专利名称：指纹辨识装置及方法
技术领域：
本发明关于一种指紋辨识装置及方法，特别是关于一种指紋辨识装置及 方法，其投射一干涉条紋至一欲辨识的指紋并制造出该指紋的等高线图案以 利指紋辨识。
背景技术：
传统的指紋辨识装置及方法，如美国专利5,723,148的"具有低成本的 可拆卸压印板及分离式影像组件的电子式指紋影像撷取装置及方法
(Apparatus And Method for Electronically Acquiring Fingerprint Images With Low Cost Removable Platen And Separate Imaging Device)", 如图1所示,其 包括一座体18(housing)具有一影^f象孑L(imaging aperture); —光源22(light source)朝向该影像孔投射一光束28; —影像组件30(image device)用于感测 经由该影像孔接收的由指尖或人体其它部分的反射光，并以电子感测的方式 感测该反射光的影像；及一低成本、易于更换的抛弃式压印板8置于该影像 孔，该压印板8为一平且薄的结构，其具有一第一表面26在使用时以置放 人体的一部分，例如手指，另具有一第二表面12其一般平行于该第一表面 26，并具有多个突起物所构成的光学结构，该突起物足够小到以使得该压印 板8维持平且薄的结构，且其为一透光材质以使来自该光源22的光到达该 第二表面12的突起物时不会反射至该影像组件3Q而是使该光束28进入该 压印板8且不需借由全反射的导引即可到达该第一表面26，该光束28在该 第一表面26与置于压印板8的肉体未接触的部份将朝向该第二表面12折 回，而在该第一表面26与置于压印板8的肉体接触的部份将从该第一表面 26射出(如美国专利5,723,148的图3所示)，该突起物的结构使得在该第 一表面26朝向该第二表面12折回的光束朝向该影像组件30行进。然而在 实际使用上，该指故撷取装置为减少维护压印板8所花费的时间及成本，而 使用一便宜且可拆卸的可弃式压印板。然而，由于每个不同的指紋所具有的 指紋间距并不相同，为提高撷取指紋影像的分辨率，该第二表面12的突起
物必须配合不同的指紋间距而做不同的配置，因而具有该指紋擷取装置的压 印板8制作较为复杂的问题。
基于上述原因，其确实仍有必要进一步改良上述指紋影像撷取装置的结 构，使能有效提高撷取的指紋影l象质量。
发明内容
本发明的一目的在提供一种指紋辨识装置及方法，其借由投影一干涉条 紋至一欲辨识的指紋上，并利用该指紋高低起伏的不同所产生的光程差以建 立出该指紋的等高线图案，使本发明具有增进指紋影像分辨率的功效。
本发明另一目的在提供一种指紋辨识装置及方法，其借由投影一干涉条 紋至一欲辨识的指紋上，并利用该指紋高低起伏的不同所产生的光程差以建 立出该指紋的等高线图案，俾以减小指紋辨识装置的尺寸。
本发明再一目的在提供一种指紋辨识装置及方法，其借由投影一干涉条 紋至 一欲辨识的指紋上，并利用该指紋高低起伏的不同所产生的光程差以建 立出该指紋的等高线图案，以增加仿制指紋辨识数据的困难度。
为达上述目的，本发明的指紋辨识装置，其主要包括一光源产生一单色
光； 一光学组件位于该单色光的光路上，并具有一第一表面及一第二表面， 该单色光自该第一表面进入该光学组件后自该第二表面射出； 一导光块由透 光材质所制成，并具有一第一光学面、第二光学面及一第三光学面，该光学 组件的第二表面邻接于该第一光学面，该第二光学面具有一压印区用以压印 指紋；及一光感测装置位于该第三光学面的外侧；其中，该单色光经过位于 该第一光学面的光学组件后进入该导光块，并在该第二光学面的压印区上形 成一干涉条紋， 一指紋的光学影像自该第二光学面反射后并由该第三光学面 射出，该光感测装置用以接收自该第三光学面射出的该指紋光学影像。
本发明另提供一种指紋辨识方法，包括下列步骤提供一光源产生一单 色光；提供一光学组件位于该单色光的光路上，该光学组件具有一第一表面 及一第二表面，该单色光自该第一表面进入该光学组件后自该第二表面射 出；提供一压印区用以压印指紋，该单色光经过该光学组件后，在该压印区 上形成一干涉条紋；及提供一光感测装置接收自该压印区反射的指紋光学影 像。
图1:传统指紋影像撷取装置的示意图。
图2A:本发明优选实施例的指紋辨识装置及方法的示意图。
图2B:本发明优选实施例的指紋辨识装置及方法的另一示意图，其中 该光学组件结合于该导光块的第一光学面。
图3:本发明优选实施例的指紋辨识装置及方法投影在一欲辨识指紋上 的干涉条紋的示意图。
图号说明
8 压印^反 10压印区
11手指12第二表面
18座体20影像区
22光源24透明i波璃
26第一表面 28光束
30影像组件40指紋辨识装置
41光源411光束
42光学组件43导光块
431第一光学面432第二光学面
433第三光学面44光感测装置
45处理单元46透镜
90手指Sl第一表面
S2第二表面L3投影距离
A压印区"光束与第二光学面的夹角
S干涉条紋宽度Seff有效干涉区域宽度
B透空区
具体实施例方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文特举本 发明实施例，并配合附图，作详细说明如下。
请参照图2a及图2b所示，其公开本发明优选实施例的指紋辨识装置及 方法，该指紋辨识装置40包括一光源41、 一光学组件42、 一导光块43、 一 光感测装置44、 一处理单元45及一透镜46,本发明利用该光源41投射一
干涉条紋至一欲辨识手指90的指紋上，并利用该指紋高低起伏的不同所产 生的光程差，经由该处理单元44制造出该指紋的等高线图案以利进行指紋辨识。
请参照图2a、图2b及图3所示，其公开本发明优选实施例的光源41, 为了在一欲辨识的指紋上形成干涉条紋，该光源41优选为单色光光源，该 光源41可为一相干光(coherent light)光源，例如一激光二极管(laser diode), 亦可为一非相干光(incoherent light)光源，例如一发光二4及管(LED)。
该光学组件42位于该单色光的光路上，并具有一第一表面Sl及一第二 表面S2,该单色光自该第一表面Sl进入该光学组件42,并由该第二表面 S2射出。经过该光学组件42的单色光将形成一干涉条紋在一欲辨识的指紋 上(图3 ),该光学组件42可为一标准光栅(grating)、 一双棱镜(biprism)或 由一单狭缝及一双狭缝所组成，其中单狭缝位于该第一表面Sl，该双狭缝 位于该第二表面S2。
该导光块43由透光材质所制成，其具有一第一光学面431、 一第二光学 面432及一第三光学面433,该第一光学面431的外侧邻接该光学组件42 的第二表面S2,该第二光学面432具有一压印区A用于置放该欲辨识手指 90的指紋，该第三光学面433为该指紋干涉条紋的反射光射出面。此外，依 产品需求该光学组件42可选择以一体成型的方式结合于该导光块43的第一 光学面431,如图2B所示。另外，该导光块43亦可选择以中空的形式制成 而具有一透空区B。
该光感测装置44可为一线性感测装置(linear sensor)或阵列感测装置 (array sensor)的其中一种，其置于该导光块43的第三光学面433的外侧，用 于感测投射于一^l辨识指紋的干涉条紋反射光，并将该指紋的光学影像信号 转换为指紋的电影像信号。此外，该光感测装置44的外侧优选设置该透镜 46,以提高该光感测装置44的感光效率。
该处理单元45电性连接于该光感测装置44,其可将该光感测装置44 所送出的指紋电影像信号制造成所欲辨识指紋的等高线图案以利进行指紋 辨识，其由干涉条紋影〗象信号换算为等高线的方式可利用传统的换算方式， 例fe口 Moir6 Topography的换算方式。
请再参照图2及图3所示，本发明优选实施例的指紋辨识装置在进行指 紋辨识时， 一欲进行指紋辨识的手指90置于该导光块43的第二光学面432
的压印区A,此时一欲辨识的指紋则压印在该压印区A上；该光源41投射 出一单色光，为便于说明此处仅取一光束411代表由该光源41所投射出的 光，该光束411由该光学组件42的第一表面Sl进入该光学组件42后，由 该第二表面S2射出后并由该导光块43的第一光学面431进入该导光块43， 接着在该导光块43的第二光学面432的压印区A上产生一千涉条紋的光学 影像(图3),其中S表示干涉条紋间的宽度，Seff表示有效干涉区域的宽度， 由于一般指紋周期约为400 70(Him,所以干涉条紋宽度S必须小于350pm， 才能产生足够多的干涉条紋以标示指紋轮廓的投影等高线，该入射光束411 的光路与该第二光学面的夹角"优选是介于5度与85度之间，且投射在该 第二光学面的压印区A上干涉条紋的方向优选垂直于该光束411的光路及第 二光学面间的夹角所位于平面的方向；接着该干涉条紋的光学影像(此处仍 以该光束411表示)由该第二光学面反射后，由该导光块43的第三光学433 面射出；由该第三光学面433所射出的光信号则包括该欲辨识指紋的光学影 像信息，该光感测装置44经由该透镜46可感测该欲辨识指紋的光学影像信 号并转换为电影像信号，最后由该处理单元45将所接收的电影像信号制造 出所欲辨识指紋的等高线图案，并与数据库储存的指紋相比对以进行指紋辨 识。
请再参照图2及图3所示，在本实施例中用于投影一干涉条紋在该导光 块43的第二光学面432的方式共有三种，其中第一种方式为该光源41使 用一相干光，该光学组件42使用一标准光栅(grating)，且该光栅周期可以公 式1表示为
雄周期=.ft—,f千1f条纹宽度；公式1<formula>formula see original document page 10</formula>
其中波长为该相干光的波长，L3为干涉条紋的投影距离(即该光学组 件42的第二表面S2至该导光块43的第二光学面432的空间垂直距离)且 L3=Llcos^， 〃为该入射光束411的光路与该第二光学面的夹角。在本实施 例中，若选择单色光波长为650nm,投影距离L3为5000pm时，则光栅周 期须大于32pm,才能使得干涉条紋宽度S小于35(^m,以产生足够多的干 涉条紋以标示指紋轮廓的投影等高线。
本实施例中第二种产生干涉条紋的方式为该光源41使用一相干光或一 非相干光，该光学组件42使用一双棱镜(biprism),且该双棱镜的宽度可以公
式2表示为<formula>formula see original document page 11</formula>
其中波长为该相干光或非相干光的中心波长，L3为干涉条乡文的投影距 离且L3-Llcos^1，"为该入射光束411的光路与该第二光学面的夹角。其中 该有效干涉区域宽度Seff须至少大于干涉条紋宽度S的3倍，才能使得干涉 条紋宽度S小于350pm以产生足够多的干涉条紋以标示指紋轮廓的投影等 高线。
本实施例中第三种产生干涉条紋的方式为该光源41使用一相干光或一 非相干光，该光学组件42由一单狭缝及一双狭缝所组成，其中该单狭缝设 置在该第一表面Sl，该双狭缝设置在该第二表面S2,该双狭缝的间距可以 公式3表示为
双狭缝宽度=^^| 公式3 干涉条纹宽度
其中波长为该相干光或非相干光的中心波长，L3为干涉条紋的投影距 离且L3二Llcos^， 〃为该入射光束411的光路与该第二光学面的夹角。在本 实施例中，若选择该单色光的中心波长为650nm，投影距离为700(Him，则 双狭缝间的宽度至少须大于22.75nm，才能使得干涉条紋宽度S小于350(im 以产生足够多的干涉条紋以标示指紋轮廓的投影等高线。此外，若欲进一步 限制本发明的指紋辨识装置40的尺寸大小，则可限制2<Ll<45mm、 0.5<L2<40mm及5度<〃<85度。
如上所示，图1所示的传统指紋撷取装置具有该压印区的第二表面的突 起物在制造时具有难以配合每个单一不同指紋间距的问题，如此会增加压印 板制作的复杂度。相较于图1的传统指紋撷取装置，本发明实施例的指紋辨 识装置(如图2所示)另提供一种高分辨率的指紋影像辨识装置，利用投射一 干涉条紋至一欲辨识的指紋上，并配合计算机软件的计算，可将指紋间高低 不同所形成的光程差换算成指紋的等高线图案，以利与数据库储存的指紋相 比对以进行指紋的辨识，且本发明亦能缩小指紋辨识装置的体积。此外，本 发明的指紋影像辨识装置亦可增加指紋仿制的困难度，以本发明的方法所形 成的指紋等高线影像并非如同使用影印的指紋投影片或是纸张即可进行仿 制，而是需要整体三维轮廓(3D profile)相同始能制造出相等的等高线影像， 大幅增加指紋辨识装置的数据安全性。
虽然本发明已以前述优选实施例公开，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与修改。 因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种指纹辨识装置，其包括一光源产生一单色光；一光学组件位于该单色光的光路上，并具有一第一表面及一第二表面，该单色光自该第一表面进入该光学组件后自该第二表面射出；一导光块由透光材质所制成，并具有一第一光学面、一第二光学面及一第三光学面，该光学组件的第二表面邻接于该第一光学面，该第二光学面具有一压印区用以压印指纹；及一光感测装置位于该第三光学面的外侧，其可将所感应的一光学影像信号转换为一电影像信号；其中，该单色光经过位于该第一光学面的光学组件后进入该导光块，并在该第二光学面的压印区上形成一干涉条纹，一指纹的光学影像自该第二光学面反射后并由该第三光学面射出，该光感测装置用以接收自该第三光学面射出的该指纹光学影像信号。
2. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，其中投射在该导光块的第二光 学面上的干涉条紋宽度小于350jim，以产生足够条紋以标示指紋轮廓。
3. 根据权利要求2所述的指紋辨识装置，其中该光源所产生的单色光为 一相干光，该光学组件为一光栅。
4. 根据权利要求2所述的指紋辨识装置，其中该光源所产生的单色光为 选自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件为一双棱镜。
5. 根据权利要求4所述的指紋辨识装置，其中该有效干涉区域宽度大于 干涉条纹宽度的3倍。
6. 根据权利要求2所述的指紋辨识装置，其中该光源所产生的单色光为 选自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件包括一双狭缝及一单狭缝， 该单狭缝设置在该光学組件的第一表面，该双狭缝设置在该光学组件的第二 表面。
7. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，其中该入射的单色光光路与该 第二光学面的夹角介于5度及85度之间。
8. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，其中投射在该导光块的第二光 学面的干涉条紋的方向垂直于该单色光光路及第二光学面间的夹角所位于 平面的方向。
9. 根据权利要求8所述的指紋辨识装置，其中该光感测装置为选自线性 感测装置及阵列感测装置的其中一种。
10. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，另包括一处理单元接收该光感 测组件所送出的该指紋电影像信号，并将所接收的指紋电影像信号制造出该 指紋的等高线图案。
11. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，另包括一透镜置于该光感测组 件的前方，以增加该光感测组件的感光效率。
12. 根据权利要求1所述的指紋辨识装置，其中该光学组件一体成型于该 导光块的第一光学面。
13. —种投影装置，用以投影一干涉条紋至一欲辨识的指紋上以进行指紋 辨识，其包括一光源产生一单色光；一光学组件位于该单色光的光路上，并具有一第一表面及一第二表面， 该单色光自该第一表面进入该光学组件后自该第二表面射出；及一压印区用以压印指紋，该单色光经过该光学组件后，在该压印区上形 成一干涉条紋。
14. 根据权利要求13所述的投影装置，另包括一光感测装置接收自该压 印区反射的一指紋光学影像信号，并转换该指紋光学影像信号为一指紋电影 像信号、及一透镜位于该光感测装置的前方以增加该光感测装置的感光效率。
15. 根据权利要求13所述的投影装置，其中投射在该压印区上的干涉条 紋宽度小于35(Him,以产生足够条紋以标示指紋轮廓。
16. 根据权利要求15所述的投影装置，其中该光源所产生的单色光为一 相干光，该光学组件为一光栅。
17. 根据权利要求15所述的投影装置，其中该光源所产生的单色光为选 自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件为一双棱镜。
18. 根据权利要求15所述的投影装置，其中该光源所产生的单色光为选 自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件包括一双狭缝及一单狭缝，该 双狭缝设置在该光学组件的第一表面，该双狭缝设置在该光学组件的第二表 面。
19. 才艮据权利要求13所述的投影装置，其中该入射的单色光光路与该压印区的夹角介于5度及85度之间。
20. 根据权利要求13所述的投影装置，其中投射在该压印区的干涉条紋 的方向垂直于该单色光光路及压印区间的夹角所位于平面的方向。
21. 根据权利要求20所述的投影装置，其中该光感测装置为选自线性感 测装置及阵列感测装置的其中 一种。
22. 根据权利要求13所述的投影装置，另包括一处理单元接收该光感测 组件所送出的该指紋电影像信号，并将所接收的指紋电影像信号制造出该指 紋的等高线图案。
23. —种指紋辨识方法，包括下列步骤 提供一光源产生一单色光；提供一光学组件位于该单色光的光路上，该光学组件具有一第一表面及 一第二表面，该单色光自该第一表面进入该光学组件后自该第二表面射出；提供一压印区用以压印指紋，该单色光经过该光学组件后，在该压印区 上形成一干涉条紋；及提供一光感测装置接收自该压印区反射的指紋光学影像信号，并转换该 指紋光学影像信号为 一指紋电影像信号。
24. 根据权利要求23所述的指紋辨识方法，其中投射在该压印区上的干 涉条紋宽度小于35(Him，以产生足够条紋以标示指紋轮廓。
25. 根据权利要求24所迷的指紋辨识方法，其中该光源所产生的单色光 为一相干光，该光学组件为一光栅。
26. 根据权利要求24所述的指紋辨识方法，其中该光源所产生的单色光 为选自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件为一双棱镜。
27. 根据权利要求24所述的指紋辨识方法，其中该光源所产生的单色光 为选自相干光及非相干光的其中一种，该光学组件包括一双狭缝及一单狭 缝，该双狭缝设置在该光学组件的第一表面，该双狭缝设置在该光学组件的 第二表面。
28. 根据权利要求23所述的指紋辨识方法，其中该入射的单色光光路与 该压印区的夹角介于5度及85度之间。
29. 根据权利要求23所述的指紋辨识方法，其中投射在该压印区的干涉 条紋的方向垂直于该单色光光路及压印区间的夹角所位于平面的方向。
30. 根据权利要求29所述的指紋辨识方法，其中该光感测装置为选自线 性感测装置及阵列感测装置的其中 一种。
31. 根据权利要求23所述的指紋辨识方法，另提供一处理单元接收该光 感测组件所送出的一指紋影像信号，并将所接收的指紋影像信号制造出该指 紋的等高线图案。
32. 根据权利要求23所述的指紋辨识装置，另提供一透镜置于该光感测 组件的前方，以增加该光感测组件的感光效率。
全文摘要
一种指纹辨识装置及方法，其包括一光源、一光学组件、一光感测装置及一处理单元。该光源投射一单色光经过该光学组件后形成一干涉条纹于一欲辨识的指纹上，该光感测装置感测由该指纹反射的光学影像信号并转换为电信号后，由该处理单元制造出该指纹的等高线图案以利指纹辨识。
文档编号G06K9/00GK101169824SQ20061013742
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者陈晖暄 申请人:原相科技股份有限公司