脊圖案記錄系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生物測(cè)量，降低了脊圖案記錄系統(tǒng)的成本，增加了脊圖案記錄系統(tǒng)的可靠性，這提供了高圖像質(zhì)量并具有小的尺寸、高的操作速度和減少的能耗。該系統(tǒng)包括光源、確定掃描表面的位置的元件、光學(xué)系統(tǒng)、多元件圖像傳感器、電子存儲(chǔ)器和處理裝置，其中，來(lái)自系統(tǒng)的輸出電子圖像通過(guò)在處理裝置中的合并與至少兩個(gè)中間圖像連接，這些中間圖像與來(lái)自掃描表面的光學(xué)圖像連接，其中，具有小于L的波長(zhǎng)的輻射光束比具有大于L的波長(zhǎng)的輻射光束至少高5倍，并且L的值滿足條件0.37·L1.5/(A·N·T1.2)＜1，L是微米級(jí)的臨界波長(zhǎng)，T是微米級(jí)的光敏元件的間隔，A是在圖像傳感器一側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，以及N是針對(duì)輸出圖像的一個(gè)元素而言的圖像傳感器的光敏元件的數(shù)量。
【專利說(shuō)明】脊圖案記錄系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物測(cè)量領(lǐng)域,特別地,涉及用于自動(dòng)記錄脊圖案(ridge patterns)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1顯示了用于記錄脊圖案的一種典型系統(tǒng)的示意圖。光源I照射在元件2上，元件2確定要被記錄的對(duì)象的掃描面3的位置，諸如手的手指或手掌上的脊線條的位置。在掃描面上，根據(jù)與脊圖案的凹部和凸部相對(duì)應(yīng)的區(qū)域的反射差，來(lái)自光源的光通量最終攜帶該脊圖案的圖像。該光學(xué)系統(tǒng)通常包括在圖像傳感器上的收集透鏡4、反射鏡系統(tǒng)5、物鏡6、防護(hù)玻璃7和微透鏡8，該光學(xué)系統(tǒng)得到該光通量并在多元件圖像傳感器的光敏表面9上產(chǎn)生脊圖案的圖像。圖像傳感器將圖像從光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)字圖像，并發(fā)送該圖像到電子存儲(chǔ)器10，該電子數(shù)字圖像的形式是正比于入射到相應(yīng)的光敏元件上的輻射通量的強(qiáng)度值陣列。處理單元11將該電子圖像的刻度標(biāo)準(zhǔn)化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出圖像。
[0003]確定要被記錄對(duì)象的位置的元件通常設(shè)計(jì)成光學(xué)透明的等腰直角棱鏡。然而，用于記錄脊圖案的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有變體，其中使用有復(fù)雜形狀的棱鏡、圓柱狀元件或平面平行板作為確定掃描面的位置的元件。在更加罕見(jiàn)的變體中，系統(tǒng)的主體元件是確定掃描面的位置的元件。
[0004]光學(xué)系統(tǒng)中的鏡的數(shù)量可以改變，并確定了系統(tǒng)的形狀和整個(gè)尺寸。
[0005]輻射傳感器通常構(gòu)造成一條或矩陣排列的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管或電荷耦合器件。
[0006]所述系統(tǒng)一個(gè)常見(jiàn)的缺點(diǎn)是由于對(duì)圖像質(zhì)量的要求極其嚴(yán)格，需要使用具有相對(duì)大的光敏元件的圖像傳感器，這導(dǎo)致傳感器工作面的相當(dāng)大的面積，并且因此構(gòu)造的系統(tǒng)及其使用成本極高。
[0007]大面積的傳感器的相當(dāng)大的花費(fèi)歸因于制造硅片的高成本以及這些硅片的低有
效產(chǎn)量百分比。
[0008]圖2a示出了用于如下系統(tǒng)的典型圖像傳感器在晶體13的150mm直徑硅片12上的布置，該系統(tǒng)用于在1000dpi的分辨率下記錄手的手掌的脊圖案。這種類型的傳感器具有尺寸6.8微米的光敏元件并且沿著水平方向包含7216個(gè)元件，以及沿著垂直方向包含5412個(gè)元件。從圖中可以看出，在晶片上只容納了四個(gè)這種性質(zhì)的晶體。此外，在這種情況下，晶片用于制造晶體的有用 面積大約占它的整個(gè)面積的50%。如果在制造中允許總數(shù)為四個(gè)的關(guān)鍵制造缺陷14，但它們例如是如圖2a所示的那樣布置的，那么將不能從該晶片獲得一個(gè)可用的晶體。
[0009]如果以相同數(shù)量的光敏元件但是以1.4微米的尺寸構(gòu)造傳感器，那么在150mm直徑晶片15上的晶體的布置可以如圖2b所示意。在這種情況下，晶片容納了 137個(gè)晶體16，其占據(jù)了晶片幾乎80%的面積。同時(shí)，如果在制造中允許總數(shù)為四個(gè)的關(guān)鍵制造缺陷17，如圖2a所示的布置，那么從晶片將獲得133個(gè)可用晶體。因此由于缺陷造成的損失僅占晶片上晶體總數(shù)量的3%。
[0010]然而，盡管有明顯的優(yōu)勢(shì)，在記錄脊圖案的系統(tǒng)中使用具有小的光敏元件的傳感器受制于形成的圖像的質(zhì)量，它不足以滿足生物測(cè)量領(lǐng)域當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)，特別是由于元件之間電荷的噪音和擴(kuò)散。FBI EBTS附錄F是當(dāng)前用于脊圖案記錄系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。
[0011]用于記錄脊圖案的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一些變體，其產(chǎn)生所需的分辨率和掃描場(chǎng)的尺寸，同時(shí)使用相對(duì)便宜的圖像傳感器。
[0012]因此，
【公開日】期為1999年I月12日的且IPC分類號(hào)劃分為G01B11/124的美國(guó)專利5859420公開了一種系統(tǒng)，其中用于記錄脊圖案的該系統(tǒng)的分辨率通過(guò)將該系統(tǒng)細(xì)分為多個(gè)通道而增加，每個(gè)通道形成要被記錄的對(duì)象的圖像的單獨(dú)一部分，之后各部分圖像組合成輸出圖像。 [0013]
【公開日】期為2005年8月9日的且IPC分類號(hào)劃分為G06K9/32的美國(guó)專利6928195公開了一種系統(tǒng)，通過(guò)使用系統(tǒng)中的章動(dòng)式鏡子產(chǎn)生多個(gè)位移中間圖像并形成輸出圖像，其中中間圖像的元素交錯(cuò)，允許增加用于記錄脊圖案的系統(tǒng)的分辨率而不增加圖像傳感器中光敏元件的數(shù)量。
[0014]該系統(tǒng)是本發(fā)明的最接近的類似物。其主要缺點(diǎn)是其他元件和步驟的存在，盡管其允許使用相對(duì)便宜的傳感器，但它們本身貢獻(xiàn)給系統(tǒng)額外的花費(fèi)并降低了它的可靠性。因此，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總成本的顯著降低，同時(shí)可靠性降低，整體尺寸增加，能耗更大并且系統(tǒng)的運(yùn)行速度更低。
[0015]發(fā)明目的
[0016]本發(fā)明的目的是提供一種用于記錄脊圖案的系統(tǒng)，其具有低成本且高可靠性，同時(shí)提供高質(zhì)量的圖像、小的整體尺寸、高的運(yùn)行速度以及降低的能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]所述目的在用于記錄脊圖案該的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括:光源、確定掃描表面的位置的元件、光學(xué)系統(tǒng)、多元件圖像傳感器、存儲(chǔ)圖像的電子存儲(chǔ)器和處理單元，其特征在于:通過(guò)在所述處理單元中混合與所述掃描表面上的同一個(gè)區(qū)域的不同中間圖像相對(duì)應(yīng)的中間圖像的元素的強(qiáng)度值并且將針對(duì)與該區(qū)域相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度而獲得的值分配給來(lái)自所述系統(tǒng)的輸出圖像的元素，將所述輸出圖像在所述電子存儲(chǔ)器中與至少兩個(gè)中間圖像電連接，并且每一個(gè)所述中間圖像與所述圖像傳感器的光敏元件電連接，所述圖像傳感器的所述光敏元件通過(guò)由所述光學(xué)系統(tǒng)形成的脊圖案掃描表面的圖像與所述光源和所述脊圖案掃描表面光學(xué)連接，其中，在所述圖像傳感器的靈敏度的光譜范圍中，具有小于邊界波長(zhǎng)L的波長(zhǎng)的有用光的總通量比具有大于L的波長(zhǎng)的雜散光的總通量至少高五倍，并且L的值滿足條件:
0.37Z!5 ,
[0018]-—<1
Α.Ν.Τ12
[0019]其中，L是以微米表示的邊界波長(zhǎng)；
[0020]T是以微米表示的在所述圖像傳感器中的對(duì)所述有用光敏感的元件的中心之間的間隔；[0021]A是在所述圖像傳感器一側(cè)，在所述圖像傳感器的光敏表面上形成所述掃描表面的圖像的所述光學(xué)系統(tǒng)的有效數(shù)值孔徑；
[0022]N是針對(duì)所述輸出圖像的每一個(gè)元素，在所述圖像傳感器中的光敏元件的數(shù)量。
[0023]優(yōu)選地將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于合并中間圖像的圖像處理單元。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器作為合并中間圖像的圖像處理單元。
[0024]該處理單元、電子存儲(chǔ)器和圖像傳感器可以集成到單個(gè)結(jié)構(gòu)元件中。
[0025]該圖像傳感器優(yōu)選地是單色的。
[0026]發(fā)明效果
[0027]由所列的這組特征所提供的技術(shù)效果是該用于記錄脊圖案的系統(tǒng)的成本降低、可靠性增加、供應(yīng)高圖像質(zhì)量、小的整體尺寸、高的運(yùn)行速度以及降低的能耗。
【具體實(shí)施方式】
[0028]可以在圖1所示的圖形中看到本發(fā)明的示例實(shí)施方式。采用光板I的形式并且構(gòu)造成具有470納米的主輻射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管的光源照射在由光學(xué)透明材料制成的等腰直角棱鏡2上。光穿過(guò)棱鏡21的入射面，以全內(nèi)反射的角度照射到斜邊面3上，該斜邊面3自身確定了脊圖案掃描表面。要被記錄的對(duì)象，諸如手的指紋或手掌，放置在該表面上。在對(duì)應(yīng)于脊圖案凸部的點(diǎn)處，來(lái)自光源的光通量部分地被要被記錄的對(duì)象吸收；在其余的區(qū)域它被棱鏡的斜邊面全部反射。這樣，光通量最終攜帶要被記錄的脊圖案的圖像。然后光穿過(guò)棱鏡的出射面22和收集透鏡4，在反射鏡5上反射并入射到物鏡6上。施加干涉涂層到物鏡中一個(gè)光學(xué)元件的工作表面上以作為剪切光過(guò)濾器以阻擋波長(zhǎng)超過(guò)490納米的輻射。具有至少0.08的出口數(shù)值孔徑的物鏡在單色照相機(jī)的光敏表面9上形成要被記錄的對(duì)象的圖像，該光敏表面構(gòu)造成為具有元件間間隔為1.7微米的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管陣列，其中對(duì)于要被記錄的對(duì)象上的所需分辨率的一個(gè)元素需要一個(gè)光敏元件，并且光學(xué)系統(tǒng)和成像傳感器中的元件牢牢地緊固以形成單個(gè)主體。照相機(jī)產(chǎn)生與入射到相應(yīng)光敏元件上的光通量相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度值陣列形式的要被記錄對(duì)象的數(shù)字圖像，并將其通過(guò)USB接口發(fā)送到具有處理器11的計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器10。因此發(fā)送四幅中間圖像，其形成一幅輸出圖像。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，程序計(jì)算全部四幅中間圖像上相同元素的平均強(qiáng)度值并將獲得的該值賦值給輸出圖像中對(duì)應(yīng)的元素。在圖3中圖形顯示了圖像各部分合并的原理。
[0029]在系統(tǒng)的另一變體設(shè)計(jì)中，該程序通過(guò)暫時(shí)地平均和重新標(biāo)度強(qiáng)度值，將從O到255單位的強(qiáng)度范圍變換成O到65535的范圍，來(lái)合并圖像。這樣對(duì)合并的強(qiáng)度值求和，對(duì)通過(guò)指定系數(shù)獲得的值相乘，并將獲得的值賦值給對(duì)應(yīng)的輸出圖像的元素。
[0030]在本發(fā)明的又一變體實(shí)施方式中，為了簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的流程，以及精確地修正手動(dòng)調(diào)節(jié)光學(xué)放大的需要，物鏡形成覆蓋超出輸出圖像中期望數(shù)量的元素的許多光敏元件的圖像。同時(shí)該軟件通過(guò)壓縮修改輸出圖像的比例。因此，例如在物鏡形成圖像而同時(shí)在兩個(gè)正交方向的每一個(gè)上覆蓋的許多光敏元件比輸出圖像中對(duì)應(yīng)方向上所需的元素大10%時(shí)，該軟件壓縮數(shù)據(jù)，在輸出圖像中每個(gè)元素被分配傳感器的1.12 = 1.21個(gè)光敏元件。此外，伴隨著調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)化，在這種情況下，依照所述條件0.37.Ι>5/(Α.Ν.Τ12) < 1，使用更寬的光譜范圍變得可能并且因此提供更大的輻射通量，而不損害圖像的質(zhì)量且不增加能耗。
[0031] 申請(qǐng)人:已經(jīng)制造了幾個(gè)樣品手掌脊圖案掃描儀，其具有129Χ 129mm的掃描儀表面尺寸并在該表面上具有相當(dāng)于500點(diǎn)每英寸的分辨率,包括具有上述指定參數(shù)的樣品。具有所述參數(shù)的裝置是第一已知脊圖案掃描儀，其具有這種小尺寸的光敏元件，該光敏元件已經(jīng)能夠產(chǎn)生符合FBI EBTS附錄F的標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)隨著合并當(dāng)前傳感器所需數(shù)目的中間圖像并且隨著實(shí)施所述比率0.37.Ll 5/(A -N-Tl2) < I，使用任何可獲得的具有小光敏元件的圖像掃描儀構(gòu)建滿足所述標(biāo)準(zhǔn)的脊圖案記錄系統(tǒng)是可能的。同時(shí)，工作輻射通量比寄生輻射通量至少大五倍的事實(shí)意味著，該寄生輻射通量具有的對(duì)圖像質(zhì)量的影響處在相當(dāng)于諸如光學(xué)系統(tǒng)中光的散射以及寄生反射之類的次要因素的影響的水平上。
[0032]由于光敏元件的小尺寸和單色照相機(jī)的使用，其每個(gè)元件都對(duì)工作輻射敏感，圖像傳感器中用到的傳感器面積的整個(gè)尺寸相對(duì)地小，導(dǎo)致傳感器成本的降低以及更低的能耗。同樣地因?yàn)楣饷舯砻娴男〕叽?，比起最接近的類似物，物鏡的焦距顯著地更短，導(dǎo)致系統(tǒng)整個(gè)尺寸和透鏡成本的減少。在系統(tǒng)中沒(méi)有移動(dòng)元件，和最接近的類似物相比，導(dǎo)致運(yùn)行速度和系統(tǒng)可靠性的增加。合并中間圖像以及使用具有相對(duì)短的波長(zhǎng)的輻射已經(jīng)使得能夠捕獲符合FBI EBTS附錄F的標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量圖像。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]附圖中說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的本質(zhì)。
[0034]圖1是脊圖案記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型示意圖。
[0035]圖2顯示了圖像傳感器中晶體的布置，在150mm直徑的晶片上以不同的光敏元件尺寸沿著水平方向具有7216個(gè)光敏元件并且在垂直方向具有5412個(gè)光敏元件。圖2a顯示了具有6.8微米元件的晶體；圖2b示出了具有1.4微米元件的晶體。
[0036]圖3是通過(guò)對(duì)圖像的元素的強(qiáng)度值求平均來(lái)將中間圖像合并成輸出圖像的示意圖。`
【權(quán)利要求】
1.一種用于記錄脊圖案的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、確定掃描表面的位置的元件、光學(xué)系統(tǒng)、多元件圖像傳感器、存儲(chǔ)圖像的電子存儲(chǔ)器和處理單元，其特征在于:通過(guò)在所述處理單元中混合與所述掃描表面上的同一個(gè)區(qū)域的不同中間圖像相對(duì)應(yīng)的中間圖像的元素的強(qiáng)度值并且將針對(duì)與該區(qū)域相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度而獲得的值分配給來(lái)自所述系統(tǒng)的輸出圖像的元素，將所述輸出圖像在所述電子存儲(chǔ)器中與至少兩個(gè)中間圖像電連接，并且每一個(gè)所述中間圖像與所述圖像傳感器的光敏元件電連接，所述圖像傳感器的所述光敏元件通過(guò)由所述光學(xué)系統(tǒng)形成的脊圖案掃描表面的圖像與所述光源和所述脊圖案掃描表面光學(xué)連接，其中，在所述圖像傳感器的靈敏度的光譜范圍中，具有小于邊界波長(zhǎng)L的波長(zhǎng)的有用光的總通量比具有大于L的波長(zhǎng)的雜散光的總通量至少高五倍，并且L的值滿足條件:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元是計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元是數(shù)字信號(hào)處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像傳感器、所述電子存儲(chǔ)器和所述處理單元被集成到單個(gè)結(jié)構(gòu)元件中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像傳感器是單色的。
【文檔編號(hào)】G06K9/78GK103781421SQ201280038766
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月10日
【發(fā)明者】A·S·普雷特科夫 申請(qǐng)人:阿比勒瑪有限責(zé)任公司