专利名称：指纹输入装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种指纹输入装置，更具体地说，涉及一种通过二维图像传感器获得指纹图像的光学指纹输入装置。
背景技术：
作为使用二维图像传感器的光学指纹输入装置，其公知技术领域包括光学反射型指纹输入装置和光学透射型指纹输入装置。近年来，人们将注意力集中到光学透射型指纹输入装置中来。在光学透射型指纹输入装置中，光线首先进入到手指内部，并在手指内部扩散，透射光通过手指的表面发射出来。采集出射光即可获得指纹图像。在光学透射型指纹输入装置中，由于与将手指表面作为客体表面获取指纹图像的方式相比，从手指的皮肤上发射出来的光线数量更均匀，从而指纹识别或检验更加稳定和可靠。如果获得光线的数量不均匀，则需要大量的计算以对其进行修正。在这种情况下，将很难减小指纹输入装置的价格、体积及其能耗。所以指纹输入装置中的光线数量需要实现均匀一致。为达到这种要求，将光线从与作为手指测量表面的目标表面相对的手指相对侧入射。
另一方面，为了满足近年来对指纹输入装置的体积和厚度的需求，常采用如图1至图3所示的方法。具体地说，在图1所示的方法中，光源中发射出来的光线入射到手指的端部。在图2A和图2B所示的方法中，从作为光源的发光二极管中发射出来的光线入射到手指的侧面中。在图3所示的方法中，从发光二极管中发出的光线入射到手指的测量表面上。
然而，在这些方法中，测量表面中的光线数量并不均匀。为了对光线数量的不均匀性进行修正，不可避免地要求大量的计算工作。
下面参见图4对一种已有技术中采用的方法进行说明。在该方法中，采用由一束多根光纤组成的光纤板100即光纤束来获取指纹图像。每一根光纤与光纤板100的手指接触表面的法线方向均具有一定倾斜角度。这种方法一般采用光学透射系统作为入射光系统。通常光线从位于与手指测量表面相对的相对侧发光单元入射(参见图4)或者通过位于手指侧面的光源入射(参见图2A和图2B)。而如图1所示的采用将光线入射到上述手指端部的方法则比较少见。
这种采用光纤板的方法也可以应用到光学反射型指纹输入装置中。如图5所示，从光源中发射出来的光线从手指的侧面或者与手指的侧面成一定倾斜角度的方向入射到光纤板上的光纤束上，导入到手指的测量表面上，并在指纹谷部上发生扩散反射，接着导入到光纤束中。
下面参照图6，对另一种现有技术中采用的方法进行说明。该方案中采用光线传播环110对手指进行定位。从发光二极管中发射出来的光线沿环110下端或与环110下端成一定倾斜角度的方向发射出来并透过环110入射到位于光纤板100上的手指中。从手指透射的光线通过光纤板100上的光纤束导入到二维传感器中。在此例中，光线通过作为光线导向装置的环100导入到手指中。这样，光线从手指的侧面入射到手指中。
图7A和图7B示出了一种现有技术中的指纹输入装置，其包括光纤板100′，其由用于将从发光二极管发射出的光线导入到手指中的照明光纤和用于将光线透过手指导入到二维传感器中的测量光纤构成。如图7B所示，照明光纤与测量光纤形成一定的倾斜角度。
在采用二维传感器和具有较薄外形(不使用透镜或棱镜)的指纹输入装置中，二维传感器将受到手指上聚集的静电荷的影响。如果静电荷具有较高的电能，将损坏二维传感器。为了消除静电荷的影响，当传感器是光学传感器时，在传感器表面形成一层如二氧化锡透明电极层并进行接地处理。
在传感器是静电容性的传感器时，防静电电极不能应用到传感器表面上。如图8A和图8B所示，附图标号17所示的静态电容性传感器设置有的导电外壳16，该导电外壳相对较宽，形成在环绕传感表面或者测量表面上并进行接地处理。
近年来，人们的注意力集中于提供光学指纹输入装置的稳定性和分辨率。同时随着移动或蜂窝式电话的推广及移动电话在通话功能之外的使用范围的扩大，安全性问题，特别是个人认证方面的安全性要求越来越高。这样有必要提供一种具有稳定、可靠操作性能，同时具有较小体积、厚度、能耗及其较低价格的指纹输入装置。在上述背景技术中，主要采用的是使用光纤板和二维传感器的指纹输入装置。
在上述类型的指纹输入装置中，指纹汇聚部分具有较薄的厚度。然而在光发射结构中，由于降低光线数量不均匀性与降低体积及厚度之间的折中考虑，目前还没用形成满意的技术方案。为了实现测量表面的光线数量不均匀性的最小化，最好的方式是使光线从手指上与测量表面相对的背面投射光线，即从指甲一侧的方位进行投射。然而，这种方法需要比手指厚度大一些的空间，从而不能应用到超微装置，例如越来越普及的移动电话中。这样，由于受到空间的限制，所以只能采用从手指的侧面或者从手指的测量表面的侧面入射光线的方案。然而，从侧面入射光线或从手指测量表面的侧面入射光线在以下方面具有缺点。
举例来说，对图6所示的方法进行一些分析。在该方法中，光线透过作为手指定位导向装置的光线传播环110从手指的下端沿倾斜角度射出。具体地说，从发光二极管发射出的光线射入到空气中，接着进入到作为手指定位导向装置的光线传播环110中。运用此种装置，光学损失较大，为了补偿该光学损失，必须增加光源的亮度。这样就使得该装置的能耗增大。另一方面，为了补偿不足的光线数量而不增加能耗，光线必须透过作为手指定位导向装置的环110从靠近测量表面的位置射出。如此则使测量表面中的光线数量的不均匀性增加。
如图1所示的光线入射到手指端部的例子中，从光源中发射出来的光线经常直接进入到与测量表面正对的光纤中。另外，位于靠近手指基线的部分接收到光线数量不足。
在图7A、图7B和图5所示的方法中，光线直接入射到手指的测量表面中。
在图7A和图7B中，用于发射光线的照明光纤设置于靠近用于测量指纹的测量光纤并与测量光纤形成一定的倾斜角度。从发光二极管发射出的光线通过照明光纤入射到手指中。另外，此例中的光纤板必须通过相互之间延伸方向不同的照明光纤和测量光纤组合而成。这样将导致制造成本增加。因此，这种方法不能满足降低制造成本的要求。
如在图5所示，光纤从光纤板上光纤束的下端沿倾斜角度入射到手指中。在此例中，可以不设置照明光纤。光线通过测量光纤(包括覆层部分)入射到手指的测量表面上。在指纹谷部扩散到空气层中的光线作为亮点部件进行测量。这样，该方法基本上是一种光学反射型测量方法。另一方面，外部光线(白天进行测量的情形)起到光学透射型测量的效果。如此，这种方法存在抵消的问题，从而导致不稳定的测量结果。
下面参照日本3,045,629号专利的权利要求3，对作为公知小尺寸指纹输入装置的技术方案予以说明。与本发明相近似的作用原理是公知的。该操作原理基于这样的事实，当光线直接入射到作为客体的手指中并在手指中扩散之后发射出来，从指纹上的凹进部分(谷部)和突起部分(脊部)发射出来的分散部分的光线入射到光纤板上的光纤上的程度不同。具体地说，因为突起部分的末端与光纤的端面相接触，从突起部分发射出来的光线的分散部分入射到光纤上将产生与光纤的开口角度有关的小幅损失。另一方面，从凹进部分发射出来的光线分散部分在指纹的谷底进入到空气层中。透过空气层的分散光线部分在光纤板的手指接触表面发生反射，其反射比随着与手指接触表面的法线方向之间的入射角的增大而增大。这样，如果光纤轴线倾斜角增大从而反射比增加并且光纤的数值孔径较小时，从空气层发射出来的分散光线部分几乎不进入到光纤中。而对突起部分来说，在边界表面的反射非常小，从而这种影响也非常小。由此，突出部分分散出来的光线部分与从凹进部分分散出来的光线部分入射到光纤中的比率不同。这样即形成了一种将有力的对比。上述原理已经在美国4,932,776号专利中予以公开。另一方面，根据日本3,045,629号专利的权利要求3所述，从空气层发射出来的光线在指纹的谷部进入到光纤束时存在一个极限角度，而且光纤的轴线必须倾斜，这样该极限角度超出光纤的数值孔径，即超出全反射的极限角度范围之外。然而，当光线从空气层入射到比空气具有较大折射率的光纤中时，本原理中的极限角度并不存在，而反射比仅仅随着角度的增加而增加。如图9所示，入射角等于85度，假设反射比为50％的对应于极限角度。这样，光纤的轴线必须倾斜85度。在这种情况下，光纤的端面呈长椭圆形。椭圆的长轴方向和短轴方向的精确度差别相当大。这样将产生长轴方向的精确度降低的缺点。考虑上述各种因素，有必要在美国4,932,776号专利公开原理的基础上寻找最佳的条件。
在采用光纤板的方法中，聚集在手指上的静电荷的强电能对用作图像传感器的大规模集成电路造成影响。所以对静电荷必须予以消除。在上述现有技术中，传感器的测量表面设置有由于锡薄层构成的透明电极层，例如氧化铟锡薄层。然而，这种薄层电阻较大，这样大量静电荷不能够同时被消除。另外，消除静电荷可能使薄层的性能下降。还有，由于薄层长时间地、反复与手指接触产生磨损，从而使静电荷的消除能力降低。如图8A和图8B所示，静态电容性传感器17设置有较宽的导电外罩16，由于防静电电极例如氧化铟锡薄层不能使用到表面上，其作为防静电外罩环绕在测量表面的周围。然而，静态电容性传感器17的表面不能通过较厚绝缘层或其类似物进行保护。这样，如果手指在靠近防静电外罩之前首先靠近传感器周围时，静电荷向传感器释放从而损坏传感器。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种体积减小的光学透射型指纹输入装置，其通过设置光源从而使光源中发射出来的光线入射到手指的大致中心包括手掌一侧的第一指节或者关节的部分，同时光源设置成与手指接触。
根据本发明的指纹输入装置结构如下(1)一种指纹输入装置，其包括用于发射光线的光源和光纤板，该光纤板具有手指接触表面，其通过与手指接触来获取手指的指纹图像，通过将光源中发出的光线导入到手指的侧面以使光线在手指中扩散，并收集透过手指的表面从手指中发射出来的光线以形成指纹图像的方式来获得指纹图像，其中光源设置成使从光源中发射出来的光线进入到手指的大致中心部分的位置，该部分包括手指的手掌一侧的第一指节，并且光源调节成与手指接触。
(2)如(1)的指纹输入装置，其特征在于手指上包括手掌一侧第一指节的部分是手指上以的第一指节为基准的靠近指尖方向10毫米的直线和以第一指节为基准的远离指尖方向10毫米的另一不同直线之间的部位。
(3)如(1)的指纹输入装置，其特征在于板是由多根光纤组成的光纤束构成的光纤板。
(4)如(3)的指纹输入装置，其特征在于光纤板中的各个光纤的光纤轴线朝手指的基线倾斜、与板的手指接触表面的法线形成预定的倾角，该倾角与法线之间的倾角落入到45度到60度之间的范围。
(5)如(3)的指纹输入装置，其特征在于的光纤板具有由接地的导电物质包围的周缘端面。
(6)如(5)的指纹输入装置，其特征在于的导电物质设置成攀升到光纤板的手指接触表面的终端部分。
(7)如(5)的指纹输入装置，其特征在于的导电物质为遮光物质。
(8)如(1)的指纹输入装置，其特征在于光纤板的手指接触表面具有突起部分，该突起用于对手指进行定位并且其具有手指除了包括第一指节的部分以外的指尖由突起部分包围的外形，突起部分具有使与手指正对的一个侧面沿手指方向延伸的部分。
(9)如(8)的指纹输入装置，其特征在于其还包括辅助光源，突起部分从辅助光源中传播光线。
(10)如(9)的指纹输入装置，其特征在于突起部分具有由与手指正对的部分的一个侧面限定的倾斜表面，该倾斜表面设置成与手指相吻合，倾斜表面具有形成于靠近手指基线的第一半部位的遮光部分，从辅助光源中发射出来的光线从靠近手指指尖的倾斜表面的第二半部分向手指发射光线。
(11)如(1)的指纹输入装置，其特征在于光源设置成发射出波长在820纳米到980纳米之间的近红外光线。
(12)如(1)的指纹输入装置，其特征在于光源包括用于发射光线的发光基片和由透光塑料材料制成并包围发光基片的外壳；透光塑料材料的折射率不大于1.8的手指皮肤的折射率。
(13)如(1)的指纹输入装置，其特征在于板设置有位于其周缘用于发射光线将手指导向到正确位置的导向光源。
图1是说明将光线发射到手指端面的现有技术的视图。
图2A和图2B是说明从手指侧面发射光线的现有技术的俯视图和截面图。
图3是说明从手指的下部侧面发射光线的现有技术的视图。
图4是显示另一现有技术的视图。
图5是显示另一现有技术的视图。
图6是显示另一现有技术的视图。
图7A和图7B分别是显示已有指纹输入装置的示意图和用于该装置中的光纤板的透视图。
图8A和图8B分别是显示现有技术中的静态电容性传感器的透视图和截面图。
图9是显示当光线从指纹谷底(空气)中进入到光纤时透光率和入射角之间关系的视图。
图10是根据本发明第一实施方式的指纹输入装置的示意图。
图11是显示通过图10(第一指节下面置有发光二极管)所示的指纹输入装置的二维传感器读取的指纹图像的亮度分布视图。
图12是根据本发明第一实施方式的指纹输入装置的示意图。
图13是显示手指中光线方向分布的视图。
图14A和图14B是分别显示根据本发明第三实施方式的指纹输入装置的部分的透视图和截面图。
图15A和图15B是分别显示根据本发明第四实施方式的指纹输入装置中的部件的透视图和截面图。
图16是显示根据本发明第五实施方式的指纹输入装置的示意图。
图17是显示根据本发明第六实施方式的指纹输入装置的示意图。
图18是显示根据本发明第七实施方式的指纹输入装置的示意图。
图19是显示当发光二极管外壳与手指接触时(外壳材料和手指(100％接触))，发光二极管外壳材料(P)的折射率和透光度之间关系的视图。
图20A和20B是分别显示根据本发明第八实施方式的指纹输入装置中的部件的示意图和俯视图。
图21是显示通过在第一结合点下面不设置发光二极管时，指纹输入装置通过二维图像传感器读取的指纹图像中亮度分布的视图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明中的几种优选实施方式进行说明。
首先参见图10，根据本发明第一实施方式的装置属于光学透射型指纹输入装置，其包括光纤板3和发射光线的光源2，光纤板具有手指接触表面，这样手指1与其接触以获取手指1的指纹图像。从光源2发射出来的光线首先导入到手指1内部，并在手指1内部扩散，接着透过手指1的表面，作为出射光从手指1中穿透出来。采用出射光即可以获得指纹图像。光源2设置成从光源2中发射出来的光线进入到手指1上包括手掌一侧的第一指节的大体中心部分，同时光源2设置成与手指1接触。
在优选方式中，手指1上包括手掌侧面第一指节部分是手掌侧面上手指1的第一指节上、下10mm的部位。具体地说，手指上包括手掌侧面第一指节的部分是手指的手掌一侧上在靠近手指指尖10mm的直线和远离指尖方向距离第一指节10mm的另一不同直线之间的部位。
光纤板3包括多个光纤束。从光源发出的光线首先导入到手指1中，接着在手指1中扩散，并作为出射光从手指1的表面发射出来。出射光通过光纤板3中的光纤导入到二维传感器4中。在出射光输入时，二维传感器4上形成指纹图像。
指纹输入装置具有测量表面(或手指接触表面)，其设置有形成在除了光源2和光纤板3之外的其他部位上的遮光部分8。
通过二维传感器4形成的指纹图像输入到指纹图像处理电路24中。当指纹图像输入时，指纹图像处理电路24对指纹图像进行预定的图像处理并产生图像处理输出信号。指纹图像处理电路24将图像处理输出信号输出到指纹检验电路25中。指纹检验电路25进行指纹检验处理。
如上所述，本发明基于这样的基本技术，光源2设置成从光源2中发射出来的光线进入到手指1上包括手掌一面的第一指节的部分的大体中心位置，并且光源2调节成与其手指1形成接触。
在现有技术中，光线的发射通过下述方法实现。从光源中发射出来的光线首先进入到空气中，接着入射到手指中。作为替代方式，从光源中发射出来的光线穿过空气，进入到手指定位导向装置或类似装置中，接着从手指导向装置中发射出来，然后进入到手指中。这样光线中50％-80％的光线数量损失掉了。为了补偿这种损失，光线必须从靠近测量部分的位置导入到手指中。在测量部位上，靠近光线导入位置的中心区域和周边区域的光线数量具有相当大的差异。这种差异对获得稳定和可靠的测量构成妨碍。
在本发明中，位于手指1的第一指节和指尖中间位置的中间部分用作测量部分。近红外线光源2位于对应于第一指节的位置并与测量部位间隔开一定的距离。当光源超过上述距离时，手指1中的光线发散，这样光线数量的不均匀性降低。作为对比方式，如果光线从手指1的侧面入射，中心位置的光线将不均匀且数量不足，这样中心位置的指纹图像将呈现暗色。在本实施方式中，通过将光源2设置在对应于第一指节的位置，从光源2中发射出来的光线不仅入射到靠近第一指节的测量表面的一部分上并且对上述呈现暗色的测量表面到指尖的中心区域的光线数量进行补偿。这样，对比度增加并且光线数量的不足得到抑制。
从图11所示的实际测量情况(通过图10所示的二维图像传感器4读取的亮度分布图)可以直观地看出上述效果。另外，在本发明中，手指1与光源2形成压力接触。这样，光线不通过空气从而在手指1和光源2之间的边缘部位的光线损失减小。换句话说，由于光学损失小，光源2通过低功率电源驱动即可以满足要求。具体地说，通过将光源2设置在靠近第一指节的位置，即可以获得足够的光照效果以形成指纹图像，又可以实现抑制光线数量中的不均匀性的均衡效果。通过采用上述基本技术，可以相当大地抑制或者降低现有技术中的缺点。然而，通过采用下述技术方案，实际使用中的性能和稳定性将进一步提高。
(1)下面参照图12对根据本发明第二实施方式中的指纹输入装置进行说明。光纤板3中的每根光纤具有与手指1的基线成一定倾斜角度的光纤轴线，其相对于光纤板3的手指接触表面的法线形成倾角(45度至60度之间)。
通过采用这种结构，光线数量的不均匀性减小，而对比度将提高。因此即使在不良的测量条件下，仍然可以获得稳定的测量后果。
下面参照图13对具有上述效果的机构进行说明。在图13中，各个箭头19代表入射到手指上各点的光线或者从各点发射出作为光源的光线的强度和方向。附图标号20表示光纤的覆层部分，21表示光纤的芯体，22表示指纹的突起部分(脊部)，23表示光纤的凹进部分(谷部)，P0表示作为二维光源的位置，P1表示靠近二维光源的位置，P2表示远离二维光源的位置，P3表示靠近二维光源的指纹突起部分的位置，P4表示靠近二维光源的指纹凹进部分的位置，P5表示远离二维光源的指纹突起部分的位置，P6表示远离二维光源的指纹凹进部分的位置，P0-18至P6-18表示在P0至P6位置的光线分布方向，θc表示光纤中的发生全反射传播的极限角度。
手指具有适于扩散光线的本性。这样，手指中的光线分布大致接近如图13所示的圆形。具体地说，可以考察入射到图13中指定点的光线的方向。首先假设P0为由手指骨骼或类似物形成的二维光源的中心位置。因此，从二维光源的中心位置P0发出的光线具有较强的光线分布。然而，光线也从其它方向发出，这样光线方向的分布图呈椭圆形(图13所示的P1-18和P2-18)。同时，从手指突起部分上也可以观察到上述特性。然而，由于谷部或类似物的形状的影响，其方向稍微发生变化(图13所示的P3-18和P5-18)。如果光纤的轴线朝向该方向，将有更多数量的光线导入到光纤全反射的极限角度(图13中的θc)范围之内，这样使得光亮部分变得更加明亮。另一方面，在指纹谷部进入到空气层中的光线明显地扩散，由于在手指和空气的边界发生折射，并且在谷部和手指之间发生反射。这样，光线方向分布图更加接近于圆形(图13所示的P4-18和P6-18)。另外，在光纤的端面和空气之间的边界将产生折射。这样入射到光纤中的光线进一步减小。基于上述原因，与光纤倾斜轴线时，谷部的光线并不具有重要的检验性。进一步说，反射过程并不存在极限角度。如图9所示，如果倾角(入射角θ1)等于或者大于80度，反射将增强。因此，光纤倾斜的角度和方向与光源的位置有关并具有最优值。通过试验已经发现使用光纤板的最优方式，其中光纤轴线相对于其法线方向倾斜形成45至60度角度，并将光纤朝向位于第一指节附近位置的光源。
(2)参照图14A和图14B对根据本发明的第三实施方式中的指纹输入装置进行说明。光纤板3具有被导电物质13包绕的周缘端面。导电物质13进行接地处理。
下面参照图15A和图15B对本发明第四实施方式中的指纹输入装置进行说明。导电物质13攀升到光纤板3的手指接触表面的端部15上。
导电物质13同时是一种遮光物质。
在现有纤薄外形的指纹输入装置中，虽然采用光学传感器，但是手指上聚集的静电荷对二维图像传感器4性能的影响或对传感器4的破坏影响是不能忽略的。这样就需要配置有效地防静电的装置。在本发明中，光纤板3的周缘端面由既具有导电性能又具有遮光性能的导电物质13如金属所包围。导电物质的一部分可攀升至手指接触表面的末端部分15。通过使导电物质3接地，这样聚集在手指上的静电荷能够有效地传导出去。另外，导电物质13的另一个作用是起到防止外部干扰光线进入到光纤板3，通过侧表面进入到装置中的作用。这样，导电物质3具有双重功效。
(3)下面参见图16对本根据本发明的第五实施方式的指纹输入装置进行说明。光纤板3上的手指接触表面设置有突起部分5，该突起设置成包围手指1上除了包括上述包括第一指节的部分的指尖，以此来实现手指1的定位。突起部分5具有使与手指1正对的侧面沿手指1方向延伸的部位。
下面参照图17对根据本发明第六实施方式的指纹输入装置进行说明。突起部分15具有辅助光源(例如发光二极管芯片)6。从辅助光源6中发射出来的光线穿透突起部分5。
这样，如图16和图17所示，突起部分5起到用于对手指1的定位进行导向以实现指纹测量的作用。导向装置(突起部分5)可以透光并且通常具有三角形部分。导向装置中只有与手指1接触的上表面具有与手指1的曲面相吻合的表面，这样当手指与其接触时不会产生不舒适的感觉。由于存在导向装置(突起部分5)，手指的接触区域增加，这样从导向装置中发射出来的照明光线导入到手指1中，从而使其中的光线数量进一步增加。由于导向装置部分(突起部分5)通常呈三角形，与手指1正对的相反侧面(表面)反射的光线转向手指1。在手指1和与手指1相接触的上表面的边界上，导向装置(突起部分5)和手指1的皮肤之间的折射率几乎没有差别。这样光线几乎全部传播到手指1中。在手指1是一个小指头时，例如儿童的手指，手指1将不能与导向装置(突起部分5)接触，从而上述光学机构并不能发挥作用。然而，从导向装置(突起部分5)中发射出来的光线的侧面部分发射到手指1的侧面上并进入到手指1中。在不设置导向装置(突起部分5)时，上述光线的组成部分基本上没有被利用。
(4)下面参照图18对根据本发明第七实施方式中的指纹输入装置进行说明。导向装置(突起部分5)具有由部位的一个侧面形成的与手指1正对的倾斜表面，该表面设置成与手指1相吻合。倾斜表面上具有形成在靠近手指1的基线的第一个一半区域的遮光部分7。从辅助光源6中发射出来的光线从靠近手指1的基线的倾斜表面的第二个一半区域入射到手指1中。
导向装置(突起部分5)位于紧靠测量表面的位置。这样从导向装置(突起部分5)中发射出来的光线可能入射到测量表面中而引起光学干扰。另外，当光线从距离测量表面非常近的位置入射到手指1中时，光线数量中的不均匀性增大。考虑到上述情况，将与测量表面非常近的部分用遮光物质进行覆盖以形成遮光部分7，这样光线干扰和光线数量的不均匀性问题得到抑制。
(5)在本发明的第一实施方式(图10)、第二实施方式(图12)、第五实施方式(图17)、第七实施方式(图18)中，光源2产生波长在820到980纳米的近红外光线。在光源2为近红外线光源时，手指1中的光线衰减很小，这样即使在低功率下仍然可以获得清晰的图像。这样使光源2和测量部分之间的距离更大，从而可以降低光线数量的不均匀性。
(6)在第一实施方式中(图10)，光源2包括一个用作发射光线的发光基片单元的发光二极管2a和由透光塑料材质制成并包围二极管2a的外壳2b。透光塑料物质具有不大于1.8的折射率，该折射率即为手指1上的皮肤的折射率。
这样，发光二极管2a的外壳部分2b实质上是透明塑料。通常情况下，人们没有将注意力集中到塑料物质的折射率上。然而，在由低功率操作的指纹输入装置中，有必要一点一点地增加光线的传播，即便是这种增加非常小。这样，塑料材质的折射率与手指皮肤的折射率尽可能地相近。当然，当塑料材质的折射率小于手指皮肤的折射率时，透光性能并不显著地降低。作为可以实现的需求范围，发光二极管外壳材料的折射率(P)不大于1.5。在这种情况下，如图19所示(参见P-手指(100％接触))，光学损失将可以降低到20％或者更低(透光率达到0.8或者更高)。在从发光二极管发出的光线从外壳入射到空气中，然后进入到手指中(P-空气-手指)的情形中，从外壳到空气中的透光度比较小。这样，如图19所示，当发光二极管外壳材料的折射率P等于1.5时，光学损失为60％或者更高。
下面参照图20A、20B对根据本发明的第八实施方式中采用上述(1)至(6)所述技术的指纹输入装置进行说明。
参见图20A、20B，手指1沿导向装置5按压在其中设置倾斜轴线的光纤的光纤板3上。同时，手指1如此放置以使将与指纹测量装置接触的手指的第一指节与近红外线光源10-1接触(与图10中的光源2相对应)。在与指尖正对的位置，设置有用作导向灯的红色(或者绿色)发光二极管和手指定位导向装置。在发光二极管9-2用作指示器时，手指1放置在指纹输入装置上。这样，即使在黑暗环境中，也能将手指1放置到正确位置上。由于近红外线光源10-1上表面为平面，光源10-1与手指1的第一指节可以在更大面积上形成按压接触。另外，在左边和右边总共四个位置上设置有多个用于从手指1的侧面发射光线的近红外线光源10-2。光源10-2穿过透光材料制成的手指定位装置(突起部分5)从手指1的下端向侧面沿倾斜角度入射近红外光线。这样，测量部位的左、右两侧的光线数量满足要求。为了对测量表面的端部进行照明，在装置中的测量表面的端部设置有四个红色发光二极管9-1，其既作为手指1的定位指示器，同时又作为测量的辅助光源。
在上述方式中，用于产生光线将手指1导向于正确位置的导向光源9-1和9-2设置于环绕光纤板3的位置。
在如图20A、20B所示的实施方式中，光纤板3的周缘端面由作为导电物质13的金属框架所包围。金属框架接地。在本实施方式中，金属框架具有与光纤板3的表面相平齐的端面，这样可避免手指1与其接触时间产生不舒适感。乍看来，手指1的接触不是很充分。然而，由于金属具有优良的导电性能并且光纤板3具有优良的绝缘性能，聚集在手指1上的静电荷在手指与其接触时向金属框架释放。
下述对本发明的技术效果进行说明。在指纹输入装置中，光纤板、二维传感器和手指导向装置容纳于一个单一平面上约2毫米的薄层区域中。这样，指纹输入装置具有紧凑的结构，同时其能够防止静电荷和外部光线的干扰。另外，本装置还可以对儿童的小手指或者类似情况的手指进行测量。由此，本发明中的装置的应用范围非常广泛。用于本装置的光纤板中的光纤的轴线具有45度至60度之间的相对较小范围的最优倾角。这样，其同时保证了长度方向的精确度。本发明中由于采用高效率的近红外线发光二极管，从而节省了用于照明的电源功率，这样该指纹输入装置可以应用于微型移动电话中。另外，图20A和图20B中的手指导向装置由透明材料或者半透明树脂制成并具有比较接近于手指皮肤的折射率即约为1.4-1.8之间的折射率。导向装置中的光线有40％或者更多的光线导入到手指中。与光线通过空气的情形相比，光线的使用效率提高了30％或者更高的比例(参见图19)。用于发光的电源功率相应地降低。设置于靠近第一指节并具有水平顶端表面的发光二极管使手指实现了更加平滑的接触。这样，该装置使用过程中感觉更加舒适并且测量的稳定性并不降低。
在上述实际效果之外，本发明还具有下述必要的技术效果。如使用如图10所示的光源2(或者使用如图20A、20B所示的近红外光源10-1)的情况下，可以获得如图11所示的指纹图像。在没有上述光源时，可以获得如图21所示的指纹图像。下面首先对图21中所示的照明方法进行说明。在手指测量表面的左、右侧各自设置有两个光源，其将光线入射到手指中。现有技术中的绝大多数采用上述设置方案。图2A和图2B显示出其中的一个实例。在此例中，指纹下端中心位置特别暗。在图21所示的指纹图像中，下端中心区域几乎不能显示出对比度。该指纹图像由二维传感器进行读取。在图21中，指纹图像的右边显示出纵向亮度分布情况，而指纹图像的下边显示出横向亮度分布情况。中心位置的纵向亮度分布具有总体上较小的对比度，而在趋向手指基线的位置对比度进一步地降低。横向亮度分布在中心位置附近的宽阔范围内对比度不足。在操作过程中，例如手指的接触情况和手指的干燥状态不是很好时，测量结果将不稳定。在这种情况下，可能会出现误操作或者在更糟的情况下，测量将不能进行。为了补偿上述对比不足的情况，计算处理工作将大大增加。这样将产生例如功率消耗增大和总体成本增加的问题。
另一方面，通过使用如图10所述的光源2(或者使用如图20A、20B所示的近红外光源10-1)，中心区域沿纵向方向的光线数量将增加，特别是下端的光线数量将增加。这样，不均匀性的对比度将整体上降低，这样即可以获得如图11所述的指纹图像。特别是，横向方向的对比度整体上将较强并且比较均匀。光纤板上的各个光纤向手指的第一指节方向倾斜。这样，从光源10-1中发射出来的光线敏感度将较高。这样手指上纵向中心区域的光线数量不足的情况将得到弥补，从而获得在整个测量表面光线数量分布均衡的效果。光纤板设置有形成于周边端面整体的金属部件并且该金属部件接地。在聚集在手指上的静电荷具有非常强的电能时，金属部件将产生空气放电，这样防止测量表面发生损坏或者对其性能产生干扰。如果手指与金属部件接触，静电荷将即时完全地释放出去，这样防止传感器产生破坏或者由于静电荷对指纹测量的影响而产生误操作。传感器的表面通过作为优良绝缘材料的光纤得到保护。即使手指接触到光纤，电荷不是向传感器释放，而是向金属部件附近释放。
如上所述，本发明提供一种光学透射型指纹输入装置，其中光源设置成使从其中发射出来的光线进入到手指上包括手掌面上第一指节的部分的大体中心位置并且光源与手指接触。通过这种方案，可以使光学透射型指纹输入装置的体积减少。
权利要求
1.一种指纹输入装置，其包括用于发射光线的光源(2)和光纤板(3)，该光纤板具有手指接触表面，其通过与手指(1)接触来获取所述手指的指纹图像，通过将所述光源中发出的光线导入到手指的侧面以使光线在所述手指中扩散，并收集透过所述手指的表面从所述手指中发射出来的光线以形成指纹图像的方式来获得所述指纹图像，其中所述光源设置成使从所述光源中发射出来的光线进入到所述手指的大致中心部分的位置，该部分包括所述手指的手掌一侧的第一指节，并且所述光源调节成与所述手指接触。
2.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述手指上包括手掌一侧所述第一指节的所述部分是所述手指上以所述的第一指节为基准的靠近所述指尖方向10毫米的直线和以所述第一指节为基准的远离所述指尖方向10毫米的另一不同直线之间的部位。
3.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述板是由多根光纤组成的光纤束构成的光纤板(3)。
4.如权利要求3所述的指纹输入装置，其特征在于所述光纤板中的各个光纤的光纤轴线朝所述手指的基线倾斜、与所述板的手指接触表面的法线形成预定的倾角，该倾角与所述法线之间的倾角落入到45度到60度之间的范围。
5.如权利要求3所述的指纹输入装置，其特征在于所述的光纤板具有由接地的导电物质(13)包围的周缘端面。
6.如权利要求5所述的指纹输入装置，其特征在于所述的导电物质设置成攀升到所述光纤板的手指接触表面的终端部分(15)。
7.如权利要求5所述的指纹输入装置，其特征在于所述的导电物质为遮光物质。
8.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述光纤板的手指接触表面具有突起部分(5)，该突起用于对手指进行定位并且其具有所述手指除了包括所述第一指节的部分以外的指尖由所述突起部分包围的外形，所述突起部分具有使与所述手指正对的一个侧面沿所述手指方向延伸的部分。
9.如权利要求8所述的指纹输入装置，其特征在于其还包括辅助光源(6)，所述突起部分从所述辅助光源中传播光线。
10.如权利要求9所述的指纹输入装置，其特征在于所述突起部分具有由与手指正对的部分的一个侧面限定的倾斜表面，该倾斜表面设置成与手指相吻合，倾斜表面具有形成于靠近手指基线的第一半部位的遮光部分(7)，从所述辅助光源中发射出来的光线从靠近手指指尖的倾斜表面的第二半部分向手指发射光线。
11.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述光源设置成发射出波长在820纳米到980纳米之间的近红外光线。
12.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述光源包括用于发射光线的发光基片(2a)和由透光塑料材料制成并包围所述发光基片的外壳(2b)；所述透光塑料材料的折射率不大于1.8的手指皮肤的折射率。
13.如权利要求1所述的指纹输入装置，其特征在于所述板设置有位于其周缘用于发射光线将手指导向到正确位置的导向光源(9-1，9-2)。
全文摘要
一种指纹输入装置，其包括用于发射光线的光源(2)和光纤板(3)，该光纤板具有手指接触表面，其通过与手指(1)接触来获取手指(1)的指纹图像。从光源(2)中发射出来的光线首先导入到手指(1)的内部，接着在手指(1)中扩散，然后穿透手指(1)的表面作为出射光从手指中发射出来。利用出射光可以形成指纹图像。光源(2)设置成从光源(2)中发射出来的光线进入到手指(1)的大致中心部分的位置，该部分包括手指(1)的手掌一侧的第一指节，并且光源(2)调节成与手指(1)接触。
文档编号G06K9/00GK1493255SQ0215030
公开日2004年5月5日 申请日期2002年10月30日 优先权日2001年10月30日
发明者樋口辉幸, 菅原武雄, 口辉幸, 雄 申请人:日本电气株式会社, 浜松光子学株式会社