensor vorgeordnet ist, weiterhin mindestens ein Planspie- gel zur Ablenkung des Strahlenganges zwecks Faltung vorge- sehen.

Diese Faltung dient der weiteren Reduzierung des zwischen dem Abtastprisma und dem optoelektronischen Sensor gemesse- nen Abstandes bei Beibehaltung der erforderlichen optischen Weglänge, indem der Strahlengang beispielsweise vom einem Prisma zunächst auf einen Planspiegel von diesem zu einem weiteren Prisma oder vom Planspiegel auf mindestens einen weiteren Planspiegel gerichtet ist und dabei mit der Ver- bindungsgeraden-zwischen den Prismen einen mehr oder weni- ger spitzen Winkel einschließt.

In bewährten Ausgestaltungen der Erfindung sind zwischen dem Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung und dem Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus zwei oder auch drei Plan- spiegel vorgesehen.

Zwischen dem Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus und dem optoelektronischen Sensor ist ein Objektiv angeordnet, von dem der Detektionsstrahlengang auf den optoelektronischen Sensor gerichtet ist. Dabei kann in einer zusätzlichen. Aus- gestaltung der Erfindung zwischen dem Objektiv und dem op- toelektronischen Sensor mindestens ein weiteres optisches Element vorhanden sein, das den Strahlengang nochmals ab- lenkt und damit insbesondere eine Verkürzung der Baulänge des Gerätes ermöglicht. Als ein solches optisches Element kann bevorzugt ein Planspiegel vorgesehen sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, das Prisma zum Ausgleich des Astigmatismus durch eine Zylinderlinse zu er- setzen, um eine technisch äquivalente Wirkung zu erzielen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in Fig. 1 den Strahlengang eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem das Prisma zur anamorphotischen Vergröße- rung als reflektierendes Prisma ausgebildet ist, dem zwei Planspiegel zur Faltung des Strahlenganges nachgeordnet sind, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Prisma zur anamorphotischen Vergrößerung ebenfalls als re- flektierendes Prisma ausgebildet ist, jedoch drei Planspiegel zur Faltung des Strahlenganges nachge- ordnet sind, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Planspiegel vorgesehen sind, wobei zwischen denen der Strahlen- gang mehrfach hin und her geworfen wird.

In Fig. 1 ist ein Abtastprisma 1 dargestellt, das eine Ab- tastfläche 2 aufweist, auf die ein Gegenstand 3 aufgelegt ist. Der aufliegende Oberflächenabschnitt des Gegenstan- des 3 soll auf die Empfangsfläche eines optoelektronischen Sensors 4, beispielsweise den CCD-Sensor einer optoelektro- nischen Kamera, abgebildet werden.

Zu diesem Zweck wird Licht in einem~Beleuchtungsstrahlen- gang 5.1 durch eine Einstrahlfläche 6 in das Abtastprisma 1

eingestrahlt und im Inneren des Abtastprismas 1 an der Ab- tastfläche 2 reflektiert. Dabei nimmt. das Licht Bildinfor- mationen, beispielsweise über das Papillarlinienmuster ei- nes aufliegenden Fingers, auf, tritt in einem Detektions- strahlengang 5.2 durch die Abstrahlfläche 7 wieder aus dem Abtastprisma 1 aus und gelangt zu einem weiteren Prisma 8, das der anamorphotischen Vergrößerung dient.

Das Prisma 8 ist erfindungsgemäß als reflektierendes Prisma ausgebildet und weist demzufolge an seiner Rückfläche 9 ei- ne Verspiegelung auf. Das hat zur Folge, daß der durch die Prismenfläche 10 in das, Prisma 8 eintretende Detektions- strahlengang 5.2 nicht wie bisher im Stand der Technik üb- lich an der gegenüberliegenden Fläche wieder austritt und dabei lediglich ablenkt wird, sondern an der Rückfläche 9 reflektiert wird und durch die Prismenfläche 10 auch wieder austritt.

Dies hat den Vorteil, daß aufgrund der Verspiegelung nur kleine Prismenwinkel erforderlich sind und dadurch bereits eine Faltung möglich wird.

Im weiteren Verlauf trifft der Detektionsstrahlengang 5.2 auf einen ersten Reflektor 11, wird von diesem in Richtung auf einen zweiten Reflektor 12 ablenkt und auf ein Pris- ma 13 gerichtet, das der Korrektur von Astigmatismus dient und das in diesem Falle als Ablenkprisma ausgebildet ist.

Zwischen dem Prisma 13 und dem optoelektronischen Sensor 4 ist ein Objektiv 14 angeordnet, von dem der Detektions- strahlengang 5'.-2 auf die Empfangsfläche des optoelektroni- schen Sensors 4 gerichtet ist.

Dabei symbolisieren die 11 die Baulänge und die hl die Bau- höhe eines nach den erfindungsgemäßen Merkmalen aufgebauten optischen Gerätes. Es ist ersichtlich, daß die Baulänge 11 wesentlich kürzer ist als der optische Weg des Detektions- strahlengangs 5.2 vom Abtastprisma 1 bis zum optoelektroni- schen Sensor 4, und daß die Bauhöhe hl wesentlich verrin- gert ist gegenüber Anordnungen aus dem Stand der Technik, bei denen der Detektionsstrahlengang an dieser Stelle durch ein Ablenkprisma hindurchgeführt wird.

Die Verringerung der Baulänge 11 und vor allem der Bauhöhe hl wird erreicht durch die Ausbildung des Prismas 8 als re- flektierendes Prisma sowie durch den mehrfachen Richtung- wechsel des Detektionsstrahlengangs 5.2 an den Reflekto- ren 11 und 12.

Abweichend von der Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung nach dem vorgenannten Beispiel zeigt Fig. 2 ein Ausgestal- tungsbeispiel, bei dem im Verlauf des Detektionsstrahlen- gangs 5. 2 zwischen dem Prisma 8 und dem Ablenkprisma 13 nicht zwei, sondern drei Reflektoren 11,12 und 15 vorgese- hen sind. Aufgrund der nochmaligen Richtungsumkehr des De- tektionsstrahlengangs 5.2 mittels des Reflektors 15 läßt durch Beeinflussung der Baulänge 12 und der Bauhöhe h2 die Kompaktheit des Gerätes noch weiter erhöhen.

In dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind dem Prisma 8 zwei Reflektoren 16 und 17 nachgeordnet, zwischen denen der Detektionsstrahlengang 5.2 mehrfach hin und her geworfen wird, was zur Reduzierung der Baulänge 13 und der Bauhöhe h3 und somit zur Kompaktheit des Geräteaufbaus bei-

trägt. Außerdem ist hier, abweichend von den beiden vorher- gehenden Aüsführungsbeispielen, das zur Korrektur des Astigmatismus dienende Prisma nicht als Ablenkprisma, son- dern als reflektierendes Prisma 18 ausgebildet.

In einem weiteren denkbaren, zeichnerisch nicht dargestell- ten Beispiel kann zwischen dem Objektiv 14 und dem opto- elektronischen Sensor 4 ein weiterer Planspiegel vorgesehen sein, der den Detektionsstrahlengang 5.2 nochmals ablenkt und so eine weitere Verkürzung der Gerätebaulänge ermög- licht.

Bezugszeichenliste 1 Abtastprisma 2 Abtastfläche 3 Gegenstand 4 optoelektronischer Sensor 5.1 Beleuchtungsstrahlengang 5.2 Detektionsstrahlengang 6 Einstrahlfläche 7 Abstrahlfläche 8 Prisma 9 Rückfläche 10 Prismenfläche 11,12 Reflektoren 13 Ablenkprisma 14 Objektiv 15 Reflektor 16,17 Reflektoren 18 Prisma