DE69720109T2

DE69720109T2 - Anlage und Verfahren zum Lesen von Fingerabdrücken

Info

Publication number: DE69720109T2
Application number: DE69720109T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Mainguet
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Authentec Inc
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: CN1119766C; FR2749955B1; FR2749955A1; CA2206825C; US6459804B2; DE69720109D1; KR980004163A; IL121045A0; ZA975193B; KR100694549B1; ES2191816T3; JP4408965B2; US6289114B1; AR007564A1; EP0813164B1; ATE235718T1; CA2206825A1; CO5160332A1; US20010026636A1; EP0813164A1

Description

Die Erfindung betrifft Systeme zum Lesen von Fingerabdrücken, insbesondere zur Verwendung in Vorrichtungen zur Identifizierung von Personen.
Die zahlreichen Systeme zur Identifizierung von Personen auf der Basis der Analyse der Fingerabdrücke enthalten mindestens eine Lesesonde, die ein Bild des Fingerabdrucks der zu identifizierenden Person zu erhalten erlaubt. In den bekannten Systemen wird der Finger auf die Sonde gelegt, deren Lesefläche notwendigerweise in der Größenordnung des Fingers liegen muß. Die Sonde ist mit einem Analysesystem verbunden, das das Bild des gelieferten Fingerabdrucks mit einem Bild eines Bezugs-Fingerabdrucks vergleichen kann, der in einem geeigneten Medium, beispielsweise einer Chipkarte gespeichert ist.
In den meisten Fällen liefern die Sonden eine analoge Information, und das Analysesysten nutzt eine digitale Verarbeitung des Bilds des Fingerabdrucks, der am Ausgang der Sonde mithilfe eines Analog/Digitalwandlers digitalisiert werden muß. In manchen Ausführungsformen liefert die Sonde unmittelbar das digitalisierte Bild.
Die Systeme zum Lesen der Fingerabdrücke beruhen oft auf der Verwendung optischer Vorrichtung, wie beispielsweise einer Videokamera, die das Bild des Fingers erfaßt, aber eine einfache Fotographie des gleichen Fingers ergibt das gleiche Bild am Ausgang der Kamera und bietet sich so für eine Umgehung des Systems an. Um diesen Nachteil zu beheben, verwenden bestimmte Systeme Prismen oder Mikroprismen, um sicherzugehen, daß ein wirklicher Finger vor der Sonde liegt und nicht eine Fotographie, wobei die Lichtreflexionen an den Stellen erfolgt, an denen die Rillen des Fingerabdrucks das Prisma nicht berühren, was bei einer Fotographie nirgends der Fall ist. Die optischen Systeme erlauben aber nicht, zu bestimmen, ob der Finger, der vor die Sonde gebracht wird, ein echter Finger ist, nicht beispielsweise ein gegossenes Modell. Die optischen Systeme weisen weitere Mängel auf, beispielsweise ihren großen Raumbedarf und die hohen Herstellungskosten.
Andere Mittel wurden vorgeschlagen, um Identifizierungsvorrichtungen für Personen durch Fingerabdrücke zu realisieren, wobei die Möglichkeiten kollektiver Verarbeitung der Halbleiterindustrie genutzt werden, die also möglicherweise preiswerter sind und Vorteile bei der Integration der Sonde in einen Teil oder der ganzen Datenverarbeitungskette der Identifizierungsvorrichtung bieten, insbesondere die Digitalisierung des Bilds am Ausgang der Sonde, die Speicherung des Bezugsbilds und die Identifizierung. Die Sonde zum Lesen der Fingerabdrücke enthält eine Matrix von empfindlichen Elementen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind und ein unterschiedliches elektrisches Signal liefern, je nachdem, ob ein Rand einer Rille des Fingerabdrucks ein empfindliches Element der Sonde berührt oder nicht.
Patente wurden für verschiedene Mittel zum Lesen der Fingerabdrücke beantragt:
Das US-Patent 4 353 056 beschreibt ein Prinzip des Lesens auf der Basis der Veränderung der Kapazität der empfindlichen Elemente der Sonde.
Andere Systeme enthalten Sonden mit Elementen, die auf Druck, Temperatur oder Druck und Temperatur ansprechen und die räumliche Information über den Druck und/oder die Temperatur in ein elektrisches Signal umwandeln, das dann von einem Halbleiter-Multiplexer gesammelt wird, beispielsweise einer Ladungstransfer-Matrix (CCD - Charge Coupled Device). Das US-Patent 4 394 773 beschreibt ein solches Prinzip.
Die auf den piezo/- und/oder pyroelektrischen Effekten beruhenden Sonden sind besonders geeignet, da sie auf Druck und/oder Wärme ansprechen, die auf die empfindlichen Elemente einwirken, sodaß während des Lesens des Fingerabdrucks aufgrund der übertragenen Wärme bestimmt werden kann, ob es sich tatsächlich um einen Finger handelt. Es ist auch möglich, die Veränderungen aufgrund des Pulsschlags des Bluts im Finger zu erfassen, der zu einer Veränderung der Wärme und/oder Drucks führt, sodaß die Identifizierung des Fingerabdrucks mit noch größerer Sicherheit erfolgen kann.
Derartige Sonden, die unmittelbar auf ein Halbleitersubstrat integriert werden können, besitzen Nachteile, die ihre Einführung auf dem Markt beeinträchtigen. Die Fläche der Sonde liegt notwendigerweise in der Größenordnung eines Fingers, das heißt bei mehreren Quadratzentimetern bis zu 10 cm², wenn man die Gesamtheit des ersten Fingerglieds erfassen möchte, das in diesem Fall auf der Sonde abgerollt werden muß, um den ganzen Fingerabdruck mit der Sonde erfassen zu können. Dies verringert die Anzahl der möglichen Kandidaten in einer Siliziumscheibe und die Wirkungsgrade bei der Herstellung der Siliziumscheiben nehmen proportional zu ihrer Fläche ab und erhöhen so erheblich die Herstellungskosten.
Das von den auf ein Halbleitersubstrat integrierten Sonden gelieferte elektrische Signal ist flüchtig, sodaß ein besonderes System erforderlich ist, um das Signal zeitlich zu erhalten, da die elektrischen Ladungen durch Veränderungen der physikalischen Einflüsse auf die Sonde (Temperatur, Druck u. s. w.) induziert werden und demgemäß das Signal am Ausgang tendenziell verschwindet, wenn die physikalischen Effekte wieder ins Gleichgewicht gelangen. Die Zeitkonstanten des Verschwindens des Signals liegen in der Größenordnung von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden im günstigsten Fall.
Das praktische Ergebnis ist die Herstellung einer Reihe von Bildern ab dem Augenblick, in dem der Finger auf die Sonde gelegt wird. Die Kontrastqualität dieser Bilder ist nicht stabil und die Bilder verschwimmen tendenziell, was die Aufgabe des Erkennungssystems erschwert, weil es alle von der Sonde permanent erzeugten Bilder analysieren muß, um das geeignetste Bild für die Identifizierung zu finden.
Systeme mit einer äußeren Anregung der Sonde wurden vorgeschlagen, beispielsweise die Aussendung eines Energiestrahls in Form von Mikrowellen, aber dies macht das System kompliziert und erhöht seinen Raumbedarf und seinen Preis.
Man kann dem vorübergehenden Verschwinden des Fingerabdrucks mithilfe eines elektronischen Speichers begegnen, aber dies macht das Konzept der Sonde kompliziert und erhöht die Kosten seiner Herstellung, da dies eine Technologie erfordert, die eine solche Speicherung ermöglicht, und da es sehr schwierig ist, ein ausreichend genaues, zuverlässiges und preiswertes System zu entwerfen, das entscheiden kann, welches das beste Bild unter allen von der Sonde erzeugten Bildern ist.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 hinsichtlich des Systems und in Anspruch 18 hinsichtlich des Verfahrens definiert.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Nachteile des Standes der Technik durch ein System zum Lesen von Fingerabdrücken zu beseitigen, das Mittel zum Lesen des Fingerabdrucks, wenn der Finger und eine zu den Lesemitteln gehörende Sonde sich in einer relativen Gleitbewegung der Sonde und des Fingers gegenseitig berühren, sowie Mittel aufweist, um ein Bild des Fingerabdrucks aufgrund von Teilbildern zu erstellen, die während dieser Bewegung erhalten werden.
Ein Gleiten des Fingers über eine auf einem Gestell fixierte Sonde oder das Gleiten einer beweglichen Sonde über einen unbewegten Finger oder ganz allgemein das relative Gleiten des Fingers bezüglich der Sonde stabilisiert die Qualität des von der Sonde gelieferten Bilds. Während der Finger über die Sonde gleitet, sind die physikalischen Veränderungen in Höhe jedes empfindlichen Elements der Sonde permanent, da die Rillen im Fingerabdruck die Sonde nacheinander mit einer Geschwindigkeit gleicher Größenordnung wie oder schneller als die charakteristische Zeitkonstante der empfindlichen Schicht der Sonde berühren. Die Sonde liefert unter diesen Bedingungen eine Folge von Bildern mit einem Kontrast konstanter Qualität.
Ein anderer Aspekt dieser Erfindung liegt darin, daß im Fall einer Relativbewegung zwischen dem Finger und der Sonde die Größe der Sonde auf Abmessungen unterhalb von denen des Fingers verringert werden kann. Geht man beispielsweise davon aus, daß der Finger über die Sonde in seiner Längsrichtung verschoben wird, dann kann man die Länge der Sonde verringern, die dann nur noch eine geringe Teilfläche des Fingerabdrucks umfaßt. In diesem Fall entsprechen die von der Sonde während des relativen Gleitens des Fingers über die Sonde gelieferten elektrischen Signalr einer Folge von Teilbildern des Fingerabdrucks. Sofern die Relativgeschwindigkeit des Fingers bezüglich der Sonde einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet, überlappt ein von der Sonde in einem bestimmten Augenblick geliefertes Bild zumindest teilweise das nächstfolgende Teilbild. Das ganze Bild des Fingerabdrucks kann dann von einem spezifischen Verarbeitungssystem rekonstruiert werden.
Die Verringerung der Größe der Sonde und damit ihrer Fläche führt also zu einer deutlichen Senkung der Herstellungskosten.
Die Erfindung schlägt vor, daß die zu den Mitteln zum Lesen des Fingerabdrucks gehörende Sonde dadurch gekennzeichnet sein soll, daß die Fläche der Sonde kleiner als die Fläche des Fingerabdrucks ist und nur Teilbilder des vollständigen Fingerabdrucks liefert. Die Rekonstruktion des vollständigen Bilds des Fingerabdrucks ergibt sich durch Überlagerung von aufeinanderfolgend von der Sonde gelieferten Bildern während der Relativverschiebung bezüglich des Fingers.
Weitere Merkmale der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ganz allgemein eine Sonde für einen Fingerabdruck.
Fig. 2 zeigt diese Sonde im Einsatz.
Fig. 3 zeigt schematisch im Schnitt den Aufbau der Sonde.
Fig. 4 zeigt die Übersicht über ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Lesen von Fingerabdrücken gemäß der Erfindung.
Fig. 5 zeigt verschiedene relative Stellungen der Sonde und des Fingers während des Lesens des Fingerabdrucks.
Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei aufeinanderfolgende Bilder am Ausgang der Sonde.
Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen Versuche der Überlappung zweier aufeinanderfolgender Bilder am Ausgang der Sonde.
Die Fig. 11 und 12 zeigen zwei Schritte der Rekonstruktion des vollständigen Bilds des Fingerabdrucks.
Fig. 1 zeigt die Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Fingerabdrucksonde gemäß der Erfindung. Die Sonde 10 ist eine integrierte Schaltung in Form einer Leiste einer Breite im wesentlichen gleich der Breite eines Fingers 11, beispielsweise 1 oder 2 Zentimeter. Die Länge ist jedoch wesentlich geringer als die Breite und beträgt beispielsweise einige Millimeter, sodaß der zu lesende Fingerabdruck nur zum Teil überdeckt wird. Die Sonde befindet sich in einem Träger 12, der Stifte 13 für den Anschluß nach außen enthält.
In einer Ausführungsform besteht die integrierte Schaltung aus einer aktiven pyro/piezoelektrischen Schicht, die sich zwischen einer oberen Elektrode und einem matrixartigen Netz von unteren Elektroden befindet. Die unteren Elektroden liegen auf einem Halbleitersubstrat, in dem eine integrierte logische Schaltung ausgebildet ist, welche die elektrischen Ladungen verarbeiten kann, die von der pyro/- piezoelektrischen Schicht auf jeder der Elektroden des Netzes erzeugt werden. Diese integrierte elektronische Schaltung ist mit Außenanschlüssen verbunden, die elektrische Signale übertragen können, welche insgesamt ein Bild eines Motivs des auf die aktive Schicht ausgeübten Drucks darstellen. Die Anordnung der unteren Elektroden in Form eines matrixartigen Netzes erlaubt es, ein Netz von individuellen pyro/piezoelektrischen empfindlichen Elementen zu realisieren, selbst wenn die pyro/piezoelektrische Schicht eine kontinuierliche Schicht ist. Das matrixartige Netz von empfindlichen Elementen ist in Zeilen und Spalten geordnet.
Die empfindlichen Elemente der Sonde haben im allgemeinen quadratische Form. Die Empfindlichkeit der empfindlichen Elemente ist proportional zu ihrer Größe. Man kann die Empfindlichkeit der empfindlichen Elemente vergrößern, indem man ihre Oberfläche vergrößert, beispielsweise unter Beibehaltung der Breite des empfindlichen Elements durch Vergrößerung der Länge in Richtung der Relativverschiebung des Fingers bezüglich der Sonde. Im Fall beispielsweise einer Relativbewegung des Fingers bezüglich der Sonde in Richtung der Spalten der Matrix empfindlicher Elemente könnte man praktisch ihre Empfindlichkeit verdoppeln, indem man die empfindlichen Elemente in Form eines Rechtecks realisiert, dessen Länge in Richtung der Spalten doppelt so groß wie ihre Breite in Richtung der Zeilen der Matrix empfindlicher Elemente wäre. Dies verbessert die Qualität der Auflösung und des Kontrasts der von der Sonde gelieferten Bilder.
Fig. 2 zeigt den Finger 11, der auf die aktive Fläche der integrierten Schaltung in einem bestimmten Augenblick seiner Relativverschiebung über die Sonde 10 drückt.
Ein Motiv des Drucks wird in der pyro/piezoelektrischen Schicht erzeugt und von dem matrixartigen Netz erfaßt. Die Erfassung erfolgt durch Messung der Veränderung von in den verschiedenen pyro/piezoelektrischen Elementen der Schicht erzeugten Ladungen. Diese Veränderungen von Ladungen ergeben sich auf den unteren Elektroden des Netzes. Die von der Sonde gelieferten elektrischen Signale liefern ein Bild des Motivs von Druck und Temperatur an der aktiven Oberfläche der Sonde in einem gegebenen Augenblick. Würde man diese Signale zur Anzeige des Bilds in einem bestimmten Augenblick verwenden, dann ergäbe sich ein Bild, das einen Teil des Fingerabdrucks des auf die Sonde gedrückten Fingers in einem bestimmten Augenblick der Relativverschiebung auf der Sonde darstellt.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform bestehen die empfindlichen Elemente der Matrix der Sonde aus kapazitiven Elementen, die das matrixartige Motiv der Kapazitäten erfassen können, das von den Rändern der Rillen des über die Fläche der Sonde gleitenden Fingers erzeugt werden. Das matrixartige Kapazitätsmotiv wird von der Sonde in elektrische Signale umgewandelt, die wie im Fall der vorher erwähnten Ausführungsform einem Teil des Fingerabdrucks in einem gegebenen Augenblick im Verlauf der Verschiebung des Fingers auf der Sonde entsprechen.
Um die Kosten des Systems zu verringern, wäre es möglich, eine Sonde zu verwenden, die nur eine Zeile von empfindlichen Elementen besitzt, und eine Relativbewegung des Fingers im wesentlichen senkrecht zu der Zeile von empfindlichen Elementen durchzuführen, aber man müßte dann die Geschwindigkeit der Relativbewegung des Fingers bezüglich der Sonde und in jedem Augenblick der Bewegung genau kennen, um ohne Verformung das vollständige Bild des Fingerabdrucks rekonstruieren zu können. Eine Lösung zur Rekonstruktion des Bilds ohne Verformung würde darin bestehen, die Relativgeschwindigkeit der Verschiebung der Sonde bezüglich des Fingers vorzugeben, beispielsweise durch Verwendung einer von einem elektrischen Servomotor angetriebenen Sonde, während der Finger unbewegt bleibt.
In einem besonders preisgünstigen System zur Identifizierung von Fingerabdrücken gemäß der Erfindung wäre es möglich, eine Sonde zu verwenden, die nur eine Zeile von empfindlichen Elementen enthält, ohne daß die relative Geschwindigkeit des Fingers bezüglich der Sonde bekannt oder vom System vorgegeben wäre. Dann kann zwar der Fingerabdruck nicht in seiner exakten Form rekonstruiert werden, aber er könnte mithilfe eines geeigneten Bildverarbeitungsalgorithmus identifiziert werden.
Um diese Beschränkungen zu beseitigen, müßte die Sonde mehrere Zeilen von empfindlichen Elementen aufweisen, um mit dem Lesesystem das ganze Bild des Fingerabdrucks rekonstruieren zu können. Vorzugsweise ist die Anzahl von Zeilen der Sonde möglichst gering, um die Oberfläche der Sonde und damit die Kosten gering zu halten.
Die Mindestanzahl von Zeilen der Sonde, die notwendig sind, hängt ab
- von der Größe der empfindlichen Elemente der Sonde (Pixel),
- von der relativen Geschwindigkeit des Fingers bezüglich der Sonde,
- von der Anzahl von Bildern je Sekunde, die die Sonde liefern kann, da unbedingt eine ausreichende Überlappung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern erforderlich ist,
- und von der Wirksamkeit des Algorithmus zur Verarbeitung der Teilbilder, die von der Sonde geliefert werden, sodaß sich das vollständige Bild des Fingerabdrucks rekonstruieren läßt.
Es ist mindestens eine Überlappung von einer Zeile zwischen zwei aufeinanderfolgend von der Sonde gelieferten Bildern erforderlich, aber praktisch erscheint eine Überlappung von etwa 5 bis 6 Zeilen notwendig, um bestimmte Mängel der Sonde zu beheben und das System weniger empfindlich gegenüber Qualitätsverlusten des Bilds zu machen, da man weiß, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rillen des Fingerabdrucks im Mittel bei etwa 120 um liegt. Die Sonde muß also eine ausreichend große Anzahl von Zeilen besitzen, um ohne allzu große Schwierigkeiten das vollständige Bild des Fingerabdrucks rekonstruieren zu können. Die Anzahl von Zeilen kann folgendermaßen ermittelt werden:
Es sei davon ausgegangen, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden empfindlichen Elementen 50 um und die Breite der aktiven Zone 2,5 cm beträgt, sodaß jede Zeile der Sonde 500 empfindliche Elemente enthält. Nimmt man eine Sonde mit 40 Zeilen (also eine Sondenlänge von 2 mm), dann müssen insgesamt 20.000 empfindliche Elemente gelesen werden. Ist die Lesegeschwindigkeit auf eine Million empfindliche Elemente je Sekunde beschränkt, dann liefert die Sonde je Sekunde 50 Bilder. Geht man von einer Überlappung in Längsrichtung der Bilder von 10 empfindlichen Elementen aus, also 10 Zeilen, dann darf die maximale Verschiebung des Fingers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern 30 empfindliche Elemente nicht überschreiten, also 1500 um in 20 ms oder 7,5 cm je Sekunde. Dies ist eine vernünftige Geschwindigkeit der Relativbewegung des Fingers bezüglich der Sonde.
Die Verringerung der Anzahl von Zeilen der Sonde ermöglicht die Erzeugung von mehr Bildern je Sekunde für eine gleiche Lesegeschwindigkeit der empfindlichen Elemente, aber die vom Finger auf der Sonde durchlaufene maximale Strecke verringert sich im gleichen Maß. Man muß vielmehr die Lesegeschwindigkeit der empfindlichen Elemente erhöhen, um größere Verschiebegeschwindigkeiten des Fingers auf der Sonde akzeptieren zu können.
Die Abmessungen der aktiven Fläche der Sonde liegen vorzugsweise zwischen 1 cm und 2,5 cm in Breitenrichtung und unter 5 mm in Längsrichtung.
Obwohl die elektronische Verarbeitung dadurch komplexer würde, könnte man eine Sonde einer deutlich geringeren Breite als die eines Fingers in Betracht ziehen, sofern der Finger mehrfach über die Sonde geführt wird (oder die Sonde über den Finger), um die ganze gewünschte Fläche des zu lesenden Fingerabdrucks abzudecken. Dies ergäbe eine Sonde geringer Abmessungen und demgemäß geringere Herstellungskosten.
Das System zur Identifizierung von Personen über die Fingerabdrücke umfassen in der Praxis stets eine digitale Bildverarbeitung, um das Individuum zu identifizieren. Die einfachste Realisierung ergibt sich, wenn der Algorithmus für die Rekonstruktion des Bilds in das System mit dem Algorithmus für die Identifizierung integriert wird.
Eine mögliche Lösung besteht darin, auf dem gemeinsamen Substrat die Sonde und den Analog/Digitalwandler zu integrieren, der das Bild digitalisiert, und die resultierenden Daten an einen Mikroprozessor sendet, der einen Festwertspeicher mit dem Rekonstruktionsalgorithmus und einen Arbeitsspeicher für das am Ende der Verarbeitung rekonstruierte Bild enthält. Dieses Bild wird dann in einer Identifizierungsvorrichtung verarbeitet.
Diese verschiedenen vorgeschlagenen Lösungen schränken die Erfindung nicht ein. Vielmehr sind anderen Lösungen der Integration je nach den von den Halbleitertechnologien gebotenen Möglichkeiten denkbar.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel einer integrierten Schaltung, die die Sonde für Fingerabdrücke gemäß der Erfindung bildet.
Die integrierte Schaltung wird auf einem Halbleitersubstrat 20 realisiert, das im allgemeinen ein Siliziumsubstrat ist. In diesem Substrat werden Leseschaltungen und Verarbeitungsschaltungen 22 für elektrische Ladungen ausgebildet. Diese Schaltungen sind beispielsweise CCD-Schaltungen oder C-MOS-Schaltungen. Sie werden in den bekannten Technologien für die Herstellung integrierter Schaltungen auf Siliziumbasis realisiert. Die Schaltungen sind netzartig gebildet, abhängig vom Matrixmotiv der piezoelektrischen Elemente, das später gebildet wird.
Die Gesamtheit der Lese- und Signalverarbeitungsschaltungen wird im Prinzip von einer Planierschicht 24 bedeckt, die beispielsweise aus Polyimid und einige Mikrometer dick ist sowie auf der Schleuderscheibe aufgebracht wird.
Die Planierschicht 24 wird periodisch abhängig vom zu bildenden Motiv der piezoelektrischen Elemente geätzt, um Öffnungen zu bilden, durch die die einzelnen piezoelektrischen Elemente je an eine Schaltung zum Lesen von Ladungen des Siliziumsubstrats angeschlossen werden können.
Ein Netz von unteren Elektroden 28 ist auf der Planierschicht gebildet. Jede Elektrode gelangt durch eine Öffnung 26 mit einer Schaltung zum Lesen von Ladungen des Siliziumsubstrats in Kontakt.
Eine aktive piezoelektrische Schicht 30 wird auf das so mit einem Elektrodennetz bedeckte Substrat aufgebracht. Diese Schicht ist vorzugsweise eine Schicht aus einem pyroelektrischen Polymermaterial und kann kontinuierlich sein. Diese Schicht ist relativ nachgiebig (plastisches Polymermaterial). Sie wird von einer oberen durchgehenden Elektrode 32 bedeckt. So ergibt sich ein Netz von piezoelektrischen Elementen, die je durch eine untere Elektrode 28, den unmittelbar darüberliegenden Bereich der piezoelektrischen Schicht 30 und den Abschnitt der oberen Elektrode 32 gebildet wird, der sie bedeckt. Die durch den örtlich auf dieses Element ausgeübten Druck erzeugten Ladungen werden von der entsprechenden Leseschaltung gelesen, die elektrisch an die zugeordnete untere Elektrode durch eine Öffnung 26 hindurch angeschlossen ist.
Eine Schutzschicht 34, beispielsweise eine Schicht aus Polyimid mit einer Dicke von etwa zehn Mikrometern wird über die obere Elektrode 32 gelegt. Diese Schutzschicht soll einerseits ausreichend steif und andrerseits ausreichend nachgiebig sein, um ohne Veränderung das Motiv von Drücken vertikal zu übertragen, das auf sie einwirkt (der Finger wird unmittelbar auf diese Schicht aufgedrückt).
Die elektronischen Schaltungen des Substrats 20 sind über nicht dargestellte Kontaktpunkte an der Oberfläche der Schaltung nach außen angeschlossen.
Das Material der pyro/piezoelektrischen Schicht kann beispielsweise ein Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen (PVDF-TrFE), ein Polyvinylidencyanid-Vinylacetat (PVDCN-VAc), ein Polyvinylidencyanid- Vinylidenfluorid (PVDCN-VDF) sein. Andere empfindliche Schichten sind ebenfalls möglich, insbesondere solche, die elektrische Ladungen abhängig von einem physikalischen Parameter erzeugen.
Im Fall der oben erwähnten Copolymere gilt als Haupteffekt die Erzeugung der durch die Veränderung der Temperatur und/oder des Drucks des Copolymers induzierten elektrischen Ladungen. Diese Veränderungen der Temperatur und/oder des Drucks werden durch den Kontakt der Ränder der Rillen des Fingerabdrucks auf der Oberfläche der Sonde induziert, die im allgemeinen von einer dünnen Schutzschicht einer Dicke von einigen zehn Mikrometern gebildet wird, um eine allzu große Seitenausbreitung der Wärme zu vermeiden. Diese Schicht ist auf ein Netz von mit der Multiplexierschaltung verbundenen Elektroden aufgebracht.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Systems gemäß der Erfindung mit einer Sonde beschrieben, deren Oberfläche wesentlich keiner als die des zu lesenden Fingerabdrucks ist und deren Länge (Anzahl von Zeilen der Matrix der Sonde) deutlich geringer als ihre Länge ist (Länge der Zeilen der Sonde). Die Breite der Sonde in diesem Beispiel ist mindestens gleich der Breite des Fingers, dessen Abdruck man lesen will.
Fig. 4 zeigt die Übersicht über ein System mit einer Sonde 50 auf einem Halbleitersubstrat, mit einem Analog/- Digitalwandler 51, der in dieses Substrat integriert ist und digitalisierte Teilbilder des Fingerabdrucks 52, beispielsweise von einem Finger 53, zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während einer Relativverschiebung des Fingers 53 auf der Sonde 50 liefert. Die digitalisierten Teilbilder gelangen an die Verarbeitungseingänge 55 eines Mikroprozessors 60, der einen Arbeitsspeicher 61 und einen Festwertspeicher 63 mit einem Verarbeitungsalgorithmus enthält, mit dem die Rekonstruktion des gesamten Bilds des Abdrucks 52 des Fingers 53 und die Identifizierung dieses Fingerabdrucks möglich ist.
Nun wird der Betrieb des Systems beschrieben, das in Übersicht in Fig. 4 dargestellt ist.
Der Finger 53 und sein Abdruck 52 sind in Fig. 5 gezeigt. Der Finger 53 gleitet über die Sonde senkrecht zu den Zeilen der Matrix empfindlicher Elemente der Sonde in Richtung des Pfeils V. Die verschiedenen Stellungen zu den Zeitpunkten t0, t1, t2, ..., tn des aktiven Fensters der Sonde während der Relativverschiebung bezüglich des Fingers 53 sind gestrichelt dargestellt. Die Sonde erzeugt die aufeinanderfolgenden Bilder I0, I1, I2, ..., In zu den Zeitpunkten t0, t1, t2, ..., tn, und die Relativgeschwindigkeit des Fingers bezüglich der Sonde ist so, daß zumindest ein Bild das nächste teilweise überlappt. Beispielsweise überlappt I0 teilweise I1, I1 überlappt teilweise I2 u. s. w.
Um die Darstellung der Relativbewegung des Fingers 53 bezüglich der Sonde 50 besser darzustellen, ist der Finger 53 in Fig. 5 unbeweglich und die Sonde 50 beweglich dargestellt. Der Betrieb des Systems wäre aber derselbe, wenn ein Finger beweglich und eine Sonde unbeweglich wäre, oder allgemeiner ein beweglicher Finger über eine bewegliche Sonde gleiten würde. Der wichtige Parameter ist die Relativbewegung des Fingers bezüglich der Sonde in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Breite der Sonde.
t0 sei der Zeitpunkt des Lesens des ersten Teilbilds I0 des Fingerabdrucks 52. Fig. 6 zeigt das erste Teilbild I0, das von der Sonde im Zeitpunkt t0 geliefert wird, während Fig. 7 das zweite Teilbild des Fingerabdrucks 52 zeigt, das von der Sonde im nächstfolgenden Zeitpunkt t1 geliefert wird.
Die Bilder I0, I1, I2, ..., In gelangen an die Verarbeitungseingänge 53 des Mikroprozessors 60 und werden im Arbeitsspeicher 61 gespeichert. Der im Festwertspeicher 63 gespeicherte Algorithmus führt die Verarbeitungen der im Arbeitsspeicher 61 gespeicherten Bilder durch, indem er nacheinander alle möglichen Überlagerungen zwischen den Bildern I0 und I1 versucht und jedem Versuch einen Korrelationskoeffizient zuordnet. Der beste Korrelationskoeffizient bezeichnet dem System die optimale Überlappungsposition der beiden Bilder I0 und I1, worauf die Operation mit dem nächsten Bild I2 neu beginnt, das von der Sonde 50 dem Mikroprozessor geliefert wird, u. s. w., bis der ganze Fingerabdruck rekonstruiert ist. Verschiedene Korrelationsstrategien können angewendet werden, sodaß das vollständige Bild des Fingerabdrucks ausgehend von den aufeinanderfolgenden Teilbildern des Abdrucks rekonstruiert wird. Beispielsweise besteht eine Korrelationsstrategie darin, die Pegel aller empfindlichen Elemente der beiden ersten Bilder I0 und I1 nacheinander für jeden Fall der möglichen Überlappung der beiden Bilder zu vergleichen.
Fig. 8 zeigt einen ersten Versuch des Verarbeitungsalgorithmus des Systems in einer ersten Position P1 einer Überlagerung der beiden Bilder I0 und I1 in einer gemeinsamen Zone 20 der beiden Bilder. Das Verarbeitungssystem vergleicht die Pegel von empfindlichen Elementen jedes Bilds I0 und I1 an den gleichen Punkten in der gemeinsamen Zone Z0. Wenn die Anzahl von empfindlichen Elementen, deren Pegel im wesentlichen gleich sind, unter einem vorbestimmten Wert bleibt, verändert das System die Überlappungsposition der beiden Bilder in Richtung auf eine nächste Position P2 (in Fig. 9 zu sehen) entsprechend einer neuen Überlagerungszone 21 der Bilder I0 und I1. Das System führt dann einen neuen Vergleich der Pegel der empfindlichen Elemente der beiden Bilder I0 und I1 in der Zone Z1 durch und so weiter für die nächstfolgenden Positionen P3, ..., Pn, bis die Anzahl von empfindlichen Elementen mit im wesentlichen gleichem Pegel an gemeinsamen Punkten in einer gemeinsamen Überlappungszone Zn der beiden Bilder I0 und I1 größer als ein vorbestimmter Wert entsprechend einer vermutlichen Identität der Zonen Zn der beiden Bilder I0 und I1 in der Position Pn ist.
Ein resultierendes Bild Ir1 der Bilder I0 und I1, das in Fig. 10 gezeigt ist, könnte ein Bild sein, das aus einer Gewichtung zwischen den beiden Bildern I0 und I1 in ihrer optimalen Überlappungsstellung Pn stammt, was eine Verbesserung der Qualität des aus der Überlappung resultierenden Bilds ermöglicht. Das Bild Ir1 wird im Arbeitsspeicher des Mikroprozessors für die Weiterverarbeitung gespeichert.
Das in Fig. 11 gezeigte nächstfolgende Bild I2, das zum Zeitpunkt t2 am Ausgang der Sonde 50 vorliegt, wird an den Mikroprozessor übertragen und seinerseits mit dem resultierenden Bild Ir1 genauso wie vorher verglichen, sodaß sich ein Bild Ir2 ergibt, wie in Fig. 11 angedeutet, das aus der Überlappung der Bilder I0, I1 und I2 in ihrer optimalen Überlappungsposition resultiert. Der Prozeß wiederholt sich in gleicher Weise, bis das vollständige Bild Irn des Fingerabdrucks 52 erhalten wird, das in Fig. 12 gezeigt ist.
Der Verarbeitungsalgorithmus des Systems kann vorausgegangene Ergebnisse für eine neue Suche nach der optimalen Überlappung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berücksichtigen, um vorauszusagen, welches die wahrscheinlichste Überlagerungsposition für das nächste Bild ist, da die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, daß die Relativverschiebung des Fingers bezüglich der Sonde konstant ist. Dies erhöht deutlich die Geschwindigkeit der Verarbeitung und die Rekonstruktion des gesamten Bilds Irn des Fingerabdrucks, da unnötige Rechnungen vermieden werden.
Das Beispiel der Rekonstruktion des vollständigen Bilds schränkt die Erfindung nicht ein. Vielmehr können auch andere Strategien zur Rekonstruktion des vollständigen Fingerabdrucks in Betracht gezogen werden.
Insbesondere wurde oben zur Vereinfachung angenommen, daß das Bild des Fingerabdrucks Punkt für Punkt aus den Teilbildern rekonstruiert wurde, die ebenfalls Punkt für Punkt erhalten wurden. Aber da diese Bilder später zu einer Identifizierung benötigt werden und da die Identifizierung im allgemeinen durch Erkennungsalgorithmen der Form bewirkt wird, die Verarbeitungen über die Extraktion von Umrissen, über die Vektorbildung dieser Umrisse u. s. w. verwenden, kann man auch in Betracht ziehen, daß die Rekonstruktion des Bilds unmittelbar in Form einer Gruppe von Umrißlinien oder von Vektoren durchgeführt wird, die diese Umrisse repräsentieren. Das Nutzbild eines Fingerabdrucks besteht nämlich aus einer Gruppe von Umrissen entsprechend den Rändern der Rillen des Fingers. Für die Identifizierung vergleicht man die Gesamtheit von erfaßten Umrissen mit der Gesamtheit von vorab gespeicherten Umrissen, die einen zu identifizierenden Individuum entsprechen. Die Gesamtheit der Umrisse könnte dann in Form von Vektortabellen gespeichert werden, die diese Umrisse beschreiben.
Man kann also eine Verarbeitung zur Extraktion von Umrissen und/oder eine Vektorbildung unmittelbar an einem Teilbild vornehmen und dann Korrelationen hinsichtlich der Umrisse oder der Vektoren von aufeinanderfolgenden Teilbildern durchführen, um die Teilbilder richtig anzuordnen und ein vollständiges Bild unmittelbar in Form von Gruppen von Umrißlinien oder von Vektoren bilden.
Diese Lösung vermeidet eine Rekonstruktion des Bilds Punkt für Punkt, denn dieses Bild muß ja ohnehin in eine Gruppe von Umrissen transformiert werden.
In anderen Ausführungsformen kann die Breite der Sonde geringer als die des Fingers sein, was dessen Oberfläche weiter verringert. Man muß dann die Gesamtheit des Fingerabdrucks mit einer geeigneten Geschwindigkeit abtasten, worauf das System das vollständige Bild rekonstruiert.

Claims

1. System zum Lesen eines Fingerabdrucks, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zum Lesen des Fingerabdrucks, wenn der Finger (11, 53) und eine zu den Lesemitteln gehörende Sonde (10, 50) sich berühren und sich die Sonde (10, 50) und der Finger (11, 53) in einer relativen Gleitbewegung zueinander befinden, und Mittel aufweist, um ein Bild des Fingerabdrucks (52) durch Überlappung von aufeinanderfolgend während dieser Bewegung erhaltenen Teilbildern (I0, I1, I2, ..., In) zu rekonstruieren, wobei die Fläche der Sonde kleiner als die Oberfläche des Fingerabdrucks ist, sodaß die Sonde nur Teilbilder des vollständigen Fingerabdrucks liefert.

2. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10, 50) in einem Gehäuse fest angeordnet ist und daß die Relativbewegung des Fingers (11, 53) bezüglich der Sonde sich ergibt, wenn der Finger über die Sonde gleitet.

3. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Sonde bezüglich einer Fläche zu verschieben, auf die ein Finger gelegt werden kann, wobei die Relativbewegung des Fingers bezüglich der Sonde aus der Verschiebung der Sonde bezüglich des Fingers resultiert.

4. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10, 50) eine integrierte Schaltung mit einer Matrix von empfindlichen Elementen ist, die auf einem Halbleitersubstrat (20) integriert ist, wobei in diesem Substrat ein Multiplexer integriert ist, der individuell die Messung eines Signals ermöglicht, das in der aktiven Schicht der Sonde bei der Relativverschiebung des Fingers bezüglich der Sonde erzeugt wird.

5. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine aktive Schicht (30) enthält, die auf Druck und/oder Temperatur anspricht.

6. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (30) der integrierten Schaltung eine pyro/piezoelektrische Schicht ist, die ein matrixförmiges Motiv des Drucks und/- oder der Temperatur erfassen kann, das vom Fingerabdruck erzeugt wird.

7. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindlichen Elemente von kapazitiven Elementen gebildet werden, die das matrixartige Kapazitätsmotiv erfassen können, das von den Rillen des Fingers erzeugt wird.

8. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das empfindliche Element der Sonde rechteckförmig ist.

9. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Sonde kleiner als die Fläche des Fingerabdrucks ist und nur Teilbilder des vollständigen Fingerabdrucks liefert.

10. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde die Form einer Leiste einer Länge hat, die wesentlich geringer ist als ihre Breite.

11. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Leiste im wesentlichen der eines Fingers gleicht.

12. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine aktive Fläche besitzt, deren Breite zwischen etwa 1 cm und 2,5 cm und dessen Länge geringer als 5 mm ist.

13. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde nur eine Zeile von empfindlichen Elementen besitzt.

14. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Rekonstruktion eines Bilds (52) eines Abdrucks eine elektronische Schaltung mit einem Mikroprozessor (60), einem programmierten Festwertspeicher (63), der einen Algorithmus zur Rekonstruktion eines vollständigen Bilds des Abdrucks und zur Identifizierung der Person enthält, und einen Arbeitsspeicher (61) aufweist.

15. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zur Verarbeitung von von der Sonde gelieferten Teilbildern enthält, die insbesondere Umrisse von Linien der Rillenränder von Fingerabdrücken liefern können, wobei die Mittel zur Rekonstruktion des Bilds ausgehend von diesen Umrissen ein globales Bild des Fingerabdrucks in Form von Umrissen erstellt.

16. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verarbeitung von Teilbildern bereits früher erzielte Ergebnisse bei einer neuen Suche nach optimaler Überlappung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berücksichtigen, um vorherzusagen, welche Überlappungsstellung für das nächste Bild aufgrund der Tatsache am wahrscheinlichsten ist, daß die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, daß die Relativverschiebung des Fingers bezüglich der Sonde im wesentlichen konstant verläuft.

17. System zum Lesen eines Fingerabdrucks nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10, 50) eine aktive Fläche und eine Matrix aus mehreren Zeilen empfindlicher Elemente besitzt, um eine Reihe von aufeinanderfolgenden und sich überlappenden Teilbildern (I0, I1, I2, ..., In) des Fingers (11, 53) zu erzeugen, der diese aktive Fläche während der Relativ-Gleitbewegung der Sonde bezüglich des Fingers berührt, wobei diese aktive Fläche kleiner als die Fläche des zu lesenden Fingerabdrucks (52) ist und die Rekonstruktionsmittel Mittel zur Korrelation der aufeinanderfolgenden und sich überlappenden Teilbilder enthält.

18. Verfahren zum Lesen eines Fingerabdrucks, das darin besteht,

- eine Reihe von Teilbildern des Fingerabdrucks (52) während einer Relativ-Bewegung der Sonde (50) und des diese berührenden Fingers (53) zu erhalten, wobei der Finger in direktem Kontakt mit der aktiven Fläche der Sonde steht und die Sonde ein kleinere aktive Fläche als die Fläche des zu lesenden Fingerabdrucks besitzt und wobei die aktive Fläche mehrere Zeilen von empfindlichen Elementen enthält und jedes Teilbild das vorausgehende Teilbild überlappt,

- und ein globales Bild durch Korrelation der sich überlappenden Teilbilder zu rekonstruieren.