DE102022101443A1

DE102022101443A1 - Device for scanning a fingertip and method for scanning the fingertip

Info

Publication number: DE102022101443A1
Application number: DE102022101443.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hellmig; Holger Joachim Mönch
Original assignee: Trumpf Photonic Components GmbH; Trumpf Photonic Components BV
Current assignee: Trumpf Photonic Components GmbH; Trumpf Photonic Components BV
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-07-27
Also published as: WO2023139059A1

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum Scannen eines durch Papillarleisten (36) und Papillargräben (38) gebildeten Profils (16) an einer Fingerkuppe (17) durch ein Laserlicht (18) eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (20), der an einer Elektronikeinrichtung (24) angeschlossen ist, die zur Frequenzmodulierung einer Frequenz des emittierten Laserlichts (18) eingerichtet ist, aufweisend mindestens ein zum Ausrichten des Laserlichts (18) auf einen Scanbereich (28) auf dem Profil (16) vorgesehenes optisches Element (26), wobei eine durch das Profil (16) erzeugte Lichtreflektion des Laserlichts (18) aus dem Scanbereich (28) innerhalb des Halbleiterlasers (20) ein Schwebungssignal erzeugt, das durch die Elektronikeinrichtung (24) auswertbare Informationen über das Profil aufweist. Ein Verfahren zum Scannen eines durch Papillarleisten (38) und Papillargräben (38) gebildeten Profils (16) an einer Fingerkuppe (17) mit solch einer Vorrichtung (10).A device (10) for scanning a profile (16) formed by ridges (36) and ridges (38) on a fingertip (17) using laser light (18) from a surface-emitting semiconductor laser (20) connected to an electronic device (24). is set up for frequency modulation of a frequency of the emitted laser light (18), having at least one optical element (26) provided for aligning the laser light (18) to a scanning area (28) on the profile (16), wherein a through the profile (16) generated light reflection of the laser light (18) from the scanning area (28) within the semiconductor laser (20) generates a beat signal which has information about the profile that can be evaluated by the electronic device (24). A method for scanning a profile (16) formed by ridges (38) and ridges (38) on a fingertip (17) with such a device (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Scannen eines durch Papillarleisten und Papillargräben gebildeten Profils an einer Fingerkuppe durch ein Laserlicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Scannen eines durch Papillarleisten und Papillargräben gebildeten Profils an einer Fingerkuppe mit solch einer Vorrichtung.The present invention relates to a device for scanning a profile formed by papillary ridges and papillary grooves on a fingertip using laser light from a surface-emitting semiconductor laser. Furthermore, the invention relates to a method for scanning a profile formed by papillary ridges and papillary grooves on a fingertip with such a device.

Stand der TechnikState of the art

Die Erkennung von Fingerabdrücken ist ein einfaches, zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren zur Authentifizierung einer Person. Die Vorteile dieser Technologie haben bereits zu einer weiten Verbreitung von Fingerabdruckscannern in mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets geführt. Künftig sind weitere Anwendungen der Fingerabdruckerkennung, zum Beispiel im Zahlungsverkehr, bei der Zugangskontrolle, in der Automobilindustrie, bei Wearables und Haushaltsgeräten denkbar. Die Geräte für die Fingerabdruckerkennung werden daher in großen Mengen gebraucht und müssen daher kostengünstig sein und dennoch einen hohen Sicherheitsstandard aufweisen. Herkömmliche Fingerabdruckscanner basieren häufig auf Bilderkennungsalgorithmen, die durch ein Kamerasystem gestützt werden. Solche Kamerasysteme sind kostspielig in der Beschaffung.Fingerprint recognition is a simple, reliable, and inexpensive method of authenticating an individual. The advantages of this technology have already led to the widespread use of fingerprint scanners in mobile devices such as smartphones and tablets. Further applications of fingerprint recognition are conceivable in the future, for example in payment transactions, in access control, in the automotive industry, in wearables and household appliances. The devices for fingerprint recognition are therefore used in large quantities and must therefore be inexpensive and still have a high security standard. Conventional fingerprint scanners are often based on image recognition algorithms that are supported by a camera system. Such camera systems are expensive to purchase.

Die durch die vorliegende Erfindung gelöste Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer kostengünstigen und dennoch sicheren Vorrichtung zum Scannen eines Profils einer Fingerkuppe. Ferner soll die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereitstellen, mit dem auf sichere Weise mit der Vorrichtung das Profil einer Fingerkuppe gescannt werden kann.The problem solved by the present invention is to provide an inexpensive yet secure device for scanning a profile of a fingertip. Furthermore, the present invention is intended to provide a method with which the device can be used to scan the profile of a fingertip in a safe manner.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung zum Scannen eines durch Papillarleisten und Papillargräben gebildeten Profils an einer Fingerkuppe mittels eines Laserlichts eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vorzusehen, der an einer Elektronikeinrichtung angeschlossen ist, die zur Frequenzmodulierung einer Frequenz des emittierten Laserlichts eingerichtet ist, aufweisend mindestens ein zum Ausrichten des Laserlichts auf einen auf dem Profil angeordneten Scanbereich vorgesehenes optisches Element, wobei eine durch das Profil erzeugte Lichtreflektion des Laserlichts aus dem Scanbereich innerhalb des Halbleiterlasers ein Schwebungssignal erzeugt, das durch die Elektronikeinrichtung auswertbare Informationen über das Profil aufweist.It is proposed to provide a device for scanning a profile formed by papillary ridges and papillary grooves on a fingertip by means of a laser light from a surface-emitting semiconductor laser, which is connected to an electronic device which is set up for frequency modulation of a frequency of the emitted laser light, having at least one optical element provided for aligning the laser light to a scanning area arranged on the profile, with a light reflection of the laser light from the scanning area within the semiconductor laser generated by the profile having a Training signal generated, which has evaluable information about the profile by the electronic device.

Da der Einsatz von Halbleiterlasern gegenüber den heutzutage üblichen Kamerasystemen deutlich günstiger ist und eine Auflösung im Mikrometerbereich ermöglicht, kann eine kostengünstige und gleichzeitig äußerst sichere Vorrichtung geschaffen werden, die das Profil verfahrensgemäß sehr präzise scannen kann.Since the use of semiconductor lasers is significantly cheaper compared to the camera systems that are customary today and enables a resolution in the micrometer range, a cost-effective and at the same time extremely reliable device can be created which, according to the method, can scan the profile very precisely.

Der Halbleiterlaser ist ein sogenannte VCSEL, der eine vertikal emittierende Kavität enthält. Durch die vertikal emittierende Kavität ist es möglich, dass reflektiertes Laserlicht zurück in die Kavität gelangt und mit dem dort bestehenden elektromagnetischen Feld interferiert. Hierdurch wird eine Schwebung gebildet, die wiederum ein durch die Elektronikeinrichtung auswertbares Schwebungssignal bildet.The semiconductor laser is a so-called VCSEL, which contains a vertically emitting cavity. Due to the vertically emitting cavity, it is possible for reflected laser light to get back into the cavity and interfere with the electromagnetic field that is present there. As a result, a beat is formed, which in turn forms a beat signal that can be evaluated by the electronic device.

Das Profil an der Fingerkuppe erzeugt beim Berühren einer Fläche einen Fingerabdruck, der die Papillarleisten und Papillargräben abbildet. Das Laserlicht wird frequenzmoduliert, sodass die Höhenunterschiede zwischen den Papillarleisten und Papillargräben zu unterschiedlichen Frequenzen der Lichtreflektionen und schließlich einen Einfluss auf das Schwebungssignal hat. Wird die Frequenz des Laserlichts kontinuierlich verändert, so ist die Differenzfrequenz zwischen rückreflektiertem Licht und der momentanen Laserfrequenz umso größer, je weiter entfernt das reflektierende Objekt ist. Damit verursacht ein Rückreflex aus einem Graben eine höhere Schwebungsfrequenz als ein Rückreflex von einer Leiste. Hierdurch wird es möglich eine Höheninformation bereitzustellen.When touching a surface, the profile on the fingertip creates a fingerprint that depicts the papillary ridges and grooves. The laser light is frequency modulated so that the height differences between the papillary ridges and papillary grooves lead to different frequencies of the light reflections and finally have an influence on the beat signal. If the frequency of the laser light is changed continuously, the difference in frequency between the reflected light and the instantaneous laser frequency is greater the further away the reflecting object is. Thus, a back-reflection from a ditch causes a higher beat frequency than a back-reflection from a ledge. This makes it possible to provide height information.

Beispielsweise könnte ein herkömmliches Kamerasystem zu Scannen des Fingerabdrucks mit einem erfindungsgemäßen VCSEL-basierten Scannersystem kombiniert werden, um zusätzlich zu dem zweidimensionalem Scanbild des Kamerasystems eine Höhen- und Tiefeninformation der Papillarleiten und Papillargräben zu gewinnen. Hiernach kann das zweidimensionales Scanbild zu einer dreidimensionalen Struktur erweitert werden. Dadurch wird eine höhere Sicherheitstufe erreicht, da ein Täuschen des Kamerasystems mit zweidimensionalen Replika einer Fingerkuppe nicht mehr möglich ist.For example, a conventional camera system for scanning the fingerprint could be combined with a VCSEL-based scanner system according to the invention in order to obtain height and depth information of the papillary lines and papillary grooves in addition to the two-dimensional scan image of the camera system. After this, the two-dimensional scan image can be expanded into a three-dimensional structure. This achieves a higher level of security, since it is no longer possible to deceive the camera system with two-dimensional replicas of a fingertip.

Um eine Lichtreflektion zu erhalten, wird das Laserlicht mittels des optischen Elements auf den Scanbereich gerichtet, der auf dem Profil angeordnet ist. Der Scanbereich wird durch die Position der Fingerkuppe bezüglich des Laserlichts vorgegeben. Beispielsweise kann eine für das Laserlicht transparente Scheibe vorgesehen werden, auf die die Fingerkuppe aufgedrückt werden kann.In order to obtain a light reflection, the laser light is directed onto the scanning area arranged on the profile by means of the optical element. The scanning area is defined by the position of the fingertip in relation to the laser light. For example, a disc that is transparent to the laser light can be provided, onto which the fingertip can be pressed.

Durch die Frequenzmodulation kann eine Abstandsmessung der Papillarleisten und Papillargräben zum Halbleiterlaser beziehungsweise eine Höhendifferenzmessung zwischen den Papillarleisten und Papillargräben durchgeführt werden. Da jedes Profil einer Fingerkuppe nicht nur hinsichtlich der Anordnung der Papillarleisten und Papillargräben, sondern auch hinsichtlich der Höhenverteilung der Papillarleisten und Papillargräben entlang des Profils einzigartig ist, kann die Höhenverteilung als Sicherheitsmerkmal zur Erkennung eines Profils und damit auch der Identität einer Person verwendet werden. Solch eine Vorrichtung kann zusätzlich zu einem herkömmlichen beispielsweise auf einem Graustufenbild basierenden Fingerabdruck-Scan-Vorrichtung verwendet werden, um nicht nur eine Bilderkennung des Graustufenbilds durchzuführen, sondern auch eine Höhenmessung der Papillarleisten und Papillargräben als zusätzliches Sicherheitsmerkmal durchzuführen.By the frequency modulation, a distance measurement of the papillary ridges and papillary grooves to the semiconductor laser or a Height difference measurement between the papillary ridges and papillary troughs can be carried out. Since every profile of a fingertip is unique not only with regard to the arrangement of the ridges and ridges, but also with regard to the height distribution of the ridges and ridges along the profile, the height distribution can be used as a security feature to identify a profile and thus also the identity of a person. Such a device can be used in addition to a conventional fingerprint scanning device based, for example, on a grayscale image, in order not only to perform image recognition of the grayscale image, but also to perform a height measurement of the ridges and ridges as an additional security feature.

Weitere beispielhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.Further exemplary embodiments of the invention are contained in the dependent claims.

Vorteilhafterweise, dass ein optisches Element das Laserlicht punktförmig bündelt und auf einen punktförmigen Scanbereich richtet. Hierbei kann das optische Element als refraktive Linse ausgeführt sein, die einen Brennpunkt aufweist, der auf dem Profil positioniert ist. Durch den punktförmigen Scanbereich können einzelne Papillarleisten und Papillargräben abgetastet werden und die Oberflächenstruktur des Profils direkt aufgenommen werden.Advantageously, an optical element bundles the laser light in a punctiform manner and directs it to a punctiform scan area. Here, the optical element can be designed as a refractive lens that has a focal point that is positioned on the profile. Individual papillary ridges and papillary grooves can be scanned through the punctiform scanning area and the surface structure of the profile can be recorded directly.

Es ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass ein optisches Element das Laserlicht linienförmig formt und auf einen linienförmigen Scanbereich richtet. Hierdurch können durch den Scanbereich mindestens eine Papillarleiste und ein Papillargraben gescannt werden.In an advantageous development, it is provided that an optical element forms the laser light in the form of a line and directs it onto a line-shaped scanning area. As a result, at least one papillary ridge and one papillary ditch can be scanned through the scanning area.

Damit das Laserlicht in einfacher Weise linienförmig geformt werden kann, kann das optische Element als Zylinderlinse ausgeführt werden, die einen Linienfokus erzeugt. Der Linienfokus wird auf den linienförmigen Scanbereich gerichtet.So that the laser light can be shaped in a linear manner in a simple manner, the optical element can be designed as a cylindrical lens that generates a line focus. The line focus is directed to the line-shaped scan area.

Besonders bevorzugt ist es, wenn durch das optische Element ein flächiger Scanbereich auf dem Profil beleuchtet wird, wobei der flächige Scanbereich mehr als eine Papillarleiste und einen Papillargraben umfasst. Vorzugsweise kann ein kreisförmiger flächiger Scanbereich ausgeleuchtet werden. Dies kann erreicht werden, in dem der Brennpunkt des optischen Elements nicht auf dem Scanbereich positioniert ist. Der Brennpunkt kann weiter weg von oder näher an den Halbleiterlaser als der Scanbereich positioniert sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Array aus Halbleiterlasern vorgesehen ist, das ein flächiges Ausleuchten des Scanbereichs ermöglicht. Jeder Halbleiterlaser kann ein Flächenstück des Scanbereichs von 1 × 1 mm scannen. Beispielsweise kann ein Array aus 10 × 10 Halbleiterlasern vorgesehen sein.It is particularly preferred if a planar scanning area on the profile is illuminated by the optical element, with the planar scanning area comprising more than one papillary ridge and one papillary trench. A circular, flat scanning area can preferably be illuminated. This can be achieved by having the focal point of the optical element not positioned on the scan area. The focal point may be positioned farther from or closer to the semiconductor laser than the scanning area. It is preferably provided that an array of semiconductor lasers is provided, which enables a planar illumination of the scanning area. Each semiconductor laser can scan a patch of the scan area of 1×1 mm. For example, an array of 10×10 semiconductor lasers can be provided.

Das optische Element kann eine refraktive Linse, ein diffraktives Element und/oder ein photonisches Metamaterial aufweisen. Dabei kann als refraktive Linse eine Zylinderlinse, eine Streulinse oder eine Sammellinse verwendet werden. Das diffraktive Element kann eine Beugungsstruktur sein, die das Laserlicht entsprechend der Scanbereiche formt. Das photonische Metamaterial zeichnet sich durch eine künstlich hergestellte Struktur aus, deren Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung von der in der Natur üblichen abweicht. Das wird durch speziell angefertigte, meist periodische, mikroskopisch feine Strukturen aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien erreicht.The optical element can have a refractive lens, a diffractive element and/or a photonic metamaterial. A cylindrical lens, a diverging lens or a converging lens can be used as the refractive lens. The diffractive element can be a diffraction structure that shapes the laser light according to the scanning areas. The photonic metamaterial is characterized by an artificially produced structure whose permeability to electromagnetic radiation differs from that which is usual in nature. This is achieved through specially manufactured, mostly periodic, microscopically fine structures made of electrically or magnetically effective materials.

Weiterhin wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Scannen des durch die Papillarleisten und Papillargräben gebildeten Profils an einer Fingerkuppe mit der Vorrichtung bereitzustellen, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:

- ein Emittieren eines frequenzmodulierten Laserlichts aus einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser,
- ein Lenken des Laserlichts auf einen Scanbereich auf dem Profil,
- ein Erzeugen einer Lichtreflektion des Profils, die in den Halbleiterlaser eintritt,
- ein Erzeugen eines Schwebungssignals innerhalb des Halbleiterlasers,
- ein Auswerten des Schwebungssignals hinsichtlich Informationen über das Profil durch eine an den Halbleiterlaserlaser angeschlossene Elektronikeinrichtung.

Furthermore, it is proposed to provide a method for scanning the profile formed by the papillary ridges and papillary grooves on a fingertip with the device, the following steps being carried out:

- emitting a frequency-modulated laser light from a surface-emitting semiconductor laser,
- directing the laser light to a scanning area on the profile,
- creating a light reflection of the profile entering the semiconductor laser,
- generating a beat signal within the semiconductor laser,
- An evaluation of the beat signal with regard to information about the profile by an electronic device connected to the semiconductor laser.

Durch das vorteilhafte Verfahren kann ein äußerst sicheres Bestimmen des Fingerabdrucks mit der kostengünstigen Vorrichtung erreicht werden.The advantageous method enables the fingerprint to be determined extremely reliably using the inexpensive device.

Durch eine relativ zum Halbleiterlaser ausgeführten Linearbewegung der Fingerkuppe wird eine Scanspur entlang des Profils erzeugt. Entlang der Scanspur erfolgt die Scannung des Profils. Der Scanbereich wird durch die Linearbewegung entlang dem Profil geführt, sodass ein Scannen der Papillarleisten und Papillargräben erfolgen kann. Hierdurch kann eine Scanspur erzeugt werden, die für einen hohen Sicherheitsstandard genügend Papillarleisten und Papillargräben umfasst.A scan track along the profile is generated by a linear movement of the fingertip relative to the semiconductor laser. The profile is scanned along the scan track. The scanning area is guided along the profile by the linear movement, so that the papillary ridges and papillary grooves can be scanned. In this way, a scan track can be generated that includes enough papillary ridges and papillary trenches for a high security standard.

Vorzugsweise wird das Laserlicht durch ein optisches Element gebündelt und auf einen punktförmigen Scanbereich auf dem Profil gerichtet, sodass die Scanspur linienförmig ist. Hierdurch können die geometrischen Maße der Papillarleisten und Papillargräben erfasst werden.The laser light is preferably bundled by an optical element and directed onto a punctiform scan area on the profile, so that the scan track is linear. In this way, the geometric dimensions of the papillary ridges and papillary grooves can be recorded.

Vorteilhafterweise kann das Schwebungssignal hinsichtlich der geometrischen Maße des Profils ausgewertet werden.The beat signal can advantageously be evaluated with regard to the geometric dimensions of the profile.

Verfahrensgemäß kann das Laserlicht durch ein optisches Element linienförmig geformt werden und auf einen linienförmigen Scanbereich gerichtet werden, der auf dem Profil angeordnet ist, sodass durch eine quer zu einem linienförmigen Scanbereich ausgerichtete Linearbewegung die Scanspur in Abhängigkeit der Länge des linienförmigen Scanbereichs flächig ist. Dabei wird eine näherungsweise viereckige Scanspur erzeugt, die beispielsweise rechteckig sein kann. Hierdurch kann ein großer Flächenbereich abgescannt werden, der eine Vielzahl an Papillarleisten und Papillargräben beinhaltet.According to the method, the laser light can be linearly shaped by an optical element and directed onto a linear scan area that is arranged on the profile, so that the scan track is flat as a function of the length of the linear scan area due to a linear movement aligned transversely to a linear scan area. In this case, an approximately square scan track is generated, which can be rectangular, for example. This allows a large surface area to be scanned, which includes a large number of papillary ridges and capillary grooves.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein flächiger Scanbereich auf dem Profil gescannt wird, wobei das Profil relativ zum Laserlicht ruht. Hierdurch wird ein eine Vielzahl an Papillarleisten und Papillargräben umfassender Scanbereich bereits vorgesehen, ohne dass eine zum Halbleiterlaser relative Bewegung des Profils nötig ist. Dazu kann durch das optische Element ein Brennpunkt erzeugt werden, der nicht auf dem Profil liegt.In a preferred development, it is provided that a flat scanning area is scanned on the profile, with the profile being at rest relative to the laser light. As a result, a scanning area comprising a multiplicity of papillary ridges and papillary trenches is already provided without the need for a movement of the profile relative to the semiconductor laser. For this purpose, the optical element can generate a focal point that is not on the profile.

Durch die Elektronikeinrichtung kann ein Histogramm der Papillarleisten und Papillargräben erzeugt werden, in dem das Schwebungssignal hinsichtlich der im Schwebungssignal enthaltenen Frequenzen analysiert wird, wobei anhand der Frequenzen Papillarleisten und Papillargräben unterschieden werden. Hierbei wird die sich periodisch wiederholende Frequenzmodulation der Frequenz des Laserlichts verwendet, um die unterschiedlichen Abstände der Papillarleisten und Papillargräben zu dem Halbeiterlaser auszumessen. Jeder Abstand ist mit einer bestimmten Schwebungsfrequenz assoziiert. Die Häufigkeit einer Schwebungsfrequenz gibt die Häufigkeit des entsprechenden Abstands einer Papillarleiste und eines Papillargrabens vom Halbleiterlaser an.A histogram of the papillary ridges and papillary troughs can be generated by the electronic device, in which the beat signal is analyzed with regard to the frequencies contained in the beat signal, papillary ridges and papillary troughs being differentiated on the basis of the frequencies. In this case, the periodically repeating frequency modulation of the frequency of the laser light is used in order to measure the different distances between the papillary ridges and papillary trenches from the semiconductor laser. Each distance is associated with a specific beat frequency. The frequency of a beat frequency indicates the frequency of the corresponding distance between a papillary ridge and a papillary trench from the semiconductor laser.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.The invention is explained in more detail below using the exemplary embodiments with reference to the associated drawing. Directional references in the following explanation are to be understood according to the reading direction of the drawing.

Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zum Scannen einer Fingerkuppe durch ein Laserlicht mit entlang einer linienförmigen Scanspur,
2 ein Querschnitt durch ein Profil der Fingerkuppe, die entlang einer linienförmigen Scanspur abgescannt wurde,
3 eine Vorrichtung zum Scannen einer Fingerkuppe durch ein Laserlicht mit entlang einer flächigen Scanspur,
4 ein Histogramm von Papillarleisten und Papillargräben eines Profils der Fingerkuppe, die entlang einer flächigen Scanspur abgescannt wurde,
5 eine Vorrichtung zum Scannen einer Fingerkuppe durch ein Laserlicht, wobei die Fingerkuppe ruht, und
6 ein Histogramm von Papillarleisten und Papillargräben eines Profils der Fingerkuppe in einem flächigen Scanbereich.

Show it:

1 a device for scanning a fingertip with a laser light along a linear scan track,
2 a cross-section through a profile of the fingertip, which was scanned along a line-shaped scan track,
3 a device for scanning a fingertip with a laser light along a flat scan track,
4 a histogram of papillary ridges and papillary grooves of a profile of the fingertip, which was scanned along a flat scan track,
5 a device for scanning a fingertip by a laser light with the fingertip at rest, and
6 a histogram of papillary ridges and papillary grooves of a profile of the fingertip in a planar scan area.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

In den 1, 3 und 5 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, die zum Scannen eines durch Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 gebildeten Profils 16 an einer Fingerkuppe 17 durch ein Laserlicht 18 eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 20 vorgesehen ist. Hierzu ist der Halbleiterlaser 20 als ein sogenannter VCSEL ausgeführt, der eine vertikal emittierende Kavität 22 aufweist. Das Laserlicht 18 liegt vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 850 nm or 940 nm.In the 1 , 3 and 5 A device 10 is shown, which is provided for scanning a profile 16 formed by papillary ridges 36 and papillary trenches 38 on a fingertip 17 using laser light 18 from a surface-emitting semiconductor laser 20 . For this purpose, the semiconductor laser 20 is designed as a so-called VCSEL, which has a vertically emitting cavity 22 . The laser light 18 is preferably in the wavelength range of 850 nm or 940 nm.

Es ist möglich, in die vertikal emittierende Kavität 22 durch das Profil 16 reflektiertes Laserlicht 18 zu leiten. In der Kavität 22 führt das Laserlicht 18 zu einer Interferenz, die eine Schwebung bildet, die durch eine an den Halbleiterlaser 20 angeschlossene Elektronikeinrichtung 24 ausgewertet wird.It is possible to guide laser light 18 reflected by the profile 16 into the vertically emitting cavity 22 . In the cavity 22, the laser light 18 leads to an interference that forms a beat that is evaluated by an electronic device 24 connected to the semiconductor laser 20.

Ferner kann durch die Elektronikeinrichtung 24 eine Frequenzmodulierung einer Frequenz des emittierten Laserlichts 18 erfolgen, sodass eine Abstandsmessung der Papillarleisten und Papillargräben bezüglich des Halbleiterlasers 20 erfolgen kann.Furthermore, the electronic device 24 can carry out a frequency modulation of a frequency of the emitted laser light 18 so that a distance measurement of the papillary ridges and papillary trenches with respect to the semiconductor laser 20 can take place.

Das Laserlicht 18 tritt durch das optische Element 26 hindurch, welches zum Ausrichten des Laserlichts 18 auf einen Scanbereich 28 vorgesehen ist, wobei der Scanbereich 28 auf dem Profil angeordnet ist. Die durch das Profil erzeugte Lichtreflektion des Laserlichts 18 erfolgt aus dem Scanbereich 28 heraus.The laser light 18 passes through the optical element 26, which is provided for aligning the laser light 18 onto a scanning area 28, the scanning area 28 being arranged on the profile. The light reflection of the laser light 18 generated by the profile takes place out of the scanning area 28 .

In 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, die eine Sammellinse als optisches Element 26 aufweist. Alternativ oder ergänzend kann das optische Element 26 ein diffraktives Element und/oder ein photonisches Metamaterial aufweisen.In 1 a device 10 is shown which has a converging lens as the optical element 26 . Alternatively or additionally, the optical element 26 can have a diffractive element and/or a photonic metamaterial.

Das optische Element 26 bündelt das Laserlicht 18 und richtet es auf einen punktförmigen Scanbereich 28. Der Scanbereich 28 kann auf einer Scheibe 30 angeordnet sein, auf den die Fingerkuppe 17 gedrückt werden kann. Hierbei kann das Profil 16 abgeflacht werden. Bei der Verwendung einer Sammellinse liegt der Brennpunkt auf der Scheibe 30.The optical element 26 bundles the laser light 18 and directs it onto a punctiform scanning area 28. The scanning area 28 can be arranged on a disc 30 onto which the fingertip 17 can be pressed. Here, the profile 16 can be flattened. When using a converging lens, the focal point is on the disc 30.

Der punktförmige Scanbereich 28 wird durch eine relativ zum Halbleiterlaser 20 ausgeführten Linearbewegung 32 der Fingerkuppe 17 über das Profil 16 geführt. Dabei erzeugt der punktförmige Scanbereich 28 eine linienförmige Scanspur 34, entlang der die Scannung des Profils 16 erfolgt. Die Linearbewegung 32 ist in 1 rein exemplarisch quer zur Haupterstreckungsrichtung des die Fingerkuppe 17 tragenden Fingers.The punctiform scan area 28 is guided over the profile 16 by a linear movement 32 of the fingertip 17 performed relative to the semiconductor laser 20 . The punctiform scanning area 28 generates a line-shaped scanning track 34 along which the scanning of the profile 16 takes place. The linear movement 32 is in 1 purely as an example transverse to the main extension direction of the finger bearing the fingertip 17 .

Der Scanbereich 28 wird durch die Linearbewegung 32 entlang dem Profil 16 geführt, sodass ein Scannen der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 erfolgen kann. Da der punktförmige Scanbereich 28 so groß ausgeführt ist, dass er nur eine Papillarleiste 36 und einen Papillargraben 38 umfasst, können die geometrischen Maße der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 erfasst werden.The scanning area 28 is guided along the profile 16 by the linear movement 32 so that the papillary ridges 36 and papillary grooves 38 can be scanned. Since the punctiform scan area 28 is designed so large that it only includes a ridge 36 and a ridge 38, the geometric dimensions of the ridges 36 and ridges 38 can be recorded.

Die Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 weisen eine durchschnittlich Breite in der Ausbreitungsfläche des Profils 16 von ca. 500 Mikrometer und eine Höhe quer zu der Ausbreitungsfläche von durchschnittlich 50 Mikrometer auf. Damit ein sicheres Scannen des Profils 16 erfolgen kann, ist es insbesondere vorteilhaft, eine Auflösung von <<50 Mikrometer in allen drei Raumrichtungen vorzusehen. Um eine kostengünstige Vorrichtung 10 vorzusehen, ist es denkbar, eine Auflösung entlang der Ausbreitungsfläche der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 von kleiner als 100 Mikrometer zu wählen.The papillary ledges 36 and papillary trenches 38 have an average width in the propagation area of the profile 16 of approximately 500 micrometers and a height transverse to the propagation area of an average of 50 micrometers. So that the profile 16 can be reliably scanned, it is particularly advantageous to provide a resolution of <<50 micrometers in all three spatial directions. In order to provide an inexpensive device 10, it is conceivable to choose a resolution along the propagation surface of the ridges 36 and ridges 38 of less than 100 micrometers.

In 2 ist ein Querschnitt des Profils 16 entlang der linienförmigen Scanspur 34 in einem Diagramm dargestellt, wobei die y-Achse 40 die Höhe der das Profil 16 bildenden Strukturen darstellt, während die x-Achse 42 den Ort entlang der Scanspur 34 darstellt. Durch das Scannen entlang der Scanspur 34 werden die Abstände der einzelnen Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 von dem Halbleiterlaser 20 erfasst. Hierzu wird das Laserlicht 18 frequenzmoduliert. Hierbei wird die eine sich periodisch wiederholende Frequenzmodulation der Frequenz des Laserlichts 18 verwendet, um die unterschiedlichen Abstände der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 zu dem Halbeiterlaser 20 auszumessen. Jeder Abstand ist mit einer bestimmten Schwebungsfrequenz assoziiert, die durch die Elektronikeinrichtung 24 ausgewertet wird.In 2 1 is a cross-section of profile 16 along line-shaped scan track 34 in a diagram, with y-axis 40 representing the height of the structures forming profile 16 , while x-axis 42 represents location along scan track 34 . The distances between the individual papillary ridges 36 and papillary grooves 38 are detected by the semiconductor laser 20 by scanning along the scan track 34 . For this purpose, the laser light 18 is frequency-modulated. In this case, the periodically repeating frequency modulation of the frequency of the laser light 18 is used in order to measure the different distances between the papillary ledges 36 and papillary trenches 38 from the semiconductor laser 20 . Each distance is associated with a particular beat frequency that is evaluated by electronics 24 .

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zum Scannen eines Profils 16, bei dem ein optisches Element 26 das Laserlicht 18 linienförmig formt. Das optische Element 26 kann als Zylinderlinse ausgeführt werden, die einen Linienfokus erzeugt. 3 shows a further exemplary embodiment of the device 10 for scanning a profile 16, in which an optical element 26 forms the laser light 18 linearly. The optical element 26 can be designed as a cylindrical lens that generates a line focus.

Das linienförmige Laserlicht 18 wird auf einen linienförmigen Scanbereich 28 gelenkt, der mindestens eine Papillarleiste 36 und einen Papillargraben 38 umfasst. Dabei kann das Profil 16 ebenfalls auf eine Scheibe 30 gepresst werden.The linear laser light 18 is directed onto a linear scanning area 28 which comprises at least one papillary strip 36 and a papillary trench 38 . The profile 16 can also be pressed onto a disc 30 .

Durch eine quer zu dem linienförmigen Scanbereich 28 ausgerichtete Linearbewegung 32 kann eine Scanspur 34 erzeugt werden, die eine Breite aufweist, die der Länge des linienförmigen Scanbereichs 28 entspricht. Hierdurch wird eine flächige Scanspur 34 erzeugt. Die Länge des linienförmigen Scanbereichs 28 beträgt vorteilhafterweise ca. 1 mm. A linear movement 32 aligned transversely to the line-shaped scanning area 28 can produce a scanning track 34 which has a width which corresponds to the length of the line-shaped scanning area 28 . As a result, a flat scan track 34 is generated. The length of the linear scanning area 28 is advantageously approximately 1 mm.

Allerdings ist auch eine breite << 1 mm denkbar.However, a width of <<1 mm is also conceivable.

Die flächige Scanspur 34 ist viereckig und beispielsweise rechteckig, wenn die Linearbewegung 32 senkrecht zum Scanbereich 28 erfolgt. Die flächige Scanspur 34 umfasst eine Vielzahl an Papillarleisten 36 und Papillargräben 38.The flat scan track 34 is quadrilateral and, for example, rectangular when the linear movement 32 takes place perpendicularly to the scan area 28 . The flat scan track 34 comprises a large number of papillary ridges 36 and papillary grooves 38.

Gemäß 4 enthalt das auswertbare Schwebungssignal die Frequenzen der Lichtreflektionen der Vielzahl an Papillarleisten 36 und Papillargräben 38, die in einem Histogramm der Häufigkeiten 43, 44 der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 dargestellt sind. Das Schwebungssignal wird nach den Frequenzen durch die Elektronikeinrichtung 24 analysiert. Die y-Achse 40 stellt die Häufigkeit 43, 44 einer bestimmten Schwebungsfrequenz dar, während die x-Achse 42 die Schwebungsfrequenzen darstellt. Die Häufigkeit 43, 44 einer Schwebungsfrequenz gibt die Häufigkeit 43, 44 des entsprechenden Abstands einer Papillarleiste 36 und eines Papillargrabens 38.According to 4 contains the beat signal that can be evaluated, the frequencies of the light reflections of the plurality of ridges 36 and ridges 38, which are shown in a histogram of frequencies 43, 44 of the ridges 36 and 38 ridges. The electronic device 24 analyzes the beat signal according to frequency. The y-axis 40 represents the frequency 43, 44 of a particular beat frequency, while the x-axis 42 represents the beat frequencies. The frequency 43, 44 of a beat frequency gives the frequency 43, 44 of the corresponding distance between a papillary ridge 36 and a papillary groove 38.

In 5 wird durch das optische Element 26 ein flächiger Scanbereich 28 auf dem Profil 16 beleuchtet. Der flächige Scanbereich umfasst mehr als eine Papillarleiste 36 und einen Papillargraben 38.In 5 a flat scanning area 28 on the profile 16 is illuminated by the optical element 26 . The flat scanning area includes more than one papillary ridge 36 and one papillary groove 38.

Vorzugsweise ist der Scanbereich 28 kreisförmig ausgeleuchtet. Dies kann erreicht werden, indem die Bündelung des Laserlichts 18 nicht so stark wie bei einem punktförmigen Scanbereich 28 gemäß 1 ausgeführt wird. Beispielsweise kann eine Sammellinse verwendet werden, deren Brennpunkt nicht auf dem Scanbereich 28 positioniert wird. Der Brennpunkt kann weiter weg von oder näher an den Halbleiterlaser 20 als der Scanbereich positioniert sein.The scanning area 28 is preferably illuminated in a circular manner. This can be achieved by the bundling of the laser light 18 not being as strong as in the case of a punctiform scanning area 28 according to FIG 1 is performed. For example, a converging lens whose focal point is not positioned on the scan area 28 can be used. The focal point can be further away from or closer to the semiconductor laser 20 may be positioned as the scanning area.

Mittels des flächig ausgebildeten Scanbereichs 28 kann das Profil 16, ohne eine Scanbewegung auszuführen, gescannt werden. Die Fingerkuppe 17 ruht relativ zum Laserlicht 18. Dennoch werden eine Vielzahl an Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 durch den flächigen Scanbereich 28 gescannt und deren Lichtreflektionen wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen analysiert.The profile 16 can be scanned by means of the flat scanning area 28 without performing a scanning movement. The fingertip 17 rests relative to the laser light 18. Nevertheless, a large number of papillary ridges 36 and papillary grooves 38 are scanned by the planar scanning area 28 and their light reflections are analyzed as in the previous exemplary embodiments.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Array aus Halbleiterlasern 20 vorgesehen sein, das ein flächiges Ausleuchten des Scanbereichs 28 ermöglicht. Das Array beispielsweise 100 Halbleiterlaser 20 aufweisen, die in einer Anordnungsebene zu 10 × 10 Halbleiterlasern 20 angeordnet ist. Jeder Halbleiterlaser 20 kann ein Flächenstück des Scanbereichs von 1 × 1 mm scannen.In a further exemplary embodiment, an array of semiconductor lasers 20 can be provided, which enables the scanning region 28 to be illuminated over a wide area. The array can have, for example, 100 semiconductor lasers 20, which are arranged in an arrangement plane of 10×10 semiconductor lasers 20. Each semiconductor laser 20 can scan a patch of the scanning area of 1×1 mm.

Zum Scannen des flächigen Scanbereichs 28 ist in 6 ein weiteres Histogramm der Häufigkeit 43, 44 der Papillarleisten 36 und Papillargräben 38 dargestellt.For scanning the two-dimensional scan area 28, in 6 another histogram of the frequency 43, 44 of the papillary ridges 36 and papillary trenches 38 is shown.

Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtungen 10 der 1, 3 und 5 ist gleich, sodass auch denkbar ist, die optischen Elemente 26 jeweils als refraktive Linse, diffraktives Element und/oder ein photonisches Metamaterial aufweisend auszuführen.The basic structure of the devices 10 of 1 , 3 and 5 is the same, so that it is also conceivable to design the optical elements 26 each as a refractive lens, diffractive element and/or having a photonic metamaterial.

Beispielsweise können auch verschiedene Ausbildungen der Scanbereiche 28 miteinander kombiniert werden.For example, different configurations of the scanning areas 28 can also be combined with one another.

Claims

Vorrichtung (10) zum Scannen eines durch Papillarleisten (36) und Papillargräben (38) gebildeten Profils (16) an einer Fingerkuppe (17) durch ein Laserlicht (18) eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (20), der an einer Elektronikeinrichtung (24) angeschlossen ist, die zur Frequenzmodulierung einer Frequenz des emittierten Laserlichts (18) eingerichtet ist, aufweisend mindestens ein zum Ausrichten des Laserlichts (18) auf einen auf dem Profil (16) angeordneten Scanbereich (28) vorgesehenes optisches Element (26), wobei eine durch das Profil (16) erzeugte Lichtreflektion des Laserlichts (18) aus dem Scanbereich (28) innerhalb des Halbleiterlasers (20) ein Schwebungssignal erzeugt, das durch die Elektronikeinrichtung (24) auswertbare Informationen über das Profil aufweist.Device (10) for scanning a profile (16) formed by papillary ridges (36) and papillary grooves (38) on a fingertip (17) by a laser light (18) from a surface-emitting semiconductor laser (20) which is connected to an electronic device (24) which is set up for frequency modulation of a frequency of the emitted laser light (18), having at least one for aligning the laser light (18) to one arranged on the profile (16). en scanning area (28) provided optical element (26), wherein a light reflection of the laser light (18) generated by the profile (16) from the scanning area (28) within the semiconductor laser (20) generates a beat signal which has information about the profile that can be evaluated by the electronic device (24).

Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (26) das Laserlicht (18) punktförmig bündelt und auf einen punktförmigen Scanbereich (28) richtet.Device (10) after claim 1 , characterized in that an optical element (26) bundles the laser light (18) in a punctiform manner and directs it to a punctiform scan area (28).

Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (26) das Laserlicht (18) linienförmig formt und auf einen linienförmigen Scanbereich (28) richtet.Device (10) after claim 1 or 2 , characterized in that an optical element (26) forms the laser light (18) linearly and directs it to a linear scanning area (28).

Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (26) eine Zylinderlinse ist, die einen Linienfokus erzeugt.Device (10) after claim 3 , characterized in that the optical element (26) is a cylindrical lens which produces a line focus.

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das optische Element (26) ein flächiger Scanbereich (28) auf dem Profil (16) beleuchtet wird, wobei der flächige Scanbereich mindestens eine Papillarleiste (36) und einen Papillargraben (38) umfasst.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a flat scanning area (28) on the profile (16) is illuminated by the optical element (26), the flat scanning area comprising at least one papillary ridge (36) and one papillary groove (38).

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array aus Halbleiterlasern (20) vorgesehen ist, das ein flächiges Ausleuchten des Scanbereichs (28) ermöglicht.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that an array of semiconductor lasers (20) is provided, which enables a planar illumination of the scanning area (28).

Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (26) eine refraktive Linse, ein diffraktives Element und/oder ein photonisches Metamaterial aufweist.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical element (26) has a refractive lens, a diffractive element and/or a photonic metamaterial.

Verfahren zum Scannen eines durch Papillarleisten (38) und Papillargräben (38) gebildeten Profils (16) an einer Fingerkuppe (17) mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - ein Emittieren eines frequenzmodulierten Laserlichts (18) aus einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (20), - ein Lenken des Laserlichts (18) auf einen Scanbereich (28) auf dem Profil (16), - ein Erzeugen einer Lichtreflektion des Laserlichts (18) aus dem Scanbereich (28) auf dem Profil (16), - ein Eindringen der Lichtreflektion in den Halbleiterlaser (20), - ein Erzeugen eines Schwebungssignals innerhalb des Halbleiterlasers (20), - ein Auswerten des Schwebungssignals hinsichtlich Informationen über das Profil durch eine an den Halbleiterlaser (20) angeschlossene Elektronikeinrichtung (24).Method for scanning a profile (16) formed by papillary ridges (38) and papillary grooves (38) on a fingertip (17) with a device (10) according to one of the preceding claims, characterized by - emitting a frequency-modulated laser light (18) from a surface-emitting semiconductor laser (20), - directing the laser light (18) onto a scanning area (28) on the profile (16), - generating a light reflection of the laser light s (18) from the scanning area (28) on the profile (16), - penetration of the light reflection into the semiconductor laser (20), - generation of a beat signal within the semiconductor laser (20), - evaluation of the beat signal with regard to information about the profile by an electronic device (24) connected to the semiconductor laser (20).

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (16) entlang einer durch eine Linearbewegung (32) erzeugten Scanspur (34) gescannt wird, die durch den Scanbereich (28) erzeugt wird.procedure after claim 8 , characterized in that the profile (16) is scanned along a scanning track (34) generated by a linear movement (32) which is generated by the scanning area (28).

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht (18) durch ein optisches Element (26) gebündelt wird und auf einen punktförmigen Scanbereich (28) auf dem Profil (16) gerichtet wird, sodass die Scanspur (34) linienförmig ist.procedure after claim 9 , characterized in that the laser light (18) is bundled by an optical element (26) and a punctiform scanning area (28) on the Pro fil (16) is directed so that the scan track (34) is linear.

Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwebungssignal hinsichtlich der geometrischen Maße des Profils (16) ausgewertet wird.procedure after claim 10 , characterized in that the beat signal is evaluated with regard to the geometric dimensions of the profile (16).

Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht (18) durch ein optisches Element (26) linienförmig geformt wird und auf einen linienförmigen Scanbereich (28) gerichtet wird, der auf dem Profil (16) angeordnet ist, sodass durch eine quer zu einem linienförmigen Scanbereich (28) ausgerichtete Linearbewegung (32) die Scanspur (34) in Abhängigkeit der Länge des linienförmigen Scanbereichs (28) flächig ist.procedure after claim 10 or 11 , characterized in that the laser light (18) is linearly formed by an optical element (26) and is directed onto a linear scanning area (28) which is arranged on the profile (16), so that the scanning track (34) is flat as a result of a linear movement (32) aligned transversely to a linear scanning area (28) depending on the length of the linear scanning area (28).

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein flächiger Scanbereich (28) auf dem Profil (16) gescannt wird, wobei das Profil (16) relativ zum Laserlicht (18) ruht.Procedure according to one of Claims 8 until 12 , characterized in that a flat scanning area (28) is scanned on the profile (16), the profile (16) being at rest relative to the laser light (18).

Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch das optische Element (26) ein Brennpunkt erzeugt wird, der nicht auf dem Profil (16) liegt.procedure after Claim 13 , characterized in that the optical element (26) generates a focal point which does not lie on the profile (16).

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwebungssignal hinsichtlich der im Schwebungssignal enthaltenen Frequenzen analysiert wird, wobei anhand der Frequenzen Papillarleisten (38) und Papillargräben (38) unterschieden werden.Procedure according to one of Claims 8 until 14 , characterized in that the beat signal is analyzed with regard to the frequencies contained in the beat signal, a distinction being made between papillary ridges (38) and papillary grooves (38) on the basis of the frequencies.