專利名稱：指紋輸入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種指紋輸入裝置，更具體地說，涉及一種通過二維圖像傳感器獲得指紋圖像的光學(xué)指紋輸入裝置。
背景技術(shù)：
作為使用二維圖像傳感器的光學(xué)指紋輸入裝置，其公知技術(shù)領(lǐng)域包括光學(xué)反射型指紋輸入裝置和光學(xué)透射型指紋輸入裝置。近年來，人們將注意力集中到光學(xué)透射型指紋輸入裝置中來。在光學(xué)透射型指紋輸入裝置中，光線首先進(jìn)入到手指內(nèi)部，并在手指內(nèi)部擴(kuò)散，透射光通過手指的表面發(fā)射出來。采集出射光即可獲得指紋圖像。在光學(xué)透射型指紋輸入裝置中，由于與將手指表面作為客體表面獲取指紋圖像的方式相比，從手指的皮膚上發(fā)射出來的光線數(shù)量更均勻，從而指紋識(shí)別或檢驗(yàn)更加穩(wěn)定和可靠。如果獲得光線的數(shù)量不均勻，則需要大量的計(jì)算以對其進(jìn)行修正。在這種情況下，將很難減小指紋輸入裝置的價(jià)格、體積及其能耗。所以指紋輸入裝置中的光線數(shù)量需要實(shí)現(xiàn)均勻一致。為達(dá)到這種要求，將光線從與作為手指測量表面的目標(biāo)表面相對的手指相對側(cè)入射。
另一方面，為了滿足近年來對指紋輸入裝置的體積和厚度的需求，常采用如圖1至圖3所示的方法。具體地說，在圖1所示的方法中，光源中發(fā)射出來的光線入射到手指的端部。在圖2A和圖2B所示的方法中，從作為光源的發(fā)光二極管中發(fā)射出來的光線入射到手指的側(cè)面中。在圖3所示的方法中，從發(fā)光二極管中發(fā)出的光線入射到手指的測量表面上。
然而，在這些方法中，測量表面中的光線數(shù)量并不均勻。為了對光線數(shù)量的不均勻性進(jìn)行修正，不可避免地要求大量的計(jì)算工作。
下面參見圖4對一種已有技術(shù)中采用的方法進(jìn)行說明。在該方法中，采用由一束多根光纖組成的光纖板100即光纖束來獲取指紋圖像。每一根光纖與光纖板100的手指接觸表面的法線方向均具有一定傾斜角度。這種方法一般采用光學(xué)透射系統(tǒng)作為入射光系統(tǒng)。通常光線從位于與手指測量表面相對的相對側(cè)發(fā)光單元入射(參見圖4)或者通過位于手指側(cè)面的光源入射(參見圖2A和圖2B)。而如圖1所示的采用將光線入射到上述手指端部的方法則比較少見。
這種采用光纖板的方法也可以應(yīng)用到光學(xué)反射型指紋輸入裝置中。如圖5所示，從光源中發(fā)射出來的光線從手指的側(cè)面或者與手指的側(cè)面成一定傾斜角度的方向入射到光纖板上的光纖束上，導(dǎo)入到手指的測量表面上，并在指紋谷部上發(fā)生擴(kuò)散反射，接著導(dǎo)入到光纖束中。
下面參照圖6，對另一種現(xiàn)有技術(shù)中采用的方法進(jìn)行說明。該方案中采用光線傳播環(huán)110對手指進(jìn)行定位。從發(fā)光二極管中發(fā)射出來的光線沿環(huán)110下端或與環(huán)110下端成一定傾斜角度的方向發(fā)射出來并透過環(huán)110入射到位于光纖板100上的手指中。從手指透射的光線通過光纖板100上的光纖束導(dǎo)入到二維傳感器中。在此例中，光線通過作為光線導(dǎo)向裝置的環(huán)100導(dǎo)入到手指中。這樣，光線從手指的側(cè)面入射到手指中。
圖7A和圖7B示出了一種現(xiàn)有技術(shù)中的指紋輸入裝置，其包括光纖板100′，其由用于將從發(fā)光二極管發(fā)射出的光線導(dǎo)入到手指中的照明光纖和用于將光線透過手指導(dǎo)入到二維傳感器中的測量光纖構(gòu)成。如圖7B所示，照明光纖與測量光纖形成一定的傾斜角度。
在采用二維傳感器和具有較薄外形(不使用透鏡或棱鏡)的指紋輸入裝置中，二維傳感器將受到手指上聚集的靜電荷的影響。如果靜電荷具有較高的電能，將損壞二維傳感器。為了消除靜電荷的影響，當(dāng)傳感器是光學(xué)傳感器時(shí)，在傳感器表面形成一層如二氧化錫透明電極層并進(jìn)行接地處理。
在傳感器是靜電容性的傳感器時(shí)，防靜電電極不能應(yīng)用到傳感器表面上。如圖8A和圖8B所示，附圖標(biāo)號17所示的靜態(tài)電容性傳感器設(shè)置有的導(dǎo)電外殼16，該導(dǎo)電外殼相對較寬，形成在環(huán)繞傳感表面或者測量表面上并進(jìn)行接地處理。
近年來，人們的注意力集中于提供光學(xué)指紋輸入裝置的穩(wěn)定性和分辨率。同時(shí)隨著移動(dòng)或蜂窩式電話的推廣及移動(dòng)電話在通話功能之外的使用范圍的擴(kuò)大，安全性問題，特別是個(gè)人認(rèn)證方面的安全性要求越來越高。這樣有必要提供一種具有穩(wěn)定、可靠操作性能，同時(shí)具有較小體積、厚度、能耗及其較低價(jià)格的指紋輸入裝置。在上述背景技術(shù)中，主要采用的是使用光纖板和二維傳感器的指紋輸入裝置。
在上述類型的指紋輸入裝置中，指紋匯聚部分具有較薄的厚度。然而在光發(fā)射結(jié)構(gòu)中，由于降低光線數(shù)量不均勻性與降低體積及厚度之間的折中考慮，目前還沒用形成滿意的技術(shù)方案。為了實(shí)現(xiàn)測量表面的光線數(shù)量不均勻性的最小化，最好的方式是使光線從手指上與測量表面相對的背面投射光線，即從指甲一側(cè)的方位進(jìn)行投射。然而，這種方法需要比手指厚度大一些的空間，從而不能應(yīng)用到超微裝置，例如越來越普及的移動(dòng)電話中。這樣，由于受到空間的限制，所以只能采用從手指的側(cè)面或者從手指的測量表面的側(cè)面入射光線的方案。然而，從側(cè)面入射光線或從手指測量表面的側(cè)面入射光線在以下方面具有缺點(diǎn)。
舉例來說，對圖6所示的方法進(jìn)行一些分析。在該方法中，光線透過作為手指定位導(dǎo)向裝置的光線傳播環(huán)110從手指的下端沿傾斜角度射出。具體地說，從發(fā)光二極管發(fā)射出的光線射入到空氣中，接著進(jìn)入到作為手指定位導(dǎo)向裝置的光線傳播環(huán)110中。運(yùn)用此種裝置，光學(xué)損失較大，為了補(bǔ)償該光學(xué)損失，必須增加光源的亮度。這樣就使得該裝置的能耗增大。另一方面，為了補(bǔ)償不足的光線數(shù)量而不增加能耗，光線必須透過作為手指定位導(dǎo)向裝置的環(huán)110從靠近測量表面的位置射出。如此則使測量表面中的光線數(shù)量的不均勻性增加。
如圖1所示的光線入射到手指端部的例子中，從光源中發(fā)射出來的光線經(jīng)常直接進(jìn)入到與測量表面正對的光纖中。另外，位于靠近手指基線的部分接收到光線數(shù)量不足。
在圖7A、圖7B和圖5所示的方法中，光線直接入射到手指的測量表面中。
在圖7A和圖7B中，用于發(fā)射光線的照明光纖設(shè)置于靠近用于測量指紋的測量光纖并與測量光纖形成一定的傾斜角度。從發(fā)光二極管發(fā)射出的光線通過照明光纖入射到手指中。另外，此例中的光纖板必須通過相互之間延伸方向不同的照明光纖和測量光纖組合而成。這樣將導(dǎo)致制造成本增加。因此，這種方法不能滿足降低制造成本的要求。
如在圖5所示，光纖從光纖板上光纖束的下端沿傾斜角度入射到手指中。在此例中，可以不設(shè)置照明光纖。光線通過測量光纖(包括覆層部分)入射到手指的測量表面上。在指紋谷部擴(kuò)散到空氣層中的光線作為亮點(diǎn)部件進(jìn)行測量。這樣，該方法基本上是一種光學(xué)反射型測量方法。另一方面，外部光線(白天進(jìn)行測量的情形)起到光學(xué)透射型測量的效果。如此，這種方法存在抵消的問題，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的測量結(jié)果。
下面參照日本3,045,629號專利的權(quán)利要求3，對作為公知小尺寸指紋輸入裝置的技術(shù)方案予以說明。與本發(fā)明相近似的作用原理是公知的。該操作原理基于這樣的事實(shí)，當(dāng)光線直接入射到作為客體的手指中并在手指中擴(kuò)散之后發(fā)射出來，從指紋上的凹進(jìn)部分(谷部)和突起部分(脊部)發(fā)射出來的分散部分的光線入射到光纖板上的光纖上的程度不同。具體地說，因?yàn)橥黄鸩糠值哪┒伺c光纖的端面相接觸，從突起部分發(fā)射出來的光線的分散部分入射到光纖上將產(chǎn)生與光纖的開口角度有關(guān)的小幅損失。另一方面，從凹進(jìn)部分發(fā)射出來的光線分散部分在指紋的谷底進(jìn)入到空氣層中。透過空氣層的分散光線部分在光纖板的手指接觸表面發(fā)生反射，其反射比隨著與手指接觸表面的法線方向之間的入射角的增大而增大。這樣，如果光纖軸線傾斜角增大從而反射比增加并且光纖的數(shù)值孔徑較小時(shí)，從空氣層發(fā)射出來的分散光線部分幾乎不進(jìn)入到光纖中。而對突起部分來說，在邊界表面的反射非常小，從而這種影響也非常小。由此，突出部分分散出來的光線部分與從凹進(jìn)部分分散出來的光線部分入射到光纖中的比率不同。這樣即形成了一種將有力的對比。上述原理已經(jīng)在美國4,932,776號專利中予以公開。另一方面，根據(jù)日本3,045,629號專利的權(quán)利要求3所述，從空氣層發(fā)射出來的光線在指紋的谷部進(jìn)入到光纖束時(shí)存在一個(gè)極限角度，而且光纖的軸線必須傾斜，這樣該極限角度超出光纖的數(shù)值孔徑，即超出全反射的極限角度范圍之外。然而，當(dāng)光線從空氣層入射到比空氣具有較大折射率的光纖中時(shí)，本原理中的極限角度并不存在，而反射比僅僅隨著角度的增加而增加。如圖9所示，入射角等于85度，假設(shè)反射比為50％的對應(yīng)于極限角度。這樣，光纖的軸線必須傾斜85度。在這種情況下，光纖的端面呈長橢圓形。橢圓的長軸方向和短軸方向的精確度差別相當(dāng)大。這樣將產(chǎn)生長軸方向的精確度降低的缺點(diǎn)?？紤]上述各種因素，有必要在美國4,932,776號專利公開原理的基礎(chǔ)上尋找最佳的條件。
在采用光纖板的方法中，聚集在手指上的靜電荷的強(qiáng)電能對用作圖像傳感器的大規(guī)模集成電路造成影響。所以對靜電荷必須予以消除。在上述現(xiàn)有技術(shù)中，傳感器的測量表面設(shè)置有由于錫薄層構(gòu)成的透明電極層，例如氧化銦錫薄層。然而，這種薄層電阻較大，這樣大量靜電荷不能夠同時(shí)被消除。另外，消除靜電荷可能使薄層的性能下降。還有，由于薄層長時(shí)間地、反復(fù)與手指接觸產(chǎn)生磨損，從而使靜電荷的消除能力降低。如圖8A和圖8B所示，靜態(tài)電容性傳感器17設(shè)置有較寬的導(dǎo)電外罩16，由于防靜電電極例如氧化銦錫薄層不能使用到表面上，其作為防靜電外罩環(huán)繞在測量表面的周圍。然而，靜態(tài)電容性傳感器17的表面不能通過較厚絕緣層或其類似物進(jìn)行保護(hù)。這樣，如果手指在靠近防靜電外罩之前首先靠近傳感器周圍時(shí)，靜電荷向傳感器釋放從而損壞傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種體積減小的光學(xué)透射型指紋輸入裝置，其通過設(shè)置光源從而使光源中發(fā)射出來的光線入射到手指的大致中心包括手掌一側(cè)的第一指節(jié)或者關(guān)節(jié)的部分，同時(shí)光源設(shè)置成與手指接觸。
根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入裝置結(jié)構(gòu)如下(1)一種指紋輸入裝置，其包括用于發(fā)射光線的光源和光纖板，該光纖板具有手指接觸表面，其通過與手指接觸來獲取手指的指紋圖像，通過將光源中發(fā)出的光線導(dǎo)入到手指的側(cè)面以使光線在手指中擴(kuò)散，并收集透過手指的表面從手指中發(fā)射出來的光線以形成指紋圖像的方式來獲得指紋圖像，其中光源設(shè)置成使從光源中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到手指的大致中心部分的位置，該部分包括手指的手掌一側(cè)的第一指節(jié)，并且光源調(diào)節(jié)成與手指接觸。
(2)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于手指上包括手掌一側(cè)第一指節(jié)的部分是手指上以的第一指節(jié)為基準(zhǔn)的靠近指尖方向10毫米的直線和以第一指節(jié)為基準(zhǔn)的遠(yuǎn)離指尖方向10毫米的另一不同直線之間的部位。
(3)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于板是由多根光纖組成的光纖束構(gòu)成的光纖板。
(4)如(3)的指紋輸入裝置，其特征在于光纖板中的各個(gè)光纖的光纖軸線朝手指的基線傾斜、與板的手指接觸表面的法線形成預(yù)定的傾角，該傾角與法線之間的傾角落入到45度到60度之間的范圍。
(5)如(3)的指紋輸入裝置，其特征在于的光纖板具有由接地的導(dǎo)電物質(zhì)包圍的周緣端面。
(6)如(5)的指紋輸入裝置，其特征在于的導(dǎo)電物質(zhì)設(shè)置成攀升到光纖板的手指接觸表面的終端部分。
(7)如(5)的指紋輸入裝置，其特征在于的導(dǎo)電物質(zhì)為遮光物質(zhì)。
(8)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于光纖板的手指接觸表面具有突起部分，該突起用于對手指進(jìn)行定位并且其具有手指除了包括第一指節(jié)的部分以外的指尖由突起部分包圍的外形，突起部分具有使與手指正對的一個(gè)側(cè)面沿手指方向延伸的部分。
(9)如(8)的指紋輸入裝置，其特征在于其還包括輔助光源，突起部分從輔助光源中傳播光線。
(10)如(9)的指紋輸入裝置，其特征在于突起部分具有由與手指正對的部分的一個(gè)側(cè)面限定的傾斜表面，該傾斜表面設(shè)置成與手指相吻合，傾斜表面具有形成于靠近手指基線的第一半部位的遮光部分，從輔助光源中發(fā)射出來的光線從靠近手指指尖的傾斜表面的第二半部分向手指發(fā)射光線。
(11)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于光源設(shè)置成發(fā)射出波長在820納米到980納米之間的近紅外光線。
(12)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于光源包括用于發(fā)射光線的發(fā)光基片和由透光塑料材料制成并包圍發(fā)光基片的外殼；透光塑料材料的折射率不大于1.8的手指皮膚的折射率。
(13)如(1)的指紋輸入裝置，其特征在于板設(shè)置有位于其周緣用于發(fā)射光線將手指導(dǎo)向到正確位置的導(dǎo)向光源。


圖1是說明將光線發(fā)射到手指端面的現(xiàn)有技術(shù)的視圖。
圖2A和圖2B是說明從手指側(cè)面發(fā)射光線的現(xiàn)有技術(shù)的俯視圖和截面圖。
圖3是說明從手指的下部側(cè)面發(fā)射光線的現(xiàn)有技術(shù)的視圖。
圖4是顯示另一現(xiàn)有技術(shù)的視圖。
圖5是顯示另一現(xiàn)有技術(shù)的視圖。
圖6是顯示另一現(xiàn)有技術(shù)的視圖。
圖7A和圖7B分別是顯示已有指紋輸入裝置的示意圖和用于該裝置中的光纖板的透視圖。
圖8A和圖8B分別是顯示現(xiàn)有技術(shù)中的靜態(tài)電容性傳感器的透視圖和截面圖。
圖9是顯示當(dāng)光線從指紋谷底(空氣)中進(jìn)入到光纖時(shí)透光率和入射角之間關(guān)系的視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的指紋輸入裝置的示意圖。
圖11是顯示通過圖10(第一指節(jié)下面置有發(fā)光二極管)所示的指紋輸入裝置的二維傳感器讀取的指紋圖像的亮度分布視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的指紋輸入裝置的示意圖。
圖13是顯示手指中光線方向分布的視圖。
圖14A和圖14B是分別顯示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的指紋輸入裝置的部分的透視圖和截面圖。
圖15A和圖15B是分別顯示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的指紋輸入裝置中的部件的透視圖和截面圖。
圖16是顯示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的指紋輸入裝置的示意圖。
圖17是顯示根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的指紋輸入裝置的示意圖。
圖18是顯示根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的指紋輸入裝置的示意圖。
圖19是顯示當(dāng)發(fā)光二極管外殼與手指接觸時(shí)(外殼材料和手指(100％接觸))，發(fā)光二極管外殼材料(P)的折射率和透光度之間關(guān)系的視圖。
圖20A和20B是分別顯示根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施方式的指紋輸入裝置中的部件的示意圖和俯視圖。
圖21是顯示通過在第一結(jié)合點(diǎn)下面不設(shè)置發(fā)光二極管時(shí)，指紋輸入裝置通過二維圖像傳感器讀取的指紋圖像中亮度分布的視圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明中的幾種優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說明。
首先參見圖10，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的裝置屬于光學(xué)透射型指紋輸入裝置，其包括光纖板3和發(fā)射光線的光源2，光纖板具有手指接觸表面，這樣手指1與其接觸以獲取手指1的指紋圖像。從光源2發(fā)射出來的光線首先導(dǎo)入到手指1內(nèi)部，并在手指1內(nèi)部擴(kuò)散，接著透過手指1的表面，作為出射光從手指1中穿透出來。采用出射光即可以獲得指紋圖像。光源2設(shè)置成從光源2中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到手指1上包括手掌一側(cè)的第一指節(jié)的大體中心部分，同時(shí)光源2設(shè)置成與手指1接觸。
在優(yōu)選方式中，手指1上包括手掌側(cè)面第一指節(jié)部分是手掌側(cè)面上手指1的第一指節(jié)上、下10mm的部位。具體地說，手指上包括手掌側(cè)面第一指節(jié)的部分是手指的手掌一側(cè)上在靠近手指指尖10mm的直線和遠(yuǎn)離指尖方向距離第一指節(jié)10mm的另一不同直線之間的部位。
光纖板3包括多個(gè)光纖束。從光源發(fā)出的光線首先導(dǎo)入到手指1中，接著在手指1中擴(kuò)散，并作為出射光從手指1的表面發(fā)射出來。出射光通過光纖板3中的光纖導(dǎo)入到二維傳感器4中。在出射光輸入時(shí)，二維傳感器4上形成指紋圖像。
指紋輸入裝置具有測量表面(或手指接觸表面)，其設(shè)置有形成在除了光源2和光纖板3之外的其他部位上的遮光部分8。
通過二維傳感器4形成的指紋圖像輸入到指紋圖像處理電路24中。當(dāng)指紋圖像輸入時(shí)，指紋圖像處理電路24對指紋圖像進(jìn)行預(yù)定的圖像處理并產(chǎn)生圖像處理輸出信號。指紋圖像處理電路24將圖像處理輸出信號輸出到指紋檢驗(yàn)電路25中。指紋檢驗(yàn)電路25進(jìn)行指紋檢驗(yàn)處理。
如上所述，本發(fā)明基于這樣的基本技術(shù)，光源2設(shè)置成從光源2中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到手指1上包括手掌一面的第一指節(jié)的部分的大體中心位置，并且光源2調(diào)節(jié)成與其手指1形成接觸。
在現(xiàn)有技術(shù)中，光線的發(fā)射通過下述方法實(shí)現(xiàn)。從光源中發(fā)射出來的光線首先進(jìn)入到空氣中，接著入射到手指中。作為替代方式，從光源中發(fā)射出來的光線穿過空氣，進(jìn)入到手指定位導(dǎo)向裝置或類似裝置中，接著從手指導(dǎo)向裝置中發(fā)射出來，然后進(jìn)入到手指中。這樣光線中50％-80％的光線數(shù)量損失掉了。為了補(bǔ)償這種損失，光線必須從靠近測量部分的位置導(dǎo)入到手指中。在測量部位上，靠近光線導(dǎo)入位置的中心區(qū)域和周邊區(qū)域的光線數(shù)量具有相當(dāng)大的差異。這種差異對獲得穩(wěn)定和可靠的測量構(gòu)成妨礙。
在本發(fā)明中，位于手指1的第一指節(jié)和指尖中間位置的中間部分用作測量部分。近紅外線光源2位于對應(yīng)于第一指節(jié)的位置并與測量部位間隔開一定的距離。當(dāng)光源超過上述距離時(shí)，手指1中的光線發(fā)散，這樣光線數(shù)量的不均勻性降低。作為對比方式，如果光線從手指1的側(cè)面入射，中心位置的光線將不均勻且數(shù)量不足，這樣中心位置的指紋圖像將呈現(xiàn)暗色。在本實(shí)施方式中，通過將光源2設(shè)置在對應(yīng)于第一指節(jié)的位置，從光源2中發(fā)射出來的光線不僅入射到靠近第一指節(jié)的測量表面的一部分上并且對上述呈現(xiàn)暗色的測量表面到指尖的中心區(qū)域的光線數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，對比度增加并且光線數(shù)量的不足得到抑制。
從圖11所示的實(shí)際測量情況(通過圖10所示的二維圖像傳感器4讀取的亮度分布圖)可以直觀地看出上述效果。另外，在本發(fā)明中，手指1與光源2形成壓力接觸。這樣，光線不通過空氣從而在手指1和光源2之間的邊緣部位的光線損失減小。換句話說，由于光學(xué)損失小，光源2通過低功率電源驅(qū)動(dòng)即可以滿足要求。具體地說，通過將光源2設(shè)置在靠近第一指節(jié)的位置，即可以獲得足夠的光照效果以形成指紋圖像，又可以實(shí)現(xiàn)抑制光線數(shù)量中的不均勻性的均衡效果。通過采用上述基本技術(shù)，可以相當(dāng)大地抑制或者降低現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。然而，通過采用下述技術(shù)方案，實(shí)際使用中的性能和穩(wěn)定性將進(jìn)一步提高。
(1)下面參照圖12對根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式中的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。光纖板3中的每根光纖具有與手指1的基線成一定傾斜角度的光纖軸線，其相對于光纖板3的手指接觸表面的法線形成傾角(45度至60度之間)。
通過采用這種結(jié)構(gòu)，光線數(shù)量的不均勻性減小，而對比度將提高。因此即使在不良的測量條件下，仍然可以獲得穩(wěn)定的測量后果。
下面參照圖13對具有上述效果的機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。在圖13中，各個(gè)箭頭19代表入射到手指上各點(diǎn)的光線或者從各點(diǎn)發(fā)射出作為光源的光線的強(qiáng)度和方向。附圖標(biāo)號20表示光纖的覆層部分，21表示光纖的芯體，22表示指紋的突起部分(脊部)，23表示光纖的凹進(jìn)部分(谷部)，P0表示作為二維光源的位置，P1表示靠近二維光源的位置，P2表示遠(yuǎn)離二維光源的位置，P3表示靠近二維光源的指紋突起部分的位置，P4表示靠近二維光源的指紋凹進(jìn)部分的位置，P5表示遠(yuǎn)離二維光源的指紋突起部分的位置，P6表示遠(yuǎn)離二維光源的指紋凹進(jìn)部分的位置，P0-18至P6-18表示在P0至P6位置的光線分布方向，θc表示光纖中的發(fā)生全反射傳播的極限角度。
手指具有適于擴(kuò)散光線的本性。這樣，手指中的光線分布大致接近如圖13所示的圓形。具體地說，可以考察入射到圖13中指定點(diǎn)的光線的方向。首先假設(shè)P0為由手指骨骼或類似物形成的二維光源的中心位置。因此，從二維光源的中心位置P0發(fā)出的光線具有較強(qiáng)的光線分布。然而，光線也從其它方向發(fā)出，這樣光線方向的分布圖呈橢圓形(圖13所示的P1-18和P2-18)。同時(shí)，從手指突起部分上也可以觀察到上述特性。然而，由于谷部或類似物的形狀的影響，其方向稍微發(fā)生變化(圖13所示的P3-18和P5-18)。如果光纖的軸線朝向該方向，將有更多數(shù)量的光線導(dǎo)入到光纖全反射的極限角度(圖13中的θc)范圍之內(nèi)，這樣使得光亮部分變得更加明亮。另一方面，在指紋谷部進(jìn)入到空氣層中的光線明顯地?cái)U(kuò)散，由于在手指和空氣的邊界發(fā)生折射，并且在谷部和手指之間發(fā)生反射。這樣，光線方向分布圖更加接近于圓形(圖13所示的P4-18和P6-18)。另外，在光纖的端面和空氣之間的邊界將產(chǎn)生折射。這樣入射到光纖中的光線進(jìn)一步減小?；谏鲜鲈颍c光纖傾斜軸線時(shí)，谷部的光線并不具有重要的檢驗(yàn)性。進(jìn)一步說，反射過程并不存在極限角度。如圖9所示，如果傾角(入射角θ1)等于或者大于80度，反射將增強(qiáng)。因此，光纖傾斜的角度和方向與光源的位置有關(guān)并具有最優(yōu)值。通過試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用光纖板的最優(yōu)方式，其中光纖軸線相對于其法線方向傾斜形成45至60度角度，并將光纖朝向位于第一指節(jié)附近位置的光源。
(2)參照圖14A和圖14B對根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。光纖板3具有被導(dǎo)電物質(zhì)13包繞的周緣端面。導(dǎo)電物質(zhì)13進(jìn)行接地處理。
下面參照圖15A和圖15B對本發(fā)明第四實(shí)施方式中的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。導(dǎo)電物質(zhì)13攀升到光纖板3的手指接觸表面的端部15上。
導(dǎo)電物質(zhì)13同時(shí)是一種遮光物質(zhì)。
在現(xiàn)有纖薄外形的指紋輸入裝置中，雖然采用光學(xué)傳感器，但是手指上聚集的靜電荷對二維圖像傳感器4性能的影響或?qū)鞲衅?的破壞影響是不能忽略的。這樣就需要配置有效地防靜電的裝置。在本發(fā)明中，光纖板3的周緣端面由既具有導(dǎo)電性能又具有遮光性能的導(dǎo)電物質(zhì)13如金屬所包圍。導(dǎo)電物質(zhì)的一部分可攀升至手指接觸表面的末端部分15。通過使導(dǎo)電物質(zhì)3接地，這樣聚集在手指上的靜電荷能夠有效地傳導(dǎo)出去。另外，導(dǎo)電物質(zhì)13的另一個(gè)作用是起到防止外部干擾光線進(jìn)入到光纖板3，通過側(cè)表面進(jìn)入到裝置中的作用。這樣，導(dǎo)電物質(zhì)3具有雙重功效。
(3)下面參見圖16對本根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施方式的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。光纖板3上的手指接觸表面設(shè)置有突起部分5，該突起設(shè)置成包圍手指1上除了包括上述包括第一指節(jié)的部分的指尖，以此來實(shí)現(xiàn)手指1的定位。突起部分5具有使與手指1正對的側(cè)面沿手指1方向延伸的部位。
下面參照圖17對根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。突起部分15具有輔助光源(例如發(fā)光二極管芯片)6。從輔助光源6中發(fā)射出來的光線穿透突起部分5。
這樣，如圖16和圖17所示，突起部分5起到用于對手指1的定位進(jìn)行導(dǎo)向以實(shí)現(xiàn)指紋測量的作用。導(dǎo)向裝置(突起部分5)可以透光并且通常具有三角形部分。導(dǎo)向裝置中只有與手指1接觸的上表面具有與手指1的曲面相吻合的表面，這樣當(dāng)手指與其接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不舒適的感覺。由于存在導(dǎo)向裝置(突起部分5)，手指的接觸區(qū)域增加，這樣從導(dǎo)向裝置中發(fā)射出來的照明光線導(dǎo)入到手指1中，從而使其中的光線數(shù)量進(jìn)一步增加。由于導(dǎo)向裝置部分(突起部分5)通常呈三角形，與手指1正對的相反側(cè)面(表面)反射的光線轉(zhuǎn)向手指1。在手指1和與手指1相接觸的上表面的邊界上，導(dǎo)向裝置(突起部分5)和手指1的皮膚之間的折射率幾乎沒有差別。這樣光線幾乎全部傳播到手指1中。在手指1是一個(gè)小指頭時(shí)，例如兒童的手指，手指1將不能與導(dǎo)向裝置(突起部分5)接觸，從而上述光學(xué)機(jī)構(gòu)并不能發(fā)揮作用。然而，從導(dǎo)向裝置(突起部分5)中發(fā)射出來的光線的側(cè)面部分發(fā)射到手指1的側(cè)面上并進(jìn)入到手指1中。在不設(shè)置導(dǎo)向裝置(突起部分5)時(shí)，上述光線的組成部分基本上沒有被利用。
(4)下面參照圖18對根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式中的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。導(dǎo)向裝置(突起部分5)具有由部位的一個(gè)側(cè)面形成的與手指1正對的傾斜表面，該表面設(shè)置成與手指1相吻合。傾斜表面上具有形成在靠近手指1的基線的第一個(gè)一半?yún)^(qū)域的遮光部分7。從輔助光源6中發(fā)射出來的光線從靠近手指1的基線的傾斜表面的第二個(gè)一半?yún)^(qū)域入射到手指1中。
導(dǎo)向裝置(突起部分5)位于緊靠測量表面的位置。這樣從導(dǎo)向裝置(突起部分5)中發(fā)射出來的光線可能入射到測量表面中而引起光學(xué)干擾。另外，當(dāng)光線從距離測量表面非常近的位置入射到手指1中時(shí)，光線數(shù)量中的不均勻性增大?？紤]到上述情況，將與測量表面非常近的部分用遮光物質(zhì)進(jìn)行覆蓋以形成遮光部分7，這樣光線干擾和光線數(shù)量的不均勻性問題得到抑制。
(5)在本發(fā)明的第一實(shí)施方式(圖10)、第二實(shí)施方式(圖12)、第五實(shí)施方式(圖17)、第七實(shí)施方式(圖18)中，光源2產(chǎn)生波長在820到980納米的近紅外光線。在光源2為近紅外線光源時(shí)，手指1中的光線衰減很小，這樣即使在低功率下仍然可以獲得清晰的圖像。這樣使光源2和測量部分之間的距離更大，從而可以降低光線數(shù)量的不均勻性。
(6)在第一實(shí)施方式中(圖10)，光源2包括一個(gè)用作發(fā)射光線的發(fā)光基片單元的發(fā)光二極管2a和由透光塑料材質(zhì)制成并包圍二極管2a的外殼2b。透光塑料物質(zhì)具有不大于1.8的折射率，該折射率即為手指1上的皮膚的折射率。
這樣，發(fā)光二極管2a的外殼部分2b實(shí)質(zhì)上是透明塑料。通常情況下，人們沒有將注意力集中到塑料物質(zhì)的折射率上。然而，在由低功率操作的指紋輸入裝置中，有必要一點(diǎn)一點(diǎn)地增加光線的傳播，即便是這種增加非常小。這樣，塑料材質(zhì)的折射率與手指皮膚的折射率盡可能地相近。當(dāng)然，當(dāng)塑料材質(zhì)的折射率小于手指皮膚的折射率時(shí)，透光性能并不顯著地降低。作為可以實(shí)現(xiàn)的需求范圍，發(fā)光二極管外殼材料的折射率(P)不大于1.5。在這種情況下，如圖19所示(參見P-手指(100％接觸))，光學(xué)損失將可以降低到20％或者更低(透光率達(dá)到0.8或者更高)。在從發(fā)光二極管發(fā)出的光線從外殼入射到空氣中，然后進(jìn)入到手指中(P-空氣-手指)的情形中，從外殼到空氣中的透光度比較小。這樣，如圖19所示，當(dāng)發(fā)光二極管外殼材料的折射率P等于1.5時(shí)，光學(xué)損失為60％或者更高。
下面參照圖20A、20B對根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施方式中采用上述(1)至(6)所述技術(shù)的指紋輸入裝置進(jìn)行說明。
參見圖20A、20B，手指1沿導(dǎo)向裝置5按壓在其中設(shè)置傾斜軸線的光纖的光纖板3上。同時(shí)，手指1如此放置以使將與指紋測量裝置接觸的手指的第一指節(jié)與近紅外線光源10-1接觸(與圖10中的光源2相對應(yīng))。在與指尖正對的位置，設(shè)置有用作導(dǎo)向燈的紅色(或者綠色)發(fā)光二極管和手指定位導(dǎo)向裝置。在發(fā)光二極管9-2用作指示器時(shí)，手指1放置在指紋輸入裝置上。這樣，即使在黑暗環(huán)境中，也能將手指1放置到正確位置上。由于近紅外線光源10-1上表面為平面，光源10-1與手指1的第一指節(jié)可以在更大面積上形成按壓接觸。另外，在左邊和右邊總共四個(gè)位置上設(shè)置有多個(gè)用于從手指1的側(cè)面發(fā)射光線的近紅外線光源10-2。光源10-2穿過透光材料制成的手指定位裝置(突起部分5)從手指1的下端向側(cè)面沿傾斜角度入射近紅外光線。這樣，測量部位的左、右兩側(cè)的光線數(shù)量滿足要求。為了對測量表面的端部進(jìn)行照明，在裝置中的測量表面的端部設(shè)置有四個(gè)紅色發(fā)光二極管9-1，其既作為手指1的定位指示器，同時(shí)又作為測量的輔助光源。
在上述方式中，用于產(chǎn)生光線將手指1導(dǎo)向于正確位置的導(dǎo)向光源9-1和9-2設(shè)置于環(huán)繞光纖板3的位置。
在如圖20A、20B所示的實(shí)施方式中，光纖板3的周緣端面由作為導(dǎo)電物質(zhì)13的金屬框架所包圍。金屬框架接地。在本實(shí)施方式中，金屬框架具有與光纖板3的表面相平齊的端面，這樣可避免手指1與其接觸時(shí)間產(chǎn)生不舒適感。乍看來，手指1的接觸不是很充分。然而，由于金屬具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能并且光纖板3具有優(yōu)良的絕緣性能，聚集在手指1上的靜電荷在手指與其接觸時(shí)向金屬框架釋放。
下述對本發(fā)明的技術(shù)效果進(jìn)行說明。在指紋輸入裝置中，光纖板、二維傳感器和手指導(dǎo)向裝置容納于一個(gè)單一平面上約2毫米的薄層區(qū)域中。這樣，指紋輸入裝置具有緊湊的結(jié)構(gòu)，同時(shí)其能夠防止靜電荷和外部光線的干擾。另外，本裝置還可以對兒童的小手指或者類似情況的手指進(jìn)行測量。由此，本發(fā)明中的裝置的應(yīng)用范圍非常廣泛。用于本裝置的光纖板中的光纖的軸線具有45度至60度之間的相對較小范圍的最優(yōu)傾角。這樣，其同時(shí)保證了長度方向的精確度。本發(fā)明中由于采用高效率的近紅外線發(fā)光二極管，從而節(jié)省了用于照明的電源功率，這樣該指紋輸入裝置可以應(yīng)用于微型移動(dòng)電話中。另外，圖20A和圖20B中的手指導(dǎo)向裝置由透明材料或者半透明樹脂制成并具有比較接近于手指皮膚的折射率即約為1.4-1.8之間的折射率。導(dǎo)向裝置中的光線有40％或者更多的光線導(dǎo)入到手指中。與光線通過空氣的情形相比，光線的使用效率提高了30％或者更高的比例(參見圖19)。用于發(fā)光的電源功率相應(yīng)地降低。設(shè)置于靠近第一指節(jié)并具有水平頂端表面的發(fā)光二極管使手指實(shí)現(xiàn)了更加平滑的接觸。這樣，該裝置使用過程中感覺更加舒適并且測量的穩(wěn)定性并不降低。
在上述實(shí)際效果之外，本發(fā)明還具有下述必要的技術(shù)效果。如使用如圖10所示的光源2(或者使用如圖20A、20B所示的近紅外光源10-1)的情況下，可以獲得如圖11所示的指紋圖像。在沒有上述光源時(shí)，可以獲得如圖21所示的指紋圖像。下面首先對圖21中所示的照明方法進(jìn)行說明。在手指測量表面的左、右側(cè)各自設(shè)置有兩個(gè)光源，其將光線入射到手指中?，F(xiàn)有技術(shù)中的絕大多數(shù)采用上述設(shè)置方案。圖2A和圖2B顯示出其中的一個(gè)實(shí)例。在此例中，指紋下端中心位置特別暗。在圖21所示的指紋圖像中，下端中心區(qū)域幾乎不能顯示出對比度。該指紋圖像由二維傳感器進(jìn)行讀取。在圖21中，指紋圖像的右邊顯示出縱向亮度分布情況，而指紋圖像的下邊顯示出橫向亮度分布情況。中心位置的縱向亮度分布具有總體上較小的對比度，而在趨向手指基線的位置對比度進(jìn)一步地降低。橫向亮度分布在中心位置附近的寬闊范圍內(nèi)對比度不足。在操作過程中，例如手指的接觸情況和手指的干燥狀態(tài)不是很好時(shí)，測量結(jié)果將不穩(wěn)定。在這種情況下，可能會(huì)出現(xiàn)誤操作或者在更糟的情況下，測量將不能進(jìn)行。為了補(bǔ)償上述對比不足的情況，計(jì)算處理工作將大大增加。這樣將產(chǎn)生例如功率消耗增大和總體成本增加的問題。
另一方面，通過使用如圖10所述的光源2(或者使用如圖20A、20B所示的近紅外光源10-1)，中心區(qū)域沿縱向方向的光線數(shù)量將增加，特別是下端的光線數(shù)量將增加。這樣，不均勻性的對比度將整體上降低，這樣即可以獲得如圖11所述的指紋圖像。特別是，橫向方向的對比度整體上將較強(qiáng)并且比較均勻。光纖板上的各個(gè)光纖向手指的第一指節(jié)方向傾斜。這樣，從光源10-1中發(fā)射出來的光線敏感度將較高。這樣手指上縱向中心區(qū)域的光線數(shù)量不足的情況將得到彌補(bǔ)，從而獲得在整個(gè)測量表面光線數(shù)量分布均衡的效果。光纖板設(shè)置有形成于周邊端面整體的金屬部件并且該金屬部件接地。在聚集在手指上的靜電荷具有非常強(qiáng)的電能時(shí)，金屬部件將產(chǎn)生空氣放電，這樣防止測量表面發(fā)生損壞或者對其性能產(chǎn)生干擾。如果手指與金屬部件接觸，靜電荷將即時(shí)完全地釋放出去，這樣防止傳感器產(chǎn)生破壞或者由于靜電荷對指紋測量的影響而產(chǎn)生誤操作。傳感器的表面通過作為優(yōu)良絕緣材料的光纖得到保護(hù)。即使手指接觸到光纖，電荷不是向傳感器釋放，而是向金屬部件附近釋放。
如上所述，本發(fā)明提供一種光學(xué)透射型指紋輸入裝置，其中光源設(shè)置成使從其中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到手指上包括手掌面上第一指節(jié)的部分的大體中心位置并且光源與手指接觸。通過這種方案，可以使光學(xué)透射型指紋輸入裝置的體積減少。
權(quán)利要求
1.一種指紋輸入裝置，其包括用于發(fā)射光線的光源(2)和光纖板(3)，該光纖板具有手指接觸表面，其通過與手指(1)接觸來獲取所述手指的指紋圖像，通過將所述光源中發(fā)出的光線導(dǎo)入到手指的側(cè)面以使光線在所述手指中擴(kuò)散，并收集透過所述手指的表面從所述手指中發(fā)射出來的光線以形成指紋圖像的方式來獲得所述指紋圖像，其中所述光源設(shè)置成使從所述光源中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到所述手指的大致中心部分的位置，該部分包括所述手指的手掌一側(cè)的第一指節(jié)，并且所述光源調(diào)節(jié)成與所述手指接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述手指上包括手掌一側(cè)所述第一指節(jié)的所述部分是所述手指上以所述的第一指節(jié)為基準(zhǔn)的靠近所述指尖方向10毫米的直線和以所述第一指節(jié)為基準(zhǔn)的遠(yuǎn)離所述指尖方向10毫米的另一不同直線之間的部位。
3.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述板是由多根光纖組成的光纖束構(gòu)成的光纖板(3)。
4.如權(quán)利要求3所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述光纖板中的各個(gè)光纖的光纖軸線朝所述手指的基線傾斜、與所述板的手指接觸表面的法線形成預(yù)定的傾角，該傾角與所述法線之間的傾角落入到45度到60度之間的范圍。
5.如權(quán)利要求3所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述的光纖板具有由接地的導(dǎo)電物質(zhì)(13)包圍的周緣端面。
6.如權(quán)利要求5所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述的導(dǎo)電物質(zhì)設(shè)置成攀升到所述光纖板的手指接觸表面的終端部分(15)。
7.如權(quán)利要求5所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述的導(dǎo)電物質(zhì)為遮光物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述光纖板的手指接觸表面具有突起部分(5)，該突起用于對手指進(jìn)行定位并且其具有所述手指除了包括所述第一指節(jié)的部分以外的指尖由所述突起部分包圍的外形，所述突起部分具有使與所述手指正對的一個(gè)側(cè)面沿所述手指方向延伸的部分。
9.如權(quán)利要求8所述的指紋輸入裝置，其特征在于其還包括輔助光源(6)，所述突起部分從所述輔助光源中傳播光線。
10.如權(quán)利要求9所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述突起部分具有由與手指正對的部分的一個(gè)側(cè)面限定的傾斜表面，該傾斜表面設(shè)置成與手指相吻合，傾斜表面具有形成于靠近手指基線的第一半部位的遮光部分(7)，從所述輔助光源中發(fā)射出來的光線從靠近手指指尖的傾斜表面的第二半部分向手指發(fā)射光線。
11.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述光源設(shè)置成發(fā)射出波長在820納米到980納米之間的近紅外光線。
12.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述光源包括用于發(fā)射光線的發(fā)光基片(2a)和由透光塑料材料制成并包圍所述發(fā)光基片的外殼(2b)；所述透光塑料材料的折射率不大于1.8的手指皮膚的折射率。
13.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入裝置，其特征在于所述板設(shè)置有位于其周緣用于發(fā)射光線將手指導(dǎo)向到正確位置的導(dǎo)向光源(9-1，9-2)。
全文摘要
一種指紋輸入裝置，其包括用于發(fā)射光線的光源(2)和光纖板(3)，該光纖板具有手指接觸表面，其通過與手指(1)接觸來獲取手指(1)的指紋圖像。從光源(2)中發(fā)射出來的光線首先導(dǎo)入到手指(1)的內(nèi)部，接著在手指(1)中擴(kuò)散，然后穿透手指(1)的表面作為出射光從手指中發(fā)射出來。利用出射光可以形成指紋圖像。光源(2)設(shè)置成從光源(2)中發(fā)射出來的光線進(jìn)入到手指(1)的大致中心部分的位置，該部分包括手指(1)的手掌一側(cè)的第一指節(jié)，并且光源(2)調(diào)節(jié)成與手指(1)接觸。
文檔編號G06K9/00GK1493255SQ0215030
公開日2004年5月5日 申請日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者樋口輝幸, 菅原武雄, 口輝幸, 雄 申請人:日本電氣株式會(huì)社, 浜松光子學(xué)株式會(huì)社