專利名稱：組合的全內(nèi)反射和組織成像系統(tǒng)和方法
組合的全內(nèi)反射和組織成像系統(tǒng)和方法 相關(guān)申請(qǐng)的對(duì)照本申請(qǐng)是2004年4月5日由Robert K.Rowe等提出的、標(biāo)題為 "MULTISPECTRAL BIOMETRIC SENSOR"的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/818， 698的部分延續(xù)，該申請(qǐng)是如下申請(qǐng)的非臨時(shí)申請(qǐng)2003年4月4日提出 的標(biāo)題為"NONINVASIVE ALCOHOL MONITOR"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No. 60/460， 247; 2003年6月27日由Robert K. Rowe等提出的標(biāo)題為 "HYPERSPECTRAL FINGERPRINT READER "的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No.60/481， 281; 2003年9月18日提出的標(biāo)題為"HYPERSPECTRAL FINGERPRINTING"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/504， 594;以及2004年3 月10日提出的標(biāo)題為"OPTICAL SKIN SENSOR FOR BIOMETRICS"的美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/552, 662。本申請(qǐng)還涉及2001年6月5日提出的標(biāo)題為"APPARATUS AND METHOD OF BIOMETRIC DETERMINATION USING SPECIALIZED OPTICAL SPECTROSCOPY SYSTEM"的共同受讓的美國(guó)專利臨時(shí)申請(qǐng)No. 09/874， 740。將上面提到的每一個(gè)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。
技術(shù)背景本申請(qǐng)大體上涉及生物測(cè)定學(xué)。更詳細(xì)地，本申請(qǐng)涉及組合的全 內(nèi)反射和組織成像系統(tǒng)和方法。"生物測(cè)定學(xué)"通常是指對(duì)活體的特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。生物測(cè)定 學(xué)的一個(gè)范疇包括"生物測(cè)定識(shí)別"，它通常工作在兩個(gè)模式之一下， 用于提供對(duì)人的自動(dòng)識(shí)別，或者用于驗(yàn)證所支撐的(purported)人的 身份。生物測(cè)定檢測(cè)技術(shù)測(cè)量人的物理特征或行為特性，并把這些特 征與類似的預(yù)記錄的測(cè)量進(jìn)行比較，以確定是否匹配。通常用于生物 測(cè)定識(shí)別的物理特征包括臉、虹膜、手的幾何結(jié)構(gòu)、血管結(jié)構(gòu)和指 紋圖案，這些是所有生物測(cè)定-識(shí)別特征中最普遍的特征。當(dāng)前的用于 分析所收集指紋的方法包括光學(xué)、電容性、射頻、熱、超聲技術(shù)， 以及若千其他不常用的技術(shù)。多數(shù)指紋收集方法依賴于對(duì)手指表面或非?？拷种副砻嫣幍?皮膚的特性進(jìn)行測(cè)量。具體地，光學(xué)指紋讀取器典型地依賴于是否存在檢測(cè)器壓盤(platen)和置于其上的手指之間的折射率之差。當(dāng)指 紋中由空氣填充的谷(valley)高于壓盤的特定位置時(shí)，由于空氣-壓盤的折射率的差別，壓盤中出現(xiàn)全內(nèi)反射("TIR")。備選地，如果 具有適當(dāng)折射率的皮膚與壓盤發(fā)生光學(xué)接觸，則這個(gè)位置處的TIR "受 阻"，允許光穿過(guò)壓盤-皮膚的分界面，或者在一些布置中，允許光以 在該位置出現(xiàn)TIR現(xiàn)象時(shí)不可實(shí)現(xiàn)的角度而穿過(guò)該分界面。在手指與壓 盤發(fā)生接觸的區(qū)域上，由TIR的差異形成的圖形成了傳統(tǒng)光學(xué)指紋讀取 的基礎(chǔ)。存在多種光學(xué)裝置，用于檢測(cè)亮場(chǎng)和暗場(chǎng)光學(xué)布置中的光學(xué) 分界面的變化。通常，使用單一的、準(zhǔn)單色光束來(lái)執(zhí)行這種基于TIR、、還存在非TIR光學(xué)指紋檢測(cè)器。在多數(shù)情況下，這些檢測(cè)器依賴 于一些準(zhǔn)單色光裝置以便照射指尖的前面、側(cè)面、或后面，使光漫射 經(jīng)過(guò)皮膚。由于皮膚-壓盤邊界上光透射對(duì)于脊(ridge)和谷的差別， 形成了指紋圖像。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，光透射的差別是由 Fresnel反射特性的變化而引起的，而該變化是由谷中是否存在任意中間氣隙而引起的。盡管TIR指紋檢測(cè)器是最普通形式的光學(xué)指紋讀取器，但它們尤其容易受到非理想條件所造成的圖像品質(zhì)問(wèn)題的影響。如果皮膚過(guò)干， 將會(huì)損害與壓板的折射率匹配，導(dǎo)致較差的圖像對(duì)比度。類似地，如 果手指過(guò)濕，則谷中會(huì)填有水，導(dǎo)致在全部指紋區(qū)域上發(fā)生光耦合， 并嚴(yán)重減小了圖像對(duì)比度。如果手指對(duì)壓板的壓力過(guò)小或過(guò)大、皮膚 或檢測(cè)器較臟、皮膚老化和/或磨損、或出現(xiàn)過(guò)于精細(xì)的特性(例如在 特定人種和非常小的兒童中)，會(huì)出現(xiàn)類似的效果。這些效果降低了圖 像品質(zhì)，從而降低了指紋檢測(cè)器的整體性能。在一些情況下，商用光 學(xué)指紋讀取器包含由例如硅樹脂的軟材料形成的薄膜，以幫助減輕這 些效果并恢復(fù)性能。作為軟材料，該薄膜易于受到損害、磨損和污染， 這限制了檢測(cè)器在不具有維護(hù)的情況下的使用，并限制了檢測(cè)器所能 使用的環(huán)境。生物測(cè)定檢測(cè)器，尤其是指紋生物測(cè)定檢測(cè)器，通常易于被各種 形式的欺騙樣本而擊敗。在指紋讀取器的情況下，現(xiàn)有技術(shù)中存在多 種已知的方法，用于將所認(rèn)證的用戶的指紋圖案呈現(xiàn)給讀取器，所述 指紋圖案嵌在某種無(wú)生命材料中，例如紙、明膠、環(huán)氧數(shù)值、乳膠等。 因此，即使認(rèn)為指紋讀取器可靠地確定了匹配指紋圖案是否存在，用 于確保匹配圖案是從真正的活體手指獲取的整體系統(tǒng)安全性也是非常 關(guān)鍵的，而這對(duì)于許多普通的檢測(cè)器來(lái)說(shuō)是難以確定的。一些生物測(cè)定系統(tǒng)被擊敗的另一種方式是通過(guò)使用重放攻擊。在 這個(gè)情景中，當(dāng)被認(rèn)證的用戶正在使用該系統(tǒng)時(shí)，入侵者記錄下來(lái)自 檢測(cè)器的信號(hào)。之后，入侵者操作檢測(cè)器系統(tǒng)，使得預(yù)記錄的被認(rèn)證 信號(hào)被輸入系統(tǒng)，從而繞過(guò)檢測(cè)器自身，并獲得對(duì)受到生物測(cè)定保護(hù) 的系統(tǒng)的訪問(wèn)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在對(duì)用于生物測(cè)定檢測(cè)的改進(jìn)的方法和系統(tǒng) 的需求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于把全內(nèi)反射和組織成像進(jìn)行組合以 執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法和系統(tǒng)。在一組實(shí)施例中，提供了一種用于 執(zhí)行生物測(cè)定功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括照射源、壓盤、光檢測(cè)器、光具組(optical train)、以及計(jì)算單元。所述壓盤被布置為與個(gè)體的 皮膚部位發(fā)生接觸。所述光具組被布置為提供照射源與壓盤之間以及 壓盤與光檢測(cè)器之間的光路。照射源與光具組的組合提供了在多光譜 條件下對(duì)壓盤的照射。計(jì)算單元與光檢測(cè)器接口連接，并具有用于根 據(jù)從皮膚部位接收到的第一部分光來(lái)產(chǎn)生全內(nèi)反射圖像、并用于根據(jù) 從皮膚部位接收到的第二部分光來(lái)產(chǎn)生多光譜組織圖像的指令。在一些實(shí)施例中，所述照射源可以是多色照射源。在一些情況下，
所述光具組包括具有多個(gè)面(facet)的棱鏡，所述照射源被布置為向 第一面提供照射光，而所述光檢測(cè)器被布置為從第二面接收光。在特 定實(shí)施例中，第一和第二面是同一個(gè)面。在其他實(shí)施例中，所述光檢 測(cè)器包括被布置為接收通過(guò)第二面的第一部分光的第一光檢測(cè)器， 以及被布置為接收來(lái)自第三面的第二部分光的第二光檢測(cè)器。第二面 大致上與第一軸正交，所述第一軸與壓盤的角度大于壓盤與空氣的分界面的臨界角e"第三面大致上與第二軸正交，所述第二軸與壓盤的角度小于臨界角0e。在特定實(shí)施例中，第一、第二和第三面是不同的面。在一些實(shí)例中，可以在不同于第一、第二和第三面的第四面上布 置漫反射體。在其他實(shí)例中，可以在不同于第一、第二和第三面的第 四面上布置光吸收體。在一些實(shí)施例中，可以對(duì)光進(jìn)行偏振。例如，所述光具組可以包 括被布置為對(duì)入射到皮膚部位的光進(jìn)行偏振、并對(duì)光檢測(cè)器接收到的 光進(jìn)行偏振的偏光器。在一個(gè)實(shí)施例中，偏光器的朝向使得入射到皮 膚部位上的光和光檢測(cè)器接收到的光具有大致平行的偏振。在另一個(gè) 實(shí)施例中，偏光器的朝向使得入射到皮膚部位上的光和光檢測(cè)器接收 到的光具有大致正交的偏振。在第二組實(shí)施例中，提供了一種用于執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法。 在多光譜條件下照射個(gè)體的皮膚部位。從皮膚部位接收光。根據(jù)接收 到的第一部分光來(lái)產(chǎn)生皮膚部位的全內(nèi)反射圖像。根據(jù)散射的第二部 分光來(lái)產(chǎn)生皮膚部位的多光譜組織圖像。在不同的實(shí)施例中，可以利用多色光來(lái)照射皮膚部位，在一些情 況下，利用單一的照射源來(lái)提供多色光。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)產(chǎn)生 光并把所產(chǎn)生的光對(duì)準(zhǔn)皮膚部位和漫反射體以提供漫射光場(chǎng)，來(lái)照射 皮膚部位。在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)識(shí)別與皮膚部位和光發(fā)生光接觸并 吸收光的位置相對(duì)應(yīng)的暗圖案，來(lái)產(chǎn)生皮膚部位的全內(nèi)反射圖像。在 另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)產(chǎn)生光并把所產(chǎn)生的光對(duì)準(zhǔn)皮膚部位和光吸收 體，來(lái)照射皮膚部位。在這個(gè)實(shí)施例中，皮膚部位的全內(nèi)反射圖像包 括識(shí)別與皮膚部位和光發(fā)生光接觸并重新發(fā)射光的位置相對(duì)應(yīng)的被照 射圖案。
在一些實(shí)施例中，皮膚部位與壓盤發(fā)生接觸，所述壓盤定義了具有臨界角^的壓盤-空氣分界面。利用布置在第一軸上的第一檢測(cè)器來(lái)接收第一部分光，所述第一軸與壓盤-空氣分界面的角度大于9 c。利用布置在第二軸上的第二檢測(cè)器來(lái)接收第二部分光，所述第二軸與壓盤-空氣分界面的角度小于e c。在一些實(shí)例中，照射皮膚部位可以包括對(duì)所產(chǎn)生的光進(jìn)行偏振，并對(duì)接收到的第二部分光進(jìn)行偏振。在不同的實(shí)施例中，所產(chǎn)生的光 和接收到的第二部分光的偏振可以大致平行，或可以大致正交。在所 產(chǎn)生的光和接收到的第二部分光具有第一相對(duì)偏振的一個(gè)實(shí)施例中，重復(fù)以下步驟.照射皮膚部位、從皮膚部位接收光、產(chǎn)生全內(nèi)反射圖 像、以及產(chǎn)生多光譜組織圖像，其中所產(chǎn)生的光和接收到的第二部分 光之間具有不同的相對(duì)偏振。在其他實(shí)施例中，照射皮膚部位可以包 括對(duì)所產(chǎn)生的光進(jìn)行偏振，并以與所產(chǎn)生的光的偏振大致平行的偏 振來(lái)對(duì)接收到的第一部分光進(jìn)行偏振。皮膚中的灌注(perfusion)變化可以通過(guò)重復(fù)如下步驟來(lái)識(shí)別照射皮膚部位，并從皮膚部位接收光，以產(chǎn)生第二多光譜組織圖像?？蓤?zhí)行的生物測(cè)定功能的示例包括根據(jù)組織圖像來(lái)確定皮膚部位處 的組織的活性狀態(tài)，并通過(guò)確認(rèn)全內(nèi)反射圖像和組織圖像與先前收集 的登記數(shù)據(jù)的一致性來(lái)對(duì)個(gè)體的身份進(jìn)行驗(yàn)證。在第三組實(shí)施例中，提供了一種用于執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法。 在第一組光學(xué)條件下捕獲皮膚部位的第一圖像。在不同于第一組的第 二組光學(xué)條件下捕獲皮膚部位的第二圖像。第一和第二圖像用于執(zhí)行 生物測(cè)定功能。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二組光學(xué)條件定義了入射 到皮膚部位上的光的不同波長(zhǎng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二組光 學(xué)條件定義了不同的偏振狀態(tài)。


通過(guò)參考說(shuō)明書的余下部分和附圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的性質(zhì)和 優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解，其中使用相似的附圖標(biāo)記來(lái)指代相似的組件。 圖l是概括了本發(fā)明若干實(shí)施例的方面的流程圖； 施例的系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的示意圖；圖5是可以用于實(shí)現(xiàn)圖2-4中的系統(tǒng)的本發(fā)明方法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 的示意圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而產(chǎn)生的多光譜數(shù)據(jù)立方體；圖7A和7B提供了圖2和3中的系統(tǒng)可以使用的備選裝置的示意圖；圖8A-8C是由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像；圖9A-9C是在部分皮膚表面被遮住時(shí)由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像；以及圖10示出了在一些實(shí)施例中光學(xué)參考材料的使用。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施例提供了可以把TIR與組織成像系統(tǒng)進(jìn)行組合的系 統(tǒng)。TIR組件檢査皮膚與壓盤之間的光學(xué)分界面，從而提供勾畫出接觸 區(qū)和非接觸區(qū)的圖。組織成像組件對(duì)在皮膚表面之下的組織內(nèi)散射的 光進(jìn)行測(cè)量。在一些實(shí)施例中，波長(zhǎng)范圍包括紫外、可見、極近紅外、 或近紅外的范圍，或這些范圍的組合。本發(fā)明的實(shí)施例收集在多個(gè)光 學(xué)條件下獲取的圖像，例如具有不同的波長(zhǎng)和/或偏振的條件。這里， 把這些實(shí)施例稱作提供了 "多光譜"光學(xué)條件，如使用多色照射源所 提供的"多光譜"光學(xué)條件，所述多色照射源包括用于引導(dǎo)光的光具 組中的偏振元件，等等。對(duì)于例如干燥、缺少?gòu)椓Φ姆抢硐肫つw品質(zhì)， 和/或例如典型地與上年紀(jì)的人(進(jìn)行大量手工勞動(dòng)、或皮膚暴露在化 學(xué)物下的人，例如理發(fā)師或護(hù)士)相關(guān)的磨損特征來(lái)說(shuō)，多光譜數(shù)據(jù) 的收集有利地具有魯棒性。組合的TIR和組織圖像可以用于執(zhí)行"生物 測(cè)定功能"，該功能廣義上是指包括生物測(cè)定特征化的任意功能，包括 生物測(cè)定識(shí)別、生物測(cè)定驗(yàn)證、生命狀態(tài)確定等。該系統(tǒng)中的每一個(gè)組件有利地提供了其它組件不能容易地提供 的信息，與任一組件單獨(dú)使用時(shí)相比，所述組合協(xié)同地在更寬的環(huán)境 范圍和皮膚條件下提供了更具魯棒性的性能。另外，所述組合通過(guò)提
供對(duì)子表面特征進(jìn)行成像的能力，而表現(xiàn)出更好的欺騙檢測(cè)和生物測(cè)定能力。另外，本發(fā)明的實(shí)施例使用單一照射源來(lái)提供用于TIR測(cè)量和 組織圖像測(cè)量的光，從而實(shí)現(xiàn)了所述組合的效率。皮膚的成分和結(jié)構(gòu)是非常不同且非常復(fù)雜的，而且因人而異。通 過(guò)執(zhí)行對(duì)皮膚和下層組織的空間-頻譜(spatio-spectral)特性的光 學(xué)測(cè)量，可以做出多個(gè)評(píng)估。例如，可以執(zhí)行生物測(cè)定識(shí)別功能以識(shí) 別或驗(yàn)證正在測(cè)量誰(shuí)的皮膚；可以執(zhí)行活性功能以保證被測(cè)樣本是活 的，而且是活性皮膚而不是另一種材料；可以對(duì)多個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行估 計(jì)，例如年齡、性別、種族、以及其他人口統(tǒng)計(jì)和人體測(cè)量特性；和/ 或?qū)Ω鞣N分析物和參數(shù)的濃度進(jìn)行測(cè)量，所述分析物和參數(shù)包括酒 精、葡萄糖、血液灌注和氧化度、膽紅素、膽固醇、尿素等。在不同的實(shí)施例中，可以使用皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，針對(duì)特定功能來(lái) 設(shè)計(jì)所述方法和系統(tǒng)的方面。皮膚的最外層，即表皮，由下面的真皮 和皮下組織所支撐。表皮自身可以具有5個(gè)確定的子層，包括角質(zhì)層、 透明層、顆粒層、棘層和基底層。因此，例如，最頂層的角質(zhì)層之下 的皮膚具有與表面解剖圖有關(guān)的一些特性，以及隨著進(jìn)入皮膚的深度 而變化的一些特性。雖然提供給皮膚的血液存在于真皮層，然而真皮 具有被稱作"真皮乳突"的進(jìn)入表皮層的突起，該突起使血液通過(guò)毛 細(xì)血管而供應(yīng)至表面附近。在手指的掌表面，這個(gè)毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)沿著 表面上的趾掌脊的結(jié)構(gòu)。在身體的其他位置，毛細(xì)血管床的結(jié)構(gòu)可以 更小，但仍與特定的位置和個(gè)人有關(guān)。皮膚的不同層之間的分界面解 剖圖非常復(fù)雜，而且與皮膚位置和個(gè)人有關(guān)。圖l中的流程圖提供了本發(fā)明的方法的概圖。這個(gè)圖包括可能包 括或不包括在特定實(shí)施例中的多個(gè)方面，而且圖中塊的順序并非意在 規(guī)定必需的順序，因?yàn)樵趥溥x實(shí)施例中可以使用其他順序。在塊104， 用光照射個(gè)體的皮膚部位(skin site)。在一些實(shí)例中，照射光的波 長(zhǎng)范圍是基于硅檢測(cè)器陣列對(duì)大約350-1200nm范圍中的波長(zhǎng)的靈敏 度。小于600nm的波長(zhǎng)有利地強(qiáng)調(diào)了血液特征，因而在特定實(shí)施例中是 優(yōu)選的。在期望具有相對(duì)平滑特征的圖像的其他實(shí)施例中，可以有利 地采用大于約600nm的波長(zhǎng)。雖然皮膚部位通常是指尖，然而備選實(shí)施
例中可以使用其他皮膚部位，具體包括手指的其他區(qū)域、手掌以及手 的其他區(qū)域。如塊108和112所示， 一些實(shí)施例可以提供多波長(zhǎng)的照射光，禾口/或可以在不同的偏振條件下提供光。照射光的這種變化可以有利地允 許信息收集，該信息收集可以得到更為精確的生物測(cè)定結(jié)果，包括更 為精確的身份評(píng)估、活性評(píng)估等。在一個(gè)或更多個(gè)成像狀態(tài)期間使用 交叉偏振易于強(qiáng)調(diào)子表面特征，在一個(gè)或更多個(gè)成像狀態(tài)期間使用平 行偏振易于強(qiáng)調(diào)表面特征。因此，所述偏振可以不同地用于期望強(qiáng)調(diào) 不同特征的應(yīng)用中。在使用線性偏光器對(duì)光進(jìn)行偏振的情況下，"交叉的"或"正交的"是指偏振軸被設(shè)置為彼此成大約90度的狀態(tài)。在使 用圓偏光器對(duì)光進(jìn)行偏振的情況下，"交叉的"或"正交的"是指使用 圓偏振的不同含義(右手或左手)的狀態(tài)。線性偏振的使用有利地以 相對(duì)低的成本提供了相對(duì)寬的光譜帶寬。可以在塊116和120處收集從皮膚部位反射、并從下層組織中散射 的光，以形成TIR和組織圖像。然后，可以在塊124處把這些圖像進(jìn)行 組合，以形成生物測(cè)定應(yīng)用中的合成結(jié)果。在一些實(shí)例中，根據(jù)TIR 和組織圖像所得到的信息可以分別用于不同的目的。例如，組織圖像 可以用于驗(yàn)證組織的肯定活性狀態(tài)，而TIR圖像用于身份驗(yàn)證。作為另 一個(gè)例子，組織圖像可以脫離TIR圖像而單獨(dú)用于識(shí)別或身份驗(yàn)證，這 在某些情況下是有利的，即在由于非理想光學(xué)條件引起TIR圖像品質(zhì)降 低的情況下。能夠以多種不同的方式對(duì)來(lái)自TIR和多光譜圖像的信息進(jìn) 行組合，例如通過(guò)簡(jiǎn)單地重疊所獲得的圖像或通過(guò)對(duì)所收集的數(shù)據(jù)執(zhí) 行更為復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)函數(shù)。TIR和組織圖像相對(duì)于彼此在空間上是 穩(wěn)定的，在一些實(shí)施例中，可以在物理上或經(jīng)過(guò)圖像處理將TIR和組織 圖像調(diào)整為配準(zhǔn)的。在一些實(shí)施例中，例如細(xì)節(jié)點(diǎn)的特征可以從組織 和TIR圖像中提取，并使用例如邏輯"與"、邏輯"或"的數(shù)學(xué)運(yùn)算或 其他數(shù)學(xué)運(yùn)算而進(jìn)行組合。然后，可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的 方法來(lái)對(duì)這些生物測(cè)定特征進(jìn)行處理，以確定身份?？捎糜谡丈淦つw部位以收集TIR和組織圖像的結(jié)構(gòu)包括具有針 對(duì)每一種測(cè)量的單獨(dú)照射源或針對(duì)測(cè)量的組合照射源的結(jié)構(gòu)，以及具
有針對(duì)每一種測(cè)量的單獨(dú)檢測(cè)器或組合檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)。此外，不同的 光學(xué)裝置可以用于引導(dǎo)照射光和收集光，甚至利用不同的照射源和檢 測(cè)器的組合。在使用單獨(dú)的檢測(cè)器來(lái)收集反射的或散射的光的實(shí)施例中，可以把例如TIR檢測(cè)器的一個(gè)檢測(cè)器設(shè)置為接收沿著某個(gè)軸的光， 該軸具有大于壓盤-空氣分界面所限定的臨界角的角度，而可以把例如 組織-圖像檢測(cè)器的其他檢測(cè)器設(shè)置為接收沿著具有小于臨界角的角 度的軸的光。有時(shí)，這里把檢測(cè)器描述為"攝像機(jī)"，在廣義上解釋，該術(shù)語(yǔ) 是指裝配用于收集電磁數(shù)據(jù)的任意設(shè)備。例如，每一個(gè)攝像機(jī)或檢測(cè) 器可以包括單一元件、多個(gè)分立元件或元件陣列?？梢赃x擇對(duì)于源波 長(zhǎng)、信號(hào)和時(shí)序要求來(lái)說(shuō)適當(dāng)?shù)墓鈾z測(cè)材料，而且所述光檢測(cè)材料可 以包括PbS、 PbSe、 InSb、 InGaAs、 MCT、測(cè)輻射熱儀和微測(cè)輻射熱儀 陣列。當(dāng)使用光譜范圍為大約350mn-1200nm的光時(shí)，適合的攝像機(jī)材 料是硅。類似地，在不同的實(shí)施例中可以使用多種不同的光源。單色 或準(zhǔn)單色源包括發(fā)光二極管("LED")、激光二極管、以及垂直腔表 面發(fā)射激光器("VCSEL")，尤其是固態(tài)光電子器件。有時(shí)組合有濾波 元件或光閘的寬帶源包括石英鎢鹵素白熾燈泡，以及多種其他的寬帶 光源。圖2示意性地示出了使用雙攝像機(jī)并適于亮場(chǎng)TIR成像的一種特 殊結(jié)構(gòu)。這個(gè)實(shí)施例使用單一光源224，單一光源224向光學(xué)裝置200 提供照射光240，使照射光對(duì)準(zhǔn)其上放有皮膚部位的壓盤。在圖中，皮 膚部位被示出為手指220的表面，然而如上所述，可以在其他實(shí)施例中 使用其他的皮膚部位。所示光學(xué)裝置以棱鏡200的形式示出，然而備選 實(shí)施例可以使用等效的反射體裝置，例如鏡子，或可以使用反射體和 棱鏡的組合。在這個(gè)實(shí)施例中，棱鏡的頂部表面202作為與皮膚部位進(jìn) 行界面接觸的壓盤。在棱鏡200的面204處提供有照射光240，在不同實(shí) 施例中該照射光240是大致單色的或是多色的。攝像機(jī)228可以是用于 收集來(lái)自面208的光244以提供組織圖像的攝像機(jī)，攝像機(jī)232可以是用 于收集來(lái)自面212的光248以提供組織圖像的攝像機(jī)。光源224和攝像機(jī) 228以及232可以與計(jì)算設(shè)備236進(jìn)行接口連接，計(jì)算設(shè)備236對(duì)系統(tǒng)中
的這些組件的操作進(jìn)行協(xié)調(diào)，并對(duì)接收到的TIR和組織圖像進(jìn)行分析。
照射光240碰到面216處設(shè)置的漫反射涂層，該涂層用于亮場(chǎng)TIR 成像以響應(yīng)被照射的漫射場(chǎng)。指紋圖像由組織與壓盤發(fā)生光接觸并吸 收光而留下暗圖案的點(diǎn)形成。在一些實(shí)施例中，還可以在面212處提供 照射光，使得能夠收集附加圖像。
在一些實(shí)施例中，面204和216中的任一或兩者都可以額外包括偏 光器涂層。如果設(shè)置在面204處，則偏光器涂層可以是僅針對(duì)特定照射 裝置的局部涂層。如果設(shè)置在面206處，則偏光器涂層可以優(yōu)選地沿著 光路而沉積在漫反射體之前，從而光遇到棱鏡，之后遇到偏光器，之 后遇到漫反射體。在偏光器涂層提供線性偏振的實(shí)施例中，線性偏光 器優(yōu)選地朝向與圖平面大致垂直的方向，從而適應(yīng)Bragg反射現(xiàn)象所產(chǎn) 生的效應(yīng)。如上所述，在照射面上提供正交偏振，以強(qiáng)調(diào)深組織成像， 同時(shí)在照射面上提供平行偏振，以強(qiáng)調(diào)表面反射?？梢允褂锰囟ǖ难b 置來(lái)收集兩種類型的圖像，例如通過(guò)使用不同的偏光器來(lái)提供不同照 射源的不同偏振狀態(tài)。備選地，可以在照射面上、例如在光源224之上 提供可旋轉(zhuǎn)的偏光器，從而允許利用不同位置的照射面偏光器來(lái)獲得 連續(xù)的圖像。等效地，可以在檢測(cè)面布置可旋轉(zhuǎn)的偏光器，以實(shí)現(xiàn)大 致相同的結(jié)果。
圖3中的示意圖示出了適于暗場(chǎng)TIR成像的備選裝置。該裝置的總 體結(jié)構(gòu)與圖2中的類似，其中棱鏡300用于提供來(lái)自照射源324的光路， 并具有作為與例如手指320所提供的皮膚部位進(jìn)行界面接觸的壓盤的 表面302。在這個(gè)實(shí)施例中，照射光340被提供于面312處，而且在所示 實(shí)施例或光學(xué)等效物中可以消除面304。面316可以涂有光吸收材料， 從而TIR成像對(duì)暗場(chǎng)做出響應(yīng)。指紋圖像由被組織吸收、并以大于壓盤 /空氣分界面所限定的臨界角的角度而重新發(fā)射的光形成，因此提供了 皮膚與壓盤302發(fā)生接觸之處的被照射圖案。
攝像機(jī)328被布置為接收從面308發(fā)射的光344，以產(chǎn)生TIR圖像， 而攝像機(jī)332被布置為接收從面312發(fā)射的光，以產(chǎn)生組織圖像。此外， 這些攝像機(jī)328和332以及照射源324中的每一個(gè)都被設(shè)置為與計(jì)算單 元336進(jìn)行通信，計(jì)算單元336可以協(xié)調(diào)不同組件的操作，并對(duì)接收到
的圖像進(jìn)行分析，以完成生物測(cè)定識(shí)別、生存狀態(tài)確定等。光源324 以及攝像機(jī)328和332中的每一個(gè)的特定結(jié)構(gòu)可以具有上文所述的多種 形式，而且在不同實(shí)施例中，所提供的光為大致單色的或多色的。在一些實(shí)例中，例如，可以通過(guò)向光源340、面312、或類似濾波 器的中間光學(xué)組件提供偏振涂層，使用偏振來(lái)區(qū)分不同類型的特征。 與其他實(shí)施例類似，在一些實(shí)例中，可以針對(duì)特定的照射裝置應(yīng)用局 部涂層，從而可以為不同的照射裝置設(shè)置不同的偏振條件。利用圖3 所示的配置，該裝置不會(huì)引入Bragg效應(yīng)。平行偏振配置將會(huì)強(qiáng)調(diào)表面 效果，而垂直偏振條件強(qiáng)調(diào)更深組織的效果。通過(guò)提供可旋轉(zhuǎn)的偏光 器， 一些實(shí)施例允許收集具有不同偏振狀態(tài)的圖像。提供不同圖像條件(例如不同的偏振狀態(tài)、不同的波長(zhǎng))的能力、 以及收集具有不同時(shí)間的圖像的能力允許收集更大范圍的信息。例如， 可以在多個(gè)條件下，針對(duì)子表面光學(xué)效應(yīng)而對(duì)從TIR攝像機(jī)328和組織 圖像攝像機(jī)332返回的圖像進(jìn)行分析。名義上，每一個(gè)攝像機(jī)收集除了 角度(angular)效應(yīng)之外相同的信息，但是TIR圖像具有疊加在深組 織圖像上的TIR掩模?？梢允褂眠@個(gè)能力來(lái)適應(yīng)灌注改變，對(duì)此，特定 波長(zhǎng)通常是優(yōu)選的，特別是那些小于約600mn的波長(zhǎng)。在一些這種實(shí)施 例中，可以使用氧化血紅蛋白的峰值吸收特征處的波長(zhǎng)，即大約為540 和576nm的波長(zhǎng)。圖4示意性地示出了適于暗場(chǎng)TIR成像但僅使用單一攝像機(jī)的備 選裝置。這個(gè)裝置在某些方面與暗場(chǎng)TIR裝置類似，其中棱鏡400用于 提供來(lái)自照射源424的光路，并具有作為與例如手指420所提供的皮膚 部位進(jìn)行界面接觸的壓盤的表面402。利用光源424在面412處提供照射 光440，在不同實(shí)施例中光源424可以是大致單色的或是多色的。面416 涂有光吸收涂層，從而TIR成像以與圖3所述相同的方式來(lái)響應(yīng)暗場(chǎng)。 即，指紋圖像由被組織吸收、并以大于壓盤/空氣分界面所限定的臨界 角的角度而重新發(fā)射的光形成。利用攝像機(jī)428經(jīng)面408而接收的光444 來(lái)形成TIR圖像。從圖中所示幾何結(jié)構(gòu)可以看出，在所示配置或等效的 光學(xué)裝置中，可以消除面404。攝像機(jī)428和光源424與計(jì)算單元436接 口連接，計(jì)算單元436被編制用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)組件的操作，和/或?qū)邮?到的TIR圖像進(jìn)行分析。在與圖4所示相似的實(shí)施例中，可以省略顯式(explicit)組織 成像攝像機(jī)，而僅對(duì)TIR圖像中被照射的脊執(zhí)行不同條件下的組織分 析。在一些實(shí)例中，可以按照與圖3所述相同的方式對(duì)光進(jìn)行偏振，以 強(qiáng)調(diào)表面或更深組織的效果。另外，可以利用不同的光波長(zhǎng)、在不同 的時(shí)間、在不同的圖像條件(例如不同的偏振條件)下收集不同的圖 像。在圖2-4中所示的任意實(shí)施例中，有時(shí)希望在用于執(zhí)行校準(zhǔn)功能 的圖像區(qū)域中的某處包括光學(xué)參考材料。這種校準(zhǔn)可以考慮到光源強(qiáng) 度、增益、檢測(cè)器響應(yīng)度等的變化。執(zhí)行校準(zhǔn)的一種簡(jiǎn)單方式是，使 用來(lái)自具有光學(xué),材料的區(qū)域的像素值，通過(guò)獲得該圖像值與參考 值的比率而對(duì)每一個(gè)彩色圖像的余下部分進(jìn)行歸一化。在不同的實(shí)施 例中，還可以使用其他校準(zhǔn)技術(shù)。 一種適合的光學(xué)參考材料是 Spectralon ,它是由LabSphere制造的漫反射涂層?？捎玫钠渌鈱W(xué) 參考材料包括例如通常用于攝影的紙板反射標(biāo)準(zhǔn)、漫射白或灰塑料等。 更一般地，可以使用在時(shí)間上光穩(wěn)定的、及射與真實(shí)皮膚部位類似數(shù) 量的光的、并大致均勻的任意材料。期望光學(xué)參考材料在不使檢測(cè)器 飽和的情況下提供可測(cè)量的信號(hào)。圖5大體上示出了可以用于和其他系統(tǒng)元件一同使用的計(jì)算設(shè)備 236、 336或436的結(jié)構(gòu)。單獨(dú)的系統(tǒng)元件可以以分立式或更為集成的方 式而實(shí)現(xiàn)。計(jì)算設(shè)備一般地由附圖標(biāo)記500來(lái)指定，并被示出為包括通 過(guò)總線526而電耦合的硬件元件，這些硬件元件還與由附圖標(biāo)記517— 同表示的光源和攝像機(jī)耦合。硬件元件包括處理器502、輸入設(shè)備504、 輸出設(shè)備506、存儲(chǔ)設(shè)備508、計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)讀取器510a、通信 系統(tǒng)514、例如DSP或?qū)Ｓ锰幚砥鞯奶幚砑铀賳卧?16、以及存儲(chǔ)器518。 計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)讀取器510a還與計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)510b相連， 該組合綜合地表示遠(yuǎn)端、本地、固定和/或可去除的存儲(chǔ)設(shè)備與用于暫 時(shí)和/或更持久地包含計(jì)算機(jī)可讀信息的存儲(chǔ)介質(zhì)。通信系統(tǒng)514可以 包括有線、無(wú)線、調(diào)制解調(diào)器、和/或其他類型的接口連接，并允許與 外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。
計(jì)算設(shè)備500還包括軟件元件，當(dāng)前示出為位于工作存儲(chǔ)器520 中，包括操作系統(tǒng)524和其他代碼522，例如被設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 方法的程序。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以根據(jù)特殊需求而使用 實(shí)質(zhì)性的變化。例如，還可以使用定制的硬件，和/或可以以硬件、軟 件(包括可移植軟件，例如小應(yīng)用程序)或兩者來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的元件。 此外，可以采用與其他計(jì)算設(shè)備的連接，例如與網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出設(shè)備的 連接。上述實(shí)施例產(chǎn)生了不同波長(zhǎng)和/或偏振條件下的皮膚部位的圖像 集，或產(chǎn)生了這樣的數(shù)據(jù)，即根據(jù)該數(shù)據(jù)可以使用重建技術(shù)來(lái)產(chǎn)生該 圖像集，例如在計(jì)算斷層成像分光計(jì)或其他編碼的照射/檢測(cè)子系統(tǒng)的 特定情況下。為了進(jìn)行說(shuō)明，下面參考這種光譜圖像集進(jìn)行討論，盡 管在并未直接產(chǎn)生該光譜圖像的實(shí)施例中不需要針對(duì)后續(xù)的生物測(cè)定 處理而產(chǎn)生這些圖像。圖6示出了示意性的多光譜圖像集，該集定義了 多光譜數(shù)據(jù)立方體601。一種對(duì)數(shù)據(jù)立方體601進(jìn)行分解的方式是，將其分解為與測(cè)量過(guò) 程中照射樣本所用的每一個(gè)波長(zhǎng)和/或偏振條件相對(duì)應(yīng)的圖像。在圖 中，示出了5個(gè)單獨(dú)的圖像603、 605、 607、 609和611，與5個(gè)離散照射 波長(zhǎng)和/或照射條件相對(duì)應(yīng)(例如可以把照射描述為在壓盤表面中位 置X、 Y以及角度a處具有一定強(qiáng)度的、照射偏振狀態(tài)P的二次點(diǎn)源集)。 類似的術(shù)語(yǔ)可以用于描述感測(cè)器的檢測(cè)面。在使用可見光的實(shí)施例中， 例如，該圖像可以與使用450nm、 500nm、 550nm、 600nm和650nm的光所 產(chǎn)生的圖像相對(duì)應(yīng)。每一個(gè)圖像表示與皮膚相互作用的、具有特定波 長(zhǎng)的光的光學(xué)效果，而且，在皮膚與壓盤在測(cè)量期間發(fā)生接觸的實(shí)施 例中，每一個(gè)圖像表示與皮膚相互作用的、并且還穿過(guò)皮膚-壓盤分界 面的、具有特定波長(zhǎng)的光的光學(xué)效果。由于皮膚和皮膚成分的光學(xué)屬 性隨波長(zhǎng)而變化，所以多光譜圖像603、 605、 607、 609和611中的每一 個(gè)一般都與其他圖像不同。例如，小于大約600nm的波長(zhǎng)被峰值吸收率 在大約540和576nm處的血液強(qiáng)烈吸收。這些波長(zhǎng)上的圖像強(qiáng)烈地表示 出血液特征，包括當(dāng)手指按到感測(cè)器表面時(shí)的手指發(fā)白(blanching), 以及部分由于更深的血管而造成的雜色圖案。具有大于大約600nm波長(zhǎng) 的光源對(duì)于血液較不敏感，而且實(shí)質(zhì)上要平滑和均勻得多。因此，數(shù)據(jù)立方體可以被表示為R (Xs、 Ys、 as、 Ps、 X!、 Yi、 ai、 Pi、 A)，并描述了當(dāng)以Xs、 Ys、 as、 Ps所描述的二次源點(diǎn)照射時(shí)，以 角度arS每一個(gè)圖像點(diǎn)Xh Yi處看見的、并通過(guò)由Pi描述的偏振元件 而觀看到的具有波長(zhǎng)X的光的量。不同的照射配置(面、線等)可以 通過(guò)對(duì)適當(dāng)?shù)亩卧袋c(diǎn)位置上的點(diǎn)響應(yīng)進(jìn)行求和而概括。多光譜數(shù)據(jù) 立方體R與傳統(tǒng)的指紋圖像以及光譜生物測(cè)定數(shù)據(jù)集有關(guān)，包含與這些 生物測(cè)定模態(tài)中的每一種有關(guān)的信息。多光譜數(shù)據(jù)立方體R是其他兩個(gè) 數(shù)據(jù)集中任意一個(gè)的超集，并包含相關(guān)性和這兩個(gè)單獨(dú)的模態(tài)中任意 一個(gè)可能缺失的其他信息。由于TIR效應(yīng)而在皮膚-壓盤分界面上形成的光學(xué)交互在所有波 長(zhǎng)上大致相同，這是因?yàn)閴罕P材料和皮膚的光學(xué)折射率在所用波長(zhǎng)范 圍上通常不具有明顯的不同。然而，組織圖像通常會(huì)受到例如不同波 長(zhǎng)、不同偏振條件、不同照射和檢測(cè)角度的因素以及限定不同光學(xué)條 件并包括多光譜條件的其他因素的影響。多光譜圖像數(shù)據(jù)立方體包含來(lái)自多個(gè)源的空間-頻譜 (spatio-spectral)信息。僅作為示例，在針對(duì)與壓盤接觸的指尖進(jìn) 行測(cè)量的情況下，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)立方體包含由于以下原因而產(chǎn)生的效 果(i)指尖與壓盤之間的光學(xué)分界面，與包含在傳統(tǒng)非TIR指紋中的 信息類似；(ii)組織的整體光譜特性，該特性因人而異；(iii)臨近 皮膚表面的血管，特別是恰好位于構(gòu)成外部指紋圖案的趾掌脊之下的 毛細(xì)血管；以及(iv)分布在組織中更深位置處的血管和其他光譜有 效結(jié)構(gòu)，與血管成像的方式類似。這樣，本發(fā)明的實(shí)施例提供了從被 測(cè)量的指尖或其他皮膚部位內(nèi)的多個(gè)源中提取生物測(cè)定數(shù)據(jù)的機(jī)制， 從而提供了多因素的生物測(cè)定-檢測(cè)應(yīng)用。由于皮膚和下層組織復(fù)雜的波長(zhǎng)依賴屬性，與給定圖像位置相對(duì) 應(yīng)的光譜數(shù)值集具有良好定義且有所區(qū)別的光譜特性。這些光譜特性 可以用于逐個(gè)像素地對(duì)多光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。這個(gè)評(píng)估可以通過(guò) 從合格圖像集中產(chǎn)生典型組織光譜品質(zhì)而執(zhí)行。例如，圖6所示的多光 譜數(shù)據(jù)可以被記錄為NX5的矩陣，其中N是包含來(lái)自活性組織而不是來(lái)
自周圍空氣區(qū)域的數(shù)據(jù)的圖像像素的數(shù)目。對(duì)這個(gè)集矩陣執(zhí)行的特征 分析或其他因素分析產(chǎn)生了這些組織像素的代表性光譜特征。使用例如mahalanobis距離的度量和光譜殘余，對(duì)后一數(shù)據(jù)集中的像素的光譜 與先前建立的光譜特征進(jìn)行比較。如果多于某個(gè)小數(shù)目的圖像像素具 有與活性組織不一致的光譜品質(zhì)，則該樣本被認(rèn)為是非真實(shí)的并被拒 絕，從而提供了一種把反欺騙方法合并到感測(cè)器中的機(jī)制，該反欺騙 方法根據(jù)樣本活性的確定而進(jìn)行。類似地，在樣本是指尖的實(shí)施例中，多光譜圖像像素基于其光譜 品質(zhì)而被分類為"脊"、"谷"或"其他"?？梢允褂门袆e分析方法來(lái)執(zhí) 行所述分類，例如線性判別分析、二次判別分析、原理組成分析、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其他分析方法。由于脊和谷像 素在典型的指尖上連續(xù)，在一些實(shí)例中，將來(lái)自感興趣的圖像像素周 圍的局部鄰域中的多光譜數(shù)據(jù)用于對(duì)該圖像像素進(jìn)行分類。以這種方 式，從感測(cè)器中獲取傳統(tǒng)的指紋圖像，以便進(jìn)一步處理和進(jìn)行生物測(cè) 定評(píng)估。"其他"種類可以表示具有與真實(shí)樣本中的預(yù)期有所不同的光 譜品質(zhì)的圖像像素?？梢栽O(shè)置被分類為"其他"的圖像像素總數(shù)目閾 值。如果超過(guò)這個(gè)閾值，則可以確定樣本是非真實(shí)的，做出適當(dāng)?shù)闹?示，并采取行動(dòng)。在不超出本發(fā)明的范圍的前提下，可以使用多種備選的光學(xué)配 置，圖7A和7B被提供用于示出圖2-4中描述的實(shí)施例可以使用的備選配 置的示例。圖7A示出了被用于提供虛線730所示光路的棱鏡700。照射 光740被提供在面726處，而且面724具有反射涂層，該反射涂層可以通 過(guò)對(duì)光功率整形而有助于對(duì)圖像進(jìn)行聚焦。從面722接收形成TIR圖像 所用的光744，而且在第二攝像機(jī)用于組織圖像的實(shí)施例中，即與圖2 和3類似，可以從面726接收形成組織圖像的光748。圖7B示出的配置在提供棱鏡750且照射光入射到面772這方面是 類似的，但在面774上不具有反射涂層這方面是不同的。因此，從面774 接收形成TIR圖像所用的光794，而且在第二攝像機(jī)用于組織圖像的實(shí) 施例中，即與圖2和3類似，從面772接收形成組織圖像的光798。能夠 以結(jié)合圖2-4已經(jīng)描述的多種不同方式來(lái)配置圖7A和7B所示的備選實(shí)
施例，包括提供不同的偏振條件，使用大致單色或多色光，等等。此外，存在多種不同的方式可對(duì)不同實(shí)施例中由攝像機(jī)收集的數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理。在具有單一攝像機(jī)的實(shí)施例或具有多個(gè)攝像機(jī)的實(shí)施例中以不同的方式處理由例如圖3和4所示系統(tǒng)而產(chǎn)生的暗場(chǎng)TIR圖像，并 且可以把根據(jù)TIR圖像而獲取的信息與根據(jù)組織圖像而獲取的信息進(jìn) 行結(jié)合。例如，可以對(duì)沿著TIR圖像中標(biāo)識(shí)的脊的像素進(jìn)行評(píng)估，以確 保光譜特性與活性組織一致。當(dāng)隨著時(shí)間而獲取多個(gè)圖像時(shí)，可以對(duì) 沿著脊的像素中的變化進(jìn)行評(píng)估，以確保觀察到活性組織所期望的灌 注變化。另外，可以針對(duì)多個(gè)偏振狀態(tài)和/或多個(gè)照射波長(zhǎng)而產(chǎn)生不同 圖像，以確保結(jié)果與活性組織一致。除了這些生存狀態(tài)測(cè)試之外，作 為識(shí)別過(guò)程的一部分，可以對(duì)沿著脊的強(qiáng)度差(在空間上并相對(duì)于多 個(gè)波長(zhǎng)、偏振狀態(tài)和/或照射和檢測(cè)角度)進(jìn)行檢査，以確保它們與登 記過(guò)程中觀察到的強(qiáng)度差一致。這些脊強(qiáng)度差部分程度上受到下層皮 膚結(jié)構(gòu)的影響。在使用兩個(gè)攝像機(jī)額外地收集組織圖像數(shù)據(jù)的實(shí)例中，可以使用 多種圖像處理技術(shù)來(lái)分析圖像數(shù)據(jù)，包括邊緣檢測(cè)和圖像增強(qiáng)技術(shù)。 可使用的邊緣檢測(cè)技術(shù)的示例包括Laplacian of Gaussian、 Sobel、 Prewitt、以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的其他技術(shù)。在一些實(shí)例中，可 以創(chuàng)建把組織圖像特征與TIR特征進(jìn)行相關(guān)的線性或非線性模型，使用 該模型來(lái)預(yù)測(cè)TIR圖像的丟失部分。兩種圖像測(cè)量的可用性還允許通過(guò) 使用雙生物測(cè)定檢測(cè)而更加具有魯棒性地執(zhí)行生物測(cè)定功能。每一個(gè) 不同的圖像都包括在相同時(shí)刻從主體的相同部分獲取的信息，因此該 組合能夠不被使用不同的樣本或不同的技術(shù)來(lái)欺騙不同圖像測(cè)量的方 法欺騙。因此，該系統(tǒng)通常能夠抵抗多種不同類型的欺騙。此外，可 以通過(guò)執(zhí)行活性評(píng)估，針對(duì)欺騙檢測(cè)而直接評(píng)估組織數(shù)據(jù)。這可以包 括對(duì)圖像進(jìn)行光譜評(píng)估；檢查子表面圖案，特別是血液圖案；對(duì)作 為登記功能的一部分而收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；以及確保TIR的指紋圖案與組織圖像一致。利用本發(fā)明的系統(tǒng)所收集的圖像的示例如圖8A-9C所示。圖8A-8C示出了從指尖皮膚部位處的對(duì)象收集的圖像，利用三種照射顏色(綠、
紅和藍(lán))來(lái)收集組織圖像。圖8A示出了TI財(cái)旨紋圖像，圖8C示出了組織 圖像，兩者在圖8B中發(fā)生重疊。明顯的是，組織圖像相對(duì)于相應(yīng)的TIR 圖像提供了更大面積的覆蓋范圍，而且兩者的組合協(xié)同地提供了從兩 者中任一單獨(dú)圖像中不可獲取的信息。圖8C中組織圖像的雜色部分是 可被測(cè)量的非指紋特征的示例，并且是生物測(cè)定應(yīng)用中感興趣的。圖9A-9C的序列與圖8A-8C的序列類似，但是是在成像前把透明帶 施加到指尖而收集的。雖然圖9A中的TIR圖像由于帶的存在而明顯地惡 化，然而圖9C中的組織圖像幾乎沒有表示出惡化。當(dāng)對(duì)圖像進(jìn)行組合 時(shí)，如圖9B所示，明顯的是，組織圖像的包含使得系統(tǒng)可以對(duì)區(qū)域中 的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，而這些數(shù)據(jù)是單獨(dú)的TIR圖像所不能收集的。圖10提供了當(dāng)感測(cè)器包括光學(xué)參考材料時(shí)所收集的組織圖像的 示例，在這個(gè)實(shí)例中，該材料為沿著圖像邊緣而前進(jìn)的材料1002和1004 的薄片。如上所述，這個(gè)材料的存在允許對(duì)圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，以考慮到 條件的變化，例如來(lái)源于光源強(qiáng)度的變化、檢測(cè)器靈敏度的變化，等 等。通過(guò)使用光學(xué)參考材料的區(qū)域中的像素值來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)，以對(duì)圖像 的余下部分進(jìn)行歸一化。因此，在描述了若干實(shí)施例后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在 不背離本發(fā)明的精神的前提下，可以使用各種修改、備選構(gòu)造和等同 物。因此，上面的描述不應(yīng)被看作限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范 圍由所附權(quán)利要求而限定。
權(quán)利要求
1. 一種用于執(zhí)行生物測(cè)定功能的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 照射源；壓盤，被布置為與個(gè)體的皮膚部位發(fā)生接觸； 光檢測(cè)器；光具組，被布置為提供所述照射源與所述壓盤之間以及提供所述 壓盤與所述光檢測(cè)器之間的光路，其中，所述照射源與所述光具組的 組合提供了多光譜條件下對(duì)所述壓盤的照射；以及計(jì)算單元，與所述光檢測(cè)器接口連接，并具有用于根據(jù)從所述皮 膚部位接收到的第一部分光來(lái)產(chǎn)生所述皮膚部位的全內(nèi)反射圖像、并 用于根據(jù)從所述皮膚部位接收到的第二部分光來(lái)產(chǎn)生所述皮膚部位的 多光譜組織圖像的指令。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述照射源可以是多色照 射源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光具組包括具有多個(gè) 面的棱鏡，所述照射源被布置為向第一面提供照射光，而所述光檢測(cè) 器被布置為從第二面接收光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，第一和第二面是同一個(gè)面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述光檢測(cè)器包括被布置為接收通過(guò)所述第二面的所述第一部 分光的第一光檢測(cè)器，以及被布置為接收來(lái)自第三面的所述第二部分 光的第二光檢測(cè)器；所述第二面大致上與第一軸正交，所述第一軸與所述壓盤的角度 大于所述壓盤與空氣的分界面的臨界角0c;以及所述第三面大致上與第二軸正交，所述第二軸與所述壓盤的角度 小于所述臨界角9c。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述第一、第二和第三面 是不同的面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括被布置在不同于所述第一、 第二和第三面的第四面上的漫反射體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括被布置在不同于所述第一、 第二和第三面的第四面上的光吸收體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光具組包括被布置為 對(duì)入射到所述皮膚部位的光進(jìn)行偏振、并對(duì)所述光檢測(cè)器接收到的光 進(jìn)行偏振的偏光器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述偏光器的朝向使得入射到所述皮膚部位上的光和所述光檢測(cè)器接收到的光具有大致平行的偏振o
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述偏光器的朝向使得入 射到所述皮膚部位上的光和所述光檢測(cè)器接收到的光具有大致正交的 偏振。
12. —種用于執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法，所述方法包括在多光譜條件下照射個(gè)體的皮膚部位； 從所述皮膚部位接收光；根據(jù)接收到的第一部分光來(lái)產(chǎn)生所述皮膚部位的全內(nèi)反射圖像；以及根據(jù)接收到的第二部分光來(lái)產(chǎn)生所述皮膚部位的多光譜組織圖像。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，照射所述皮膚部位包括利用單一的照射源來(lái)照射所述皮膚部位。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，照射所述皮膚部位包括:利用多色光來(lái)照射所述皮膚部位。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中照射所述皮膚部位包括-產(chǎn)生光；以及把所產(chǎn)生的光對(duì)準(zhǔn)所述皮膚部位和漫反射體，以提供漫射光場(chǎng)；以及產(chǎn)生所述皮膚部位的所述全內(nèi)反射圖像包括識(shí)別所述皮膚部位 與所述光發(fā)生光接觸并吸收光的位置所對(duì)應(yīng)于的暗圖案。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中照射所述皮膚部位包括 產(chǎn)生光；以及把所產(chǎn)生的光對(duì)準(zhǔn)皮膚部位和光吸收體；以及 產(chǎn)生所述皮膚部位的所述全內(nèi)反射圖像包括識(shí)別所述皮膚部位與所述光發(fā)生光接觸并重新發(fā)射光的位置所 對(duì)應(yīng)于的被照射圖案。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述皮膚部位與壓盤發(fā)生接觸，所述壓盤定義了具有臨界角 的壓盤-空氣分界面；從所述皮膚部位接收光包括利用布置在第一軸上的第一光檢測(cè)器來(lái)接收所述第一部分光，所 述第一軸與所述壓盤-空氣分界面的角度大于9c;以及利用布置在第二軸上的第二光檢測(cè)器來(lái)接收所述第二部分光，所 述第二軸與所述壓盤-空氣分界面的角度小于e c。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，照射所述個(gè)體的所述皮 膚部位包括對(duì)所產(chǎn)生的光進(jìn)行偏振，所述方法還包括對(duì)所接收到 的所述第二部分光進(jìn)行偏振。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所產(chǎn)生的光和所接收到 的所述第二部分光的偏振大致平行。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所產(chǎn)生的光和所接收到 的所述第二部分光的偏振大致正交。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所產(chǎn)生的光和所接收到的所述第二部分光具有第一相對(duì)偏振，所述方法包括重復(fù)以下步驟照射所述皮膚部位、從所述皮膚部位接收光、產(chǎn)生所述全內(nèi)反射圖像、 以及產(chǎn)生所述多光譜組織圖像，其中所產(chǎn)生的光和所接收到的所述第 二部分光具有與所述第一相對(duì)偏振不同的第二相對(duì)偏振。
22. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中照射所述個(gè)體的所述皮膚部位包括對(duì)所產(chǎn)生的光進(jìn)行偏振；以及 從所述皮膚部位接收光包括以與所產(chǎn)生光的偏振大致平行的偏 振，對(duì)所接收到的所述第一部分光進(jìn)行偏振。
23. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括重復(fù)照射所述皮膚部位并從所述皮膚部位接收光的步驟； 產(chǎn)生第二多光譜組織圖像；以及 根據(jù)所述第二多光譜組織圖像來(lái)確定灌注變化。
24. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)所述多廣譜組織圖像來(lái)確定所述皮膚部位處的組織的活性狀態(tài)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括通過(guò)確認(rèn)所述全內(nèi)反射圖像和所述組織圖像與先前收集的登記數(shù)據(jù)的一致性，來(lái)對(duì)所述個(gè) 體的身份進(jìn)行驗(yàn)證。
26. —種用于執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法，所述方法包括 在第一組光學(xué)條件下捕獲個(gè)體的皮膚部位的第一圖像； 在不同于所述第一組的第二組光學(xué)條件下捕獲所述個(gè)體的所述皮膚部位的第二圖像；以及使用所述第一和第二圖像來(lái)執(zhí)行所述生物測(cè)定功能。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二組光學(xué)條件定義了入射到所述皮膚部位上的光的不同波長(zhǎng)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二組光學(xué)條件定義了不同的偏振狀態(tài)。
全文摘要
提供了用于把全內(nèi)反射和組織成像進(jìn)行組合以執(zhí)行生物測(cè)定功能的方法和系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包括照射源、壓盤、光檢測(cè)器、光具組、以及計(jì)算單元。所述壓盤被布置為與個(gè)體的皮膚部位發(fā)生接觸。所述光具組被布置為提供照射源與壓盤之間以及壓盤與光檢測(cè)器之間的光路。照射源與光具組的組合提供了多光譜條件下對(duì)壓盤的照射。計(jì)算單元與光檢測(cè)器接口連接，并具有用于根據(jù)從皮膚部位接收到的第一部分光來(lái)產(chǎn)生全內(nèi)反射圖像、并用于根據(jù)從皮膚部位接收到的第二部分光來(lái)產(chǎn)生多光譜組織圖像的指令。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101124586SQ200580048430
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者羅伯特·K·羅 申請(qǐng)人:光譜辨識(shí)公司