用于生物识别的方法及设备的制作方法

专利名称：用于生物识别的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通it^人体的一部分(最典型的是手的一部分)进行红外 成像、使用皮下静脉图案识别的个体生物识别。
背景技术：
个体生物识别代表虽小^速增长的商业市场。据估计，到2008年 生物传感器及系统的市场将达到40亿美元。增加使用生物识别的动机包
括任何反恐筛查(例如，对航空^j:的筛查以及i^设施及商业设施处的
i^控制)，加上对由盗窃财务账号及密码所导致的身份盗用的防护。关 于后者， 一些主要的银行已在它们的自动拒员机处安装了生物识别系统。 每个用户将他或她的生物特征记录在数据卡上，并且在允许1银行账户 之前，必须通过对个体的生物扫描来实时地对图案进行匹配。这里的术语 "数据卡"是指针对能够对其一次写入且多次读取生物特征数据的任何类 型的数字信息存储介质(例如，磁介质、半导体存储器、光介质等)的通 用描述。
已经针对个体生物识别而尤艮了多种技术，包括指紋扫描及视网膜扫 描，最有前途的生物识别方法之一是使用对手的皮下静脉图案的红外成 像。例如，参见Rice J.于1985年3月19日提交的英国专利第2,156,127 号"Method Of And Apparatus For The Identification Of Individuals"; Clayden于1995年9月29日提交并于1998年7月28日^>告的美国专利 第5,787,185号"Biometric Identification Of Individuals By Use Of Subcutaneous Vein Patterns";以及Watanabe M.、 T. Endoh T.、 M. Shiohara和S. Sasaki的"Palm Vein Authentication Technology And Its Applications" (Proc. Biometric Consortium Conf.， 2005年9月19-21日， Arlington, VA，USA)。更总体而言，可以对人体的任意部分的皮下静脉图 案进行成像。红外传感器捕捉皮下静脉图案的图像，然后利用计算机或微 处理器来对其进行分析，并将其与存储在个体的数据卡上的图像进行比 较，以确定是接受还是拒绝该个体。与可见光辐射相比，近红外辐射穿透皮肤及皮下组织的深度大得多，使得可以得到皮下静脉图案的更详细的图 像。作为包含所存储的生物轮廓的数据卡的替代，可以将该轮廓存储在计 算机网络上，以使得被扫描个体仅需输入个人标识号。静脉图案识别的优 点在于，已表明手掌静脉图案及手指静脉图案是个体所独有的、极难伪造 且相对易于解释。已发现，即^A同卵双胞胎，他们的手掌及手指的静脉 图案也是不同的。相反的是，已表明指紋的泥塑模型可以欺骗指紋扫描仪， 而产生误接受。
通过对手部静脉图案的成像的生物识别相对于诸如指紋扫描的备选 技术的另一优点在于，理论上，皮下静脉红外成〗象仪可以利用完全卫生的 非接触式传感器来实现。指紋扫描仪本质上是依赖于高分辨率电容传感器 (而非光学成像传感器)的接触式设备。在一些文化中，^7>共设施的 每个人必须触摸的传感器被认为是极不受欢迎的。生物扫描仪不能识别戴 着手套的人。此外，1公共设施的每个人必须触摸的接触式传感器会积 聚污垢，导致测量精度的降低。某些亚洲国家早先已经采用生物传感器，
使用它们来控制对政府建筑、商业建筑及银行自动拒员机的ii^;未来的 市场包括机场安全等。如果亚洲遭受致命性禽流感或类似的传染病的大规 模爆发，则可能对基于接触式传感器的生物识别系统造成严重的破坏。理 想的非接触式静脉图案生物传感器仅要求用户将手悬空地保持在红外成 像仪的上方。
在尝试设计非接触式静脉图案生物传感器时所面临的最大的技术挑 战是，尽管事实上所有这种生物红外成像仪具有固定的焦距，但是要将目 标(手)聚焦在红外成像仪上。红外成像仪具有固定的焦距，意味着，仅 在目标至成傳_仪的距离(目标范围)等于指定的固定值时，该目标焦点对 准。作为示例，设想尝试在将目标(页)保持在距固定焦距摄像机的距离 与该摄1|*的固定焦距目标范围显著不同时利用该摄^J机来拍摄该页上 的文字。这将导致所记录的图像离焦，使得无法读出该页上的部分或全部 文字。对于静脉图案生物传感器，离焦的图4象将导致不可识别的静脉图案， 使得所有的被扫描个体被生物识别系统拒绝。通过查看Fujitsu PalmSecure说明书而清楚地看出静脉图案成像^t目标范围的灵敏度， 其中，所要求的目标范围船见定为50 ± 10 mm (PalmSecure手掌静脉i人 证系统，美国Fujitsu计算机产品公司)。在静脉图案生物传感器中所使用 的红外成像仪模块的光学部件包括红外LED照明器、长通红外滤波器、 固定焦距透镜系统及CCD或CMOS检测器阵列。这些部件自身不能提 供可以根据其来精确地确定目标范围的数据。必须向红外成4象仪模块中添加附加的电光部件来提供可以根据其来确定目标范围的数据，因而必须向 生物传感器系统中添加校正离焦情况的装置。
可以试图向静脉图案生物传感器中添加与大多数数字摄 4^系统中 所包含的自动聚焦透^目似的自动聚焦透镜；然而，这会产生多个另外的 问题(a)传统的廉价的自动聚焦透镜系统很难在生物成像仪所要求的很 短的目标范围(约50 mm)及宽视场处提皿聚焦图像；(b)适合于生 物应用的高质量自动聚焦透镜使传感器的成本显著增加；以及(c)廉价 的自动聚焦系统的机械部件会随着典型的生物传感器所要求的频繁的使 用(例如，每星期使用几千次，每年52个星期)而磨损。
在静脉图案生物传感器领域中领先的两个公司Fujitsu及Hitachi认 识到非接触或非触觉特征的重要性，因为这涉及到被广泛的顾客群所接 受。在由Hitachi员工所撰写的专利及专利申请(US20050185827、 US6813010、 US6912045、 US6993160 )以及由Fujitsu员工所撰写的专利 及专利申请(US20050148876)中强调了非接触^征的重要性。然而， Fujitsu, Hitachi或它们的竟争对手都未能开发出并提供出售上面引用的 专刮申请中所描述的类型的、真正非接触式静脉图案识别传感器。
Hitachi SecureVein生物传感器对手指中的皮下静脉图案进行成像， 并以几个稍有不同的版本来提供。然而，每个版本要求用户将他或她的手 与成型的手部支托或手指支^目接触地放置，成型的手部支托或手指支托 将目标(手指)范围及水平配准相对于红外成《象仪固定。
前面引用的Hitachi专利及专利申请包括Kono、 Umemura、 Miyatake、 Harada、 Ito及Ueki于2005年4月13日提交的美国专利申 请公开笫2005/0185827号"Personal Identification System"; Kono、 Umemura 、 Miyatake 、 Harada 、 Ito及Ueki于2003年12月12日提交的、 于2005年6月28日公告的美国专利笫6,912，045号"Personal Identification System"; Kono、 Umemura、 Miyatake、 Harada、 Ito及 Ueki于2001年9月18日提交的、于2004年11月2日乂>告的美国专利 第6，813，010号"Personal Identification System";以及Miura、 Nagasaka 及Miyatake于2001年9月5日提交的、于2006年1月31日^^的美国 专利第6,993,160号"Personal Identification Device and Method"。美国 专利第6，993，160号中的图2、图3、图4及图5描绘了非接触式手指静脉 生物传感器的几个版本。在一个版本中，用户将手移动通过槽状缝隙，该 槽状缝隙在缝隙的一侧装有红外辐射源，且在另一侧装有红外^1#;在另一版本中，用户将一个手指插入到空腔中。本专利不包括对目标(手指) 范围测量或用于校正离焦图像的方法的讨论。
美国专利第6,813,010号及第6,912,045号以及美国专利申请^S开第 2005/0185827号非常相似，它们的权利要求都未描述非接触的^Mt，并且 权利要求都未描述测距仪或校正离焦图像的装置。这些权利要求中的一些 权利要求明确地描述了利用物理结构来支撑手指。所有三个专利或专利申 请的说明书包含以下陈述"由于完全非接触法在成本、处理时间及紧凑 性方面不一定有利，因此在保持上述非接触特征的同时，所具有的用于固 定诸如手指或手的成^象区所需的定位部件最小的设备更加实用"。因此， 作者陈述了期望完全非接触的操作，因为它"减小由不确定数量的人使用 设备所引起的芽孢杆菌传染的可能性"。然而，他们未能详细说明实现完 全非接触的设计的实用的、成本有效的且紧凑的装置。所有这三个专利及 申请的说明书还包含以下陈述"提供了测量设备与手掌之间的距离以检 查从设备至手掌的高JblL否正确的光学传感器来控制图像捕捉。如果高度 不正确，则向被识别者发送不正确高度信息"。然而，这些说明书并未提 供关于如何构建供静脉图案生物传感器使用的、实用的、成本有效的且紧 凑的光学测距仪的任何设计细节。作者未描述任何光学测距仪设计，并且 未将光学测距仪^:计结合到Hitachi产品中。
Fujitsu生物传感器PalmSecure对手掌的皮下静脉图案进行成像； 2006年3月提出了其最新版本。产品资料描绘了个体将手以手掌面向下 的方式悬空地、水平地保持平放在成《象仪的上方。然而，该产品资料并未 描述任何测量目标范围的方法，也未描述引导用户将手掌放置在如传感器 的说明书中所给出的、所要求的目标范围(50 ± 10 mm)处的方法。 PalmSecure不具有目标范围测量能力。在本发明人于2006年10月10日 在科罗拉多州丹佛市的科罗拉多会议中心出席美国卫生信息管理协会贸 易展览会时，PalmSecure的局限性是显而易见的。在该贸易展览会上， Fujitsu员工向本发明人^提供了连接到笔记本个人计算机的PalmSecure的 演示。为了正确地演示PalmSecure, Fujitsu员工不得不利用PalmSecure 资料中未描绘的弹出式手部支托或托架。该手部支托通过将手腕及每个手 指分别地支撑在槽中来将手固定在限定好的范围及水平配准处。当本发明 人问Fujitsu员工怎样在优选的非接触模式中使用PalmSecure时，所给 出的答案是，红外成像仪具有一定的距离灵敏度，因此为了在所宣传的非 接触模式中实现可靠的操作，需要用户学习曲线。对PalmSecure的经验 比一般用户多得多的Fujitsu员工未能演示不4吏用手部支托的^Mt。实际上，在2006年10月10日的贸易展览会的演示过程中，甚至从未尝试所 宣传的非接触模式中的没有手部支托的操作。PalmSecure连接到笔记本 计算机，而计算机显示器未提供关于被扫描个体应当如何将手定位在红外 成l象仪的上方的指导。
前面引用的Fujitsu专利申请是作为于2002年9月3日提交的PCT 申请的继续申请的、Endoh、 Aoki、 Goto及Watanabe于2005年2月1 曰提交的美国专利申请^^开第2005/0148876号"Individual Identification Device", US2005148876的权利要求1描述了 "一种成像设备，其能够在 不与手相接触的情况下对该手的血管进行成像，该设备包括位置/方向/ 形状指示单元，其用于指示用户举起他的手；..."。权利要求1关于该指 示单元的设计及操作非常含糊，并且附图都未提供关于该指示单元如何操 作的任何线索。然而，权利要求13表达得更清晰"根据权利要求l所述 的个体识别设备，该设备包括检测单元，其用于在每次检测到血管图4象 时根据手的已拍摄图像来检测该手的位置及/或方向；判断单元，其用于 判断检测到的手的位置;5L/或方向是否适当；以及通知单元，其用于在手 的位置;5L/或方向不适当时通知用户手的位置^/或方向不适当"。从权利要 求13清楚地看出，手的位置;5L/或方向是根据该手的已拍摄图像来直接地 测量的，这意味着手的水平位置或旋转是利用图像模式识别软件来测量 的。对于真正非接触式静脉图案生物传感器，必须测量的最重要的>#*1 目标范围；而目标范围不能根据已拍摄图像来直接地确定。在2006年10 月10日的贸易展览会的演示过程中Fujitsu PalmSecure不能在真正非接 触模式中操作的事实、以及笔记本计算机的屏幕未给予用于关于目标范围 的指导的事实，表明PalmSecure不测量目标范围，并且US2005148876 中所描述的生物传感器设计从未产出实用的非接触式静脉图案生物传感 器。
手部静脉图案识别方面的最初研究强调使用与手的部分相接触的物 理支撑以限定目标相对于红外成像仪的目标范围及水平配准的重要性。例 如，如上文引用的，Clayden(图1)描述了一种用于通过要求个体握住 位置基准手柄、然后将手橫向地移动直到其与侧挡块相接触为止，来对手 背的皮下静脉进行成像的方法。认为物理支撑对于获得精确的、准确的、 可重复的结果是至关重要的。Clayden的分析是基于未改变的基本光学测 量理论的。然而，与手相接触的物理支撑与手部静脉成像仪的非接触设计 目标相矛盾。从上文显见，对于能够在不与手相接触的情况下对手掌或手 指的血管进行成像的成像设备的技术的需求由来已久，但是还未能获得能够提供这种不接触的成^象的可工作的设备。

发明内容
本发明通过提供创新的、低成本的、不含移动部件的电光方法及i殳备, 得到了其中消除了由目标范围及水平配准的不确定性所导致的测量误差 的首个真正非接触式手部静脉生物传感器，从而解决了上文所描述的问题 并推进了技术。在优选的实施例中，必须向红外成像仪模块中添加的附加 的电光部件包括低功率激光二统管、准直透镜或准直反射镜、及激光器 驱动电路，对于大量应用，总成本约10美元。优选的是，目标是手掌、 手背或手指。优选的是，单个激光二极管(LD)按照以下方式照明目标 反射辐射的图案在利用传统的静脉图案红外成像仪来观看时，提供对目标 范围的直接测量。使用对该反射辐射图案的实时分析来生成视觉信号或音 频信号，该视觉信号或音频信号指示被扫描个体将手移动到精确地放置在 最佳范围处。实际上，优选的是，指导被扫描个体将手放置在与他或她的 生物特征数据卡上所记录的范围相同的范围处，从而显著地减小误拒绝 率。这里，误拒绝率是对真实特征与他们的生物数据卡上所记录的特^目 匹配的个体的拒绝率。误拒绝率的减小允许使模式识别软件中的^更加 严格，这样还减小了误接受率(即，对真实特征与他们所持有的生物数据 卡上所记录的特征不匹配的个体的接受率)。
本发明的另 一实施例包括使用超声波发射器及传感器来测量目标范 围及水平配准，然后生成用于使被扫描个体移动手以将手精确地定位在最 佳范围处的视觉指示或音频指示。本发明还有的另 一 实施例包括使用无源 光学测距仪来测量目标范围，然后生成用于使被扫描个体移动手以将手精 确地定位在最佳范围处的视觉指示或音频指示。无源光学测距仪不需JH吏 用任何激光二极管，或除了传统的静脉图案红外成像仪中已经存在的目标 照明装置以外的任何目标照明装置。
本发明提供了一种生物静脉成像方法，该方法包括将人体的目标部 分放置在生物成像仪能够扫描的位置；电子地确定所述目标是否位于相对 于所述成像仪的预定定位范围内；拔:供指示所述目标在所述预定定位范围 内或者必须怎样移动所述目标以使其1所述范围内的信号；以;sut确定 所述目标在所述预定范围内时，利用所述生物成l象仪来对所述目标进行扫 描。优选的是，所述扫描包括利用静脉成像仪来进行扫描。优选的是，所 述放置包括放置人的手指、手掌或手背。优选的是，所M置包括将所述手指或所述手掌对准一个或更多个指导线。优选的是，所述一个或更多个 指导线形成在其上安装所述成像仪的表面上或略高于该表面。优选的是， 存在两条所述指导线，并且所述指导线彼此正交。优选的是，所l改置包
括根据视觉指示来放置所i^A体的所述目标部分。优选的是，所述视觉指 示包括一个或更多个图或照片。优选的是，所述视觉指示描绘从侧面观看 及从顶部观看被正确地定位在所述成像仪的上方的手。优选的是，所述电 子地确定包括将光指向所述目标。优选的是，所述指向包括将激光束或发 光二极管光束指向所述目标。优选的是，所述将激光束指向包括将红光可 见光激光束指向所述目标。优选的是，所述电子地确定包括电子地确定所 述目标是否在与所述成像仪的预定距离范围内。优选的是，所述电子地确 定包括利用电荷耦合检测器(CCD)或CMOS检测器阵列来对被所述目 标反射的辐射进行检测。优选的是，所述检测包括使所述光的脉冲与所述 CCD或所述CMOS检测器的帧频相同步。优选的是，该方法还包括计算 相继的CCD或CMOS帧之间的差异。优选的是，所述指向包括将多个 激光束或发光二极管光束指向所述目标。优选的是，所述提Wf号包括提 供视觉信号或声音信号。优选的是，所述提供包括利用一个或更多个发光 二极管(LED)来提供视觉信号。优选的是，所述利用包括使用绿光二极 管来指示所述目标在所述预定定位范围内并使用一个或更多个红光二极 管来指示必须怎样移动所述目标以使其进入所述范围内。优选的是，所述
射的实时分析来提供所述信号。优选的是，所述目标是人的手指、人的手 掌或人的手背，并且所述提供包括指示所5tA^动所述手指或手以将其放 置在相对于所述成像仪的最佳距离范围处或最佳水平配准处。优选的是， 所述电子地确定仅使用由所述生物成像仪所提供的辐射来进行。优选的 是，所述电子地确定包括将声能指向所述目标并利用>^射的声能来提供所 述信号。
本发明还提供了一种用于记录人体的目标部分的静脉图案的生物成 像系统，该系统包括能量源，其指向所述目标；检测器，其被定位# 测从所述目标^^射的所述能量的一部分；计算机，其用于对所述反射的能 量进行实时分析，用于生成指示所述目标的范围的信号，并用于提供所述 目标的静脉图案图像；以及视觉或声音输出设备，其响应于所述信号来提 供用于帮助将所述目标放置在相对于所述检测器的预定定位范围内的指 示。优选的是，所述能量源包括发光二极管(LED)或激光器。优选的是， 所述能量源包括激光二极管。优选的是，所述能量源是红光可见光光源。优选的是，所述检测器是电荷耦合检测器(CCD)或CMOS检测器。优 选的是，所述能量源是与所述CCD或所述CMOS检测器的检测器帧频 相同步的脉冲光源。优选的是，所述系统还包括用于将所述A/沐的所述目 标部分相对于所述成像系统正确地放置的视觉辅助物。优选的是，所述视
放置的一个或更多个图或照片。优选的是，所述一个或更多个图或照片描 绘从侧面观看及从顶部观看被正确地定位在所述成像仪的上方的手。优选 的是，所述系统还包括用于帮助将所述人体的所述目标部分相对于所述成 像系统定位的一个或更多个指导线。优选的是，所述系统还包括用于使用 所述指导线来将所"体的所述目标部分相对于所述成像系统正确地定 位的指示。优选的是，存在两条所述指导线，并且所述指导线彼此正交。 优选的是，所i^A体的所述目标部分是人的手指、人的手掌或人的手背， 并且所述一个或更多个指导线帮助将中指的指尖定位。优选的是，所迷视 觉辅助物包括一个或更多个发光二极管(LED)。优选的是，所述视觉辅 助物包括用于指示所述目标在预定定位范围内的绿光二极管以及用于指 示必须怎样移动所述目标以^^其进入所述预定范围内的一个或更多个红 光二极管。优选的是，所述能量源包括准直透镜或准直反射镜、或者聚焦 透镜或聚焦反射镜。优选的是，所述能量源包括产生高斯光束轮廓的透镜 或反射镜。优选的是，所述能量源包括产生准直光束的透镜或反射镜。
本发明提供了用于在不使用任何种类的物理约束或手部支托的情况 下将被成像的人体部分放置在相对于成像仪的精确的位置处的首个实用 系统。通过结合附图来阅读以下说明，本发明的许多其他特征、目的及优 点将从以下说明中显而易见。


图1示出了根据本发明的手掌静脉生物识别系统在向下看右手背的 情况下的图，其中，LED显示器、指示块及照片在手的左侧，对准标记 在中指的指尖附近；
图2示出了根据本发明的用于手掌静脉成像仪的、利用单个LD (激 光二极管)来实现的低成本的测距仪的第一优选实施例的示意图，其中， 手放置在红外成像仪的上方的最佳垂直距离处；
图3示出了手放置在小于最佳距离的垂直距离处时的、图2中的实施例；
图4示出了聚焦激光束的高斯光束轮廓，阴影区是激光束所占据的 区，两条实线之间的y轴距离代表激光束宽；
图5示出了根据本发明的用于手掌静脉成像仪的、利用单个LD来实 现的低成本的激光测距仪的第二优选实施例的示意图，其中，手放置在红 外成傳_仪的上方的最佳垂直距离处；
图6提供了根据本发明的生物静脉图案识别系统的优选实施例的示 意图，包括数字图像分析、人机接口及生物数据接口；
图7示出了根据本发明的手指静脉生物识别系统在向下看右手背的 情况下的图，其中，LED显示器、指示块及照片在手的左侧，对准标记 在中指的指尖附近；
图8示出了根据本发明的用于手指静脉成像仪的、利用单个LD (激 光二fel管)来实现的低成本的测距仪的第一优选实施例的示意图，其中， 手指放置在红外成像仪的上方的最佳垂直距离处；以及
图9示出了根据本发明的用于手指静脉成像仪的、利用单个LD来实 现的低成本的激光测距仪的第二优选实施例的示意图，其中，手指放置在 红外成像仪的上方的最佳垂直距离处。
具体实施例方式
1.手掌静脉图案识别的优选实施例
对本优选实施例的详细描述描述了 一种用于改善用于生物识别的皮 下静脉图案成像仪(优选的是手部静脉成像仪，更优选的是手掌静脉成像 仪)的性能的电光系统及方法。本领域技术人员可以容易地将本部分中所 描述的电光设备修改成被设计成扫描人体的其他部分的皮下静脉图案成 像仪。手部静脉成像仪包括对手的任何部分(包括手掌、手背或者任一手 指的前面或后面)的静脉进行成像的成像仪。
图1描绘了生物识别系统如何呈现在被扫描个体前；其示出了向下看 右手101的手背的图。红外成傳45^块102在手的下方，因此用虚线来描 绘。手的左侧是指示块103、照片块110及LED模块104，所有这些都与 红外成像仪模块102安装在同一桌面上；该桌面通常在地平面上方卯cm 至95 cm。指示块103通知被扫描个体"将手保持平放在传感器上方5 cm(2in.)"。然后，指示块103指示该个体"(1)将中指指尖对准两条线的 交叉点"并"(2)将手上或下移动到正确的垂直距离"。设置了两条指导 线108及109，优选的是，这两条指导线108及109位于其上安装红外成 像M块的平面上或略高于该平面；线108的在中指的下方的部分被描绘 为虚线。优选的是，指导线彼此正交。 一条线109提供用于在与图1中的 垂直方向相对应的一个水平方向上定位手指的指导，而另一条线108提供 用于在与图1中的水平方向相对应的另一水平方向上定向手指的信息。作 为另一种选择，可以将这考虑为将手指的指尖对准两条线的交叉点，将手 定向于该交叉点，并且中指沿线108的对准将手相对于该交叉点旋转地定 向。块IIO包含对正确地放置的手的一个或更多个描绘。优选的是，存在 两个这样的描绘，可以是已形成在耐用的表面上(例如，通过印刷)的图
或照片。优选的是，这两个图或照片描绘了从侧面观看;s^顶部观看被正
确地定位在红外成傳_仪模块的上方的手。这两个照片显著地增加了生物识 别系统的易用性。例如，手的侧视图清楚地描绘了 "将手保持平放"的含 义，手的顶视图清楚地描绘了 "将中指指尖对准两条线的交叉点"的含义。 图1中所描绘的方法及i殳^^将手放置在相对于红外成4象仪模块的大致正 确的水平配准或位置处。手的水平配准不必完4^确，仅需足以〗吏手部静 脉图案的用于生物识别的部分在红外成像仪的视场内的精度。可以利用现 有技术的图像分析软件来对手的水平配准或水平定位的小的误差进行常 规的校正，如同在指紋生物传感器中常皿进行的那样。
存在个体之间的手指及手长度的范围。因此，当中指的指尖对准指导 线108及指导线109时，手掌的略有不同的部分将直接地对准在红外成像 仪模块102的上方。然而，手的水平配准的这个差异是无关紧要的，这是 因为用于对记录在个体的生物识别卡上的静脉图案进行拍摄的每个主红 外扫描仪系统与用于个体的生物识别的所有的使用时的红外扫描仪系统
的几何结构完全相同。因此，每个使用时的扫描仪将看到手掌的与每个主 扫描仪所看到的部分相同的部分。
指示块103中的"上方5 cm (2 in.)"部分代表典型的红外成像仪的 目标至传感器焦距。指示块中的这一部分旨在指导个体将手放置在大致正 确的目标范围处(即，在光学测距仪的动态范围内)；通过"大致"，可以 安全地预测指示块103将导致小于土 60%的目标距离误差，在本示例中为 50土30mm。在没有测距M指示装置或物理手部支撑的情况下，将手放 置在完全正确的目标范围处以获得手部静脉图案在红外成像仪上的很好 的聚焦是极其困难的。注意，在图1中，被扫描个体不能看到红外成像仪。显然，缺少测距仪及指示装置的非接触式红外成像仪不向用户提供关于正
确的目标范围的指导。在没有测距^ML指示装置的情况下，很大比例的用 户将不能在可重复的基础上将他们的手保持在正确的目标范围处。现有技 术的手掌静脉成像仪的说明书通常规定50 ± 10 mm( ± 20% )的目标范围， 并且如果进一步减小目标范围不确定度，则可以提供更低的生物识别^: 率。
7 - LED模块104包含指示个体将手上或下移动以提高相对于红外成 像仪的目标范围精确度的元素。这些元素包括(a)文字105，"移动手、 上、下、好"；(b)指示手被定位得不正确的六个红光LED106;以及(c) 指示手被定位得正确的单个绿光LED107。如果手被定位得正确，则仅中 心的绿光LED107被点亮。如果手被定位得不正确，则红光LED106中 的一个红光LED 106被点亮。6个红光LED 106指示手未最佳地定位， 并指示用户将手向哪个方向移动多远。7 - LED显示模块104仅是可以用 于指示个体最佳M置手的许多可能的视觉显示器中的一个视觉显示器； 计算机屏幕图形显示器是另一个选择。作为另一种选择，计算机产生的语 音可以指示个体将他或她的手以最佳的方式定位。然而，提供方向指导及 位置分辨率二者的多元视觉显示模块104代表不需要本地计算机或计算 机显示器的独立的生物识别站的优选实施例。
图2示出了保持平放在红外(IR)成像仪模块102及激光二极管模 块203的上方的手201的截面图。并且，图2中描绘了由嵌入在红外成l象 仪模块中的信号处理电子装置所输出的二维数字图像204。手掌面向下， 面对IR成像鄉块102及激光器模块203。红外成像仪模块102包含 二维CCD或CMOS检测器阵列208;用于将手聚焦在检测器阵列上的透 镜或反射镜系统206;防止可见光辐射到a测器阵列从而减少背景照明 的长通红外滤波器205;用于照明手及皮下静脉图案的IR LED子模块 207;信号处理电子装置216;以及传感器外壳209。 LED子模块207包 含通常发出740 nm至780 nm的辐射的多个目标照明IR LED;通常透 过波长大于700 nm的辐射的长通红外滤波器205。
图2描绘了低成本的、用于测量目标范围(即，从手掌至红外成《象仪 的距离)的系统，以使得图6中所示的计算M微处理器可以解释范围信 息，然后使用该信息来对指示用户将手上或下移动以将手定位在最佳范围 处的LED显示器104 (图1)进行驱动。该最佳范围表示手部静脉成像仪 的最佳l^巨。优选的实施例利用了由在655 nm至660 nm处发射的红光LD210 (例如，扭tachi HL6501MG)及准直透镜或准直>^射镜211组成 的激光二极管(LD)模块203。作为另一种选择，还可以使用发光二极 管来替代激光器。经准直的激光束214照射手掌的表面，由此产生红光可 见光光斑，该光斑被成像到检测器阵列208上并作为数字图像204中的像 斑215而出现。术语"经准直的"是指激光束直径大致相同，与距LD的 距离无关。虚线213描绘了红外成像仪视场的边界，虚线212描绘了该视 场的中心的光轴。例如，如图2所示，将LD与准直透镜对准，以^吏得当 手掌位于与IR成像仪的最佳距离(范围)处时，经准直的激光束照射IR 成像仪的视场的中心处的手掌的表面。在这种情况下，从手掌反射的激光 光斑被成像到检测器上，并作为数字帧204的中心的像斑215而出现。在 本示例中，用于静脉图案图像分析的计算机或微处理器(图6)驱动LED 显示器104以指示手在正确的高度(范围)处。
红光可见光LD辐射不如红外LED或LD辐射那样有效地穿透皮肤； 因此，红光可见光LD利用皮肤表面处的反射来提供更尖锐的范围精确 度。皮肤表面所提供的反射红光LD光斑的图像不如在目标为纸张或其他 固体对象时所看到的图像那样尖锐；然而，从皮肤表面反射的红光激光光 斑AA够尖锐的，足以将目标范围精确地限定在比针对现有技术的手掌静 脉成像仪而给出的±1 cm的规范更精确的范围内；红光LD的范围精确度 好于0.5 cm.为了使CCD或CMOS检测器阵列能够测量从皮肤的表面 反射的、来自红光可见光LD的辐射，必须将成像仪模块的长通滤波器 205改变成允i午透过大于650nm的波长，而不;i通常的700 nm。滤波器 截止波长的这一小的改变不会对成像仪模块的性能造成不利的影响。
除了手被定位在小于最佳范围的范围处的事实之外，图3与图2完全 相同。这^吏得经准直的红光激光束在红外成〗象仪光轴的左侧照射手，这导 致从手掌反射的红光激光光斑的像215出现在数字图像的中心的左侧。红 光激光光斑的像215与数字图像的中心的距离与范围误差、或必须将手向 上移动以达到最佳范围的距离成正比。图6中所示的图像分析计算机或微 处理器对数字图像的直接分析提供了用于驱动图1中的LED显示器104 所必须的信息。驱动LED显示器104以指示必须将手向上移动以及大概 移动多远。
相反的是，很容易看出，如杲手被定位在大于最佳范围的范围处，则 从手掌反射的红光激光光斑的像215将出现在数字图像的中心的右侧。在 这种情况下，对数字图像的直接分析将导致驱动LED显示器104以指示必须将手向下移动以及大概移动多远。
在优选的实施例中，红光可见光LD是脉沖的，与CCD/CMOS检测 器的帧频相同步。这有效地允许CCD/CMOS检测器的AC耦合，从而消 除了恒定的或慢变的背景辐射的影响。当利用附接的计算机或微处理器 (图6中所示的)来计算相继的CCD/CMOS帧之间的差异时，即4吏在符 合眼睛安全规范的非常低的LD功率水平，从皮^>射的脉冲红光可见光 也将从慢变的背景辐射中清晰地突出出来。如果才艮据记录帧的时间顺序来 将帧编号(例如，帧l、帧2、帧3、帧4等，其中，l是所记录的第一个 帧)，则帧求差异方案包括计算帧1与帧2之间的差异、帧2与帧3之间 的差异等。下面将给出用于操作装备有图2及图3中所示的激光测距仪的、 改进的皮下手部静脉图案成像仪的事件的优选序列。本领域技术人员应当 认识到，存在可以利用的几个另选的事件序列。优选的序列包括
(1) 使脉沖红光可见光LD正常通电，这代表目标获M式。
(2) 与计算机或微处理器相关联的CCD/CMOS检测器连续J^由 将相继的图像帧相减而计算出的AC信号进行检查。当从目标反 射的LD光斑在检测器的视场内时，通过识别该反射光斑的存在 而容易地检测到悬在静脉图案传感器附近的目标的存在。
(3) 利用视觉信号或音频信号，指导被扫描个体将手移动到静脉图 案传感器上方的最佳目标范围。
(4) 当手被定位在最佳目标范围处时，使脉冲红光可见光LD断电， 以使得它不会干扰静脉图案图像获取。
(5) 使成像仪模块的红外LED通电，捕捉皮下静脉图案的图像，并 将该实时静脉图案图像与记录在个体的生物数据卡上的图像相 比较。然后，生物识别系统接受或拒绝该个体。
存在基于单个LD的、用于生物静脉图案成像仪的激光测距仪的第二 优选设计。在该笫二优选实施例中，图像分析更复杂些；然而，它提供了 以下优点不必将激光测距仪光束对准成相对于红外成像仪的垂直轴成精 确的角度。图4描绘了基于激光束直径与距离(到目标的范围)之间的关 系的、另选的激光测距仪设计的操作原理。图4是聚焦激光束301的高斯 光束轮廓的精确的图形表示。光束直径在焦点处或束腰302处达到最小， 然后，在束腰的下游扩展或发散。光束直径to巨离的增加起初是非线性的， 然后，随着远离束腰302而渐ii^逼近线性函数。在将手插入到范围比光腰大的发散激光束中时，被成像到红外静脉图案成像仪上的反射光斑尺寸
的直径与距激光束腰302的距离成正比，这是对目标范围的直接测量。
图5描绘了用于手掌静脉图案识别的生物成像仪中的激光测距仪的 第二优选实施例的实现。图5与图2相似，不同之处在于(a)激光束 218被聚焦透镜217在小于最小目标范围的距离处聚焦成光腰219，而不 是被准直；以及(b)激光束是近似垂直的，而不是与红外成像仪的垂直 光轴212成一角度地倾斜。在激光测距仪的第二优选实施例中，反射激光 光斑215在数字图像204中的位置并不是重要的方面。数字图像中的反射 激光光斑的直径产生对到目标的范围的直接测量。基于前面的第一优选实 施例的示例及从图1中的指示块103给出的指导，最小目标范围为50mm 的40% (或20mm)。在前面的该示例中，最佳目标范围为50mm，这导 致利用图6中的计算机或微处理器模块502而在数字图像上确定的、测得 的^^射激光光斑直径D2。如果将手保持在发散激光束中小于最佳范围的 目标范围处，则产生的^Jt光斑的直径Dl小于D2;这一事实用于驱动 LED显示器104来指示手被定位得低于最佳范围并且必须将手向上移动。 相反的是，在将手保持在发散激光束中大于最佳范围的目标范围处时，产 生的^^射光斑的直径D3大于D2;这一事实用于驱动LED显示器104来 指示手被定位得高于最佳范围并且必须将手向下移动。
还可以按照使得itJ^出现在大于50 mm的160% (或80 mm)的最 大目标范围的目标范围处的方式将激光束聚焦。在这种情况下，手总会挡 住会聚的激光束。出现在数字图像204中的反射光斑尺寸的直径将再次产 生对目标范围的直接测量；然而，光斑的直径与目标范围成反比，较小的 光斑直径指示较大的目标范围。
图6是优选的静脉图案识别生物识别系统的示意图。红外成^M5C模块 102获取数字图像204并将其传送给计算机或微处理器模块502 ，计算机 或微处理器模块502依次驱动LED显示模块104, LED显示模块104驱 动人脑/手504， ^A手改变目标范围，这产生了通过红外成傳_，块102 的闭环^Jt，直到手(目标)被移动到最佳范围为止。另外，生物数据卡 读取器505提供到计算机或微处理器模块502的输入，计算机或微处理器 模块502将存储在生物数据卡上的静脉图案与对个体的皮下静脉图案的 生物扫描进行比较。最终的系统输出是关于生物识别的通it/失败506，这 可以利用视觉显示或音频显示来对用户通信:5L/或对计算机网络通信。生 物通过或肯定识别允许个体进入安全^殳备、数据文件、建筑、银行账户、航空器等。
2.手指静脉图案识别的优选实施例
手指静脉图案识别的优选实施例与手掌静脉图案识别的优选实施例 相似，仅有很小的修改。
图7是图1的略有修改的版本，仅有的不同之处在于，红外成像仪模 块112在中指的下方居中，利用中指的静脉图案来进行生物识别。优选的 是，指示块103被修改成包含以下消息在手指被定位在正确的水平配准 处时，被扫描个体看不到来自图8或图9中所示的测距仪LD的红光。
图8 (图2的略有修改的版本)示出了在将手指701保持平放在红外 (IR )成像仪模块102及激光二极管模块203的上方时的手指701的截面 图。图8中还描绘了由嵌入在红外成像M块中的信号处理电子装置所输 出的二维数字图像204。手掌面向下，面对IR成傳*仪模块102及激光器 模块203。红外成像仪模块102包括二维CCD或CMOS检测器阵列 208;用于将手指聚焦到检测器阵列上的透镜或反射镜系统206;长通红 外滤波器205，其阻止可见光辐射到*测器阵列，从而减少背景照明； 用于照明手指及皮下静脉图案的IR LED子模块207;信号处理电子装置 216;以及传感器外壳209。 LED子模块207包含多个目标照明IR LED。 在这种情况下，从手指反射的激光光斑M像到检测器上，并作为数字帧 204的中心的像斑215而出现。在本示例中，用于静脉图案图像分析的计 算机或微处理器(图6)将驱动LED显示器104来指示手指在正确的高 度(范围)处。
如果手指被定位在小于最佳目标范围的距离处(与图3中所描绘的情 况相似)，则反射激光光斑将位于红外成像仪光轴的左侧，导致红光激光 光斑的像215出现在数字图像上中心的左侧。驱动LED显示器104来指 示必须将手向上移动以及大概移动多远。
相反的是，如果手指被定位在大于最佳范围的范围处，则从手指及Jt 的红光激光光斑的像215将出现在数字图像的中心的右侧。在这种情况 下，对数字图像的直接分析将导致驱动LED显示器104来指示必须将手 向下移动以及大概移动多远。
图9是图5的略有修改的版本，图9描绘了用于手指静脉图案识别的 生物成像仪中的激光测距仪的第二优选实施例的实现。图9也与图8相似， 仅有的不同之处在于(a)激光束218被聚焦透镜217在小于最小目标范围的距离处聚焦成光腰219，而不是被准直；以及(b)激光束是近似垂 直的，而不是与红外成像仪的垂直光轴212成一角度地倾斜。在激光测距 仪的笫二优选实施例中，反射激光光斑215在数字图像204中的位置并不 重要。而是反射激光光斑在数字图像中的直径产生对到目标的范围的直接 测量。基于前面的第一优选实施例的示例及从图1中的指示块103给出的 指导，最小目标范围为50mm的40。/。(或20mm)。在前面的该示例中， 最佳目标范围为50 mm，导致利用图6中的计算M微处理器模块502 而在数字图4象上确定的、测得的^^射激光光斑直径D2。如果将手保持在 发散激光束中小于最佳范围的目标范围处，则产生的>11射光斑的直径Dl 小于D2;这一事实用于驱动LED显示器104来指示手被定位得低于最佳 范围并且必须将手向上移动。相反的是，在将手保持在发散激光束中大于 最佳范围的目标范围处时，产生的及Jlt光斑的直径D3大于D2;这一事 实用于驱动LED显示器104来指示手被定位得高于最佳范围并且必须将 手向下移动。
还可以按照使光腰出现在大于50 mm的160% (或80 mm)的最大 目标范围的目标范围处的方式将激光束聚焦。在这种情况下，手总会挡住 会聚的激光束。出现在数字图像204中的反射光斑尺寸的直径将再次产生 对目标范围的直接测量；然而，光斑的直径与目标范围成反比，较小的光 斑直径指示较大的目标范围。
本领域技术人员应当认识到，存在供生物静脉图案成像仪使用的另选 的激光测距仪设计；例如，使用多个LD或LD的线性阵列的测距仪。所 描述的两个单激光器测距仪i殳计非常精确并且实用、直接且经济；因此， 作为两个优选实施例而对其进行了详细的描述。相似的是，本领域技术人 员应当认识到，在使用所述教示时，存在用于实现用于生物静脉图案成像 的、对手的精确水平配准的、另选的方法及设备。
描述了实用的、成本有效的、精确的且用户友好的生物识别系统。应 当理解，附图中所示出的及本说明书中所描述的特定实施例是出于示例的 目的，而不应将其解释成对将在下面的权利要求书中描述的本发明的限 制。例如，尽管描述了对手掌的静脉进行成像方面的实施例，但是该系统 也可以用于对手背或手指的静g行成像。另夕卜，显然的是，本领域技术 人员可以在不背离本发明的概念的情况下对所描述的特定实施例进行多 种使用及修改。等同的结构及处理可以替代所描述的各种结构及处理；本 发明的方法的子处理在某些情况下可以按不同的顺序来进4亍；或者可以4吏用各种不同的材料及元件。例如，LED光学系统可以替代上迷激光光学 系统。
权利要求
1. 一种生物静脉成像方法，该方法包括将人体的目标部分(201)放置在生物成像仪(102)能够扫描的位置；所述方法的特征在于包括电子地确定所述目标是否位于相对于所述成像仪的预定定位范围内；提供指示所述目标在所述预定定位范围内或者必须怎样移动所述目标以使其进入所述范围内的信号；以及在确定所述目标在所述预定范围内时，利用所述生物成像仪来对所述目标进行扫描。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述扫描包括利用静脉成像 仪来进行扫描。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所逸故置步骤包括放置人的 手指、手掌或手背。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所逸故置步骤包括将所述手 指或所述手掌对准一个或更多个指导线(108、 109)。
5. 才艮据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或更多个指导线形 成在其上安装所述成像仪的表面上或略高于该表面。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中，存在两条所述指导线，并且 所述指导线彼此正交。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所逸改置步骤包括根据视觉 指示(103、 110、 104)来放置所述A^体的所述目标部分。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述视觉指示包括一个或更 多个图或照片(110)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述视觉指示描绘从侧面观 看及从顶部观看被正确地定位在所述成l象仪的上方的手。
10. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤包括 将光(214、 218)指向所述目标。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述指向步骤包括将激光 束或发光二极管光束指向所述目标。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述将激光束指向的步骤 包括将红光可见光激光束指向所述目标。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤包括电子地确定所述目标是否在与所述成4象仪的预定距离范围内。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤包 括利用电荷耦合检测器(CCD)或CMOS检测器阵列(208)来对被所 述目标^Jlt的辐射进行检测。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述检测步骤包括使所述 光的脉冲与所述CCD或所述CMOS检测器的帧频相同步。
16. 根据权利要求15所述的方法，该方法还包括计算相继的CCD 或CMOS帧之间的差异。
17. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述指向步骤包括将多个 激光束或发光二极管光束指向所述目标。
18. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述提供信号的步骤包括提 供视觉信号或声音信号。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述提供步骤包括利用一 个或更多个发光二极管(LED) (104)来提供视觉信号。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述利用步骤包括使用绿 光二极管(107)来指示所述目标在所述预定定位范围内，以及使用 一个 或更多个红光二极管(106)来指示必须怎样移动所述目标以^L其进入所 述范围内。
21. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤包括 对从所述目标^^射的辐射进行检测，以及使用对所述反射辐射的实时分析 来^^所述信号。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述目标是人的手指、人 的手掌或人的手背，并且所述提供步骤包括指示所^A移动所述手指或手 以将其放置在相对于所述成4象仪的最佳距离范围处或最佳水平配准处。
23. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤仅使 用由所述生物成〗象仪所提供的辐射来进行。
24. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述电子地确定的步骤包括 将声能指向所述目标，以及利用反射的声能来提供所述信号。
25. —种用于记"体的目标部分的静脉图案的生物成^^系统(102、 203)，该系统包括能量源(210)，其指向所述目标；检测器(102)，其 被定位来检测从所述目标反射的所述能量的一部分；所述系统的特征在于包括计算机(502)，其用于对所述反射的能量进行实时分析，用于生成 指示所述目标的范围的信号，并用于提供所述目标的静脉图案图像；以及 视觉或声音输出设备(104、 110)，其响应于所述信号来提供用于帮助将 所述目标放置在相对于所述检测器的预定定位范围内的指示。
26. 根据权利要求25所述的生物成像系统，其中，所述能量源包括 发光二极管(LED)或激光器。
27. 根据权利要求26所述的生物成像系统，其中，所述能量源包括 激光二极管。
28. 根据权利要求25所述的生物成像系统，其中，所述能量源是红 光可见光光源。
29. 根据权利要求25所述的生物成像系统，其中，所述检测器是电 荷耦合检测器(CCD)或CMOS检测器(208)。
30. 根据权利要求29所述的生物成像系统，其中，所述能量源是与 所述CCD或所述CMOS检测器的检测器帧频相同步的脉冲光源。
31. 根据权利要求25所述的生物成像系统，该系统还包括用于将所 述人体的所述目标部分相对于所述成像系统正确地放置的视觉辅助物(104、 110)。
32. 根据权利要求25所述的生物成像系统，其中，所述视觉辅助物 包括示出所述人体的所述目标部分相对于所述成像系统的正确放置的一 个或更多个图或照片(110)。
33. 根据权利要求32所述的生物成像系统，其中，所述一个或更多 个图或照片描绘从侧面观看及从顶部观看被正确地定位在所述成像仪的 上方的手。
34. 根据权利要求25所述的生物成像系统，该系统还包括用于帮助 将所述人体的所述目标部分相对于所述成l象系统定位的一个或更多个指 导线(108、 109)。
35. 根据权利要求34所述的生物成像系统，该系统还包括用于使用 所述指导线来将所^A体的所述目标部分相对于所述成^^系统正确地定 位的指示(103 )。
36. 根据权利要求34所述的生物成像系统，其中，存在两条所述指 导线，并且所述指导线彼此正交。
37. 根据权利要求34所述的生物成像系统，其中，所U体的所述 目标部分是人的手指、人的手掌或人的手背，并且所述一个或更多个指导 线帮助将中指的指尖定位。
38. 根据权利要求31所述的生物成像系统，其中，所述视觉辅助物 包括一个或更多个发光二极管(LED)(104)。
39. 根据权利要求38所述的生物成像系统，其中，所述视觉辅助物 包括用于指示所述目标在预定定位范围内的绿光二极管(107 )，以及用于 指示必须怎样移动所述目标以^使其进入所述预定范围内的一个或更多个 红光二极管(106 )。
40. 根据权利要求25所述的生物成像系统，其中，所述能量源包括 准直透镜(211)或准直>^射镜、或者聚焦透镜或聚焦反射镜。
41. 根据权利要求40所述的生物成像系统，其中，所述能量源包括 产生高斯光束轮廓(301)的透镜或反射镜。
42. 根据权利要求40所述的生物成像系统，其中，所述能量源包括 产生准直光束(214)的透镜(211)或反射镜。
全文摘要
本发明描述了皮下静脉图案生物传感器的首个实用的、成本有效的、且真正非接触式的实现。激光二极管(LD)(203)按以下方式照明手反射辐射(213)的图案在利用传统的静脉图案红外成像仪(102)来观看时，提供对目标范围的直接测量。所述目标范围测量用于产生视觉信号或音频信号(110、104)，该视觉信号或音频信号(110、104)指示被扫描个体将手(101)精确地放置在最佳范围处，以使得静脉图案焦点对准。此外，描述了用于指导被扫描个体将手移动到相对于所述红外成像仪的最佳水平配准或位置的系统及设备。
文档编号H04K1/00GK101548496SQ200780040381
公开日2009年9月30日 申请日期2007年10月24日 优先权日2006年11月3日
发明者托德·A·切尔尼 申请人:切尔尼咨询公司