CN1187654A - 指纹输入设备 - Google Patents

Abstract

一种指纹输入设备包括一个棱镜、一个光源、一个针孔以及一个成象平面。该棱镜被这样地设置—即使得沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面。光源通过棱镜把光照射到指纹收集表面上。该针孔被设置在从光源入射到棱镜上、被放置在指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从棱镜出射的光的路径中。从该棱镜出射并通过针孔的光在该成象平面上形成一个象。当棱镜被空气代替时,与指纹收集表面等价的一个光学指纹收集表面被设置为基本上与成象平面平行。

Description

指纹输入设备

本发明涉及一种用于输入指纹以把它们进行登记或与已经登记的指纹进行核对的指纹输入设备。

不同人的指纹是彼此不同，且指纹一生都不会改变。由于指纹的这些特性，指纹核对系统在要求高度安全的领域得到了特别的使用。用于输入指纹图象的一种设备是这种指纹核对系统的一个构成部分。这种指纹输入设备包括作为一个部件的光学系统。指纹核对系统的核对精度在很大的程度上取决于指纹图象是否能够被正确地输入。

然而，所有传统的指纹输入设备都不能获得高质量的指纹图象。

本发明就是为了解决这种问题，且本发明的目的，是提供一种指纹输入设备一该设备能够获得高质量的指纹图象。

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种指纹输入设备，该设备包括：一个棱镜，它被适当地设置从而使沿着一个方向的一个表面被作为指纹收集表面；一个光源，用于通过该棱镜而把光照射到该指纹收集表面上；设置在从光源入射到棱镜上并被置于指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射并从棱镜出射的光的路径上的一个针孔；以及，一个成象平面—在其上来自棱镜并通过针孔的光形成了一个图象，其中当该棱镜被空气所取代时，与该指纹收集表面等价的一个光学指纹收集表面被设定为基本上与所述成象平面相平行。

根据此方面，被直接或间接地置于指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射并从棱镜出射的光通过了该针孔，并在几乎与棱镜的光学指纹收集表面相平行地设置的成象平面上形成一个图象。

根据本发明的第二个方面，在第一个方面中，当光学指纹收集表面具有相对于指纹收集表面的失真时，成象平面转过一个预定的角度。根据此方面，在光学指纹收集表面上造成的失真，通过把几乎与棱镜的光学指纹收集表面平行的成象平面转过一个预定角度，而能够得到减小。

根据本发明的第三方面，提供了一种指纹输入设备，该设备包括：一个第一棱镜，它得到了适当设置从而使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；一个光源，用于把光通过第一棱镜照射到指纹收集表面上；设置在从光源入射到第一棱镜上、被设置在指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射、并从第一棱镜出射的光的路径中的一个针孔；一个成象平面，在该成象平面上从第一棱镜出射并通过针孔的光形成了一个图象；以及，设置在成象平面前方的一个第二棱镜，其中第一棱镜的指纹收集表面基本上与成象平面平行地设置，第一棱镜的指纹收集表面基本上与成象平面侧上的第二棱镜的一个表面相平行地得到设置，且第一棱镜相对于针孔的一个出射表面基本上与第二棱镜相对于针孔的一个入射表面相平行地设置。

根据此方面，在第一棱镜侧上的光学系统与第二棱镜侧上的光学系统类似，且针孔位于中心，且被直接或间接地置于指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射并从第一棱镜出射的光通过了针孔和第二棱镜，并在成象平面上形成了一个图象。

根据本发明的第四方面，在第一、第二、和第三方面中，该设备进一步包括用于调节针孔的位置的针孔位置调节装置。根据此方面，在成象平面上的指纹图象的位置和大小，通过调节针孔沿着前后方向、横向方向和竖直方向的位置，能够得到改变。

根据本发明的第五个方面，在第四个方面中，针孔位置调节装置由一个手动调节装置构成，且该设备进一步包括用于显示形成在成象平面上的指纹图象的显示部分。根据此方面，用户能够通过在观察显示的指纹图象的同时沿着前后方向、横向方向和竖直方向调节针孔的位置等，来改变成象平面上的指纹图象的位置和大小。

根据本发明的第六个方面，针孔位置调节装置自动调节针孔的位置。根据此方面，针孔的位置得到自动调节，且成象平面上的指纹图象的位置和大小被调节到设定的值。

根据本发明的第七个方面，在第一、第二和第三方面中，光源是一个LED或激光束发射器。根据此方面，来自LED或激光束发射器的光—即具有单调的波长的光—通过棱镜而照射到该指纹收集表面上。

根据本发明的第八个方面，提供了一种指纹输入设备，该设备包括：一个棱镜，它被适当地设置从而使沿着一个方向的一个表面被作为指纹收集表面；一个光源，用于通过该棱镜而把光照射到该指纹收集表面上；设置在从光源入射到棱镜上并被置于指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射并从棱镜出射的光的路径上的一个针孔；设置在针孔之后侧附近的一个透镜；以及，一个成象平面—在其上来自棱镜并通过针孔和透镜的光形成了一个图象，其中当连接指纹收集表面的中心和成象平面的中心的直线是一条光轴时，成象平面相对于该光轴是倾斜的以防止模糊，且透镜的中心轴线相对于该光轴是倾斜的，以防止梯形失真。

根据此方面，形成在成象平面上的指纹图象的光强被设置在针孔的后侧附近的透镜增大。在此情况下，通过使成象平面相对于光轴倾斜，而抑制了模糊，且在这种模糊被抑制的情况下通过使透镜的中心轴线相对于光轴倾斜而抑制了梯形失真。

根据本发明的第九个方面，在根据该光学路径分离方法的一种指纹输入设备中，在距与指纹收集表面相对的棱镜的顶点一定距离处形成了一个切割表面，且光源与棱镜的该切割表面相对地设置。根据此方面，来自光源的光通过该切割表面而入射到该棱镜上，以便以几乎均匀的发散角照射到指纹收集表面上。

根据本发明的第10个方面，在第九个方面中，切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至成象平面的光的一个成象光学路径未被遮挡，且光源的图象没有被投射到成象平面上。根据此方面，从指纹收集表面至成象平面的光的成象光学路径在棱镜中没有得到遮挡，且光源的图象没有被投射到成象平面上。

根据本发明的第11个方面，在第九个方面中，切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至成象平面的光的一个成象光学路径未被遮挡，光源的图象没有被投射到成象平面上，且来自光源的光没有被指纹收集表面所全反射。根据此方面，从指纹收集表面至成象平面的光的成象光学路径在棱镜中没有得到遮挡，且光源的图象没有被投射到成象平面上。另外，来自光源的光没有被指纹收集表面所全反射。

根据本发明的第12个方面，在第九个方面中，切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至成象平面的光的一个成象光学路径未被遮挡，且在其上能够投射光源的图象的切割表面上的一个区域中提供了光遮挡。根据此方面，从指纹收集表面至成象平面的光的成象光学路径在棱镜中没有得到遮挡。另外，由于为切割表面提供了光遮挡，光源的图象不可能被投射到成象平面上。

根据本发明的第13个方面，在第九至12个方面中，棱镜的切割表面是凹表面。根据此方面，来自光源的光通过该凹切割表面而入射到棱镜上并以均匀的发散角照射到指纹收集表面上。

根据本发明的第14个方面，在第13个方面中，棱镜的切割表面具有凸外周边。根据此方面，来自光源的光被切割表面的该凹内表面散射，并被切割表面的外周边的凸表面所聚焦，从而照射到指纹收集表面上。

根据本发明的第15个方面，在基于这种光学路径分离方法的指纹输入设备中，光源借助具有预定的折射率的一个匹配部件而与棱镜接触。根据此方面，来自光源的光通过该匹配部件而入射棱镜上，从而以几乎均匀的发散角照射指纹收集表面上。

根据本发明的第16个方面，提供了一种指纹输入设备，它包括：一个棱镜—该棱镜被适当地设置以使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；以及，安装在一个基底的一个表面上的光源，用于把光通过该棱镜而照射到指纹收集表面上，其中在其上装有光源的基底的该表面上形成了具有高反射率的一个膜。根据此方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被该基底表面上的该反射膜所反射并入射到棱镜上。

根据本发明的第17个方面，提供了一种指纹输入设备，它包括：一个棱镜—该棱镜被适当地设置以使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；以及，安装在一个基底的一个表面上的光源，用于把光通过该棱镜而照射到指纹收集表面上，其中在其上装有光源的基底的该表面上形成了用于遮挡光的一个膜。根据此方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被该基底表面上的该遮光膜所遮挡，从而防止了该光通过基底并从其后表面泄漏到外界。

根据本发明的第18个方面，提供了一种指纹输入设备，它包括：一个棱镜—该棱镜被适当地设置以使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；以及，安装在一个基底的一个表面上的光源，用于把光通过该棱镜而照射到指纹收集表面上，其中在其上装有光源的基底的该表面上形成了具有高反射率的一个膜(反射光/遮光膜)。根据此方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被该基底表面上的该反射光/遮光膜所反射并入射到棱镜上。另外，从光源的侧和后表面泄漏的光被基底表面上的反射光/遮光膜所遮挡，从而防止了光通过该基底并从其后表面泄漏到外界。

根据本发明的第19个方面，提供了一种指纹输入设备，它包括：一个棱镜—该棱镜被适当地设置以使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；一个光源，用于把光通过该棱镜而照射到指纹收集表面上；一个成象平面，在该成象平面上从光源照射到棱镜、被设置在指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射、并从该棱镜出射的光形成了一个图象；一个棱镜支架，用于保持该棱镜以固定指纹收集表面，从而使指纹收集表面与一个主体外壳的指纹台部分开口相对，该棱镜支架至少在与棱镜的一个出射表面相对的表面部分上和来自光源的光入射到的入射表面上具有一个开口；以及，一个遮光盖，用于掩盖棱镜的该出射表面与成象平面之间的成象光学路径，并同时使该光学路径与外界隔绝。

根据本发明的第20个方面，在第19个方面中，对遮光盖的内壁表面进行一种光噪声处理。

根据本发明的第21个方面，在第19或20个方面，在遮光盖的外壁表面上形成具有高反射率的膜。

根据本发明的第22个方面，在第19个方面中，用一种光源盖掩盖光源—但相对于棱镜的出射表面侧的一个部分除外，且光源盖和遮光盖是整体形成的。

根据本发明的第23个方面，在第22个方面中，在光源盖的内壁表面上形成一个具有高反射率的膜。

根据本发明的第24个方面，提供了一种指纹输入设备，它包括：一个棱镜—该棱镜被适当地设置以使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面；一个光源，用于把光通过该棱镜而照射到指纹收集表面上；一个成象平面，在该成象平面上从光源照射到棱镜、被设置在指纹收集表面上的指纹的图案表面所反射、并从该棱镜出射的光形成了一个图象；一个棱镜支架，用于保持该棱镜以固定指纹收集表面，从而使指纹收集表面与一个主体外壳的指纹台部分开口相对，该棱镜支架至少在与棱镜的一个出射表面相对的表面部分上和来自光源的光入射到的入射表面上具有开口；一个成象平面外壳，用于存储该成象平面，该外壳具有在棱镜的出射表面侧上的一个开口；以及，一个遮光盖，用于掩盖棱镜的该出射表面与成象平面之间的成象光学路径，并同时使该光学路径与外界隔绝，其中在一端侧的光源盖的开口借助一种安装结构而与同棱镜的出射表面相对的棱镜支架的开口相耦合，且在另一端侧的光源盖的开口借助一种安装结构而与成象平面外壳的开口相耦合。

图1A和1B用于说明根据本发明的指纹输入设备的光学系统的主要部分(实施例1)；

图2是框图，显示了采用这种指纹输入设备的指纹核对系统；

图3A和3B是放大图，显示了一种指纹输入部分(全反射法)和与其对应的传统指纹输入部分；

图4A和4B是放大图，显示了采用光学分隔法的指纹输入部分和与其对应的转换指纹输入部分；

图5A和5B分别是立体图和平面图，显示了图2的指纹输入设备；

图6A和6B分别显示了指纹图象是如何在登记和核对处理中得到显示的。

图7是流程图，用于说明在此指纹核对系统中的指纹登记处理(手动针孔位置调节)；

图8是流程图，用于说明在此指纹核对系统中的指纹核对处理(自动针孔位置调节)；

图9是流程图，用于说明在此指纹核对系统中的指纹登记处理(自动针孔位置调节)；

图10是流程图，用于说明在此指纹核对系统中的指纹登记处理(自动针孔位置调节)；

图11A和11B用于说明在自动针孔位置调节中是如何计算质心位置的；

图12A和12B用于说明在自动针孔位置调节中是如何计算大小的；

图13A至13C用于说明减小指纹收集表面A-B与光学指纹收集表面A’-B’之间的失真的措施；

图14用于说明完全消除当光学指纹收集表面A’-B’是曲面时产生的失真的措施；

图15是放大图，显示了采用矩形棱镜的指纹输入部分(全反射法)；

图16用于说明传统指纹输入设备的光学系统的主要部分；

图18A和18B用于说明在这种指纹输入设备中造成的梯形失真；

图19用于说明在这种指纹输入设备中造成的梯形失真；

图20A和20B显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例2)；

图21A和21B用于说明如何借助桶形失真来正确梯形失真；

图22A和22B用于说明如何借助枕形失真了正确梯形失真；

图23显示了采用实施例3所基于的光学路径分离方法的指纹输入设备的主要部分；

图24显示了采用实施例3所基于的全反射法的指纹输入设备的主要部分；

图25用于说明在图23的指纹输入设备中是如何发生不规则照明的；

图26显示了根据本发明的指纹输入部分的主要部分(实施例3-1)

图27用于说明形成切割表面的条件①；

图28用于说明形成切割表面的条件②；

图29用于说明形成切割表面的条件③；

图30用于说明当在满足至少条件①和②的情况下形成作为切割表面的一个倾斜表面时所出现的问题；

图31显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例3-2)；

图32A和32B用于说明在实施例3-2中条件2没有得到满足的情况下对一个区域进行光遮挡的必要；

图33A和33B分别显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例3-3和3-4)；

图34A和34B显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例3-5)；

图35显示了实施例4所基于的传统指纹输入设备的主要部分；

图36显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例4)；

图37A和37B显示了如何在这种指纹输入设备的基底表面上形成一个反射膜(遮光膜或反射/遮光膜)；

图38A和38B显示了如何在其上形成有反射膜(遮光膜或反射/遮光膜)的基底表面上安装LED；

图39A和39B显示了如何在该基底表面上形成作为反射/遮光膜的金属膜；

图40显示了如何把本发明应用于采用全反射法的指纹输入设备的一个例子；

图41显示了实施例5所基于的传统指纹输入设备的主要部分；

图42显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例5-1)；

图43是分解立体图，显示了这种指纹输入设备的主要部分；

图44显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例5-2)。

以下详细描述本发明的实施例。

(实施例1：第一至第七方面)

在描述本发明的第一至第七方面之前，将描述这些方面所基于的技术。为了获得高质量的指纹图象，必须采取一些措施来对付失真和模糊。在日本专利公开第59-142675、日本实用新型公开第63-99960、日本专利公开第2-176984等中已经提出了几种指纹输入设备，以应付指纹图象失真和模糊。由于所有这些指纹输入设备的光学系统都采用了透镜，所以不能同时消除指纹失真和模糊。

图16显示了传统指纹输入设备的光学系统的主要部分。参见图16，标号1表示一个棱镜；标号2表示一个透镜。标号A-B表示棱镜1的指纹收集表面；0表示透镜2的中心；且F表示透镜2的焦点。为了描述的方便，在图16的设置中，假定棱镜1具有与空气相同的折射率。虽然没有显示，在棱镜1的下表面侧设置了一个白炽灯，从而使来自该灯的光通过棱镜1而照射到指纹收集表面A-B上。

在这种光学系统中，一个光接收单元的成象平面可被设定为一个平面E-G(成象平面①)，以防止放置在指纹收集表面A-B上的手指的图案表面的整个图象即整个指纹图象发生模糊。然而，在此情况下，由于光学路径比值(AO∶OG≠BO∶OE)，指纹图象失真了。为了防止指纹图象的失真，光接收单元的成象平面可被设定为一个平面E-H(成象平面②)。然而，在此情况下，在指纹收集表面A-B上的一个点A延伸到在图象平面E-H上的H-K。其结果，指纹图象发生了模糊。如上所述，只要采用透镜2，就不能同时消除模糊和失真。由于失真的正确是重要的，模糊更加严重且导致了实际使用的困难，且反过来也是一样。即，借助图16显示的设置，必须在相应的实际范围内在失真与模糊之间进行妥协。

在这些情况下，实施例1采用了一个针孔板来代替透镜2，以大大减小失真和模糊，从而获得高质量的指纹图象。

(基本原理)

图1A显示了根据本发明的指纹输入设备的光学系统的主要部分。参见图1A和1B，标号A-B表示了棱镜1的指纹收集表面；C’-D’表示具有形成在其中心的针孔PH的针孔板表面；且O表示针孔PH的中心。为了描述方便，在图1A显示的设置中，假定棱镜1具有与空气相同的折射率。虽然没有显示，在棱镜1的下表面侧设置了一个LED，从而使来自LED的光通过棱镜1照射到指纹收集表面A-B上。注意这种LED可以是一个激光束发射器。从LED或激光束发射器发射的光具有单一的波长，且其光学不规则性小于来自白炽灯的光。由于这些特性，LED使得能够得到高分辨率，并具有长寿命。另外，LED产生的热量对设备几乎没有影响。

在这种光学系统中，由设置在指纹收集表面A-B上的手指的指纹表面所反射并从棱镜1出射的光，通过了针孔PH，并在成象平面I-J上形成了一个图象。在此情况下，如果棱镜1的指纹收集表面A-B和成象平面I-J被设定为彼此平行，则光学路径比值就成为恒定的(AO∶OJ＝BO∶OI)，且没有指纹图象畸变发生。另外，由于指纹收集表面A-B上的一点被成象在了成象平面I-J上的一个点上，不发生指纹图象模糊。即，能够同时防止失真和模糊。

在图1A显示的设置中，假定棱镜1具有与空气相同的折射率。但实际上，棱镜1的折射率与空气的不同。因此，如图1B所示，同当棱镜1被空气所取代时的指纹收集表面A-B等价的一个表面被设定为光学指纹收集表面A’-B’(图1B中的虚线表示的曲面A’-B’)，且该光学指纹收集表面A’-B’和成象平面I-J被设置为彼此平行。在此情况下，由于就技术和成本而论难于使成象平面I-J成为曲面，直线A’-B’和成象平面I-J被设置为彼此平行。换言之，三角形A’OB′，和三角形JOI彼此相似。借助这种设置，光学路径比值成为恒定(A’O∶OJ＝B’O∶OI)，因而能够抑制指纹图象畸变。另外，由于在直线A’-B’上的一个点被成象到了成象平面I-J上的一个点上，指纹图象模糊能够得到抑制。即，模糊和失真能够得到大大的减小。

在成象平面I-J上的指纹图象的位置和大小，能够通过调节针孔PH沿着前后方向(Z方向)、横向方向(X方向)、以及纵向方向(Y方向)的位置，而得到调节。采用这种方案，与采用透镜的方案相比，能够实现部件组装容差的增大和成本、重量和尺寸的减小。

(实际的例子)

图2显示了采用基于上述原理的指纹输入设备的指纹核对系统的设置。参见图2，标号10表示了一个指纹输入设备；且20表示一个处理部分。指纹输入设备10包括一个十键台10-1、一个显示器(LCD)10-2、以及一个指纹输入部分10-3。处理部分20包括带有一个CPU的控制部分20-1、ROM20-2、RAM20-3、硬盘(HD)20-4、帧存储器(FM)20-5、一个外部连接部分(I/F)20-6、以及付里叶变换部分(FFT)20-7。登记和核对程序存储在ROM20-2中。

在指纹输入设备10中，如在图3A的放大图中所示，指纹输入部分10-3包括一个光源(LED)10-31、一个散射板10-32、一个棱镜10-33、一个针孔板10-34、一个针孔位置调节装置10-35、以及一个光接收单元10-36。

在此情况下，指纹输入部分10-3采用了全反射法，从而使LED10-31被置于棱镜10-33的下表面侧的左侧，且来自LED10-31的光通过棱镜10-33照射到棱镜10-33的指纹收集表面A-B上。在此设置中，当棱镜10-33被空气所取代时与指纹收集表面A-B等价的一个表面显然被设定为一个光学指纹收集表面A’-B’(由图3A中的虚线表示的一个曲面A’-B’)，且该光学指纹收集表面A’-B’和光接收单元10-36的一个成象平面I-J被设定为几乎彼此平行。即，直线A’-B’和成象平面I-J被设置为彼此平行。

当对指纹输入部分10-3采用光学路径分离方法时，如图4A所示，LED10-31被置于棱镜10-33的下表面侧的右边，且在棱镜10-33的左表面上形成了一个黑覆层(或遮光板)10-37，从而使来自LED10-31的光通过棱镜10-33照射到指纹收集表面A-B上。在此情况下，同样显然地，当棱镜10-33把空气所取代时与指纹收集表面A-B等价的一个表面被设定为光学指纹收集表面A’-B’(由图3A中的虚线表示的一个曲面A’-B’)，且该光学指纹收集表面A’-B’和光接收单元10-36的成象平面I-J被设置为几乎彼此平行。即，直线A’-B’和成象平面I-J被设置为彼此平行。在棱镜10-33的左表面上形成了一个黑覆层(或遮光板)10-37，从而能够防止从外部入射的干扰光影响该设备。

由于在参考文献1(THE TRANSACTIONS OF THE INSTITUTE OFELECTRONICS，INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS，85/3，Vol.J68-D，No.3，pp.414-415)中详细描述了全反射法和光学路径分离方法的原理，因而在此省略了对它们的描述。在全反射法中，在指纹表面的非接触部分上产生了全反射，而在接触部分上则防止了全反射，且来自非接触部分和来自接触部分的光之差得到检测。在光学路径分离方法中，只有来自指纹表面的接触部分的光得到检测，而没有任何来自非接触部分的光。A作为参考，图3B和4B分别显示了采用全反射法和光学路径分离方法的指纹输入部分的传统设置。各个传统设置采用了白炽灯10-31’作为光源并用透镜Ln作为光接收单元10-36’。

图5A和5B显示了指纹输入设备10。在该指纹输入设备10中，棱镜10-33的指纹收集表面A-B，即棱镜10-33的上表面UP，得到暴露，且在外壳10-4上形成了一个导向器10-41，以使操作者能够将其手指直接或间接(可形成一个膜)放置到棱镜10-33的上表面UP上。十键台10-1和显示器10-2被并排设置。十键台10-1具有一个指纹输入确认键10-11。可转动地与针孔位置调节装置10～35耦合的三个位置调节钮Cx、Cy和Cz被设置在外壳10-4的侧表面上。

(指纹的登记(手动针孔位置调节))

在此指纹核对系统中，用户的指纹是按照以下方式得到登记的。在使用系统之前，用户通过利用十键台10-1输入分配给其的ID号(图4中的步骤101)。用户随后将其手指置于棱镜10-33沿着指纹输入设备10的导向器10-41的上表面UP(指纹收集表面A-B)上。来自LED10-31的光已经照射到棱镜10～33的指纹收集表面A-B上，从而使来自LED10-31的光通过皮肤表面不与指纹收集表面A-B相接触的凹槽部分(槽部分)全反射。与此相对比，在皮肤表面的与指纹收集表面A-B相接触的突出部分(脊部分)，全反射的条件没有得到满足，因而来自LED10-31的光被散射了。

被置于指纹收集表面A-B上的手指的皮肤表面所反射并从棱镜10-33出射的光通过了针孔PH并在光接收单元10-36的成象平面I-J上形成了一个图象。其结果，与槽部分对应的指纹部分变得明亮，而与脊部分对应的指纹部分变得黑暗。即，收集到了具有一定对比度的指纹图象。收集的指纹(登记指纹)作为半音调图象数据而被提供到处理部分20。

控制部分20-1通过帧存储器20-5而装载来自指纹输入设备10的登记指纹的图象数据(步骤102)，并在显示器10-2上显示它(步骤103)。图6A显示了这种登记指纹的一个显示样品。用户见到了显示在显示器10-2上的指纹图象，以确定是否改变针孔PH的位置。

如果用户见到了显示在显示器10-2上的其指纹图象并决定指纹图象的位置不适当或指纹图象太大或小，则用户判定针孔PH的位置必须得到改变。用户随后调节三轴位置调节钮Cx、Cy和Cz的角位置，以借助针孔位置调节装置10-35调节针孔板10-34沿着X、Y和Z方向的位置，即针孔PH沿着X、Y和Z方向的位置，从而把显示器10-2上的指纹图象设定到具有所希望尺寸的所希望位置(步骤102至104)。

在调节了显示器10-2上的指纹图象的位置和大小之后，用户按下指纹输入确认键10-11。借助这种操作，控制部分20-1判定登记指纹的装载得到确认(步骤105)，且确认的登记指纹的图象数据与ID号相应地被存档在硬盘20-4中(步骤106)。

(指纹的核对(手动针孔位置调节))

借助这种指纹核对系统，用户的指纹的核对是按照以下方式进行的。在系统的操作期间，用户借助十键台10-1输入分配给其的ID号(图8的步骤201)，并随后将其手指置于棱镜10-33沿着指纹输入设备10的导向器10-41的上表面UP(指纹收集表面A-B)上。借助这种操作，所收集的指纹(核对指纹)的图案以半音调图象数据的形式被提供到处理部分20-其方式与指纹登记的情况一样。

在通过十键台10-1接收到ID号时，控制部分20-1从硬盘20-4中存档的登记指纹读出与该ID号相应的登记指纹的图象数据(步骤202)，并将其显示在显示器10-2上(步骤203)。

控制部分20-1还通过帧存储器20-5装载来自指纹输入设备10的核对指纹的图象数据(步骤204)，并将其显示在显示器10-2上，同时将其重叠在登记指纹的指纹图象上(步骤205)。图6B显示了在此情况下的一个显示样品。用户见到了显示在显示器10-2上的登记指纹的指纹图象与核对指纹的指纹图象这种重叠状态，以确定是否改变针孔PH的位置。

如果用户见到了显示在显示器10-2上的核对指纹的指纹图象比决定该指纹图象相对于登记指纹的指纹图象有位置偏离或太大或太小，则用户确定针孔PH的位置必须得到改变。用户随后通过针孔位置调节装置10-35而调节三轴位置调节钮Cx、Cy和Cz的角位置，以调节针孔板10-34沿着X、Y和Z方向的位置，从而把显示器10-2上的核对指纹的指纹图象设定到所希望的位置和所希望的大小(步骤204至206)。

在调节了显示器10-2上的核对指纹的指纹图象的位置和大小之后，用户按下指纹输入确认键10-11。通过这种操作，控制部分20-1判定核对指纹的装载得到了确认(步骤207)。把确认的核对指纹的指纹图象与事先读出的登记指纹的指纹图象进行核对(步骤208)。核对的结果随后被显示在显示器10-2上(步骤209)。

在本实施例中，根据上述基本原理，模糊和失真能够得到大大的减小。另外，在登记处理中输入的指纹图象的位置和大小，通过借助三轴位置调节钮Cx、Cy和Cz来手动调节针孔PH的位置，而能够被设定到所希望的位置和所希望的大小。另外，在登记和核对处理中输入的指纹图象的位置偏离能够得到吸收，且输入的指纹图象大小之间的差也能够得到应付。

注意如果核对的指纹图象很小，则背景面积变得很大，从而产生核对精度的降低。这种核对精度的降低能够通过沿着Z方向移动针孔PH(其中针孔PH离开成象平面I-J)以增大核对指纹图象，而得到防止。另外，在装运时的定位能够在不拆开设备的情况下进行，因而装运时的定位处理得到了便利。

在上述实施例中，针孔PH的位置是在登记和核对处理中借助三轴位置调节钮Cx、Cy和Cz而手动调节的。然而，该位置也可自动调节。图9和10显示了当针孔PH的位置得到自动调节时在登记和核对处理中进行的操作。

(指纹的登记(针孔位置的自动调节))

在此情况下，用户通过采用十键台10-1输入分配给其的ID号(图9中的步骤301)。用户随后将其手指置于棱镜10-33沿着指纹输入设备10的导向器10-41的上表面UP(指纹收集表面A-B)上。通过置于指纹收集表面A-B上的手指的图案表面反射并从棱镜10-33出射的光通过了针孔PH，并在光接收单元10-36的成象平面I-J上形成了一个图象。通过这种操作，与槽部分对应的指纹部分变得明亮，而与脊部分对应的指纹部分变得黑暗。即，收集到了具有一定对比度的指纹图象。收集的指纹(登记指纹)的图案，以灰度图象数据的形式，被提供到处理部分20。

控制部分20-1通过帧存储器20-5装载来自指纹输入设备10的图象数据(步骤302)。控制部分20-1随后计算装载的登记指纹图象数据的质心位置(步骤303)。在此情况下，该质心位置是按照以下方式计算的。

首先，装载的登记指纹的图象数据(图11A)被分成n×m个象素(图11B)。即装载的登记指纹图象数据被分成沿着X方向的n个象素和沿着Y方向的m个象素。设Iij是在第ij个象素位置处的光强，质心的x和y坐标xa和ya通过公式(1)和(2)而获得： $\mathrm{xa}=\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}i{I}_{\mathrm{ij}}\right)/\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}\right)----\left(1\right)$ $\mathrm{ya}=\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}j{I}_{\mathrm{ij}}\right)/\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{\mathrm{ij}}\right)----\left(2\right)$ $(\mathrm{xa},\mathrm{ya})=\{\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}i{I}_{\mathrm{ij}}\right)/\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ij}}\right),\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}j{I}_{\mathrm{ij}}\right)/\left(\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{\mathrm{ij}}\right)\}----\left(3\right)$

控制部分20-1获得了获得的质心位置(xa，ya)与设定的质心位置(xs，ys)之间的差(xa-xs，ya-ys)，作为质心差，并检查是否有一个质心差(步骤304)。如果有质心差(质心差≠0)，控制部分20-1通过针孔位置调节装置10-35调节针孔PH沿着X和Y方向的位置，从而消除该质心差(步骤305)。

当该质心差被消除时，由于在步骤304得到了“否”，控制部分20-1使流程进行到步骤306，以装载登记指纹的图象数据，作为其沿着X和Y方向的位置得到确认的登记指纹的图象数据(步骤306)。控制部分20-1计算装载的登记指纹的图象数据的大小(步骤307)。在此情况下，该大小是按照以下方式计算的。

首先，其沿着X和Y方向的位置得到确认的登记指纹的图象数据(图12A)被分成n×m个象素(图12B)。即，装载的登记指纹图象数据被分成沿着x方向的n个象素和沿着y方向的m个象素。各个象素随后按照其光电平而得到二进制化，从而使具有光的各个部分被用“1”表示，而其余的部分则用“0”表示。在二进制化之后的各个象素的光强用D_ij＝“0”或“1”表示，且借助以下公式表示一个面积Sa： $\mathrm{Sa}=\underset{\mathrm{ij}}{\overset{\mathrm{nm}}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}----\left(4\right)$

控制部分20-1将面积Sa与一个设定的面积Ss进行比较，以检查面积Sa是否适当(步骤308)。如果面积Sa不适当(Sa≠Ss)，控制部分20-1通过针孔位置调节装置10-35调节针孔PH沿着Z方向的位置，以将面积Sa设定到一个适当的值(步骤309)。如果Sa-Ss＞0，控制部分2 0-1移动针孔PH的位置以减小指纹图象。如果Sa-Ss＜0，控制部分20-1移动针孔PH的位置以放大指纹图象。

当面积Sa借助这种操作而被设定到一个适当值时，由于在步骤308获得了“是”，控制部分20-1使流程进行到步骤310，以把相应的登记指纹图象数据，作为其沿着X、Y和Z方向的位置得到确认的登记指纹图象数据，与ID号相应地存档到硬盘20-4中(步骤31 0)。

(指纹的核对(针孔位置的自动调节))

在设备的操作期间，用户利用十键台10-1输入分配给其的ID号(图10的步骤401)，并将其手指置于棱镜10-33沿着指纹输入设备10的导向器10-41的上表面UP(指纹收集表面A-B)上。与在指纹登记时的情况相同，核对指纹的图案，以半音调图象数据的形式，被提供到处理部分20。

在通过十键台10-1接收到ID号时，控制部分20-1读出与来自存档在硬盘20-4中的登记指纹的ID号相应的登记指纹的图象数据(步骤402)。控制部分20-1通过帧存储器20-5装载该核对指纹图象数据(步骤403)。控制部分20-1随后以与登记指纹的情况下相同的方式，计算装载的核对指纹图象数据的质心位置(步骤404)。

控制部分20-1获得计算的质心位置(xb，yb)与设定的质心位置(xs，ys)之间的差(xb-xs，yb-ys)，以检查是否有质心差(步骤405)。如果有质心差(质心差≠0)，控制部分20-1通过针孔位置调节装置10-35而调节针孔PH沿着X和Y方向的位置(步骤406)。

当借助这种操作消除了质心差时，由于在步骤405获得了“否”，控制部分20-1使流程进行到步骤407，以装载核对指纹图象数据，作为其沿着X和Y方向的位置得到确认的核对指纹图象数据(步骤407)。控制部分20-1随后以与在登记指纹的情况下相同的方式，计算装载的核对指纹图象数据的大小。

控制部分20-1将计算的核对指纹—其沿着X和Y方向的位置得到了确认—的图象数据的面积Sb与设定面积Ss相比较，以检查面积Sb是否适当(步骤409)。如果面积Sb不适当(Sb≠Ss)，则控制部分20-1通过针孔位置调节装置10-35调节针孔PH沿着Z方向的位置，以将面积Sb设定到一个适当值(步骤410)。即，如果Sb-Ss＞0，控制部分20-1移动针孔PH的位置以减小指纹图象。如果Sb-Ss＜0，控制部分20-1移动针孔PH的位置以放大指纹图象。

当面积Sb借助这种操作被设定为适当的值(Sb＝Ss)时，由于在步骤409得到了“是”，控制部分20-1使流程进行到步骤411，以将该指纹图象设定为其沿着X、Y和Z方向的位置得到确认的核对指纹的指纹图象，并将该核对指纹指纹图象与事先读出的登记指纹指纹图象相核对(步骤411)。控制部分20-1将该核对结果显示在显示器10-2上(步骤412)。

虽然根据图9和10所示的流程图，沿着Z方向的位置调节是在沿着X和Y方向的位置调节之后进行的，沿着X和Y方向的位置调节也可以在沿着Z方向的位置调节之后进行。

另外，在上述实施例的原理，光学指纹收集表面A’-B’被设置为与成象平面I-J平行。这种操作是基于这样的假定—即在指纹收集表面A-B与光学指纹收集表面A’-B’之间没有失真。然而，根据指纹收集表面A-B和棱镜表面R-S(图1B)的位置和角度，在指纹收集表面A-B与光学指纹收集表面A’-B’之间可能产生失真。

在图13A所示的光学系统中，如果例如在指纹收集表面A-B上以等间隔设定的点P₁至P₇与在光学指纹收集表面A’-B’上的点P₁’至P₇’相匹配，在光学指纹收集表面A’-B’上的点P₁’至P₇’不是以等间隔设置的，且发生了失真。在此情况下，即使光学指纹收集表面A’-B’与成象平面I-J平行地设置，只有由光学指纹收集表面A’-B’造成的失真不能得到消除。

因此，在此情况下，即当光学指纹收集表面A’-B’具有相对于指纹收集表面A-B的失真时，成象平面I-J绕一个点P0转过一个预定角度(见图13A)从而消除光学指纹收集表面A’-B’的失真。借助这种操作，如图13C所示，在指纹收集表面A-B上产生的失真能够得到大大的减小。

在上述实施例中，由于光学指纹收集表面A’-B’是一个曲面，难于完全地消除其失真。然而，借助图14所示的设置，该失真能够得到完美的消除。

在第二棱镜4被置于成象平面I-J之前。第一棱镜1的指纹收集表面A-B被设置为与成象平面I-J平行，且第一棱镜1的指纹收集表面A-B被设置为与成象平面侧的第二棱镜4的一个表面L-M平行。第一棱镜1相对于针孔PH的出射表面C-D被设置为与第二棱镜4相对于针孔PH的入射表面K-M相平行。在此情况下，第二棱镜4的表面L-M被置于成象平面I-J之上。

借助这种设置，在第一棱镜1侧的光学系统的设置与在第二棱镜4侧上的光学系统类似，而针孔PH(点O)位于中心，从而完全地消除了失真。即，模糊和失真能够同时得到消除。注意指纹收集表面A-B与成象平面I-J之间、指纹收集表面A-B与表面L-M、出射表面C-D与入射表面K-M之间的平行允许有一些偏离。

在上述实施例中，采用了三角棱镜作为棱镜1(10-33)。然而，可以采用如图15所示的矩形棱镜1’(10-33’)。可以采用各种其他类型的棱镜。注意散射板10-32可被安装在棱镜1’(10-33’)侧，如虚线所表示的。

注意棱镜被定义为这样的光学元件—它具有两或多个平坦表面并用于折射和反射光。棱镜的功能被定义为以下的功能①至③。

①一或多个反射功能被结合到一个块中，且光学路径的偏转和移动在一个紧凑的设置中得到了实现。

②通过利用光的折射而使光的方向得到了改变，或者使图象的方向(方位)得到了调节。

③光谱利用光学材料的色散而得到了分析。

在上述实施例中，全反射法被用于指纹输入部分10-3。然而，即使采用了光学分隔法，与上述的相同的操作也能够被应用于所产生的设置。不能说全反射法和光学路径分离方法中的一个比另一个强。

(实施例2：第八个方面)

在实施例1(见图1A)中，针孔PH的直径必须被减小到一定程度，以增大指纹图象的分辨率。因此，形成在成象平面I-J上的指纹图象的光强减小。为了对此进行补偿，来自照射指纹收集表面A-B的光源的光强必须增大。其结果，光源本身的寿命由于光源产生的热量而缩短了，或者通过棱镜1透射的光对用户来说太亮，从而产生了新的问题。为了解决这些问题，可以用一个近红外发光二极管作为光源。在此情况下，虽然可以抑制过亮的光，但不能解决热量产生的问题。

因此，本发明人提出了一种设置—其中一个透镜5-2被设置在针孔板5-1的后表面附近，如图17所示，以增大形成在成象平面5-3上的指纹图象的光强而不增大来自光源6的光强。在此设置中，当连接指纹收集表面1-1的中心与成象平面5-3的中心的直线是光轴时，使透镜5-2的中心轴线与该光轴相重合。另外，因为由于透镜5-2而产生了模糊，成象平面5-3相对于光轴的倾斜得到了调节，以防止模糊。参见图17，标号1-2表示了形成在棱镜1的左边侧上的一个黑覆层(或遮光板)。

然而，在成象平面5-3上产生了梯形畸变。更具体地说，如果正方形格子形式的物体—如图18A中显示的—被放置在指纹收集表面1-1上，在成象平面5-3上所产生的图象具有象图18B中所示的梯形畸变。参见图19，假定A-B是指纹收集表面，O是针孔的中心，a-b是成象平面，X是指纹收集表面A-B上的任意点，且x是点X被投射到成象平面a-b上的点，在点x处的图象放大率由m＝Ox/OX给出。即，图象放大率由线段Ox与OX的比值来确定。在此情况下，由于三角形OAB不与三角形Oab相似，且线段OA比线段OB短，在点A侧的图象变大，而在点B侧的图象变小。这种梯形畸变随着比值OA∶OB的增大而增大。随着指纹输入设备的尺寸的减小，指纹收集表面与透镜之间的距离必然减小。如果该距离减小，比值OA∶OB增大。从而使梯形畸变增大。

因而在实施例2中，能够在不增大光源6的光强的情况下增大形成在成象平面5-3上的指纹图象，且在模糊得到抑制的情况下梯形畸变的产生得到了很大的抑制，从而获得了高质量的指纹图象。

(实施例2-1：桶形畸变)

图20A显示了根据本发明的指纹输入设备(实施例2-1)的主要部分。在本实施例中，具有桶形畸变(负失真)的一个被用作了透镜5-2。透镜5-2的一个中心轴线LC，相对于一个光轴LO(连接指纹收集表面A-B的中心X_O与成象平面a-b的中心X_O的直线)，向着指纹收集表面A-B侧上的B显示器10-2侧倾斜了θ1。另外，为了防止模糊，成象平面a-b相对于光轴LO的倾斜得到了调节。

借助这种操作，当来自指纹收集表面A-B的光通过图21B中的影线表示的透镜轴上的区域且透镜5-2的中心轴线LC与光轴LO相重合时时所产生梯形畸变(见图21A)，借助透镜5-2所独特具有的桶形畸变，而得到了校正，且在梯形畸变得到更大的抑制的情况下，在成象平面a-b上形成了放置在指纹收集表面A-B上的手指的图象。

在此情况下，由于借助透镜5-2而在成象平面a-b上形成的指纹图象的光强得到了增大，来自光源6的光强不需要得到增大，从而防止了光源6的寿命由于热量的产生而被缩短和太亮的光通过棱镜1。另外，通过调节成象平面a-b相对于光轴LO的倾斜，使模糊得到了抑制，且在这种模糊得到抑制的情况下，通过使透镜5-2的中心轴线LC相对于光轴LO得到倾斜，而使梯形畸变得到了抑制，从而获得了高质量的指纹图象。

(实施例2-2：枕形失真)

图20B显示了根据本发明的指纹输入设备(实施例2-2)的主要部分。在本实施例中，一个具有枕形失真(正失真)的透镜被用作透镜5-2。透镜5-2的中心轴线LC，相对于一个光轴LO，向着指纹收集表面A-B上的点A侧倾斜了θ2。另外，为了防止模糊，成象平面a-b的倾斜相对于光轴LO而得到了调节。

借助这种操作，当来自指纹收集表面A-B的光通过在图22B中由影线表示的透镜轴的区域时且使透镜5-2的中心轴线LC与光轴LO相重合时所产生的梯形畸变(见图22B)，借助对于透镜5-2来说是独特的枕形失真，而得到了校正，且在枕形失真得到很大抑制的情况下在成象平面a-b上形成了放置在指纹收集表面A-B上的手指的图象。

在此情况下，由于借助透镜5-2而形成在成象平面a-b上的指纹图象的光强得到了增大，所以不需要增大来自光源6的光强，从而防止了光源6的寿命由于热量的产生而被缩短以及太亮的光通过棱镜1。另外，通过调节成象平面a-b相对于光轴LO的倾斜而使模糊得到了抑制，且在这种模糊得到抑制的情况下，通过使透镜5-2的中心轴线LC相对于光轴LO倾斜θ2而使梯形畸变得到了抑制，从而获得了高质量的指纹图象。

如上所述，有两种失真，即桶形畸变和枕形失真。校正梯形畸变的方法在效果上等于利用枕形失真来校正梯形畸变的方法；不能说一种方法比另一种好。在本实施例中，针孔起着增大设计的自由度的作用。即由于在透镜的前方形成了针孔，透镜的景深增大了，且对于成象平面光轴所限定的角保证了不产生模糊的容差，从而令人满意地增大了设计的自由度。

在本实施例中，指纹输入设备的光学系统是按照如下方式设计的：

①定位棱镜。

②确定光轴的角度和距其的距离。

③选择一个透镜(透镜的形状、焦距等)，且该透镜被定位在光轴上。

④选定一个针孔(针孔的直径、景深等)，并将其定位。

⑤在改变成象平面相对于光轴的倾斜角度以不产生模糊的情况下，重复操作③和④，从而选择一个透镜、定位该透镜、选择一个针孔、并定位该针孔。

⑥通过改变透镜角度，确定使梯形畸变为最小的角度。注意由于当透镜角度改变时在成象平面上可能产生模糊，针孔的位置得到调节以防止这种模糊。

(实施例3：第九至15方面)

在描述本发明的第九至15方面之前，先描述这些方面所基于的技术。一种指纹输入设备包括作为一个组件的一个光学系统，且考虑到安装地点、可操作性等，而要求设备的尺寸得到减小。这种指纹输入设备的尺寸，通过形成根据光学路径分离方法的光学系统和将光源和棱镜彼此接近地设置，能够得到有效的减小。

图23显示了采用光学路径分离方法的传统指纹输入设备的主要部分。参见图23，标号1表示一个棱镜；3表示一个光接收单元；且6表示一个光源。光源6被置于棱镜1的下表面侧的右边。在棱镜1的左侧表面上形成了一个黑覆层(或遮光板)1-2，以使来自光源6的光通过棱镜1照射到指纹收集表面1-1上。在此设置中，来自光源6的光被放置在指纹收集表面1-1上的手指的图案表面所反射并从棱镜1出射，以通过透镜3-1而在成象平面(CCD)3-2上形成一个象。通过采用光学分隔法，指纹输入设备的尺寸能够得到减小。

图24显示了采用全反射法的指纹输入设备的主要部分。在这种指纹输入设备中，一个光源6被置于棱镜1的下表面侧的左侧，且来自光源6的光通过一个散射板7和棱镜1而照射到指纹收集表面1-1上。在这种设置中，如与图23比较可见，由于在棱镜1的下表面侧的左侧(在与光接收单元3相对的位置)必须保证用于光源6的空间，设备的尺寸的减小受到了限制。

与此相对比，采用光学路径分离方法的指纹输入设备在尺寸减小上具有优点。然而，如果光源6和棱镜1彼此接近以进一步减小尺寸，棱镜1的照明光的入射表面的上的入射角增大，且光受到折射或散射。其结果，棱镜1的指纹收集表面1-1的亮度部分地减小，引起照明的不规则。

更具体地说，如图25所示，当光源6的位置是接近棱镜1的点0时，来自光源6相对于棱镜表面(照明光入射表面)B-E的入射角随着距离而增大。其结果，光由于折射的发散角增大，且照明向着棱镜表面(指纹收集表面)A-B上的点B侧减小。

指纹核对系统的核对精度很大地取决于是否能够适当地输入指纹图象。为了适当输入指纹图象，必须在棱镜1的整个指纹收集表面1-1上保证均匀的照明，且必须防止照明的不均匀。如果在指纹收集表面1-1上出现了照明不均匀，所获得的指纹图象的质量就会降低，且核对精度降低。

因而在实施例3中，光源6和棱镜1被彼此接近地设置，以实现尺寸的减小，同时不造成指纹收集表面1-1上的照明不规则。即，同时实现了设备尺寸的减小和指纹图象质量的改善。

(实施例3-1：第九、10、和11个方面)

图26显示了根据本发明的指纹输入设备的主要部分(实施例3-1)。在图26中相同的标号表示与图23中相同的部分，且省略了对其的描述。

在本实施例中，在距棱镜1与指纹收集表面1-1相对的顶点(图23中的点E)一定距离处，形成了一个切割表面1-3。一个光源6与棱镜1的该切割表面1-3相对地设置。借助这种设置，来自光源6的光通过切割表面1-3而进入棱镜1，从而以几乎均匀的发散角照射到指纹收集表面1-1上。其结果，能够在指纹收集表面1-1上获得几乎均匀的照明。

在本实施例中，切割表面1-3是在以下的条件①、②和③下获得的：

①从指纹收集表面1-1至成象平面3-2的成象光学路径应该不受阻挡；

②光源6的象不应该被投射到成象平面3-2上；

③来自光源6的光不应该被指纹收集表面1-1所全反射。

(条件①)

图27显示了满足条件①的一个区域，它由影线表示。参见图27，如果指纹收集表面1-1(A-B)的区域被投射到了成象平面3-2(a-b)上，从点A发出的光通过光学路径“A→α→O₁→a”而入射到成象平面3-2上。从点B发出的光通过光学路径“B→O₁→b”而入射到成象平面3-2上。在图27中位于平面A-α之下的影线区是棱镜1中的这样一个区—即它不遮挡从指纹收集表面1-1至成象平面3-2的成象光学路径。如果来自指纹收集表面1-1至成象平面3-2的成象光学路径受到遮挡，在成象平面3-2上的指纹图象恶化，造成核对精度的降低。

(条件②)

根据费涅尔公式，光被具有不同折射率的介质之间的界面所反射。设n1和n2是介质的折射率，在垂直入射的情况下的反射率R由((n1-n2)/(n1+n2))²给出。如果折射率n1是空气的折射率(n1＝1.0)，且折射率n2是用于棱镜的玻璃的折射率(n2＝1.5)则根据上述公式4％的光得到反射。由此可见，当来自光源6的光入射到棱镜1上时，由于光源6的位置，该光被指纹收集表面1-1所反射，且光源6的一个象被投射到了成象平面3-2上。其结果，在成象平面3-2上的指纹图象恶化，从而使核对精度降低。

在图28所示的情况下，例如，其中光源6的象不被投射到成象平面3-2上的条件，是光源6位于在从点B延伸到点O的直线之下的影线区中。设β是棱镜1的点A、B和E限定的角，ψ是从点O至点B的光相对于一个表面A-B的入射角，且θ是在点B受到反射的光在棱镜的表面B-E上得到折射并出射到成象平面3-2的一个端点b的角度，则只要光源6位于范围ψ≤β-sin^-1(sinθ/n2)(图28中影线区)之内，光源6的反射象就不会被投射到成象平面3-2上。

(条件③)

在图29所示的情况下，当光从n1＜n2的n2侧以入射角ψ入射时，当入射角满足sinψ≥n2/n1时，所有的入射光都被反射。这种现象被称为全反射。即使光源6处于发生全反射的位置，在理论上，只要条件(2)得到满足，则对成象平面3-2上的指纹图象就不会有影响。然而，由于来自光源6的光被全反射，散射光会闪现并影响指纹图象。当光源6将要被置于与切割表面1-3相对的位置时，切割表面1-3的条件是来自光源6的光在光源6处于任何位置的情况下都不被指纹收集表面1-1所全反射。注意条件③不是一个绝对必要的条件，且切割表面1-3可以只在条件①和②之下形成。

(实施例3-2：第12个方面)

在实施例3-1中，当至少条件①和②)得到满足时，切割表面1-3的尺寸减小，且光源6不能得到定位。在此情况下，如在图30中所示，切割表面1-3可以是一个倾斜表面，以增大其大小，如图30所示。然而，在此情况下，切割表面1-3相对于指纹收集表面1-1过度倾斜。其结果，指纹收集表面1-1不能得到均匀照明。即，指纹收集表面1-1的左端受到光源6的主要照明，因而指纹收集表面1-1不能得到均匀的照明。

与此相对比，如果距该棱镜—它与指纹收集表面1-1相对且在它上面形成了切割表面1-3-的顶点的距离增大，如图31所示，条件①得到满足，但②没有得到满足(基于费涅尔公式的反射条件)。即，切割表面1-3上的区C-F变成了不满足条件②的区。因而在本实施例中，在不满足条件②的区C-F上形成了一个黑覆层(或遮光板)1-2。

在图31显示的情况下，如果光源6被设置在切割表面1-3不满足条件②的一个区中，则不满足条件②的区不需要光遮挡。然而，如图32A所示，如果设置了壁8以阻止干扰光进入光学系统，从光源6向壁8传播的散射光可能通过光学路径“G→H→I→J”而入射到成象平面3-2上。与此相对比，如果为不满足条件②的区C-F设置了光遮挡，如图32B所示，则区C-F得到遮挡，而使从光源6发出并被壁8反射的光不能到达它，且没有散射光入射到成象平面3-2上。

(实施例3-3：第13个方面)

在实施例3-1中，棱镜1的切割表面1-3是平坦的。在此情况下，来自光源6的光被切割表面1-3所折射，且方向性增强。严格地说，指纹收集表面1-1的周边部分比中心部分暗。

因而在实施例3-3中，切割表面1-3形成一个凹表面，如图33A所示。该凹表面的曲率与光源6的方向性相匹配，从而使指纹收集表面1-1得到均匀照明。

(实施例3-4：第14个方面)

在实施例3-3中，棱镜1的切割表面1-3被形成凹表面。但在实际上，即使指纹收集表面1-1得到均匀强度的照明，在成象平面3-2上也不能得到具有均匀光强的指纹图象，因为当成象平面(CCD)3-2相对于光轴倾斜时，产生了透镜3-1等的晕映或光量灵敏度差。

因此，在实施例3-4中，凹切割表面1-3的外周边形成了凸表面，如图33B所示。借助这种结构，来自光源6的光被切割表面1-3的中心部分的凹表面1-a所散射，通过切割表面1-3的外周边的凸表面1-3b所聚焦，并照射到指纹收集表面1-1上，从而补偿了成象平面3-2上的光强分布。

(实施例3-5：第15个方面)

在实施例3-1至3-4的每一个中，在棱镜1上形成了切割表面1-3，以改善指纹收集表面1-1上的照明不规则。与此相对比，在实施例3-5中，如图34A中所示，一个光源6，通过具有高折射率的一个匹配部件9，而被设置在与棱镜表面B-E接近的地方。在棱镜1上没有形成切割表面1-3。借助这种结构，光束没有被棱镜表面B-E所折射，且来自光源6的光能够以几乎被保持为均匀的发散角照射到指纹收集表面1-1上。

作为匹配部件9的材料，已知的有一种折射率匹配溶液。然而，也可以采用这种溶液以外的材料，例如一种环氧粘合剂，只要棱镜1与该材料的折射率之差不对指纹收集表面1-1上的照明产生大的影响。

另外，如图34B所示，可在棱镜1上形成一个切割表面1-3，且光源6可借助这种匹配部件9而被设置在切割表面1-3附近。

在实施例3-5中，借助一种紧凑的设备，能够获得高质量的指纹图象，且还能够获得以下的额外效果。由于光源6产生的热量通过匹配部件9而被辐射到了棱镜1上，刺激了手指上的出汗。其结果，得到了清晰的指纹图象。

(实施例4：第16至18个方面)

在描述本发明的第16至18方面之前，先描述这些方面所基于的技术。一种指纹输入设备包括作为一个组成部件的一个光学系统，且考虑到安装地点、可操作性等而要求设备的尺寸得到减小。为了实现这样的紧凑指纹输入设备，经常采用一种表面安装型LED作为光源。

图35显示了传统指纹输入设备的主要部分。参见图35，标号6表示了一个光源(LED)；11表示一个基底，它具有其上安装有LED6的前表面11F；1表示一个棱镜；且3表示一个光接收单元。这种设备采用光学路径分离方法。其上装有LED6的基底11被置于棱镜1的下表面侧右侧上，且在棱镜1的左侧表面上形成了一个黑覆层(或遮光板)1-2。借助这种设置，来自光源6的光通过棱镜1而照射到指纹收集表面A-B上。在此设置中，被放置在指纹收集表面A-B上的手指的图案表面所反射并从棱镜1出射的光，通过光接收单元3的透镜3-1，在成象平面(CCD)3-2上形成了一个象。

然而，在这种指纹输入设备中，在LED6的侧和后表面上泄漏出了大量的光。即由于来自LED6的侧和后表面的光没有入射到棱镜1上，指纹收集表面A-B的照明效率很低。指纹核对系统的核对精度在很大程度上取决于是否能够输入适当的指纹图象。因此，如果指纹收集表面A-B的照明效率恶化，指纹图象的质量恶化，从而造成核对精度的恶化。

另外，透射过LED6的侧表面和基底11并从后表面11R泄漏的光变成了散射光，它随后作为噪声而进入了形成在CCD3-2上的指纹图象。其结果，指纹图象的质量恶化了，且核对精度恶化。

注意，在基底11的后表面侧上，可设置象图35中用虚线表示的反射镜12，以使透射过LED6的侧表面和基底11并从后表面11R泄漏出的光入射到棱镜1上。然而，在此方法中，部件的数目增大了，从而使成本增大并影响了尺寸的减小。在此情况下，由于透射过基底11并从后表面11R泄漏的光透射过了基底11并入射到了棱镜1上，即光通过了基底11两次，光强减弱了。

因此，在实施例4中，在不影响尺寸的减小的情况下，以低成本获得了高质量的指纹图象。

图36显示了根据本发明的一种指纹输入设备的主要部分。图36中与图35中相同的标号表示相同的部分，且省略了对它们的描述。

(实施例4-1：第16个方面)

在实施例4-1中，在基底11的前表面11F—即其上装有LED6的基底11前表面11F—上形成了具有高反射率的一个膜(反射膜)11-1。

图37A和37B显示了如何在基底11上形成反射膜11-1。通过蚀刻金属膜，在基底11的前表面11F上形成了电源电极台PA和PB和LED电极台P1₁、P1₂、P2₁、P2₂、P3₁、P3₂、P4₁、P4₂、P5₁、P5₂、P6₁、P6₂。在基底除了形成电极台的部分的整个区域，形成了反射膜11-1。

涂覆法、印刷法等可被用于形成后表面11R。在本实施例中，反射膜11-1是借助屏网印刷法，利用一种白涂覆材料，在基底11的前表面11F上形成的。由于用于屏网印刷的白涂覆材料的反射率为80％，光能够得到有效的反射。另外，由于白涂覆材料散射/反射光，能够实现具有极小方向性的均匀光强分布。另外，借助屏网印刷而把元件号等印在了基底11上，且反射膜11-1是在与这种印刷过程相同的过程中形成的，这种方法在成本上是有利的。

如图38A和38B所示，在基底11上形成了反射膜11-1之后，一个LED6-1通过焊接部分F而与LED台P1₁和P1₂相连，一个LED6-2通过焊接部分F而与LED台P2₁和P2₂相连，一个LED6-3通过焊接部分F而与LED台P3₁和P3₂相连，一个LED6-4通过焊接部分F而与LED台P4₁和P4₂相连，一个LED6-5通过焊接部分F而与LED台P5₁和P5₂相连，且一个LED6-6通过焊接部分F而与LED台P6₁和P6₂相连。

借助这种结构，从LED6-1至6-6的侧和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F的反射膜11-1所反射并入射到棱镜3上。其结果，指纹收集表面A-B的照明效率得到了改善，且在不影响尺寸减小的情况下以低成本保证了核对精度。

(实施例4-2：第17个方面)

在实施例4-2中，在其上装有LED6的基底11的前表面11F上，形成了用于遮挡光的一个膜(遮光膜)11-1’。

在本实施例中，如在实施例1中，遮光膜11-1’是借助屏网印刷而形成的。然而，应该注意的是，用于屏网印刷的黑覆层材料被用于遮光膜11-1’。由于遮光膜11-1’是黑的，光被吸收到该涂覆材料中，从而防止了光通过基底11的后表面11R。

借助这种结构，从LED6-1和LED6-6的侧和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F的遮光膜11-1’所遮挡，以防止该光通过基底11并从后表面11R泄漏。其结果，作为噪声进入形成在CCD3-2上的指纹图象的散射光减小，且指纹图象的质量得到了改善。核对精度因而能够在不影响尺寸的减小的情况下以低成本得到改善。

与反射膜11-1类似地，遮光膜11-1’被形成在基底除了形成电极台P的部分以外的所有区域上。然而，如果印刷部分与台部分的重叠达到了这样的程度—即对LED6-1至6-6的接合没有影响，则光的泄漏能够得到更为有效的防止。即，遮光特性得到了改善。

(实施例4-3：第18个方面)

在实施例4-3等间隔，在其上装有LED6的基底11的前表面11F上，形成了具有高反射率并用于遮挡光的一个膜(反射/遮光膜)11-1″。

在本实施例中，如在实施例1中，反射/遮光膜11-1″是借助屏网印刷形成的。然而，应该注意的是，用于屏网印刷的白涂覆材料被用于反射/遮光膜11-1″，且该膜被形成得很厚。由于印刷的白涂覆材料较厚，光被基底11的前表面11F所散射/反射。虽然白涂覆材料的吸收低，随着膜的厚度的增大能够吸收更大量的光。即使白涂覆材料也能够根据膜的厚度遮挡对光进行遮挡。

借助这种结构，从LED6-1至6-6的侧和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F上的反射/遮光膜11-1″所反射，以入射到棱镜1上。其结果，指纹收集表面A-B的照明效率得到了改善，且核对精度改善。另外，从LED6-1至6-6的侧和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F上的反射/遮光膜11-1″所反射，从而防止该光通过基底11并从基底的后表面11R泄漏出去。其结果，作为噪声而进入形成在CCD3-2上的指纹图象的散射光减小，且指纹图象的质量得到改善，从而改善了核对精度。

在实施例4-3，如在实施例4-2中，如果印刷部分与台部分的重叠达到这样的程度—即不对LED6-1至6-6的接合产生影响，则光的泄漏能够得到更有效的防止，且遮光特性得到改善。

(实施例4-4：第18个方面)

在实施例4-3中，反射/遮光膜11-1″是通过屏网印刷而形成的。与此相对比，在实施例4-4中，反射/遮光膜11-1″是通过采用一种金属膜而形成的。

在此情况下，当要借助蚀刻而在基底11的前表面11F上形成电极台PA、PB、P1₁、P1₂至P6₁和P6₂时，在相应的电极台P周围保证了间隙，且在间隙之差留下了金属膜(见图39A)。这种留下的金属膜是反射/遮光膜11-1″。

金属膜的表面对光进行有效的反射。另外，由于光没有透射过该膜，遮光效果能够得到保证。在采用金属膜作为反射/遮光膜11-1″的实施例4-4中，能够获得与实施例4-3相同的效果。

参见图39A，借助屏网印刷，在各个台P的周围保证的间隙G(GA、GB、G1₁、G1₂至G6₁、G6₂)上形成了较厚的白覆层。借助这种覆层，能够可靠地把各个台P彼此隔开，且遮光特性能够得到改善。

(实施例4-5：第16至18方面)

在上述实施例4-1至4-4中，本发明被应用于采用光学分隔法的指纹输入设备。然而，本发明也可被用于采用全反射法的指纹输入设备。如图40所示，采用全反射法的一种指纹输入设备被这样地设计，即其上装有LED6的一个基底11被置于棱镜1的下表面侧的左侧，且来自LED6的光通过散射板7和棱镜1而照射到指纹收集表面A-B上。在此设置中，以与在采用光学分隔法的指纹输入设备情况下相同的方式，在其上装有LED6的基底11的前表面11F上形成了一个反射膜11-1、一个遮光膜11-1’、或一个反射/遮光膜11-1″。

(实施例5：第19至24方面)

在描述本发明的第19至24个方面之前，先描述这些方面所基于的技术。指纹核对系统的核对精度在很大程度上取决于指纹图象是否能够被适当地输入。例如，影响指纹图象输入操作的干扰包括附着在包括棱镜和透镜的光学系统上的灰尘等等以及进入CCD的成象平面的干扰光。如果干扰光进入了成象平面，指纹图象就会暗淡。因而不能获得清晰而高对比度的指纹图象。传统上，设置了用于掩盖整个指纹输入设备的主体外壳，且该外壳具有密封结构，以保护设备不受这些干扰。

图41显示了传统指纹输入设备的主要部分。参见图41，标号6表示了一个光源；1表示一个棱镜；13表示一个棱镜支架；3表示一个光接收单元；且14表示一个主体外壳。光源6被置于棱镜1的下表面侧的右侧。棱镜1被棱镜支架13所保持。棱镜支架13被固定在主体外壳14上，从而使棱镜1的指纹收集表面1-1与主体外壳14的指纹台部分开口14-1相对。光接收单元3包括一个透镜3-1、一个成象平面(CCD)3-2、以及一个成象平面外壳3-3。主体外壳14具有密封结构。

在此指纹输入设备中，来自光源6的光通过棱镜1而照射到指纹收集表面1-1上。该光通过设置在指纹收集表面1-1上的手指的图案表面所反射，从棱镜1出射，并通过光接收单元3的透镜3-1而在成象平面3-2上形成一个象。在此情况下，具有密封结构的主体外壳14防止了灰尘等附着在包括透镜3-1等的光学系统上，并防止了外部光(干扰光①)进入成象平面3-2。

然而在这种传统指纹输入设备中，不能阻止从光源6发出并绕过棱镜1的光(干扰光②)而进入成象平面3-2的光。另外，由于主体外壳14具有密封结构，难于发散外壳中的光源6和电路产生的热量。由于这种热量，设备容易恶化。另外，由于主体外壳14很重，所以设备的重量的减小受到了干扰。

因此实施例5的设计，就是为了在不使主体外壳14具有密封结构的情况下，可靠地阻止灰尘等附着到光学系统上并阻止干扰光进入成象平面3-2，从而获得高质量的指纹图象。

(实施例5-1)

图42显示了根据本发明的指纹输入设备(实施例5-1)的主要部分。在图42中与在图41中相同的标号表示相同的部分，且省略了对这些部分的描述。

在实施例5-1中，一个遮光盖15被设置在棱镜1与光接收单元3’之间，以掩盖棱镜1的一个出射表面1-4与一个成象平面3-2之间的成象光学路径，并同时使该光学路径与外界隔绝。在此情况下，用于保持棱镜1的一个棱镜支架13’具有开口13-1和13-2—它们被形成在与棱镜1的出射表面1-4和其上入射有来自光源6的光的一个入射表面1-5相对的表面部分上(见图43)。遮光盖15的一个端侧的一个开口15-1与棱镜支架13的开口13-1借助一种安装结构而相互耦合。遮光盖15的另一侧的一个开口15-2借助一种安装结构而与成象平面外壳3-3’的一个开口3-3相耦合。注意在一个体外壳14’上形成了多个空气孔14-2。

在这种指纹输入设备中，来自光源6的光通过棱镜1而照射到指纹收集表面1-1上。该光被放置在指纹收集表面1-1上的手指的图案表面所反射，从棱镜1的出射表面1-4出射，并通过透镜3-1而成象在成象平面3-2上。在此情况下，遮光盖15阻止了灰尘等附着到包括透镜3-1等的光学系统上，  阻止了外部光(干扰光①)通过空气孔14-2进入成象平面3-2；并阻止了从光源6发出的光(干扰光②)绕过棱镜1而进入成象平面3-2。

在这种指纹输入设备中，体外壳14’中的电路和光源6所产生的热量，通过形成在体外壳14’上的空气孔14-2，而得到了发散。通过在体外壳14’上形成空气孔14-2，体外壳14’的重量得到了减小，因而能够实现设备的总体重量的减小。另外，由于遮光盖15被用作了加强部件，光学系统的部件之间的位置关系能够抵抗振动和外力，从而防止了所形成的图象的偏离(大小、位置和失真)，并能够稳定地输入指纹图象。

在本实施例中，对遮光盖15的内壁的表面进行了光噪声处理。更具体地说，在遮光盖15的内壁的表面上形成了一种黑的无光泽覆层，以防止从棱镜1出射的干扰光③作为光噪声而进入成象平面3-2。在没有遮光盖15的情况下，从棱镜1出射的干扰光③不进入成象平面3-2。但在有遮光盖15的情况下，光被遮光盖15的内壁表面反复反射，从而进入成象平面3-2。因此，在遮光盖15的内壁上形成了黑的无光泽覆层，以防止干扰光③进入成象平面3-2。注意一种光噪声处理是借助通过静电涂覆而形成一种天鹅绒涂覆表面的一种方法、用于使该内壁的表面形成不平坦表面的一种方法等等、以及用于形成一种黑的无光泽覆层的方法，而进行的，即，通过吸收或散射反射入射到遮光盖15的内壁的表面上的光，来防止干扰光③进入成象平面3-2。

在本实施例中，在遮光盖15的外壁的表面上形成了一个具有高反射率的膜。借助这种结构，不是直接从光源6照射到棱镜1上的光被遮光盖15的外壁的表面上的该高反射率膜所反射，从而入射到棱镜1上，从而改善了照明效率。

在本实施例中，由于遮光盖15借助一种安装结构而与主体相耦合，能够实现一种光学系统定位效果。另外，由于帧和盖没有任何间隙地彼此紧密耦合，遮光效果和防灰尘效果得到了改善。在此情况下，如果借助一种安装结构而把遮光盖15暂时固定在主体上，并随后借助螺钉等牢固地装到主体上，加强效果得到了改善。

(实施例5-2)

图44显示了根据本发明的指纹输入设备(实施例5-2)的主要部分。在实施例5-2中，为一个光源6’设置了一个光源盖16。光源盖16掩盖了光源6’除了相对于棱镜1的出射表面侧上的一个部分以外的部分。另外，光源盖16和遮光盖15是整体形成的。

在这种指纹输入设备中，光源6’相对于棱镜1的照明效率借助光源盖16而得到了改善。通过整体地形成遮光盖15和光源盖16，部件的数目和制造步骤的数目能够得到减小，从而实现了成本的降低。另外，当遮光盖15被定位时，光源盖16同时也得到定位，从而便利了组装操作并缩短了组装所需的时间。当遮光盖15和光源盖16被整体形成时，模是沿着同一方向拉的。因此，不需要额外的模。

在本实施例中，如在实施例5-1中，对遮光盖15的表面进行一种光噪声处理，在遮光盖15或光源盖16的外壁的表面上形成了具有高反射率的一个膜，且整体形成的遮光盖15和光源盖16借助一种安装结构而与主体耦合。在本实施例中，如果在光源盖16的内壁表面上形成了具有高反射率的一个膜，反射率增大，且照明效率得到改善。

在实施例5-1与5-2的每一个中，透镜3-1被用于在成象平面3-2上形成一个指纹图象。然而，也可以用一个针孔来代替透镜3-1。

在实施例5-1(图42)中，光学系统是按照光学路径分离方法设置的，但也可以按照全反射法来设置。按照全反射法，光源6被置于棱镜1的下表面侧的左侧，且来自光源6的光通过棱镜1而照射到指纹收集表面1-1上。然而，在此设置中，由于在棱镜1的下表面侧的左侧上(在光接收单元3’的相对侧上)必须保证用于光源6的空间，设备大小的减小受到了限制。实施例5-2(图44)适合于其中光学系统按照光学路径分离方法设置的情况。

如从上述描述中可见，根据第一方面和与第一方面相联系的第二、第四、第五、第六、和第七个方面，被直接或间接放置在指纹收集表面上的手指的图案表面所反射并从棱镜出射的光，通过针孔，而在几乎与棱镜的光学指纹收集表面平行的成象平面上形成一个图象。在此设置中，由于光学路径比值是恒定的，且在指纹收集表面上的一点被成象为成象平面上的一点，模糊和失真能够得到很大的减小，且能够获得高质量的指纹图象。

根据第三个方面和与第三个方面相联系的第四、第五、第六和第七个方面，第一棱镜侧的光学系统和第二棱镜侧上的光学系统被彼此类似地设置。借助这种设置，被直接或间接放置在指纹收集表面上的手指的图案表面所反射并从第一棱镜出射的光通过该针孔，而通过第二棱镜在成象平面成象。模糊和失真能够同时得到消除，且因而能够获得高质量的指纹图象。

根据第八个方面，成象平面相对于光轴倾斜，以防止模糊，且透镜的中心轴线相对于该光轴倾斜以防止梯形畸变。借助这种设置，能够在不增大来自光源的光强的情况下增大成象平面上形成的指纹图象的光强，且能够在模糊得到抑制的情况下大大地抑制梯形畸变的出现，从而获得高质量的指纹图象。

根据第九个方面，来自光源的光，通过切割表面，而以几乎均匀的发散角，入射到指纹收集表面上。该光因而能够被置于棱镜附近，以在不造成指纹收集表面上的照明不规则的情况下实现紧凑的结构。即，能够同时实现设备尺寸的减小和指纹图象质量的改善。

根据第10个方面，从指纹收集表面向着成象平面传播的光的成象光学路径在棱镜中没有被遮挡，且光源的象没有被投射到成象平面上。因此，能够同时实现设备尺寸的减小和指纹图象质量的改善。

根据第11个方面，从指纹收集表面向着成象平面传播的光的成象光学路径在棱镜中没有受到遮挡，且光源的象没有被投射到成象平面上。另外，来自光源的光没有受到指纹收集表面的全反射。除了第10个方面的效果之外，还能够获得防止全反射对指纹图象产生不利影响的效果。

根据第12个方面，从指纹收集表面向着成象平面传播的光的成象光学路径在棱镜中没有受到遮挡，且由于为切割表面提供的遮光效果，光源的象不可能被投射到成象平面上。因而设备的尺寸能够通过增大切割表面而得到进一步的减小。

根据第13个方面，来自光源的光通过凹的切割表面而入射到棱镜上。借助这种设置，能够使至指纹收集表面的照明比其中形成平坦的切割表面的情况更为均匀。

根据第14个方面，来自光源的光通过该切割表面的凹内表面所散射，并被切割表面的外周边的凸表面所会聚，从而照射到指纹收集表面上。借助这种设置，能够使成象平面上的光强分布更均匀。

根据第15个方面，来自光源的光通过匹配部件而入射到棱镜上，从而以几乎均匀的发散角照射到指纹收集表面上。借助这种设置，能够同时实现设备尺寸的减小和指纹图象质量的改善。在该设备的这种设置中，棱镜不需要具有切割表面。另外，由于光源产生的热量通过匹配部件而辐射到了棱镜，刺激了手指的出汗。其结果，能够获得一个额外的效果，即获得了清晰的指纹图象。

根据第16方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被基底表面上的反射膜所反射并入射到棱镜上。其结果，指纹收集表面的照明效率得到改善，因而能够在不干扰尺寸减小的情况下以低成本获得高质量的指纹图象。

根据第17个方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被基底表面上的遮光膜所遮挡，从而不能通过基底并从后表面泄漏出去。其结果，作为噪声进入形成在成象平面上的指纹图象的散射光量减小了，因而能够在不干扰尺寸减小的情况下以低成本进一步改善指纹图象的质量。

根据第18个方面，从光源的侧和后表面泄漏的光被基底表面上的反射/遮光膜所反射，从而入射到棱镜上。另外，从光源的侧和后表面泄漏的光被基底表面上的反射/遮光膜所遮挡，从而不能通过基底并从后表面泄漏出。因而能够获得第16和17个方面的效果。

根据第19个方面，用于在把棱镜的出射表面和成象平面之间的成象光学路径与外界隔开的同时掩盖该光学路径的遮光盖，被用来可靠地防止灰尘等附着在光学系统上，并防止干扰光(干扰光①和②)进入成象平面，从而获得了高质量的指纹图象。另外，由于该遮光盖起着加强部件的作用，光学系统的部件之间的定位关系能够可靠地抵抗振动和外力。因而能够防止形成的图象的偏离(大小、位置和失真)，且能够稳定地输入指纹图象。

根据第20个方面，由于对在第19个方面中的遮光盖的内壁的表面进行了光噪声处理，能够防止从棱镜出射的干扰光(干扰光③)作为光噪声而进入成象平面。

根据第21个方面，由于在第19或20个方面中的遮光盖的外壁的表面上形成了高反射率膜，不直接从光源照射到棱镜上的光被高反射率膜所登记，从而入射到棱镜上。其结果，照明效率得到了改善。

根据第22个方面，由于光源盖掩盖了除了相对于棱镜的出射表面侧的光源，棱镜的照明效率得到了改善。另外，由于遮光盖和光源盖整体形成的，部件的数目得到减小。其结果，实现了成本的降低。

根据第24个方面，在一端的遮光盖，借助安装结构，与对着棱镜的出射表面的棱镜支架的开口相耦合，且在另一侧的遮光盖的开口，借助安装结构，与成象平面外壳的开口相耦合。因而当这些部件借助螺钉等而被最后组装时，这三个部件，即棱镜(棱镜支架)、遮光盖、和成象平面盖，能够被方便地暂时固定。另外，由于耦合部分没有间隙，遮光效果和灰尘防止效果以及光学系统定位效果能够得到改善。

Claims (24)

1.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即使沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面(A-B)；

一个光源(10-31)，用于发出通过所述棱镜照射到指纹收集表面上的光；

设置在被放置在所述指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从所述棱镜出射的光的光路中的一个针孔(PH)；以及

一个成象平面(I-J)，在该成象平面上从所述棱镜出射并通过所述针孔的光形成一个象；

其中当所述棱镜被空气所取代时，与所述指纹收集表面等价的光学指纹收集表面被设置为基本上与所述成象平面相平行。

2.根据权利要求1的设备，其中当该光学指纹收集表面相对于该指纹收集表面有所失真时，所述成象平面被转动一个预定角度。

3.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

一个第一棱镜(1)，它被这样设置—即使得沿着一个方向的一个表面被用作指纹收集表面(A-B)；

一个光源(10-31)，用于使光通过所述第一棱镜而照射到该指纹收集表面上；

一个针孔(PH)，它被设置在被放置在所述指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从所述第一棱镜出射的光的光路中；

一个成象平面(I-J)，在该成象平面上从所述第一棱镜出射并通过所述针孔的光形成一个象；以及

一个第二棱镜(4)，它被设置在所述成象平面之前；

其中所述第一棱镜的指纹收集表面被设置为基本上与所述成象平面相平行，所述第一棱镜的指纹收集表面被设置为基本上与在成象平面侧的所述第二棱镜的一个表面相平行，且所述第一棱镜相对于所述针孔的一个出射表面被设置为基本上与所述第二棱镜相对于所述针孔的一个入射表面相平行。

4.根据权利要求1、2和3中的任何一项的设备，进一步包括用于调节所述针孔的位置的针孔位置调节装置(10-35)。

5.根据权利要求4的设备，其中所述针孔位置调节装置由一个手动调节装置构成，且所述设备进一步包括用于显示在所述成象平面上所成的指纹图象的显示部分(10-2)。

6.根据权利要求4的设备，其中所述针孔位置调节装置自动调节所述针孔的位置。

7.根据权利要求1、2和3中的任何一项的设备，其中所述光源是LED或激光束发射器。

8.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置即—使得沿着一个方向的一个表面被用作指纹收集表面(A-B)；

一个光源(6)，用于把光通过所述棱镜而照射到该指纹收集表面上；

一个针孔，它被设置在被放置在所述指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从所述棱镜出射的光的路径中；

设置在所述针孔的后侧附近的一个透镜(5-2)；

一个成象平面(a-b)，在其上从所述棱镜出射并通过所述针孔和所述透镜的光形成了一个象；

其中当连接该指纹收集表面的中心与所述成象平面的中心的直线是一条光轴时，所述成象平面相对于该光轴倾斜以防止模糊，且所述透镜的一条中心轴线相对于该光轴倾斜以防止梯形畸变。

9.一种指纹输入设备，其中

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即沿着一个方向的一个表面被用作指纹收集表面(1-1)，

一个光源(6)，用于通过所述棱镜把光照射到指纹收集表面上，以及

一个成象平面(3-2)，在其上被指纹收集表面所反射、并从所述棱镜出射的光形成了一个象

按照光学路径分离方法设置，

其特征在于在距与该指纹收集表面相对的所述棱镜的一个顶点一定距离处形成了一个切割表面(1-3)，且

所述光源与所述棱镜的该切割表面相对地设置。

10.根据权利要求9的设备，其中该切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至所述成象平面的光的成象光学路径没有被阻挡且所述光源的象没有被投射到所述成象平面上。

11.根据权利要求9的设备，其中该切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至所述成象平面的光的成象光学路径没有被阻挡、所述光源的象没有被投射到所述成象平面上且来自所述光源的光没有被该指纹收集表面所全反射。

12.根据权利要求9的设备，其中该切割表面是在这样的条件下形成的—即从指纹收集表面至所述成象平面的光的成象光学路径没有被阻挡，且对切割表面上的一个区域—所述光源的象能够被投射到该区域上—提供了光遮挡。

13.根据权利要求9至12中的任何一项的设备，其中所述棱镜的切割表面是一个凹表面。

14.根据权利要求13的设备，其中所述棱镜的切割表面具有一个凸出的外周边。

15.一种指纹输入设备，其中

借助光学路径分离方法而设置了：

一个棱镜(1)，它被这样设置—即使得沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面(1-1)，

一个光源(6)，用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上，以及

一个成象平面(3-2)，在其上被指纹收集表面所反射、并从所述棱镜出射的光形成了一个象，

其特征在于所述光源以通过具有预定的折射率的一个匹配部件(9)而与所述棱镜相接触的方式设置。

16.一种指纹输入设备，包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即使得沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面(A-B)，以及

一个光源，它被安装在基底(11)的一个表面上并用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上，

其特征在于在其上安装有光源的该基底的表面上形成了具有高反射率的一个膜11-1。

17.一种指纹输入设备，包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即使得沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面(A-B)，以及

一个光源，它被安装在基底(11)的一个表面上并用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上，

其特征在于在其上安装有光源的该基底的表面上形成了用于遮挡光的一个膜(11-1’)。

18.一种指纹输入设备，包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即使得沿着一个方向的表面被用作指纹收集表面(A-B)，以及

一个光源，它被安装在基底(11)的一个表面上并用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上，

其特征在于在其上安装有光源的该基底的表面上形成了具有高反射率并用于遮挡光的一个膜(11-1″)。

19.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

一个棱镜(1)，它被这样地设置—即使得沿着一个方向的一个表面被用作指纹收集表面(1-1)；

一个光源(6)，用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上；

一个成象平面(3-2)，在其上被设置在该指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从所述棱镜出射的光形成了一个象；

一个棱镜支架(13)，用于保持所述棱镜以固定该指纹收集表面，从而使该指纹收集表面与一个主体外壳(14)的一个指纹台部分开口(14-1)相对，所述棱镜支架至少在与所述棱镜的一个出射表面相对的一个表面部分和其上入射有来自所述光源的光的所述棱镜的一个入射表面上具有一个开口；以及

一个遮光盖(15)，用于掩盖所述棱镜的出射表面与所述成象平面之间的一个成象光学路径，并同时把该光学路径与外界相隔绝。

20.根据权利要求19的设备，其中对所述遮光盖的内壁的表面进行了光噪声处理。

21.根据权利要求19和20中的任何一项的设备，其中在所述遮光盖的一个外壁的表面上形成了具有高反射率的膜。

22.根据权利要求19的设备，其中所述光源除了相对于所述棱镜的出射表面侧的一个部分以外都被一个光源盖(16)所掩盖，且所述遮光盖和所述光源盖是整体形成的。

23.根据权利要求22的设备，其中在所述光源盖的内壁的一个表面形成了具有高反射率的膜。

24.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

一个棱镜(1)，它被这样设置—即使得沿着一个方向的一个表面被用作指纹收集表面(1-1)；

一个光源(6)，用于通过所述棱镜把光照射到该指纹收集表面上；

一个成象平面(3-2)，在其上被放置在该指纹收集表面上的手指的图案表面所反射、并从所述棱镜出射的光形成了一个象；

一个棱镜支架(13’)，用于保持所述棱镜以固定指纹收集表面，从而使指纹收集表面与主体外壳(14’)的一个指纹台部分开口(14-1)相对，所述棱镜支架至少在与所述棱镜的一个出射表面相对的一个表面部分和其上入射有来自所述光源的光的所述棱镜的一个入射表面上具有开口(13-1，13-2)；

一个成象平面外壳(3-3’)，用于容纳所述成象平面，所述外壳具有在所述棱镜的出射表面侧上的一个开口(3-3a)；以及

一个遮光盖(15)，用于掩盖所述棱镜的出射表面与所述成象平面之间的一个成象光学路径，并同时使该光学路径与外界隔绝，

其中在所述遮光盖的一个端部的一个开口借助一种安装结构而与同所述棱镜的该出射表面相对的所述棱镜支架的该开口相耦合，且在所述遮光盖的另一端上的一个开口借助一种安装结构而与所述成象平面外壳的该开口相耦合。

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