DE102018122918A1

DE102018122918A1 - Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken für mobile Anwendung

Info

Publication number: DE102018122918A1
Application number: DE102018122918.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Riehl; Holger FEMEL; Undine Richter; Jörg Reinhold
Original assignee: Jenetric GmbH
Current assignee: Dermalog Jenetric De GmbH
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: US11328531B2; US20210271845A1; DE102018122918B4; CN112867954A; CN112867954B; WO2020057696A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken.Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die für Personenidentifikationen nach FBI-Standard eine Anzeigeschicht direkt unterhalb der Auflagefläche (11) zulässt, wird erfindungsgemäß gelöst, indem unterhalb eines Displays (17) eine Lichtleiterschicht (141) angeordnet ist, die an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED (142) und in der Fläche Lichtauskoppelstrukturen (144) aufweist, wobei mittels Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen (144) und Unterschieden der Brechungsindizes zu Nachbarschichten eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) in Richtung Abschlussschicht (171) unter einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche (11) zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und das Display (17) eine definierte Transparenz von wenigstens 1% des aus der Lichtleiterschicht (141) ausgekoppelten Lichts aufweist, wobei zwischen Display (17) und Lichtleiterschicht (141) sowie zwischen Lichtleiterschicht (141) und Sensorschicht (13) erste und zweite Adhäsionsschichten (15, 16) vorhanden sind, deren Brechungsindizes mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes von Lichtleiterschicht (141), Display (17) und Sensorschicht (13) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken für mobile Anwendung, insbesondere zur Aufnahme von Papillarlinien von Mehrfinger- oder Handabdrücken mittels mobiler elektronischer Geräte, wie Tablet-PCs, Mobiltelefonen (Smartphones) etc..
Es gibt einerseits Systeme, die der Verifikation biometrischer Merkmale dienen, bei denen eine Übereinstimmung mit abgespeicherten Merkmalen vorliegen muss, beispielsweise um eine Zugangskontrolle für definierte Sperrbereiche zu ermöglichen.
Andere Systeme dienen der Identifikation durch den Abgleich mit Vergleichsdatenbanken, beispielsweise Pass- und Visa-Erstellung, Personenidentitätsfeststellung bei Grenzkontrollen, insbesondere an Flughäfen, oder bei der erkennungsdienstlichen Erfassung durch die Polizei. Die Anforderungen hinsichtlich Qualität, Auflösung und Originaltreue der aufgenommenen Bilder der Hautabdrücke sind bei den letztgenannten Systemen sehr umfangreich.
Nicht zuletzt aufgrund hoher Anforderungen durch mit erkennungsdienstlichen Maßnahmen betraute Organisationen, wie beispielsweise das Federal Bureau of Investigation (FBI), gibt es bei diesen Systemen ein hohes Maß an Standardisierung, um einerseits eine möglichst zweifelsfreie Erkennung zu sichern und andererseits Datensätze, die mit verschiedenen Systemen aufgenommen wurden, vergleichbar zu machen.
Zur Erfüllung dieser Anforderungskriterien wird ein qualitativ hochwertiges Systemdesign benötigt. Bei einem optischen System bedeutet das beispielsweise, dass nicht nur der Aufnahmesensor bzw. die Aufnahmesensoren den Anforderungen genügen müssen, sondern auch die Beleuchtung und alle anderen für die Bilderzeugung notwendigen Komponenten, vor allem dann, wenn große Hautflächen, also mehr als ein Finger (zum Beispiel eine komplette Hand), gleichzeitig aufgenommen werden soll.
Für die Erfassung von Finger- und Handabdrücken, welche die genannten hohen Qualitätsanforderungen erfüllen, werden derzeit unterschiedliche Systeme verwendet.
Zum einen kommen kapazitive, semi-transparente TFT-Sensoren zum Einsatz, bei denen eine Nutzerführung durch ein Display unterhalb des Sensors realisiert werden kann. Das Lesen von sicherheitsrelevanten Objekten wie z. B. Pässen, Führerscheinen, Tickets, Bordkarten, etc. ist dabei allerdings nicht möglich, sodass ein separates Gerät oder zumindest eine zusätzliche optische Sensorschicht notwendig wäre, welche aber die Gerätekosten in die Höhe treiben würde.
Zum anderen drängen Anordnungen auf den Markt, die eine direkte optische Abtastung der Hautabdrücke realisieren und die Vorteile einer visuellen Nutzerführung unter der Auflagefläche mit einer optischen Aufnahme von Dokumenten zusammenführen, indem optische semi-transparente TFT-Sensoren verwendet werden. Systeme bei denen hierzu ein Display unter dem optischen Sensor positioniert ist, sind bereits aus der DE 10 2015 115 484 B3 bekannt. Fungiert das Display gleichzeitig als Beleuchtung oder wird eine Hintergrundbeleuchtung verwendet, so wird das aufliegende Objekt diffus, also ungerichtet beleuchtet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird anschließend von den lichtempfindlichen Elementen des Sensors detektiert. Hierbei ist die Dicke der Abschlussschicht zwischen der Auflagefläche und den lichtempfindlichen Elementen auf wenige Mikrometer beschränkt, da Auflösung und Kontrast mit zunehmender Entfernung zwischen Sensor und Auflagefläche schnell abnehmen.
Dennoch sind auch verschiedene Lösungen bekannt, die eine größere Dicke der Abschlussschicht bei gleichbleibender Bildqualität ermöglichen bzw. erfordern.
Dazu kann einerseits das Beleuchtungslicht der Hintergrundbeleuchtung kollimiert werden, wie in verschiedenen Ausführungen aus der US 2018/0121701 A1 ( WO 2017/118030 A1 ) bekannt. Nachteilig erweist sich dabei allerdings, dass zusätzliche optische Elemente zwischen Beleuchtung und Auflagefläche integriert werden müssen, um die gewünschte Lichtformung zu realisieren. Diese zusätzliche Schicht erhöht die Dicke der gesamten Vorrichtung, ist teuer und komplex in der Herstellung.
In ähnlicher Weise ist aus der US 2018/0165497 A1 bekannt geworden, in einen Flachbildschirm einen optischen Bildsensor einzubetten, der einen Fingerabdrucksensor enthalten kann. Der Aufbau umfasst einen Anzeigebildschirm mit einem Anzeige- und einem Nichtanzeigebereich, eine Lichtleiteinrichtung, die in Länge und Breite mit dem Anzeigebildschirm übereinstimmt und auf dem Anzeigebildschirm anliegt und aus zwei mit einer niedrigbrechenden Klebstoffschicht verbundenen Deckplatten besteht, wobei die Lichteinkopplung außerhalb der Displayschicht des Flachbildschirms erfolgt, durch eine lichtbrechende Schicht unterhalb der Displayschicht unter einem Winkel zwischen 70° und 75° in die untere Deckplatte eingekoppelt und in dieser totalreflektiert weitergeleitet werden. Ein Anteil dieses totalreflektierten Lichts wird an der lichtbrechenden Schicht unter einem kleineren Winkel in die obere Deckplatte eingekoppelt und an der äußeren Grenzschicht zur Luft nach dem Prinzip der internen Totalreflexion (TIR) in Richtung des Displays zurückgeworfen, wobei es durch die niedrigbrechende Schicht transmittieren und auch die untere Deckplatte ohne Reflexion passieren kann. Da das Display ein AMOLED (active matrix organic light-emitting diode) ist, kann es auch als Sensorschicht genutzt werden. Damit kann eine Detektion von Fingerabdrücken und - durch Nutzung von IR-Licht - von Venen vorgenommen werden.
Nachteilig ist die punktuelle seitliche Einkopplung des Lichts über ein Beugungsgitter, wofür eine Laserquelle erforderlich ist, um benötigte Lichtintensitäten in einen Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch erfolgt die Ausleuchtung im Lichtleiter lediglich in einer dreieckigen Fläche und unterliegt der bekannten exponentiellen Schwächung mit zunehmender Entfernung vom Quellpunkt. Zudem ist die Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter über die üblichen Streuzentren, wie beispielsweise in der US 2018/0128957 A1 (Corning Incorporated) beschrieben, als Beleuchtung zur hochwertigen Fingerabdruckaufnahme, die den FBI-Standards genügt, dadurch beschränkt, dass der Anteil von Beleuchtungsstrahlen für das TIR-Prinzip eher klein ist. Außerdem erweist es sich als nachteilig, dass der Lichtleiter oberhalb des Displays angeordnet ist, da sich hierdurch die Bildqualität bzw. Anzeigequalität des Displays verringert, da es in einer unteren Ebene liegt, womit es weiter weg von der Anzeigefläche ist. Darüber hinaus weist ein Lichtleiter auch stets eine Trübung aufgrund der Streuzentren für die Lichtauskopplung auf, wodurch sich die Qualität der Displaydarstellungen weiter verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit in einem elektronischen mobilen Gerät zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die sich an den hohen Anforderungen der Personenidentifikation nach FBI-Standard orientiert und eine Anzeigeschicht zur Darstellung von Bildern oder Videos sowie zur Nutzerführung direkt unterhalb der Auflagefläche zulässt, ohne dass insbesondere die örtliche Auflösung der Fingerabdrücke abnimmt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Abschlussschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display und einer Sensorschicht enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente aufweist, dadurch gelöst, dass eine Lichtquelleneinheit unterhalb des Displays angeordnet ist, wobei die Lichtquelleneinheit als Lichtleiterschicht ausgebildet ist und an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED aufweist, dass die Lichtleiterschicht Lichtauskoppelstrukturen aufweist, die auf Basis eines Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht in Richtung Abschlussschicht unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Abschlussschicht an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen, dass das Display eine definierte Transparenz von wenigstens 1% des aus der Lichtleiterschicht in Richtung der Auflagefläche ausgekoppelten Lichts aufweist, dass zwischen dem Display und der Lichtleiterschicht eine erste Adhäsionsschicht sowie zwischen der Lichtleiterschicht und der Sensorschicht eine zweite Adhäsionsschicht vorhanden sind, wobei die erste und die zweite Adhäsionsschicht einen gleich großen Brechungsindex aufweisen, der mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht, des Displays und der Sensorschicht ist, deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 2,0 liegen.
Vorteilhaft weist die LED-Lichteinkopplung eine der LED nachgeordnete Vorkollimationsoptik an der Schmalseite der Lichtleiterschicht auf, mit der in dem jeweils in die Lichtleiterschicht eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen. Dabei ist die Vorkollimationsoptik zweckmäßig ein refraktives optisches Element, vorzugsweise eine an der Schmalseite der Lichtleiterschicht eingearbeitete konvexe oder GRIN-Linse oder innerhalb der Lichtleiterschicht in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht niedrigerem Brechungsindex ausgebildet.
In einer bevorzugten Gestaltung sind eine Vielzahl von eng benachbarten LED mit Vorkollimationsoptiken entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht so angeordnet, dass Auslesebereiche auf der Auflagefläche vorhanden sind, bei denen sich die Strahlenbündel der LED weder in horizontaler noch in vertikaler Richtung überlagern, in denen Hautabdrücke mit hoher örtlicher Auflösung aufnehmbar sind, und weiterhin Zwischenbereiche vorhanden sind, in denen keine Informationen über Hautabdrücke vorliegen. Dabei weist ein Authentifizierungsbereich der Auflagefläche vorteilhaft eine hohe Dichte an Auslesebereichen mit einem Anteil von > 50% auf und ist für nahezu lückenlose Aufnahmen von Hautabdrücke mit hoher örtlicher Auflösung für Authentifikationsanwendungen (Home Button) ausgebildet. Des Weiteren weist ein Bereich der Auflagefläche zweckmäßig eine geringe Dichte von Auslesebereichen mit einem Anteil an Zwischenbereichen von >50% auf und ist deshalb lückenhafte Aufnahmen von Hautabdrücken mit hoher örtlicher (vertikaler und horizontaler) Auflösung für niedrige sicherheitsrelevante Anwendungen und Erfassung von Fingergesten ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED an einer durch Einkürzung wenigstens einer Ecke der Lichtleiterschicht vorhandenen Schmalseite angeordnet, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen kompensiert ist. Dabei ist vorteilhaft eine Streuscheibe zwischen LED und Lichtleiterschicht zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel angeordnet, sodass die Lichtauskoppelstrukturen keinen Lichtabfall an den der eingekürzten Ecke benachbarten Randbereichen der Lichtleiterschicht kompensieren müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung ist unter der transparenten Lichtleiterschicht eine weitere Lichtleiterschicht angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht durch einen wie bei der ersten und zweiten Adhäsionsschicht niedrig gewählten Brechungsindex verbunden.
Zweckmäßig weisen die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht eine Lichteinkopplung an zueinander gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers auf. Dies ist interessant, um auf die zweite Lichtleiterschicht auszuweichen, falls der Hautabdruck, welcher mit der ersten Lichtleiterschicht gemacht wurde zu schlecht ist (Defektspalten, Pixel, nasser Finger, trockener Finger, etc.) Hier kann also ein zweites Bild aufgenommen werden, das zum ersten Bild verschoben ist und eventuell auch mit anderen Wellenlängen/Winkel aufgenommen wurde. Dabei koppelt die weitere Lichtleiterschicht zweckmäßig in gleicher Weise zur Richtung der Auflagefläche hin aus. Dies ist für die Effizienz des Systems interessant, und vor allem für ToS-mobil, da dort die Transparenz des OLEDs so gering ist. Beide Wellenleiter werden quasi parallel betrieben und koppeln das Licht aber an unterschiedlichen Stellen aus: Bereich 1 und Bereich 2. Damit höhere Lichtintensitäten zur Beleuchtung des aufliegenden Objekts möglich. Weitere Lightguides mit entsprechenden LED-Arrays zur Beleuchtung bestimmter Bereiche sind denkbar.
Andererseits ist es auch zweckmäßig, dass die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht Lichtauskopplungsstrukturen in zueinander horizontal versetzten Bereichen der Lichtleiterschicht aufweisen, um die Effizienz der Lichtauskopplung bei gleichzeitiger guter Homogenität zu erhöhen.
In einer besonders bevorzugten Gestaltung sind in dem teiltransparenten Display in einem definierten Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente vorhanden sind, die innerhalb der Leuchtelementeschicht eingebracht.
In einer ersten Variante hat ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11 die folgenden Schritte:

- Ausschalten des Displays während der Aufnahme zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke, um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht im Vergleich zum Displaylicht zu vergrößern,
- Aufnehmen eines ersten Bildes bei Beleuchtung mit der Lichtleiterschicht und Speichern in einem Bildspeicher,
- Analyse des ersten Bildes, ob definierte Qualitätskriterien erfüllt sind,
- Aufnehmen eines zweiten Bildes bei Beleuchtung mit der weiteren Lichtleiterschicht, wenn Qualitätskriterien nicht erfüllt sind,
- Analyse des zweiten Bildes, ob Qualitätskriterien erfüllt sind, wobei
- bei Erfüllung der Qualitätskriterien im zweiten Bild: Ersetzen des ersten Bildes im Bildspeicher durch das zweite Bild, oder
- bei Nichterfüllung der Qualitätskriterien im zweiten Bild: Überlagern des zweiten Bildes mit dem gespeicherten ersten Bild mit einem definierten bekannten Versatz und Speicherung eines hochaufgelösten fusionierten Bildes.

Dabei ergibt sich bei Erfüllung der Qualitätskriterien im ersten Bild ebenfalls die Möglichkeit der Aufnahme des zweiten Bildes, um entweder

- durch Zusammensetzen beider Bilder die Bildqualität zu verbessern oder
- durch Zusammensetzen beider Bilder unter Berücksichtigung eines definiert, um einen halben Abstand der lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht eingestellten Versatzes eine höhere Auflösung als die Sensorschicht eigentlich aufweist für höchstqualitative Aufnahmen.

Zur Einstellung des definierten Versatzes sind auch mehrere Lichtleiterschichten mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der Lichtauskoppelstrukturen denkbar.
In einer anderen Variante hat ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken und Dokumenten unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 die folgenden Schritte:

- Ausschalten des Displays während der Aufnahme eines ersten Bildes zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke, um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays zu vergrößern,
- Aufnehmen des ersten Bildes mit dem Bildsensor bei Beleuchtung mit der unter einem für TIR in der Abschlussschicht des Displays geeigneten Austrittswinkel γ auskoppelnden Lichtleiterschicht und Speichern des Bildes als Bild des aufgelegten Hautabdruck in einem Bildspeicher,
- Aufnehmen eines zweiten Bildes mit dem Bildsensor bei Beleuchtung mit dem Display zur Aufnahme eines Dokuments und Speichern des zweiten Bildes als Bild des aufgelegten Dokuments.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass beim Zusammenführen der Funktionen von Fingerabdruckaufnahme und Anzeigefunktionen zur Nutzerführung in der Auflagefläche in einem Gerät, das darüber hinaus möglichst auch eine Dokumentenaufnahme implementieren soll, in der Regel die Lichtintensität der Hautabdrücke unzureichend wird, die Anzeigequalität der Anzeigeschicht sinkt oder die Auflösung und der Kontrast der Aufnahmen nicht mehr dem angestrebten FBI-Standard entspricht. Erschwerend kommt noch hinzu, dass durch ein obenauf liegendes Display ein erheblicher Abstand des aufzunehmenden Hautabdrucks zur Sensorschicht entsteht, wodurch Kontrast und Auflösung weiter abnehmen. Die Erfindung löst diese Probleme, indem eine Lichtleiterschicht unterhalb des Displays angeordnet ist und an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung mittels LED erfolgt und die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis des Neigungswinkels der Lichtauskoppelstruktur und der Brechzahlunterschiede zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Auflagefläche an der Displayoberseite eine gerichtete Lichtauskopplung unter einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zur TIR mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15 ° führt, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen.
Durch zur Lichtleiterschicht angepasste Brechungsindizes der Adhäsionsschichten und Nachbarschichten kann die Lichtauskopplung gezielt weiter verbessert werden. Darüber hinaus gestatten die Anwendungen einer zusätzlichen Blendenschicht und elektronischer Shuttersteuerungen für jedes Sensorelement der Sensorschicht eine weitere Verbesserung der Qualität von Hautabdrücken. Außerdem ist eine Aufnahme von Dokumenten durch die Beleuchtung mit dem Display möglich.
Mit der Erfindung ist es möglich, Hautabdrücke menschlicher Autopodien mittels eines mobilen elektronischen Geräts mit hoher Qualität, orientiert am FBI-Standard. aufzunehmen und außerdem Informationen unter anderem zur Nutzerführung mittels eines Displays unterhalb der Auflagefläche und oberhalb der Sensorebene anzuzeigen, ohne dass dabei eine Verschlechterung der örtlichen Auflösung der Hautabdruckbilder einhergeht.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

1: eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schichtkörper, enthaltend ein Display mit Auflagefläche für aufzunehmende Objekte, eine Lichtleiterschicht als Lichtquelle und eine Sensorschicht,
2a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Unterseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen,
2b: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Oberseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen,
2c: zwei Ausschnitte des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von 2b in einer Draufsicht mit keilförmigen Lichtauskoppelstrukturen, die aus Richtung der LEDs pultförmig ansteigende Rechtecke oder Trapezflächen darstellen,
3a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von 2a mit einer vergrößerten keilförmigen Lichtauskoppelstruktur und Darstellung eines repräsentativen Strahlenbündels, das an dieser Struktur zur Auflagefläche des Displays ausgekoppelt wird und unter einem Totalreflexionswinkel die Auflagefläche erreicht,
3b: eine zu 3a erstellte Darstellung des Lichtleitwinkels des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts über dem Neigungswinkel der keilförmigen Struktur, um die Abhängigkeit des Strahlverlaufs durch die Grenzflächen des Schichtkörpers aufgrund unterschiedlichen Brechungsverhaltens als Zustandsdiagramm aufzuzeigen,
4 mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (a) unkollimierte LEDs eingekoppelt sind, wobei jeder Objektpunkt mehrere Bildpunkte erzeugt, (b) herstellerseitig vorkollimierte LEDs unmittelbar einstrahlen, (c) LEDs mit einer zwischengeordneten Vorkollimationsoptik einkoppeln, (d) LEDs über in der Lichtleiterschicht eingebettete Vorkollimationsoptiken einstrahlen und (e) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen zur alternativen spektralen Beleuchtung abwechselnd angeordnet sind,
5a: eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke in einer Draufsicht auf den Schichtkörper, wobei die Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht so ausgebildet sind, dass an jedem Punkt der Auflagefläche lediglich Beleuchtungslicht eines Strahlenbündels einer Lichtauskoppelstruktur zur Beleuchtung von Hautabdrücken auftrifft,
5b: eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke in einer Seitenansicht der Ausführungsform nach 5a,
6: mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht eine Eckenbeleuchtung (a) mit einer unkollimierten LED realisiert ist, wobei jeder Objektpunkt (in horizontaler Richtung) genau einen Bildpunkt erzeugt, (b) zwei LEDs mit dazwischen angeordneter Streuscheibe und (c) mit einer unkollimierten LED, wobei die eingekürzte Ecke der Lichtleiterschicht eine angepasst gekrümmte Einkopplungsfläche aufweist,
7: eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der oberhalb der Sensorschicht zwei Lichtleiterschichten unmittelbar übereinander und unterhalb eines darüber angeordneten Displays vorhanden ist,
8: eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei über den Sensorelementen eine zusätzliche Blendenschicht zur Verminderung des Lichteinfalls von mehreren Quellorten auf ein und dasselbe lichtempfindliche Element der Sensorschicht, sowie eine Spektralfilterschicht zur Unterdrückung von Störlicht vorhanden sind
9: eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die lichtempfindlichen Elemente unmittelbar in die Displayschicht eingebettet sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einem Grundaufbau - wie in 1 dargestellt - einen Schichtkörper 1 der beginnend von einer Auflagefläche 11 für die aufzunehmenden Objekte (Finger 2 oder Dokument 3) ein Display 17, dessen freie Oberfläche die Auflagefläche 11 bereitstellt, eine darunter liegende flächige Lichtquelleneinheit 14, die in Form einer Lichtleiterschicht 141 ausgebildet ist, an der an wenigstens einer Schmalseite eine oder mehrere LEDs 142 als Lichtquellen angebracht sind, die zur Einkopplung von mehr oder weniger gut vorkollimiertem Licht vorgesehen sind, sowie eine darunter befindliche Sensorschicht 13 mit lichtempfindlichen Elementen 131. Zwischen dem Display 17 des Schichtkörpers 1 und der Lichtleiterschicht 141 ist eine erste Adhäsionsschicht 15 als Klebstoffschicht eingebracht und zwischen der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13 ist eine Klebstoffschicht in Form einer zweiten Adhäsionsschicht 16 eingebracht. Dabei weist die erste Adhäsionsschicht 15 einen Brechungsindex auf, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 ist, wobei der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 zwischen 1,45 und 2,0 liegt, und die zweite Adhäsionsschicht 16 weist einen Brechungsindex auf, der genauso groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht.
Die Oberseite des Displays 17 besteht aus einer Abschlussschicht 171 mit einer Auflagefläche 11 für einen aufzunehmenden Hautabdruck 21 oder ein Dokument 3. Die Auflagefläche 11 ist gleichzeitig als Interaktionsfläche für den Nutzer eines elektronischen mobilen Gerätes mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung ausgebildet, wobei dem Nutzer mittels Display 17 Informationen in Form von Text, Bildern oder Videos angezeigt werden können und der Nutzer über die Sensorschicht 13 zur Aufnahme von Hautabdrücken 21 mit dem Gerät interagieren kann.
Das Display 17 beinhaltet lichtemittierende rasterförmig angeordnete Displaypixel in einer Leuchtelementeschicht 173. Das Display 17 kann zum Beispiel ein OLED, LCD, QLED sein. Das Display 17 kann zusätzlich als Touch-Display ausgebildet sein, wobei das Display 17 kapazitive, oder resistive Touch-Sensoren enthält (nicht gezeichnet), wie sie in mobilen elektronischen Geräten üblicherweise eingesetzt werden. Das Display 17 ist zusätzlich für mindestens Anteile von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 transparent und weist eine Transparenz von mindestens 1 % und bevorzugt 10 % auf. Das Display kann eine Dicke von 100 µm bis 10.000 um aufweisen. Bevorzugt hat das Display eine Dicke von 500 µm bis 2.000 µm, um ausreichend dünn für eine gut aufgelöste Aufnahme von Hautabdrücken und ausreichend dick für eine handhabbare mechanische Stabilität zu sein.
Unter dem Display 17 befindet sich eine erste Adhäsionsschicht 15, die optisch transparent ist und ebenfalls für mindestens Anteile von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 transparent ist. Hierbei kann es sich um ein optisch transparentes doppelseitig haftendes Klebeband (OCA) oder einen flüssigen Klebstoff, der beispielsweise über Wärme oder UV-Strahlung ausgehärtet wurde, handeln (LOCA). Diese Klebstoffe können zum Beispiel Silikone, Acrylate oder Epoxide sein.
Unter der ersten Adhäsionsschicht 15 befindet sich eine Lichtleiterschicht 141 zur Beleuchtung von auf der Auflagefläche 11 positionieren Hautabdrücken 21.
Beleuchtungslicht wird an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels LED 142 eingekoppelt. Zur Auskopplung von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 kommen spezielle Lichtauskoppelstrukturen 144 (in 2a-c gezeichnet) zum Einsatz. Diese sorgen dafür, dass Beleuchtungslicht innerhalb der Lichtleiterschicht 141 eine Winkeländerung erfährt und anschließend in einem definierten Winkelspektrum aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Display 17 beziehungsweise Auflagefläche 17 ausgekoppelt wird und einen aufliegenden Hautabdruck 21 beleuchtet. Als Lichtleiterschicht 141 kommen Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas oder andere optisch transparente Werkstoffe mit einem Brechungsindex n ≈ 1,5 zum Einsatz. Es können aber auch weitere Materialien mit einem Brechungsindex zwischen 1,45 und 2,0 als Lichtleiterschicht 141 zum Einsatz kommen. Der lichtleitende Effekt an den Stellen der Lichtleiterschicht 141 ohne Lichtauskoppelstrukturen 144 wird durch den Unterschied der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 sowie erster Adhäsionsschicht 15 und zweiter Adhäsionsschicht 16 realisiert, wobei letztere die Verbindung zur Sensorschicht 13 herstellt.
Die zweite Adhäsionsschicht 16 weist die gleichen oder ähnlichen optischen Eigenschaften wie die erste Adhäsionsschicht 15 auf. Die erste und zweite Adhäsionsschicht 15, 16 haben einen niedrigeren Brechungsindex als die Lichtleiterschicht 141, um einen lichtleitenden Effekt durch interne Totalreflexion (TIR) zu realisieren. Hierzu weisen die beiden Adhäsionsschichten 15, 16 einen Brechungsindex auf, der mindestens 1% und höchstens 30% kleiner als der Brechungsindex der Lichtleiterschicht 141 ist. Bevorzugt liegt der Brechzahlunterschied zwischen 5% und 10%, um einerseits ausreichend effizient zu sein und genug Licht in der Lichtleiterschicht 141 zu leiten und andererseits das geleitete Winkelspektrum nicht zu groß zu wählen und eine niedrige vertikale Divergenz der geleiteten Strahlenbündel 147 für eine gute Auflösung der aufzunehmenden Hautbereiche 21 zu realisieren
Die unter der zweiten Adhäsionsschicht 16 angeordnete Sensorschicht 13 weist in einem Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente 131 mit einer Auflösung von 100 ppi bis 1.000 ppi auf und gibt je nach detektierter Lichtintensität elektronische Signale weiter, die in ein Grauwertbild umgewandelt werden. Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 sind Fotodioden mit einer definierten Sensitivität für einen bestimmten Spektralbereich des Lichts. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensitivität der lichtempfindlichen Elemente 131 auf das emittierte Beleuchtungslicht der Lichtleiterschicht 141 spektral angepasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erhöhen.
Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 verfügen in einer weiteren Ausführungsform über eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung der Belichtungszeit (nicht gezeichnet), z.B. als Rolling-Shutter oder als Global-Shutter, wie sie in der US 2017/0085813 A1 offenbart ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Belichtungszeit und somit die Integrationszeit der lichtempfindlichen Elemente 131 an die verschiedenen Helligkeiten des Displays 17 und von Umgebungslicht angepasst werden kann, die im Anwendungsszenario der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Nutzer oder durch unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen variiert. Durch diese elektronische Shuttersteuerung muss das Display 17 während der Aufnahme von Hautabdrücken 21 nicht zwingend ausgeschaltet werden und die Aufnahme von kontrastreicheren Hautabdrücken 21 wird trotzdem ermöglicht.
Die Aufnahme eines auf der Auflagefläche 11 befindlichen Hautabdrucks 21 erfolgt über das Prinzip der gestörten internen Totalreflexion (FTIR). Hierzu wird Beleuchtungslicht mit einem definierten Winkelspektrum aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelt. Mindestens Anteile des Beleuchtungslichts transmittieren durch das teiltransparente Display 17 und erreichen anschließend die Auflagefläche 11, die durch die Oberseite des Displays 17 gebildet wird. Das Beleuchtungslicht besitzt hierzu ein definiertes Winkelspektrum, das nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Auflagefläche 11 beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt. Das heißt, dass der Nutzer des mobilen elektronischen Geräts kein zusätzliches Beleuchtungslicht wahrnimmt, welches das Licht der Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 überstrahlen könnte. Ein Hautabdruck 21 besteht abwechselnd aus Hauttälern und Hautbergen. An den aufliegenden Hautbergen wird die interne Totalreflexion an der Auflagefläche 11 aufgrund des ähnlichen Brechungsindex zwischen Abschlussschicht 171 des Displays 17 und Hautbergen gestört, Anteile des Beleuchtungslichts werden gestreut und in die aufliegenden Hautbereiche 21 ausgekoppelt. An den Hauttälern besteht ein großer Unterschied von Abschlussschicht 171 zu Luft, weshalb hier durch interne Totalreflexion das Beleuchtungslicht reflektiert wird. Das an der Auflagefläche 11 reflektierte Beleuchtungslicht transmittiert erneut durch das Display 17 sowie die erste Adhäsionsschicht 15, die Lichtleiterschicht 141 und die zweite Adhäsionsschicht 16, bevor es an der Sensorschicht 13 durch die lichtempfindlichen Elemente 131 detektiert wird. Ein Kontrast zwischen Hautbergen und Hauttälern kann somit aufgrund der an den Hautbergen stattfindenden gestörten internen Totalreflexion festgestellt werden, da die detektierbare Lichtintensität aus den Bereichen der Hautberge geringer ist als aus den Hauttälern. Als Abschlussschicht 171 kommt überlicherweise Glas, gehärtetes Glas oder Saphir mit einem Brechungsindex zwischen 1,48 und 1,8 zum Einsatz. Je größer der Brechungsindex der Abschlussschicht 171 ist, desto kleiner können die Beleuchtungswinkel β sein, die an der Grenzfläche zu Luft (Auflagefläche 11) totalreflektieren.
Die Bildaufnahme über das Prinzip der gestörten internen Totalreflexion hat den Vorteil, dass gerichtetes Beleuchtungslicht eingesetzt wird, das nach Auftreffen an der Auflagefläche 11 weiterhin gerichtet in Richtung Sensorschicht 13 reflektiert wird. Dies ermöglicht auch über große Distanzen beziehungsweise große Schichtdicken hinweg eine gute Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21. Je kleiner die Divergenz des aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Lichts unter dem Beleuchtungswinkel β hierbei ist, umso besser ist die Auflösung, beziehungsweise umso größer kann der Abstand zwischen Sensorschicht 13 und Auflagefläche 11 bei gleichbleibender Auflösung gewählt werden, da eine starke Signalverbreiterung der Informationen des Hautabdrucks 21 verringert wird. Um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21 zu erreichen, wird Beleuchtungslicht mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von weniger als +/-15 ° genutzt. Das Beleuchtungslicht wird sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung in seiner Divergenz eingeschränkt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die oben definierten Brechungsindizes der Adhäsionsschichten 15 und 16, die gering von dem der Lichtleiterschicht 141 abweichen sollen, genau dann ihre Bedeutung verlieren, wenn sich ihre Dicke der Größe der verwendeten Lichtwellenlänge annähert. In jenem speziellen Fall sind die oben beschriebenen Regeln der Lichtbrechung bzw. Totalreflexion dann auf die Brechungsindizes darauffolgender Schichten anzuwenden, da das Licht die sehr dünnen Adhäsionsschichten 15 und 16 dann nicht wahrnimmt.
Das von der(n) LED 142 abgestrahlte Licht wird aufgrund der Lichtleitereigenschaften unter einem Lichtleitwinkel α in der Lichtleiterschicht 141 weitergeleitet. Wegen der noch weiter unten detailliert erläuterten Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 werden an den örtlich begrenzten Lichtauskoppelstrukturen 144 jeweils Anteile des in der Lichtleiterschicht 141 mit dem Lichtleitwinkel α propagierenden Lichts unter einem definierten Winkel so ausgekoppelt, dass nach Durchlaufen aller Schichten des Schichtkörpers 1 bis zur Oberseite des Displays 17 an der Auflagefläche 11 beim Übergang zu Luft ein Beleuchtungswinkel β für interne Totalreflexion (TIR) eingestellt ist, wobei die Lichtauskoppelstrukturen 141 eine Auskopplung von Lichtstrahlen mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks 21 zu erreichen.
Auf die Abschlussschicht 171, die zweckmäßig die Auflagefläche 11 für die aufzunehmenden Objekte bereitstellt, können wahlweise ein oder mehrere Finger 2, gegebenenfalls auch eine ganze Hand (nicht gezeichnet) oder ein Dokument 3, insbesondere ID-Dokumente (wie Reisepass, Führerschein, etc.), aber auch Kreditkarten, Bordkarten und andere personengebundene Dokumente aufgelegt werden. Während für die Aufnahme von Hautabdrücken 21 von den an einer Grenzfläche der Lichtleiterschicht 141 vorhandenen Lichtauskoppelstrukturen 144 unter einem definierten Winkel Lichtanteile ausgekoppelt werden, kann für die Beleuchtung von Dokumenten 3 die Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 angewendet werden.
2a zeigt eine Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141, wobei beispielhaft mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 mit einem einen Neigungswinkel ε gezeichnet sind. Trifft das in der Lichtleiterschicht 141 unter dem Lichtleitwinkel α geführte Licht auf eine Lichtauskoppelstruktur 144 mit dem Neigungswinkel ε, ergibt sich ein Reflexionswinkel ϕ zum Lot der Lichtauskoppelstruktur 144, wobei gilt: ϕ = α - ε. Das an der Lichtauskoppelstruktur 144 reflektierte Strahlenbündel kann nun durch seine Winkeländerung nicht mehr an der ersten Adhäsionsschicht 15 totalreflektiert werden, sondern durchläuft diese sowie das darüber liegende Display 17. In Abhängigkeit der Brechungsindizes der Außenschichten des Dispays 17 und weist als das an die Auflagefläche 11 auftreffende Beleuchtungslicht einen Beleuchtungswinkel β auf, der an der Auflagefläche 11 (Grenzfläche zu Luft) das Beleuchtungslicht totalreflektiert und eine Aufnahme von Hautabdrücken 21 nach dem Prinzip der gestörten internen Totalreflexion (FTIR oder kurz: TIR) ermöglicht.
2b zeigt eine weitere Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141, wobei in diesem Beispiel mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 vorhanden sind. Die Lichtauskoppelstrukturen 144 sind dabei so ausgebildet, dass in der Lichtleiterschicht 141 geführtes Licht beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstrukturen 144 ein erstes Mal an der Grenzfläche zur darüber liegenden ersten Adhäsionsschicht 15 und ein zweites Mal an der Grenzfläche zum Display 17 unter einem definierten Brechungswinkel γ aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Display 17 auskoppelt. Hierbei wird der Hauptstrahl des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts mit dem Winkel α inklusive einer Divergenz beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstruktur 144 ausgekoppelt, wobei keine weitere Einschränkung der Divergenz den Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 erfolgt. Dies macht zwar die Lichtauskopplung hinsichtlich der Lichtintensität effizienter, jedoch ist die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Strahlenbündels größer als bei 2a. Ebenfalls ist die maximal mögliche Änderung des Winkels zwischen α und β niedriger als bei 2a.
Zur Art und Form der Lichtauskoppelstrukturen 144 im Material der Lichtleiterschicht 141 sind zwei Beispiele der Formgebung und Verteilung für einen Ausschnitt der Lichtleiterschicht 141 in 2c als Draufsichten zu der Darstellung der Lichtauskoppelstruktur 144 nach 2b gezeichnet. Außer den gezeigten Formen von Rechtecken und Trapezen sind aber auch Dreiecke, Kreissektoren bzw. Kreisabschnitte oder Abschnitte von Ellipsen geeignet.
3a und 3b zeigen die Zusammenhänge für die Ausführungsform in 2a zwischen dem Lichtleitwinkel α, dem Beleuchtungswinkel β, dem Reflexionswinkel ϕ, dem Austrittswinkel δ und dem Neigungswinkel ε. In Abhängigkeit vom Unterschied der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und den angrenzenden Adhäsionsschichten 15 und 16 definieren sich Vorzugswinkel (Austrittswinkel δ), unter denen Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelt wird. Hierzu ist in 3a in der Seitenansicht ein schematischer Strahlengang für Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 skizziert, wobei die Lichtleiterschicht 141 beispielhaft einen Brechungsindex von n = 1,49 und die angrenzenden Adhäsionsschichten 15 und 16 einen Brechungsindex von n = 1,41 aufweisen.
Zusätzlich beinhaltet 3b die drei Bedingungen (gekennzeichnet durch römische Zahlen I, II, III), die erfüllt sein müssen, um ein zweckmäßiges Arbeiten der Vorrichtung zu gewährleisten:

I: Geführte Strahlen (α > 71 °) müssen an Lichtauskoppelstruktur 144 totalreflektiert werden $ϕ > {sin}^{- 1} \frac{1.41}{1.49} = 71 ° 1 ϕ = α - ε$
II: Der durch die Lichtauskoppelstruktur 144 abgelenkte Strahl, der mit dem Austrittswinkel δ = α - 2·ε an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 auftrifft, darf dort nicht totalreflektiert werden $δ < {sin}^{- 1} \frac{1.41}{1.49} < 71 °$
III: Am Deckschicht-Luft-Übergang muss Totalreflexion stattfinden (Deckschicht 12 mit n = 1,49 angenommen) $δ > {sin}^{- 1} \frac{1.00}{1.49} = 42 °$

Die Grafik in 3b zeigt für das oben genannte Zahlenbeispiel die erlaubten Kombinationen aus dem Lichtleitwinkel α des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts und Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144, die zur erfindungsgemäßen Bildgebung bei der Aufnahme eines Hautabdrucks 21 beitragen (I+II+III). Für einen Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 von ε ~ 10 werden die meisten Strahlen ausgekoppelt, die ursprünglich einen Lichtleitwinkel von α = 85° +/-5 ° hatten. Für das Display 17 mit ähnlichem Brechungsindex wie die Lichtleiterschicht 141 (n ~ 1,5) ergibt sich somit ein Winkelspektrum β ~ δ = 65 ° +/-5 °. Die gleichmäßige Lichtauskopplung auf der gesamten Fläche der Lichtleiterschicht 141 und eine somit homogene Ausleuchtung eines auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Hautabdrucks 21, wird durch das Anpassen eines Füllfaktors der Lichtauskoppelstrukturen 144 umgesetzt.
In der Ausführungsform mit Lichtauskoppelstrukturen, wie in 2a gezeichnet, kann die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Beleuchtungslichts im Vergleich zur Ausführungsform in 2b sehr genau über den Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 und den Unterschied der Brechungsindizes zwischen der Lichtleiterschicht 141 und den benachbarten Adhäsionsschichten 15, 16 eingestellt werden. Je nach Anwendungsfall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr in Richtung Lichtintensität oder einem engen Winkelspektrum des Beleuchtungslichts optimiert werden. Qualitativ hochwertige Hautabdrücke 21 mit hoher Auflösung erhält man, indem das aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelte Licht eine sehr geringe Divergenz hat, also das ausgekoppelte Winkelspektrum klein ist.
In 4 sind unterschiedliche Arten für die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LED 142 und deren mehr oder weniger divergent abgestrahlte Strahlenbündel 147 in fünf Draufsichten dargestellt, die sich durch ihren Zustand der Vorkollimation unterscheiden. Vorangestellt sei für diese Ausführungsvarianten, dass die meisten LED 142 in unterschiedlichem Grad bereits intern vorkollimiert sind.
In der Teilabbildung (a) von 4 sind diesbezüglich die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LED 142 und deren deutlich divergente Strahlenbündel 147 in der Draufsicht dargestellt.
Als Quelle für das Beleuchtungslicht können verschiedene Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Werden mehrere LED ohne Kollimation der Strahlenbündel 147 eingesetzt, überlagern sich die einzelnen Strahlenbündel 147 und führen dazu, dass ein beleuchteter Objektpunkt eines auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Fingers 2 durch unterschiedliche Strahlenbündel 147 beleuchtet wird und auf mehrere Bildpunkte der abgetasteten Bildaufnahme (verteilt), bzw. auf mehrere lichtempfindliche Elemente 131 der Sensorschicht 13 (hier nicht gezeichnet), abgebildet wird. Die Abbildung eines Objektpunkts auf mehrere Bildpunkte ist in 4a durch die Pfeile beispielhaft dargestellt.
Durch das Durchmischen der Strahlenbündel 147 der mehreren lichtabstrahlenden LEDs 142, kommt es zwangsläufig dazu, dass von einem Objektpunkt an der Auflagefläche 11 mehrere Bildpunkte in der Sensorschicht 13 erzeugt werden, womit die gleiche Objektinformation zum Beispiel eines aufliegenden Fingers 2 auf mehreren lichtempfindlichen Elementen 131 detektiert wird und die Auflösung des abgebildeten Hautabdrucks 21 abnimmt. Je kleiner die horizontale und vertikale Divergenz der Strahlenbündel 147 ist, desto höher ist die Auflösung.
In 4 zeigt die Teilabbildung (a) schematisch in einer Draufsicht, wie jeweils ein Objektpunkt (jeweils als schwarzer Punkt entlang der unteren gestrichelten Linie gezeichnet) auf zwei voneinander entfernte Bildpunkte (als beabstandete Punkte auf der zweiten gestrichelten Linie) abgebildet wird. Dies geschieht, da durch das relativ dicke Display 17 und die Lichtleiterschicht 141 ein Abstand zwischen Auflagefläche 11, und Sensorschicht 13 existiert. Je geringer dieser Abstand ist, desto weniger läuft die Objektinformation breit und desto besser ist die Auflösung. Je geringer die Divergenz des Strahlenbündels 147 ist, desto besser ist die Auflösung bzw. umso größer kann die Dicke des Displays 17 bei gleicher Auflösung gewählt werden. Einen Ansatz zur Verbesserung der Auflösung bzw. Vergrößerung der Dicke des Displays 17 sind daher Mittel zur Kollimation der Strahlenbündel 147 der LEDs 142, wie sie in weiteren Teilabbildungen von 4 gezeigt sind.
In Teilabbildung (b) sind vom Hersteller vorkollimierte LEDs 142 eingesetzt und diese - wie oben beschrieben - dicht gepackt zueinander und mit geringstem Abstand zur einzukoppelnden Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet. Dadurch kann ohne zusätzliche Vorkollimationsoptik 143 eine vertretbare Divergenz der Strahlenbündel 147 bei einer guten Durchmischung der Lichtanteile der einzelnen LEDs 142 realisiert werden. Außerdem kommt es an der Grenzfläche zwischen Luft und der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 bei der Einkopplung des Beleuchtungslichts zur Lichtbrechung, wodurch eine gewisse Vorkollimation erreicht wird.
Falls diese Art der Einkopplung den Anforderungen an die örtliche Auflösung der Bildaufnahme nicht gerecht wird, sind die Ausführungsvarianten mit einer zusätzliche Vorkollimationsoptik 143 gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) von 4 zu bevorzugen, wobei in Teilabbildung (c) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeformte refraktive konvexe Linsen als Vorkollimationsoptik 143 gewählt sind, die auch durch GRIN-Linsen ersetzt werden können. In Teilabbildung (d) sind die refraktiven Vorkollimationsoptiken 143 als konkave Linsen im Material der Lichtleiterschicht 141 eingearbeitet und aus einem optisch dünneren Medium, d.h. mit deutlich kleinerem Brechungsindex gegenüber der Lichtleiterschicht 141 gebildet. Dafür eignet sich am besten ein gasförmiges Medium, wie z.B. Luft. Der mit Ausführungsbeispielen gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) erreichbare Kollimationszustand sichert zwar die bestmögliche Auflösung, hat aber den Nachteil einer ungleichmäßigen Intensitätsverteilung der Beleuchtung der Auflagefläche 11, sodass zwischen diesen beiden Ausführungen und der Variante nach Teilabbildung (b) abzuwägen ist, welche Anforderungen den Vorrang erhalten sollen. Dazu sind auch noch die nachfolgenden Betrachtungen zu 5a und 5b zu beachten.
In der Teilabbildung (e) von 4 sind die dicht gepackten LEDs 142 mit verschiedenen spektralen Abstrahlungswellenlängen ausgestattet, die abwechselnd entlang der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet und schaltbar sind, wobei mindestens zwei unterschiedliche Spektralbereiche ausgewählt werden, um damit alternativ beleuchtete Bilder der aufgelegten Objekte, Hautabdrücke 21 oder Dokumente 3, aufzunehmen, die vorzugsweise zum Echtheitsnachweis verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme hochaufgelöster Hautabdrücke 21 ist in 5a und 5b dargestellt. Hierbei sind die Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 so ausgebildet, dass an jedem Punkt der Auflagefläche 11 maximal Beleuchtungslicht eines diskreten Strahlenbündels 147 einer Lichtauskoppelstruktur 144 zur Beleuchtung von Hautabdrücken 21 auftrifft, das heißt, dass an keinem Punkt der Auflagefläche 11 Strahlenbündel 147 von mehr als einer Lichtauskoppelstruktur 144 auftreffen und sich dort überlagern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 so ausgebildet, dass das Beleuchtungslicht mit den aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Beleuchtungswinkeln (β) an der Grenzfläche zwischen Abschlussschicht 171 des Displays 17 und Luft intern totalreflektiert und in Richtung Sensorschicht 13 zurückreflektiert, wobei es nach Durchlaufen des teiltransparenten Displays 17, erster Adhäsionsschicht 15, Lichtleiterschicht 141 und zweiter Adhäsionsschicht 16 so auf die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 trifft, dass sich die aufgeweiteten Strahlenbündel 147 der einzelnen Lichtauskoppelstrukturen 144 in der Sensorschicht 13 ebenfalls nicht überlagern. Hierdurch wird eine verbesserte Auflösung des aufgelegten Hautabdrucks 21 realisiert, da sich die auf der Sensorschicht 13 abgebildeten Bildpunkte verschiedener auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Objektpunkten nicht überlagern, das heißt, dass jedes lichtempfindliche Element 131 der Sensorschicht 13 maximal das intern totalreflektierte Beleuchtungslicht von einem Punkt der Auflagefläche 11 detektiert.
Somit sind hochauflösende Aufnahme von Hautabdrücken 21 trotz eines großen Abstands zwischen Auflagefläche 21 und Sensorschicht 13 möglich, da es zu keiner Signalvermischung kommt. Diese spezielle Art der Beleuchtung muss sowohl in Einstrahlrichtung (5b), als auch senkrecht zur Einstrahlrichtung (Fig.°5a) umgesetzt werden.
Um eine Überlagerung des Signals senkrecht zur Einstrahlrichtung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Beleuchtung in dieser Richtung ein kleines Winkelspektrum aufweist, wie in 5a gezeichnet. Dies wird, wie bereits beschrieben, durch entsprechende LED 142 und mit Vorkollimationsoptiken 143 (wie zu 4 beschrieben) realisiert. In einer speziellen Ausführung wird das Beleuchtungslicht der mehreren LEDs 142 so stark vorkollimiert, sodass sich deren Strahlenbündel 147 über die gesamte Auflagefläche 11 hinweg nicht überlagern. Hierdurch ist zwar die Auflösung eines aufzunehmenden Hautabdrucks 21 hoch, jedoch entstehen auch Zwischenbereiche 149, in denen kein Beleuchtungslicht auf die Auflagefläche 11 trifft. An den Zwischenbereichen 149 sind keine Informationen eines auf der Auflagefläche 11 positionierten Objekts (Finger 2) aufnehmbar. Von den Aufnahmebereichen 148 wird hingegen ein hochaufgelöster Hautabdruck 21 durch die Sensorschicht 13 detektiert.
Durch geeignete Anordnung der LEDs 142 und der Lichtauskoppelstrukturen 144 (horizontale und vertikale Divergenz, Füllfaktor und Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144) kann abhängig von der Dicke des Schichtkörpers 1 bzw. vom Abstand zwischen Auflagefläche 11 und Sensorschicht 13 eine Überlagerung der (an der Auflagefläche 11 reflektierten) aufeinanderfolgend ausgekoppelten Strahlenbündel N und N+1 in der Ebene der Sensorelemente 131 vermieden werden, wie in 5b gezeichnet.
Die Dimensionierung der beschriebenen Ausführungsform ist auf zwei Arten möglich. Entweder der Abstand der Aufnahmebereiche 148 ist klein gegenüber der zu detektierenden Struktur des Hautabdruckes 21, dann ist ein komplettes Bild auf der gesamten Auflagefläche 11 mit geringer Auflösung aufnehmbar.
In einer zweiten Variante ist der Abstand der Aufnahmebereiche 148 groß gegenüber der zu detektierenden Struktur des Hautabdruckes 21, sodass dann die Aufnahmebereiche 148 durch die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 sehr gut aufgelöst detektiert werden, da es keine Informationsüberlagerung gibt. Hierbei ist auch eine Detektion von Sicherheitsmerkmalen dritter Ordnung möglich (Auflösung von Hautporen). In den Zwischenbereichen 149 werden in dieser Variante keine Hautbereiche 21 aufgelöst (detektiert). Man erhält also insgesamt ein hochaufgelöstes, aber lückenhaftes Bild. Beide Varianten sind für Anwendungen mit 1:1 Vergleich, z.B. zur Authentifikation sehr gut nutzbar.
Für mobile Anwendungen bei mobilen elektronischen Geräten ist es möglich, dass eine in 5a dargestellte Beleuchtungsvariante zum Einsatz kommt, wobei ein nahezu lückenfreier Bereich zur Aufnahme hochqualitativer Hautabdrücke 21 auf der der Beleuchtungseinkopplung durch die LEDs 142 gegenüberliegenden Seite vorliegt, der als qualifizierter Authentifizierungsbereich 12 dient, z. B. zur Nutzung als sog. Home-Button zur Smartphone-Freigabe oder für hochsicherheitsrelevante Anwendungen, wie Einloggen in ein Bankkonto, Bestätigung für Überweisungen und weiteres. Der Bereich für niedrigsicherheitsrelevante Anwendungen, der auf der gegenüberliegenden Seite (nahe Beleuchtungseinkopplung durch die LEDs 142) eingerichtet werden kann, weist zwar Zwischenbereiche 149 mit Detektionslücken auf, kann jedoch ebenfalls zur Aufnahme von Hautabdrücken 21 verwendet und beispielsweise bei Anwendungsfällen, wie Spielen, App-Steuerung und Ähnlichem eingesetzt werden. Hierbei liefern die Informationen der aufgenommenen Hautabdrücke 21 wertvolle weitere Informationen, da neben der Lage eines oder mehrerer aufliegender Finger 2, die Unterscheidung der mehreren Finger 2 sowie deren Orientierung (Ausrichtung auf der Auflagefläche 11), Rotation (linker und rechter Fingerrand) und Anstellwinkel (flach aufgelegt oder Fingerkuppe) ausgewertet werden können. Diese Zusatzinformationen können effektiv zur intuitiveren und einfacheren App-Steuerung genutzt werden.
In 6 sind drei Draufsichten auf weitere Ausführungsdetails der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer so genannten Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED 142 gezeigt.
6 enthält dazu eine Teilabbildung (a), die eine Ausführungsform der Lichteinkopplung von einer LED 142 in die Lichtleiterschicht 141 in der Draufsicht zeigt, bei der die Lichteinkopplung an wenigstens einer durch Einkürzung einer Ecke der Lichtleiterschicht 141 umgesetzt ist. Die eingekürzte Ecke 145 erzeugt eine zusätzliche Schmalseite der Lichtleiterschicht 141, die einen Winkel von 135° mit den üblicherweise vorhandenen Schmalseiten einer rechteckigen Lichtleiterschicht 141 aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keine Kollimation des Strahlenbündels 147 der LED 142 in horizontaler Richtung durch eine Vorkollimationsoptik 143 (wie in 4 gezeigt) notwendig ist. Die LED 142 soll dabei bevorzugt mit einem Winkel von +/-45° zu den benachbarten rechtwinkligen Schmalseiten in die Lichtleiterschicht 141 abstrahlen. Dabei erzeugt jeder Objektpunkt in horizontaler Richtung nur einen diskreten Bildpunkt, wie in der Teilabbildung (a) anhand der schwarzen Punkte zu sehen, weil es keine Überlagerung verschiedener Strahlenbündel 147 gibt. Eine Auflösungsverringerung findet lediglich durch die vertikale Divergenz statt (nicht gezeichnet), die jedoch, wie oben bereits beschrieben, aufgrund der geringen Unterschiede der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und benachbarten Adhäsionsschichten 15 und 16 sowie der Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 stark eingeschränkt werden kann und sogar Divergenzen von unter +/-5° umsetzbar sind. Der Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht 141 eingekoppelten divergenten Strahlenbündels 147 lässt sich durch einen wachsenden Füllfaktor aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen 144 zum Rand hin kompensieren.
Bei einer so beschaffenen Eckenbeleuchtung können Reflexionen an den Randbereichen der benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht 141 nachteilig sein, da hierdurch Doppelbilder entstehen und zu einer Verschlechterung der Auflösung führen. Eine bevorzugte Ausführung ist es daher, dass die Lichtleiterschicht 141 an den weiteren Schmalseiten, an denen kein Licht eingekoppelt wird, absorbierende Beschichtungen aufweisen, die dort auftreffendes Licht absorbieren oder auskoppeln.
In den Teilabbildungen (b) und (c) von 6 sind gegenüber der Teilabbildung (a) weitere Zusatzmaßnahmen gezeichnet, wobei in Teilabbildung (b) die Lichtverteilung bzw. -homogenisierung von (mindestens) zwei LEDs 142 durch eine Streuscheibe 146 verbessert wird, durch die Licht in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird, während in Teilabbildung (c) die eingekürzte Ecke 145 als konkaver Bogen ausgeführt ist, sodass alle divergent aus der LED 142 austretenden Strahlen ungebrochen in die Lichtleiterschicht 141 eintreten können, wodurch aus nur einer LED 142 austretendes Licht in der gesamten Lichtleiterschicht Beleuchtungslicht propagieren und ausgekoppelt werden kann.
7 zeigt eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Unterschied zu 1 zwei zueinander benachbarte Lichtleiterschichten 141, 141' aufweist. Die weitere Lichtleiterschicht 141' bringt dabei mehrere Vorteile. Aufgrund der hohen Transparenz von Lichtleitern können mehrere Lichtleiterschichten 141, 141' beliebig übereinander angeordnet und durch einen niedrigbrechenden Klebstoff miteinander verbunden werden. Eine solche weitere Adhäsionsschicht 18 sollte dabei den gleichen Brechungsindex aufweisen, wie die zweite Adhäsionsschicht 16 zwischen der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Lichtleiterschichten 141 und 141' mit Licht gespeist werden.
Da gibt es zunächst die in 7 gezeichnete Variante, bei der die Lichtleiterschichten 141, 141' von derselben Schmalseite des Schichtkörpers 1 mit LEDs 142 versehen sind. Hierfür ergibt sich als erstes der Vorteil einer Intensitätssteigerung des ausgekoppelten Lichts, da beide Lichtleiterschichten 141, 141' hochtransparent sind und die weitere Lichtleiterschicht 141' die erste Lichtleiterschicht 141 faktisch nicht wahrnimmt. Zudem sind die parallel zueinander ausgekoppelten Lichtstrahlen aus der Draufsicht betrachtet zueinander versetzt und tragen zur Homogenisierung der Beleuchtung bei, indem jede Lichtleiterschicht 141 jeweils nur einen bestimmten Teil der Auflagefläche 11 beleuchtet, womit auch sehr gut größere Auflageflächen 11 beispielsweise für die Aufnahme ganzer Handflächen, oder mehrerer Hände beleuchtet werden können.
Der zweite Vorteil besteht darin, dass mehrere Aufnahmen bei ausschließlicher Beleuchtung mit jeweils einer der gleichartigen Lichtleiterschichten 141, 141' etc. nacheinander gemacht, die Bilder verglichen und das bessere ausgesucht werden können. Dies ist neben Maßnahmen zur Lebenderkennung für die Aufnahme von trockenen und feuchten Hautabdrücken 21 interessant. Zur Lebenderkennung kann in der weiteren Lichtleiterschicht 141' Beleuchtungslicht mit anderen Wellenlängen (z.B. UV, IR) zusätzlich zu VIS-Spektralbereichen eingesetzt werden.
Ein dritter Vorteil ergibt sich, wenn die beiden Lichtleiterschichten 141 unterschiedliche Neigungswinkel ε ihrer Lichtauskoppelstrukturen 144 aufweisen und die weitere Lichtleiterschicht 141' beispielsweise einen Beleuchtungswinkel β' verursacht, der zwar auch TIR-geeignet ist, aber vom Beleuchtungswinkel β der ersten Lichtleiterschicht 141 abweicht und somit ebenfalls ein Vergleichsbild des Hautabdrucks 21 erzeugt, der insbesondere für unterschiedliche Hauttypen (trockene und feuchte Haut) zu besseren Ergebnissen beitragen kann. Für diesen Beleuchtungsmodus kann die erste Lichtleiterschicht 141 wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden.
In einer modifizierten Variante von 7 kann das Licht der LEDs 142 für jede der Lichtleiterschichten 141 und 141' an verschiedenen, vorzugsweise gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers 1 eingeleitet werden. Diese Variante wird durch die gestrichelt gezeichnete LED 142 auf der rechten Schmalseite der Lichtleiterschicht 141' symbolisch dargestellt als wählbare optionale Alternative.
In diesem alternativen Fall führen die aus den Lichtleiterschichten 141 und 141' ausgekoppelten Strahlen zu zwei unterschiedlichen Bildern mit einem örtlichen Versatz, der herausgerechnet werden kann, und somit werden die beiden Fingerabdruckbilder zwecks Qualitätsverbesserung miteinander verglichen und das bessere Bild ausgewählt oder beide Bilder über anschließende Bildverarbeitung miteinander fusioniert.
In 8 ist eine gegenüber 1 erweiterte, bevorzugte Ausführung der Erfindung gezeigt. Dabei ist über der Sensorschicht 13 eine - hier beispielhaft als vollflächige Spektralfilterschicht 19 gezeichnete - Filterschicht eingefügt, die vor allem eine zusätzliche Eliminierung des Umgebungslichts vornehmen kann. Die Spektralfilterschicht 19 kann aber auch auf die separaten Sensorelemente 131 aufgebracht sein (nicht gezeichnet). Die Spektralfilterschicht 19 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schmalbandfilter und auf die Wellenlänge des Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht 141 angepasst, sodass sie für die meisten Teile des Beleuchtungslichts transparent ist und für restliche Lichtanteile, zum Beispiel für die Lichtanteile der Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 und weiteres Störlicht 4 absorbierend wirkt.
Außerdem besteht gegenüber 1 und 7 die Besonderheit, dass die Sensorschicht 13 eine zusätzliche Blendenschicht 132 enthält, die ausschließlich die gezielt unter definierten Beleuchtungswinkeln β aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Strahlenbündel nach der Totalreflexion an der Auflagefläche 11 auf die lichtempfindlichen Sensorelemente 131 einfallen lässt. Alle anderen Winkel werden von der Blendenschicht 132 diskriminiert (reflektiert oder absorbiert). Die Blendenschicht 132 sowie die Spektralfilterschicht 19 können auch wahlweise in den Ausführungen gemäß 1 und 7 eingefügt werden.
Durch die Blendenschicht 132 wird der Einfluss von horizontaler und vertikaler Divergenz des Beleuchtungslichts verringert und in der Folge lassen sich dickere Abschlussschichten 171 für Displays 17 bei gleichbleibender Auflösung verwenden, um beispielsweise Schutz und/oder Stabilität des Schichtkörpers 1 und der gesamten Vorrichtung zu verbessern.
Zum effektiven Blockieren von Störlicht 4 oder Beleuchtungswinkeln, die nicht detektiert werden sollen, sind nichttransparente Blendenmaterialien notwendig. Bevorzugt sind für die einzelnen Blenden in der Blendenschicht 132 Materialien, die aufgrund ihrer guten Strukturierbarkeit in photolithographischen Beschichtungsprozessen Verwendung finden, beispielsweise Metalle wie Chrom, Aluminium, Gold, Molybdän, Kupfer, Silber, Silizium. Aufgrund der Reflexionseigenschaften dieser Materialien kann es jedoch an den Oberflächen der Blenden zu unerwünschten Reflexionen kommen, die sich einschränkend auf den Kontrast der Bildaufnahme auswirken, das Rauschen erhöhen oder Doppelbilder erzeugen. Deshalb werden bevorzugt absorbierende organische Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen, und absorbierende anorganische Materialien, wie diamantähnliche Kohlenstoffschichten, schwarzes Chrom, Kupfer-Indium-Disulfid, oder Materialien mit spezieller Mikrostruktur eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Materialien, die sich über Druckverfahren, z. B. per Siebdruck, als strukturierte Blendenschicht 132 über den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 aufbringen lassen, da diese schnell, flexibel sowie kostengünstig herstellbar sind. In Druckverfahren werden hierfür vornehmlich organische Materialien verwendet.
9 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung, bei der im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren eine Spezialisierung durch die Kombination von Display 17 und lichtempfindlichen Elementen 131 erfolgt. Durch eine Implementierung der lichtempfindlichen Elemente 131 in die übliche Leuchtelementeschicht 173 des Displays 17 wird der Aufbau noch kompakter und besteht nur noch aus der dem modifizierten Display 17 unterlagerten Lichtleiterschicht 141. Auch für diese Ausführung sind die zusätzlichen Schichten, wie Spektralfilterschicht 19 und Blendenschicht 132, in analoger Weise in das Display 17 integrierbar.
Mit den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind hochauflösende und kontrastreiche Aufnahmen von Hautabdrücken 21 sowie auch von Dokumenten mittels eines mobilen elektronischen Gerätes möglich, das auf einer gezielten Auskopplung von Licht aus einer Lichtleiterschicht 141 unter definierten Winkeln für die interne Totalreflexion (TIR) basiert. Weiterhin sind Blendenstrukturen als Blendenschicht 132 in der Sensorschicht 13 den einzelnen Sensorelementen 131 zugeordnet, die ausschließlich die definiert aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten TIR-Winkelbereiche zur Detektion zulassen. Über zusätzliche Maßnahmen der Sensorsteuerung zur Einstellung elektronischer Shutterfunktionen (Rolling oder Global Shutter) sind weitere Optimierungen der Bildaufnahmen von Hautabdrücken 21 und sicherheitsrelevanten Dokumenten 3 erreichbar.
Bezugszeichenliste

1: Schichtkörper
11: Auflagefläche
12: Authentifizierungsbereich (Home Button)
13: Sensorschicht
131: lichtempfindliche Elemente
132: Blendenschicht
14: Lichtquelleneinheit
141, 141': Lichtleiterschicht
142: LED
143: Vorkollimationsoptik
144: Lichtauskoppelstruktur
145: eingekürzte Ecke
146: Streuscheibe
147: Strahlenbündel
148: Auslesebereich
149: Zwischenbereich
15: erste Adhäsionsschicht
16: zweite Adhäsionsschicht
17: Display
171: Abschlussschicht
172: Substrat
173: Leuchtelementeschicht
18: weitere Adhäsionsschicht
19: Spektralfilterschicht (Bandpass)
2: Finger
21: (aufzunehmender) Hautabdruck
3: Dokument
4: Störlicht
α: Lichtleitwinkel (des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts)
β, β': Beleuchtungswinkel (an der Auflagefläche)
δ: Austrittswinkel (aus der Lichtleiterschicht
ε, ε': Neigungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)
ϕ, ϕ': Reflexionswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)
γ: Brechungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015115484 B3 [0008]
US 2018/0121701 A1 [0010]
WO 2017/118030 A1 [0010]
US 2018/0165497 A1 [0011]
US 2018/0128957 A1 [0012]
US 2017/0085813 A1 [0038]

Claims

Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Abschlussschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Kombination aus einem Display und einer Sensorschicht enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Lichtquelleneinheit unterhalb des Displays (17) angeordnet ist, wobei die Lichtquelleneinheit als Lichtleiterschicht (141) ausgebildet ist und an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED (142) aufweist und - die Lichtleiterschicht (141) Lichtauskoppelstrukturen (144) aufweist, die auf Basis eines Neigungswinkels ε der Lichtauskoppelstrukturen (144) und Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht (141) eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) in Richtung Abschlussschicht (171) unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Abschlussschicht (171) an der Auflagefläche (11) beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21) zu erreichen, - das Display (17) eine definierte Transparenz von wenigstens 1% des aus der Lichtleiterschicht (141) in Richtung der Auflagefläche (11) ausgekoppelten Lichts aufweist, - zwischen dem Display (17) und der Lichtleiterschicht (141) eine erste Adhäsionsschicht (15) sowie zwischen der Lichtleiterschicht (141) und der Sensorschicht (13) eine zweite Adhäsionsschicht (16) vorhanden sind, wobei - die erste und die zweite Adhäsionsschicht (15, 16) einen gleich großen Brechungsindex aufweisen, der mindestens 1 % bis 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht (141), des Displays (17) und der Sensorschicht (13) ist, deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 2,0 liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichteinkopplung eine der LED (142) nachgeordnete Vorkollimationsoptik (143) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) aufweist, mit der in dem jeweils in die Lichtleiterschicht (141) eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21) zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkollimationsoptik (143) ein refraktives optisches Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) eine an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) eingearbeitete Linse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) innerhalb der Lichtleiterschicht (141) in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht (141) niedrigerem Brechungsindex ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der LED (142) zugeordnete Vorkollimationsoptik (143) in Form einer konvexen oder GRIN-Linse an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) eingearbeitet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs (142) mit Vorkollimationsoptiken (143) entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) so angeordnet ist, dass Auslesebereiche (148) auf der Auflagefläche (11) vorhanden sind, in denen sich die Strahlenbündel der LED (142) weder in horizontaler noch in vertikaler Richtung überlagern, in denen Hautabdrücke (21) mit hoher örtlicher Auflösung aufnehmbar sind, und weiterhin Zwischenbereiche (149) vorhanden sind, in denen keine Informationen über Hautabdrücke (21) vorliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Authentifizierungsbereich (12) der Auflagefläche (11) eine hohe Dichte an Auslesebereichen (148) mit einem Anteil von > 50% aufweist und für nahezu lückenlose Aufnahmen von Hautabdrücken (21) mit hoher örtlicher Auflösung für Authentifikationsanwendungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Auflagefläche (11) eine geringe Dichte von Auslesebereichen (148) mit einem Anteil an Zwischenbereichen (149) von >50% aufweist und deshalb lückenhafte Aufnahmen von Hautabdrücken (21) mit hoher örtlicher vertikaler und horizontaler Auflösung für niedrige sicherheitsrelevante Anwendungen und Erfassung von Fingergesten ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED (142) an einer durch Einkürzung wenigstens einer Ecke (145) der Lichtleiterschicht (141) vorhandenen Schmalseite angeordnet ist, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht (141) eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen (144) kompensiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuscheibe (146) zwischen LED (142) und Lichtleiterschicht (141) zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel der Lichtleiterschicht (141) angeordnet ist, sodass die Lichtauskoppelstrukturen (144) keinen Lichtabfall an den der eingekürzten Ecke (145) benachbarten Randbereichen der Lichtleiterschicht (141) kompensieren müssen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter der transparenten Lichtleiterschicht (141) eine weitere Lichtleiterschicht (141') angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht (18) durch einen wie bei der ersten und der zweiten Adhäsionsschicht (15, 16) niedrig gewählten Brechungsindex verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141) und die weitere Lichtleiterschicht (141') eine Lichteinkopplung an zueinander gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers (1) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lichtleiterschicht (141') in gleicher Weise wie die Lichtleiterschicht (141) zur Richtung der Auflagefläche (11) hin auskoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141) und die weitere Lichtleiterschicht (141') Lichtauskopplungsstrukturen (144) in zueinander horizontal versetzten Bereichen der beiden Lichtleiterschichten (141, 141') aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem teiltransparenten Display (17) in einem definierten Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente (131) vorhanden sind, die innerhalb der Leuchtelementeschicht (173) eingebracht sind.
Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11, mit folgenden Schritten: - Ausschalten des Displays (17) während der Aufnahme zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke (21), um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht (141) im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays (17) zu vergrößern, - Aufnehmen eines ersten Bildes mit dem Bildsensor (13) bei Beleuchtung mit der Lichtleiterschicht (141) und Speichern in einem Bildspeicher, - Analyse des ersten Bildes, ob definierte Qualitätskriterien erfüllt sind, - Aufnehmen eines zweiten Bildes mit dem Bildsensor (13) bei Beleuchtung mit der weiteren Lichtleiterschicht (141'), wenn Qualitätskriterien im ersten Bild nicht erfüllt sind, - Analyse des zweiten Bildes, ob Qualitätskriterien erfüllt sind, wobei - Ersetzen des ersten Bildes im Bildspeicher durch das zweite Bild, falls die Qualitätskriterien im zweiten Bild erfüllt sind, oder - Überlagern des zweiten Bildes mit dem gespeicherten ersten Bild mit einem definierten bekannten Versatz, falls die Qualitätskriterien im zweiten Bild nicht erfüllt sind, und Speicherung eines hochaufgelösten fusionierten Bildes.
Verfahren zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken und Dokumenten unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 11, mit folgenden Schritten: - Ausschalten des Displays (17) während der Aufnahme eines ersten Bildes zumindest im Bereich der aufgelegten Hautabdrücke (21), um den relativen Anteil des gerichteten Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht (141) im Vergleich zu einer ungerichteten Lichtabstrahlung des Displays (17) zu vergrößern, - Aufnehmen des ersten Bildes mit dem Bildsensor (13) bei Beleuchtung mit der unter einem für TIR in der Abschlussschicht (171) des Displays (17) geeigneten Austrittswinkel γ auskoppelnden Lichtleiterschicht (141) und Speichern des Bildes als Bild des aufgelegten Hautabdruck (21) in einem Bildspeicher, - Aufnehmen eines zweiten Bildes mit dem Bildsensor (13) bei Beleuchtung mit dem Display (17) zur Aufnahme eines Dokuments (3) und Speichern des zweiten Bildes als Bild des aufgelegten Dokuments (3).