DE10128717A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung natürlicher Haut - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung natürlicher HautInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung natürlicher Haut (5), bei dem die Hautoberfläche (4) mit Licht aus dem sichtbaren oder angrenzenden Bereich an einer Einstrahlungsstelle (1) beleuchtet wird, bei dem der Teil des an der Einstrahlungsstelle (1) durch die Hautoberfläche (4) eintretenden, in der Haut (5) gestreuten und aus der Hautoberfläche (4) wieder austretenden Lichtes als Streulicht (7) an einer Detektionsstelle (9) mit einem Detektor (20) detektiert wird, und bei dem das von dem Detektor (20) erfaßte Signal einem Komparator zugeführt und mit hinterlegten Daten verglichen wird. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung
natürlicher Haut sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Bei der Berechtigungskontrolle hinsichtlich des Zuganges
zu geschlossenen Systemen, wie diese beispielsweise durch
Raumkomplexe oder Datennetze gegeben sein können, werden
in verstärktem Umfang biometrische Kontrollen zur
Identifizierung des Zugangsberechtigten durchgeführt, da
bei den individuellen biometrischen Eigenschaften eines
Individuums im Gegensatz zur Verwendung von Paßwörtern
oder Schlüsseln keine Gefahr besteht, daß diese
verlorengehen oder weitergegeben werden können. In der
Praxis hat es sich bewährt, die Papillarlinienmuster an
den Handinnenflächen oder den Fingerkuppen als
biometrisches, bei jedem Individuum unterschiedliches und
unveränderliches Merkmal zu benutzen, wobei Verfahren
bekannt sind, mit denen diese Papillarlinienmuster
berührungslos optisch erfaßt werden. Bei diesen Messungen
wird das Papillarlinienmuster als solches ausgewertet,
also die Topologie der Hautoberfläche oder anders
formuliert, das Muster des durch die Papillarleisten
gebildeten Reliefs. Dabei besteht das Problem, daß bei
Kenntnis des Papillarlinienmusters die Meßapparatur zur
Erfassung der biometrischen Daten im Prinzip getäuscht
werden kann mittels Falschvorlagen, die eine Nachbildung
des Papillarlinienmusters entsprechend der
dreidimensionalen Originalvorlage aufweisen und die
beispielsweise denkbar sind in Form von zweidimensionalen
Nachbildungen, dreidimensionalen Nachbildungen oder
Überzügen auf natürlichen Fingern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dem die Sicherheit biometrischer Verfahren
zur Kontrolle der Zugangsberechtigung, insbesondere
solcher mit Auswertung von Papillarlinienmustern, gegen
Täuschungsversuche verbessert werden kann. Aufgabe der
Erfindung ist weiterhin, eine Vorrichtung bereitzustellen,
mit der dieses Verfahren ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich den das Verfahren
betreffenden Teil nach der Erfindung gelöst durch ein
Verfahren zur Erkennung natürlicher Haut, bei dem die
Hautoberfläche mit Licht aus dem sichtbaren oder
angrenzenden Bereich an einer Einstrahlungsstelle
beleuchtet wird, bei dem der Teil des an der
Einstrahlungsstelle durch die Hautoberfläche eintretenden,
in der Haut gestreuten und aus der Hautoberfläche wieder
austretenden Lichtes als Streulicht an einer
Detektionsstelle mit einen Detektor detektiert wird, und
bei dem das von dem Detektor erfaßte Signal einem
Komparator zugeführt und mit hinterlegten Daten verglichen
wird.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß optische
Eigenschaften der natürlichen Haut durch Messung des
Streulichts überprüft werden, wodurch eine Vielzahl von
Betrugsmöglichkeiten der eingangs genannten Art
ausgeschlossen werden können. Dazu wird die Haut an der
Einstrahlungsstelle mit einem Lichtstrahl beleuchtet, der
zu einem Teil an der Oberfläche diffus reflektiert wird.
Der verbleibende Teil des Lichtstrahls dringt in das
Gewebe der Haut ein und wird in diesem Volumen durch
Vielfachstreuung verteilt, wobei ein Bruchteil dieses
Streulichts wieder aus der Hautoberfläche austritt und so
die Haut hell erscheinen läßt. Da natürliche Haut aus
komplexen organischen Strukturen aufgebaut ist und eine
Vielzahl von optisch wirksamen Substanzen enthält, sind
ihre optischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich
der Streuung (Mie- und Rayleighstreuung) und der mit
Streulicht bestimmbaren Absorption nicht oder nur mit sehr
hohem Aufwand zu imitieren. Vorteilhaft ist dabei, wenn
die Detektionsstelle an anderer Stelle als die
Einstrahlungsstelle liegt.
Die Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich
noch dadurch steigern, daß zur Beleuchtung der
Einstrahlungsstelle Licht aus einem begrenzten
Spektralbereich verwendet wird, da dieser auf die
optischen Eigenschaften hinsichtlich Streuung und
Absorption der in der Haut vorhandenen Stoffe abgestimmt
werden kann, also insbesondere zur Beleuchtung der
Einstrahlungsstelle Licht aus einem Spektralbereich
verwendet wird, in dem Absorption und Streuung eines
natürlich in der Haut vorkommenden Naturstoffes
charakteristische Werte annehmen.
Zur Verbesserung des Meßergebnisses ist weiterhin im
Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß mehrere begrenzte
Spektralbereiche zur Beleuchtung der Einstrahlungsstelle
verwendet werden. Günstig ist dabei, wenn Licht aus den
Spektralbereichen um 600 nm und um 800 nm zur Beleuchtung
der Einstrahlungsstelle verwendet wird, da zwischen diesen
Wellenlängen sowohl ein großer Absorptionssprung des
Hämoglobins als auch ein Absorptionsabfall des
Hautfarbstoffes Melanins erfaßt werden kann und außerdem
bei den beiden Wellenlängen die schwankende
Sauerstoffsättigung des Blutes keinen Einfluß auf die
Messung hat. Ein weiterer vorteilhafter begrenzter
Spektralbereich zur Beleuchtung der Haut an der
Einstrahlungsstelle liegt bei etwa 1250 nm, wobei bei
dieser Wellenlänge im wesentlichen der Wassergehalt des
Gewebes das Meßergebnis bestimmt.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß das Streulicht an mehreren
räumlich unterschiedlichen Detektionsstellen detektiert
wird, insbesondere wenn die Detektionsstellen einen
unterschiedlichen Abstand zur Einstrahlungsstelle
aufweisen. Da die Intensität des Streulichts mit
wachsender Entfernung von der Einstrahlungsstelle nach
einer bestimmten Funktion, hier "Streufunktion" genannt,
abfällt, die neben der Abhängigkeit von der Entfernung
auch eine Abhängigkeit von der Wellenlänge des
eingestrahlten Lichtes aufweist, besteht bei diesem
Verfahren die Möglichkeit der strengen Kontrolle, ob die
beleuchtete Probe hinsichtlich ihrer Streufunktion mit der
natürlichen Haut übereinstimmt, wobei nach derzeitigem
Erkenntnisstand es unmöglich ist, diese Streufunktion
künstlich präzise nachzubilden und das zur Annäherung an
diese Streufunktion verwendete Material zusätzlich noch
mit der zur weiteren Nachbildung des Papillarlinienmusters
notwendigen Oberflächenprofilierung zu versehen.
Wenn die Intensität des Lichtes zeitlich moduliert wird,
so daß Wechsellicht zur Anwendung kommt, ist das Verfahren
unempfindlich gegen Umgebungs-Störlicht, das durch
einfache herkömmliche Maßnahmen wie z. B. Abschirmung
häufig nicht völlig eliminiert werden kann.
Gleichfalls ist die Möglichkeit gegeben, daß das
Streulicht von der Detektionsstelle über einen Lichtleiter
dem Detektor zugeführt wird.
Weiterhin im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist es, wenn
die Einstrahlungsstelle einem Finger oder der
Handoberfläche eines Menschen zugeordnet und zugleich
optisch berühungslos mit einem Papillarliniensensor die
charakteristischen Papillarlinienmuster erfaßt werden. Der
große Vorteil ist der weitergehende Schutz gegen
Täuschungsversuche, da die beiden Messungen zur Erfassung
des Papillarlinienmusters und des Streuverhaltens
natürlicher Haut praktisch an derselben Stelle und nahezu
zeitgleich erfolgen und somit keine Möglichkeiten
bestehen, zwischen den beiden Messungen die Meßprobe zu
verschieben oder auszutauschen.
Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird nach
der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Lichtquelle zur
Beleuchtung der Hautoberfläche an der Einstrahlungsstelle,
ein Detektor zur Detektion des an der Detektionsstelle
emittierten Streulichtes und einer als Komparator
fungierenden Datenverarbeitungseinheit, insbesondere ein
Mikroprozessor, vorgesehen sind, und daß die Lichtquelle
auf der Haut ein einem angenäherten oder vollständigen
Kreisring entsprechendes Beleuchtungsmuster erzeugt. Diese
Gestaltung dient der Verbesserung der Meßsicherheit durch
Mittelwertbildung über Gewebsinhomogenitäten und der
Erzeugung genügend starker Meßsignale durch Überlagerung
einer größeren Anzahl gleichartiger
Einzelstreulichtverteilungen.
Das dem Kreisring entsprechende Beleuchtungsmuster wird in
einfacher und daher bevorzugter Weise dadurch erzeugt, daß
der Lichtquelle ein Beleuchtungsring zugeordnet ist. Bei
dem dem Kreisring entsprechenden Beleuchtungsmuster hat es
sich im Hinblick auf die höhere Intensität des Streulichts
in einer vorgegebenen Entfernung von der Eintrittsstelle,
nämlich dem Radius R, als günstig erwiesen, wenn die
Detektionsstelle dem Zentrum des Kreisringes zugeordnet
ist, da so die Symmetrie der Beleuchtung zur Erzielung
eines starken Meßsignales für den dem Radius R
entsprechenden Abstand ausgenutzt wird.
Zur Erfassung der Streufunktion ist es günstig, wenn
mehrere Lichtquellen in dem Beleuchtungsring angeordnet
sind, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren.
Dabei ist es günstig, wenn die Anzahl der Lichtquellen
einer Wellenlänge mit dem Streu- und Absorptionsvermögen
(Streufunktion) der Haut bei dieser Wellenlänge korreliert
ist, so daß Licht einer Wellenlänge, deren Streufunktion
zu einer stärkeren Abschwächung der Intensität im
gegebenen Abstand führt, mit einer höheren, über den
Beleuchtungsring gemittelten Einstrahlintensität an der
Einstrahlungsstelle eingestrahlt wird, um so ein
ausreichendes, hinsichtlich der Intensität mit den
Meßsignalen anderer Wellenlängen vergleichbares Meßsignal
zu erhalten.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, daß der
Durchmesser des ringförmigen Beleuchtungsmusters auf die
von der Lichtquelle emittierte Wellenlänge und dem damit
korrelierten Streu- und Absorptionsvermögen
(Streufunktion) der Haut abgestimmt ist, daß also zur
Erzielung einer gut meßbaren Intensität des Streulichtes
nicht die Intensität des eingestrahlten Lichtes variiert
wird, sondern der Abstand der Einstrahlungsstelle von der
Detektionsstelle.
Dies läßt sich in besonders einfacher und daher
bevorzugter Weise dadurch erreichen, daß mindestens zwei
konzentrisch zueinander angeordnete Beleuchtungsringe
vorgesehen sind, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen
emittieren.
Im Rahmen der Erfindung sind Leuchtdioden als Lichtquellen
vorgesehen, die einen durch ein Vieleck angenäherten
Kreisring darstellen und ein durch getrennte Lichtflecke
angenähertes ringförmiges Beleuchtungsmuster erzeugen. Die
Einschränkung der Kreisannäherung wird dadurch überwunden,
daß der Beleuchtungsring durch ein totalreflektierendes
Rohrstück aus einem optischen Werkstoff gebildet ist. Auf
dessen einen Seite kann das Licht eingekoppelt werden, das
das Rohrstück durchläuft und dabei zwischen den Wandungen
des Rohrstücks mehrfach reflektiert wird, sich so
gleichmäßig über dem Umfang verteilt und so zu einem
gleichmäßig ausgeleuchteten Kreisring mit entsprechendem
Beleuchtungsmuster führt. Dabei kann die Oberfläche auf
der Austrittsseite des Rohrstückes angerauht sein.
Möglich ist weiterhin, daß Laser als Lichtquellen
verwendet werden. Vorgesehen ist weiterhin eine Linse zur
Abbildung der Lichtquelle auf die Haut. Um die
Empfindlichkeit der Meßapparatur gegenüber einer
Defokussierung zu mindern bzw in einem gewissen
Tiefenschärfebereich fehlerfrei Meßwerte zu erhalten, ist
einer zentralen Bohrung der Linse der Detektor zugeordnet,
also eine koaxiale Meßanordnung gewählt.
Eine kompakte Bauform der Vorrichtung wird erreicht, indem
ein Spiegel im Strahlengang zwischen den Lichtquellen und
der der Abbildung des Beleuchtungsmusters auf die Haut
dienenden Linse angeordnet ist, der den Strahlengang so
umlenkt, daß die Linse benachbart zum oder im Inneren des
Rohrstücks angeordnet ist.
Die Erzeugung eines Beleuchtungsmusters ist auch mittels
einer herkömmlichen Projektoranordnung, bestehend aus der
Lichtquelle, Kondensor, Projektionsmustervorlage und
Objektiv, möglich, mit dem die Einstrahlungsstelle
ausgeleuchtet wird. Weiterhin sind
Laser-Musterprojektoren, wie z. B.
Laserdioden-Kreisprojektoren vorteilhaft.
Günstig ist es gleichfalls, wenn ein Lichtleiter zur
Zuführung des Streulicht zum Detektor vorgesehen ist,
insbesondere wenn der Lichtleiter flexibel ausgeführt ist
und so zu dem an beliebiger Stelle, auch außerhalb des
Strahlengangs plazierten Detektor geführt werden kann.
Wenn bei anspruchsvollen technischen Lösungen für
Anwendungsfälle mit hohen Sicherheitsanforderungen mit
relativ vielen diskreten Wellenlängen gemessen werden muß,
wird der technische Aufwand sehr groß, dies mit einer
entsprechend hohen Anzahl von Lichtquellen und
Beleuchtungsringen zu realisieren. Erfindungsgemäß ist
dann im Strahlengang vor dem Detektor ein Spektrometer,
beispielsweise ein Gitterspektrometer einfacher und damit
kostengünstiger Bauart angeordnet, das die
wellenlängenabhängige Auswertung der Streulichtintensität
ermöglicht. Vorteilhaft ist dann, wenn der Detektor durch
ein Photodioden-Array (PDA) oder ein
Charged-Coupled-Device (CCD) gebildet ist. Vorgesehen ist
weiterhin ein Helligkeitssensor zur Überwachung der
Helligkeit der Lichtquelle, z. B. eine Monitor-Meßdiode,
woraus sich auch die Möglichkeit einer Konstantregelung
ergibt.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die
Einstrahlungsstelle einem Finger oder der Handinnenfläche
eines Menschen zugeordnet ist und zugleich optisch
berührungslos mit einem Papillarliniensensor die
charakteristischen Linienmuster erfaßt werden, da so die
Integration der Kontrolle der Zugangsberechtigung mit der
Kontrolle hinsichtlich der Täuschungsversuche in einer
Vorrichtung erfolgt. Insbesondere ergeben sich Vorteile,
weil die beiden berührungslos durchzuführenden Messungen
hinsichtlich der Lebenderkennung und der biometrischen
Identifizierung quasi zeitgleich erfolgen bei enger
räumlicher Kopplung der Meßgebiete.
Übereinstimmende räumliche Meßgebiete sind erreichbar,
wenn ein Strahlteiler zur Einblendung des von der
Lichtquelle erzeugten und des zu messenden Streulichtes in
den objektseitigen Strahlengang des Papillarliniensensors
vorgesehen ist.
Möglich und bevorzugt ist es gleichfalls, wenn der
Detektor durch die Kamera des Papillarliniensensors
gebildet ist, wobei die Kamera zur Aufnahme des von der
Detektionsstelle abgestrahlten Streulichts vorgesehen ist.
Bei Benutzung der Kamera als Papillarliniensensor ist es
auch vorteilhaft, wenn zusätzlich zum Meßfleckbild auch
das Beleuchtungsmuster auf der Haut mit aufgenommen und im
Bild gemessen wird. In diesem Fall tritt die mit
Volumenstreuung überlagerte Streuung an der Oberfläche der
Einstrahlungsstelle als Referenzgröße auf und eine
Stabilisierung oder Kontrolle der Lichtquelle ist nicht
unbedingt erforderlich.
Günstig bei Benutzung der Kamera des Papillarliniensensors
ist es weiterhin, wenn im Beleuchtungsstrahlengang des
Streulichtsensors und vor der Kamera jeweils in gekreuzter
Stellung ein Polarisationsfilter angeordnet ist, da so bei
der Erfassung der Papillarlinienmuster Glanzeffekte
vermieden werden können. Es bietet sich an und ist
vorteilhaft, als Papillarliniensensor den in DE 198 18 229 A1
beschriebenen Sensor zu benutzen, da hierbei ohnehin
ein Polarisationsfilter vor der Kamera vorgesehen ist und
eine photometrische Auswertung des Meßfleckbildes möglich
ist.
Eine einfache und raumsparende Beleuchtungsanordnung kann
realisiert werden, wenn daß der Linse eine zentrale
kreisförmige Abblendung zugeordnet ist, und wenn mehrere
Lichtquellen in unterschiedlichen Abständen auf der
optischen Achse angeordnet sind. Hierbei wird ausgenutzt,
daß eine gewisse Unschärfe des Beleuchtungsmusters auf der
Haut nicht störend ist, so daß durch diesen Aufbau in
einfacher Weise ein Mehrzahl von Ringbildern erzeugt wird,
wobei lediglich zu beachten ist, daß die Abblendung
gegenüber der Meßkamera bzw dem Detektor genügend groß
ist.
Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorgänge beim
Beleuchten von Haut,
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Intensität des
Streulichts in Abhängigkeit des Abstandes r der
Detektionsstelle von der Einstrahlungsstelle,
dargestellt für drei unterschiedliche Wellenlängen,
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung der
Überlagerung zweier Streufunktionen von im Abstand
2 R angeordneten Einstrahlungsstellen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Kreisringes mit
der im Zentrum angeordneten Detektionsstelle,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit in
unterschiedlichen Beleuchtungsringen angeordneten
Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen,
Fig. 6 eine zu Fig. 5 vergleichbare Darstellung einer
alternativen, totalreflektierende Rohrstücke
nutzenden Ausführungsform,
Fig. 7 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung einer
nochmals anderen Ausführungsform mit einem
Lichtleiter und einem integrierten Bauteil zur
Detektion und Auswertung der Streufunktion mittels
Komparator,
Fig. 8 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung mit der
Verwendung eines Spiegels im
Beleuchtungsstrahlengang zur Verkürzung der
Bauform,
Fig. 9 einen einfachen Aufbau zur Erzeugung mehrerer
Ringmuster unter Verwendung einer Abblendung, und
Fig. 10 eine alternative Anordnung der Lichtquellen und
des Detektors zur Zusammenwirkung mit einer
Vorrichtung zur Erfassung der Papillarlinien eines
Fingers.
In Fig. 1 ist vereinfacht die Entstehung des Streulichts 7
dargestellt, wenn an der Einstrahlungsstelle 1 ein
Lichtstrahl 2 einer bestimmten Intensität und Wellenlänge
eingestrahlt wird. Ein Teil dieses Lichtstrahles 2 wird an
der Oberfläche 4 der Haut 5 diffus reflektiert, wodurch
das Lichtbündel 6 entsteht. Der andere Teil des
Lichtstrahls 2 tritt durch die Oberfläche 4 hindurch in
das Gewebe der Haut 5 ein und verteilt sich dort durch
Vielfachstreuung. Ein Bruchteil dieses in der Haut 5
gestreuten Lichtes tritt aus der Hautoberfläche 4 als
sichtbares Streulicht 7 wieder aus, wobei die Intensität
dieses Streulichtes 7 in charakteristischer Weise gemäß
der Streufunktion S von dem Abstand der Austrittsstelle
von der Einstrahlungsstelle 1 sowie der Wellenlänge des
eingestrahlten Lichtes abhängt. Diese zu einer
Streufunktion S führende gesetzmäßige Abhängigkeit,
verursacht durch die optischen Materialeigenschaften der
Haut 5, ist in Fig. 2 für 3 unterschiedliche Wellenlängen
schematisch dargestellt. Zur Erzielung eines ausreichend
großen Signal-Rausch-Verhältnisses und zur
Mittelwertbildung über Gewebsinhomogenitäten wird das
Licht in einem einem Kreisring entsprechenden
Beleuchtungsmuster 8 auf die Haut 5 eingestrahlt, so daß
die Einstrahlungsstelle 1 die Form dieses Kreisringes hat.
Die Detektionsstelle 9 ist dabei dem Zentrum dieses
Kreisringes zugeordnet, wie dies in Fig. 4 dargestellt
wird. Dieses Beleuchtungsmuster in Form eines Kreisringes
führt zu einer Überlagerung sämtlicher Streufunktionen,
die sich ergeben, wenn man die in Fig. 3 dargestellten
Streufunktionen um eine durch deren halben Abstand
gehenden Achse dreht, mit dem Ergebnis, daß im Zentrum
eine relativ große Intensität zur Verfügung steht.
Fig. 5 zeigt den apparativen Aufbau, mit dem das Verfahren
zur Erkennung natürlicher Haut 5 durchgeführt werden kann,
der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichmäßig über
den Umfang zweier konzentrisch zueinander angeordneter
Kreise angeordnete Lichtquellen 10, 11 unterschiedlicher
Wellenlänge aufweist, wobei dem inneren Kreis die
Lichtquellen 10 zugeordnet sind, die Licht erzeugen,
dessen Streufunktion S stärker abfällt, z. B. relativ
kurzwelliges sichtbares oder relativ langweiliges
infrarotes Licht.
Nach einem nicht in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel ist es alternativ möglich, die
Lichtquellen 10, 11 unterschiedlicher Wellenlängen auf
einem einzigen Kreis anzuordnen, wobei in diesem Fall das
Zahlenverhältnis der Lichtquellen 10, 11 der
Streufunktion S angepaßt ist, also z. B. mehr kurzwellige
als langweilige Lichtquellen 10, 11 für sichtbares Licht
verwendet werden.
Das von den Lichtquellen 10, 11 emittierte gebündelte,
durch Pfeile 12 angedeutete Licht ist auf eine Linse 13
gerichtet, die die Lichtquellen 10, 11 als Elemente 3 der
Beleuchtungsringe auf die Haut 5 abbildet. Das an der
Detektionsstelle 9 austretende Streulicht 7 wird mit einer
kleinen Meßkamera 14 gemessen, die sich in einer zentralen
Bohrung der Linse 13 befindet, wobei die Meßkamera 14 aus
dem Objektiv 25 sowie einem Detektor 20 am Ort des
Meßfleckbildes besteht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 unterscheidet sich
von dem aus Fig. 5 hinsichtlich der Gestaltung der
Beleuchtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die
Lichtquellen 10, 11 auf die Eintrittsflächen zweier
zusammengesteckter Rohrstücke als Beleuchtungsringe 15, 16
gerichtet, in denen das Licht aufgrund der Totalreflexion
zur anderen Seite, der Austrittsfläche geleitet wird.
Beispielhaft bestehen die Rohrstücke aus optischem
Werkstoff wie Acrylglas. Die Austrittsflächen sind leicht
aufgerauht, um so zwei annähernd gleichmäßig
ausgeleuchtete ringförmige Quellen zu erzeugen, die
bezüglich der Meßgenauigkeit günstiger sind als durch
Lücken getrennte Ringabschnitte. Fig. 7 zeigt die
Möglichkeit, den Detektor 20 nicht am Ort des
Meßfleckbildes vorzusehen, sondern am Ende eines
Lichtleiters 19 in einem Gehäuse 17, das sich im Inneren
der Rohrstücke befindet, wobei dieses Gehäuse 17 zugleich
auch die weiteren erforderlichen Bauteile zur
Komplettierung der Vorrichtung beinhaltet, wie
beispielsweise den Komparator, die Stromversorgung und
dergl.
Das Gehäuse muß nicht zwingend im Inneren der Rohrstücke
angeordnet sein. Fig. 8 zeigt die Verwendung eines
flexiblen Lichtleiters 19, der zu dem an abweichender,
prinzipiell an beliebiger Stelle plazierten Detektor 20
führt. Fig. 8 zeigt auch die Verwendung eines Spiegels 21
im Strahlengang zwischen den Lichtquellen 10, 11 und der
Linse 13, um so eine kompaktere Bauform der Vorrichtung zu
erreichen. Nicht dargestellt ist die Anordnung eines
Spektrometers im Strahlengang vor dem Detektor 20, um eine
wellenabhängige Auswertung der Streulichtintensität zu
ermöglichen, auch ohne spezielle Wahl der
Lichtquelle 10, 11, die dementsprechend breitbandig gewählt
sein kann. Gleichfalls nicht gezeigt ist die Anordnung
eines Strahlteilers zur Einblendung des von der
Lichtquelle 10, 11 erzeugten Lichts in den objektseitigen
Strahlengang des Papillarliniensensors 24, wodurch die
Messungen zur Lebenderkennung und Personenidentifikation
an der identischen Stellung ausgeführt werden können, und
zwar prinzipiell auch mit demselben Detektor 20, nämlich
der Kamera 22 des Papillarliniensensors 24, der aus der
DE 198 18 229 A1 bekannt ist und daher hier nicht im
einzelnen beschrieben werden muß. Fig. 9 zeigt schematisch
den vorbekannten Papillarliniensensor 24, mit dem optisch
berührungslos insbesondere "Fingerabdrücke" erfaßt werden
können. Das Papillarlinienmuster wird durch die
Lichtquelle 10, 11 ausgeleuchtet und mit der Kamera 22
erfaßt, wobei sowohl im Beleuchtungsstrahlengang und im
Detektionsstrahlengang jeweils ein Polarisationsfilter 23
angeordnet ist. Je nach Orientierung der
Polarisationsfilter 23 kann das Oberhautmuster bzw. das
Unterhautmuster erfaßt werden, wobei wegen Einzelheiten
wiederum auf die DE 198 18 229 A1 verwiesen wird. Bei der
Streulichtmessung wird nur das Licht gemessen, das mit
geänderter Polarisation gestreut wird, wozu die
Einstellung der Polarisationsrichtung der
Polarisationsfilter 23 ungleichsinnig gewählt wird. Das
Signal der aufnehmenden Kamera 22 wird dann auch
hinsichtlich der Streueigenschaften natürlicher Haut 5
ausgewertet.
Wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß eine gewisse
Unschärfe des Beleuchtungsmusters 8 auf der Haut nicht
störend ist, kann die in Fig. 9 dargestellte, relativ
einfache und raumsparende Beleuchtungsanordnung realisiert
werden.
Die Lichtquelle 10 wird durch die Linse 13, die mit einer
zentralen kreisförmigen Abblendung 27 versehen ist, wobei
letztere größer als die Meßkamera 14 ist, defokussiert auf
die Haut abgebildet. Wegen der wirksamen ringförmigen
Pupille der Linse 13 ist das defokussierte Bild der
Lichtquelle 10 ebenfalls ringförmig. Die zweite
Lichtquelle 11 mit einer anderen Wellenlänge wird auf der
optischen Achse vor oder hinter der ersten Lichtquelle 10
positioniert, so daß ein zweiter konzentrischer
Beleuchtungsring erzeugt wird. Es können so mehrere
Lichtquellen 10, 11 auf der Achse angeordnet werden, die
eine entsprechende Anzahl von Ringbildern erzeugen. Die
Positionen der Lichtquellen 10, 11 ergeben sich aus den
gewählten Ringradien.
Die Unschärfe und die Ringbreite nehmen zwar mit
wachsendem Ringradius R zu. Dies ist aber weitgehend
tolerierbar und kann in die geometrischen Überlegungen zum
Entwurf der Anordnung miteinbezogen werden. Es ist, was
den Abstand der Lichtquellen 10, 11 betrifft, konstruktiv
von Vorteil, wenn man positive und negative
Defokussierungen miteinander kombiniert.
Claims (40)
1. Verfahren zur Erkennung natürlicher Haut (5), bei dem
die Hautoberfläche (4) mit Licht aus dem sichtbaren
oder angrenzenden Bereich an einer
Einstrahlungsstelle (1) beleuchtet wird, bei dem der
Teil des an der Einstrahlungsstelle (1) durch die
Hautoberfläche (4) eintretenden, in der Haut (5)
gestreuten und aus der Hautoberfläche (4) wieder
austretenden Lichtes als Streulicht (7) an einer
Detektionsstelle (9) mit einem Detektor (20)
detektiert wird, und bei dem das von dem Detektor (20)
erfaßte Signal einem Komparator zugeführt und mit
hinterlegten Daten verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektionsstelle (9) an anderer Stelle als die
Einstrahlungsstelle (1) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der
Einstrahlungsstelle (1) Licht aus einem begrenzten
Spektralbereich verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Beleuchtung der Einstrahlungsstelle Licht aus
einem Spektralbereich verwendet wird, in dem die
Absorption und/oder Streuung eines natürlich in der
Haut vorkommenden Naturstoffes charakteristische
Werte annimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere begrenzte Spektralbereiche
zur Beleuchtung der Einstrahlungsstelle (1) verwendet
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Licht aus den Spektralbereichen um 600 nm und um
800 nm zur Beleuchtung der Einstrahlungsstelle (1)
verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Licht aus dem Spektralbereich
um 1250 nm zur Beleuchtung der Einstrahlungsstelle (1)
verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Streulicht (7) an mehreren
räumlich unterschiedlichen Detektionsstellen (9)
detektiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektionsstellen (9) einen unterschiedlichen
Abstand zur Einstrahlungsstelle (1) aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtes
zeitlich moduliert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Streulicht (7) über einen
Lichtleiter (19) dem Detektor (20) zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einstrahlungsstelle (1) einem
Finger oder der Handinnenfläche eines Menschen
zugeordnet und zugleich optisch berührungslos mit
einem Papillarliniensensor die charakteristischen
Linienmuster erfaßt werden.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Lichtquelle (10, 11) zur Beleuchtung der
Hautoberfläche an der Einstrahlungsstelle (1), ein
Detektor (20) zur Detektion des an der
Detektionstelle (9) emittierten Streulichtes (7) und
eine als Komparator fungierende
Datenverarbeitungseinheit, insbesondere ein
Mikroprozessor, vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (10, 11) auf der Haut (5) ein einem
angenäherten oder vollständigen Kreisring
entsprechendes Beleuchtungsmuster (8) erzeugt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtquelle (10, 11) ein
Beleuchtungsring (15, 16) zugeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektionsstelle (9) dem
Zentrum des Kreisringes zugeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Lichtquellen (10, 11) in dem Beleuchtungsring (15, 16)
angeordnet sind, die Licht unterschiedlicher
Wellenlänge emittieren.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl der Lichtquellen (10, 11) einer
Wellenlänge mit dem Streu- und Absorptionsvermögen der
Haut (5) bei dieser Wellenlänge abgestimmt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des
Beleuchtungsmusters (8) auf die von der
Lichtquelle (10, 11) emittierte Wellenlänge und dem
damit korrelierten Streu- und Absorptionsvermögen der
Haut (5) abgestimmt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei konzentrisch zueinander
angeordnete Beleuchtungsringe (15, 16) vorgesehen sind,
die Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß Leuchtdioden als
Lichtquellen (10, 11) vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß Laser als
Lichtquellen (10, 11) vorgesehen sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Beleuchtungsring (15, 16) durch ein
totalreflektierendes Rohrstück aus einem optischen
Werkstoff gebildet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (13) zur
Abbildung der Lichtquelle (10, 11) auf die Haut (5)
vorgesehen ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß einer zentralen Bohrung der Linse (13) der
Detektor (20) zugeordnet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Spiegel (21) im Strahlengang
zwischen den Lichtquellen (10, 11) und der der
Abbildung des Beleuchtungsmusters (8) auf die Haut (5)
dienenden Linse (13) angeordnet ist, der den
Strahlengang so umlenkt, daß die Linse (13) benachbart
zum oder im Inneren des Rohrstücks angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmuster (8)
mittels eines Projektors an der
Einstrahlungsstelle (1) erzeugt wird.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmuster (8)
mittels eines Laser-Mustergenerators, inbesondere
eines Laserdioden-Kreisprojektors erzeugt wird.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtleiter (19) zur
Zuführung des Streulichtes (7) zum Detektor (20)
vorgesehen ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtleiter (19) flexibel ausgeführt ist und
zu dem an beliebiger Stelle angeordneten Detektor (20)
führt.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang vor dem Detektor (20) ein
Spektrometer angeordnet ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (20) durch
ein Photodioden-Array (PDA) gebildet ist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (20) durch
ein Charged-Coupled Device (CCD) gebildet ist.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Monitorsensor zur
Überwachung der Helligkeit der Lichtquellen (10, 11)
vorgesehen ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Papillarliniensensor (24) mit einer Kamera (22) zur
optisch berührungslosen Erfassung der
charakteristischen Linienmuster der Haut (5)
vorgesehen ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strahlteiler zur Einblendung des von der
Lichtquelle (10, 11) erzeugten Lichts und des zu
messenden Streulicht in den objektseitigen
Strahlengang des Papillarliniensensors (24) vorgesehen
ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, dadurch
gekennzeichnet, daß der Detektor (20) durch die
Kamera (22) des Papillarliniensensors (24) gebildet
ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kamera (22) zur Aufnahme sowohl des
Beleuchtungsmusters (8) als auch des von der
Detektionsstelle (9) abgestrahlten Streulichts (7)
vorgesehen ist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, daß im
Beleuchtungsstrahlengang und im Detektionsstrahlengang
jeweils ein Polarisationsfilter (23) angeordnet ist.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, daß der Linse (13) eine
zentrale kreisförmige Abblendung (27) zugeordnet ist,
und daß mehrere Lichtquellen (10, 11) in
unterschiedlichen Abständen auf der optischen Achse
angeordnet sind.
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