CN101169824B - 指纹辨识装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

指纹辨识装置及方法

技术领域

本发明关于一种指纹辨识装置及方法，特别是关于一种指纹辨识装置及方法，其投射一干涉条纹至一欲辨识的指纹并制造出该指纹的等高线图案以利指纹辨识。

背景技术

传统的指纹辨识装置及方法，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纹影像撷取装置及方法(Apparatus And Method for Electronically Acquiring Fingerprint Images WithLow Cost Removable Platen And Separate Imaging Device)”，如图1所示，其包括一座体18(housing)具有一影像孔(imaging aperture)；一光源22(lightsource)朝向该影像孔投射一光束28；一影像组件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30，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，该指纹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，由于每个不同的指纹所具有的指纹间距并不相同，为提高撷取指纹影像的分辨率，该第二表面12的突起物必须配合不同的指纹间距而做不同的配置，因而具有该指纹撷取装置的压印板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纹影像撷取装置的结构，使能有效提高撷取的指纹影像质量。

发明内容

本发明的一目的在提供一种指纹辨识装置及方法，其借由投影一干涉条纹至一欲辨识的指纹上，并利用该指纹高低起伏的不同所产生的光程差以建立出该指纹的等高线图案，使本发明具有增进指纹影像分辨率的功效。

本发明另一目的在提供一种指纹辨识装置及方法，其借由投影一干涉条纹至一欲辨识的指纹上，并利用该指纹高低起伏的不同所产生的光程差以建立出该指纹的等高线图案，俾以减小指纹辨识装置的尺寸。

本发明再一目的在提供一种指纹辨识装置及方法，其借由投影一干涉条纹至一欲辨识的指纹上，并利用该指纹高低起伏的不同所产生的光程差以建立出该指纹的等高线图案，以增加仿制指纹辨识数据的困难度。

为达上述目的，本发明的指纹辨识装置，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纹；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。

本发明另提供一种指纹辨识方法，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纹，该单色光经过该光学组件后，在该压印区上形成一干涉条纹；及提供一光感测装置接收自该压印区反射的指纹光学影像。

附图说明

图1：传统指纹影像撷取装置的示意图。

图2A：本发明优选实施例的指纹辨识装置及方法的示意图。

图2B：本发明优选实施例的指纹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纹辨识装置及方法投影在一欲辨识指纹上的干涉条纹的示意图。

图号说明

8压印板  10压印区

11手指  12第二表面

18座体  20影像区

22光源  24透明玻璃

26第一表面  28光束

30影像组件  40指纹辨识装置

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  S1第一表面

S2第二表面  L3投影距离

A压印区  β光束与第二光学面的夹角

S干涉条纹宽度  Seff有效干涉区域宽度

B透空区

具体实施方式

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纹辨识装置及方法，该指纹辨识装置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投射一干涉条纹至一欲辨识手指90的指纹上，并利用该指纹高低起伏的不同所产生的光程差，经由该处理单元44制造出该指纹的等高线图案以利进行指纹辨识。

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纹上形成干涉条纹，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，例如一发光二极管(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S1及一第二表面S2，该单色光自该第一表面S1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纹在一欲辨识的指纹上〔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S1，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的指纹，该第三光学面433为该指纹干涉条纹的反射光射出面。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，用于感测投射于一欲辨识指纹的干涉条纹反射光，并将该指纹的光学影像信号转换为指纹的电影像信号。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所送出的指纹电影像信号制造成所欲辨识指纹的等高线图案以利进行指纹辨识，其由干涉条纹影像信号换算为等高线的方式可利用传统的换算方式，例如Moiré 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纹辨识装置在进行指纹辨识时，一欲进行指纹辨识的手指90置于该导光块43的第二光学面432的压印区A，此时一欲辨识的指纹则压印在该压印区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S1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上产生一干涉条纹的光学影像(图3)，其中S表示干涉条纹间的宽度，Seff表示有效干涉区域的宽度，由于一般指纹周期约为400～700μm，所以干涉条纹宽度S必须小于350μm，才能产生足够多的干涉条纹以标示指纹轮廓的投影等高线，该入射光束411的光路与该第二光学面的夹角β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上干涉条纹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；接着该干涉条纹的光学影像〔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纹的光学影像信息，该光感测装置44经由该透镜46可感测该欲辨识指纹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纹的等高线图案，并与数据库储存的指纹相比对以进行指纹辨识。

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纹在该导光块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：

公式1

其中波长为该相干光的波长，L3为干涉条纹的投影距离〔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＝L1cosθ，β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5000μm时，则光栅周期须大于32μm，才能使得干涉条纹宽度S小于350μm，以产生足够多的干涉条纹以标示指纹轮廓的投影等高线。

本实施例中第二种产生干涉条纹的方式为该光源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：

公式2

其中波长为该相干光或非相干光的中心波长，L3为干涉条纹的投影距离且L3＝L1cosθ，β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须至少大于干涉条纹宽度S的3倍，才能使得干涉条纹宽度S小于350μm以产生足够多的干涉条纹以标示指纹轮廓的投影等高线。

本实施例中第三种产生干涉条纹的方式为该光源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S1，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：

公式3

其中波长为该相干光或非相干光的中心波长，L3为干涉条纹的投影距离且L3＝L1cosθ，β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7000μm，则双狭缝间的宽度至少须大于22.75μm，才能使得干涉条纹宽度S小于350μm以产生足够多的干涉条纹以标示指纹轮廓的投影等高线。此外，若欲进一步限制本发明的指纹辨识装置40的尺寸大小，则可限制2＜L1＜45mm、0.5＜L2＜40mm及5度＜β＜85度。

如上所示，图1所示的传统指纹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纹间距的问题，如此会增加压印板制作的复杂度。相较于图1的传统指纹撷取装置，本发明实施例的指纹辨识装置(如图2所示)另提供一种高分辨率的指纹影像辨识装置，利用投射一干涉条纹至一欲辨识的指纹上，并配合计算机软件的计算，可将指纹间高低不同所形成的光程差换算成指纹的等高线图案，以利与数据库储存的指纹相比对以进行指纹的辨识，且本发明亦能缩小指纹辨识装置的体积。此外，本发明的指纹影像辨识装置亦可增加指纹仿制的困难度，以本发明的方法所形成的指纹等高线影像并非如同使用影印的指纹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，大幅增加指纹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。

Claims (32)

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所述的指纹辨识装置，其中投射在该导光块的第二光学面上的干涉条纹宽度小于350μm，以产生足够条纹以标示指纹轮廓。

3.根据权利要求2所述的指纹辨识装置，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所述的指纹辨识装置，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所述的指纹辨识装置，其中该压印区具有一有效干涉区域，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所述的指纹辨识装置，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组件的第一表面，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所述的指纹辨识装置，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所述的指纹辨识装置，其中投射在该导光块的第二光学面的干涉条纹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所述的指纹辨识装置，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所述的指纹辨识装置，另包括一处理单元接收该光感测装置所送出的该指纹电影像信号，并将所接收的指纹电影像信号制造出该指纹的等高线图案。

11.根据权利要求1所述的指纹辨识装置，另包括一透镜置于该光感测装置的前方，以增加该光感测装置的感光效率。

12.根据权利要求1所述的指纹辨识装置，其中该光学组件一体成型于该导光块的第一光学面。

13.一种投影装置，用以投影一干涉条纹至一欲辨识的指纹上以进行指纹辨识，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纹，该单色光经过该光学组件后，在该压印区上形成一干涉条纹。

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纹光学影像信号，并转换该指纹光学影像信号为一指纹电影像信号、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纹宽度小于350μm，以产生足够条纹以标示指纹轮廓。

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.根据权利要求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纹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装置所送出的该指纹电影像信号，并将所接收的指纹电影像信号制造出该指纹的等高线图案。

23.一种指纹辨识方法，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纹，该单色光经过该光学组件后，在该压印区上形成一干涉条纹；及

提供一光感测装置接收自该压印区反射的指纹光学影像信号，并转换该指纹光学影像信号为一指纹电影像信号。

24.根据权利要求23所述的指纹辨识方法，其中投射在该压印区上的干涉条纹宽度小于350μm，以产生足够条纹以标示指纹轮廓。

25.根据权利要求24所述的指纹辨识方法，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所述的指纹辨识方法，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所述的指纹辨识方法，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所述的指纹辨识方法，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所述的指纹辨识方法，其中投射在该压印区的干涉条纹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所述的指纹辨识方法，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所述的指纹辨识方法，另提供一处理单元接收该光感测装置所送出的一指纹影像信号，并将所接收的指纹影像信号制造出该指纹的等高线图案。

32.根据权利要求23所述的指纹辨识方法，另提供一透镜置于该光感测装置的前方，以增加该光感测装置的感光效率。

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