專利名稱：指紋輸入設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種指紋輸入設(shè)備，尤其涉及一種利用二維圖像傳感器直接獲取指紋圖像的指紋輸入設(shè)備。
背景技術(shù)：
常規(guī)上，這類(lèi)指紋輸入設(shè)備通常使用諸如透鏡、棱鏡及光纖等光學(xué)元件使光以一個(gè)預(yù)定的角度照射到指尖的指紋上，將指紋反射回來(lái)的光會(huì)聚起來(lái)并輸出一個(gè)指紋圖像。另外，一種利用靜電容量直接輸入指紋圖像以代替利用光學(xué)系統(tǒng)獲取指紋圖像的系統(tǒng)已被研制出來(lái)。
已經(jīng)對(duì)一種利用光學(xué)器件直接輸入指紋圖像的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在這種系統(tǒng)中已知有一個(gè)光反射系統(tǒng)和一個(gè)光傳輸系統(tǒng)，前者可使光照射到指尖的皮膚上并且使用其反射光，后者則用于將光輸入到手指上并且在光纖束的端面上接收從手指表面發(fā)出的光。
但是，根據(jù)這些常規(guī)的指紋輸入設(shè)備，如果使用諸如透鏡、棱鏡或光纖等光學(xué)元件，則需要確保光學(xué)元件自身的尺寸、結(jié)合位置或類(lèi)似情況達(dá)到一定程度。另外，光學(xué)元件相對(duì)較貴，這個(gè)缺點(diǎn)使得指紋輸入設(shè)備在尺寸上不能夠被制作得薄而小，而且也不能以低成本來(lái)制造設(shè)備。此外，如果指紋圖像由光學(xué)元件進(jìn)行光學(xué)處理，則所獲得的圖像會(huì)不利地趨向于失真。
另一方面，利用靜電容量直接輸入指紋圖像的系統(tǒng)，其缺點(diǎn)在于，該設(shè)備對(duì)外部的靜電反應(yīng)很弱，因而很難獲得良好的靈敏度。
另外，還有一種常規(guī)上已知的用于直接獲取指紋圖像的光學(xué)反射型指紋輸入設(shè)備。根據(jù)這種指紋輸入設(shè)備，光通過(guò)傳感器內(nèi)的縫隙從傳感器的背面照射到一個(gè)面對(duì)二維圖像傳感器正面的手指上。在指紋脊線部分(其中有一個(gè)薄膜被放置在二維圖像傳感器與手指之間并與手指相接觸)內(nèi)，照在手指上的光將進(jìn)入手指而不被接觸表面反射。在指紋的凹谷部分(其中薄膜不與手指接觸)內(nèi)，不被薄膜反射的光以及從薄膜發(fā)出的光被手指表面反射并且再次通過(guò)薄膜入射進(jìn)二維圖像傳感器。因此，通過(guò)判斷反射光是否入射進(jìn)二維圖像傳感器就可以將指紋的脊線部分與指紋的凹谷部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。根據(jù)這種設(shè)備，它需要將光從傳感器的背面加到與二維圖像傳感器的正面相面對(duì)的手指上。結(jié)果，在傳感器元件之間需要有許多使光通過(guò)的部分，這些使光通過(guò)的部分會(huì)降低傳感器元件的密度，損失傳感器的分辨率，從而需要具有特殊結(jié)構(gòu)的傳感器，由此使制造成本升高。另外，這種設(shè)備具有一個(gè)操作缺陷，即，如果有環(huán)境光(干擾光)從手指的測(cè)量目標(biāo)表面以外的部分進(jìn)入手指、在手指中散射、穿過(guò)指紋脊線部分與薄膜之間的接觸面而入射進(jìn)光學(xué)圖像傳感器，則入射光的強(qiáng)度幾乎與反射光的強(qiáng)度相等，這樣就不能獲取指紋圖像。
另外，常規(guī)上已知的傳輸型指紋輸入設(shè)備利用了這樣一種現(xiàn)象，即，如果手指按壓在光纖束的端面上并且有光照射在手指上，則指紋圖像將會(huì)出現(xiàn)。因此，需要使用一種完整無(wú)缺并且較長(zhǎng)的光纖束或者這種光纖的短切片。結(jié)果，指紋輸入設(shè)備在尺寸上將會(huì)不利地變大或者會(huì)使制造成本不利地升高。另外，由于將光纖做得十分短(即，切割出很薄的光纖)是有限度的，因此它不利地限制了使設(shè)備變薄的嘗試。另外，對(duì)指紋輸入設(shè)備的需求已被廣泛擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。結(jié)果，就需要考慮這樣一種情況，即，要求器件像IC卡一樣被彎曲以用于粘在諸如各類(lèi)把手、書(shū)寫(xiě)工具或桿狀物(如筆狀指示器)等等的曲面上。因此，僅提供常規(guī)的使用單晶硅的并且一點(diǎn)不能彎曲的二維圖像傳感器是不夠的。
為了解決上述這些問(wèn)題，本發(fā)明的發(fā)明人在日本未決專利申請(qǐng)No.2000-217803中公開(kāi)了一種指紋輸入設(shè)備。該指紋輸入設(shè)備是一種光傳輸型設(shè)備，它沒(méi)有采用光纖而是采用了一個(gè)二維圖像傳感器以及一個(gè)放置在二維圖像傳感器之上的面板，該面板由一種諸如玻璃的透明構(gòu)件制成，其上用于放置手指尖。這種指紋輸入設(shè)備將其中面板與手指相接觸的指紋脊線部分檢測(cè)為明亮部分、將其中面板與手指不相接觸的指紋凹谷部分檢測(cè)為黑暗部分。該指紋輸入設(shè)備還包括第一光源和第二光源，前者用于將光照射到指尖的頂端，后者則用于將光照射到手指的第一個(gè)指節(jié)附近。從這些光源發(fā)出的光進(jìn)入指尖部分并且在指尖部分中散射，有一部分散射光被指向指紋區(qū)域。因此，它可以提高二維圖像傳感器所檢測(cè)出來(lái)的指紋圖像的對(duì)比度。
但是，日本未決專利申請(qǐng)No.2000-217803只公開(kāi)了可以采用玻璃作為指紋輸入設(shè)備中所用的面板，而并沒(méi)有指出面板材料的折射率以及面板的厚度。結(jié)果，取決于面板材料的折射率，指紋圖像并不總是具有足夠的對(duì)比度。另外，取決于面板的厚度，指紋圖像也并不總是具有足夠的對(duì)比度，而且其對(duì)二維圖像傳感器的保護(hù)功能也并不總是足夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而被提出的。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠獲取呈現(xiàn)足夠?qū)Ρ榷鹊闹讣y圖像的指紋輸入設(shè)備。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種對(duì)二維圖像傳感器具有足夠保護(hù)功能的指紋輸入設(shè)備。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種可彎曲的指紋輸入設(shè)備。
為了達(dá)到提供足夠?qū)Ρ榷鹊哪康模瑢?duì)光在手指和與手指相接觸的透明固體部分之間的折射、反射以及傳輸情況進(jìn)行了詳盡的分析。作為結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了以下情況。在指紋脊線部分中，在手指與透明固體部分之間的交界面上光的反射幾乎為零，并且光被從手指射進(jìn)透明固體部分。在指紋凹谷部分中，在手指皮膚與透明固體部分之間產(chǎn)生了一個(gè)空氣層。由于這個(gè)原因，手指內(nèi)部與空氣層之間的折射率差異很大，并且空氣層與透明固體部分的折射率差異也很大。結(jié)果，在指紋凹谷部分中，兩個(gè)交界面上的反射系數(shù)很高，而且當(dāng)來(lái)自手指的散射光射進(jìn)透明固體薄膜時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生與兩個(gè)反射系數(shù)的乘積相對(duì)應(yīng)的反射損失。另外，當(dāng)光從手指內(nèi)部射入空氣時(shí)，由于手指的折射率與空氣折射率之間的關(guān)系，所以存在一個(gè)臨界角。從而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生這樣一種現(xiàn)象，即，在手指內(nèi)部只有約一半的散射光被射入空氣。雖然本發(fā)明屬于光傳輸類(lèi)型，但本發(fā)明中不使用光纖束的結(jié)構(gòu)卻造成了這些有利現(xiàn)象，因而可以獲得更加可靠的指紋脊線圖像，即，與使用光纖束的常規(guī)系統(tǒng)相比，其脊線圖像的遺漏部分較少。
首先，一種薄膜被用作與手指相接觸的構(gòu)件(即，透明固體薄膜)，該薄膜具有這樣一種硬度，即，如果手指放在該薄膜上，則指紋的脊線部分將發(fā)生一定程度的變形并且與薄膜緊貼在一起，而且薄膜不陷入指紋的凹谷部分。這種透明固體薄膜還應(yīng)起到二維圖像傳感器表面的保護(hù)器作用。因此，必須選擇一種堅(jiān)硬的薄膜。但是，這種必要性不能與上述條件相抵觸。另外，如果透明固體薄膜具有充分小于相鄰指紋脊線的間距的厚度，則可以形成清晰的指紋圖像。
以下將對(duì)透明固體薄膜的折射率進(jìn)行考慮。
手指皮層根據(jù)指尖的干燥程度以及個(gè)人情況而具有不同的折射率。但是，水的折射率為1.33，脂肪的折射率為1.4至1.5，由動(dòng)物蛋白構(gòu)成的羊毛的折射率為1.56。因此，如果據(jù)估計(jì)手指皮層的水成分為40至50wt％、其脂肪成分為10wt％、蛋白質(zhì)成分為50至40wt％，則手指皮層的折射率處于1.43至1.46的范圍之內(nèi)，或者若將估計(jì)誤差考慮在內(nèi)，則手指皮層的折射率應(yīng)處于1.4至1.5的范圍之內(nèi)。
根據(jù)日本未決專利申請(qǐng)No.2000-217803所公開(kāi)的指紋輸入設(shè)備，與本發(fā)明所述透明固體薄膜相對(duì)應(yīng)的面板材料為玻璃。玻璃的折射率根據(jù)玻璃類(lèi)型的不同而不同，具體如下石英玻璃(SiO2)1.458耐熱玻璃(Na20-B2O3-SiO2)1.47堿石灰石英玻璃(Na2O-CaO-SiO2)1.51至1.52重火石玻璃1.6至1.7B2O3玻璃1.45636BaO 64B2O3玻璃1.63050PbO 50B2O3玻璃1.878GeO2玻璃1.607BeF2玻璃1.274720LiF 30NaF 50BeF2玻璃1.31525NaF 25BaF250ZrF4玻璃1.5237LaF 33ThF460ZrF4玻璃1.547僅從上述各個(gè)例子中可以看出，玻璃的折射率范圍為1.2747至1.878。該范圍包括了手指的折射率的范圍并且寬于后者。
與此同時(shí)，為了獲得作為指紋圖像的二進(jìn)制圖像，則應(yīng)在指紋脊線部分與指紋凹谷部分之間呈現(xiàn)出對(duì)比度。如果將因干擾光和電路內(nèi)產(chǎn)生的噪聲而引起的的噪聲影響考慮在內(nèi)，則指紋脊線部分與指紋凹谷部分之間的對(duì)比度最好較高。因此，以下將利用圖1所示的模型對(duì)透明固體薄膜的折射率與對(duì)比度之間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。
圖1中，各個(gè)符號(hào)分別代表以下內(nèi)容①手指皮層部分②空氣層(參考序號(hào)7)③透明固體薄膜(參考序號(hào)4)n1手指皮層的折射率n2空氣折射率n3透明固體薄膜的折射率θ1L指紋脊線部分內(nèi)透明固體薄膜上光的入射角θ3L指紋脊線部分之下透明固體薄膜上光的出射角θ1D指紋凹谷部分中空氣層上光的入射角θ2D指紋凹谷部分之下空氣層上光的出射角θ2Di從指紋凹谷部分之下的空氣層入射到透明固體薄膜的光的入射角θ3D從指紋凹谷部分之下的空氣層出射到透明固體薄膜的光的出射角β1L以θ1L角入射至手指皮層的內(nèi)部與位于指紋脊線部分中的透明固體薄膜之間的交界面上的光功率(由于光功率被均勻地分布在手指皮層內(nèi)的各個(gè)方向之中，所以β1L＝β1，其中p1代表手指皮層內(nèi)任意方向中的光功率)p1D以θ1D角入射至手指皮層內(nèi)部與位于指紋凹谷部分中的空氣層之間的交界面上的光功率(P1D＝P1)p2D以θ2D角從手指皮層內(nèi)部與位于指紋凹谷部分中的空氣層之間的交界面上出射的光功率p2Di在指紋凹谷部分內(nèi)所生成的在空氣層中進(jìn)行散射的光中，以θ2Di角入射到空氣層與透明固體薄膜之間的交界面的光的入射功率p3L以θ3L角從手指皮層與位于指紋脊線部分中的透明固體薄膜之間的交界面上出射的光功率p3D以θ3D角從空氣層與位于指紋凹谷部分中的透明固體薄膜之間的交界面上出射的光功率在因透明固體薄膜的厚度而造成對(duì)比度減小之前的對(duì)比度C0由以下公式定義C0＝(P3L-P3D)/P3L＝(P3L/P1-P3D/P1)/P3L/P1＝(TL(①→③)-TD(①→②→③))/TL(①→③)
其中P3D指紋凹谷部分正下方各個(gè)方向的下行光的光功率P3L指紋脊線部分正下方各個(gè)方向的下行光的光功率P1存在于手指皮層部分中的下行光的光功率TD(①→②→③)指紋凹谷部分的正下方區(qū)域的各個(gè)方向上的光的透射率(從手指皮層部分①射向空氣層②，在空氣層②中散射，并且入射到透明固體薄膜③上的光的透射率)TL(①→③)射向指紋脊線部分的正下方區(qū)域的各個(gè)方向上的光的透射率(直接從手指皮層部分①入射到透明固體薄膜③上的光的透射率)這里，折射率條件涉及到兩個(gè)條件，即，第一折射率條件n3≥n1＞n2＝1.000以及第二折射率條件n1＞n3＞n2＝1.000。
在第一折射率條件下，以下公式適用于指紋凹谷部分凹谷部分 在第一折射率條件下，以下公式適用于指紋脊線部分脊線部分 在以上公式中，tD凹谷部分中各個(gè)入射角的光的透射率tL脊線部分中各個(gè)入射角的光的透射率在第二折射率條件下，與第一折射率條件的情況一樣，以下公式適用于指紋凹谷部分凹谷部分 在第二折射率條件下，以下公式適用于指紋脊線部分脊線部分 透射率tD和tL分別是光強(qiáng)中P分量和S分量的平均透射率。即，tD和tL由以下公式表示tD＝(tPD+tSD)/2(5)
tL＝(tPL+tSL)/2(6)這里，tP的一般公式表達(dá)如下tP＝(sin2θi·sin2θo)/(sin2(θi+θo)·cos(θi-θo))…(7)ts的一般公式表達(dá)如下ts＝(sin2θi·sin2θo)/sin2(θi+θo)…(8)因此，平均透射率t的一般公式表達(dá)如下t＝(1/2)·(sin2θi·sin2θo)/sin2(θi+θo)(1+1/cos(θi-θo))…(9)在這些公式中，θo＝sin-1(ni/n0sinθI)(10)其中θi入射角θo出射角ni入射光一側(cè)的折射率no出射光一側(cè)的折射率θo由θi單一決定從公式(10)中可以得到以下公式nosinθo＝nisinθi(10′)另外，當(dāng)ni＞no時(shí)，通過(guò)以下公式可獲得臨界角θcθc＝sin-1(no/ni)從上述公式可以看出，在第一折射率條件下，以下公式適用于指紋凹谷部分 (12)其中θC(①→②)＝sin-1(n2/n1)…(13)tD(①→②)＝(1/2)·(sin2θ1D·sin2θ2D)/sin2(θ1D+θ2D)·(1+1/cos(θ1D-θ2D)) …(14)
θ2D＝sin-1(n1/n2sinθ1D) …(15)tD(②→③)＝(1/2)·(sin2θ2Di·sin2θ3D)/sin2(θ2Di+θ3D)·(1+1/cos(θ2Di-θ3D))…(16)θ3D＝sin-1(n2/n3sinθ2Di) …(17)θ1D光在指紋凹谷部分內(nèi)的空氣層上的入射角θ2Di光從指紋凹谷部分正下方的空氣層入射到透明固體薄膜上的入射角另外，在第一折射率條件下，以下公式適用于指紋脊線部分 其中tL(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)·(1+1/cos(θ1L-θ3L)) …(19)θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L) …(20)θ1L光入射到指紋脊線部分之內(nèi)的透明固體薄膜上的入射角在第二折射率條件下，與第一折射率條件的情況一樣，以下公式適用于指紋凹谷部分 其中θC(①→②)＝sin-1(n2/n1) …(13)tD(①→②)＝(1/2)·(sin2θ1D·sin2θ2D)/sin2(θ1D+θ2D)·(1+1/cos(θ1D-θ2D))…(14)
θ2D＝sin-1(n1/n2sinθ1D) …(15)tD(②→③)＝(1/2)·(sin2θ2Di·sin2θ3D)/sin2(θ2Di+θ3D)·(1+1/cos(θ2Di-θ3D))…(16)θ3D＝sin-1(n2/n3sinθ2Di) …(17)θ1D光在指紋凹谷部分內(nèi)的空氣層上的入射角θ2Di光從指紋凹谷部分正下方的空氣層入射到透明固體薄膜上的入射角另外，在第二折射率條件下，以下公式適用于指紋脊線部分 其中θC(①→③)＝sin-1(n3/n1) …(22)tD(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)…(23)θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L) …(24)因此，在第一折射率條件下，可通過(guò)將公式(12)和(18)代入公式(1)而獲得對(duì)比度C0。在第二折射率條件下，可通過(guò)將公式(12)和(21)代入公式(1)而獲得對(duì)比度C0。
接下來(lái)將對(duì)利用上述公式得到的對(duì)比度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖2和圖3顯示出了透明固體薄膜的折射率與利用上述公式計(jì)算出來(lái)的對(duì)比度之間的關(guān)系。為了便于圖形的形成，圖2中透明固體薄膜的折射率范圍為1.0至2.0，圖3中的折射率范圍為1.0至5.0。通過(guò)連接“+”點(diǎn)而獲得的線代表了其中手指皮層的折射率為1.4的情況。通過(guò)連接“×”點(diǎn)而獲得的線段代表了其中手指皮層的折射率為1.5的情況。圖2和圖3顯示出了以下內(nèi)容。如果透明固體薄膜的折射率為1.0，則對(duì)比度C0為0％。隨著透明固體薄膜折射率的增加直到它等于手指皮層的折射率為止，對(duì)比度C0相應(yīng)地增加至最大值。隨著透明固體薄膜的折射率從手指皮層的折射率進(jìn)一步增加，對(duì)比度C0先輕微減小然后再輕微增加。如果手指皮層的折射率為1.4，則對(duì)比度C0的最大值約為63％，若手指皮層的折射率為1.5，則對(duì)比度C0的最大值約為58％。
另外，圖2中還顯示了以下內(nèi)容。如果透明固體薄膜的折射率為1.4并且手指皮層的折射率也為1.4，則對(duì)比度C0約為60％。如果透明固體薄膜的折射率為1.4而手指皮層的折射率為1.5，則對(duì)比度C0下降至約為50％。另一方面，如果透明固體薄膜的折射率為1.5而手指皮層的折射率為1.4，則對(duì)比度C0約為58％，如果透明固體薄膜的折射率為1.5并且手指皮層的折射率也為1.5，則對(duì)比度C0約為63％。因此，這就表明，如果將個(gè)人的手指皮層折射率的差異、因手指的濕度而造成的折射率的波動(dòng)以及其它離差因素考慮在內(nèi)，則透明固體薄膜的折射率最好不要小于手指皮層的最大折射率。作為最大值，如上所述選擇例如1.5。
應(yīng)該注意，對(duì)比度C0并不總是需被設(shè)定為最大值。如果給定了一個(gè)所需的對(duì)比度，則透明固體薄膜的折射率可被設(shè)定成使得由透明固體薄膜的折射率所決定的對(duì)比度C0變?yōu)椴恍∮谒鑼?duì)比度(例如，50％)。在第一折射率條件下，由透明固體薄膜的折射率所決定的對(duì)比度C0是通過(guò)將公式(12)和(18)代入公式(1)而被獲得的。在第二折射率條件下，由透明固體薄膜的折射率所決定的對(duì)比度C0是通過(guò)將公式(12)和(21)代入公式(1)而獲得的。通過(guò)用這種方式設(shè)定對(duì)比度C0，就可以確定透明固體薄膜的折射率的下限。另一方面，即使透明固體薄膜的折射率增大，對(duì)比度也傾向于基本不減小而是增加。因此，不能利用所需對(duì)比度C0來(lái)確定透明固體薄膜的折射率的上限。換句話說(shuō)，為了獲得所需的對(duì)比度C0，使折射率不小于一個(gè)確定值就已足夠，而不需要給出對(duì)折射率上限的限制。例如，如果所需對(duì)比度C0為40％，則可將折射率的下限確定為約1.3，而折射率的上限則不能確定。
圖4至圖7顯示出了透明固體薄膜的折射率與在獲取折射率與對(duì)比度的關(guān)系圖的過(guò)程中所獲得的透射率之間的關(guān)系。圖4和圖5是在手指的折射率為1.4的情況下的圖形，圖6和圖7是在手指的折射率為1.5的情況下的圖形。為了便于圖形的形成，圖4和圖6中透明固體薄膜的折射率范圍為1.0至2.0，圖5和圖7中折射率的范圍為1.0至5.0。通過(guò)連接“*”點(diǎn)而獲得的線代表了在指紋脊線部分中射向指紋脊線部分的正下方區(qū)域的各個(gè)方向上的光的透射率TL(①→③)。通過(guò)連接“+”點(diǎn)而獲得的線則代表了在指紋凹谷部分中射向指紋凹谷部分的正下方區(qū)域的各個(gè)方向上的光的透射率TD(①→②→③)。圖4至圖7顯示出了以下內(nèi)容在指紋脊線部分中射向指紋脊線部分的正下方區(qū)域的各個(gè)方向光的透射率TL(①→③)一直增加，直到透明固體薄膜的折射率從1.00增加至與手指的折射率相等為止。透射率TL(①→③)隨著透明固體薄膜的折射率從手指的折射率向上繼續(xù)增加而減小。另外，在指紋脊線部分中從各個(gè)方向射向指紋凹谷部分的正下方區(qū)域的光的透射率TD(①→②→③)隨著透明固體薄膜的折射率從1.00開(kāi)始增加而單調(diào)下降。
圖2和圖3顯示出了在透明固體薄膜的折射率不小于手指皮層的折射率的情況下對(duì)比度C0只有很小的變化。圖4至圖7顯示出了指紋脊線部分和指紋凹谷部分中的光的透射率隨著透明固體薄膜的折射率在透明固體薄膜的折射率不小于手指皮層的折射率的范圍內(nèi)增加而下降。因此，如果透明固體薄膜的折射率較高，則亮度下降，S/N比(信噪比)也下降，(此處，因干擾光而產(chǎn)生以及在電路中產(chǎn)生的噪聲電平被認(rèn)為是一種噪聲成分)并且即使在指紋脊線部分與指紋凹谷部分之間呈現(xiàn)出對(duì)比度，對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分的可能性也變得不準(zhǔn)確。作為結(jié)果，就需要確定透明固體薄膜的折射率的上限，以使S/N比在假設(shè)噪聲為一預(yù)定值的基礎(chǔ)上變得不小于一個(gè)所需值。如果照射到手指上的光強(qiáng)增加，則由二維圖像傳感器檢測(cè)到的指紋脊線部分和指紋凹谷部分的亮度(信號(hào)成分)也增加。但是，由手指皮層表面反射的干擾光的亮度(噪聲成分)也同時(shí)增加。結(jié)果，不能通過(guò)增加照射到手指上的光強(qiáng)來(lái)提高S/N比。這就意味著應(yīng)該通過(guò)對(duì)透明固體薄膜的折射率的上限進(jìn)行限制，以將S/N比限制為不小于一個(gè)預(yù)定值。作為S/N比的所需值，可以選擇(例如)10dB或20dB。
但是，應(yīng)該注意，沒(méi)有必要對(duì)上限作出嚴(yán)格的限制，因?yàn)樽鳛橥该鞴腆w薄膜的折射率增加的結(jié)果，由二維圖像傳感器檢測(cè)到的指紋脊線部分和指紋凹谷部分的亮度(信號(hào)成分)的降低很小。如果手指皮層的折射率為1.4，則如下面表1所示，得到薄膜折射率與透射率的關(guān)系。

另外，如果手指皮層的折射率為1.5，則如下面表2所示得到薄膜折射率與透射率的關(guān)系。

表1和表2顯示出了以下內(nèi)容。如果透明固體薄膜的折射率變?yōu)?.0，則透射率下降百分之十幾。如果透明固體薄膜的折射率變?yōu)?.0，則透射率下降約20％。如果透明固體薄膜的折射率變?yōu)?.0，則透射率下降約30％。如果透明固體薄膜的折射率變?yōu)?.0，則透射率下降約35％。因此，如果應(yīng)將透射率的下降率抑制在百分之十幾，則透明固體薄膜折射率應(yīng)被設(shè)定為2.0或更小。如果應(yīng)將透射率的下降率抑制在約20％，則透明固體薄膜折射率應(yīng)被設(shè)定為3.0或更小。如果應(yīng)將透射率的下降率抑制在約30％，則透明固體薄膜折射率應(yīng)被設(shè)定為4.0或更小。如果應(yīng)將透射率的下降率抑制在約35％，則透明固體薄膜折射率應(yīng)被設(shè)定為5.0或更小。
如果透明固體薄膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰指紋脊線之間的距離，則由二維圖像傳感器檢測(cè)出來(lái)的對(duì)比度C1與由公式(1)表達(dá)的對(duì)比度C0相等。否則，由二維圖像傳感器檢測(cè)出來(lái)的對(duì)比度C1將低于由公式(1)表達(dá)的對(duì)比度C0，因?yàn)閷?duì)比度隨透明固體薄膜厚度的增加而降低?，F(xiàn)在考慮這樣一種條件，即，由一特定的二維圖像傳感器檢測(cè)出來(lái)的對(duì)比度C1不小于一個(gè)所需對(duì)比度C1D。因此，需對(duì)透明固體薄膜折射率的下限進(jìn)行討論，以使通過(guò)將公式(12)和(18)或者(12)和(21)代入公式(1)而獲得的對(duì)比度C0滿足此條件。只有在透明固體薄膜的厚度幾乎為零的情況下，這個(gè)下限才是能夠滿足使對(duì)比度C0變成C1D的透明固體薄膜的折射率。因此，如果給出應(yīng)由一特定二維圖像傳感器檢測(cè)到的對(duì)比度C1D，為了確定具有一定厚度的透明固體薄膜的折射率的下限，則必須對(duì)由于該透明固體薄膜的該厚度而產(chǎn)生的對(duì)比度C1D的縮減進(jìn)行補(bǔ)償。因此，透明固體薄膜的折射率不僅由所需對(duì)比度C1D決定，而且還由透明固體薄膜的厚度決定。但是，如果透明固體薄膜的厚度被預(yù)先設(shè)定，則透明固體薄膜的折射率將只由一個(gè)所需的對(duì)比度(它經(jīng)過(guò)對(duì)因厚度而產(chǎn)生的縮減的補(bǔ)償)決定。
然而，如上所述，如果將手指皮層折射率的離差考慮在內(nèi)并且透明固體薄膜的折射率不小于手指皮層的最大折射率，則最大對(duì)比度C0可被獲得。只要折射率不是極高，透射率就不會(huì)降低。因此，就允許在將透明固體薄膜的折射率設(shè)定為手指皮層的最大折射率(在把手指皮層折射率的偏差考慮在內(nèi)的情況下)之后確定透明固體薄膜的厚度。
接下來(lái)將對(duì)透明固體薄膜的厚度進(jìn)行考慮。
圖8是在位于指紋脊線部分中心點(diǎn)的正下方的X0點(diǎn)上接收到的光的典型視圖。圖8中，符號(hào)“w”代表指紋脊線之間的距離，“t”代表透明固體薄膜的厚度，P3L代表從指紋脊線部分發(fā)出的光的強(qiáng)度(＝指紋凹谷部分正下方的各個(gè)方向的下行光的功率)，P3D(＝αP3L)代表從指紋凹谷部分發(fā)出的光的強(qiáng)度(＝指紋凹谷部分正下方的各個(gè)方向的下行光的功率)，γ則代表指紋脊線部分的能率。由于指紋脊線部分與指紋凹谷部可被分區(qū)分開(kāi)，所以可作一個(gè)假設(shè)，即，X0點(diǎn)上接收到的光是光A-1、光A0以及光A1的總和，光A-1來(lái)自于X0點(diǎn)正上方的指紋脊線部分相鄰的指紋凹谷部分的一半處，光A0來(lái)自X0點(diǎn)正上方的指紋脊線部分，光A1來(lái)自于X0點(diǎn)正上方的指紋脊線部分相鄰的另一指紋凹谷部分的一半處。在X0點(diǎn)上接收到的光的總和IX0由以下公式表示IX0＝A-1+A0+A1=P3D∫-w/2-γw/2dxt2+x2+P3L∫-γw/2γw/2dxt2+x2+P3D∫γw/2w/2dxt2+x2]]>=2P3Lt(tan-1γ2β+αtan-112β-αtan-1γ2β]]>…(24)其中β＝t/w.
圖9是在位于指紋凹谷部分中心點(diǎn)的正下方的X1點(diǎn)上接收到的光的典型視圖。圖9中，符號(hào)“w”代表指紋脊線之間的距離，“t”代表透明固體薄膜的厚度，P3L代表從指紋脊線部分發(fā)出的光的強(qiáng)度，P3D(＝αP3L)代表從指紋凹谷部分發(fā)出的光的強(qiáng)度，γ則代表指紋脊線部分的能率?？梢宰饕粋€(gè)假設(shè)，即，X1點(diǎn)上接收到的光是光B-1、光B0以及光B1的總和，光B-1來(lái)自于X1點(diǎn)正上方的指紋凹谷部分相鄰的指紋脊線部分的一半處，光B0來(lái)自X1點(diǎn)正上方的指紋凹谷部分，光B1來(lái)自于X1點(diǎn)正上方的指紋凹谷部分相鄰的另一指紋脊線部分的一半處。在X1點(diǎn)上接收到的光的總和IX1由以下公式表示IX1＝B-1+B0+B1=P3L∫-w/2-(1-γ)w/2dxt2+x2+P3D∫-(1-γ)w/2(1-γ)w/2dxt2+x2+P3L∫(1-γ)w/2w/2dxt2+x2]]>=2P3Lt(αtan-11-γ2β+tan-112β-tan-1γ2β)]]>…(25)其中β＝t/w因此，對(duì)比度C1可以表達(dá)如下C1=1-Ix1Ix0]]>=1-αtan-11-γ2β+tan-112β-tan-1γ2βtan-1γ2β+αtan-112β-αtan-1γ2β]]>=1-(1-C0)tan-11-γ2β+tan-112β-tan-1γ2βtan-1γ2β+(1-C0)tan-112β-(1-C0)tan-1γ2β]]>…(26)圖10顯示出了在對(duì)比度C0為100％，即，α＝0％的情況下，透明固體薄膜的厚度和指紋脊線的距離之比β與對(duì)比度C1之間的關(guān)系。在圖10中，三條曲線分別代表了指紋脊線部分的能率γ為30％、50％及70％的情況。
從公式(26)可以計(jì)算出，在C0＝100％的情況下，相對(duì)于30％、50％及70％的能率γ來(lái)說(shuō)，滿足使對(duì)比度C1為10％和20％的β值如下表所示。 類(lèi)似地，圖11顯示出了在對(duì)比度C0＝60％，即，α＝40％的情況下，透明固體薄膜的厚度和指紋脊線的距離之比β與對(duì)比度C1之間的關(guān)系。在圖11中，三條曲線分別代表了指紋脊線部分的能率γ為30％、50％及70％的情況。從上述對(duì)透明固體薄膜折射率的考慮中可以明顯看出，當(dāng)透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率時(shí)，對(duì)比度C0變成60％并且接近最佳值。
從公式(26)可以計(jì)算出，在C0＝60％的情況下，相對(duì)于30％、50％及70％的能率γ來(lái)說(shuō)，滿足使對(duì)比度C1為10％和20％的β值如下表所示。 因此，如果指紋脊線部分的能率為30％至50％，透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率，并且C0為最大值60％，則透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間距離之比β應(yīng)為0.64或更小，以獲得10％的對(duì)比度C1。由于指紋脊線之間的最小距離大約為100μm，所以透明固體薄膜的厚度應(yīng)為64μm或更小。
另外，如果指紋脊線部分的能率為70％，透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率，并且C0為最大值60％，則透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間距離之比β應(yīng)為0.51或更小，以獲得10％的對(duì)比度C1。由于指紋脊線之間的最小距離約為100μm，所以透明固體薄膜的厚度應(yīng)為51μm或更小。
類(lèi)似地，如果指紋脊線部分的能率為30％，透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率，并且C0為最大值60％，則透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間距離之比β應(yīng)為0.38或更小，以獲得20％的對(duì)比度C1。由于指紋脊線之間的最小距離約為100μm，所以透明固體薄膜的厚度應(yīng)為38μm或更小。
另外，如果指紋脊線部分的能率為50％，透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率，并且C0為最大值60％，則透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間距離之比β應(yīng)為0.39或更小，以獲得10％的對(duì)比度C1。由于指紋脊線之間的最小距離約為100μm，所以透明固體薄膜的厚度應(yīng)為39μm或更小。
此外，如果指紋脊線部分的能率為70％，透明固體薄膜的折射率約等于手指皮層的折射率，并且C0為最大值60％，則透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間距離之比β應(yīng)為0.29或更小，以獲得20％的對(duì)比度C1。由于指紋脊線之間的最小距離約為100μm，所以透明固體薄膜的厚度應(yīng)為29μm或更小。
因此，考慮到若C1約為10％、指紋脊線部分的能率一般為50％，并且指紋脊線之間的最小距離約為100μm，則可從指紋輸入設(shè)備的輸出中檢測(cè)出來(lái)手指，由此可見(jiàn)，透明固體薄膜的厚度應(yīng)為64μm或更小。
與此同時(shí)，由于透明固體薄膜起到保護(hù)二維圖像傳感器的作用，所以透明固體薄膜很難具有完全的抗磨損性并且有可能被損壞，因此，即使薄膜在一段長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)被用過(guò)許多次之后出現(xiàn)磨損和損壞，也最好使透明固體薄膜具有至少不被穿孔程度的厚度。根據(jù)透明固體薄膜的硬度，該厚度可以是一個(gè)超過(guò)零的有限厚度。
另外，由于透明固體薄膜還起到了保護(hù)膜的作用，所以如果在戶外使用時(shí)，透明固體薄膜越厚，其耐久性就越高。但是，如果透明固體薄膜的厚度增加，則指紋脊線部分與指紋凹谷部分之間的對(duì)比度就不能呈現(xiàn)出以上所述的情況。因此，為了既保證耐久性又保證對(duì)比度，可以用多個(gè)小蜂窩狀的遮光壁(每個(gè)遮光壁都由遮光材料制成)將透明固體薄膜分隔開(kāi)來(lái)，然后就可將透明固體薄膜做得較厚以遮擋住具有水平速度分量的光?？梢酝ㄟ^(guò)以下辦法來(lái)獲得這種薄膜，即，在一具有所需厚度的遮光薄膜上穿出多個(gè)透孔，使透孔的尺寸充分小于傳感器單元以及傳感器單元之間的距離，使透孔高密度地排列起來(lái)，將透明固體材料注入到遮光薄膜的多個(gè)透孔中，然后再將薄膜表面壓平以使其不規(guī)則度充分低于指紋的不規(guī)則度。由此獲得的薄膜被緊密地粘貼在二維圖像傳感器的光敏部分的表面上。在這種情況下，在設(shè)定各個(gè)透孔的直徑使其小于指紋脊線之間的距離后，使薄膜的厚度趨向于和指紋脊線之間的距離一樣大。作為結(jié)果，透孔是縱長(zhǎng)的透孔，這需要高級(jí)的制造技術(shù)。但是，如果采用最新的半導(dǎo)體制造技術(shù)，則可以很容易地制造出該設(shè)備。
另外，蜂窩狀遮光壁可被形成為與二維圖像傳感器的各個(gè)單元對(duì)齊。這樣，就可以將各個(gè)透孔的尺寸設(shè)定成與一個(gè)單元的尺寸一樣大。在這種情況下，入射到透明固體薄膜上的光的利用率可以得到提高，并且各個(gè)透孔的高度與直徑之比可被設(shè)定為低于沒(méi)有進(jìn)行對(duì)齊的情況，由此便于設(shè)備的制造。但是，在這種情況下，還需要使所有透孔的位置與二維圖像傳感器的各個(gè)單元的位置相一致。結(jié)果，很難先單獨(dú)制造透明固體薄膜和二維圖像傳感器然后再將它們相互粘接起來(lái)?？紤]到這個(gè)原因，就需要將透明固體薄膜的制造過(guò)程作為制造二維圖像傳感器過(guò)程的一部分。由于沒(méi)有必要提供特殊用途的二維圖像傳感器而只需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳感器，所以通過(guò)在制造標(biāo)準(zhǔn)二維圖像傳感器的方法中的最后一個(gè)過(guò)程中增加一個(gè)提供透明保護(hù)膜的過(guò)程就足夠了。因此，不需要使用特殊的制造方法，也不會(huì)使制造成本大幅度地上升。
在二維圖像傳感器中存在著一種因指尖上產(chǎn)生的靜電而造成的靜電擊穿或類(lèi)似現(xiàn)象的負(fù)面效應(yīng)，雖然它比靜電容量型指紋輸入設(shè)備的靜電擊穿現(xiàn)象少。為了減輕對(duì)二維圖像傳感器的靜電擊穿的恐懼，一種導(dǎo)電材料(例如，金屬)被用作遮光材料以形成上述蜂窩狀遮光壁，而且遮光壁被接地以使靜電可被釋放。另外，即使采用本文一開(kāi)始所述的簡(jiǎn)單的透明固體薄膜，也可以通過(guò)在透明固體薄膜的表面上附著一個(gè)導(dǎo)電透明薄膜并使該導(dǎo)電透明薄膜接地，而使產(chǎn)生于指尖之上的靜電得到釋放。作為導(dǎo)電透明薄膜材料，可以采用(例如)氧化錫或ITO(銦—錫氧化物)。需要使導(dǎo)電透明薄膜的折射率高于手指的折射率而不高于透明固體薄膜的折射率。但是，由于含有諸如氧化銦等具有大原子量的金屬氧化物的透明材料的折射率大于1.5，由此滿足前一個(gè)條件，所以通過(guò)適當(dāng)選擇具有能夠滿足后一個(gè)條件的折射率的透明固體薄膜的折射率就可使兩個(gè)條件都被滿足。
對(duì)于光傳輸型指紋輸入設(shè)備，照射到指紋測(cè)量部分(具有指紋的部分)以外的手指表面的干擾光起到了一種光源的作用，并且不會(huì)對(duì)指紋的輸入產(chǎn)生負(fù)面影響。但是，異常強(qiáng)的干擾光或者照射在其一部分未被手指蓋住的二維圖像傳感器的光敏部分上的干擾光是不需要的。考慮到這一點(diǎn)，通過(guò)將一個(gè)紅外濾波器緊密附著在二維圖像傳感器的光敏部分上，并且利用紅外線作為待被照射到手指上的光，就可將幾乎所有入射到光敏部分上的普通干擾光屏蔽掉，由此可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的受干擾光影響較小的指紋圖像。該紅外過(guò)濾膜(一般較薄)被貼在透明固體薄膜的表面上或者被貼在二維圖像傳感器的覆蓋膜上(提供覆蓋膜的目的是為了穩(wěn)定單元的特性，它應(yīng)該在半導(dǎo)體制造過(guò)程中被形成，因此由于半導(dǎo)體器件的制造方法而通常被做得很薄，只有幾微米或更少)。紅外線發(fā)射LED被用作紅外線的光源。如果將紅外過(guò)濾膜貼在透明固體薄膜的表面，則過(guò)濾膜的折射率應(yīng)不小于手指的折射率且不大于透明固體薄膜的折射率。另外，如果將紅外過(guò)濾膜貼在覆蓋膜上，則其折射率應(yīng)不小于透明固體薄膜的折射率且不高于覆蓋膜的折射率。也可以用透明固體薄膜的內(nèi)部起到紅外過(guò)濾膜的作用。
如果使用了紅外線，則透明固體薄膜為透明的就意味著，無(wú)論采用什么實(shí)現(xiàn)紅外濾波器的方法，它都對(duì)紅外波段是透明的。
另外，也可將紅外濾波器與上述導(dǎo)電透明薄膜一起使用。在這種情況下，導(dǎo)電透明薄膜將作為最上層以與手指的指紋測(cè)量部分相接觸。
另外，有一種二維圖像傳感器正在付諸使用，在這種二維圖像傳感器的結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)凸透鏡被安裝在二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元的正上方，并且入射到各單元之間的非光敏部分之上的光被會(huì)聚至作為傳感器表面上的光敏部分的光接收單元上，即，把所謂的微透鏡薄膜安裝在傳感器的表面上。此微透鏡薄膜自身可被用作光敏部分的保護(hù)膜，或者可用一個(gè)折射率低于此微透鏡薄膜的透明固體層覆蓋在微透鏡上并且使傳感器的表面平坦，由此便于指紋與傳感器表面的接觸。如果指紋測(cè)量部分的亮度較小或者光源的功率降低，則使用微透鏡層是有益的。
使指紋脊線部分的亮度在指紋測(cè)量部分的整個(gè)表面上盡可能均勻是十分重要的，這樣才能減少后面指紋圖像處理中的修正步驟。因此，需要設(shè)計(jì)光源的結(jié)構(gòu)以使入射到手指上的光在手指內(nèi)散射并且從所有指紋脊線部分盡可能均勻地出射。為了做到這樣，就需要使光從多個(gè)方向照射到手指上。也就是說(shuō)，需要使光至少?gòu)闹讣y測(cè)量部分的前面和后面(即，手指指端的較低部分以及靠近手指第一個(gè)指節(jié)的部分的較低部分)照到手指上。
為了使光從很多方向照到手指上，在指紋測(cè)量部分的四周放置有表面發(fā)光體，以便發(fā)出的光指向手指，而且在測(cè)量部分的四周還提供有一個(gè)護(hù)罩，以使從表面發(fā)光體發(fā)出的光不能直接進(jìn)入測(cè)量部分。使用表面發(fā)光體的原因是為了讓光源環(huán)繞測(cè)量部分。為了達(dá)到同樣的目的，可以用一種所謂的線性發(fā)光體來(lái)代替上述表面發(fā)光體，這種線性發(fā)光體是通過(guò)將(例如)多個(gè)發(fā)光二極管芯片線性排列起來(lái)而形成的。這種線性發(fā)光體具有足夠的發(fā)光量并且能夠用作薄而高效的光源。由于這種線性發(fā)光體的模塊最近已被作為發(fā)光二極管芯片陣列而以較低的成本供應(yīng)，所以線性發(fā)光體是非常實(shí)用的。
基于指紋檢驗(yàn)的個(gè)人識(shí)別方法已經(jīng)得到很長(zhǎng)時(shí)間的研究，而且它在多種個(gè)人識(shí)別方法中是最為實(shí)用的。但是，如果用類(lèi)似于手指皮層的材料形成手指的復(fù)制品，則很難利用二維圖像傳感器的光學(xué)圖像將提交者的指紋與其復(fù)制品的指紋區(qū)分出來(lái)。因此，有必要在進(jìn)行指紋檢驗(yàn)之前先獲取一些信息以確定測(cè)量目標(biāo)手指是否為人體的一部分。根據(jù)一種采用光透明度的指紋輸入方法，人們將注意力集中在整個(gè)指紋圖像的平均亮度有脈動(dòng)現(xiàn)象的情況上，由此附加提供了一個(gè)功能以用于確定脈動(dòng)波形是否為人體特有，這樣就可獲得上述判斷信息。
本發(fā)明具有兩種基本結(jié)構(gòu)，即，(1)在第一種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)厚度充分小于指紋脊線之間距離的透明固體薄膜作為二維圖像傳感器的透明保護(hù)膜被緊密地貼在傳感器的表面上，(2)在第二種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)薄膜被穿出多個(gè)透孔，每個(gè)透孔的直徑都充分小于指紋脊線之間的距離，或者這些透孔與二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元對(duì)準(zhǔn)并且在透孔中還注入了一種透明固體材料，該薄膜被固定地附著在傳感器的表面上。


圖1的局部截面圖顯示出了一個(gè)用于考慮透明固體薄膜的折射率與對(duì)比度之間的關(guān)系的模型，并且顯示出了指紋測(cè)量部分放置在透明固體薄膜之上的狀態(tài)；
圖2是表示透明固體薄膜的折射率與對(duì)比度之間的關(guān)系的第一個(gè)圖形；圖3是表示透明固體薄膜的折射率與對(duì)比度之間的關(guān)系的第二個(gè)圖形；圖4是在手指的折射率為1.4的情況下，表示透明固體薄膜的折射率與透射率之間的關(guān)系的第一個(gè)圖形；圖5是在手指的折射率為1.4的情況下，表示透明固體薄膜的折射率與透射率之間的關(guān)系的第二個(gè)圖形；圖6是在手指的折射率為1.5的情況下，表示透明固體薄膜的折射率與透射率之間的關(guān)系的第一個(gè)圖形；圖7是在手指的折射率為1.5的情況下，表示透明固體薄膜的折射率與透射率之間的關(guān)系的第二個(gè)圖形；圖8是在位于指紋脊線部分中心點(diǎn)的正下方的X0點(diǎn)上所接收到的光的典型視圖；圖9是在位于指紋凹谷部分中心點(diǎn)的正下方的X1點(diǎn)上所接收到的光的典型視圖；圖10顯示出了在對(duì)比度C0為100％的情況下，透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間的距離之比與對(duì)比度C1之間的關(guān)系。
圖11顯示出了在對(duì)比度C0為60％的情況下，透明固體薄膜的厚度和指紋脊線之間的距離之比與對(duì)比度C1之間的關(guān)系。
圖12A顯示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的指紋輸入設(shè)備的原型的局部截面圖；圖12B顯示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的指紋輸入設(shè)備的原型的平面圖；圖13的概念視圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)；圖14的局部截面圖顯示出了指紋測(cè)量部分被放置在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的指紋輸入設(shè)備之上的狀態(tài)；圖15的放大局部截面圖顯示出了指紋測(cè)量部分被放置在根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備之上的狀態(tài)；
圖16的局部截面圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2-1的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖17的局部截面圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2-2的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖18顯示出了由使用光纖的光傳輸型指紋輸入設(shè)備拍攝到的指紋圖像的一張照片(0.35的光圈速度)；圖19顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的指紋輸入設(shè)備拍攝到的指紋圖像的一張照片；圖20的局部截面圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3-1的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖21的局部截面圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3-2的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖22的局部截面圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3-3的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖23是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種包含兩個(gè)點(diǎn)光源的指紋輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)的局部截面圖；圖24A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種包含有表面光源的指紋輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)的局部截面圖；圖24B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種包含有表面光源的指紋輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)的平面圖；圖25A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種包含有線光源的指紋輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)的局部截面圖；圖25B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種包含有線光源的指紋輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)的平面圖；圖26的框圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例4的一種脈動(dòng)檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖12A和12B顯示出來(lái)實(shí)施例1，在實(shí)施例1中，有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的很薄的指紋輸入設(shè)備被安裝在一印刷電路板上。圖13、14和15分別顯示出使用該指紋輸入設(shè)備進(jìn)行指紋檢測(cè)時(shí)的操作狀態(tài)(工作原理)。
圖13的框圖顯示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的指紋輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)。在圖13中，參考序號(hào)5代表二維圖像傳感器，它能夠二維地檢測(cè)到由手指1的不規(guī)則性所決定的光的強(qiáng)弱。參考序號(hào)27代表圖像處理部分，它將二維圖像傳感器5的輸出進(jìn)行圖像處理以產(chǎn)生指紋圖案。參考序號(hào)28代表圖案識(shí)別部分，它能夠提取圖像處理部分27所產(chǎn)生的指紋圖案的特征，將提取出來(lái)的特征與預(yù)定的參考圖案進(jìn)行比較，并由此對(duì)指紋圖案進(jìn)行識(shí)別和判斷。
以下將通過(guò)舉例的方式對(duì)采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器、CCD(電荷耦合器件)傳感器或非晶態(tài)傳感器作為二維圖像傳感器5的情況進(jìn)行說(shuō)明。注意，可以采用普通的圖像處理部分和普通的圖案識(shí)別部分以分別作為圖像處理部分27和圖案識(shí)別部分28。
二維圖像傳感器5由多個(gè)二維排列的光接收單元組成。根據(jù)這些光接收單元的輸出就可形成一個(gè)平面圖像。必須使各光接收單元之間的排列距離小于指紋脊線部分(凸起部分)或者指紋凹谷部分(凹陷部分)的間距。但是，由于指紋脊線部分之間的距離為100至500m，所以將光接收單元之間的排列距離設(shè)定在50μm或50μm以下就可以獲得具有足夠精確度的圖像以用于圖案識(shí)別。
圖14是一個(gè)說(shuō)明圖，它顯示出了二維圖像傳感器的光接收過(guò)程。當(dāng)要輸入手指1的指紋時(shí)，把手指1放在二維圖像傳感器5上，以使指紋脊線部分與二維圖像傳感器5上的透明固體薄膜4相接觸。該透明固體薄膜4由一種諸如玻璃的透明構(gòu)件形成，并且具有根據(jù)本發(fā)明的上述折射率。另外，透明固體薄膜4具有防止指紋測(cè)量部分與二維圖像傳感器直接產(chǎn)生接觸的功能。該功能即使在指紋輸入設(shè)備被用過(guò)多次的情況下也能夠防止二維圖像傳感器受到磨損和破壞。另外，透明固體薄膜4具有一定程度的抗磨損性，以使薄膜4不會(huì)因與手指的摩擦而受到磨損。
指紋脊線部分2接觸到二維圖像傳感器5上的透明固體薄膜4。另外，由于手指1的折射率幾乎等于透明固體薄膜4的折射率，所以從指紋脊線部分2射向透明固體薄膜4的幾乎全部散射光都入射到指紋脊線部分2內(nèi)的透明固體薄膜上。
與此同時(shí)，在指紋凹谷部分3與透明固體薄膜4之間具有一個(gè)空間7。由于手指皮層的折射率(約1.4至1.5)與空氣折射率(1.000293)之間的差距很大，從指紋凹谷部分3射向空間7的大部分散射光被皮膚反射并照到手指上，而且以等于或大于臨界角的角度從指紋凹谷部分3射向空間7的散射光被全反射而進(jìn)入手指。因此，從指紋凹谷部分3入射到空間7上的光量很小。另外，由于空氣的折射率(1.000293)與透明保護(hù)膜的折射率之間有較大差異，所以大部分從空間7射向透明保護(hù)膜4的光被反射回來(lái)。因此，從指紋凹谷部分入射到透明保護(hù)膜4上的光量小于從指紋凹谷部分入射至空間7的光量。
所以，二維圖像傳感器滿意地檢測(cè)出來(lái)自指紋脊線部分2的光，卻很難檢測(cè)到來(lái)自指紋凹谷部分3的光，這樣，傳感器就將指紋脊線部分2檢測(cè)為光亮部分，并將指紋凹谷部分3檢測(cè)為黑暗部分。
因此，根據(jù)本發(fā)明，沒(méi)有必要提供諸如透鏡、棱鏡及光纖等光學(xué)元件。與常規(guī)的指紋輸入設(shè)備相比較，它不需要對(duì)因光學(xué)元件自身尺寸而造成的設(shè)備的物理尺寸以及元件的附著位置設(shè)定限制。
因此，就能夠?qū)崿F(xiàn)薄而小的指紋輸入設(shè)備，以便于安裝在需要審核持卡用戶身份的IC卡等的內(nèi)部。如果將該指紋輸入設(shè)備安裝在既薄且又極易彎曲的物品上(如IC卡)，并且利用通過(guò)蒸發(fā)作用或類(lèi)似技術(shù)而生長(zhǎng)于一個(gè)可彎曲襯底膜上的非晶態(tài)半導(dǎo)體形成的二維圖像傳感器作為二維圖像傳感器5，則該圖像傳感器能夠抵抗較大程度的彎曲。在這種情況下，也可采用可彎曲薄膜作為透明固體薄膜4。該可彎曲透明固體薄膜可以聚酰亞胺薄膜或聚碳酸酯薄膜為例?？紤]到聚酰亞胺的折射率約為1.4而聚碳酸酯的折射率約為1.55，并且聚碳酸酯足以抵抗使用磨損，所以最好采用聚碳酸酯薄膜作為可彎曲透明固體薄膜。
另外，根據(jù)本發(fā)明，不用利用光學(xué)元件執(zhí)行光學(xué)處理。因此，就可以在不必執(zhí)行圖像修正處理(例如失真修正)的情況下獲得無(wú)失真的指紋圖像，從而提高了指紋圖案的識(shí)別速度。
由于透明固體薄膜需要足夠的耐磨性以在即使手指重復(fù)接觸薄膜的情況下也不被磨損，所以可采用具有本發(fā)明所述折射率且很難被擦傷的玻璃質(zhì)地的物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)作為透明固體薄膜的材料。但是，大部分玻璃質(zhì)地的物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)都是不導(dǎo)電的。由于本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備是一種光學(xué)指紋輸入設(shè)備，所以它發(fā)生因手指上的靜電而導(dǎo)致的靜電擊穿的可能性很小。但是，最好還是將靜電釋放掉以防止作為半導(dǎo)體元件的二維圖像傳感器出現(xiàn)靜電擊穿。為了達(dá)到此目的，像前面所述的那樣，最好在透明固體薄膜上形成一個(gè)由氧化錫、ITO或類(lèi)似物質(zhì)制成的透明導(dǎo)電薄膜并將該導(dǎo)電薄膜接地。
如果使用了如圖16和17所示的遮光壁(將在后面得到說(shuō)明)，則可以通過(guò)利用金屬作為遮光壁的材料并將其接地而釋放更強(qiáng)的靜電。圖16和17中所示的指紋輸入設(shè)備在保護(hù)設(shè)備以使其若在戶外使用時(shí)不受靜電危害方面非常出色。
另外，由于本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備是一種光傳輸型設(shè)備，干擾光雖然也起到了發(fā)光光源的作用，卻對(duì)本指紋輸入設(shè)備只有很少的負(fù)面影響。但是，為了保證在即使干擾光極強(qiáng)或者干擾光從指紋測(cè)量部分與指紋輸入設(shè)備表面之間的縫隙進(jìn)入的情況下也有穩(wěn)定的指紋檢測(cè)，采用以下措施是十分有效的，即，設(shè)計(jì)出具有特定波段的發(fā)光光源，用它將光照射到指紋測(cè)量部分以外的指尖部分，并且在二維圖像傳感器與指紋輸入設(shè)備表面之間的確定位置上放置一個(gè)只允許該波段之內(nèi)的光通過(guò)的光譜濾波器，由此就可以使用于指紋測(cè)量的光的波段變窄，從而消除干擾光。作為一個(gè)例子，可以采用一種近紅外線發(fā)光二極管作為光源，并且采用一個(gè)具有與該二極管的發(fā)光波長(zhǎng)相同的傳輸波長(zhǎng)的近紅外濾波器作為光譜濾波器。在這種情況下，近紅外線趨向于傳輸進(jìn)一個(gè)活體，尤其是皮膚。如果選用的波長(zhǎng)為800至950nm，則血液對(duì)這種波長(zhǎng)的近紅外線的吸收系數(shù)為約10％。因此，可以在不損壞檢測(cè)靈敏度的情況下通過(guò)傳輸光的脈動(dòng)來(lái)感知出一個(gè)活體。紅外線或類(lèi)似的具有1400nm或1400nm以上的光波包括一個(gè)波段，在該波段中，紅外線或類(lèi)似光波由水根據(jù)其波長(zhǎng)進(jìn)行吸收。因此，需要避免使用具有該波段范圍的紅外線。另外，在血液對(duì)包括干擾光在內(nèi)的光的光吸收系數(shù)太低的波段中，濾波器有時(shí)候會(huì)對(duì)用于檢測(cè)活體的血液脈動(dòng)顯得不敏感。因此，也需避免使用此波段。在選擇作為光源的發(fā)光二極管以及僅允許來(lái)自該二極管道的光通過(guò)的光譜濾波器時(shí)，這些注意事項(xiàng)都是常用的。[實(shí)施例2]接下來(lái)將對(duì)實(shí)施例2進(jìn)行說(shuō)明。圖16和17是根據(jù)實(shí)施例2的兩類(lèi)指紋輸入設(shè)備的局部截面圖。二維圖像傳感器的覆蓋膜8用于穩(wěn)定傳感器單元的特性，它應(yīng)該在半導(dǎo)體制造過(guò)程中被形成，并且一般因所采用的半導(dǎo)體制造方法而薄于幾個(gè)微米。如果手指反復(fù)地直接按壓在覆蓋膜8上，則覆蓋膜8的耐久性會(huì)因手指的接觸而受到不利影響。因此，在實(shí)施例1中提供了透明固體薄膜4，并且確定了透明固體薄膜4的厚度、折射率及硬度。在這些參數(shù)中，正是厚度條件與耐久性條件相矛盾，即，透明固體薄膜4越薄，獲得的圖像就越清晰。透明固體薄膜4越厚，薄膜的耐久性就越好。為了獲得指紋圖像的對(duì)比度，如果指紋脊線部分之間的最小距離為100μm，則透明固體薄膜4的厚度可被增加至，例如60μm。如果透明固體薄膜4的厚度為60μm，只要設(shè)備正常使用，則其耐久性就足夠。但是，如果將設(shè)備暴露于戶外環(huán)境使用，則透明固體薄膜4最好更厚一些。然而，如果透明固體薄膜4太厚，則實(shí)施例1的指紋輸入設(shè)備就不能夠獲得指紋圖像的對(duì)比度。
圖16和17中所示的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)解決了實(shí)施例1的問(wèn)題。如果透明保護(hù)膜8太厚，則射向水平方向的光的分量增加，并且指紋脊線的清晰度會(huì)降低。為了防止這種降低，在豎直方向上提供了一個(gè)遮光壁用以遮蔽水平方向的光。圖16顯示出了一個(gè)例子，在該例子中，遮光壁被放得非?？拷?，其目的是為了不再需要使透孔與二維圖像傳感器的各個(gè)單元對(duì)準(zhǔn)。圖17顯示出了一個(gè)例子，在這個(gè)例子中，遮光壁與二維圖像傳感器單元的間隙對(duì)準(zhǔn)，從而不必要使遮光壁十分地靠近。
圖16所示的指紋檢測(cè)設(shè)備中，有許多透孔被形成于由諸如金屬的遮光材料制成的薄膜當(dāng)中，這些透孔的直徑不大于二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元的光接收直徑的一半，并且在這些透孔中填充有透明固體薄膜的成分(以下稱為透明固體材料)，各個(gè)光接收單元與至少一個(gè)透孔相對(duì)應(yīng)，而無(wú)需使由遮光壁包圍的各透孔分別與二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元對(duì)準(zhǔn)，由此就形成了具有遮光壁的透明固體薄膜。然后，該具有遮光壁的透明固體薄膜被緊貼在二維圖像傳感器的表面上。在這種情況下，沒(méi)有必要將各個(gè)透孔與二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元對(duì)準(zhǔn)，從而簡(jiǎn)化了組裝。但是，如果二維圖像傳感器的光接收單元的間隔為50μm，并且各個(gè)單元的光接收直徑為25μm，則需要將各個(gè)透孔的直徑設(shè)定在12.5μm或12.5μm以下。如果考慮到遮光壁的厚度，則遮光壁最好更靠近一些。
如果考慮到設(shè)備的戶外使用情況，則最好使含有遮光壁的透明固體薄膜的厚度為60μm或60μm以上。結(jié)果，透孔就變得類(lèi)似于深井。為了將透明固體材料填充入各個(gè)透孔，需要采用一種相對(duì)高級(jí)的薄膜形成方法。
根據(jù)圖17中的指紋檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)比較，形成了一個(gè)由遮光材料制成并且含有多個(gè)透孔的薄膜，在該薄膜內(nèi)，各個(gè)透孔的尺寸、形狀和位置都與二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元的光接收表面的相應(yīng)參數(shù)完全一致，并且透明固體材料被填充入該遮光薄膜的各個(gè)透孔中，而且二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元的光接收表面都分別與各個(gè)透孔對(duì)準(zhǔn)，由此組裝出了檢測(cè)設(shè)備。在根據(jù)制造這種指紋檢測(cè)設(shè)備的方法中，需要保證極高的精度，以滿足光接收單元的光接收表面與透孔之間的位置關(guān)系。但是，如果圖像傳感器的光接收單元的間隔為50μm、并且各個(gè)單元的光接收直徑為25μm，則各個(gè)透孔的直徑為25μm就已足夠。因此，即使是厚度為60μm遮光薄膜也很容易被制造出來(lái)。
只要填充入透孔的透明固體材料的光吸收系數(shù)較低，即使透明固體材料的透明度較低(即，即使光在透孔中被散射)，指紋圖像的清晰度也基本上不會(huì)有變化。在這方面，該指紋檢測(cè)設(shè)備與使用光纖束的設(shè)備是根本不同的。
也就是說(shuō)，光纖具有芯體以及用于抑止由于光的Z字形傳播所造成的信號(hào)傳輸特性下降的殼層。如果光從光纖端面入射到光纖上，則存在一個(gè)臨界入射角，并且光纖只傳導(dǎo)具有有限入射角的光，并且傳輸處于此角度范圍之內(nèi)的光而不使光在水平方向分散。換句話說(shuō)，當(dāng)光從光纖出射時(shí)，入射到光纖上的光具有良好的直線傳播特性。
因此，入射到光纖上的光被以與入射角相同的角度出射。但是，光不會(huì)從指紋脊線部分末端上的微凹部分照射到光纖上，因而不會(huì)有水平光進(jìn)行補(bǔ)償，其結(jié)果使得脊線圖像趨向于不連續(xù)。
相反，如果使用了本發(fā)明的透明固體薄膜，無(wú)論透明固體薄膜是否具有遮光壁，從指紋脊線部分照射到透明固體薄膜上的光的入射角都不存在臨界角。結(jié)果，如果來(lái)自指紋脊線部分末端上的微觀不規(guī)則部分的光的水平分量被入射到透明固體薄膜中，并且光被從透明固體薄膜傳播至二維圖像傳感器的光敏部分，那么與微觀不規(guī)則部分相對(duì)應(yīng)的圖像丟失部分會(huì)得到水平分量的光的補(bǔ)償。因此，指紋圖像的外觀清晰度將會(huì)降低。
另外，如果在指紋脊線部分中有汗腺出現(xiàn)，由于在使用光纖的指紋輸入設(shè)備的指紋脊線部分上臨界角的出現(xiàn)，所以它將在圖像中以黑色區(qū)域出現(xiàn)。相反，在根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備中，由于在指紋脊線部分中不存在臨界角，所以不會(huì)有汗腺在圖像中以黑色區(qū)域出現(xiàn)。鑒于此，使用本發(fā)明透明固體薄膜的指紋輸入設(shè)備在指紋脊線部分待被與指紋凹谷部分區(qū)分開(kāi)的情況下比使用光纖的指紋輸入設(shè)備更有優(yōu)勢(shì)。換句話說(shuō)，在采用使用光纖的指紋輸入設(shè)備來(lái)分辯指紋脊線部分與指紋凹谷部分的情況下，需要有一個(gè)圖像處理過(guò)程來(lái)消除汗腺的黑暗區(qū)域。但是，如果采用根據(jù)本發(fā)明的使用透明固體薄膜的指紋輸入設(shè)備來(lái)達(dá)到相同的目的，則不需要用來(lái)消除汗腺黑暗區(qū)域的圖像處理過(guò)程。
另外，作為指紋校驗(yàn)操作的主要過(guò)程，能夠讀取連續(xù)的脊線以跟蹤指紋脊線是十分重要的。如果脊線變得不連續(xù)，圖像處理塊就要執(zhí)行間斷脊線的連接操作。但是，這種處理需要相當(dāng)大的計(jì)算量。因此，盡可能減少間斷點(diǎn)的數(shù)目并且盡可能地減少計(jì)算量都是十分重要的。由于相同的原因，脊線中斷點(diǎn)的數(shù)目在使用光纖的指紋輸入設(shè)備中較多。相反，在采用根據(jù)本發(fā)明的使用透明固體薄膜的指紋輸入設(shè)備的情況下，脊線不必要的中斷是不可能的。因此，本發(fā)明所述的指紋輸入設(shè)備適用于指紋校驗(yàn)。
在圖16和17中所示的各個(gè)指紋輸入設(shè)備都能夠抑制光在厚薄膜中沿水平方向的前進(jìn)。但是，它們對(duì)于光的抑制只限于在指紋脊線之間距離的范圍之內(nèi)。因此，入射到厚薄膜上的光確實(shí)含有水平分量。這與使用光纖的指紋輸入設(shè)備不同，因?yàn)楹笳叩囊鈭D是抑制光的水平分量。
通過(guò)把圖18中所示的前一種設(shè)備所輸入的指紋圖像與圖19中所示的后一種設(shè)備所輸入的指紋圖像進(jìn)行比較，使用具有0.35的孔徑速率光纖的指紋輸入設(shè)備與本發(fā)明所述指紋輸入設(shè)備之間的指紋脊線的不連續(xù)性方面的差異就變得十分清楚。由于圖18中所示的指紋圖像比圖19中的圖像更清楚，所以前一種設(shè)備比后一種設(shè)備更為優(yōu)越。但是，從圖中可以看出，后一種設(shè)備比前一種設(shè)備的優(yōu)越之處在于，由圖18中由白圈代表的丟失點(diǎn)并沒(méi)有在圖19中出現(xiàn)。[實(shí)施例3]在實(shí)施例3中，把近年來(lái)被用于提高指紋圖像傳感器的靈敏度的一種微透鏡層用作保護(hù)膜。
在實(shí)施例3中，微透鏡3是一個(gè)圓頂狀透明固體，它被覆蓋在圖像傳感器的光敏部分的正上方，如圖20所示。由此使入射到光敏部分以外的其他部分上的光被會(huì)聚在光敏部分上，從而提高了傳感器的光檢測(cè)靈敏度。當(dāng)指紋脊線部分與微透鏡13接觸時(shí)，脊線的形狀由13-1表示，并且傳感器的光檢測(cè)靈敏度通過(guò)光在光敏部分上的會(huì)聚而得到提高。但是，從凹谷部分13-2入射到微透鏡13上的光被出射至一個(gè)空間，而且來(lái)自這個(gè)部分的光變得不能利用。結(jié)果，指紋脊線部分100％范圍中的光就不能被檢測(cè)到。雖然如此，但由于普通大規(guī)模生產(chǎn)的傳感器可被用作這種圖像傳感器，所以本實(shí)施例中的指紋輸入設(shè)備在成本上具有優(yōu)勢(shì)。作為微透鏡13的組成部分，可以使用實(shí)施例1中的透明固體薄膜。因此，微透鏡的折射率被確定為與透明固體薄膜折射率的情況一樣。
圖21中所示的指紋輸入設(shè)備是對(duì)圖20所示指紋輸入設(shè)備的一種改進(jìn)。圖21中所示的指紋輸入設(shè)備采用了一種迭片透鏡以使與手指接觸的部分變平。該迭片透鏡是通過(guò)將折射率小于微透鏡材料折射率的透明固體材料14在微透鏡13上壓成薄片而獲得的。應(yīng)該注意的是，透明固體材料14的成分與實(shí)施例1中透明固體薄膜的材料相同。因此，根據(jù)本發(fā)明可以確定透明固體材料14的折射率，并且微透鏡13的折射率要高于透明固體材料14的折射率。
根據(jù)圖21中所示的指紋輸入設(shè)備，可以檢測(cè)出來(lái)自指紋脊線部分上100％區(qū)域內(nèi)的光，因?yàn)闆](méi)有凹谷部分13-2。結(jié)果，傳感器的光檢測(cè)靈敏度就得到了提高。另外，由于在微透鏡13中不存在薄的凹谷部分，所以微透鏡13的耐久性也得到了提高。
圖22中所示的指紋輸入設(shè)備使用一個(gè)平面微透鏡15作為微透鏡，此微透鏡的折射率分布可根據(jù)圖像傳感器的間隔而調(diào)整。平面微透鏡15被形成在一個(gè)透明固體薄膜上。通過(guò)將雜質(zhì)填充入透明固體薄膜上與二維圖像傳感器的各個(gè)光接收單元相接觸的各個(gè)點(diǎn)中，并且在形成透明固體薄膜時(shí)使雜質(zhì)擴(kuò)散，就可形成平面微透鏡15。因此，平面微透鏡15具有這樣一種透射率分布16，即，透射率隨著薄膜遠(yuǎn)離光接收單元而降低。平面微透鏡15比圖20和21所示的微透鏡13具有更高的聚光能力。此外，由于是平面透鏡，所以指紋脊線與透鏡100％接觸，并且透鏡的厚度可被設(shè)定為10至20μm，從而使平面微透鏡足以起到保護(hù)膜的作用。
與此同時(shí)，對(duì)形成發(fā)射光的光源的重要要求是使從手指的測(cè)量部分出射并且來(lái)源于發(fā)射光的光均勻地分布。為了滿足這個(gè)要求，最好使光從各個(gè)方向上照射到手指上。如果光源是一個(gè)點(diǎn)光源，并且有很強(qiáng)的光從有指紋測(cè)量部分的手指面的背面(有爪的一面)照射在手指上，然后就可以獲得均勻的出射光分布。然而，如果將指紋輸入設(shè)備在將來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域考慮在內(nèi)，則構(gòu)成一個(gè)整體平坦的指紋輸入設(shè)備并且使光由此不能被從有爪的表面照射到手指上是十分重要的。如圖23所示，若使用點(diǎn)光源，則將光源11和12分別放置在手指指尖的尖端下部和手指的第一個(gè)指節(jié)的下部是最佳的。但是，可以通過(guò)利用圖24A和圖24B所示的一個(gè)面光源17，并且根據(jù)使用目的對(duì)面光源的形狀進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)一種將光照射到整個(gè)手指并且使光強(qiáng)更均勻的方法。
在圖24A和圖24B中，參考序號(hào)18代表一個(gè)遮光體，它將光遮住以不使光從光源直接進(jìn)入傳感器的光敏部分。作為光源的表面，最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的膜狀EL發(fā)光板是比較適宜的。
圖25A和圖25B中所示的指紋輸入設(shè)備被設(shè)計(jì)成能夠進(jìn)一步提高測(cè)量部分的光強(qiáng)并且能夠優(yōu)化排列發(fā)光二極管陣列芯片以使出射光均勻。在圖25A和圖25B中，參考序號(hào)18代表一個(gè)遮光體，它將光遮住以不使光從光源直接進(jìn)入傳感器的光敏部分。參考序號(hào)19代表線發(fā)光模塊(LED芯片陣列)。圖25A和圖25B中所示的指紋輸入設(shè)備能夠自由地設(shè)計(jì)光量。對(duì)光量的設(shè)計(jì)是為了找到線發(fā)光模塊的最佳排列以使從手指發(fā)出的光的不規(guī)則性達(dá)到最小。
圖12A和圖12B顯示出了圖25A和圖25B中所示的指紋輸入設(shè)備的原型的一個(gè)例子。在圖12A和圖12B中，參考序號(hào)4代表透明固體薄膜，5代表二維圖像傳感器，8代表一個(gè)傳感器覆蓋膜，18代表遮光體，它將光遮住以不使光從光源直接進(jìn)入傳感器的光敏部分，19代表線發(fā)光模塊(LED芯片陣列)，24代表LED芯片，25代表主襯底，26代表LED陣列的襯底。該原型最明顯的特征在于，由于線發(fā)光模塊較薄，因此，圖25A和25B中所示的指紋輸入設(shè)備的厚度可被設(shè)定成幾乎等于二維圖像傳感器5的厚度。[實(shí)施例4]在實(shí)施例4中，因血液的脈動(dòng)流動(dòng)而造成傳輸光的波動(dòng)得到了利用，而且在測(cè)量期間，它被用來(lái)根據(jù)這個(gè)脈動(dòng)特征來(lái)識(shí)別指紋是否為一個(gè)活體的指紋以防止手指復(fù)制品的非法使用。圖26的框圖顯示出了實(shí)施例4中的脈動(dòng)檢測(cè)電路。該脈動(dòng)檢測(cè)電路的操作如下。一束波長(zhǎng)為800至950nm的紅外線被用作測(cè)量光，并且具有與上述紅外線的波長(zhǎng)相等的傳輸波長(zhǎng)的光譜濾波器也得到使用。在這個(gè)波段中，含有大量氧的血液(動(dòng)脈)以及含有少量氧的血液(靜脈)在吸收系數(shù)上相互幾乎沒(méi)有差異，并且傳輸光量的波動(dòng)約為10％。根據(jù)血液的光吸收量的變化，二維圖像傳感器輸出波形的峰值相應(yīng)地有10％或低于10％的變化。這是由于血壓脈動(dòng)的結(jié)果。低通濾波電路(LPF)21獲取一幀圖像的平均亮度，取平均電路22在長(zhǎng)于脈搏周期的時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)幀的平均亮度取平均。施密特比較器23對(duì)低通濾波電路21的輸出與取平均電路22的輸出進(jìn)行比較，由此可以判斷出它是否具有脈動(dòng)。如果有脈動(dòng)，則比較器23的輸出是一個(gè)方波。如果沒(méi)有脈動(dòng)，則比較器23的輸出保持不變。因此，就可以區(qū)分出人體的手指與偽造的手指。也可以用一個(gè)電腦通過(guò)使二維圖像傳感器的輸出數(shù)字化并且根據(jù)程序進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)低通濾波電路21、取平均電路22以及比較器23的功能。
本發(fā)明的基本優(yōu)點(diǎn)在于，指紋輸入設(shè)備自身可以被做得與二維圖像傳感器芯片一樣的薄，并且由于它不使用光纖或者類(lèi)似材料，所以其制造成本也很低。這些優(yōu)點(diǎn)可以滿足各類(lèi)便攜式信息終端在進(jìn)行個(gè)人識(shí)別時(shí)的大部分情況下的用途。此外，本發(fā)明還適用于各類(lèi)情況下，包括信用卡、與汽車(chē)有關(guān)的安全，等等。對(duì)本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的具體說(shuō)明如下。
由于本發(fā)明所述的指紋輸入設(shè)備是一種光學(xué)系統(tǒng)，所以靜電不會(huì)影響圖像信息，即，電學(xué)特性。
由于根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備在各類(lèi)光學(xué)指紋輸入設(shè)備中屬于尤為直接的類(lèi)型，所以它不需要棱鏡、透鏡等器件，因而它沒(méi)有產(chǎn)生光學(xué)失真的部分，由此可以獲得精確的圖像。另外，本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備在尺寸上可被做得像用于圖像傳感器的LSI芯片一樣薄而小，因?yàn)樗鼪](méi)有諸如棱鏡和透鏡等需要空間的光學(xué)系統(tǒng)。
由于根據(jù)本發(fā)明的指紋輸入設(shè)備在直接型光學(xué)指紋輸入設(shè)備中屬于特殊的傳輸類(lèi)型，所以與反光型指紋輸入設(shè)備相比，干擾光不會(huì)對(duì)指紋輸入設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，并且設(shè)備的結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。另外，與反光型輸入設(shè)備不同，由于它不需要將光照射到測(cè)量面上，所以能夠密集排列傳感器單元以保證高的分辨率。
由于盡管是發(fā)光型輸入設(shè)備但沒(méi)有必要使用光纖，所以指紋測(cè)量部分的厚度與二維圖像傳感器的芯片厚度幾乎是相同的。
由于沒(méi)有必要使用昂貴的光纖，而且輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，因而制造成本較低。
即使二維圖像傳感器與指紋測(cè)量部分之間放置有透明固體薄膜，指紋圖像的清晰度也不會(huì)下降，除非透明固體薄膜的厚度不小于一個(gè)預(yù)定的厚度。因此，通過(guò)選擇諸如玻璃質(zhì)地材料等硬質(zhì)材料，就可在諸如戶外環(huán)境的較差環(huán)境下使用這種指紋輸入設(shè)備。
如果此指紋輸入設(shè)備被用于一個(gè)其中干擾光趨向于進(jìn)入指紋測(cè)量部分的環(huán)境中，則可以使用近紅外光源以及相應(yīng)的濾波器，由此可以獲得穩(wěn)定的指紋圖像。
通過(guò)從本發(fā)明的光源中選擇出一個(gè)最佳光源，就可以使整個(gè)測(cè)量表面的光量均勻，并且?guī)缀蹩梢悦獬眯盘?hào)處理對(duì)圖像進(jìn)行的修正操作。
最佳光源中的LED模塊能夠根據(jù)用途設(shè)計(jì)出最佳光分布。因此，就可以獲得更均勻的圖像。
本發(fā)明的指紋傳感系統(tǒng)能夠區(qū)分活體指紋的指紋圖像與偽造指紋的指紋圖像。
如果采用具有微透鏡的指紋傳感器，則需要較少的輸入光量和較低的光源功率。
權(quán)利要求
1.一種指紋輸入設(shè)備，包括二維圖像傳感器，它用于從測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分上采集指紋圖像，所述指紋測(cè)量部分具有指紋脊線部分和指紋凹谷部分；以及透明固體薄膜，它被安裝在所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上，當(dāng)所述二維圖像傳感器采集所述指紋圖像時(shí)，所述指紋測(cè)量部分被固定在所述透明固體薄膜上，其中所述指紋輸入設(shè)備采集所述指紋測(cè)量部分中的所述指紋脊線部分的圖像作為光亮部分，并且采集所述指紋測(cè)量部分中的所述指紋凹谷部分的圖像作為黑暗部分，并且其中所述透明固體薄膜的折射率為1.4或1.4以上。
2.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的折射率為1.5或1.5以上。
3.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的折射率為5或5以下。
4.如權(quán)利要求3所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的折射率為4或4以下。
5.如權(quán)利要求4所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的折射率為3或3以下。
6.如權(quán)利要求5所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的折射率為2或2以下。
7.如權(quán)利要求1所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度為100μm或100μm以下并且在0μm以上。
8.如權(quán)利要求7所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度為90μm或90μm以下。
9.如權(quán)利要求8所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度為80μm或80μm以下。
10.如權(quán)利要求9所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度為70μm或70μm以下。
11.如權(quán)利要求10所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度為60μm或60μm以下。
12.一種指紋輸入設(shè)備，包括二維圖像傳感器，它用于從測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分采集指紋圖像，所述指紋測(cè)量部分具有指紋脊線部分和指紋凹谷部分；以及透明固體薄膜，它被安裝在所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上，當(dāng)所述二維圖像傳感器采集所述指紋圖像時(shí)，所述指紋測(cè)量部分被固定在所述透明固體薄膜上，其中所述指紋輸入設(shè)備采集所述指紋測(cè)量部分中的所述指紋脊線部分的圖像作為光亮部分，并且采集所述指紋測(cè)量部分中的所述指紋凹谷部分的圖像作為黑暗部分，所述透明固體薄膜的折射率n3滿足一個(gè)條件，即，對(duì)比度C0等于或大于噪聲幅度被給出時(shí)獲取指紋識(shí)別的信噪比的值，所述對(duì)比度C0被定義為所述透明固體薄膜的厚度接近于零的情況，它可以通過(guò)在一個(gè)滿足所述透明固體薄膜的折射率n3≥所述手指的皮層的折射率n1＞空氣的折射率n2＝1.000的第一條件下，將公式2和3代入公式1而獲得，也可以通過(guò)在一個(gè)滿足所述手指的皮層的折射率n1＞所述透明固體薄膜的折射率n3＞空氣的折射率n2＝1.000的第二條件下，將公式2和4代入公式1而獲得，其中所述公式1如下C0＝(P3L-P3D)/P3L其中P3D指紋凹谷部分正下方各個(gè)方向的下行光的功率P3L指紋脊線部分正下方各個(gè)方向的下行光的功率其中所述公式2如下 其中θc(①→②)＝sin-1(n2/n1)tD(①→②)＝(1/2)·(sin2θ1D·sin2θ2D)/sin2(θ1D+θ2D)·(1+1/cos(θ1D-θ2D))θ2D＝sin-1(n1/n2sinθ1D)tD(②→③)＝(1/2)·(sin2θ2Di·sin2θ3D)/sin2(θ2Di+θ3D)·(1+1/cos(θ2Di-θ3D))θ3D＝sin-1(n2/n3sinθ2Di)θ1D光在指紋凹谷部分內(nèi)的空氣層上的入射角θ2Di光從指紋凹谷部分正下方空氣層入射到透明固體薄膜上的入射角其中所述公式3如下 其中tL(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)·(1+1/cos(θ1L-θ3L))θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L)θ1L光入射到指紋脊線部分之內(nèi)的透明固體薄膜上的入射角以及其中所述公式4如下 其中θc(①→③)＝sin-1(n3/n1)tL(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L)
13.如權(quán)利要求12所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的厚度t滿足一個(gè)條件，即，被定義用于所述透明固體薄膜的厚度t的對(duì)比度C1的值等于或大于在當(dāng)噪聲幅度被給出時(shí)獲取指紋識(shí)別的信噪比的值，所述對(duì)比度C1由如下公式表示C1=1-(1-C0)tan-11-γ2β+tan-112β-tan-1γ2βtan-1γ2β+(1-C0)tan-112β-(1-C0)tan-1γ2β]]>其中β＝t/w，w指紋脊線之間的距離γ指紋脊線部分的能率
14.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜含有玻璃成分。
15.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的成分具有可彎曲性。
16.如權(quán)利要求15所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于具有所述可彎曲性的所述成分包括聚酰亞胺或聚碳酸酯。
17.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于它還包括一個(gè)接地的導(dǎo)電透明薄膜。
18.如權(quán)利要求17所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述導(dǎo)電透明薄膜含有氧化錫或銦-錫氧化物成分。
19.如權(quán)利要求17所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述導(dǎo)電透明薄膜是最上層。
20.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，進(jìn)一步還包括光源，該光源將光從不同于所述指紋測(cè)量部分的表面上照射到比所述測(cè)量目標(biāo)手指的第一個(gè)指節(jié)更接近指尖的部分。
21.如權(quán)利要求20所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述光源包括第一光源，它將光照射到所述測(cè)量目標(biāo)手指的指尖上；以及第二光源，它將光照射到所述測(cè)量目標(biāo)手指的所述第一個(gè)指節(jié)上。
22.如權(quán)利要求20所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述光源是一個(gè)面光源，它將光照射到所述測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分的外圍部分。
23.如權(quán)利要求20所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述光源是一個(gè)線光源，它將光照射到所述測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分的外圍部分。
24.如權(quán)利要求20所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述光源只發(fā)出處于預(yù)定波段內(nèi)的光。
25.如權(quán)利要求24所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于在所述二維圖像傳感器與指紋輸入設(shè)備的表面之間的任意位置上放置了一個(gè)只允許處于所述預(yù)定波段內(nèi)的光通過(guò)的光譜濾波器。
26.如權(quán)利要求24所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜只對(duì)所述預(yù)定波段透明。
27.如權(quán)利要求24所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述預(yù)定波段的范圍為800至950nm。
28.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜被遮光壁分隔開(kāi)，該遮光壁通過(guò)在由遮光材料制成的薄膜上穿出多個(gè)透孔而被形成。
29.如權(quán)利要求28所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述各個(gè)透孔的直徑都等于或小于所述二維圖像傳感器的光接收單元的光接收直徑的一半。
30.如權(quán)利要求28所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透孔與所述二維圖像傳感器的光接收單元對(duì)準(zhǔn)。
31.如權(quán)利要求28所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述遮光材料導(dǎo)電并且被接地。
32.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，進(jìn)一步包括多個(gè)被與所述透明固體薄膜壓在一起的微透鏡，它們被安裝在所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上的各個(gè)光接收單元之上。其中所述多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)的折射率都高于所述透明固體薄膜的折射率。
33.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，進(jìn)一步包括多個(gè)微透鏡，它們形成于所述透明固體薄膜上，并且被安裝在所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上的各個(gè)光接收單元之上，其中所述多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)的折射率都高于所述透明固體薄膜的折射率。
34.如權(quán)利要求33所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)的折射率都沿著與所述光接收單元的距離而變化。
35.如權(quán)利要求1或12所述的指紋輸入設(shè)備，進(jìn)一步包括用于對(duì)測(cè)量目標(biāo)手指上是否存在脈動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。
36.一種指紋輸入設(shè)備，包括二維圖像傳感器，它用于從測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分上采集指紋圖像；以及多個(gè)安裝于所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上的各個(gè)光接收單元之上的微透鏡，當(dāng)所述二維圖像傳感器采集所述指紋圖像時(shí)，所述指紋測(cè)量部分被固定在所述多個(gè)微透鏡之上，其中所述指紋輸入設(shè)備采集所述指紋測(cè)量部分中的指紋脊線部分的圖像作為光亮部分，采集所述指紋測(cè)量部分中的指紋凹谷部分的圖像作為黑暗部分，并且其中所述多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)的折射率都為1.4或1.4以上。
37.如權(quán)利要求36所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的所述折射率為1.5或1.5以上。
38.如權(quán)利要求36所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的所述折射率為5或5以下。
39.如權(quán)利要求38所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的所述折射率為4或4以下。
40.如權(quán)利要求39所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的所述折射率為3或3以下。
41.如權(quán)利要求40所述的指紋輸入設(shè)備，其特征在于所述透明固體薄膜的所述折射率為2或2以下。
42.一種指紋輸入設(shè)備，其特征在于包括二維圖像傳感器，它用于從測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分上采集指紋圖像；以及多個(gè)安裝于所述二維圖像傳感器的圖像采集表面上的各個(gè)光接收單元之上的微透鏡，當(dāng)所述二維圖像傳感器采集所述指紋圖像時(shí)，所述指紋測(cè)量部分被固定在所述多個(gè)微透鏡之上，其中所述指紋輸入設(shè)備采集所述指紋測(cè)量部分中的指紋脊線部分的圖像作為光亮部分，采集所述指紋測(cè)量部分中的指紋凹谷部分的圖像作為黑暗部分，并且其中所述微透鏡的折射率n3滿足一個(gè)條件，即，對(duì)比度C0等于或大于噪聲幅度被給出時(shí)獲取指紋識(shí)別的信噪比的值，所述對(duì)比度C0被定義用于所述微透鏡的厚度接近于零的情況，它可以通過(guò)在一個(gè)滿足所述微透鏡的折射率n3≥所述手指的皮層的折射率n1＞空氣的折射率n2＝1.000的第一條件下將公式2和3代入公式1而獲得，也可以通過(guò)在一個(gè)滿足所述手指的皮層的折射率n1＞所述微透鏡的折射率n3＞空氣的折射率n2＝1.000的第二條件下將公式2和4代入公式1而獲得。其中所述公式1如下C0＝(P3L-P3D)/P3L其中P3D指紋凹谷部分正下方各個(gè)方向的下行光的功率P3L指紋脊線部分正下方各個(gè)方向的下行光的功率其中所述公式2如下 其中θc(①→②)＝sin-1(n2/n1)tD(①→②)＝(1/2)·(sin2θ1D·sin2θ2D)/sin2(θ1D+θ2D)·(1+1/cos(θ1D-θ2D))θ2D＝sin-1(n1/n2sinθ1D)tD(②→③)＝(1/2)·(sin2θ2Di·sin2θ3D)/sin2(θ2Di+θ3D)·(1+1/cos(θ2Di-θ3D))θ3D＝sin-1(n2/n3sinθ2Di)θ1D光在指紋凹谷部分內(nèi)的空氣層上的入射角θ2Di光從指紋凹谷部分正下方的空氣層入射到透明固體薄膜上的入射角其中所述公式3如下 其中tL(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)·(1+1/cos(θ1L-θ3L))θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L)θ1L光入射到指紋脊線部分之內(nèi)的透明固體薄膜上的入射角以及其中的公式4如下 其中θc(①→③)＝sin-1(n3/n1)tL(①→③)＝(1/2)·(sin2θ1L·sin2θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)/sin2(θ1L+θ3L)θ3L＝sin-1(n1/n3sinθ1L)
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠獲得具有足夠?qū)Ρ榷鹊闹讣y圖像的指紋輸入設(shè)備。這種指紋輸入設(shè)備包括二維圖像傳感器，它用于從測(cè)量目標(biāo)手指的指紋測(cè)量部分上采集指紋圖像；以及透明固體薄膜，它被安裝在二維圖像傳感器的圖像采集表面上，當(dāng)二維圖像傳感器采集指紋圖像時(shí)，指紋測(cè)量部分被固定在透明固體薄膜上，其中通過(guò)一個(gè)空氣層，該指紋輸入設(shè)備采集指紋測(cè)量部分中的指紋脊線部分的圖像作為光亮部分，采集指紋測(cè)量部分中的指紋凹谷部分的圖像作為黑暗部分，而且其透明固體薄膜的折射率滿足使圖像的對(duì)比度超過(guò)一個(gè)給定值。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1392507SQ02122900
公開(kāi)日2003年1月22日 申請(qǐng)日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者樋口輝幸 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社