CN1234126A - 使用薄棱镜的指纹识别系统 - Google Patents

Abstract

指纹识别系统(200)包括有一个识别面(102)的薄棱镜(100)和大量位于识别面反面的小棱镜。每个小棱镜有一个入射面和一个出射面,并且和另一个小棱镜相邻。当手指被放在识别面上时,一部分射入大量入射面并且在识别面上入射的光线通过全内反射被反射。反射光线从大量出射面射出生成指纹图案。

Description

使用薄棱镜的指纹识别系统

                    发明背景

本发明一般地涉及识别系统，更具体而言涉及指纹识别系统。

图1显示了现有技术中，利用有三个功能面-识别面，入射面和出射面的单棱镜的指纹识别系统。手指放在棱镜的识别面上。扩展光源为入射面提供照明。入射面上的入射角基本上是90度，识别面上的入射角大约45度，它大于棱镜的临界角。识别面上入射光的一部分通过全内反射被反射，另一部分没有反射。指纹上凸起的地方与识别面接触，光线将传入手指或被手指吸收。另一方面，指纹上凹陷的地方和识别面没有接触，入射光通过全内反射被从识别面反射。反射光从出射面射出，聚焦在透镜上生成指纹图像，图像在指纹凸起处是黑的，在凹陷处或手指与识别面没有接触的地方是亮的。透镜把指纹光图样聚焦在电子探测组件上，例如CCD照相机(camera)。

单棱镜系统生成一个好的指纹图像。但是它在很多应用中不适合使用。例如，如果系统用于取代开门用的机械钥匙，它必须很好地嵌入门内。对于这样一种应用，为了安装在门的木表面内，系统必须很薄很平。由于棱镜的体积，单棱镜系统占据太多空间。

从前面的叙述中可以清楚地看出一个有着与单棱镜系统相似的精度，但不占用太多空间的指纹识别系统仍是很必须的。

                     发明概述

本发明提供了一个有着与单棱镜系统相似的精度，但不占用太多空间并且更便宜的指纹识别系统。本发明使用一个由多个小棱镜(prismlet)或很小棱镜组成的薄棱镜而不是依靠厚棱镜。薄棱镜和现有技术的单个厚棱镜不同，它很平，具有大于任何一个小棱镜的最大厚度的十倍的宽度。厚棱镜被薄棱镜取代后，指纹识别系统的总厚度明显地减小了。另外，由于薄棱镜一般比单个厚棱镜便宜，系统的价格也降低了。

在一个实施方案中，在结构上，薄透镜包括一个识别面和一些位于识别面对面的小棱镜。每一个小棱镜有一个入射面和一个出射面，每一个小棱镜都与另一个小棱镜相邻。在功能上，当手指被放在识别面上，一部分通过一些入射面和识别面入射的照射该系统的照明光线通过识别面的全内反射被反射。反射光线从一些出射面发出，形成指纹图案。

在另一个实施方案中，指纹识别系统包含一个和上述薄棱镜堆叠在一起的第二薄棱镜，上述薄棱镜的小棱镜面对第二薄棱镜的平表面。第二薄棱镜的每一个小棱镜有一个出射面。系统还包含一个用以聚焦从第二薄棱镜的一些出射面发射出来的光线的透镜，形成由于第二薄棱镜的作用失真被减小的图像。

在第三个实施方案中，有一个薄透镜的指纹识别系统被并入一个用反射镜弯折光线并压缩封装高度的平面封装。指纹识别系统占据一个约24mm高，61mm宽，73mm长的盒子，盒子明显地更平，并且比商业上可获得的系统小大约10倍。

从下面通过例子和结合附图说明发明原理的具体阐述中，本发明的其它方面和优点将更显而易见。

                   附图简述

图1显示了使用厚单棱镜的现有技术指纹识别系统。

图2A-B显示了本发明中薄棱镜的一个例子。

图3显示了本发明用一个薄棱镜的实施方案。

图4显示了由图3显示的实施方案的一个例子生成的指纹图像。

图5A-B显示物平面不垂直于透镜光轴时物体图像的失真。

图6显示本发明用两个薄棱镜的实施方案。

图7显示图6棱镜的光线图。

图8显示由图6所示实施方案的一个例子生成的指纹图像。

图9显示对本发明指纹识别系统平面封装的实施方案。

图1-9中相同的数字指定所有图中相同的元件。下面根据图1-9讨论本发明的实施方案。但是，本领域的技术人员将很容易地明白这里给出的关于这些图的描述是为解释的目的，因为本发明远远超出了这些有限的实施方案。

                    发明详述

图2A显示了本发明的一个例子薄棱镜100。它包括识别面102和安装在识别面102反面的很多小棱镜，例如104,106和108。识别面包括宽度101。

图2B显示了三个小棱镜104,106,108的截面图。每一个小棱镜包含一个入射面和一个出射面，分别对应于110和112。每一个小棱镜的入射面和出射面对着一个棱镜角，比如122。每一个小棱镜有一个由小棱镜的顶点和底之间的距离定义的最大厚度，比如在小棱镜104的顶点124和底126之间的距离120。在一个实施方案中，识别面宽度的大小大于薄棱镜100的任一小棱镜最大厚度的十倍。棱镜角能够覆盖一个很宽的范围，大约在80度和100度之间，同时每一个入射面的尺度基本上和每一个出射面的尺度相同。

小棱镜是彼此相邻的。在本发明中，如果没有其它小棱镜在中间，认为两个小棱镜是彼此相邻的。两个小棱镜之间可能有间隙，例如间隙118，但是，间隙的宽度至少小于与间隙相邻的小棱镜宽度的一半，也就是说间隙118的宽度明显小于宽度128。

在一个实施方案中，各个入射面的方向是相同的，各个出射面的方向也是相同的。对出射面而言，相同的定义是指在与Y轴成45度角的方向上20度的范围内。对入射面而言，相同的定义是指在与Y轴成-45度角的方向上20度的范围内。在另一个实施方案中，所有小棱镜入射面的方向基本相同，出射面的方向基本相同-基本相同的定义是指偏差小于5度，比如一个面与Y轴成42度角，而其它的与Y轴成40度角。在另一个实施方案中，至少有一个入射面的方向被故意做成与其它的不一样。至少有一个出射面的方向有意被设成与其它的不同。面的方向上的任何差别导致指纹图像的失真，失真依赖于差别的量。

值得注意的是在底部小棱镜和同样材料的具有105厚度并且为小棱镜提供机械支持的厚板是一体的。在另一个实施方案中，支撑小棱镜的厚板被碾压在玻璃衬底上或另一种为薄棱镜提供机械支持的透明衬底上。在这个实施方案中，“厚板”包括玻璃衬底，与被碾薄面相对的玻璃衬底表面成为识别面。

薄棱镜的一个实施方案是由塑料模压制成。模压塑料仪器的成本是塑料仪器冷却下来所需时间的函数。虽然厚棱镜也可以用塑料模压做成，它的厚度明显地增加了使模型冷却下来所需的时间。因此，模压厚棱镜要比模压薄棱镜成本高很多。

图3显示本发明使用薄棱镜100的第一实施方案200。手指放在平行于X轴的识别面102上。扩展光源202为薄棱镜100提供照明光线。照明光线和Y轴之间的照明角208使到达识别面102的光线有一个大于薄棱镜100材料临界角而小于90度的入射角。这确保了入射光线在没有手指脊纹的识别面102上被全内反射。因此，进入一些入射面和入射在识别面102上的一部分照明光线通过全内反射被反射。反射光线从一些出射面发出形成指纹图像。值得注意的是虽然薄棱镜减弱光线，但由于薄棱镜比厚单棱镜薄很多，损失比厚单棱镜少。

在一个实施方案中，基本上所有的识别面都被照明光线照明。在本发明中，“基本上所有的识别面”意味着至少50％的识别面。在另一个实施方案中，在识别面102上的入射角大约45度。入射面的方向与Y轴间的夹角大约是-45度。因此，照明光线在入射面的入射角大约是90度。

相当多的全内反射光线从一些出射面发出生成指纹图像。发出的光线被透镜204聚焦到探测器阵列206。

一般地，手指的大小和识别面的大小都大于探测器阵列的大小。这是因为小的阵列更便宜。因此，透镜204还有通过使物距-从识别面102到透镜204的距离-比像距-从透镜204到探测器阵列206的距离大而起缩微的作用。

图4显示一个由图3所示实施方案的一个例子产生的指纹图像。

在一个实施方案中，当从识别面反射的出射光线以一个大于临界角的反射角反射时，比如45度角，又当识别面平行于透镜平面时，使用无架透镜的图像将导致过分偏移。为了减少像差，如图5A所示，透镜被倾斜放置以使识别面和像平面在透镜平面上相交-这个条件被称作Scheimpflug条件。关于Scheimpflug条件的详细讨论可以见ModernOptical Engineering，第二版，由Warrenn J.Smith著，McGraw-Hill于1990年出版。

在我们的例子中，物平面250是识别面102，同时像平面是在探测器阵列206处的平面。在这样的成像条件下，图像只有轻微的形变。这是由几个原因决定的。第一，当物平面250倾斜时，将形成一个物体的投影像而不是正常的像。因此，图像被压缩。第二，物平面250的一端比另一端更接近透镜204。因此，正方形的一个理想像256将呈现不规则四边形254的形状，如图5B所示。

图6显示能够减小如上所述形变的本发明第二实施方案300。基本的想法是弯曲出射光以使透镜的光轴基本上垂直于识别面102，并且像差保持很少。这个实施方案使用了与前面描述的第一个薄棱镜100堆放在一起的第二个薄棱镜302。第二个薄棱镜302和第一个薄棱镜100相同。它也有一个面对第一个薄棱镜100的平面304和很多背对平面304放置的小棱镜。

第二个薄棱镜302不一定完全与第一个薄棱镜100相同。此外，对于第二个薄棱镜302，每一个小棱镜有一个入射面和一个出射面。入射面的方向使得入射在平面304上的照明光线306以小于第二个薄棱镜302材料的临界角射入平面304。另外，从薄棱镜302发出的光线以保证在识别面102全反射的合适角度照射薄棱镜100。在这样的限制下，相当数量的从第二个棱镜302出来的照明光线传给第一个棱镜100，基本上照到整个识别面102。此外，“基本上照到整个识别面”表示至少识别面的50％被照到。另外，全内反射光线的相当部分从第一个薄棱镜100发出射入第二个薄棱镜302，然后从第二个薄棱镜302的很多出射面发出生成指纹图像。

在一个实施方案中，对于第二个薄棱镜302，平面304是平行于X轴的。第二个薄棱镜302的入射面方向彼此是相同的，出射面的方向也是彼此相同的。在另一个实施方案中，棱镜角有一个较宽的范围，比如大约在80度和100度之间，每一个入射面的空间尺度基本上与出射面的尺度相同。如果两个薄棱镜的角度都是90°，并且如果入射面和出射面的尺度也基本相同，照明光线的方向在与Y轴大约成16度到29度角的范围内。

比较图3和图6两图中的射向透镜的出射光线和照明光线，可以看出在图6中第二个薄棱镜中的小棱镜明显地有光线向Y轴“弯曲”。实验上已经发现使用透镜204的平均无架透镜，即使它的光轴垂直于识别面102，只要反射光线的出射角308不比20度大很多，形变是可以接受的。

图7显示图6中棱镜的光线图。值得注意的是物镜250(或者识别面102)垂直于透镜204的光轴，平行于像平面252。这样一种结构基本上减少了上述的形变。

图8显示图6所示实施方案的一个例子生成的指纹图像。

图9显示包含本发明平面封装的第一个实施方案的第三实施方案400。在第三实施方案中，对于每一个小棱镜，棱镜角在70度到110度间，使用和出射面的尺度相同的入射面的尺度，并且识别面沿着X轴。例如，当棱镜角是90度的时候，照明光线的方向与Y轴间的夹角是40度到57度。

探测器阵列小于薄棱镜。透镜204把从很多出射面发射出的光线聚焦到探测器阵列206，缩小被探测器阵列206捕获的图像。

系统400有一个最大长度416，一个最大宽度414和一个最大高度418，还有两个端面410和412。系统还包括一个用反射镜弯折从出射面发出的光线的光学系统以便改变系统400的最大长度和最大宽度之间的比值。

光学系统中的两个端反射镜404和406弯折发出的光线。两个反射镜被放在与系统400的第一个端面410很接近的地方。在一个实施例中，每个反射镜被置于系统的一个角落处。对于两个反射镜，倾斜角420-被定义成每个反射镜平面与系统400底面的夹角-在实验中发现可以把发射出来的光线弯折到探测器阵列。薄棱镜100和探测器阵列206被放在离系统400的第二个端面412很近的地方。从薄棱镜100发射出来的光线大致从系统的第二个端面412传到系统的第一个端面410。光线被引导入射到反射镜404上，后者把光线反射到另一个反射镜406，进而反射到系统400的第二个端面412而被探测器阵列206接收。

弯折过程改变系统400一个方面的比例。使用弯折过程，系统400的长度可以减少大约二分之一。为了获得想要的压缩比，薄棱镜100和透镜204之间应该有一定的距离(物距)。透镜204和探测器阵列206之间有一定距离(象距)。弯折过程减小了系统400的长度，但仍然保持了物和像的距离。

在一个实施方案中，系统400被变平以减小系统400的最大高度。值得注意的是，为了保证正确的压缩比，发射光线422应该在到达透镜204之前传播一定的距离。一种获得所需距离的方法是允许发射光线422继续沿着它的路径传播，如图9所示，但是由于长得多的距离，然后弯折光线以便接收。这要求系统足够厚。另一种方法是在光学系统中包括顶反射镜和底反射镜，分别是408和402。顶反射镜和底反射镜不要求厚封装而产生额加的光程长度。使用这些反射镜，封装明显地变平了。

工作实例

通过对下面旨在使用本发明的纯粹例子的考虑，发明将进一步清晰。

对于图3所示实施方案的工作实例，薄棱镜是由长宽分别是30mm和20mm并大约有600个小棱镜的3M的90/59亮度的增强膜制成的(“BEF”)。对于每一个小棱镜，棱镜角是90度，入射面和出射面几乎相同。基本上相同的小棱镜的最大厚度是25微米。BEF厚片的厚度是0.23毫米。它被碾压在1mm厚的玻璃衬底上。BEF的折射率是1.58，玻璃衬底的折射率大约是1.50。识别面平行于X轴。

九个大面积发光二极管用于以和Y轴成45度的照明角提供照明光线。出射角在Y轴的另一侧也与Y轴成45度角。一个31mm焦距的非球形透镜用作聚焦和使像大约缩小5倍的透镜。探测器阵列是一个640乘480像素的Watec型CCD摄像机。阵列被一个12V的直流电源供电。阵列的输出是标准的NTSC视频信号。图4显示由这样一个系统获得的指纹。

对于图6所示实施方案，一个工作实例包含两个3M薄棱镜。它们大小和形状一样，边缘粘在一起。照明角208是和Y轴间成19度角。光线以与Y轴间大约45度角的方向射出第二个薄棱镜的平面，使得对第一个薄棱镜的照明角又是与Y轴成45度角。第二个薄棱镜的出射角308是和Y轴夹19度角。图8显示从这样一个系统获得的指纹。

对图9所示实施方案的工作实例包含对图3所示实施方案有少许修改的工作实例。这个工作实例包含一个30mm乘20mm的识别面，一个焦距为18mm的非球形透镜，一个探测面积为3.6mm乘4.8mm的CCD相机，识别面和底反射镜之间的最小距离大约是22mm，在系统的第一端的两端反射镜被用实验方法调节来减少实施方案的厚度，同时把发出来的光线折返到探测系统。所制造的指纹识别系统占用一个高24mm，宽61mm，长73mm的盒子。相反，商业上使用的指纹识别系统一般尺寸大约高75mm，宽125mm，长175mm-大了15倍。

结论

本发明适用于不同的小棱镜。例如，当每一个小棱镜的识别面平行于X轴时，每一个入射面的方向能够在与Y轴的夹角有+/-20度偏差的-45度内，同时每一个出射面的方向能够在与Y轴的夹角有+/-20度偏差的+45度内。每一个入射面的尺寸不一定基本上和出射面的尺寸一样。对图3所示实施方案，照明角208大约是与Y轴(45+/-20)度的角；对图6所示实施方案，照明角大约是与Y轴(19+/-10)度的角。指纹图像能够通过上述不同的值生成。但是，一些值在图像中生成较大形变，一些值产生导致图像中指纹部分遗失的阴影。选取不同的值依赖使用本发明的意图。

本发明描述基本上照明整个识别面的照明光线。基本上，识别面不比手指的尺寸大很多。但是，本发明适用于比识别面更大的薄棱镜平面。在一个实施方案中，在平面上的一个特定面积被定义成识别面，被作像的手指要放在这个区域。还有，照明光线基本上照明整个识别面。

在另一个实施方案中，第三实施方案容纳本发明的第二个实施方案，但反射镜被用在不同的位置。

平面的指纹识别系统是人体工学的，符合审美观点并且方便使用的。事实上，许多应用需要平面压缩封装。例如，像本发明第一，第二或第三实施方案中所使用的平面压缩指纹识别系统那样，能够被用作鉴定装置去鉴定身份，或用作识别装置识别身份。该装置可以代替机械钥匙来控制门锁。该装置还可以被在计算机中使用以准许访问计算机或依赖个人身份通过计算机传送信息到网络。同样地，该装置能够在个人通讯系统中，比如电话，寻呼机，便携式电话，传真机，准许访问个人通讯系统或依赖个人身份通过个人通讯系统传送信息。该装置能够被用于控制访问个人工具，比如为了安全原因。例如，该装置可以被安装在链形锯中以致于只有指纹和预先存入链形锯的指纹符合的人才能起动设备。该装置还可用于控制对电视或电视的一个或几个频道的访问，象这种的只有特定的人才能收看成人频道。该装置也可被用在自动柜员机中识别用户的身份。应用本发明第一，第二，第三实施方案的平面压缩指纹识别系统，还可以被用在记录设备中。当有人从图书馆中借书，或是从录像租赁店租CD，该装置记录下用户的身份。那些其它领域的技术人员，比如电话和链形锯领域，对应该在那些方面应用本发明是很清楚的。因此，这里不再继续讨论实施过程。

根据前面的论述，值得庆幸的是比目前任何商业上可得的系统更小更便宜的指纹识别系统已经被发明了。对于那些对这里阐述的本发明的详细说明和实践仔细考虑过的本领域的技术人员，本发明的其它实施方案将是显然的。详细说明和实例只能被当作例示，本发明的真正目的和精神将在下面的权利要求中指出。

Claims (27)

1．指纹识别系统包括：一个薄棱镜，它含有

识别面，

放在识别面对面的多个小棱镜，

每一个小棱镜有一个入射面和一个出射面，

每一个小棱镜都和另外一个小棱镜相邻，

薄棱镜的宽度宽于任何一个小棱镜的最大宽度的十倍，

这样当手指被放在识别面上时，照射系统的进入多个入射面而入射在识别面上的一部分照明光，通过全内反射被反射，从多个出射面射出生成指纹图像。

2．权利要求1中所述指纹识别系统，其中所有小棱镜的入射面有相同的方向，所有小棱镜的出射面有相同的方向。

3．权利要求2中所述指纹识别系统，其中至少一个入射面的方向被做成与其它的不同，至少一个出射面的方向被做成与其它的不同，故意造成指纹图像的形变。

4．权利要求2中所述指纹识别系统，其中入射面的方向基本相同，出射面的方向基本相同。

5．权利要求1中所述指纹识别系统还包括透明衬底以提高对薄棱镜的机械支持。

6．权利要求1中所述指纹识别系统，其中对每一个小棱镜，被入射面和出射面对向夹着的角基本上在80度和100度之间；并且入射面和出射面的尺寸基本上相同。

7．权利要求6中所述指纹识别系统，其中入射面和出射面之间对向所夹角基本上是90度。

8．权利要求1中所述指纹识别系统，其中整个识别面基本上被照明光线照明。

9．权利要求1中所述指纹识别系统，其中相当数量的全内反射光线从一些出射面发出生成指纹图像。

10．权利要求1中所述指纹识别系统还包括：

探测器阵列；和

把从很多出射面发射出的光线聚焦到探测器阵列形成图像的透镜。

11．权利要求1中所述指纹识别系统还包括和权利要求1中所述薄棱镜堆放在一起的第二个薄棱镜，第二个薄棱镜有一个平表面和多个面对权利要求1中所述小棱镜且背对平表面放置的小棱镜。

12．权利要求11中所述指纹识别系统，其中：

第二个薄棱镜中的每一个小棱镜有一个出射面；和

该系统还包括：

把从第二个薄棱镜的一些出射面发射出的光线聚焦形成图像的透镜，图像的形变由于第二个薄棱镜的作用而被减小。

13．权利要求12中所述指纹识别系统，其中透镜的光轴基本上和识别面垂直。

14．权利要求1中所述指纹识别系统，其中：

识别系统延伸于最大长度，最大宽度和最大高度：和

系统还包括：

至少宽度比薄棱镜的宽度小的探测器阵列；

一个把从出射面发出的光线聚焦到探测器阵列，同时减小探测器阵列所捕获图像尺寸的透镜。

一个用反射镜把发出的光线折回以改变识别系统最大长度和最大宽度之间比例的光线系统。

15．权利要求14中所述指纹识别系统，其中对于每一个小棱镜，入射面和出射面之间对向所夹的角基本上在85度和95度之间；和

入射面和出射面有基本相同的尺寸。

16．权利要求15中所述指纹识别系统，其中

识别系统有一个第一和一个第二端面，薄棱镜和探测器阵列被放在和第一端面靠近的地方；和

光学系统包括两个被放在靠近识别系统第二个端面的反射镜，通过接收从薄棱镜发出的光线并把它反射回靠近第一个端面的探测器阵列来折回发出的光线。

17．权利要求16中所述指纹识别系统，其中

识别系统包括一个上平面和一个底平面，薄棱镜在上平面；和

进一步包括在上平面和底平面来反射发出的光线以减小系统最大高度的反射镜的光学系统。

18．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的鉴定装置。

19．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的锁。

20．计算机，包括如权利要求1中所述的指纹识别系统用来控制对计算机的访问。

21．计算机，包括如权利要求1中所述的指纹识别系统以使和指纹相关的信息能够被传送到网络。

22．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的个人识别系统，用来控制对个人通讯系统的访问。

23．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的个人通讯系统，以使和指纹相关的个人信息能够通过通讯系统被传送。

24．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的个人工具，用以控制对个人工具的访问。

25．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的电视，以控制电视频道。

26．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的自动柜员机，以证实用户的身份。

27．包括如权利要求1中所述的指纹识别系统的记录装置，以记录用户的身份。

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