專(zhuān)利名稱(chēng)：指紋輸入設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于輸入指紋以把它們進(jìn)行登記或與已經(jīng)登記的指紋進(jìn)行核對(duì)的指紋輸入設(shè)備。
不同人的指紋是彼此不同，且指紋一生都不會(huì)改變。由于指紋的這些特性，指紋核對(duì)系統(tǒng)在要求高度安全的領(lǐng)域得到了特別的使用。用于輸入指紋圖象的一種設(shè)備是這種指紋核對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)構(gòu)成部分。這種指紋輸入設(shè)備包括作為一個(gè)部件的光學(xué)系統(tǒng)。指紋核對(duì)系統(tǒng)的核對(duì)精度在很大的程度上取決于指紋圖象是否能夠被正確地輸入。
然而，所有傳統(tǒng)的指紋輸入設(shè)備都不能獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
本發(fā)明就是為了解決這種問(wèn)題，且本發(fā)明的目的，是提供一種指紋輸入設(shè)備一該設(shè)備能夠獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)棱鏡，它被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置從而使沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被作為指紋收集表面；一個(gè)光源，用于通過(guò)該棱鏡而把光照射到該指紋收集表面上；設(shè)置在從光源入射到棱鏡上并被置于指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射并從棱鏡出射的光的路徑上的一個(gè)針孔；以及，一個(gè)成象平面—在其上來(lái)自棱鏡并通過(guò)針孔的光形成了一個(gè)圖象，其中當(dāng)該棱鏡被空氣所取代時(shí)，與該指紋收集表面等價(jià)的一個(gè)光學(xué)指紋收集表面被設(shè)定為基本上與所述成象平面相平行。
根據(jù)此方面，被直接或間接地置于指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射并從棱鏡出射的光通過(guò)了該針孔，并在幾乎與棱鏡的光學(xué)指紋收集表面相平行地設(shè)置的成象平面上形成一個(gè)圖象。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，在第一個(gè)方面中，當(dāng)光學(xué)指紋收集表面具有相對(duì)于指紋收集表面的失真時(shí)，成象平面轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)定的角度。根據(jù)此方面，在光學(xué)指紋收集表面上造成的失真，通過(guò)把幾乎與棱鏡的光學(xué)指紋收集表面平行的成象平面轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)定角度，而能夠得到減小。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)第一棱鏡，它得到了適當(dāng)設(shè)置從而使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；一個(gè)光源，用于把光通過(guò)第一棱鏡照射到指紋收集表面上；設(shè)置在從光源入射到第一棱鏡上、被設(shè)置在指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射、并從第一棱鏡出射的光的路徑中的一個(gè)針孔；一個(gè)成象平面，在該成象平面上從第一棱鏡出射并通過(guò)針孔的光形成了一個(gè)圖象；以及，設(shè)置在成象平面前方的一個(gè)第二棱鏡，其中第一棱鏡的指紋收集表面基本上與成象平面平行地設(shè)置，第一棱鏡的指紋收集表面基本上與成象平面?zhèn)壬系牡诙忡R的一個(gè)表面相平行地得到設(shè)置，且第一棱鏡相對(duì)于針孔的一個(gè)出射表面基本上與第二棱鏡相對(duì)于針孔的一個(gè)入射表面相平行地設(shè)置。
根據(jù)此方面，在第一棱鏡側(cè)上的光學(xué)系統(tǒng)與第二棱鏡側(cè)上的光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)似，且針孔位于中心，且被直接或間接地置于指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射并從第一棱鏡出射的光通過(guò)了針孔和第二棱鏡，并在成象平面上形成了一個(gè)圖象。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在第一、第二、和第三方面中，該設(shè)備進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)針孔的位置的針孔位置調(diào)節(jié)裝置。根據(jù)此方面，在成象平面上的指紋圖象的位置和大小，通過(guò)調(diào)節(jié)針孔沿著前后方向、橫向方向和豎直方向的位置，能夠得到改變。
根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，在第四個(gè)方面中，針孔位置調(diào)節(jié)裝置由一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，且該設(shè)備進(jìn)一步包括用于顯示形成在成象平面上的指紋圖象的顯示部分。根據(jù)此方面，用戶能夠通過(guò)在觀察顯示的指紋圖象的同時(shí)沿著前后方向、橫向方向和豎直方向調(diào)節(jié)針孔的位置等，來(lái)改變成象平面上的指紋圖象的位置和大小。
根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方面，針孔位置調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)針孔的位置。根據(jù)此方面，針孔的位置得到自動(dòng)調(diào)節(jié)，且成象平面上的指紋圖象的位置和大小被調(diào)節(jié)到設(shè)定的值。
根據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)方面，在第一、第二和第三方面中，光源是一個(gè)LED或激光束發(fā)射器。根據(jù)此方面，來(lái)自LED或激光束發(fā)射器的光—即具有單調(diào)的波長(zhǎng)的光—通過(guò)棱鏡而照射到該指紋收集表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第八個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)棱鏡，它被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置從而使沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被作為指紋收集表面；一個(gè)光源，用于通過(guò)該棱鏡而把光照射到該指紋收集表面上；設(shè)置在從光源入射到棱鏡上并被置于指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射并從棱鏡出射的光的路徑上的一個(gè)針孔；設(shè)置在針孔之后側(cè)附近的一個(gè)透鏡；以及，一個(gè)成象平面—在其上來(lái)自棱鏡并通過(guò)針孔和透鏡的光形成了一個(gè)圖象，其中當(dāng)連接指紋收集表面的中心和成象平面的中心的直線是一條光軸時(shí)，成象平面相對(duì)于該光軸是傾斜的以防止模糊，且透鏡的中心軸線相對(duì)于該光軸是傾斜的，以防止梯形失真。
根據(jù)此方面，形成在成象平面上的指紋圖象的光強(qiáng)被設(shè)置在針孔的后側(cè)附近的透鏡增大。在此情況下，通過(guò)使成象平面相對(duì)于光軸傾斜，而抑制了模糊，且在這種模糊被抑制的情況下通過(guò)使透鏡的中心軸線相對(duì)于光軸傾斜而抑制了梯形失真。
根據(jù)本發(fā)明的第九個(gè)方面，在根據(jù)該光學(xué)路徑分離方法的一種指紋輸入設(shè)備中，在距與指紋收集表面相對(duì)的棱鏡的頂點(diǎn)一定距離處形成了一個(gè)切割表面，且光源與棱鏡的該切割表面相對(duì)地設(shè)置。根據(jù)此方面，來(lái)自光源的光通過(guò)該切割表面而入射到該棱鏡上，以便以幾乎均勻的發(fā)散角照射到指紋收集表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第10個(gè)方面，在第九個(gè)方面中，切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至成象平面的光的一個(gè)成象光學(xué)路徑未被遮擋，且光源的圖象沒(méi)有被投射到成象平面上。根據(jù)此方面，從指紋收集表面至成象平面的光的成象光學(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有得到遮擋，且光源的圖象沒(méi)有被投射到成象平面上。
根據(jù)本發(fā)明的第11個(gè)方面，在第九個(gè)方面中，切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至成象平面的光的一個(gè)成象光學(xué)路徑未被遮擋，光源的圖象沒(méi)有被投射到成象平面上，且來(lái)自光源的光沒(méi)有被指紋收集表面所全反射。根據(jù)此方面，從指紋收集表面至成象平面的光的成象光學(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有得到遮擋，且光源的圖象沒(méi)有被投射到成象平面上。另外，來(lái)自光源的光沒(méi)有被指紋收集表面所全反射。
根據(jù)本發(fā)明的第12個(gè)方面，在第九個(gè)方面中，切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至成象平面的光的一個(gè)成象光學(xué)路徑未被遮擋，且在其上能夠投射光源的圖象的切割表面上的一個(gè)區(qū)域中提供了光遮擋。根據(jù)此方面，從指紋收集表面至成象平面的光的成象光學(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有得到遮擋。另外，由于為切割表面提供了光遮擋，光源的圖象不可能被投射到成象平面上。
根據(jù)本發(fā)明的第13個(gè)方面，在第九至12個(gè)方面中，棱鏡的切割表面是凹表面。根據(jù)此方面，來(lái)自光源的光通過(guò)該凹切割表面而入射到棱鏡上并以均勻的發(fā)散角照射到指紋收集表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第14個(gè)方面，在第13個(gè)方面中，棱鏡的切割表面具有凸外周邊。根據(jù)此方面，來(lái)自光源的光被切割表面的該凹內(nèi)表面散射，并被切割表面的外周邊的凸表面所聚焦，從而照射到指紋收集表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第15個(gè)方面，在基于這種光學(xué)路徑分離方法的指紋輸入設(shè)備中，光源借助具有預(yù)定的折射率的一個(gè)匹配部件而與棱鏡接觸。根據(jù)此方面，來(lái)自光源的光通過(guò)該匹配部件而入射棱鏡上，從而以幾乎均勻的發(fā)散角照射指紋收集表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第16個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，它包括一個(gè)棱鏡—該棱鏡被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；以及，安裝在一個(gè)基底的一個(gè)表面上的光源，用于把光通過(guò)該棱鏡而照射到指紋收集表面上，其中在其上裝有光源的基底的該表面上形成了具有高反射率的一個(gè)膜。根據(jù)此方面，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被該基底表面上的該反射膜所反射并入射到棱鏡上。
根據(jù)本發(fā)明的第17個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，它包括一個(gè)棱鏡—該棱鏡被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；以及，安裝在一個(gè)基底的一個(gè)表面上的光源，用于把光通過(guò)該棱鏡而照射到指紋收集表面上，其中在其上裝有光源的基底的該表面上形成了用于遮擋光的一個(gè)膜。根據(jù)此方面，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被該基底表面上的該遮光膜所遮擋，從而防止了該光通過(guò)基底并從其后表面泄漏到外界。
根據(jù)本發(fā)明的第18個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，它包括一個(gè)棱鏡—該棱鏡被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；以及，安裝在一個(gè)基底的一個(gè)表面上的光源，用于把光通過(guò)該棱鏡而照射到指紋收集表面上，其中在其上裝有光源的基底的該表面上形成了具有高反射率的一個(gè)膜(反射光/遮光膜)。根據(jù)此方面，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被該基底表面上的該反射光/遮光膜所反射并入射到棱鏡上。另外，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被基底表面上的反射光/遮光膜所遮擋，從而防止了光通過(guò)該基底并從其后表面泄漏到外界。
根據(jù)本發(fā)明的第19個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，它包括一個(gè)棱鏡—該棱鏡被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；一個(gè)光源，用于把光通過(guò)該棱鏡而照射到指紋收集表面上；一個(gè)成象平面，在該成象平面上從光源照射到棱鏡、被設(shè)置在指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射、并從該棱鏡出射的光形成了一個(gè)圖象；一個(gè)棱鏡支架，用于保持該棱鏡以固定指紋收集表面，從而使指紋收集表面與一個(gè)主體外殼的指紋臺(tái)部分開(kāi)口相對(duì)，該棱鏡支架至少在與棱鏡的一個(gè)出射表面相對(duì)的表面部分上和來(lái)自光源的光入射到的入射表面上具有一個(gè)開(kāi)口；以及，一個(gè)遮光蓋，用于掩蓋棱鏡的該出射表面與成象平面之間的成象光學(xué)路徑，并同時(shí)使該光學(xué)路徑與外界隔絕。
根據(jù)本發(fā)明的第20個(gè)方面，在第19個(gè)方面中，對(duì)遮光蓋的內(nèi)壁表面進(jìn)行一種光噪聲處理。
根據(jù)本發(fā)明的第21個(gè)方面，在第19或20個(gè)方面，在遮光蓋的外壁表面上形成具有高反射率的膜。
根據(jù)本發(fā)明的第22個(gè)方面，在第19個(gè)方面中，用一種光源蓋掩蓋光源—但相對(duì)于棱鏡的出射表面?zhèn)鹊囊粋€(gè)部分除外，且光源蓋和遮光蓋是整體形成的。
根據(jù)本發(fā)明的第23個(gè)方面，在第22個(gè)方面中，在光源蓋的內(nèi)壁表面上形成一個(gè)具有高反射率的膜。
根據(jù)本發(fā)明的第24個(gè)方面，提供了一種指紋輸入設(shè)備，它包括一個(gè)棱鏡—該棱鏡被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置以使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面；一個(gè)光源，用于把光通過(guò)該棱鏡而照射到指紋收集表面上；一個(gè)成象平面，在該成象平面上從光源照射到棱鏡、被設(shè)置在指紋收集表面上的指紋的圖案表面所反射、并從該棱鏡出射的光形成了一個(gè)圖象；一個(gè)棱鏡支架，用于保持該棱鏡以固定指紋收集表面，從而使指紋收集表面與一個(gè)主體外殼的指紋臺(tái)部分開(kāi)口相對(duì)，該棱鏡支架至少在與棱鏡的一個(gè)出射表面相對(duì)的表面部分上和來(lái)自光源的光入射到的入射表面上具有開(kāi)口；一個(gè)成象平面外殼，用于存儲(chǔ)該成象平面，該外殼具有在棱鏡的出射表面?zhèn)壬系囊粋€(gè)開(kāi)口；以及，一個(gè)遮光蓋，用于掩蓋棱鏡的該出射表面與成象平面之間的成象光學(xué)路徑，并同時(shí)使該光學(xué)路徑與外界隔絕，其中在一端側(cè)的光源蓋的開(kāi)口借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與同棱鏡的出射表面相對(duì)的棱鏡支架的開(kāi)口相耦合，且在另一端側(cè)的光源蓋的開(kāi)口借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與成象平面外殼的開(kāi)口相耦合。


圖1A和1B用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分(實(shí)施例1)；圖2是框圖，顯示了采用這種指紋輸入設(shè)備的指紋核對(duì)系統(tǒng)；圖3A和3B是放大圖，顯示了一種指紋輸入部分(全反射法)和與其對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)指紋輸入部分；圖4A和4B是放大圖，顯示了采用光學(xué)分隔法的指紋輸入部分和與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換指紋輸入部分；圖5A和5B分別是立體圖和平面圖，顯示了圖2的指紋輸入設(shè)備；圖6A和6B分別顯示了指紋圖象是如何在登記和核對(duì)處理中得到顯示的。
圖7是流程圖，用于說(shuō)明在此指紋核對(duì)系統(tǒng)中的指紋登記處理(手動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié))；圖8是流程圖，用于說(shuō)明在此指紋核對(duì)系統(tǒng)中的指紋核對(duì)處理(自動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié))；圖9是流程圖，用于說(shuō)明在此指紋核對(duì)系統(tǒng)中的指紋登記處理(自動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié))；圖10是流程圖，用于說(shuō)明在此指紋核對(duì)系統(tǒng)中的指紋登記處理(自動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié))；圖11A和11B用于說(shuō)明在自動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié)中是如何計(jì)算質(zhì)心位置的；圖12A和12B用于說(shuō)明在自動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié)中是如何計(jì)算大小的；圖13A至13C用于說(shuō)明減小指紋收集表面A-B與光學(xué)指紋收集表面A’-B’之間的失真的措施；圖14用于說(shuō)明完全消除當(dāng)光學(xué)指紋收集表面A’-B’是曲面時(shí)產(chǎn)生的失真的措施；圖15是放大圖，顯示了采用矩形棱鏡的指紋輸入部分(全反射法)；圖16用于說(shuō)明傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分；圖18A和18B用于說(shuō)明在這種指紋輸入設(shè)備中造成的梯形失真；圖19用于說(shuō)明在這種指紋輸入設(shè)備中造成的梯形失真；圖20A和20B顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例2)；圖21A和21B用于說(shuō)明如何借助桶形失真來(lái)正確梯形失真；圖22A和22B用于說(shuō)明如何借助枕形失真了正確梯形失真；圖23顯示了采用實(shí)施例3所基于的光學(xué)路徑分離方法的指紋輸入設(shè)備的主要部分；圖24顯示了采用實(shí)施例3所基于的全反射法的指紋輸入設(shè)備的主要部分；圖25用于說(shuō)明在圖23的指紋輸入設(shè)備中是如何發(fā)生不規(guī)則照明的；圖26顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入部分的主要部分(實(shí)施例3-1)圖27用于說(shuō)明形成切割表面的條件①；圖28用于說(shuō)明形成切割表面的條件②；圖29用于說(shuō)明形成切割表面的條件③；圖30用于說(shuō)明當(dāng)在滿足至少條件①和②的情況下形成作為切割表面的一個(gè)傾斜表面時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題；圖31顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例3-2)；圖32A和32B用于說(shuō)明在實(shí)施例3-2中條件2沒(méi)有得到滿足的情況下對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行光遮擋的必要；圖33A和33B分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例3-3和3-4)；圖34A和34B顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例3-5)；圖35顯示了實(shí)施例4所基于的傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的主要部分；
圖36顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例4)；圖37A和37B顯示了如何在這種指紋輸入設(shè)備的基底表面上形成一個(gè)反射膜(遮光膜或反射/遮光膜)；圖38A和38B顯示了如何在其上形成有反射膜(遮光膜或反射/遮光膜)的基底表面上安裝LED；圖39A和39B顯示了如何在該基底表面上形成作為反射/遮光膜的金屬膜；圖40顯示了如何把本發(fā)明應(yīng)用于采用全反射法的指紋輸入設(shè)備的一個(gè)例子；圖41顯示了實(shí)施例5所基于的傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的主要部分；圖42顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例5-1)；圖43是分解立體圖，顯示了這種指紋輸入設(shè)備的主要部分；圖44顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例5-2)。
以下詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
(實(shí)施例1第一至第七方面)在描述本發(fā)明的第一至第七方面之前，將描述這些方面所基于的技術(shù)。為了獲得高質(zhì)量的指紋圖象，必須采取一些措施來(lái)對(duì)付失真和模糊。在日本專(zhuān)利公開(kāi)第59-142675、日本實(shí)用新型公開(kāi)第63-99960、日本專(zhuān)利公開(kāi)第2-176984等中已經(jīng)提出了幾種指紋輸入設(shè)備，以應(yīng)付指紋圖象失真和模糊。由于所有這些指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)都采用了透鏡，所以不能同時(shí)消除指紋失真和模糊。
圖16顯示了傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分。參見(jiàn)圖16，標(biāo)號(hào)1表示一個(gè)棱鏡；標(biāo)號(hào)2表示一個(gè)透鏡。標(biāo)號(hào)A-B表示棱鏡1的指紋收集表面；0表示透鏡2的中心；且F表示透鏡2的焦點(diǎn)。為了描述的方便，在圖16的設(shè)置中，假定棱鏡1具有與空氣相同的折射率。雖然沒(méi)有顯示，在棱鏡1的下表面?zhèn)仍O(shè)置了一個(gè)白熾燈，從而使來(lái)自該燈的光通過(guò)棱鏡1而照射到指紋收集表面A-B上。
在這種光學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)光接收單元的成象平面可被設(shè)定為一個(gè)平面E-G(成象平面①)，以防止放置在指紋收集表面A-B上的手指的圖案表面的整個(gè)圖象即整個(gè)指紋圖象發(fā)生模糊。然而，在此情況下，由于光學(xué)路徑比值(AO∶OG≠BO∶OE)，指紋圖象失真了。為了防止指紋圖象的失真，光接收單元的成象平面可被設(shè)定為一個(gè)平面E-H(成象平面②)。然而，在此情況下，在指紋收集表面A-B上的一個(gè)點(diǎn)A延伸到在圖象平面E-H上的H-K。其結(jié)果，指紋圖象發(fā)生了模糊。如上所述，只要采用透鏡2，就不能同時(shí)消除模糊和失真。由于失真的正確是重要的，模糊更加嚴(yán)重且導(dǎo)致了實(shí)際使用的困難，且反過(guò)來(lái)也是一樣。即，借助圖16顯示的設(shè)置，必須在相應(yīng)的實(shí)際范圍內(nèi)在失真與模糊之間進(jìn)行妥協(xié)。
在這些情況下，實(shí)施例1采用了一個(gè)針孔板來(lái)代替透鏡2，以大大減小失真和模糊，從而獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
(基本原理)圖1A顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分。參見(jiàn)圖1A和1B，標(biāo)號(hào)A-B表示了棱鏡1的指紋收集表面；C’-D’表示具有形成在其中心的針孔PH的針孔板表面；且O表示針孔PH的中心。為了描述方便，在圖1A顯示的設(shè)置中，假定棱鏡1具有與空氣相同的折射率。雖然沒(méi)有顯示，在棱鏡1的下表面?zhèn)仍O(shè)置了一個(gè)LED，從而使來(lái)自LED的光通過(guò)棱鏡1照射到指紋收集表面A-B上。注意這種LED可以是一個(gè)激光束發(fā)射器。從LED或激光束發(fā)射器發(fā)射的光具有單一的波長(zhǎng)，且其光學(xué)不規(guī)則性小于來(lái)自白熾燈的光。由于這些特性，LED使得能夠得到高分辨率，并具有長(zhǎng)壽命。另外，LED產(chǎn)生的熱量對(duì)設(shè)備幾乎沒(méi)有影響。
在這種光學(xué)系統(tǒng)中，由設(shè)置在指紋收集表面A-B上的手指的指紋表面所反射并從棱鏡1出射的光，通過(guò)了針孔PH，并在成象平面I-J上形成了一個(gè)圖象。在此情況下，如果棱鏡1的指紋收集表面A-B和成象平面I-J被設(shè)定為彼此平行，則光學(xué)路徑比值就成為恒定的(AO∶OJ＝BO∶OI)，且沒(méi)有指紋圖象畸變發(fā)生。另外，由于指紋收集表面A-B上的一點(diǎn)被成象在了成象平面I-J上的一個(gè)點(diǎn)上，不發(fā)生指紋圖象模糊。即，能夠同時(shí)防止失真和模糊。
在圖1A顯示的設(shè)置中，假定棱鏡1具有與空氣相同的折射率。但實(shí)際上，棱鏡1的折射率與空氣的不同。因此，如圖1B所示，同當(dāng)棱鏡1被空氣所取代時(shí)的指紋收集表面A-B等價(jià)的一個(gè)表面被設(shè)定為光學(xué)指紋收集表面A’-B’(圖1B中的虛線表示的曲面A’-B’)，且該光學(xué)指紋收集表面A’-B’和成象平面I-J被設(shè)置為彼此平行。在此情況下，由于就技術(shù)和成本而論難于使成象平面I-J成為曲面，直線A’-B’和成象平面I-J被設(shè)置為彼此平行。換言之，三角形A’OB′，和三角形JOI彼此相似。借助這種設(shè)置，光學(xué)路徑比值成為恒定(A’O∶OJ＝B’O∶OI)，因而能夠抑制指紋圖象畸變。另外，由于在直線A’-B’上的一個(gè)點(diǎn)被成象到了成象平面I-J上的一個(gè)點(diǎn)上，指紋圖象模糊能夠得到抑制。即，模糊和失真能夠得到大大的減小。
在成象平面I-J上的指紋圖象的位置和大小，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)針孔PH沿著前后方向(Z方向)、橫向方向(X方向)、以及縱向方向(Y方向)的位置，而得到調(diào)節(jié)。采用這種方案，與采用透鏡的方案相比，能夠?qū)崿F(xiàn)部件組裝容差的增大和成本、重量和尺寸的減小。
(實(shí)際的例子)圖2顯示了采用基于上述原理的指紋輸入設(shè)備的指紋核對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置。參見(jiàn)圖2，標(biāo)號(hào)10表示了一個(gè)指紋輸入設(shè)備；且20表示一個(gè)處理部分。指紋輸入設(shè)備10包括一個(gè)十鍵臺(tái)10-1、一個(gè)顯示器(LCD)10-2、以及一個(gè)指紋輸入部分10-3。處理部分20包括帶有一個(gè)CPU的控制部分20-1、ROM20-2、RAM20-3、硬盤(pán)(HD)20-4、幀存儲(chǔ)器(FM)20-5、一個(gè)外部連接部分(I/F)20-6、以及付里葉變換部分(FFT)20-7。登記和核對(duì)程序存儲(chǔ)在ROM20-2中。
在指紋輸入設(shè)備10中，如在圖3A的放大圖中所示，指紋輸入部分10-3包括一個(gè)光源(LED)10-31、一個(gè)散射板10-32、一個(gè)棱鏡10-33、一個(gè)針孔板10-34、一個(gè)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35、以及一個(gè)光接收單元10-36。
在此情況下，指紋輸入部分10-3采用了全反射法，從而使LED10-31被置于棱鏡10-33的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)，且來(lái)自LED10-31的光通過(guò)棱鏡10-33照射到棱鏡10-33的指紋收集表面A-B上。在此設(shè)置中，當(dāng)棱鏡10-33被空氣所取代時(shí)與指紋收集表面A-B等價(jià)的一個(gè)表面顯然被設(shè)定為一個(gè)光學(xué)指紋收集表面A’-B’(由圖3A中的虛線表示的一個(gè)曲面A’-B’)，且該光學(xué)指紋收集表面A’-B’和光接收單元10-36的一個(gè)成象平面I-J被設(shè)定為幾乎彼此平行。即，直線A’-B’和成象平面I-J被設(shè)置為彼此平行。
當(dāng)對(duì)指紋輸入部分10-3采用光學(xué)路徑分離方法時(shí)，如圖4A所示，LED10-31被置于棱鏡10-33的下表面?zhèn)鹊挠疫?，且在棱鏡10-33的左表面上形成了一個(gè)黑覆層(或遮光板)10-37，從而使來(lái)自LED10-31的光通過(guò)棱鏡10-33照射到指紋收集表面A-B上。在此情況下，同樣顯然地，當(dāng)棱鏡10-33把空氣所取代時(shí)與指紋收集表面A-B等價(jià)的一個(gè)表面被設(shè)定為光學(xué)指紋收集表面A’-B’(由圖3A中的虛線表示的一個(gè)曲面A’-B’)，且該光學(xué)指紋收集表面A’-B’和光接收單元10-36的成象平面I-J被設(shè)置為幾乎彼此平行。即，直線A’-B’和成象平面I-J被設(shè)置為彼此平行。在棱鏡10-33的左表面上形成了一個(gè)黑覆層(或遮光板)10-37，從而能夠防止從外部入射的干擾光影響該設(shè)備。
由于在參考文獻(xiàn)1(THE TRANSACTIONS OF THE INSTITUTE OFELECTRONICS，INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS，85/3，Vol.J68-D，No.3，pp.414-415)中詳細(xì)描述了全反射法和光學(xué)路徑分離方法的原理，因而在此省略了對(duì)它們的描述。在全反射法中，在指紋表面的非接觸部分上產(chǎn)生了全反射，而在接觸部分上則防止了全反射，且來(lái)自非接觸部分和來(lái)自接觸部分的光之差得到檢測(cè)。在光學(xué)路徑分離方法中，只有來(lái)自指紋表面的接觸部分的光得到檢測(cè)，而沒(méi)有任何來(lái)自非接觸部分的光。A作為參考，圖3B和4B分別顯示了采用全反射法和光學(xué)路徑分離方法的指紋輸入部分的傳統(tǒng)設(shè)置。各個(gè)傳統(tǒng)設(shè)置采用了白熾燈10-31’作為光源并用透鏡Ln作為光接收單元10-36’。
圖5A和5B顯示了指紋輸入設(shè)備10。在該指紋輸入設(shè)備10中，棱鏡10-33的指紋收集表面A-B，即棱鏡10-33的上表面UP，得到暴露，且在外殼10-4上形成了一個(gè)導(dǎo)向器10-41，以使操作者能夠?qū)⑵涫种钢苯踊蜷g接(可形成一個(gè)膜)放置到棱鏡10-33的上表面UP上。十鍵臺(tái)10-1和顯示器10-2被并排設(shè)置。十鍵臺(tái)10-1具有一個(gè)指紋輸入確認(rèn)鍵10-11?？赊D(zhuǎn)動(dòng)地與針孔位置調(diào)節(jié)裝置10～35耦合的三個(gè)位置調(diào)節(jié)鈕Cx、Cy和Cz被設(shè)置在外殼10-4的側(cè)表面上。
(指紋的登記(手動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié)))在此指紋核對(duì)系統(tǒng)中，用戶的指紋是按照以下方式得到登記的。在使用系統(tǒng)之前，用戶通過(guò)利用十鍵臺(tái)10-1輸入分配給其的ID號(hào)(圖4中的步驟101)。用戶隨后將其手指置于棱鏡10-33沿著指紋輸入設(shè)備10的導(dǎo)向器10-41的上表面UP(指紋收集表面A-B)上。來(lái)自LED10-31的光已經(jīng)照射到棱鏡10～33的指紋收集表面A-B上，從而使來(lái)自LED10-31的光通過(guò)皮膚表面不與指紋收集表面A-B相接觸的凹槽部分(槽部分)全反射。與此相對(duì)比，在皮膚表面的與指紋收集表面A-B相接觸的突出部分(脊部分)，全反射的條件沒(méi)有得到滿足，因而來(lái)自LED10-31的光被散射了。
被置于指紋收集表面A-B上的手指的皮膚表面所反射并從棱鏡10-33出射的光通過(guò)了針孔PH并在光接收單元10-36的成象平面I-J上形成了一個(gè)圖象。其結(jié)果，與槽部分對(duì)應(yīng)的指紋部分變得明亮，而與脊部分對(duì)應(yīng)的指紋部分變得黑暗。即，收集到了具有一定對(duì)比度的指紋圖象。收集的指紋(登記指紋)作為半音調(diào)圖象數(shù)據(jù)而被提供到處理部分20。
控制部分20-1通過(guò)幀存儲(chǔ)器20-5而裝載來(lái)自指紋輸入設(shè)備10的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(步驟102)，并在顯示器10-2上顯示它(步驟103)。圖6A顯示了這種登記指紋的一個(gè)顯示樣品。用戶見(jiàn)到了顯示在顯示器10-2上的指紋圖象，以確定是否改變針孔PH的位置。
如果用戶見(jiàn)到了顯示在顯示器10-2上的其指紋圖象并決定指紋圖象的位置不適當(dāng)或指紋圖象太大或小，則用戶判定針孔PH的位置必須得到改變。用戶隨后調(diào)節(jié)三軸位置調(diào)節(jié)鈕Cx、Cy和Cz的角位置，以借助針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35調(diào)節(jié)針孔板10-34沿著X、Y和Z方向的位置，即針孔PH沿著X、Y和Z方向的位置，從而把顯示器10-2上的指紋圖象設(shè)定到具有所希望尺寸的所希望位置(步驟102至104)。
在調(diào)節(jié)了顯示器10-2上的指紋圖象的位置和大小之后，用戶按下指紋輸入確認(rèn)鍵10-11。借助這種操作，控制部分20-1判定登記指紋的裝載得到確認(rèn)(步驟105)，且確認(rèn)的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)與ID號(hào)相應(yīng)地被存檔在硬盤(pán)20-4中(步驟106)。
(指紋的核對(duì)(手動(dòng)針孔位置調(diào)節(jié)))借助這種指紋核對(duì)系統(tǒng)，用戶的指紋的核對(duì)是按照以下方式進(jìn)行的。在系統(tǒng)的操作期間，用戶借助十鍵臺(tái)10-1輸入分配給其的ID號(hào)(圖8的步驟201)，并隨后將其手指置于棱鏡10-33沿著指紋輸入設(shè)備10的導(dǎo)向器10-41的上表面UP(指紋收集表面A-B)上。借助這種操作，所收集的指紋(核對(duì)指紋)的圖案以半音調(diào)圖象數(shù)據(jù)的形式被提供到處理部分20-其方式與指紋登記的情況一樣。
在通過(guò)十鍵臺(tái)10-1接收到ID號(hào)時(shí)，控制部分20-1從硬盤(pán)20-4中存檔的登記指紋讀出與該ID號(hào)相應(yīng)的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(步驟202)，并將其顯示在顯示器10-2上(步驟203)。
控制部分20-1還通過(guò)幀存儲(chǔ)器20-5裝載來(lái)自指紋輸入設(shè)備10的核對(duì)指紋的圖象數(shù)據(jù)(步驟204)，并將其顯示在顯示器10-2上，同時(shí)將其重疊在登記指紋的指紋圖象上(步驟205)。圖6B顯示了在此情況下的一個(gè)顯示樣品。用戶見(jiàn)到了顯示在顯示器10-2上的登記指紋的指紋圖象與核對(duì)指紋的指紋圖象這種重疊狀態(tài)，以確定是否改變針孔PH的位置。
如果用戶見(jiàn)到了顯示在顯示器10-2上的核對(duì)指紋的指紋圖象比決定該指紋圖象相對(duì)于登記指紋的指紋圖象有位置偏離或太大或太小，則用戶確定針孔PH的位置必須得到改變。用戶隨后通過(guò)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35而調(diào)節(jié)三軸位置調(diào)節(jié)鈕Cx、Cy和Cz的角位置，以調(diào)節(jié)針孔板10-34沿著X、Y和Z方向的位置，從而把顯示器10-2上的核對(duì)指紋的指紋圖象設(shè)定到所希望的位置和所希望的大小(步驟204至206)。
在調(diào)節(jié)了顯示器10-2上的核對(duì)指紋的指紋圖象的位置和大小之后，用戶按下指紋輸入確認(rèn)鍵10-11。通過(guò)這種操作，控制部分20-1判定核對(duì)指紋的裝載得到了確認(rèn)(步驟207)。把確認(rèn)的核對(duì)指紋的指紋圖象與事先讀出的登記指紋的指紋圖象進(jìn)行核對(duì)(步驟208)。核對(duì)的結(jié)果隨后被顯示在顯示器10-2上(步驟209)。
在本實(shí)施例中，根據(jù)上述基本原理，模糊和失真能夠得到大大的減小。另外，在登記處理中輸入的指紋圖象的位置和大小，通過(guò)借助三軸位置調(diào)節(jié)鈕Cx、Cy和Cz來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)針孔PH的位置，而能夠被設(shè)定到所希望的位置和所希望的大小。另外，在登記和核對(duì)處理中輸入的指紋圖象的位置偏離能夠得到吸收，且輸入的指紋圖象大小之間的差也能夠得到應(yīng)付。
注意如果核對(duì)的指紋圖象很小，則背景面積變得很大，從而產(chǎn)生核對(duì)精度的降低。這種核對(duì)精度的降低能夠通過(guò)沿著Z方向移動(dòng)針孔PH(其中針孔PH離開(kāi)成象平面I-J)以增大核對(duì)指紋圖象，而得到防止。另外，在裝運(yùn)時(shí)的定位能夠在不拆開(kāi)設(shè)備的情況下進(jìn)行，因而裝運(yùn)時(shí)的定位處理得到了便利。
在上述實(shí)施例中，針孔PH的位置是在登記和核對(duì)處理中借助三軸位置調(diào)節(jié)鈕Cx、Cy和Cz而手動(dòng)調(diào)節(jié)的。然而，該位置也可自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖9和10顯示了當(dāng)針孔PH的位置得到自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)在登記和核對(duì)處理中進(jìn)行的操作。
(指紋的登記(針孔位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)))在此情況下，用戶通過(guò)采用十鍵臺(tái)10-1輸入分配給其的ID號(hào)(圖9中的步驟301)。用戶隨后將其手指置于棱鏡10-33沿著指紋輸入設(shè)備10的導(dǎo)向器10-41的上表面UP(指紋收集表面A-B)上。通過(guò)置于指紋收集表面A-B上的手指的圖案表面反射并從棱鏡10-33出射的光通過(guò)了針孔PH，并在光接收單元10-36的成象平面I-J上形成了一個(gè)圖象。通過(guò)這種操作，與槽部分對(duì)應(yīng)的指紋部分變得明亮，而與脊部分對(duì)應(yīng)的指紋部分變得黑暗。即，收集到了具有一定對(duì)比度的指紋圖象。收集的指紋(登記指紋)的圖案，以灰度圖象數(shù)據(jù)的形式，被提供到處理部分20。
控制部分20-1通過(guò)幀存儲(chǔ)器20-5裝載來(lái)自指紋輸入設(shè)備10的圖象數(shù)據(jù)(步驟302)?？刂撇糠?0-1隨后計(jì)算裝載的登記指紋圖象數(shù)據(jù)的質(zhì)心位置(步驟303)。在此情況下，該質(zhì)心位置是按照以下方式計(jì)算的。
首先，裝載的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(圖11A)被分成n×m個(gè)象素(圖11B)。即裝載的登記指紋圖象數(shù)據(jù)被分成沿著X方向的n個(gè)象素和沿著Y方向的m個(gè)象素。設(shè)Iij是在第ij個(gè)象素位置處的光強(qiáng)，質(zhì)心的x和y坐標(biāo)xa和ya通過(guò)公式(1)和(2)而獲得xa=(ΣinΣjmiIij)/(ΣinΣjmIij)----(1)]]>ya=(ΣinΣjmjIij)/(ΣinΣjmJij)----(2)]]>(xa,ya)={(ΣinΣjmiIij)/(ΣinΣjmIij),(ΣinΣjmjIij)/(ΣinΣjmJij)}----(3)]]>控制部分20-1獲得了獲得的質(zhì)心位置(xa，ya)與設(shè)定的質(zhì)心位置(xs，ys)之間的差(xa-xs，ya-ys)，作為質(zhì)心差，并檢查是否有一個(gè)質(zhì)心差(步驟304)。如果有質(zhì)心差(質(zhì)心差≠0)，控制部分20-1通過(guò)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35調(diào)節(jié)針孔PH沿著X和Y方向的位置，從而消除該質(zhì)心差(步驟305)。
當(dāng)該質(zhì)心差被消除時(shí)，由于在步驟304得到了“否”，控制部分20-1使流程進(jìn)行到步驟306，以裝載登記指紋的圖象數(shù)據(jù)，作為其沿著X和Y方向的位置得到確認(rèn)的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(步驟306)?？刂撇糠?0-1計(jì)算裝載的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)的大小(步驟307)。在此情況下，該大小是按照以下方式計(jì)算的。
首先，其沿著X和Y方向的位置得到確認(rèn)的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(圖12A)被分成n×m個(gè)象素(圖12B)。即，裝載的登記指紋圖象數(shù)據(jù)被分成沿著x方向的n個(gè)象素和沿著y方向的m個(gè)象素。各個(gè)象素隨后按照其光電平而得到二進(jìn)制化，從而使具有光的各個(gè)部分被用“1”表示，而其余的部分則用“0”表示。在二進(jìn)制化之后的各個(gè)象素的光強(qiáng)用Dij＝“0”或“1”表示，且借助以下公式表示一個(gè)面積SaSa=ΣijnmDij----(4)]]>控制部分20-1將面積Sa與一個(gè)設(shè)定的面積Ss進(jìn)行比較，以檢查面積Sa是否適當(dāng)(步驟308)。如果面積Sa不適當(dāng)(Sa≠Ss)，控制部分20-1通過(guò)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35調(diào)節(jié)針孔PH沿著Z方向的位置，以將面積Sa設(shè)定到一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?步驟309)。如果Sa-Ss＞0，控制部分2 0-1移動(dòng)針孔PH的位置以減小指紋圖象。如果Sa-Ss＜0，控制部分20-1移動(dòng)針孔PH的位置以放大指紋圖象。
當(dāng)面積Sa借助這種操作而被設(shè)定到一個(gè)適當(dāng)值時(shí)，由于在步驟308獲得了“是”，控制部分20-1使流程進(jìn)行到步驟310，以把相應(yīng)的登記指紋圖象數(shù)據(jù)，作為其沿著X、Y和Z方向的位置得到確認(rèn)的登記指紋圖象數(shù)據(jù)，與ID號(hào)相應(yīng)地存檔到硬盤(pán)20-4中(步驟31 0)。
(指紋的核對(duì)(針孔位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)))在設(shè)備的操作期間，用戶利用十鍵臺(tái)10-1輸入分配給其的ID號(hào)(圖10的步驟401)，并將其手指置于棱鏡10-33沿著指紋輸入設(shè)備10的導(dǎo)向器10-41的上表面UP(指紋收集表面A-B)上。與在指紋登記時(shí)的情況相同，核對(duì)指紋的圖案，以半音調(diào)圖象數(shù)據(jù)的形式，被提供到處理部分20。
在通過(guò)十鍵臺(tái)10-1接收到ID號(hào)時(shí)，控制部分20-1讀出與來(lái)自存檔在硬盤(pán)20-4中的登記指紋的ID號(hào)相應(yīng)的登記指紋的圖象數(shù)據(jù)(步驟402)?？刂撇糠?0-1通過(guò)幀存儲(chǔ)器20-5裝載該核對(duì)指紋圖象數(shù)據(jù)(步驟403)?？刂撇糠?0-1隨后以與登記指紋的情況下相同的方式，計(jì)算裝載的核對(duì)指紋圖象數(shù)據(jù)的質(zhì)心位置(步驟404)。
控制部分20-1獲得計(jì)算的質(zhì)心位置(xb，yb)與設(shè)定的質(zhì)心位置(xs，ys)之間的差(xb-xs，yb-ys)，以檢查是否有質(zhì)心差(步驟405)。如果有質(zhì)心差(質(zhì)心差≠0)，控制部分20-1通過(guò)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35而調(diào)節(jié)針孔PH沿著X和Y方向的位置(步驟406)。
當(dāng)借助這種操作消除了質(zhì)心差時(shí)，由于在步驟405獲得了“否”，控制部分20-1使流程進(jìn)行到步驟407，以裝載核對(duì)指紋圖象數(shù)據(jù)，作為其沿著X和Y方向的位置得到確認(rèn)的核對(duì)指紋圖象數(shù)據(jù)(步驟407)?？刂撇糠?0-1隨后以與在登記指紋的情況下相同的方式，計(jì)算裝載的核對(duì)指紋圖象數(shù)據(jù)的大小。
控制部分20-1將計(jì)算的核對(duì)指紋—其沿著X和Y方向的位置得到了確認(rèn)—的圖象數(shù)據(jù)的面積Sb與設(shè)定面積Ss相比較，以檢查面積Sb是否適當(dāng)(步驟409)。如果面積Sb不適當(dāng)(Sb≠Ss)，則控制部分20-1通過(guò)針孔位置調(diào)節(jié)裝置10-35調(diào)節(jié)針孔PH沿著Z方向的位置，以將面積Sb設(shè)定到一個(gè)適當(dāng)值(步驟410)。即，如果Sb-Ss＞0，控制部分20-1移動(dòng)針孔PH的位置以減小指紋圖象。如果Sb-Ss＜0，控制部分20-1移動(dòng)針孔PH的位置以放大指紋圖象。
當(dāng)面積Sb借助這種操作被設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?Sb＝Ss)時(shí)，由于在步驟409得到了“是”，控制部分20-1使流程進(jìn)行到步驟411，以將該指紋圖象設(shè)定為其沿著X、Y和Z方向的位置得到確認(rèn)的核對(duì)指紋的指紋圖象，并將該核對(duì)指紋指紋圖象與事先讀出的登記指紋指紋圖象相核對(duì)(步驟411)?？刂撇糠?0-1將該核對(duì)結(jié)果顯示在顯示器10-2上(步驟412)。
雖然根據(jù)圖9和10所示的流程圖，沿著Z方向的位置調(diào)節(jié)是在沿著X和Y方向的位置調(diào)節(jié)之后進(jìn)行的，沿著X和Y方向的位置調(diào)節(jié)也可以在沿著Z方向的位置調(diào)節(jié)之后進(jìn)行。
另外，在上述實(shí)施例的原理，光學(xué)指紋收集表面A’-B’被設(shè)置為與成象平面I-J平行。這種操作是基于這樣的假定—即在指紋收集表面A-B與光學(xué)指紋收集表面A’-B’之間沒(méi)有失真。然而，根據(jù)指紋收集表面A-B和棱鏡表面R-S(圖1B)的位置和角度，在指紋收集表面A-B與光學(xué)指紋收集表面A’-B’之間可能產(chǎn)生失真。
在圖13A所示的光學(xué)系統(tǒng)中，如果例如在指紋收集表面A-B上以等間隔設(shè)定的點(diǎn)P1至P7與在光學(xué)指紋收集表面A’-B’上的點(diǎn)P1’至P7’相匹配，在光學(xué)指紋收集表面A’-B’上的點(diǎn)P1’至P7’不是以等間隔設(shè)置的，且發(fā)生了失真。在此情況下，即使光學(xué)指紋收集表面A’-B’與成象平面I-J平行地設(shè)置，只有由光學(xué)指紋收集表面A’-B’造成的失真不能得到消除。
因此，在此情況下，即當(dāng)光學(xué)指紋收集表面A’-B’具有相對(duì)于指紋收集表面A-B的失真時(shí)，成象平面I-J繞一個(gè)點(diǎn)P0轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)定角度(見(jiàn)圖13A)從而消除光學(xué)指紋收集表面A’-B’的失真。借助這種操作，如圖13C所示，在指紋收集表面A-B上產(chǎn)生的失真能夠得到大大的減小。
在上述實(shí)施例中，由于光學(xué)指紋收集表面A’-B’是一個(gè)曲面，難于完全地消除其失真。然而，借助圖14所示的設(shè)置，該失真能夠得到完美的消除。
在第二棱鏡4被置于成象平面I-J之前。第一棱鏡1的指紋收集表面A-B被設(shè)置為與成象平面I-J平行，且第一棱鏡1的指紋收集表面A-B被設(shè)置為與成象平面?zhèn)鹊牡诙忡R4的一個(gè)表面L-M平行。第一棱鏡1相對(duì)于針孔PH的出射表面C-D被設(shè)置為與第二棱鏡4相對(duì)于針孔PH的入射表面K-M相平行。在此情況下，第二棱鏡4的表面L-M被置于成象平面I-J之上。
借助這種設(shè)置，在第一棱鏡1側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)置與在第二棱鏡4側(cè)上的光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)似，而針孔PH(點(diǎn)O)位于中心，從而完全地消除了失真。即，模糊和失真能夠同時(shí)得到消除。注意指紋收集表面A-B與成象平面I-J之間、指紋收集表面A-B與表面L-M、出射表面C-D與入射表面K-M之間的平行允許有一些偏離。
在上述實(shí)施例中，采用了三角棱鏡作為棱鏡1(10-33)。然而，可以采用如圖15所示的矩形棱鏡1’(10-33’)。可以采用各種其他類(lèi)型的棱鏡。注意散射板10-32可被安裝在棱鏡1’(10-33’)側(cè)，如虛線所表示的。
注意棱鏡被定義為這樣的光學(xué)元件—它具有兩或多個(gè)平坦表面并用于折射和反射光。棱鏡的功能被定義為以下的功能①至③。
①一或多個(gè)反射功能被結(jié)合到一個(gè)塊中，且光學(xué)路徑的偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)在一個(gè)緊湊的設(shè)置中得到了實(shí)現(xiàn)。
②通過(guò)利用光的折射而使光的方向得到了改變，或者使圖象的方向(方位)得到了調(diào)節(jié)。
③光譜利用光學(xué)材料的色散而得到了分析。
在上述實(shí)施例中，全反射法被用于指紋輸入部分10-3。然而，即使采用了光學(xué)分隔法，與上述的相同的操作也能夠被應(yīng)用于所產(chǎn)生的設(shè)置。不能說(shuō)全反射法和光學(xué)路徑分離方法中的一個(gè)比另一個(gè)強(qiáng)。
(實(shí)施例2第八個(gè)方面)在實(shí)施例1(見(jiàn)圖1A)中，針孔PH的直徑必須被減小到一定程度，以增大指紋圖象的分辨率。因此，形成在成象平面I-J上的指紋圖象的光強(qiáng)減小。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)自照射指紋收集表面A-B的光源的光強(qiáng)必須增大。其結(jié)果，光源本身的壽命由于光源產(chǎn)生的熱量而縮短了，或者通過(guò)棱鏡1透射的光對(duì)用戶來(lái)說(shuō)太亮，從而產(chǎn)生了新的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，可以用一個(gè)近紅外發(fā)光二極管作為光源。在此情況下，雖然可以抑制過(guò)亮的光，但不能解決熱量產(chǎn)生的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明人提出了一種設(shè)置—其中一個(gè)透鏡5-2被設(shè)置在針孔板5-1的后表面附近，如圖17所示，以增大形成在成象平面5-3上的指紋圖象的光強(qiáng)而不增大來(lái)自光源6的光強(qiáng)。在此設(shè)置中，當(dāng)連接指紋收集表面1-1的中心與成象平面5-3的中心的直線是光軸時(shí)，使透鏡5-2的中心軸線與該光軸相重合。另外，因?yàn)橛捎谕哥R5-2而產(chǎn)生了模糊，成象平面5-3相對(duì)于光軸的傾斜得到了調(diào)節(jié)，以防止模糊。參見(jiàn)圖17，標(biāo)號(hào)1-2表示了形成在棱鏡1的左邊側(cè)上的一個(gè)黑覆層(或遮光板)。
然而，在成象平面5-3上產(chǎn)生了梯形畸變。更具體地說(shuō)，如果正方形格子形式的物體—如圖18A中顯示的—被放置在指紋收集表面1-1上，在成象平面5-3上所產(chǎn)生的圖象具有象圖18B中所示的梯形畸變。參見(jiàn)圖19，假定A-B是指紋收集表面，O是針孔的中心，a-b是成象平面，X是指紋收集表面A-B上的任意點(diǎn)，且x是點(diǎn)X被投射到成象平面a-b上的點(diǎn)，在點(diǎn)x處的圖象放大率由m＝Ox/OX給出。即，圖象放大率由線段Ox與OX的比值來(lái)確定。在此情況下，由于三角形OAB不與三角形Oab相似，且線段OA比線段OB短，在點(diǎn)A側(cè)的圖象變大，而在點(diǎn)B側(cè)的圖象變小。這種梯形畸變隨著比值OA∶OB的增大而增大。隨著指紋輸入設(shè)備的尺寸的減小，指紋收集表面與透鏡之間的距離必然減小。如果該距離減小，比值OA∶OB增大。從而使梯形畸變?cè)龃蟆?br> 因而在實(shí)施例2中，能夠在不增大光源6的光強(qiáng)的情況下增大形成在成象平面5-3上的指紋圖象，且在模糊得到抑制的情況下梯形畸變的產(chǎn)生得到了很大的抑制，從而獲得了高質(zhì)量的指紋圖象。
(實(shí)施例2-1桶形畸變)圖20A顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備(實(shí)施例2-1)的主要部分。在本實(shí)施例中，具有桶形畸變(負(fù)失真)的一個(gè)被用作了透鏡5-2。透鏡5-2的一個(gè)中心軸線LC，相對(duì)于一個(gè)光軸LO(連接指紋收集表面A-B的中心XO與成象平面a-b的中心XO的直線)，向著指紋收集表面A-B側(cè)上的B顯示器10-2側(cè)傾斜了θ1。另外，為了防止模糊，成象平面a-b相對(duì)于光軸LO的傾斜得到了調(diào)節(jié)。
借助這種操作，當(dāng)來(lái)自指紋收集表面A-B的光通過(guò)圖21B中的影線表示的透鏡軸上的區(qū)域且透鏡5-2的中心軸線LC與光軸LO相重合時(shí)時(shí)所產(chǎn)生梯形畸變(見(jiàn)圖21A)，借助透鏡5-2所獨(dú)特具有的桶形畸變，而得到了校正，且在梯形畸變得到更大的抑制的情況下，在成象平面a-b上形成了放置在指紋收集表面A-B上的手指的圖象。
在此情況下，由于借助透鏡5-2而在成象平面a-b上形成的指紋圖象的光強(qiáng)得到了增大，來(lái)自光源6的光強(qiáng)不需要得到增大，從而防止了光源6的壽命由于熱量的產(chǎn)生而被縮短和太亮的光通過(guò)棱鏡1。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)成象平面a-b相對(duì)于光軸LO的傾斜，使模糊得到了抑制，且在這種模糊得到抑制的情況下，通過(guò)使透鏡5-2的中心軸線LC相對(duì)于光軸LO得到傾斜，而使梯形畸變得到了抑制，從而獲得了高質(zhì)量的指紋圖象。
(實(shí)施例2-2枕形失真)圖20B顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備(實(shí)施例2-2)的主要部分。在本實(shí)施例中，一個(gè)具有枕形失真(正失真)的透鏡被用作透鏡5-2。透鏡5-2的中心軸線LC，相對(duì)于一個(gè)光軸LO，向著指紋收集表面A-B上的點(diǎn)A側(cè)傾斜了θ2。另外，為了防止模糊，成象平面a-b的傾斜相對(duì)于光軸LO而得到了調(diào)節(jié)。
借助這種操作，當(dāng)來(lái)自指紋收集表面A-B的光通過(guò)在圖22B中由影線表示的透鏡軸的區(qū)域時(shí)且使透鏡5-2的中心軸線LC與光軸LO相重合時(shí)所產(chǎn)生的梯形畸變(見(jiàn)圖22B)，借助對(duì)于透鏡5-2來(lái)說(shuō)是獨(dú)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況下在成象平面a-b上形成了放置在指紋收集表面A-B上的手指的圖象。
在此情況下，由于借助透鏡5-2而形成在成象平面a-b上的指紋圖象的光強(qiáng)得到了增大，所以不需要增大來(lái)自光源6的光強(qiáng)，從而防止了光源6的壽命由于熱量的產(chǎn)生而被縮短以及太亮的光通過(guò)棱鏡1。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)成象平面a-b相對(duì)于光軸LO的傾斜而使模糊得到了抑制，且在這種模糊得到抑制的情況下，通過(guò)使透鏡5-2的中心軸線LC相對(duì)于光軸LO傾斜θ2而使梯形畸變得到了抑制，從而獲得了高質(zhì)量的指紋圖象。
如上所述，有兩種失真，即桶形畸變和枕形失真。校正梯形畸變的方法在效果上等于利用枕形失真來(lái)校正梯形畸變的方法；不能說(shuō)一種方法比另一種好。在本實(shí)施例中，針孔起著增大設(shè)計(jì)的自由度的作用。即由于在透鏡的前方形成了針孔，透鏡的景深增大了，且對(duì)于成象平面光軸所限定的角保證了不產(chǎn)生模糊的容差，從而令人滿意地增大了設(shè)計(jì)的自由度。
在本實(shí)施例中，指紋輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)是按照如下方式設(shè)計(jì)的①定位棱鏡。
②確定光軸的角度和距其的距離。
③選擇一個(gè)透鏡(透鏡的形狀、焦距等)，且該透鏡被定位在光軸上。
④選定一個(gè)針孔(針孔的直徑、景深等)，并將其定位。
⑤在改變成象平面相對(duì)于光軸的傾斜角度以不產(chǎn)生模糊的情況下，重復(fù)操作③和④，從而選擇一個(gè)透鏡、定位該透鏡、選擇一個(gè)針孔、并定位該針孔。
⑥通過(guò)改變透鏡角度，確定使梯形畸變?yōu)樽钚〉慕嵌?。注意由于?dāng)透鏡角度改變時(shí)在成象平面上可能產(chǎn)生模糊，針孔的位置得到調(diào)節(jié)以防止這種模糊。
(實(shí)施例3第九至15方面)在描述本發(fā)明的第九至15方面之前，先描述這些方面所基于的技術(shù)。一種指紋輸入設(shè)備包括作為一個(gè)組件的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，且考慮到安裝地點(diǎn)、可操作性等，而要求設(shè)備的尺寸得到減小。這種指紋輸入設(shè)備的尺寸，通過(guò)形成根據(jù)光學(xué)路徑分離方法的光學(xué)系統(tǒng)和將光源和棱鏡彼此接近地設(shè)置，能夠得到有效的減小。
圖23顯示了采用光學(xué)路徑分離方法的傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的主要部分。參見(jiàn)圖23，標(biāo)號(hào)1表示一個(gè)棱鏡；3表示一個(gè)光接收單元；且6表示一個(gè)光源。光源6被置于棱鏡1的下表面?zhèn)鹊挠疫?。在棱鏡1的左側(cè)表面上形成了一個(gè)黑覆層(或遮光板)1-2，以使來(lái)自光源6的光通過(guò)棱鏡1照射到指紋收集表面1-1上。在此設(shè)置中，來(lái)自光源6的光被放置在指紋收集表面1-1上的手指的圖案表面所反射并從棱鏡1出射，以通過(guò)透鏡3-1而在成象平面(CCD)3-2上形成一個(gè)象。通過(guò)采用光學(xué)分隔法，指紋輸入設(shè)備的尺寸能夠得到減小。
圖24顯示了采用全反射法的指紋輸入設(shè)備的主要部分。在這種指紋輸入設(shè)備中，一個(gè)光源6被置于棱鏡1的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)，且來(lái)自光源6的光通過(guò)一個(gè)散射板7和棱鏡1而照射到指紋收集表面1-1上。在這種設(shè)置中，如與圖23比較可見(jiàn)，由于在棱鏡1的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)(在與光接收單元3相對(duì)的位置)必須保證用于光源6的空間，設(shè)備的尺寸的減小受到了限制。
與此相對(duì)比，采用光學(xué)路徑分離方法的指紋輸入設(shè)備在尺寸減小上具有優(yōu)點(diǎn)。然而，如果光源6和棱鏡1彼此接近以進(jìn)一步減小尺寸，棱鏡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。其結(jié)果，棱鏡1的指紋收集表面1-1的亮度部分地減小，引起照明的不規(guī)則。
更具體地說(shuō)，如圖25所示，當(dāng)光源6的位置是接近棱鏡1的點(diǎn)0時(shí)，來(lái)自光源6相對(duì)于棱鏡表面(照明光入射表面)B-E的入射角隨著距離而增大。其結(jié)果，光由于折射的發(fā)散角增大，且照明向著棱鏡表面(指紋收集表面)A-B上的點(diǎn)B側(cè)減小。
指紋核對(duì)系統(tǒng)的核對(duì)精度很大地取決于是否能夠適當(dāng)?shù)剌斎胫讣y圖象。為了適當(dāng)輸入指紋圖象，必須在棱鏡1的整個(gè)指紋收集表面1-1上保證均勻的照明，且必須防止照明的不均勻。如果在指紋收集表面1-1上出現(xiàn)了照明不均勻，所獲得的指紋圖象的質(zhì)量就會(huì)降低，且核對(duì)精度降低。
因而在實(shí)施例3中，光源6和棱鏡1被彼此接近地設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)尺寸的減小，同時(shí)不造成指紋收集表面1-1上的照明不規(guī)則。即，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備尺寸的減小和指紋圖象質(zhì)量的改善。
(實(shí)施例3-1第九、10、和11個(gè)方面)圖26顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的主要部分(實(shí)施例3-1)。在圖26中相同的標(biāo)號(hào)表示與圖23中相同的部分，且省略了對(duì)其的描述。
在本實(shí)施例中，在距棱鏡1與指紋收集表面1-1相對(duì)的頂點(diǎn)(圖23中的點(diǎn)E)一定距離處，形成了一個(gè)切割表面1-3。一個(gè)光源6與棱鏡1的該切割表面1-3相對(duì)地設(shè)置。借助這種設(shè)置，來(lái)自光源6的光通過(guò)切割表面1-3而進(jìn)入棱鏡1，從而以幾乎均勻的發(fā)散角照射到指紋收集表面1-1上。其結(jié)果，能夠在指紋收集表面1-1上獲得幾乎均勻的照明。
在本實(shí)施例中，切割表面1-3是在以下的條件①、②和③下獲得的①?gòu)闹讣y收集表面1-1至成象平面3-2的成象光學(xué)路徑應(yīng)該不受阻擋；②光源6的象不應(yīng)該被投射到成象平面3-2上；③來(lái)自光源6的光不應(yīng)該被指紋收集表面1-1所全反射。
(條件①)圖27顯示了滿足條件①的一個(gè)區(qū)域，它由影線表示。參見(jiàn)圖27，如果指紋收集表面1-1(A-B)的區(qū)域被投射到了成象平面3-2(a-b)上，從點(diǎn)A發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)路徑“A→α→O1→a”而入射到成象平面3-2上。從點(diǎn)B發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)路徑“B→O1→b”而入射到成象平面3-2上。在圖27中位于平面A-α之下的影線區(qū)是棱鏡1中的這樣一個(gè)區(qū)—即它不遮擋從指紋收集表面1-1至成象平面3-2的成象光學(xué)路徑。如果來(lái)自指紋收集表面1-1至成象平面3-2的成象光學(xué)路徑受到遮擋，在成象平面3-2上的指紋圖象惡化，造成核對(duì)精度的降低。
(條件②)根據(jù)費(fèi)涅爾公式，光被具有不同折射率的介質(zhì)之間的界面所反射。設(shè)n1和n2是介質(zhì)的折射率，在垂直入射的情況下的反射率R由((n1-n2)/(n1+n2))2給出。如果折射率n1是空氣的折射率(n1＝1.0)，且折射率n2是用于棱鏡的玻璃的折射率(n2＝1.5)則根據(jù)上述公式4％的光得到反射。由此可見(jiàn)，當(dāng)來(lái)自光源6的光入射到棱鏡1上時(shí)，由于光源6的位置，該光被指紋收集表面1-1所反射，且光源6的一個(gè)象被投射到了成象平面3-2上。其結(jié)果，在成象平面3-2上的指紋圖象惡化，從而使核對(duì)精度降低。
在圖28所示的情況下，例如，其中光源6的象不被投射到成象平面3-2上的條件，是光源6位于在從點(diǎn)B延伸到點(diǎn)O的直線之下的影線區(qū)中。設(shè)β是棱鏡1的點(diǎn)A、B和E限定的角，ψ是從點(diǎn)O至點(diǎn)B的光相對(duì)于一個(gè)表面A-B的入射角，且θ是在點(diǎn)B受到反射的光在棱鏡的表面B-E上得到折射并出射到成象平面3-2的一個(gè)端點(diǎn)b的角度，則只要光源6位于范圍ψ≤β-sin-1(sinθ/n2)(圖28中影線區(qū))之內(nèi)，光源6的反射象就不會(huì)被投射到成象平面3-2上。
(條件③)在圖29所示的情況下，當(dāng)光從n1＜n2的n2側(cè)以入射角ψ入射時(shí)，當(dāng)入射角滿足sinψ≥n2/n1時(shí)，所有的入射光都被反射。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為全反射。即使光源6處于發(fā)生全反射的位置，在理論上，只要條件(2)得到滿足，則對(duì)成象平面3-2上的指紋圖象就不會(huì)有影響。然而，由于來(lái)自光源6的光被全反射，散射光會(huì)閃現(xiàn)并影響指紋圖象。當(dāng)光源6將要被置于與切割表面1-3相對(duì)的位置時(shí)，切割表面1-3的條件是來(lái)自光源6的光在光源6處于任何位置的情況下都不被指紋收集表面1-1所全反射。注意條件③不是一個(gè)絕對(duì)必要的條件，且切割表面1-3可以只在條件①和②之下形成。
(實(shí)施例3-2第12個(gè)方面)在實(shí)施例3-1中，當(dāng)至少條件①和②)得到滿足時(shí)，切割表面1-3的尺寸減小，且光源6不能得到定位。在此情況下，如在圖30中所示，切割表面1-3可以是一個(gè)傾斜表面，以增大其大小，如圖30所示。然而，在此情況下，切割表面1-3相對(duì)于指紋收集表面1-1過(guò)度傾斜。其結(jié)果，指紋收集表面1-1不能得到均勻照明。即，指紋收集表面1-1的左端受到光源6的主要照明，因而指紋收集表面1-1不能得到均勻的照明。
與此相對(duì)比，如果距該棱鏡—它與指紋收集表面1-1相對(duì)且在它上面形成了切割表面1-3-的頂點(diǎn)的距離增大，如圖31所示，條件①得到滿足，但②沒(méi)有得到滿足(基于費(fèi)涅爾公式的反射條件)。即，切割表面1-3上的區(qū)C-F變成了不滿足條件②的區(qū)。因而在本實(shí)施例中，在不滿足條件②的區(qū)C-F上形成了一個(gè)黑覆層(或遮光板)1-2。
在圖31顯示的情況下，如果光源6被設(shè)置在切割表面1-3不滿足條件②的一個(gè)區(qū)中，則不滿足條件②的區(qū)不需要光遮擋。然而，如圖32A所示，如果設(shè)置了壁8以阻止干擾光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，從光源6向壁8傳播的散射光可能通過(guò)光學(xué)路徑“G→H→I→J”而入射到成象平面3-2上。與此相對(duì)比，如果為不滿足條件②的區(qū)C-F設(shè)置了光遮擋，如圖32B所示，則區(qū)C-F得到遮擋，而使從光源6發(fā)出并被壁8反射的光不能到達(dá)它，且沒(méi)有散射光入射到成象平面3-2上。
(實(shí)施例3-3第13個(gè)方面)在實(shí)施例3-1中，棱鏡1的切割表面1-3是平坦的。在此情況下，來(lái)自光源6的光被切割表面1-3所折射，且方向性增強(qiáng)。嚴(yán)格地說(shuō)，指紋收集表面1-1的周邊部分比中心部分暗。
因而在實(shí)施例3-3中，切割表面1-3形成一個(gè)凹表面，如圖33A所示。該凹表面的曲率與光源6的方向性相匹配，從而使指紋收集表面1-1得到均勻照明。
(實(shí)施例3-4第14個(gè)方面)在實(shí)施例3-3中，棱鏡1的切割表面1-3被形成凹表面。但在實(shí)際上，即使指紋收集表面1-1得到均勻強(qiáng)度的照明，在成象平面3-2上也不能得到具有均勻光強(qiáng)的指紋圖象，因?yàn)楫?dāng)成象平面(CCD)3-2相對(duì)于光軸傾斜時(shí)，產(chǎn)生了透鏡3-1等的暈映或光量靈敏度差。
因此，在實(shí)施例3-4中，凹切割表面1-3的外周邊形成了凸表面，如圖33B所示。借助這種結(jié)構(gòu)，來(lái)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，通過(guò)切割表面1-3的外周邊的凸表面1-3b所聚焦，并照射到指紋收集表面1-1上，從而補(bǔ)償了成象平面3-2上的光強(qiáng)分布。
(實(shí)施例3-5第15個(gè)方面)在實(shí)施例3-1至3-4的每一個(gè)中，在棱鏡1上形成了切割表面1-3，以改善指紋收集表面1-1上的照明不規(guī)則。與此相對(duì)比，在實(shí)施例3-5中，如圖34A中所示，一個(gè)光源6，通過(guò)具有高折射率的一個(gè)匹配部件9，而被設(shè)置在與棱鏡表面B-E接近的地方。在棱鏡1上沒(méi)有形成切割表面1-3。借助這種結(jié)構(gòu)，光束沒(méi)有被棱鏡表面B-E所折射，且來(lái)自光源6的光能夠以幾乎被保持為均勻的發(fā)散角照射到指紋收集表面1-1上。
作為匹配部件9的材料，已知的有一種折射率匹配溶液。然而，也可以采用這種溶液以外的材料，例如一種環(huán)氧粘合劑，只要棱鏡1與該材料的折射率之差不對(duì)指紋收集表面1-1上的照明產(chǎn)生大的影響。
另外，如圖34B所示，可在棱鏡1上形成一個(gè)切割表面1-3，且光源6可借助這種匹配部件9而被設(shè)置在切割表面1-3附近。
在實(shí)施例3-5中，借助一種緊湊的設(shè)備，能夠獲得高質(zhì)量的指紋圖象，且還能夠獲得以下的額外效果。由于光源6產(chǎn)生的熱量通過(guò)匹配部件9而被輻射到了棱鏡1上，刺激了手指上的出汗。其結(jié)果，得到了清晰的指紋圖象。
(實(shí)施例4第16至18個(gè)方面)在描述本發(fā)明的第16至18方面之前，先描述這些方面所基于的技術(shù)。一種指紋輸入設(shè)備包括作為一個(gè)組成部件的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，且考慮到安裝地點(diǎn)、可操作性等而要求設(shè)備的尺寸得到減小。為了實(shí)現(xiàn)這樣的緊湊指紋輸入設(shè)備，經(jīng)常采用一種表面安裝型LED作為光源。
圖35顯示了傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的主要部分。參見(jiàn)圖35，標(biāo)號(hào)6表示了一個(gè)光源(LED)；11表示一個(gè)基底，它具有其上安裝有LED6的前表面11F；1表示一個(gè)棱鏡；且3表示一個(gè)光接收單元。這種設(shè)備采用光學(xué)路徑分離方法。其上裝有LED6的基底11被置于棱鏡1的下表面?zhèn)扔覀?cè)上，且在棱鏡1的左側(cè)表面上形成了一個(gè)黑覆層(或遮光板)1-2。借助這種設(shè)置，來(lái)自光源6的光通過(guò)棱鏡1而照射到指紋收集表面A-B上。在此設(shè)置中，被放置在指紋收集表面A-B上的手指的圖案表面所反射并從棱鏡1出射的光，通過(guò)光接收單元3的透鏡3-1，在成象平面(CCD)3-2上形成了一個(gè)象。
然而，在這種指紋輸入設(shè)備中，在LED6的側(cè)和后表面上泄漏出了大量的光。即由于來(lái)自LED6的側(cè)和后表面的光沒(méi)有入射到棱鏡1上，指紋收集表面A-B的照明效率很低。指紋核對(duì)系統(tǒng)的核對(duì)精度在很大程度上取決于是否能夠輸入適當(dāng)?shù)闹讣y圖象。因此，如果指紋收集表面A-B的照明效率惡化，指紋圖象的質(zhì)量惡化，從而造成核對(duì)精度的惡化。
另外，透射過(guò)LED6的側(cè)表面和基底11并從后表面11R泄漏的光變成了散射光，它隨后作為噪聲而進(jìn)入了形成在CCD3-2上的指紋圖象。其結(jié)果，指紋圖象的質(zhì)量惡化了，且核對(duì)精度惡化。
注意，在基底11的后表面?zhèn)壬?，可設(shè)置象圖35中用虛線表示的反射鏡12，以使透射過(guò)LED6的側(cè)表面和基底11并從后表面11R泄漏出的光入射到棱鏡1上。然而，在此方法中，部件的數(shù)目增大了，從而使成本增大并影響了尺寸的減小。在此情況下，由于透射過(guò)基底11并從后表面11R泄漏的光透射過(guò)了基底11并入射到了棱鏡1上，即光通過(guò)了基底11兩次，光強(qiáng)減弱了。
因此，在實(shí)施例4中，在不影響尺寸的減小的情況下，以低成本獲得了高質(zhì)量的指紋圖象。
圖36顯示了根據(jù)本發(fā)明的一種指紋輸入設(shè)備的主要部分。圖36中與圖35中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分，且省略了對(duì)它們的描述。
(實(shí)施例4-1第16個(gè)方面)在實(shí)施例4-1中，在基底11的前表面11F—即其上裝有LED6的基底11前表面11F—上形成了具有高反射率的一個(gè)膜(反射膜)11-1。
圖37A和37B顯示了如何在基底11上形成反射膜11-1。通過(guò)蝕刻金屬膜，在基底11的前表面11F上形成了電源電極臺(tái)PA和PB和LED電極臺(tái)P11、P12、P21、P22、P31、P32、P41、P42、P51、P52、P61、P62。在基底除了形成電極臺(tái)的部分的整個(gè)區(qū)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。在本實(shí)施例中，反射膜11-1是借助屏網(wǎng)印刷法，利用一種白涂覆材料，在基底11的前表面11F上形成的。由于用于屏網(wǎng)印刷的白涂覆材料的反射率為80％，光能夠得到有效的反射。另外，由于白涂覆材料散射/反射光，能夠?qū)崿F(xiàn)具有極小方向性的均勻光強(qiáng)分布。另外，借助屏網(wǎng)印刷而把元件號(hào)等印在了基底11上，且反射膜11-1是在與這種印刷過(guò)程相同的過(guò)程中形成的，這種方法在成本上是有利的。
如圖38A和38B所示，在基底11上形成了反射膜11-1之后，一個(gè)LED6-1通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P11和P12相連，一個(gè)LED6-2通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P21和P22相連，一個(gè)LED6-3通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P31和P32相連，一個(gè)LED6-4通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P41和P42相連，一個(gè)LED6-5通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P51和P52相連，且一個(gè)LED6-6通過(guò)焊接部分F而與LED臺(tái)P61和P62相連。
借助這種結(jié)構(gòu)，從LED6-1至6-6的側(cè)和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F的反射膜11-1所反射并入射到棱鏡3上。其結(jié)果，指紋收集表面A-B的照明效率得到了改善，且在不影響尺寸減小的情況下以低成本保證了核對(duì)精度。
(實(shí)施例4-2第17個(gè)方面)在實(shí)施例4-2中，在其上裝有LED6的基底11的前表面11F上，形成了用于遮擋光的一個(gè)膜(遮光膜)11-1’。
在本實(shí)施例中，如在實(shí)施例1中，遮光膜11-1’是借助屏網(wǎng)印刷而形成的。然而，應(yīng)該注意的是，用于屏網(wǎng)印刷的黑覆層材料被用于遮光膜11-1’。由于遮光膜11-1’是黑的，光被吸收到該涂覆材料中，從而防止了光通過(guò)基底11的后表面11R。
借助這種結(jié)構(gòu)，從LED6-1和LED6-6的側(cè)和后表面泄漏的光被基底11的前表面11F的遮光膜11-1’所遮擋，以防止該光通過(guò)基底11并從后表面11R泄漏。其結(jié)果，作為噪聲進(jìn)入形成在CCD3-2上的指紋圖象的散射光減小，且指紋圖象的質(zhì)量得到了改善。核對(duì)精度因而能夠在不影響尺寸的減小的情況下以低成本得到改善。
與反射膜11-1類(lèi)似地，遮光膜11-1’被形成在基底除了形成電極臺(tái)P的部分以外的所有區(qū)域上。然而，如果印刷部分與臺(tái)部分的重疊達(dá)到了這樣的程度—即對(duì)LED6-1至6-6的接合沒(méi)有影響，則光的泄漏能夠得到更為有效的防止。即，遮光特性得到了改善。
(實(shí)施例4-3第18個(gè)方面)
在實(shí)施例4-3等間隔，在其上裝有LED6的基底11的前表面11F上，形成了具有高反射率并用于遮擋光的一個(gè)膜(反射/遮光膜)11-1″。
在本實(shí)施例中，如在實(shí)施例1中，反射/遮光膜11-1″是借助屏網(wǎng)印刷形成的。然而，應(yīng)該注意的是，用于屏網(wǎng)印刷的白涂覆材料被用于反射/遮光膜11-1″，且該膜被形成得很厚。由于印刷的白涂覆材料較厚，光被基底11的前表面11F所散射/反射。雖然白涂覆材料的吸收低，隨著膜的厚度的增大能夠吸收更大量的光。即使白涂覆材料也能夠根據(jù)膜的厚度遮擋對(duì)光進(jìn)行遮擋。
借助這種結(jié)構(gòu)，從LED6-1至6-6的側(cè)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，以入射到棱鏡1上。其結(jié)果，指紋收集表面A-B的照明效率得到了改善，且核對(duì)精度改善。另外，從LED6-1至6-6的側(cè)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，從而防止該光通過(guò)基底11并從基底的后表面11R泄漏出去。其結(jié)果，作為噪聲而進(jìn)入形成在CCD3-2上的指紋圖象的散射光減小，且指紋圖象的質(zhì)量得到改善，從而改善了核對(duì)精度。
在實(shí)施例4-3，如在實(shí)施例4-2中，如果印刷部分與臺(tái)部分的重疊達(dá)到這樣的程度—即不對(duì)LED6-1至6-6的接合產(chǎn)生影響，則光的泄漏能夠得到更有效的防止，且遮光特性得到改善。
(實(shí)施例4-4第18個(gè)方面)在實(shí)施例4-3中，反射/遮光膜11-1″是通過(guò)屏網(wǎng)印刷而形成的。與此相對(duì)比，在實(shí)施例4-4中，反射/遮光膜11-1″是通過(guò)采用一種金屬膜而形成的。
在此情況下，當(dāng)要借助蝕刻而在基底11的前表面11F上形成電極臺(tái)PA、PB、P11、P12至P61和P62時(shí)，在相應(yīng)的電極臺(tái)P周?chē)ＷC了間隙，且在間隙之差留下了金屬膜(見(jiàn)圖39A)。這種留下的金屬膜是反射/遮光膜11-1″。
金屬膜的表面對(duì)光進(jìn)行有效的反射。另外，由于光沒(méi)有透射過(guò)該膜，遮光效果能夠得到保證。在采用金屬膜作為反射/遮光膜11-1″的實(shí)施例4-4中，能夠獲得與實(shí)施例4-3相同的效果。
參見(jiàn)圖39A，借助屏網(wǎng)印刷，在各個(gè)臺(tái)P的周?chē)ＷC的間隙G(GA、GB、G11、G12至G61、G62)上形成了較厚的白覆層。借助這種覆層，能夠可靠地把各個(gè)臺(tái)P彼此隔開(kāi)，且遮光特性能夠得到改善。
(實(shí)施例4-5第16至18方面)在上述實(shí)施例4-1至4-4中，本發(fā)明被應(yīng)用于采用光學(xué)分隔法的指紋輸入設(shè)備。然而，本發(fā)明也可被用于采用全反射法的指紋輸入設(shè)備。如圖40所示，采用全反射法的一種指紋輸入設(shè)備被這樣地設(shè)計(jì)，即其上裝有LED6的一個(gè)基底11被置于棱鏡1的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)，且來(lái)自LED6的光通過(guò)散射板7和棱鏡1而照射到指紋收集表面A-B上。在此設(shè)置中，以與在采用光學(xué)分隔法的指紋輸入設(shè)備情況下相同的方式，在其上裝有LED6的基底11的前表面11F上形成了一個(gè)反射膜11-1、一個(gè)遮光膜11-1’、或一個(gè)反射/遮光膜11-1″。
(實(shí)施例5第19至24方面)在描述本發(fā)明的第19至24個(gè)方面之前，先描述這些方面所基于的技術(shù)。指紋核對(duì)系統(tǒng)的核對(duì)精度在很大程度上取決于指紋圖象是否能夠被適當(dāng)?shù)剌斎搿＠?，影響指紋圖象輸入操作的干擾包括附著在包括棱鏡和透鏡的光學(xué)系統(tǒng)上的灰塵等等以及進(jìn)入CCD的成象平面的干擾光。如果干擾光進(jìn)入了成象平面，指紋圖象就會(huì)暗淡。因而不能獲得清晰而高對(duì)比度的指紋圖象。傳統(tǒng)上，設(shè)置了用于掩蓋整個(gè)指紋輸入設(shè)備的主體外殼，且該外殼具有密封結(jié)構(gòu)，以保護(hù)設(shè)備不受這些干擾。
圖41顯示了傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備的主要部分。參見(jiàn)圖41，標(biāo)號(hào)6表示了一個(gè)光源；1表示一個(gè)棱鏡；13表示一個(gè)棱鏡支架；3表示一個(gè)光接收單元；且14表示一個(gè)主體外殼。光源6被置于棱鏡1的下表面?zhèn)鹊挠覀?cè)。棱鏡1被棱鏡支架13所保持。棱鏡支架13被固定在主體外殼14上，從而使棱鏡1的指紋收集表面1-1與主體外殼14的指紋臺(tái)部分開(kāi)口14-1相對(duì)。光接收單元3包括一個(gè)透鏡3-1、一個(gè)成象平面(CCD)3-2、以及一個(gè)成象平面外殼3-3。主體外殼14具有密封結(jié)構(gòu)。
在此指紋輸入設(shè)備中，來(lái)自光源6的光通過(guò)棱鏡1而照射到指紋收集表面1-1上。該光通過(guò)設(shè)置在指紋收集表面1-1上的手指的圖案表面所反射，從棱鏡1出射，并通過(guò)光接收單元3的透鏡3-1而在成象平面3-2上形成一個(gè)象。在此情況下，具有密封結(jié)構(gòu)的主體外殼14防止了灰塵等附著在包括透鏡3-1等的光學(xué)系統(tǒng)上，并防止了外部光(干擾光①)進(jìn)入成象平面3-2。
然而在這種傳統(tǒng)指紋輸入設(shè)備中，不能阻止從光源6發(fā)出并繞過(guò)棱鏡1的光(干擾光②)而進(jìn)入成象平面3-2的光。另外，由于主體外殼14具有密封結(jié)構(gòu)，難于發(fā)散外殼中的光源6和電路產(chǎn)生的熱量。由于這種熱量，設(shè)備容易惡化。另外，由于主體外殼14很重，所以設(shè)備的重量的減小受到了干擾。
因此實(shí)施例5的設(shè)計(jì)，就是為了在不使主體外殼14具有密封結(jié)構(gòu)的情況下，可靠地阻止灰塵等附著到光學(xué)系統(tǒng)上并阻止干擾光進(jìn)入成象平面3-2，從而獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
(實(shí)施例5-1)圖42顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備(實(shí)施例5-1)的主要部分。在圖42中與在圖41中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分，且省略了對(duì)這些部分的描述。
在實(shí)施例5-1中，一個(gè)遮光蓋15被設(shè)置在棱鏡1與光接收單元3’之間，以掩蓋棱鏡1的一個(gè)出射表面1-4與一個(gè)成象平面3-2之間的成象光學(xué)路徑，并同時(shí)使該光學(xué)路徑與外界隔絕。在此情況下，用于保持棱鏡1的一個(gè)棱鏡支架13’具有開(kāi)口13-1和13-2—它們被形成在與棱鏡1的出射表面1-4和其上入射有來(lái)自光源6的光的一個(gè)入射表面1-5相對(duì)的表面部分上(見(jiàn)圖43)。遮光蓋15的一個(gè)端側(cè)的一個(gè)開(kāi)口15-1與棱鏡支架13的開(kāi)口13-1借助一種安裝結(jié)構(gòu)而相互耦合。遮光蓋15的另一側(cè)的一個(gè)開(kāi)口15-2借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與成象平面外殼3-3’的一個(gè)開(kāi)口3-3相耦合。注意在一個(gè)體外殼14’上形成了多個(gè)空氣孔14-2。
在這種指紋輸入設(shè)備中，來(lái)自光源6的光通過(guò)棱鏡1而照射到指紋收集表面1-1上。該光被放置在指紋收集表面1-1上的手指的圖案表面所反射，從棱鏡1的出射表面1-4出射，并通過(guò)透鏡3-1而成象在成象平面3-2上。在此情況下，遮光蓋15阻止了灰塵等附著到包括透鏡3-1等的光學(xué)系統(tǒng)上， 阻止了外部光(干擾光①)通過(guò)空氣孔14-2進(jìn)入成象平面3-2；并阻止了從光源6發(fā)出的光(干擾光②)繞過(guò)棱鏡1而進(jìn)入成象平面3-2。
在這種指紋輸入設(shè)備中，體外殼14’中的電路和光源6所產(chǎn)生的熱量，通過(guò)形成在體外殼14’上的空氣孔14-2，而得到了發(fā)散。通過(guò)在體外殼14’上形成空氣孔14-2，體外殼14’的重量得到了減小，因而能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的總體重量的減小。另外，由于遮光蓋15被用作了加強(qiáng)部件，光學(xué)系統(tǒng)的部件之間的位置關(guān)系能夠抵抗振動(dòng)和外力，從而防止了所形成的圖象的偏離(大小、位置和失真)，并能夠穩(wěn)定地輸入指紋圖象。
在本實(shí)施例中，對(duì)遮光蓋15的內(nèi)壁的表面進(jìn)行了光噪聲處理。更具體地說(shuō)，在遮光蓋15的內(nèi)壁的表面上形成了一種黑的無(wú)光澤覆層，以防止從棱鏡1出射的干擾光③作為光噪聲而進(jìn)入成象平面3-2。在沒(méi)有遮光蓋15的情況下，從棱鏡1出射的干擾光③不進(jìn)入成象平面3-2。但在有遮光蓋15的情況下，光被遮光蓋15的內(nèi)壁表面反復(fù)反射，從而進(jìn)入成象平面3-2。因此，在遮光蓋15的內(nèi)壁上形成了黑的無(wú)光澤覆層，以防止干擾光③進(jìn)入成象平面3-2。注意一種光噪聲處理是借助通過(guò)靜電涂覆而形成一種天鵝絨涂覆表面的一種方法、用于使該內(nèi)壁的表面形成不平坦表面的一種方法等等、以及用于形成一種黑的無(wú)光澤覆層的方法，而進(jìn)行的，即，通過(guò)吸收或散射反射入射到遮光蓋15的內(nèi)壁的表面上的光，來(lái)防止干擾光③進(jìn)入成象平面3-2。
在本實(shí)施例中，在遮光蓋15的外壁的表面上形成了一個(gè)具有高反射率的膜。借助這種結(jié)構(gòu)，不是直接從光源6照射到棱鏡1上的光被遮光蓋15的外壁的表面上的該高反射率膜所反射，從而入射到棱鏡1上，從而改善了照明效率。
在本實(shí)施例中，由于遮光蓋15借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與主體相耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)一種光學(xué)系統(tǒng)定位效果。另外，由于幀和蓋沒(méi)有任何間隙地彼此緊密耦合，遮光效果和防灰塵效果得到了改善。在此情況下，如果借助一種安裝結(jié)構(gòu)而把遮光蓋15暫時(shí)固定在主體上，并隨后借助螺釘?shù)壤喂痰匮b到主體上，加強(qiáng)效果得到了改善。
(實(shí)施例5-2)圖44顯示了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備(實(shí)施例5-2)的主要部分。在實(shí)施例5-2中，為一個(gè)光源6’設(shè)置了一個(gè)光源蓋16。光源蓋16掩蓋了光源6’除了相對(duì)于棱鏡1的出射表面?zhèn)壬系囊粋€(gè)部分以外的部分。另外，光源蓋16和遮光蓋15是整體形成的。
在這種指紋輸入設(shè)備中，光源6’相對(duì)于棱鏡1的照明效率借助光源蓋16而得到了改善。通過(guò)整體地形成遮光蓋15和光源蓋16，部件的數(shù)目和制造步驟的數(shù)目能夠得到減小，從而實(shí)現(xiàn)了成本的降低。另外，當(dāng)遮光蓋15被定位時(shí)，光源蓋16同時(shí)也得到定位，從而便利了組裝操作并縮短了組裝所需的時(shí)間。當(dāng)遮光蓋15和光源蓋16被整體形成時(shí)，模是沿著同一方向拉的。因此，不需要額外的模。
在本實(shí)施例中，如在實(shí)施例5-1中，對(duì)遮光蓋15的表面進(jìn)行一種光噪聲處理，在遮光蓋15或光源蓋16的外壁的表面上形成了具有高反射率的一個(gè)膜，且整體形成的遮光蓋15和光源蓋16借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與主體耦合。在本實(shí)施例中，如果在光源蓋16的內(nèi)壁表面上形成了具有高反射率的一個(gè)膜，反射率增大，且照明效率得到改善。
在實(shí)施例5-1與5-2的每一個(gè)中，透鏡3-1被用于在成象平面3-2上形成一個(gè)指紋圖象。然而，也可以用一個(gè)針孔來(lái)代替透鏡3-1。
在實(shí)施例5-1(圖42)中，光學(xué)系統(tǒng)是按照光學(xué)路徑分離方法設(shè)置的，但也可以按照全反射法來(lái)設(shè)置。按照全反射法，光源6被置于棱鏡1的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)，且來(lái)自光源6的光通過(guò)棱鏡1而照射到指紋收集表面1-1上。然而，在此設(shè)置中，由于在棱鏡1的下表面?zhèn)鹊淖髠?cè)上(在光接收單元3’的相對(duì)側(cè)上)必須保證用于光源6的空間，設(shè)備大小的減小受到了限制。實(shí)施例5-2(圖44)適合于其中光學(xué)系統(tǒng)按照光學(xué)路徑分離方法設(shè)置的情況。
如從上述描述中可見(jiàn)，根據(jù)第一方面和與第一方面相聯(lián)系的第二、第四、第五、第六、和第七個(gè)方面，被直接或間接放置在指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射并從棱鏡出射的光，通過(guò)針孔，而在幾乎與棱鏡的光學(xué)指紋收集表面平行的成象平面上形成一個(gè)圖象。在此設(shè)置中，由于光學(xué)路徑比值是恒定的，且在指紋收集表面上的一點(diǎn)被成象為成象平面上的一點(diǎn)，模糊和失真能夠得到很大的減小，且能夠獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
根據(jù)第三個(gè)方面和與第三個(gè)方面相聯(lián)系的第四、第五、第六和第七個(gè)方面，第一棱鏡側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)和第二棱鏡側(cè)上的光學(xué)系統(tǒng)被彼此類(lèi)似地設(shè)置。借助這種設(shè)置，被直接或間接放置在指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射并從第一棱鏡出射的光通過(guò)該針孔，而通過(guò)第二棱鏡在成象平面成象。模糊和失真能夠同時(shí)得到消除，且因而能夠獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
根據(jù)第八個(gè)方面，成象平面相對(duì)于光軸傾斜，以防止模糊，且透鏡的中心軸線相對(duì)于該光軸傾斜以防止梯形畸變。借助這種設(shè)置，能夠在不增大來(lái)自光源的光強(qiáng)的情況下增大成象平面上形成的指紋圖象的光強(qiáng)，且能夠在模糊得到抑制的情況下大大地抑制梯形畸變的出現(xiàn)，從而獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
根據(jù)第九個(gè)方面，來(lái)自光源的光，通過(guò)切割表面，而以幾乎均勻的發(fā)散角，入射到指紋收集表面上。該光因而能夠被置于棱鏡附近，以在不造成指紋收集表面上的照明不規(guī)則的情況下實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)。即，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備尺寸的減小和指紋圖象質(zhì)量的改善。
根據(jù)第10個(gè)方面，從指紋收集表面向著成象平面?zhèn)鞑サ墓獾某上蠊鈱W(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有被遮擋，且光源的象沒(méi)有被投射到成象平面上。因此，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備尺寸的減小和指紋圖象質(zhì)量的改善。
根據(jù)第11個(gè)方面，從指紋收集表面向著成象平面?zhèn)鞑サ墓獾某上蠊鈱W(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有受到遮擋，且光源的象沒(méi)有被投射到成象平面上。另外，來(lái)自光源的光沒(méi)有受到指紋收集表面的全反射。除了第10個(gè)方面的效果之外，還能夠獲得防止全反射對(duì)指紋圖象產(chǎn)生不利影響的效果。
根據(jù)第12個(gè)方面，從指紋收集表面向著成象平面?zhèn)鞑サ墓獾某上蠊鈱W(xué)路徑在棱鏡中沒(méi)有受到遮擋，且由于為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。因而設(shè)備的尺寸能夠通過(guò)增大切割表面而得到進(jìn)一步的減小。
根據(jù)第13個(gè)方面，來(lái)自光源的光通過(guò)凹的切割表面而入射到棱鏡上。借助這種設(shè)置，能夠使至指紋收集表面的照明比其中形成平坦的切割表面的情況更為均勻。
根據(jù)第14個(gè)方面，來(lái)自光源的光通過(guò)該切割表面的凹內(nèi)表面所散射，并被切割表面的外周邊的凸表面所會(huì)聚，從而照射到指紋收集表面上。借助這種設(shè)置，能夠使成象平面上的光強(qiáng)分布更均勻。
根據(jù)第15個(gè)方面，來(lái)自光源的光通過(guò)匹配部件而入射到棱鏡上，從而以幾乎均勻的發(fā)散角照射到指紋收集表面上。借助這種設(shè)置，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備尺寸的減小和指紋圖象質(zhì)量的改善。在該設(shè)備的這種設(shè)置中，棱鏡不需要具有切割表面。另外，由于光源產(chǎn)生的熱量通過(guò)匹配部件而輻射到了棱鏡，刺激了手指的出汗。其結(jié)果，能夠獲得一個(gè)額外的效果，即獲得了清晰的指紋圖象。
根據(jù)第16方面，從光源的側(cè)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鏡上。其結(jié)果，指紋收集表面的照明效率得到改善，因而能夠在不干擾尺寸減小的情況下以低成本獲得高質(zhì)量的指紋圖象。
根據(jù)第17個(gè)方面，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被基底表面上的遮光膜所遮擋，從而不能通過(guò)基底并從后表面泄漏出去。其結(jié)果，作為噪聲進(jìn)入形成在成象平面上的指紋圖象的散射光量減小了，因而能夠在不干擾尺寸減小的情況下以低成本進(jìn)一步改善指紋圖象的質(zhì)量。
根據(jù)第18個(gè)方面，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被基底表面上的反射/遮光膜所反射，從而入射到棱鏡上。另外，從光源的側(cè)和后表面泄漏的光被基底表面上的反射/遮光膜所遮擋，從而不能通過(guò)基底并從后表面泄漏出。因而能夠獲得第16和17個(gè)方面的效果。
根據(jù)第19個(gè)方面，用于在把棱鏡的出射表面和成象平面之間的成象光學(xué)路徑與外界隔開(kāi)的同時(shí)掩蓋該光學(xué)路徑的遮光蓋，被用來(lái)可靠地防止灰塵等附著在光學(xué)系統(tǒng)上，并防止干擾光(干擾光①和②)進(jìn)入成象平面，從而獲得了高質(zhì)量的指紋圖象。另外，由于該遮光蓋起著加強(qiáng)部件的作用，光學(xué)系統(tǒng)的部件之間的定位關(guān)系能夠可靠地抵抗振動(dòng)和外力。因而能夠防止形成的圖象的偏離(大小、位置和失真)，且能夠穩(wěn)定地輸入指紋圖象。
根據(jù)第20個(gè)方面，由于對(duì)在第19個(gè)方面中的遮光蓋的內(nèi)壁的表面進(jìn)行了光噪聲處理，能夠防止從棱鏡出射的干擾光(干擾光③)作為光噪聲而進(jìn)入成象平面。
根據(jù)第21個(gè)方面，由于在第19或20個(gè)方面中的遮光蓋的外壁的表面上形成了高反射率膜，不直接從光源照射到棱鏡上的光被高反射率膜所登記，從而入射到棱鏡上。其結(jié)果，照明效率得到了改善。
根據(jù)第22個(gè)方面，由于光源蓋掩蓋了除了相對(duì)于棱鏡的出射表面?zhèn)鹊墓庠?，棱鏡的照明效率得到了改善。另外，由于遮光蓋和光源蓋整體形成的，部件的數(shù)目得到減小。其結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了成本的降低。
根據(jù)第24個(gè)方面，在一端的遮光蓋，借助安裝結(jié)構(gòu)，與對(duì)著棱鏡的出射表面的棱鏡支架的開(kāi)口相耦合，且在另一側(cè)的遮光蓋的開(kāi)口，借助安裝結(jié)構(gòu)，與成象平面外殼的開(kāi)口相耦合。因而當(dāng)這些部件借助螺釘?shù)榷蛔詈蠼M裝時(shí)，這三個(gè)部件，即棱鏡(棱鏡支架)、遮光蓋、和成象平面蓋，能夠被方便地暫時(shí)固定。另外，由于耦合部分沒(méi)有間隙，遮光效果和灰塵防止效果以及光學(xué)系統(tǒng)定位效果能夠得到改善。
權(quán)利要求
1.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即使沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面(A-B)；一個(gè)光源(10-31)，用于發(fā)出通過(guò)所述棱鏡照射到指紋收集表面上的光；設(shè)置在被放置在所述指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從所述棱鏡出射的光的光路中的一個(gè)針孔(PH)；以及一個(gè)成象平面(I-J)，在該成象平面上從所述棱鏡出射并通過(guò)所述針孔的光形成一個(gè)象；其中當(dāng)所述棱鏡被空氣所取代時(shí)，與所述指紋收集表面等價(jià)的光學(xué)指紋收集表面被設(shè)置為基本上與所述成象平面相平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中當(dāng)該光學(xué)指紋收集表面相對(duì)于該指紋收集表面有所失真時(shí)，所述成象平面被轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)定角度。
3.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)第一棱鏡(1)，它被這樣設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被用作指紋收集表面(A-B)；一個(gè)光源(10-31)，用于使光通過(guò)所述第一棱鏡而照射到該指紋收集表面上；一個(gè)針孔(PH)，它被設(shè)置在被放置在所述指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從所述第一棱鏡出射的光的光路中；一個(gè)成象平面(I-J)，在該成象平面上從所述第一棱鏡出射并通過(guò)所述針孔的光形成一個(gè)象；以及一個(gè)第二棱鏡(4)，它被設(shè)置在所述成象平面之前；其中所述第一棱鏡的指紋收集表面被設(shè)置為基本上與所述成象平面相平行，所述第一棱鏡的指紋收集表面被設(shè)置為基本上與在成象平面?zhèn)鹊乃龅诙忡R的一個(gè)表面相平行，且所述第一棱鏡相對(duì)于所述針孔的一個(gè)出射表面被設(shè)置為基本上與所述第二棱鏡相對(duì)于所述針孔的一個(gè)入射表面相平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)所述針孔的位置的針孔位置調(diào)節(jié)裝置(10-35)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中所述針孔位置調(diào)節(jié)裝置由一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，且所述設(shè)備進(jìn)一步包括用于顯示在所述成象平面上所成的指紋圖象的顯示部分(10-2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中所述針孔位置調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)所述針孔的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述光源是LED或激光束發(fā)射器。
8.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置即—使得沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被用作指紋收集表面(A-B)；一個(gè)光源(6)，用于把光通過(guò)所述棱鏡而照射到該指紋收集表面上；一個(gè)針孔，它被設(shè)置在被放置在所述指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從所述棱鏡出射的光的路徑中；設(shè)置在所述針孔的后側(cè)附近的一個(gè)透鏡(5-2)；一個(gè)成象平面(a-b)，在其上從所述棱鏡出射并通過(guò)所述針孔和所述透鏡的光形成了一個(gè)象；其中當(dāng)連接該指紋收集表面的中心與所述成象平面的中心的直線是一條光軸時(shí)，所述成象平面相對(duì)于該光軸傾斜以防止模糊，且所述透鏡的一條中心軸線相對(duì)于該光軸傾斜以防止梯形畸變。
9.一種指紋輸入設(shè)備，其中一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被用作指紋收集表面(1-1)，一個(gè)光源(6)，用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到指紋收集表面上，以及一個(gè)成象平面(3-2)，在其上被指紋收集表面所反射、并從所述棱鏡出射的光形成了一個(gè)象按照光學(xué)路徑分離方法設(shè)置，其特征在于在距與該指紋收集表面相對(duì)的所述棱鏡的一個(gè)頂點(diǎn)一定距離處形成了一個(gè)切割表面(1-3)，且所述光源與所述棱鏡的該切割表面相對(duì)地設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中該切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至所述成象平面的光的成象光學(xué)路徑?jīng)]有被阻擋且所述光源的象沒(méi)有被投射到所述成象平面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中該切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至所述成象平面的光的成象光學(xué)路徑?jīng)]有被阻擋、所述光源的象沒(méi)有被投射到所述成象平面上且來(lái)自所述光源的光沒(méi)有被該指紋收集表面所全反射。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中該切割表面是在這樣的條件下形成的—即從指紋收集表面至所述成象平面的光的成象光學(xué)路徑?jīng)]有被阻擋，且對(duì)切割表面上的一個(gè)區(qū)域—所述光源的象能夠被投射到該區(qū)域上—提供了光遮擋。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述棱鏡的切割表面是一個(gè)凹表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述棱鏡的切割表面具有一個(gè)凸出的外周邊。
15.一種指紋輸入設(shè)備，其中借助光學(xué)路徑分離方法而設(shè)置了一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面(1-1)，一個(gè)光源(6)，用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上，以及一個(gè)成象平面(3-2)，在其上被指紋收集表面所反射、并從所述棱鏡出射的光形成了一個(gè)象，其特征在于所述光源以通過(guò)具有預(yù)定的折射率的一個(gè)匹配部件(9)而與所述棱鏡相接觸的方式設(shè)置。
16.一種指紋輸入設(shè)備，包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面(A-B)，以及一個(gè)光源，它被安裝在基底(11)的一個(gè)表面上并用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上，其特征在于在其上安裝有光源的該基底的表面上形成了具有高反射率的一個(gè)膜11-1。
17.一種指紋輸入設(shè)備，包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面(A-B)，以及一個(gè)光源，它被安裝在基底(11)的一個(gè)表面上并用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上，其特征在于在其上安裝有光源的該基底的表面上形成了用于遮擋光的一個(gè)膜(11-1’)。
18.一種指紋輸入設(shè)備，包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面(A-B)，以及一個(gè)光源，它被安裝在基底(11)的一個(gè)表面上并用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上，其特征在于在其上安裝有光源的該基底的表面上形成了具有高反射率并用于遮擋光的一個(gè)膜(11-1″)。
19.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣地設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被用作指紋收集表面(1-1)；一個(gè)光源(6)，用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上；一個(gè)成象平面(3-2)，在其上被設(shè)置在該指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從所述棱鏡出射的光形成了一個(gè)象；一個(gè)棱鏡支架(13)，用于保持所述棱鏡以固定該指紋收集表面，從而使該指紋收集表面與一個(gè)主體外殼(14)的一個(gè)指紋臺(tái)部分開(kāi)口(14-1)相對(duì)，所述棱鏡支架至少在與所述棱鏡的一個(gè)出射表面相對(duì)的一個(gè)表面部分和其上入射有來(lái)自所述光源的光的所述棱鏡的一個(gè)入射表面上具有一個(gè)開(kāi)口；以及一個(gè)遮光蓋(15)，用于掩蓋所述棱鏡的出射表面與所述成象平面之間的一個(gè)成象光學(xué)路徑，并同時(shí)把該光學(xué)路徑與外界相隔絕。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中對(duì)所述遮光蓋的內(nèi)壁的表面進(jìn)行了光噪聲處理。
21.根據(jù)權(quán)利要求19和20中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中在所述遮光蓋的一個(gè)外壁的表面上形成了具有高反射率的膜。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述光源除了相對(duì)于所述棱鏡的出射表面?zhèn)鹊囊粋€(gè)部分以外都被一個(gè)光源蓋(16)所掩蓋，且所述遮光蓋和所述光源蓋是整體形成的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的設(shè)備，其中在所述光源蓋的內(nèi)壁的一個(gè)表面形成了具有高反射率的膜。
24.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)棱鏡(1)，它被這樣設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的一個(gè)表面被用作指紋收集表面(1-1)；一個(gè)光源(6)，用于通過(guò)所述棱鏡把光照射到該指紋收集表面上；一個(gè)成象平面(3-2)，在其上被放置在該指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從所述棱鏡出射的光形成了一個(gè)象；一個(gè)棱鏡支架(13’)，用于保持所述棱鏡以固定指紋收集表面，從而使指紋收集表面與主體外殼(14’)的一個(gè)指紋臺(tái)部分開(kāi)口(14-1)相對(duì)，所述棱鏡支架至少在與所述棱鏡的一個(gè)出射表面相對(duì)的一個(gè)表面部分和其上入射有來(lái)自所述光源的光的所述棱鏡的一個(gè)入射表面上具有開(kāi)口(13-1，13-2)；一個(gè)成象平面外殼(3-3’)，用于容納所述成象平面，所述外殼具有在所述棱鏡的出射表面?zhèn)壬系囊粋€(gè)開(kāi)口(3-3a)；以及一個(gè)遮光蓋(15)，用于掩蓋所述棱鏡的出射表面與所述成象平面之間的一個(gè)成象光學(xué)路徑，并同時(shí)使該光學(xué)路徑與外界隔絕，其中在所述遮光蓋的一個(gè)端部的一個(gè)開(kāi)口借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與同所述棱鏡的該出射表面相對(duì)的所述棱鏡支架的該開(kāi)口相耦合，且在所述遮光蓋的另一端上的一個(gè)開(kāi)口借助一種安裝結(jié)構(gòu)而與所述成象平面外殼的該開(kāi)口相耦合。
全文摘要
一種指紋輸入設(shè)備包括一個(gè)棱鏡、一個(gè)光源、一個(gè)針孔以及一個(gè)成象平面。該棱鏡被這樣地設(shè)置—即使得沿著一個(gè)方向的表面被用作指紋收集表面。光源通過(guò)棱鏡把光照射到指紋收集表面上。該針孔被設(shè)置在從光源入射到棱鏡上、被放置在指紋收集表面上的手指的圖案表面所反射、并從棱鏡出射的光的路徑中。從該棱鏡出射并通過(guò)針孔的光在該成象平面上形成一個(gè)象。當(dāng)棱鏡被空氣代替時(shí),與指紋收集表面等價(jià)的一個(gè)光學(xué)指紋收集表面被設(shè)置為基本上與成象平面平行。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1187654SQ97125449
公開(kāi)日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1997年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月6日
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