專利名稱：用于指紋識別的光學成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學成像裝置，特別是(但并非僅限于)用于指紋識別的光學成像裝置。
背景技術：
圖1示意性示出根據現有技術制造的光學成像裝置的實例。
這種光學成像裝置包括棱鏡1。由光源(未示出)發(fā)出的光束5經由棱鏡1的第一面2進入棱鏡1。棱鏡1的第二面4限定檢測面，在該檢測面上可放置手指F。在沒有手指F的情況下，光被朝向棱鏡1的第三面6全反射。在與檢測面接觸的手指F的凸起部位處，光束5被受抑(frustrated)反射，從而在光通過聚集透鏡7之后，在CCD或CMOS型圖像傳感器(未示出)上成像。聚集透鏡7的焦距必須較長，以消除散射成分，而這將降低裝置的緊密度。
美國專利US 6 381 347公開一種非常類似的光學成像裝置。
美國專利US 6 259 108和US 6 355 937的主要目的是利用特殊的透鏡系統(tǒng)成像來減小裝置的尺寸。但是，提出的這些方案特別復雜，且在實施上成本很高。
歐洲專利申請EP 1 022 675公開一種圖像讀取裝置，該裝置包含多個排列成二維陣列的光傳感器。在該裝置的整個寬度上延伸的冷陰極管發(fā)光。
美國專利US 5 619 586公開一種利用相機和平行光源的指紋讀取裝置。
歐洲專利申請EP 1 104 908公開一種使用兩個棱鏡的指紋讀取裝置，在該裝置中，透鏡被放置在CCD傳感器之前。
美國專利US 6 182 892公開一種鑒別指紋的方法，其中使用具有信用卡格式的卡，將指紋圖像傳送至掃描儀。
論文“Waveguide hologram fingerprint entry device”，Optical Engineering，Society of Photo-optical Instrumentation Engineers-Bellingham US，Vol.35，No.9公開一種使用全息波導的裝置。
因此，需要一種具有制造可靠性高、尺寸小、成本適于大規(guī)模應用等優(yōu)點的改進裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的具體是滿足上述需求。
按照本發(fā)明的第一方案，本發(fā)明的主題是一種光學成像裝置，包括-光源；-光學介質，來自光源的光可在該光學介質中傳播；-檢測面，由光學介質的一個界面限定；以及-圖像傳感器，來自光源且由檢測面反射的光被反射到該圖像傳感器，該光學成像裝置的特征在于其設計方式為從圖像傳感器看，光源表現為完整的點狀，以使圖像能夠在圖像傳感器上直接成像。
根據幾何光學中的投射定律，在本發(fā)明的上下文中，用語“直接成像”應該理解為在沒有透鏡系統(tǒng)的情況下成像。
本發(fā)明具有許多優(yōu)點。
首先，光學成像裝置更易于微型化，并且能以更高的魯棒性和可靠性進行制造。
其次，光學成像裝置的制造復雜度降低，從而能夠降低成本和推廣應用。
最后，可降低光源的耗電，從而特別是在光學成像裝置應用于如電話或個人數字助理等便攜裝置的情況下，能夠提高壽命。
從圖像傳感器看，光源的尺寸與傳感器的分辨率相適應。例如，對于檢測單元的尺寸約為50μm的傳感器而言，從光源的兩個端點(extreme point)發(fā)出并通過檢測面上的同一點的兩束光線，在由傳感器限定的觀測面上形成分離的圖像，分離的距離小于100μm或更小，對于傳感器的檢測單元尺寸，這是更適合的距離。
光源可位于光學介質之內或之外。具體來說，可以通過空氣層分離光源和光學介質，也可以不通過空氣層分離光源和光學介質。
同樣，圖像傳感器可位于光學介質之內或之外。具體來說，可以通過空氣層分離圖像傳感器和光學介質，也可以不通過空氣層分離圖像傳感器和光學介質。
圖像傳感器和光學介質可分離或不分離。圖像傳感器尤其可以集成在可移動載體中，該載體例如為支付卡、賒購卡、鑰匙或其它個人物品，而光學介質可屬于適于與該載體協(xié)作的讀出器(reader)。
載體可僅包括傳感器，并可選地包括電接觸件(electrical contact)，該電接觸件設計為將來自傳感器的數據傳輸至讀出器。優(yōu)選的，載體包括至少一個微電路，該微電路包含例如處理器和/或至少一個存儲器。
可分離圖像傳感器與光學介質的一個突出優(yōu)點是相同的傳感器可應用于幾個不同的讀出器。這進一步增加識別與指紋相對應的圖像、模擬或數字簽名的可靠性。
光學成像裝置可以如下方式設計由光源發(fā)出并到達圖像傳感器的光僅在檢測面上被反射?；蛘撸鈱W成像裝置可以如下方式設計由光源發(fā)出并到達圖像傳感器的光在到達圖像傳感器之前至少受到兩次反射，特別是在光學介質中。
圖像傳感器可以是線性或矩陣傳感器。
光源可被調節(jié)，特別是強度調節(jié)，以增加信噪比。圖像傳感器可被調整，以與光源的調節(jié)相適應。在Y.Ni和X.L.Yan發(fā)表的“CMOS activedifferential imaging device with single in-pixel analog memory”，ESSCIRC’02，September 24-262002，Florence，Italy，pp.359-362中描述了可用的調節(jié)實例。
光源可發(fā)射處于可見光、紅外光或紫外光范圍內的多個波長的光，而圖像傳感器可設計為分析對應于每個波長的圖像。優(yōu)選的，至少對兩個不同波長形成的圖像進行兩次分析能夠提高檢測的可靠性。
在本發(fā)明的一個實施例中，光源位于圖像傳感器的水平面以下。這種設置能夠以簡單的方式防止光源發(fā)出的光直接到達圖像傳感器。
例如，光源可位于印刷電路，特別是多層印刷電路的凹槽中。
在本發(fā)明的一個實施例中，光學成像裝置包括透明材料的板塊(block)，該板塊覆蓋圖像傳感器和光源，并至少部分限定光學介質。
舉例來說，這個板塊可在圖像傳感器和光源之上模制形成，或與圖像傳感器和光源結合。在結合的情況下，可通過透明粘合劑結合，透明粘合劑例如為紫外光固化粘合劑。
優(yōu)選地，在圖像傳感器的上方，前述板塊包括用于減少到達圖像傳感器的漫射光的部件。例如，這些部件包括與圖像傳感器近乎垂直的去光面(delustered surface)和/或遮光罩。
舉例來說，板塊的材料可以根據光源的波長選擇，以促進光源發(fā)出的光的傳播，而削弱漫射光的傳播。


通過參照附圖閱讀以下非限制性實施例的詳細說明，將更清楚地理解本發(fā)明，其中-上述圖1示出按照現有技術的裝置；-圖2示意性示出按照本發(fā)明的裝置的第一實施例；-圖3和圖4分別示意性示出線性和矩陣圖像傳感器；-圖5至8以局部示意橫剖面圖示出按照本發(fā)明的成像裝置的其它多個實施例；-圖9從俯視角度示出包括圖像傳感器的卡的實施例；-圖10以局部示意縱剖面圖示出設計為與圖9所示的卡協(xié)作的讀出器的實施例；-圖11為示出包含按照本發(fā)明實施例的傳感器和光源的單元的局部示意圖；-圖12為圖11的XII-XII方向上的局部剖視圖；以及-圖13示出按照本發(fā)明制造的裝置在顯示窗口中的應用。
具體實施例方式
圖2所示的光學成像裝置包括光學介質10，光學介質10與空氣的界面限定檢測面11，在檢測面11上可放置手指F，例如用于分析指紋。
手指F具有脊(ridge)形的局部區(qū)域B和凹部(valley)C，區(qū)域B與檢測面11接觸，而凹部C從檢測面11向下凹陷(setback)。
檢測面11受光源13照射。在沒有手指F的情況下，光在檢測面11上受到全反射。在有手指F的情況下，在與皮膚的界面處產生受抑反射。
按照本發(fā)明的一個方案，當在檢測面11上反射之后從由圖像傳感器15限定的觀測面14觀測時，光源13基本上表現為點源。
根據幾何光學定律，可在觀測面14觀測到圖像，在圖2所示的實例中，該圖像相應于使用光源13’所獲得的圖像，光源13’與光源13相對于檢測面11的平面對稱，在觀測面14處僅接收通過皮膚與檢測面11不接觸區(qū)域的光線，在觀測面14處光源13’投射使皮膚與檢測面之間的接觸區(qū)域成為“陰影”。
光學介質10可由任何密度大于空氣的透明材料制成，其可為彩色或無色，例如為無機或有機玻璃。
光學介質10尤其可包括室溫下為固態(tài)的塑料，該塑料至少在由光源13發(fā)出并由圖像傳感器15檢測的光的波長下為透明的。
可選擇光學介質10的顏色，以促進由光源13發(fā)出的光的傳播，而削弱另一波長的光，從而減少到達傳感器15的漫射光量。
圖像傳感器15可連接至任何適當的處理裝置(未示出)，例如，該處理裝置設計為根據由傳感器15傳送的數據重構更完整的圖像，和/或根據由傳感器15接收的至少一個圖像識別將手指放置于檢測面11上和將手指在所述檢測面上移動的人(視情況而定)。
術語“圖像”不受嚴格限制，例如，圖像可減小為觀測面14中的光點或暗點。
處理裝置尤其可包括和/或具有可存取存儲器，在該存儲器中記錄一個或更多指紋圖像和/或相應的簽名，并且該處理裝置可設計為將由傳感器15接收的任何新圖像和/或相應的簽名與預存數據進行比較。
圖像傳感器15可為例如CCD、CMOS或其它類型的線性傳感器(如圖3所示)或矩陣傳感器(如圖4所示)。
線性傳感器包括例如一個或更多檢測單元的線性陣列，所述檢測單元被首位相連設置，每個線性陣列包括例如至少256個單元。
矩陣傳感器包括例如至少兩行(row)，每行至少256個單元。
使用行數較少的線性或矩陣傳感器，可以分析較小圖像，而較小圖像與較大圖像相比失真較小。當使用線性傳感器時，優(yōu)選將線性傳感器與驅動機制組合，以使線性傳感器在手指通過時移動，從而在手指移動時進行同步檢測。
當手指F沿垂直于檢測面11縱軸的方向在檢測面11之上移動時，尤其可使用行數較少的線性或矩陣傳感器，從而使圖像傳感器15所獲得的各圖像與手指表面較窄的帶區(qū)(band)相對應。
圖像傳感器15可設計為在一個或更多特定波長處分析圖像。
優(yōu)選地，為克服環(huán)境照射的問題，光源13發(fā)出強度調節(jié)的光，并將圖像傳感器15調整為光源13的調節(jié)頻率。因此，可將來自光源13的光所承載的信息進一步與環(huán)境噪聲分離，從而增加信噪比。
當光源13為點光源時，由于其尺寸和/或距離，在觀測面14接收的圖像更清晰。光源13的尺寸及其距離的下降也使得形成于觀測面中的圖像的尺寸降低，從而降低所用傳感器15的尺寸，期望形成的圖像所覆蓋的面積優(yōu)選與傳感器15的檢測單元所覆蓋的面積接近。
也可以證明，優(yōu)選地，檢測面11與傳感器15之間的距離應盡可能短。
例如，檢測面11可在與指紋寬度類似的寬度上延伸。
為制造光源13，優(yōu)選使用微型光學元件，例如單個發(fā)光二極管或激光二極管，而不使用漫射體(diffuser)或透鏡，并將光源13放置于遠離觀測面14的位置，例如通過多次反射。優(yōu)選地，光源13可包括遮光罩(未示出)，所述遮光罩設置有單個小孔，用作光的點狀出口。
優(yōu)選地，光源13也可包括光纖。光尤其可經由光纖的端部發(fā)出。
多次反射可以是在光學介質10與空氣之間或光學介質10與較小系數的其它介質之間界面處的內反射，和/或光學介質10外部或內部的反射面(尤其是金屬化表面)上的反射。
觀測面14和檢測面11的方位及相對設置可以變化。
圖5示出本發(fā)明的另一實施例，其中檢測面11的方位與觀測面14約呈90°。
此外，在本實施例中，光源13位于光學介質10的外部，并且光垂直于該光學介質的一個面16進入該光學介質，成像裝置設計為在檢測面11上僅發(fā)生一次反射。
在圖6所示的實施例中，在光源13與觀測面14之間發(fā)生幾次中間反射，從而使得光源13可光學遠離觀測面14，并且例如使用薄光學介質10時，該光學介質10例如為板狀。
在本實施例中，在到達檢測面11之前，光通過在兩個面17和18上連續(xù)反射來傳播，所述兩個面17和18限定光導。檢測面11位于面16的延伸方向，本實施例中面16為平面。面17也為平面，平行于面16，并與承載傳感器15的載體25接觸。
在圖7所示的實施例中，光學成像裝置具有沿縱軸X延長的一般形式，并且檢測面11位于成像裝置的一軸端。例如，光學成像裝置可為卡的形式，所述卡可進一步包括例如電接觸件和/或天線，用于遠程數據交換?？ㄓ绕淇砂ㄓ糜跒楣庠?3供電的接觸件。
光學介質10覆蓋載體19，在本實施例中，載體19除承載光源13和圖像傳感器15之外，還承載用于處理來自傳感器15的數據的電路20。
在圖7所示的實施例中，光源13發(fā)出的光在到達檢測面11之前近似平行于載體19傳播，在檢測面11處光被朝向傳感器15反射。
為分析檢測面11上的受抑反射之后形成的圖像，光學介質10可僅起到傳播由光源13發(fā)出的光的作用。
光學介質10也可以實現至少一種其它功能，特別是可以起到保護顯示裝置21(特別是便攜式終端的顯示裝置)的作用，如圖8所示。
在本實施例中，光學介質10具有限定檢測面11的第一部分22和覆蓋顯示裝置21的第二(無源)部分23，在第一部分22中由光源13發(fā)出的光傳播至傳感器15?？蛇x地，第一部分可至少部分覆蓋顯示裝置21。
傳感器15可與光學介質10分離，尤其可集成在載體(例如支付卡或賒帳卡)中，所述載體還可以包括數據交換裝置，例如電接觸件或射頻裝置。
作為實例，圖10示出包括傳感器15(例如線性傳感器)的支付卡27和包括電接觸件的微電路26。
在讀出器29中容置卡27，讀出器29包括光源和用于讀微電路26的裝置(未示出)。
卡27位于讀出器29的光學介質10之下，設置檢測面11以使當卡27就位時來自光源的光在傳感器15上被反射。
將卡27導入讀出器29的用戶可于檢測面11之上沿箭頭M的方向移動他的手指F。這使得傳感器15讀取的圖像連續(xù)，該連續(xù)圖像代表指紋。指紋讀出器可替代例如在鍵盤上輸入密碼。數據可由傳感器15傳送至微電路26，然后傳送至讀出器29。
卡27可使用任何其它物品替代，例如鑰匙。
圖11和圖12示出印刷電路30上的單元，該單元包括光源13和傳感器15，光源13和傳感器15可被光學介質10覆蓋，光學介質10由例如無機或有機的透明材料板塊33構成。板塊33可通過透明且相對可流動的粘合劑(例如紫外光固化粘合劑)層31固定至電路30。
由圖12可見，光源13位于限定觀測面14的傳感器15的水平面以下，因此由光源13發(fā)出的光不直接到達觀測面14。
由圖12還可見，板塊33的外表面32優(yōu)選被去光或在與觀測面14垂直(plumb)的區(qū)域34中包括遮光罩，從而減少可能到達觀測面14的漫射光量。
當印刷電路30為多層結構時，通過例如去除印刷電路30的一層，形成容納光源13的凹槽36。
除識別和訪問控制之外，按照本發(fā)明的光學成像裝置還可用于其它應用，特別是可用于通過分析手指或非生物物品(例如手寫筆)在檢測面11上的運動，控制物理或非物理的指示器(cursor)或其它物品。
傳感器15尤其可與處理裝置關聯(lián)，該處理裝置可確定手指相對于檢測面在至少一個方向，優(yōu)選在兩個互相垂直的方向上的運動。因此，例如檢測面11可替代移動電話上的定位按鈕。
光學成像裝置還可以用于人體的非皮紋區(qū)的成像，例如，出于化妝或皮膚學目的，對皮膚的微貌(microrelief)進行分析。
光學成像裝置還可以與支付終端或其它計算、電話或診斷裝置組合。
按照本發(fā)明的光學成像裝置還可以集成在顯示窗口40內，如圖13所示，以允許行人詢問顯示窗口，從而獲得例如所提供的服務或展示物品的信息。
按照本發(fā)明的光學成像裝置還可以集成在觸摸屏中。
在圖13的實施例中，僅示出按照本發(fā)明的單個裝置，但是顯然顯示窗口或觸摸屏也可以設置有幾個按照本發(fā)明的裝置。
圖12所示的實施例的板塊33也可以用鑄塑樹脂替代，其至少密封光源13和傳感器15的頂部。
傳感器15可以具有多于一行的基本檢測器，例如至少兩行檢測器，特別是為了允許測量手指在檢測面上的移動速度，這可以提高指紋圖像的質量，并使該圖像更易于識別。
例如，通過測量圖像的一條線被傳感器的一行檢測單元讀取至被另一行檢測單元讀取所花費的時間來確定手指的移動速度。
當然，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，上述各實施例的特征可相互組合。
上述實施例也可以作各種修改。具體來說，例如檢測面可以不是平面。
在整個說明書(包括權利要求書)中，用語“包括一”或“包含一”應該理解為與“包括至少一”或“包含至少一”同義，除非另外指明。
權利要求
1.一種光學成像裝置，包括-光源(13)；-光學介質(10)，來自光源(13)的光能夠在其中傳播；-檢測面(11)，由光學介質(10)的一個界面限定；以及-圖像傳感器(15)，來自光源(13)且由檢測面(11)反射的光被反射到圖像傳感器(15)，該光學成像裝置的特征在于其設計方式為從圖像傳感器(15)看，光源(13)表現為完整的點狀，以使圖像能夠在圖像傳感器(15)上直接成像。
2.如權利要求1所述的光學成像裝置，其特征在于從光源的兩個端點發(fā)出并通過檢測面上同一點的兩束光線，在圖像傳感器(15)上形成分離的圖像，分離的距離小于100μm，尤其小于50μm。
3.如權利要求1或2所述的光學成像裝置，其特征在于光源(13)位于光學介質之內。
4.如權利要求1或2所述的光學成像裝置，其特征在于光源(13)位于光學介質之外。
5.如權利要求1至4中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于圖像傳感器(15)位于光學介質(10)之內。
6.如權利要求1至4中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于圖像傳感器(15)位于光學介質(10)之外。
7.如權利要求1至6中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于其設計方式為由光源(13)發(fā)出并到達圖像傳感器(15)的光僅在檢測面(11)上被反射。
8.如權利要求1至6中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于其設計方式為由光源(13)發(fā)出的光在到達圖像傳感器(15)之前，至少被反射兩次，尤其在光學介質(10)中進行。
9.如權利要求1至8中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于圖像傳感器(15)為線性傳感器。
10.如權利要求1至8中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于圖像傳感器(15)為矩陣傳感器。
11.如權利要求1至10中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于光源(13)為可調節(jié)光源。
12.如權利要求1至11中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于光源(13)發(fā)出多個波長的光，并且圖像傳感器(15)設計為分析對應于每個波長的圖像。
13.如權利要求1至12中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于圖像傳感器(15)與光學介質(10)分離，尤其被集成在可移動載體(27)中，該載體例如為支付卡或訪問卡，而光學介質(10)屬于設計為與載體(27)協(xié)作的讀出器(29)，載體(27)可選地包括至少一個微電路(26)，尤其是包括處理器和/或至少一個存儲器的微電路。
14.如權利要求1至13中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于光源(13)位于圖像傳感器(15)的水平面以下。
15.如權利要求14所述的光學成像裝置，其特征在于光源位于印刷電路，尤其是多層印刷電路的凹槽中。
16.如權利要求1至15中任一權利要求所述的光學成像裝置，其特征在于包括透明材料的板塊(33)，該板塊覆蓋圖像傳感器(15)和光源(13)。
17.如權利要求16所述的光學成像裝置，其特征在于該板塊在圖像傳感器和光源上模制形成。
18.如權利要求16所述的光學成像裝置，其特征在于該板塊與圖像傳感器和光源結合。
19.如權利要求18所述的光學成像裝置，其特征在于通過紫外光固化粘合劑結合該板塊。
20.如權利要求16所述的光學成像裝置，其特征在于在圖像傳感器(15)的上方，板塊(33)包括用于減少到達該圖像傳感器的漫射光量的部件。
21.如權利要求20所述的光學成像裝置，其特征在于所述部件包括去光面。
22.如權利要求20所述的光學成像裝置，其特征在于所述部件包括遮光罩。
23.如權利要求16所述的光學成像裝置，其特征在于板塊(33)材料的顏色根據光源的波長選擇，以促進該光源發(fā)出的光的傳播，而削弱漫射光的傳播。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學成像裝置，包括光源(13)；光學介質(10)，來自光源(13)的光能夠在其中傳播；檢測面(11)，由光學介質(10)的一個界面限定；以及圖像傳感器(15)，來自光源(13)且由檢測面(11)反射的光被反射到圖像傳感器(15)。本發(fā)明的光學成像裝置的特征在于其設計方式為從圖像傳感器(15)看，光源(13)表現為完整的點狀，以使圖像能夠在圖像傳感器(15)上直接成像。
文檔編號G06K9/00GK1820272SQ200480019668
公開日2006年8月16日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權日2003年7月9日
發(fā)明者揚·尼 申請人:電訊集團學校國際電訊學院