BÄCKER, Andreas (Sollingweg 9, Wuppertal, 42349, DE)
VOUGIOUKAS, Simon (Käulchensweg 36, Köln, 51105, DE)
BIRSZTEJN, Thomas (Isarstr.4, Dormagen, 41540, DE)
ROTH, Christian (Bismarckstraße 35, Leverkusen, 51373, DE)
TABASCHUSS, Stephan (Usinger Str. 64, Köln, 51105, DE)
SPETH, Walter (Binsfelder Str. 26, Düren, 52351, DE)
IMHÄUSER, Ralf (Quellenweg 23, Langenfeld, 40764, DE)
BRÜLL, Ludger (Kandinskystr. 19, Leverkusen, 51375, DE)
GERIGK, Markus (Riehler Gürtel 31, Köln, 50735, DE)
BÄCKER, Andreas (Sollingweg 9, Wuppertal, 42349, DE)
VOUGIOUKAS, Simon (Käulchensweg 36, Köln, 51105, DE)
BIRSZTEJN, Thomas (Isarstr.4, Dormagen, 41540, DE)
ROTH, Christian (Bismarckstraße 35, Leverkusen, 51373, DE)
TABASCHUSS, Stephan (Usinger Str. 64, Köln, 51105, DE)
SPETH, Walter (Binsfelder Str. 26, Düren, 52351, DE)
IMHÄUSER, Ralf (Quellenweg 23, Langenfeld, 40764, DE)
BRÜLL, Ludger (Kandinskystr. 19, Leverkusen, 51375, DE)
| Patentansprüche 1. Handgerät zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche, das manuell über die Objektoberfläche geführt werden kann, mindestens umfassend einen Oberflächensensor zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche, einen Navigationssensor zur Detektion von Bewegungen des Handgeräts auf der Objektoberfläche. Handgerät nach Anspruch 1, wobei der Oberflächensensor mindestens eine Quelle für elektromagnetische Strahlung umfasst, mit der Strahlung auf die Oberfläche eines Objekts gesandt werden kann, und wobei der Oberflächensensor mindestens einen Detektor umfasst, mit dem zumindest ein Teil der von der Objektoberfläche zurückgesandten Strahlung als Funktion der Zeit erfasst werden kann. 3. Handgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für elektromagnetische Strahlung so ausgebildet ist, dass sie auf einer Objektoberfläche ein linienförmiges Strahlprofil ausbilden kann. 4. Handgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend eine Führungskante, so dass die Führung des Handgeräts über eine Objektoberfläche mit Hilfe der Führungskante entlang einer Objektkante erfolgen kann. 5. Handgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskante eine Höhe von 0,05 mm bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,8 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 0,6 mm aufweist. 6. Handgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskante einen Krümmungsradius kleiner als 50 μιη, bevorzugt kleiner als 20 μιη, besonders bevorzugt kleiner als 5 μιη aufweist. 7. Handgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Navigationssensor mindestens umfasst: eine Lichtquelle zum Beleuchten eines Bereichs der Objektoberfläche, wodurch reflektierte Bilder erzeugt werden, einen Detektor zum Erzeugen von Digitalbildern basierend auf den reflektierten Bildern und Mittel zur Durchführung einer Bewegungsberechnung basierend auf den Digitalbildern unter Erhalt von Bewegungsdaten, die eine Relativbewegung zwischen dem Navigationssensor und der Objektoberfläche angeben. 8. Verfahren zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Handgerät manuell über die Objektoberfläche geführt wird und mittels eines Oberflächensensors die Oberfläche abgetastet und ein Intensität-Zeit-Signal erzeugt wird, wobei die Bewegung des Handgeräts mittels eines Navigationssensors erfasst und ein Navigationssignal erzeugt wird, und das Intensitäts-Zeit-Signal mittels des Navigationssignal in ein Intensität-Ort-Signal umgewandelt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt, wobei zumindest ein Teil der von der Objektoberfläche zurückgesandten Strahlung als Funktion der Zeit erfasst wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abtastung mit einem linienförmigen Strahlprofil erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Handgerät mittels einer Führungskante gegen eine Anschlagkante des Objekts gedrückt und entlang der Anschlagkante über die Objektoberfläche geführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend die Schritte (a) Richten eines elektromagnetischen Strahls auf eine Oberfläche des Objekts, (b) Relatives Bewegen des elektromagnetischen Strahls und des Objekts zueinander, so dass der elektromagnetische Strahl einen Weg auf der Oberfläche zurücklegt, (c) Aufnahme eines Teils der während der relativen Bewegung von der Oberfläche des Objekts reflektierten Strahlung als Funktion der Zeit unter Erhalt mindestens eines Abtastsignals, (d) Umwandlung des Abtastsignals unter Verwendung des Navigationssignals in ein zeitunabhängiges Abtastsignal, (e) optional: Verknüpfen des zeitunabhängigen Abtastsignals mit dem Objekt. 13. Verwendung eines Handgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Aufnahme von Identifikationsmerkmalen zum Zwecke der Identifizierung und/oder Authentifizierung von Objekten. 14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifikationsmerkmale von Papierdokumenten aufgenommen werden. 15. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifikationsmerkmale von Etiketten, die mit Objekten verbunden sind, aufgenommen werden. |
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Erfassung von charakteristischen Merkmalen einer Objektoberfläche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung charakteristischer Oberflächenmerkmale mit Hilfe eines Handgeräts.
Die Oberflächenbeschaffenheit von Objekten spielt bei vielen technischen Produkten und Verfahren eine wichtige Rolle, beispielsweise im Formenbau und bei technischen Gleit- oder Sichtflächen. Bei Papier ist die Oberflächenstruktur ein wichtiges Qualitätsmerkmal z.B. im Zusammenhang mit der Bedruckbarkeit.
Dementsprechend gibt es eine Vielzahl an Messmethoden zur Ermittlung der Oberflächenstruktur und zur Ermittlung von charakteristischen Kennzahlen für die Oberflächenbeschaffenheit. Ein Beispiel einer Messmethode zur Ermittlung der Topographie einer Objektoberfläche ist die dynamische Laserfokussierung (siehe beispielsweise Wochenblatt für Papierfabrikation, ISSN0043- 7131 , 117. Jahrgang, April 1989, Nr. 7; Seiten 271 bis 274). Hierbei wird ein Laser mittels einer Linse auf die Oberfläche fokussiert. Die Linse kann mittels eines Stellmotors senkrecht zur Oberfläche (in z-Richtung) bewegt werden. Ein Sensor ermittelt die jeweilige z-Position der Linse in fokussierter Stellung und liefert somit die Topographieinformation während die Probe durch einen xy-Tisch unter der Linse horizontal bewegt wird. Es ist auch bekannt, dass man Gegenstände anhand der einzigartigen intrinsischen Struktur ihrer Oberfläche identifizieren und authentifizieren kann.
In WO05/088533A1 ist beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Oberflächenbereich eines Gegenstands mit kohärenter Strahlung abgetastet wird und mittels Fotodetektoren die an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche unter verschiedenen Winkeln unterschiedlich stark gestreuten Strahlen detektiert werden. Die erfasste Streustrahlung ist charakteristisch für eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien und lässt sich nur sehr schwer nachahmen, da sie auf Zufälligkeiten bei der Herstellung zurückzuführen ist. Zum Beispiel weisen papierartige Objekte eine herstellungsbedingte Faserstruktur auf, die für jedes hergestellte Objekt einzigartig ist. Die Streudaten zu den einzelnen Gegenständen können als charakteristischer Fingerabdruck des Gegenstands in einer Datenbank gespeichert werden, um den Gegenstand zu einem späteren Zeitpunkt identifizieren und/oder authentifizieren zu können. Hierzu wird der Gegenstand erneut vermessen und die Streudaten mit den gespeicherten Fingerabdruck verglichen.
In der Offenlegung GB2097979A wird ein Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen anhand von Oberflächenmerkmalen beschrieben. Die Oberflächenmerkmale werden in einem ausgewählten Oberflächenbereich des zu identifizierenden Gegenstands erfasst. Dazu werden„aussagekräftige, zufallsbedingte Singularitäten des Profils in Form von Unebenheiten gezählt und deren Höhen und Abstände vermessen".
Die Offenlegung WO2000/65541 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Authentifizierung eines Gegenstands anhand intrinsischer physikalischer Merkmale, insbesondere anhand topografischer Informationen.
Die Offenlegung WO2003/087991A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Authentifizierung von Gegenständen anhand der dreidimensionalen Oberflächenstruktur.
Alle oben genannten Verfahren haben gemeinsam, dass charakteristische Merkmale einer Objektoberfläche erfasst werden. Hierbei wird stets ein Teil der Objektoberfläche mittels einer Abtastvorrichtung abgetastet und die resultierenden Signale mit einem Detektor ortsabhängig erfasst, d.h. es erfolgt eine Korrelation zwischen dem Ort der Oberfläche und dem von diesem Ort stammenden Abtastsignal. Die Einheit aus Abtastvorrichtung und Detektor wird hier auch als Oberflächensensor bezeichnet. Üblicherweise wird das Abtastsignal jedoch nicht direkt als Funktion des Ortes erfasst. Vielmehr erfolgt die Abtastung des Ortes und die Aufnahme des resultierenden Signals mit einer konstanten Messfrequenz als Funktion der Zeit, während der Oberflächensensor mit konstanter Geschwindigkeit in Relation zur Objektoberfläche bewegt werden. Über die bekannte Geschwindigkeit existiert ein bekannter Zusammenhang zwischen Messzeit und Ort der Abtastung, so dass das erfasste Intensitäts-Zeit-Signal in ein Intensitäts-Orts-Signal überführt werden kann.
Ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Oberflächensensor in Relation zur Objektoberfläche bewegen, jedoch nicht bekannt, ist eine solche Korrelation nicht möglich. In einem solchen Fall ist es üblich, separat zum Abtastsignal als Funktion der Zeit (Messfrequenz) ein zusätzliches Signal zu ermitteln, dass die Zeit (Messfrequenz) mit dem Ort verknüpft. Dies geschieht üblicherweise mittels so genannter mechanischer, optischer oder magnetischer Kodierer. Mittels eines solchen Kodierers kann das Intensität-Zeit-Signals in ein Intensität-Ort-Signal umgewandelt werden.
Im Fall des in WO05/088533A1 beschriebenen Verfahrens werden beispielsweise Markierungen mit einem gleichbleibenden Abstand von 300 Mikrometern zur Transformation des Intensität-Zeit- Signals in ein Intensität-Ort-Signal verwendet (siehe WO05/088533A1 Seite 23). Diese Markierungen werden mit einem separaten Fotodetektor optisch erfasst. Da die konstante Messfrequenz (Abtastrate) und der Abstand der Markierungen bekannt sind, kann zu jedem Zeitpunkt der Ort bestimmt werden, an dem sich der fokussierte Abtaststrahl befunden hat.
Das in WO05/088533A1 beschriebene Verfahren hat den Nachteil, dass Markierungen auf die Oberfläche aufgebracht werden müssen. Es gibt Objekte, bei denen es nicht möglich ist oder nicht gewünscht ist, Markierungen auf die Oberfläche aufzubringen.
Bei den oben beschriebenen Verfahren erfolgt die Abtastung einer Objektoberfläche mittels einer Vorrichtung, die sich maschinell in Relation zur Objektoberfläche bewegt. Die maschinelle Bewegung erfolgt beispielsweise mittels eines Stellmotors. Um eine Abtastung vornehmen zu können, muss das Objekt gegenüber der Vorrichtung positioniert werden. Zur Vereinfachung der Positionierung können Positionierhilfen wie beispielsweise die Anschlagkanten mit dem Bezugszeichen 42 in der Fig. 4 von WO05/088533A1 verwendet werden. Eine solche Lösung ist jedoch wenig flexibel. Verschiedene Objekte müssen gegebenenfalls unterschiedlich gegenüber der Vorrichtung positioniert werden, so dass gegebenenfalls für verschiedene Objekte verschiedene Positionierhilfen bereitgestellt werden müssen.
Es wäre wünschenswert, die Oberfläche unterschiedlicher Objekte in einfacher Weise abtasten zu können.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik stellt sich demnach die technische Aufgabe, ein Verfahren zur Abtastung eines Objekts und Aufnahme eines Abtastsignals bereitzustellen, das ohne spezielle Markierungen auf dem Objekt auskommt und flexibel in Bezug auf unterschiedliche Objekte einsetzbar ist.
Überraschend wurde gefunden, dass charakteristische Merkmale von Objektoberflächen in einfacher, flexibler und reproduzierbarer Weise mit einem Handgerät gewonnen werden kann, bei dem der Sensor zur Erfassung der charakteristischen Merkmale in eine Computer-Maus integriert ist. Computermäuse sind als Maschine-Mensch-Schnittstelle bekannt und weit verbreitet. Die Bewegung einer Computermaus auf dem Tisch oder einer speziellen Unterlage (Mauspad) wird über einen Sensor in der Maus aufgenommen, digitalisiert und über eine Schnittstelle an einen angeschlossenen Computer übertragen. Über Funktionen des Betriebssystems wird die zweidimensionale Bewegung der Maus in eine gleichartige Bewegung eines Mauszeigers auf einem Bildschirm umgesetzt.
Die Computermaus ist damit eine Vorrichtung zur Detektion translatorischer Bewegungen. Darüber hinaus ist sie intuitiv bedienbar und vielen Menschen aus dem täglichen Leben bekannt.
Durch die Kombination einer Vorrichtung zur Erfassung von charakteristischen Merkmalen einer Objektoberfläche und einer Computermaus wird ein einfach und intuitiv zu bedienendes, flexibel einsetzbares Handgerät geschaffen, mit dem eine Objektoberfläche manuell abgetastet werden kann. Im Gegensatz zu einer maschinellen Abtastung kann durch eine manuelle Abtastung keine konstante Abtastgeschwindigkeit gewährleistet werden. Daher sorgen die Mausfunktionen zur Erfassung der Bewegung des Handgeräts.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Handgerät zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche, das manuell über die Objektoberfläche geführt werden kann, mindestens umfassend einen Oberflächensensor zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche, einen Navigationssensor zur Detektion von Bewegungen des Handgeräts auf der Objektoberfläche. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erfassung charakteristischer Merkmale einer Objektoberfläche. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Handgerät manuell über die Objektoberfläche geführt wird und mittels eines Oberflächensensors die Oberfläche abgetastet und ein Intensität-Zeit-Signal erzeugt wird, wobei die Bewegung des Handgeräts mittels eines Navigationssensors erfasst und ein Navigationssignal erzeugt wird, und das Intensitäts-Zeit-Signal mittels des Navigationssignal in ein Intensität-Ort-Signal umgewandelt wird.
Das erfindungsgemäße Handgerät vereint somit zwei verschiedene Sensoren: einen Oberflächensensor zur Erfassung charakteristischer Merkmale der Oberfläche und einen Navigationssensor zur Detektion der Bewegungen des Handgeräts auf der Objektoberfläche.
Mittels des Oberflächensensors wird ein Bereich der Objektoberfläche abgetastet, d.h. es werden als Funktion der Zeit Messsignale aufgenommen, die aus einer charakteristischen Antwort der Objektoberfläche auf einen äußeren Stimulus resultieren. Der äußere Stimulus kann beispielsweise ein einfallender Lichtstrahl sein, der durch die Objektoberfläche in charakteristischer Weise zurückgeworfen wird. Der zurückgeworfene Strahl wird mittels eines geeigneten Sensors erfasst. Das Ergebnis der Abtastung ist somit eine Signalintensität als Funktion der Zeit. Mittels des Navigationssensors erfolgt - zeitgleich zur Abtastung der Objektoberfläche mit dem Oberflächensensor - die Erfassung der Bewegung des Handgeräts in Bezug zur Objektoberfläche. Es resultiert ein Navigationssignal. Üblichweise gibt das Navigationssignal die Geschwindigkeit (Richtung und Betrag) des Handgeräts als Funktion der Zeit wieder.
Mittels des Navigationssignal ist es möglich, das Intensität-Zeit-Signal des Oberflächensensors in ein zeitunabhängiges Intensität-Ort-Signal umzuwandeln.
Als Navigationssensor eignet sich prinzipiell jeder aus den heute allgegenwärtigen Computermäusen bekannte Sensor zur Detektion der Bewegung der Computermaus. Geeignete Sensoren finden sich beispielsweise in dem Buch von Klaus Dembowski: PC-Hardware Referenz: Infos zur gesamten Hardware im schnellen Zugriff. 10. Auflage. Markt & Technik Verlag, München 2000, ISBN 3- 8272-5606-2, S. 472-480 (Kapitel„Maus").
Vorzugsweise wird ein optischer Navigationssensor verwendet. Dieser verfügt über eine Lichtquelle zum Beleuchten eines Bereichs der Objektoberfläche, wodurch reflektierte Bilder erzeugt werden, über einen Detektor zum Erzeugen von Digitalbildern basierend auf den reflektierten Bildern und über Mittel zur Durchführung einer Bewegungsberechnung basierend auf den Digitalbildern unter Erhalt von Bewegungsdaten, die eine Relativbewegung zwischen dem Navigationssensor und der Objektoberfläche angeben.
Optische Navigationssensoren sind beispielsweise beschrieben in US4799055, US6967321B2, US7002549B2, US6927759B2, WO 1994/011845A1, US6256016B1, EP942286A1.
Wie bereits ausgeführt werden mittels des Oberflächensensors charakteristische Oberflächenmerkmale eines Obj ekts erfasst. Diese Merkmale können beispielsweise zur Identifizierung oder Authentifizierung des Objekts herangezogen werden. Sie werden im Folgenden daher auch als Identifizierungsmerkmale bezeichnet. Ein Identifizierungsmerkmal ist quasi ein Fingerabdruck eines Gegenstands.
Unter Identifizierung wird ein Vorgang verstanden, der zum eindeutigen Erkennen eines Objekts dient. Unter Authentifizierung wird der Vorgang der Überprüfung (Verifikation) einer behaupteten Identität verstanden. Die Authentifizierung von Objekten ist die Feststellung, dass diese authentisch sind - es sich also um unveränderte, nicht kopierte und/oder nicht gefälschte Originale handelt.
Unter einem Objekt wird hier jeder feste Körper verstanden. Die Oberfläche des Objekts trennt dieses vom umgebenden Medium (meistens Luft).
Werden die charakteristischen Oberflächenmerkmale zur Identifizierung oder Authentifizierung herangezogen, handelt es sich vorzugsweise um solche Merkmale, die einen zufälligen Charakter haben. Dies bedeutet, dass die Merkmale aufgrund von beispielsweise zufälligen Schwankungen bei der Herstellung und/oder Verarbeitung in das Objekt eingebracht werden und/oder in dem Objekt entstehen. Durch den Zufallscharakter können die Merkmale nicht vorhergesagt und nicht kontrolliert erzeugt werden. Zufallsbedingte Merkmale weisen einen hohen Fälschungs schütz auf. Eine Reproduktion und/oder Fälschung eine Objekts mit zufallsbedingten erkennbaren Merkmalen ist mit einem hohem Aufwand verbunden.
Beispiele für solche zufallsbedingten Merkmale sind die einzigartige Faserstruktur von Papier (siehe WO05/088533A1), der (mikroskopische) Verlauf von Druckbildern (siehe WO09/097974A) oder die Verteilung von Mikroreflektoren in einer transparenten Schicht (siehe WO09/097979A).
Die Abtastung der Oberfläche mittels Oberflächensensor erfolgt vorzugsweise optisch. In diesem Fall ist das Identifizierungsmerkmal eine Information, die mittels optischer Methoden aus der charakteristischen Oberflächenstruktur des Objekts abgeleitet wird. Das Identifizierungsmerkmal ist vorzugsweise speicherbar und maschinell verarbeitbar. Unter speicherbar wird verstanden, dass das Identifizierungsmerkmal zu einem späteren Zeitpunkt zum Beispiel für Vergleichszwecke wieder aufgegriffen werden kann. Unter maschineller Verarbeitung wird verstanden, dass das Identifizierungsmerkmal maschinell gelesen und mit einer Maschine verschiedenen Rechen- und/oder Speicheroperationen unterzogen werden kann. Geeignete Oberflächensensoren für eine optische Abtastung sind beispielsweise beschrieben in WO05/088533A1, DE102009017668.3, PCT/EP2009/002809, DE102009025061.1.
Der optische Abtastvorgang umfasst mindestens die folgenden Schritte:
(a) Richten eines elektromagnetischen Strahls auf eine Oberfläche des Objekts, (b) Relatives Bewegen des elektromagnetischen Strahls und des Objekts zueinander, so dass der elektromagnetische Strahl einen Weg auf der Oberfläche zurücklegt,
(c) Aufnahme eines Teils der während der relativen Bewegung von der Oberfläche des Objekts reflektierten Strahlung als Funktion der Zeit unter Erhalt mindestens eines Abtastsignals. Die elektromagnetische Strahlung kann kohärent oder nicht-kohärent sein. Sofern bei der optischen Abtastung unerwünschte Interferenzerscheinungen wie beispielsweise Speckle-Muster auftreten, wird vorzugsweise eine nicht-kohärente Strahlungsquelle verwendet. Die Abtastung erfolgt üblicherweise mit monochromatischer Strahlung im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich des sichtbaren Lichts oder im Bereich des nahen Infrarots. Ein Teil der auf die Objektoberfläche auftreffende Strahlung wird zurückgeworfen. Die zurückgeworfene Strahlung enthält Informationen über die Beschaffenheit der Oberfläche. Üblicherweise verfügt das Objekt über eine einzigartige Oberflächenstruktur, die Strahlung in charakteristischer Weise streut. Ein Teil der zurückgeworfenen Strahlung wird mit Hilfe geeigneter Detektoren erfasst . In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abtastung der Objektoberfläche mit elektromagnetischer Strahlung entlang einer Linie vorgenommen.
Die Abtastung erfolgt vorzugsweise mit einem punkt- oder linienförmigen Strahlprofil. Ein punktförmiges Strahlprofil erzeugt ein Abtastsignal mit einem besseren Signal-Rausch- Verhältnis als ein linienförmiges Strahlprofil. Bei einem linienförmigen Strahlprofil, dessen längere Achse quer zur Bewegungsrichtung liegt, erfolgt quasi eine Mittelung über eine Vielzahl der Signale von nebeneinander geführten punktförmigen Strahlprofilen.
Mit abnehmender Größe des Abtastbereichs wird es zunehmend schwieriger, bei einer späteren Abtastung zum Zweck der Identifizierung und/oder Authentifizierung den entsprechenden Bereich wiederzufinden, der bei der ersten Abtastung erfasst worden ist. Daher wird eine Abtastung mit einem linienförmigen Profil gegenüber einem punktförmigen Profil bevorzugt, auch wenn sie ein schlechteres Signal-Rausch- Verhältnis liefert als eine Abtastung mit einem punktförmigen Profil.
Überraschend wurde nämlich gefunden, dass sich auch dann ein Abtastsignal und ein charakteristischer Fingerabdruck zum Zweck der Identifizierung und/oder Authentifizierung eines Objekts ermitteln lässt, wenn das Strahlprofil quer zur Bewegungsrichtung aufgeweitet ist. Dies ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Durch die Aurweitung des Strahlprofils in die Richtung quer zur Bewegungsrichtung wird das Problem der Positionierung gelöst: Anstelle einer dünnen Linie (mit einer Breite, die der Ausdehnung des punktförmigen Strahlprofils entspricht) wird ein breiter Bereich (mit einer Breite, die der längeren Ausdehnung des linienförmigen Strahlprofils entspricht) abgetastet. Dieser breite Bereich kann bei einer späteren Abtastung entsprechend einfacher wiedergefunden werden.
Ein linienförmiges Strahlprofil wird hier wie folgt definiert: Üblicherweise ist die Intensität im Querschnittszentrum der Strahlung am höchsten und nimmt nach außen hin ab. Die Intensität kann in allen Richtungen gleichmäßig abnehmen - in diesem Fall liegt ein rundes Querschnittsprofil vor. In allen anderen Fällen gibt es mindestens eine Richtung, in der der Intensitätsgradient am größten ist und mindestens eine Richtung, in der der Intensitätsgradient am kleinsten ist. Im Folgenden wird unter der Strahlbreite derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofils in Richtung des kleinsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist. Weiterhin wird unter der Strahldicke derjenige Abstand vom Zentrum des Querschnittsprofils in Richtung des höchsten Intensitätsgradienten verstanden, bei dem die Intensität auf die Hälfte seines Wertes im Zentrum gesunken ist. Unter einem linienförmigen Strahlprofil wird ein Strahlprofil bezeichnet, bei dem die Strahlbreite um einen Faktor von mehr als 10 größer ist als die Strahldicke. Bevorzugt ist die Strahlbreite um einen Faktor von mehr als 50 größer als die Strahldicke, besonders bevorzugt um einen Faktor von mehr als 100 und ganz besonders bevorzugt um einen Faktor von mehr als 150. Vorzugsweise liegt die Strahldicke im Bereich der mittleren Rillenbreite eines Profilelements der vorliegenden Oberfläche des Objekts (zur Definition der mittleren Rillenbreite siehe DIN EN ISO 4287: 1998).
Dem Fachmann der Optik ist bekannt, wie ein entsprechendes Strahlprofil beispielsweise mittels optischer Elemente erzeugt werden kann. Optische Elemente dienen der Strahlformung und Fokussierung. Als optische Elemente werden insbesondere Linsen, Blenden, diffraktive optische Elemente und dergleichen bezeichnet.
Bei einer Abtastung wird das Handgerät über die Objektoberfläche bewegt. Üblicherweise wird das Handgerät auf das Objekt aufgelegt, so dass sich Objekt und Handgerät berühren.
Bei der Verwendung eines linienförmigen Strahlprofils zur Abtastung eines Oberflächenbereichs liegt die Strahlbreite quer zur Bewegungsrichtung. Der Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Richtung der Strahlbreite beträgt vorzugsweise zwischen 10° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 45° und 90°, ganz besonders bevorzugt zwischen 70° und 90°. Die manuelle Bewegung kann kontinuierlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit, beschleunigend oder abbremsend, oder diskontinuierlich, d.h. z.B. schrittweise erfolgen.
Die auf den Detektoren auftreffende Strahlungsintensität wird als Funktion der Zeit erfasst. Üblicherweise werden mit einer konstanten Messfrequenz Messsignale erfasst und fortgeschrieben. Die Bestrahlung (Abtastung) der Oberfläche kann in einem beliebigen Winkel von nahezu 0° (sofern noch Reflexion auftritt) bis 90° bezogen auf die mittlere Oberflächenebene erfolgen. Die Detektion der reflektierten Strahlung kann ebenso in einem beliebigen Winkel von nahezu 0° bis 90° bezogen auf die mittlere Oberflächenebene erfolgen. Je nach Oberflächenbeschaffenheit kann es sinnvoll sein, direkt reflektierte Strahlung (spekulare Reflexion) oder gestreute Strahlung (diffuse Streuung) zu detektieren. Dies kann durch einfache Routineexperimente ermittelt werden. Maßgebend ist das erzielte Signal-Rausch-V erhä ltni s , di e Repro duzi erb arke it und di e erforderliche Positioniergenauigkeit.
Wichtig ist, dass bei jeder Abtastung weitestgehend derselbe Bereich erfasst wird. In den Anmeldungen WO09/097975A1 , WO09/097980 und DE10200923536.1 sind Möglichkeiten beschrieben, wie der Bereich, der bei der sogenannten Registrierung abgetastet worden ist, bei späteren Abtastungen zu Vergleichszwecken wiedergefunden werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Markierung auf dem Gegenstand als Trigger für den Beginn der Abtastung verwendet. Dazu werden die Abtaststrahlen über die Oberfläche des Objekts geführt und ein Teil der von der Oberfläche reflektierten Strahlung mit Hilfe eines Detektors erfasst. Die Markierung auf der Oberfläche des Objekts bewirkt eine Änderung in dem mittels Detektor aufgenommenen Signal. Diese Signaländerung setzt die Aufnahme der Abtastsignale in Gang, d.h. ab Auftreten der Signaländerung werden die zeitabhängigen Abtastsignale aufgenommen.
Ebenso ist es denkbar, eine entsprechende Markierung auch für das Ende der Aufnahme der Abtastsignale zu verwenden, indem die Abtastsignale solange aufgezeichnet werden, bis eine charakteristische Signaländerung den Aufzeichnungsprozess stoppt.
Die Markierung kann beispielsweise eine scharfe Kontraständerung sein, die sich beispielsweise durch einen Übergang einer schwarzen Bedruckung hin zu einer weißen Bedruckung ergibt. Aufgrund der hohen Absorption der schwarzen Bedruckung ist die Intensität der am Detektor ankommenden reflektierten Strahlung gering. Beim Übergang von der schwarzen Bedruckung zu einer weißen Bedruckung steigt die Intensität der reflektierten Strahlung sprunghaft an, was als Trigger zum Auslösen der Aufnahme der Abtastsignale verwendet werden kann.
Vorzugsweise werden bereits auf dem Gegenstand vorhandene Markierungen verwendet. Es eignen sich hierzu beispielsweise optische Codes (Barcode, Matrixcode), Logos, Schriften aber auch Kanten.
Es ist aber auch denkbar, dass der Benutzer des Handgeräts die Aufnahme des Abtastsignals manuell startet und/oder stoppt. Die bekannten Computermäuse weisen üblicherweise mindestens einen Druckschalter auf (Maustaste), mit Hilfe dessen der Benutzer den Prozess steuern kann. Es ist zum Beispiel denkbar, dass der Benutzer durch Druck auf die Maustaste die Aufnahme des Abtastsignals startet und durch Loslassen der Maustaste die Aufnahme des Abtastsignals beendet.
Zeitgleich zur Abtastung erfolgt die Erfassung der Bewegung des Handgeräts mittels Navigationssensor und es schließt sich folgender Schritt (d) an die Abtastung an:
(d) Umwandlung des Abtastsignals unter Verwendung des Navigationssignals in ein zeitunabhängiges Abtastsignal (Intensität-Ort-Signal). Das vorzugsweise normierte, zeitunabhängige Abtastsignal kann direkt als Identifizierungsmerkmal verwendet werden.
In der Regel wird das Identifizierungsmerkmal aus dem zeitunabhängigen Abtastsignal durch verschiedene mathematische Methoden wie Filterung und/oder Untergrundabzug erzeugt. Durch diese mathematischen Methoden werden zufällige oder systematische Schwankungen, die aus Einzelmessungen resultieren, weitestgehend eliminiert. Weiterhin ist es denkbar, aus dem Signal charakteristische Merkmale zu extrahieren, um die Datenmenge des Identifizierungsmerkmals zu reduzieren.
Das Identifizierungsmerkmal kann mit dem Objekt verknüpft werden. Eine solche Verknüpfung wird in der Regel bei der erstmaligen Abtastung eines Objekts vorgenommen. Die erstmalige Abtastung zur Erzeugung eines ersten Identifizierungsmerkmal wird hier auch als Registrierung bezeichnet. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein charakteristischer Fingerabdruck erzeugt, der in Form von vorzugsweise speicherbaren und maschinell verarbeitbaren Daten als eindeutige Kennung für das Objekt verwendet werden kann.
Die Verknüpfung kann physikalisch oder virtuell erfolgen. Bei einer physikalischen Verknüpfung kann das Identifizierungsmerkmal beispielsweise in Form eines optischen Codes (Barcode, Matrixcode, OCR-Text oder dergleichen) auf das Objekt aufgedruckt oder in das Objekt eingebracht werden. Ebenso ist es denkbar, das Objekt mit einem Aufkleber, der das Identifizierungsmerkmal gespeichert enthält, zu verknüpfen. Auch die Anbringung eines elektronischen Datenträgers am Objekt, wie beispielsweise eines RFID-Chips, auf dem das Identifizierungsmerkmal gespeichert ist, ist denkbar.
Bei einer virtuellen Verknüpfung wird beispielsweise eine eindeutige Nummer, die dem jeweiligen Objekt zugeordnet ist (ID-Nummer, Chargen-Nummer oder dergleichen) in einer Datenbank mit dem Identifizierungsmerkmal verknüpft. Das Identifizierungsmerkmal kann beispielsweise diese Nummer in einem so genannten Header (Metadaten am Anfang einer Datei) enthalten. Die Verknüpfung sorgt dafür, dass eine klare und eindeutige Zuordnung zwischen Identifizierungsmerkmal und Objekt besteht. Anhand des Identifizierungsmerkmals lässt sich eindeutig auf das zugehörige Objekt schließen.
Zu einem späteren Zeitpunkt kann erneut ein Identifizierungsmerkmal von dem Objekt erzeugt werden. Dieses zweite Identifizierungsmerkmal kann zur Identifizierung und zur Authentifizierung des Gegenstands herangezogen werden. Details hierzu können den folgenden Anmeldungen entnommen werden : WO 09/097975A 1 , WO 09/097974A 1 , WO 09/097979A 1 und WO09/097980A1.
Das Objekt kann prinzipiell ein beliebiger Gegenstand sein, der über charakteristische Merkmale verfügt, die sich vorzugsweise optisch erfassen lassen. Das erfindungsgemäße Handgerät eignet sich besonders für Objekte mit ebenen Flächen wie beispielsweise Dokumente, Etiketten, Verpackungsschachteln oder Ähnliches.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Handgerät eine Führungskante auf. Zur Abtastung eines Objekts wird die Führungskante des Handgeräts gegen eine Kante des abzutastenden Objekts gedrückt. Die Bewegung des Handgeräts über eine Oberfläche des Objekts erfolgt entlang der Führungskante. Durch die Führungskante wird die Bewegungsfreiheit des Handgeräts eingeschränkt.
Üblicherweise liegt das Handgerät auf einer Oberfläche eines Objekts auf. Liegt die abzutastende Objektoberfläche nicht quer zur Richtung der Schwerkraft ist es auch denkbar, das Handgerät gegen die Objektoberfläche zu drücken. Durch die Objektoberfläche wird die Bewegungsmöglichkeit des Handgeräts eingeschränkt, denn eine Abtastung erfolgt üblicherweise mit dem Handgerät in Kontakt zur Objektoberfläche. Die Führungskante bewirkt eine weitere Einschränkung der Bewegungsmöglichkeit, denn die Abtastung erfolgt entlang der Führungskante (in positiver oder negativer Richtung, d.h.„vor" oder „zurück").
Durch die Bewegung entlang der Führungskante ist die Bewegung des Handgeräts im Raum somit vorgegeben. Dadurch wird es dem Benutzer erleichtert, einen vorgegebenen Abtastbereich auf der Objektoberfläche in reproduzierbarer Weise zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Handgerät speziell zur Abtastung solcher Objekte ausgeführt, die über mindestens eine flache Oberfläche verfügen, die mindestens eine gerade Abschlusskante aufweist. Das erfindungsgemäße Handgerät wird auf die flache Oberfläche des Objekts aufgesetzt oder gegen die flache Oberfläche des Objekts gedrückt. Dabei wird die Führungskante des Handgeräts gegen die Abschlusskante der Objektoberfläche gedrückt. Zum Abtasten wird das Handgerät über die Objektoberfläche gefahren, während Führungskante und Abschlusskante in Kontakt bleiben.
Beispiele für solche Objekte sind Papierdokumente und Verpackungsschachteln wie beispielsweise Medikamentenschachteln oder Zigarettenschachteln.
Ein Handgerät mit einer Führungskante eignet sich insbesondere auch Abtastung von Etiketten die auf einem Objekt aufgebracht sind. Wie in WO2009/097980A ausführlich erläutert kann es vorteilhaft sein, ein Objekt anhand eines mit dem Objekt verbundenen Etiketts zu identifizieren oder zu authentifizieren. In einem solchen Fall werden anstelle von charakteristischen Merkmalen des Objekts charakteristische Merkmale des Etiketts verwendet, um das Objekt zu identifizieren oder zu authentifizieren. Das Etikett ist mit dem Objekt so verbunden, dass es nicht unzerstört entfernt werden kann. Die Kanten eines Etiketts eignen sich sehr gut zur Führung eines Handgeräts. Die Führungskante des Handgeräts wird Zur Abtastung gegen eine Kante des Etiketts gedrückt.
Überraschend wurde gefunden, dass auch Papierdokumente manuell abgetastet werden können. Bekanntlich sind Papierdokumente aufgrund ihrer geringen Dicke nicht steif sondern biegsam. Dennoch kann das erfindungsgemäße Handgerät mit einer entsprechenden Führungskante entlang einer Kante eines Papierdokuments bewegt werden, ohne dass sich das Papierdokument dabei verbiegt. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Abtastung von Objekten mit einer vergleichsweise geringen Dicke wie Papierdokumente oder Etiketten weist das erfindungsgemäße Handgerät eine Führungskante mit einer Höhe h im Bereich von 0,05 mm bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 0,8 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 0,6 mm auf. Eine weitere wichtige Größe bei der Abtastung von dünnen Objekten wie Papierdokumenten oder Etiketten ist der Krümmungsradius der während der Abtastung am Objekt anliegenden Kante (siehe Figur 2). Dieser Krümmungsradius sollte möglichst klein, um ein Abrutschen zu verhindern. Der Krümmungsradius ist bevorzugt kleiner als 50 μιη, besonders bevorzugt kleiner als 20 μιη, ganz besonders bevorzugt kleiner als 5 μιη.
Das erfindungsgemäße Handgerät kann als Computermaus ausgeführt sein. Für mobile Anwendungen ist es auch denkbar, dass erfindungsgemäße Handgerät als Mobiltelefon auszuführen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
Es zeigen:
Figur 1(a), (b), (c): Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Handgeräts mit einer
Führungskante (a) von oben, (b) von unten und (c) im Querschnitt entlang einer Geraden durch die Punkte A und B Figur 1(d): Querschnitt durch den Oberflächensensors des erfindungsgemäßen Handgeräts aus
Figur 1 (a) entlang eine Geraden durch die Fotodetektoren
Figur 2: Vergrößerte Darstellung des Handgeräts aus Figur 1(a) im Bereich der Führungskante
Figur 3: Schematische Darstellung zur Erläuterung eines linienförmigen Strahlprofils
Figur 4: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Handgeräts mit zwei
Führungskanten
Figur 5: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Handgeräts mit einer kreisförmigen
Führungskante
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handgeräts. In Figur 1 (a) ist dieses von unten gezeigt, in Figur 1 (b) von oben und in Figur 1 (c) im Querschnitt entlang einer Geraden durch die Punkte A und B der Fig. 1(a). Das erfindungsgemäße Handgerät 10 weist einen Navigationssensor 11 und einen Oberflächensensor 12 auf, die beim Betrieb des Handgeräts der abzutastenden Objektoberfläche zugewandt sind. Der Navigationssensor ist in der Figur in Form einer schraffierten Fläche als Funktionseinheit dargestellt, ohne dass nähere Details angegeben sind. Über die Vielzahl möglicher Navigationssensoren sei auf Literatur zu Computermäusen verwiesen. Wie oben dargestellt, arbeitet der Navigationssensor vorzugsweise optisch.
Der Oberflächensensor weist im vorliegenden Fall eine Quelle für elektromagnetische Strahlung (2) und zwei Fotosensoren (5, 5 ') auf. Wie in Figur 1 (d) dargestellt wird bei der Abtastung der Oberfläche eines Objekts 1 ein Abtaststrahl 3 senkrecht auf die Oberfläche gesandt. Ein Teil der von der Oberfläche gestreuten Strahlung 4 wird mittels der Detektoren aufgefangen.
Die Bewegung des Handgeräts 10 erfolgt, während die Führungsschiene 16 gegen eine Kante des Objekts gedrückt wird. In Fig. 1 (c) erfolgt die Bewegung senkrecht zur Zeichenebene, in Fig. 1(d) erfolgt die Bewegung in Richtung des dicken Pfeils.
Das Strahlprofil zur Abtastung der Oberfläche ist vorzugsweise linienförmig wie in Fig. 3 dargestellt. Die längere Achse des linienförmigen Strahlprofils liegt vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung, im vorliegenden Fall bevorzugt senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Es ist auch denkbar, anstelle der zwei Fotodetektoren nur einen einzigen Detektor oder mehr als zwei Detektoren zu verwenden.
In Figur 2 ist der Bereich der Führungskante aus Fig. 1(a) vergrößert dargestellt. Die Höhe h der Führungskante wird vorzugsweise an das Objekt angepasst. Die Führungskante weist eine Krümmung K auf, deren Radius wie oben erläutert möglichst klein sein sollte, um ein Abrutschen des Handgeräts bei der Abtastung entlang einer Objektkante zu vermeiden.
Wie in Figur 4 dargestellt kann das Handgeräts auch mehrere Führungskanten aufweisen. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform weist das Handgerät zwei in einem Abstand zueinander parallel verlaufende Führungskanten auf. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere zum Abtasten von Etiketten geeignet: Das Etikett passt genau zwischen die Führungskanten und die Führungskanten verhindern ein Abrutschen des Handgeräts von den Etikettenkanten bei der Abtastung.
Die Führungskante kann prinzipiell einen beliebigen Verlauf aufweisen; im Beispiel der Figur 5 weist sie eine Kreisform auf. Das in Figur 5 gezeigte Handgerät eignet sich zum Abtasten runder Gegenstände. Das Handgerät wird mit der kreisrunden Aussparung auf den Runden Gegenstand aufgesetzt und während einer manuellen Drehbewegung um eine Achse durch den Mittelpunkt der Kreisaussparung abgetastet.
Figur 4 zeigt schematisch ein bevorzugtes Verfahren zur Abtastung einer Oberfläche. Ein Bereich 7 einer Oberfläche 1 eines Gegenstandes wird mittels einer Quelle für elektromagnetische Strahlung 2 bestrahlt. Ein Teil der reflektierten Strahlung 4 wird mit Hilfe eines Detektors aufgefangen, um ein Abtastsignal aufzunehmen. Der Gegenstand wird in Bezug zur Anordnung aus Strahlenquelle und Detektor bewegt (dargestellt durch den dicken schwarzen Pfeil). In der Oberflächenebene liegt ein linienförmiges Strahlprofil vor, dessen längere Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung liegt.
Bezugszeichen:
1 Objekt
2 Quelle für elektromagnetische Strahlunj
3 Abtaststrahl
4 reflektierte Strahlen
5 Detektor
5' Detektor
6 linienförmiges Strahlprofil
7 abgetasteter Bereich
10 erfindungsgemäßes Handgerät
11 Navigationssensor
12 Oberflächensensor
13 Schalter
14 Schalter
15 Anbindung z.B. zu einem Computer
16 Führungskante
16' Führungskante