CN115497128A - 一种生物特征捕捉装置 - Google Patents

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Abstract

一种生物特征捕捉装置，包括：‑带有采集表面(3)的光学模块(2)，‑光学采集系统(4)，被设置成使得在光学模块外部沿所述光学采集系统的光轴(6)传播的第一光线在采集表面处与采集表面的法线形成夹角(β)，该角的值大于光学模块和空气的折射率所决定的临界角，另外该光学系统被设置成使得光轴与出射面法线所成夹角小于所述临界角，‑照明系统(8)，被配置为可以对所述采集表面照明，所述照明系统产生由照明轴(9)所限定的光束，在光学模块外部沿照明轴传播的第二光线，随后在光学模块中传播，以便在采集表面处形成给定入射光线，该给定入射光线在采集表面上被反射，从而限定给定反射光线，照明系统和光学采集系统被设置成使得以下光线之间的夹角(Ω)：‑反射光线和‑第一光线严格大于角(β)。

Description

一种生物特征捕捉装置
说明书
本发明涉及生物特征识别领域，例如用于个体识别或个体对于地点、物品或信息的访问权限验证。
背景技术
通常，生物特征识别方法在于：比较从待识别对象身体的某一部位捕捉的图像提取的生物特征数据，与先前引用的用户身体的同一部位捕捉的图像提取的参照生物特征数据，以通过或拒绝识别。
现在已经有生物特征捕捉装置，包括具有采集表面的壳体，待识别对象将其一根手指放置在采集表面上，还包括设置在壳体中的摄像头，用于拍摄所述手指的一张或多张图像，以使生物特征识别方法启动。
图1示出了生物特征捕捉装置的常规结构，包括透明玻璃或塑料棱镜1000、照明系统1001和带有摄像头1002的光学采集系统。
摄像头1002与棱镜1000的侧面相连，而照明系统1001与棱镜1000的小底相连，所述小底与棱镜的大底相对，所述大底与采集表面1003内切。
在使用中，照明系统1001产生光束，该光束穿过棱镜的小底到达采集表面1003并从装置射出。采集表面1003因此成为第一介质(对应于棱镜)与第二介质(对应于空气或用户的手指)之间的界面。
照明光束的各光线以绕主照明轴分布的方式发散，该主照明轴与采集表面的法线成一个较小的夹角，在图1中为0°。光线绕主照明轴发散使得整个采集表面1003被照亮。例如发散角最大为20°。
照明系统1001发出的光线被小底折射，并因此与大底的法线形成小于临界角θc的夹角，该临界角θc被定义为：当光线到达第一介质棱镜和第二介质空气之间的界面时，如果超过该角则会发生全反射现象的角度。
因此，无论外部介质是空气还是手指，大部分光线都会穿过采集表面1003，这是因为当手指放置在采集表面上时，手指的折射率高于空气的折射率。
当手指放置在采集表面1003上时，由照明系统1001产生并射到采集表面上的光线因此不会完全被该表面反射并照亮手指。然后光线在手指内部扩散，并以相同的光强度再射向各个方向：手指的行为类似于朗伯表面或是各向同性的。
然而，摄像头1002被设置成只能接收与大底的法线所成夹角大于临界角θc的光线。它还被设置成只能接收与采集表面1003的法线所成夹角小于极限角θl的光线，临界角θl被定义为：当光线到达第一介质棱镜和第二介质手指之间的界面时，如果超过该角则会发生全反射现象的角度。
因此，被手指散射并在凹处从手指射出的光线无法到达摄像头1002，这是因为当它们穿过将它们与采集表面隔开的空气层然后被该所述表面折射时，它们必然在棱镜中传播，同时与所述表面的法线形成小于临界角θc的夹角。
另一方面，被手指散射并在与采集表面1003接触的手指凸处从手指射出的光线可以在棱镜中传播，无论与采集表面1003的法线所成夹角是否小于θl。因此，存在从手指射出的光线，这些光线在棱镜中传播，与采集表面1003的法线所成夹角大于θc，可以通过摄像头成像。
因此，摄像头1002形成凹处与凸处之间指纹的高对比度图像，这是因为：
-图像中的凸处对应于被手指散射的光线，这些光线在与采集表面1003接触的手指凸处从手指射出以到达摄像头，
-而被手指散射，从凹处被手指射出的光线，无法到达摄像头。
因此，在指纹图像中，凸处比凹处看起来更亮。
由于摄像头1002和大底之间的相对位置，这种装置被称为“受阻全反射”，这意味着摄像头在手指未与采集表面接触的情况下观察采集表面：实际上，从采集表面到达摄像头的任何光线都已经在采集表面1003处被反射，并因此在此反射之前已经在棱镜中传播，但是由于空气与采集表面1003接触，任何光线都不会穿过采集表面并到达摄像头。然而，当手指触摸采集表面1003时，摄像头以全反射观察采集表面1003的条件暂时得不到满足，这是因为光线可以从手指向摄像头传播，因此称为“受抑全反射”。
遗憾的是，这种类型的设备仍然对采集表面上的污垢和划痕很敏感。实际上，来自照明系统的部分光线能够被手指散射并且按照与采集表面1003的法线所成夹角大于θc进行传播并到达摄像头。
因此可以通过反射和各向异性散射对光路建模。
这可以通过例如Henyey-Greenstein相位函数进行建模。
几何反射光线与真实光线的夹角为θ的概率是：
Figure BDA0003688793820000031
其中μ＝cos(θ)，
其中g是各向异性系数，大于0且小于1。对于轻度污垢，它将接近1，并且会随着表面上的沉积量而减小。
根据实验，观察到的值始终大于0.5。
背离反射的几何条件时，这会形成递减的能量曲线。
如果污垢来自之前放置在表面上的手指留下的痕迹，会尤其麻烦，因为可能会出现与该手指图像相似的图像。
因此，采取了提高装置的检测阈值，从而使装置不考虑之前的待识别对象留下的指纹痕迹。
遗憾的是，该装置也无法提取到将手指放置在采集表面上的新待识别对象的真实指纹。例如，如果用户放置“干燥手指”(英文中通常称为“dry finger”)时，也就是说光耦合受到限制的手指并且手指发出的光线只有一部分穿过采集表面。
发明目的
本发明的目的是提供一种生物特征捕捉装置，可以更容易地区分待认证对象的真实印记与留在采集表面上的残留印记。
发明内容
为了实现该目的，根据本发明，提出了一种生物特征捕捉装置，包括：
-带有采集表面的光学模块，使用时用户将带有至少一个印记的至少一个身体部位放置在采集表面上，
-光学采集系统，被配置为通过模块被称为出射面的至少一个面采集所述身体部位的至少一个印记的至少一个图像，其中该光学系统被设置成使得在光学模块外部沿所述光学采集系统的光轴传播的第一光线在采集表面处与采集表面的法线形成夹角β，该角的值大于光学模块和空气的折射率所决定的临界角，另外该光学系统被设置成使得光轴与出射面法线所成夹角小于所述临界角。
-照明系统，被配置为可以对采集表面照明，该照明系统产生由照明轴所限定的光束，
在光学模块外部沿照明轴传播的第二光线，随后在光学模块中传播，以便在采集表面处形成给定入射光线，该给定入射光线在采集表面上被反射，从而限定给定反射光线，
照明系统和光学采集系统被设置成使得以下光线之间的夹角Ω：
-反射光线，如果反射光线在采集表面的法线和第一光线所限定的平面内，或者在相反情况下反射光线在所述平面内的投影，和
-第一光线
严格大于角β。
因此在使用时，照明系统产生的光束穿过光学模块的至少一个面，最后到达采集表面。当身体部位放置在采集表面上时，光束的一部分光线(沿着照明轴延伸或当它们在光学模块外部传播时与其平行)，其射到身体部位放置处的采集表面上，并且被所述采集表面反射，不会到达光学采集系统，这是因为由于照明系统和光学采集系统之间的特定结构而使这些光线的方向远离出射面。
此外，射到身体部位凸部放置处的采集表面上的光线(沿照明轴延伸或当它们在光学模块外部传播时与其平行)，和/或穿过凹部放置处的采集表面并因此到达手指的光线，将被所述身体部位各向同性地散射。
然而，由于光学采集系统的具体位置，所述系统只能接收与采集表面的法线所成的入射角大于临界角θc的光线。因此，被身体部位散射并从身体部位凹处射出的光线不能正常到达光学采集系统，这是因为它们不能正常地穿过将它们与采集表面隔开的空气层然后在光学模块中传播，同时与采集表面的法线形成大于临界角θc的入射角。
因此，被身体部位散射并从手指凸处射出的光线正常可以至少部分地到达光学采集系统。
因此，光学采集系统形成凹处与凸处之间印记的高对比度图像，这是因为：
-图像中的凸处对应于被身体部位散射的光线，这些光线在与采集表面接触的所述身体部位的凸处从身体部位射出，以到达光学采集系统，
-而被身体部位散射从身体部位凹处射出的光线，正常不会到达光学采集系统。
因此，在图像中，凸处比凹处看起来更亮。
因此本发明可以采集高质量的印记图像。
身体部位对光线的散射是各向同性的，与现有技术中的照明系统的定位相比，该照明系统的特定结构不会改变身体部位对光线的散射，因此不会改变被身体部位散射并到达光学采集系统的光量。
另一方面，有残留指纹的情况下，被残留在采集表面上的污垢散射的光线将以非各向同性的方式散射。
实际上，由于光学采集系统和照明系统之间的特定结构，本发明中的角Ω大于现有技术中装置的角。然而，远离几何反射时(在本例中是给定反射光线或其投影)，残留在采集表面上的污垢引起的非各向同性散射遵循快速递降的能量曲线：因此，与现有技术中的装置相比，本发明中身体部位向光学采集系统散射的光线的光强减小。
因此，在给定的图像中，与现有技术中的装置相比，放置在采集表面上的身体部位的凸处的对应点的光强度在本发明中没有变化，而与现有技术中的装置相比，采集表面上存在的残余痕迹的对应点的光强度在本发明中减小。
因此，由于残留印记仅接收来自它的光强度非常低的光线，因此本发明在捕捉请求期间对残留印记不敏感或几乎不敏感。
本发明的检测水平的简单阈值可以消除残留痕迹，而不会改变放置在采集表面的身体部位的图像。
因此，通过有利地借助于残留印记与真实印记之间的不同光学特性(人体的散射作用极强，它对射到它上面的光线方向不太敏感，相反残留印记更为细微)以及全反射原理，更具体地是受抑全反射原理，本发明可以更容易地区分残留印记与待认证对象的真实印记。
因此，本发明提出了一种简单方案，以使生物特征采集装置能够更好地区分残留印记和真实印记，具体地是使残留印记在图像中不那么明显。
此外，本发明可以在现有技术的壳体中实施，而不必改动往往很复杂的光学采集系统，仅针对照明系统即可，从而按照与所述采集表面的法线的夹角Ω大于角β照亮采集表面。
注意，照明系统使得给定入射光线相对于采集表面的法线倾斜，也就是说，给定入射光线严格大于零度并且严格小于90度。
注意，光学采集系统使得第一光线相对于采集表面的法线倾斜，也就是说，第一光线严格大于零度并且严格小于90度。
“采集表面”是指装置的一部分，生物特征待识别对象将与该装置交互以确保图像的拍摄。
光学模块表面的至少一部分可以直接形成所述采集表面，或者覆盖有处理装置和/或专用元件，然后与光学模块表面的所述部分一起形成所述采集表面。
通常，采集表面仅对应于采集模块表面的一部分(覆盖或不覆盖有处理装置和/或专用元件)。例如，采集模块的上表面可以覆盖有带窗口的框架：窗口的内部将限定采集表面，因此采集表面将仅由光学模块上表面的一部分构成。
此外还注意到，给定反射光线也可以称为与给定入射光线相对于采集表面的法线对称。
此外还注意到，给定反射光线不一定是给定入射光线的全反射，而可以是给定入射光线的简单部分反射。
“光轴”是指光学采集系统的视场(或者英文中的“field of view”)所围绕的轴。
“照明轴”是指照明系统产生的光束的光线以分布方式围绕其发散的轴。因此，当光束为直圆柱体的形状时，所述照明轴可以是光束发生器，或者当光束为圆锥体的形状时，所述照明轴可以是光束的高度。对于任何其他光束形状，可以取光束光强最高的方向。
对于本申请，与照明系统相关的角度被认为是在所述照明系统产生的给定光线在采集表面上的入射点处，也就是说，一旦所述光线已经在光学模块中传播(除非是指除了采集表面之外的其他表面，例如光束进入光学模块时穿透的光学模块的表面)。因此，如果考虑将在下面更详细描述的图7，角α被认为是在给定光线的入射点处，而不是所述光线在光学模块中传播之前直接入射到照明系统上。因此，考虑到采集表面时，涉及的是给定入射光线，而不是照明系统的照明轴，例如，它可以在光学模块的入口处经过轻微的折射。
同样地，与光学采集系统相关的角度被认为是在采集表面处，也就是说，相关光线在光学模块中传播以到达光学采集系统(不包括涉及除了采集表面之外的其他表面时，例如出射面)。因此，如果考虑将在下面更详细描述的图7，角β被认为是在采集表面处，而不是所述光线在光学模块中传播之后直接入射到光学采集系统上。因此，考虑采集表面时，涉及的是第一光线，而不是光学系统的光轴。
对于本申请，将考虑由第一光线和采集表面的法线所限定的平面内的角度：因此，这些角度是由所述平面内的光线或光线在所述平面上的投影限定的。
此外，注意采集表面将第一介质(对应于光学模块)与第二介质(对应于空气或皮肤)分开。
然后，因此“临界角θc”是指当入射光线经第一介质到达采集表面而第二介质是空气时，如果超过该角则会发生全反射现象的角度。临界角是根据以下公式得出的：
Figure BDA0003688793820000071
n1是光学模块的折射率，n0是空气的折射率。因此，如果空气的折身率等于1而光学模块的折射率等于例如1.5，则得到临界角θc为41.8度。
“极限角θ1”是指当入射光线经第一介质到达采集表面而第二介质是皮肤时，如果超过该角则会发生全反射现象的角度。
边界角是根据以下公式得出的：
Figure BDA0003688793820000081
n1是光学模块的折射率，n2是皮肤的折射率。在可见范围内，人类皮肤的折射率在1.41到1.47之间。取最小值1.41时，因此获得极限角θ1为70度。取最大值时，获得极限角θ1为76度。
可选地，出射面为光学模块的侧面。
可选地，光学系统被设置成使得其光轴相对于出射面的法线形成小于2度并且优选地小于1度并且优选地等于0度的角度。
可选地，角Ω大于60度(°)并且优选地大于70°，优选地大于90°。
可选地，角Ω小于2β。
优选地，角Ω大于70°且小于2β。
可选地，角Ω大于90°且大于2β。
可选地，照明系统和光学采集系统被设置成使得第一光线与给定入射光线的夹角严格小于β。
可选地，角γ小于35度，优选小于25度，优选小于15度，优选小于10°。
可选地，给定入射光线与采集表面的法线形成夹角，该角的值大于临界角且小于模块和皮肤的折射率所决定的极限角。
可选地，给定入射光线与采集表面的法线的夹角大于β。
可选地，该装置包括单个照明系统和/或单个光学采集系统。
可选地，照明系统和光学采集系统由在重合或平行的平面内延伸的支承件承载。
可选地，光学模块为棱镜的形式。
可选地，光学模块为玻璃片的形式。
-具有平行面，至少在一部分上具有倾斜的侧面，或者
-薄片，底面具有多个微棱镜。
使用玻璃片可以获得更紧凑的装置。
实际上，玻璃片的高度比棱镜低，具体是由于玻璃片的出射面比在棱镜中更靠近采集系统，这可以使出射面更小。
可选地，该装置包括至少一个经过处理以吸收由照明系统发出并在采集表面处被反射的光线的区域。
可选地，所述区域经过深色涂层包覆处理。
可选地，光学采集系统和照明系统彼此靠近。
可选地，照明系统通过出射面进行照明。
可选地，照明系统通过光学模块邻近出射面的一面进行照明。
“邻近面”是指光学模块的一个面，该面与出射面至少有一个公共边。
下面通过对本发明的非限制性具体实施方式的描述来阐述本发明的其他特征及优点。
附图说明
图1已经根据现有技术与本发明的关系进行了描述：图1为不属于本发明的现有技术中的装置的剖视图。
通过下面的描述，并结合附图，将能够更好地理解本发明，其中：
-图2为根据本发明的第一实施方式的装置的剖视图，
-图3为根据本发明的第二实施方式的装置的剖视图，
-图4为根据本发明的第三实施方式的装置的剖视图，
-图5为根据本发明的第四实施方式的装置的剖视图，
-图6为根据本发明的第五实施方式的装置的剖视图，
-图7为根据本发明的第六实施方式的装置的剖视图，
-图8为根据本发明的第七实施方式的装置的剖视图。
具体实施方式
参照图2，根据第一实施方式，生物特征捕捉装置，通常用1表示，是一种捕捉装置，用于采集指纹以执行生物特征识别。
然而，这一应用并不是限制性的，可以使用该装置1来捕捉身体其他部位的印记，例如几根手指、整只手、手掌等的印记。
该装置1包括光学模块2，其具有：
-上表面，
-与上表面平行的下表面，以及
-至少一个侧面，连接上表面和下表面。
光学模块2在此由对可见光透明的材料制成，例如玻璃或塑料，例如聚碳酸酯(PC)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光学模块2的折射率大于空气的折射率，并且可选地大于皮肤的折射率。
具体地，光学模块2在此为棱镜的形式。光学模块2例如是具有四个侧面的棱镜。光学模块2例如是圆台，从而包括大底(上表面)和小底(下表面)。
在本例中，仅上表面的一部分构成采集表面3，生物特征待识别对象将手指放置在该采集表面上。可选地，光学模块2部分地被带有窗口12的框架11框住：窗口的内部限定了采集表面3。
采集表面3是平坦的。
下文中，在身体部位没有放置在采集表面上时需要考虑这些角度。
此外，装置1还包括光学采集系统4，该光学采集系统被配置为捕捉放置在采集表面3上的生物特征待识别对象的指纹的至少一个图像。
在本例中，光学采集系统4是该装置1的唯一光学采集系统。
光学采集系统4包括例如至少一个光学传感器，例如在此是对可见光敏感的摄像头，以及可选地包括一个或多个辅助光学元件，例如一个或多个透镜和光阑。
在本例中，光学采集系统4以及因此使得该装置1都包括单个光学传感器。
光学采集系统4可选地设置成通过光学模块2的第一侧面采集图像，下文中称为出射面5。因此，出射面5相对于与采集表面3相关的上表面倾斜。
在本例中，光学采集系统4实际上设置在所述出射面5后面的光学模块之外，使得其视场(或者英文中的“field of view”)直接朝向出射面5。
光学采集系统4的视场是由光轴6限定的。因此在此保持光轴6指向采集表面并且相对于采集表面3的法线13倾斜(即，既不平行也不垂直于它)。
优选地，光轴6构成出射面5的法线。因此，光轴与出射面5的法线形成的夹角小于临界角θc。
此外，光学采集系统4还被设置成使得来自采集表面并沿光轴6传播再到达采集表面的第一光线与采集表面3的法线13成夹角β，该角大于临界角θc(但小于极限角θ1)，使得当采集表面3上方有空气时，来自光学模块2外部的光线无法穿过采集表面3并射向采集系统4。在本例中，由于光轴6与出射面5正交并指向采集表面3，因此第一光线即使在光学模块2中传播时也与光轴6直接重合。因此下面将仅讨论本第一实施方式的光轴。
此外，装置1包括照明系统8。
在所示的示例中，照明系统8是该装置1的唯一照明系统8。
照明系统8包括至少一个被设置成可以发射可见光的光源。
作为替代或补充，照明系统8和光学采集系统可以在其他波长范围内工作，例如在近红外(即，波长小于1.1微米)或紫外光的范围内，假设光学模块对于这些波长是透明的。照明系统8的至少一个光源由一个或多个发光二极管(LED)和/或一个或多个超发光二极管(更为人所熟知的英文名称为Super Luminescent Diodes或SLD)和/或一个或多个激光二极管组成。
在本例中，照明系统8(以及因此使装置1)被限制为单个光源。在本例中，光源(以及因此使照明系统8和装置1)由单个LED组成。
因此，照明系统8在此包括单个照明轴9，即LED的照明轴。在本例中，照明系统8能够产生围绕照明轴发散的光束，该光束指向采集表面3。发散使得整个采集表面3被照亮。例如发散角最大为20°。
照明系统8在此被设置成通过出射面5进行照明。在本例中，照明系统8实际上被设置在所述出射面5后面的光学模块2之外，使得其产生的光束直接朝向出射面5。此外，照明轴9相对于出射面5倾斜。因此，形成光束的光线被该所述面折射。
因此，沿照明轴9传播的光线，随后在光学模块2中传播，以便在采集表面3处形成不会与照明轴9重合的给定入射光线14。给定入射光线14与法线13形成角α。
给定入射光线14在采集表面3上被反射，因此限定给定反射光线15。此外，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得给定反射光线15与光轴6的夹角Ω严格大于角β。
在本例中，角Ω大于60度并且在此大于70度。角Ω例如为75度。
在本例中，角Ω小于2β。实际上β在本例中等于45度。
照明系统8被设置成靠近光学采集系统4。
照明系统8被设置在光学采集系统4下方。照明系统8因此不朝向光学采集系统4。实际上，照明系统8和光学采集系统4总体朝向同一角度和同一方向。
可选地，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得光轴6与给定入射光线14的夹角γ严格小于β。
可选地，角γ小于35度，优选小于25度。在本例中，例如取角γ等于15度(取α等于30度)。
照明系统8在此被设置成使得角α小于角β。
因此照明系统8在此被设置成使得角α小于临界角θc。
此外，光学模块2包括至少一个经过处理以吸收由照明系统8发出并在采集表面3处被反射的光线的区域10。
例如，所述区域10覆盖有涂层(直接对整体染色和/或对光学模块2的至少一个面的至少一部分的外侧和/或内侧间接覆盖：因此，该经过处理的区域10可以设置在光学模块2的外部和/或内部)，其吸收至少95％，优选至少98％的到达所述区域的光线。涂层是例如深色涂层(即，吸收至少95％的光线，优选至少98％的光线的有色涂层)以及例如黑色。
可选地，所述区域10被设置在光学模块2的至少一个侧面上，并且在此优选地为与出射面5相对的侧面。优选地，所述区域10在与出射面5相对的至少整个所述侧面上延伸。
照明系统8在此被设置成使得由照明系统8发射并被采集表面3反射的所有光线，在光学模块2表面上经过任意次数的反射之后，最后到达区域10。
因此描述了具有75°的角Ω的装置1：各向异性因子g大于0.6的情况下，使用装置1时由残留印记散射的光线的光强度的衰减因子大于图1所示的现有技术中的装置衰减因子3。例如，各向异性因子g为0.7时，装置1的衰减是图1所示的现有技术中的装置的5倍。
显然，图1所示的装置1只是用于实施本发明的诸多可行设置中的一种。
因此，图3图示了与图2中的结构相同的另一种结构，不同之处在于照明系统8不是通过出射面5照明的，而是通过光学模块邻近所述出射面5的一面进行照明。在本例中，照明系统8通过下表面16进行照明。
针对第一实施方式所描述的其余部分因此也适用于第二实施方式，具体地涉及角α、β、γ和Ω。
此外，在此将照明系统8巧妙地设置成使得其照明轴9平行于光轴6。
优选地，照明系统8和光学采集系统4还被设置成使得它们各自的底均在同一平面内延伸。
通常，照明系统8和光学采集系统4安装在同一支承件上或安装在两个不同但彼此平行的支承件上，并且可选地在同一平面内延伸。
因此，图4示出了与图2中的结构相同的另一种结构，除了在光学模块2处。
因此，光学模块2是被称为薄玻璃片的玻璃片，具有：
-上表面，
-与上表面平行的下表面，以及
-至少一个连接上表面和下表面的侧面(至少一个连接上表面和下表面的侧面与下表面和上表面正交)。
光学模块2在此由对可见光透明的材料制成，例如玻璃或塑料，例如聚碳酸酯(PC)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光学模块2的折射率大于空气的折射率，并且可选地大于皮肤的折射率。
在本例中，仅上表面的一部分构成采集表面3，生物特征待识别对象将手指放置在该采集表面上。可选地，光学模块2部分地被带有窗口12的框架11框住：窗口的内部限定了采集表面3。
采集表面3是平坦的。
另一方面，光学模块2的下表面16不是平坦的，而是在光学模块的外侧具有多个微棱镜。
因此不再存在单个出射面和照明系统8通过其照明的单个面，而是存在多个出射面和照明系统8通过其照明的多个面。
然而，由于具有微棱镜的薄玻璃片的特定结构，如果分别位于其中一个给定微棱镜的每个出射面处，则光线的行为将与第一实施方式的相同。
针对第一实施方式所描述的其余部分因此也适用于第三实施方式，具体地涉及角α、β、γ和Ω。
参照图5，根据第四实施方式，生物特征捕捉装置，通常用1表示，是一种捕捉装置，用于采集指纹以执行生物特征识别。
然而，这一应用并不是限制性的，可以使用该装置1来捕捉身体其他部位的印记，例如几根手指、整只手、手掌等的印记。
该装置1包括光学模块2，其具有：
-上表面，
-与上表面平行的下表面，以及
-至少一个侧面，连接上表面和下表面。
光学模块2在此由对可见光透明的材料制成，例如玻璃或塑料，例如聚碳酸酯(PC)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光学模块2的折射率大于空气的折射率，并且可选地大于皮肤的折射率。
具体地，光学模块2在此为棱镜的形式。
在本例中，仅上表面的一部分构成采集表面3，生物特征待识别对象将手指放置在该采集表面上。可选地，光学模块2部分地被带有窗口12的框架11框住：窗口的内部限定了采集表面3。
采集表面3是平坦的。
下文中，在身体部位没有放置在采集表面上时需要考虑这些角度。
此外，装置1还包括光学采集系统4，该光学采集系统被配置为捕捉放置在采集表面3上的生物特征待识别对象的指纹的至少一个图像。
在本例中，光学采集系统4是该装置1的唯一光学采集系统。
光学采集系统4包括例如至少一个光学传感器，例如在此是对可见光敏感的摄像头，以及可选地包括一个或多个辅助光学元件，例如一个或多个透镜和光阑。
在本例中，光学采集系统4以及因此使得该装置1都包括单个光学传感器。
光学采集系统4可选地设置成通过光学模块2的第一侧面采集图像，下文中称为出射面5。因此，出射面5相对于与采集表面3相关的上表面倾斜。
在本例中，光学采集系统4实际上设置在所述出射面5后面的光学模块之外，使得其视场(或者英文中的“field of view”)直接朝向出射面5。
光学采集系统4的视场是由光轴6限定的。因此在此保持光轴6指向采集表面并且相对于采集表面3的法线13倾斜(即，既不平行也不垂直于它)。
优选地，光轴6构成出射面5的法线。因此，光轴与出射面5的法线形成的夹角小于临界角θc。
此外，光学采集系统4还被设置成使得来自采集表面并沿光轴6传播再到达采集表面的第一光线与采集表面3的法线13成夹角β，该角大于临界角θc(但小于极限角θ1)，使得当采集表面3上方有空气时，来自光学模块2外部的光线无法穿过采集表面3并射向采集系统4。在本例中，由于光轴6与出射面5正交并指向采集表面3，因此第一光线即使在光学模块2中传播时也与光轴6直接重合。因此下面将仅讨论本第一实施方式的光轴。
此外，装置1包括照明系统8。
在所示的示例中，照明系统8是该装置1的唯一照明系统8。
照明系统8包括至少一个被设置成可以发射可见光的光源。
作为替代或补充，照明系统8和光学采集系统可以在其他波长范围内工作，例如在近红外(即，波长小于1.1微米)或紫外光的范围内，假设光学模块对于这些波长是透明的。照明系统8的至少一个光源由一个或多个发光二极管(LED)和/或一个或多个超发光二极管(更为人所熟知的英文名称为Super Luminescent Diodes或SLD)和/或一个或多个激光二极管组成。
在本例中，照明系统8(以及因此使装置1)被限制为单个光源。在本例中，光源(以及因此使照明系统8和装置1)由单个LED组成。
因此，照明系统8在此包括单个照明轴9，即LED的照明轴。在本例中，照明系统8能够产生围绕照明轴发散的光束，该光束指向采集表面3。发散使得整个采集表面3被照亮。例如发散角最大为20°。
照明系统8在此被设置成通过光学模块邻近出射面5的一面进行照明。在本例中，照明系统8通过连接出射面5与光学模块2上表面的一面17进行照明，其中输出面5本身则连接表面17与连接光学模块的下表面。因此，在照明系统8和光学采集系统4一侧，光学模块2在其上表面和下表面之间具有两个侧面。与出射面5不同，表面17在此与光学模块2的上表面正交地延伸。
在本例中，照明系统8实际上设置在所述表面17后面的光学模块2之外，使得其产生的光束直接朝向此表面17。此外，照明轴9相对于表面17倾斜。因此，形成光束的光线被所述表面17折射。
因此，沿照明轴9传播的光线，随后在光学模块2中传播，以便在采集表面3处形成不会与照明轴9重合的给定入射光线14。给定入射光线14与法线13形成角α。
给定入射光线14在采集表面3上被反射，因此限定给定反射光线15。此外，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得给定反射光线15与光轴6的夹角Ω严格大于角β。
在本例中，角Ω大于60度，并且在此大于70度，并且在此大于90度。角Ω例如为105度。
在本例中，角Ω大于2β。实际上β在本例中等于45度。
照明系统8被设置成靠近光学采集系统4。
照明系统8被设置在光学采集系统4上方。照明系统8因此不朝向光学采集系统4。实际上，照明系统8和光学采集系统4总体朝向同一角度和同一方向。
可选地，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得光轴6与给定入射光线14的夹角γ严格小于β。
可选地，角γ小于35度，优选小于25度。在本例中，例如取角γ等于15度(取α等于60度)。
照明系统8在此被设置成使得角α小于角β。
因此照明系统8在此被设置成使得角α大于临界角θc(但显然仍小于极限角θ1)。
此外，在此将照明系统8巧妙地设置成使得其照明轴9平行于光轴6。
优选地，照明系统8和光学采集系统4还被设置成使得它们各自的底均在同一平面内延伸。
通常，照明系统8和光学采集系统4安装在同一支承件上或安装在两个不同但彼此平行的支承件上，并且可选地在同一平面内延伸。
此外，光学模块2包括至少一个经过处理以吸收由照明系统8发出并在采集表面3处被反射的光线的区域10。
例如，所述区域10覆盖有涂层(直接对整体染色和/或对光学模块2的至少一个面的至少一部分的外侧和/或内侧间接覆盖：因此，该经过处理的区域10可以设置在光学模块2的外部和/或内部)，其吸收至少95％，优选至少98％的到达所述区域的光线。涂层是例如深色涂层(即，吸收至少95％的光线，优选至少98％的光线的有色涂层)以及例如黑色。
可选地，所述区域10被设置在光学模块2的至少一个侧面上，并且优选地在此为与出射面5和表面17(在光学模块2的该侧，光学模块2因此仅包括连接上表面的和下表面的单一侧面)相对的侧面。优选地，所述区域10在至少整个所述相对侧面上延伸。
照明系统8在此被设置成使得由照明系统8发射并被采集表面3反射的所有光线，在光学模块2表面上经过任意次数的反射之后，最后到达区域10。
因此描述了具有105°的角Ω的装置1：各向异性因子g大于0.6的情况下，使用装置1时由残留印记散射的光线的光强度的衰减因子至少大于图1所示的现有技术中的装置的衰减因子3。
图6图示了与图3中的结构相同的另一种结构，除了在光学模块2处。
因此，光学模块2是被称为薄玻璃片的玻璃片，具有：
-上表面，
-与上表面平行的下表面，以及
-至少一个连接上表面和下表面的侧面，所述面在上表面和下表面之间倾斜地延伸。该面构成出射面5。
此外，至少另一个侧面也与下表面和上表面正交。
光学模块2在此由对可见光透明的材料制成，例如玻璃或塑料，例如聚碳酸酯(PC)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光学模块2的折射率大于空气的折射率，并且可选地大于皮肤的折射率。
在本例中，仅上表面的一部分构成采集表面3，生物特征待识别对象将手指放置在该采集表面上。可选地，光学模块2部分地被带有窗口12的框架11框住：窗口的内部限定了采集表面3。
采集表面3是平坦的。
此外，由于光学模块2为玻璃片的形式，因此第一光线沿光轴6在光学模块2之外传播前可以被反射一到多次。
除此之外，针对第二实施方式所描述的其余部分因此也适用于第五实施方式，具体地涉及角α、β、γ和Ω。
参照图7，根据第六实施方式，生物特征捕捉装置，通常用1表示，是一种捕捉装置，用于采集指纹以执行生物特征识别。
然而，这一应用并不是限制性的，可以使用该装置1来捕捉身体其他部位的印记，例如几根手指、整只手、手掌等的印记。
该装置1包括光学模块2，其具有：
-上表面，
-与上表面平行的下表面，以及
-至少一个侧面，连接上表面和下表面。
光学模块2在此由对可见光透明的材料制成，例如玻璃或塑料，例如聚碳酸酯(PC)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。光学模块2的折射率大于空气的折射率，并且可选地大于皮肤的折射率。
具体地，光学模块2在此为被称为薄玻璃片的玻璃片的形式。
在本例中，仅上表面的一部分构成采集表面3，生物特征待识别对象将手指放置在该采集表面上。
可选地，光学模块2部分地被带有窗口12的框架11框住：窗口的内部限定了采集表面3。
采集表面3是平坦的。
下文中，在身体部位没有放置在采集表面上时需要考虑这些角度。
此外，装置1还包括光学采集系统4，该光学采集系统被配置为捕捉放置在采集表面3上的生物特征待识别对象的指纹的至少一个图像。
在本例中，光学采集系统4是该装置1的唯一光学采集系统。
光学采集系统4包括例如至少一个光学传感器，例如在此是对可见光敏感的摄像头，以及可选地包括一个或多个辅助光学元件，例如一个或多个透镜和光阑。
在本例中，光学采集系统4以及因此使得该装置1都包括单个光学传感器。
光学采集系统4可选地设置成通过光学模块2的第一侧面采集图像，下文中称为出射面5。因此，出射面5相对于与采集表面3相关的上表面倾斜。
在本例中，光学采集系统4实际上设置在所述出射面5后面的光学模块之外，使得其视场(或者英文中的“field of view”)直接朝向出射面5。
光学采集系统4的视场是由光轴6限定的。
优选地，光轴6构成出射面5的法线。因此，光轴与出射面5的法线形成的夹角小于临界角θc。
此外，光学采集系统4还被设置成使得来自采集表面并沿光轴6传播再到达采集表面的第一光线18与采集表面3的法线13成夹角β，该角大于临界角θc(但小于极限角θ1)，使得当采集表面3上方有空气时，来自光学模块2外部的光线无法穿过采集表面3并射向采集系统4。
由于光学模块2为玻璃片的形式，因此第一光线18沿光轴6在光学模块2之外传播前可以被反射一到多次。
第一光线18指向采集表面并且相对于采集表面3的法线13倾斜(即，既不平行也不垂直于它)。
此外，装置1包括照明系统8。
在所示的示例中，照明系统8是该装置1的唯一照明系统8。
照明系统8包括至少一个被设置成可以发射可见光的光源。
作为替代或补充，照明系统8和光学采集系统可以在其他波长范围内工作，例如在近红外(即，波长小于1.1微米)或紫外光的范围内，假设光学模块对于这些波长是透明的。照明系统8的至少一个光源由一个或多个发光二极管(LED)和/或一个或多个超发光二极管(更为人所熟知的英文名称为Super Luminescent Diodes或SLD)和/或一个或多个激光二极管组成。
在本例中，照明系统8(以及因此使装置1)被限制为单个光源。在本例中，光源(以及因此使照明系统8和装置1)由单个LED组成。
因此，照明系统8在此包括单个照明轴9，即LED的照明轴。在本例中，照明系统8能够产生围绕照明轴发散的光束，该光束指向采集表面3。发散使得整个采集表面3被照亮。例如发散角最大为20°。
照明系统8在此被设置成通过光学模块邻近出射面5的一面进行照明。在本例中，照明系统8通过连接出射面5与光学模块2上表面的一面17进行照明，其中输出面5本身则连接表面17与连接光学模块的下表面。因此，在照明系统8和光学采集系统4一侧，光学模块2在其上表面和下表面之间具有两个侧面。表面17在此相对光学模块2的上表面倾斜。
在本例中，照明系统8实际上设置在所述表面17后面的光学模块2之外，使得其产生的光束直接朝向此表面17。此外，照明轴9相对于表面17倾斜(形成光束的光线被所述表面17折射)或与所述表面17正交。
因此，沿照明轴9传播的光线，随后在光学模块2中传播，以便在采集表面3处形成不会与照明轴9重合的给定入射光线14。给定入射光线14与法线13形成角α。
给定入射光线14在采集表面3上被反射，因此限定给定反射光线15。此外，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得给定反射光线15与第一光线18的夹角Ω严格大于角β。
在本例中，角Ω大于60度，并且在此大于70度，并且在此大于90度。角Ω例如为101度。
在本例中，角Ω大于2β。实际上β在本例中等于45度。
照明系统8被设置成靠近光学采集系统4。
照明系统8被设置在光学采集系统4上方。照明系统8因此不朝向光学采集系统4。
可选地，照明系统8和光学采集系统4被设置成使得第一光线18与给定入射光线14的夹角γ严格小于β。
可选地，角γ小于35度，优选小于25度。在本例中，例如取角γ等于11度(取α等于56度)。
照明系统8在此被设置成使得角α小于角β。
因此照明系统8在此被设置成使得角α大于临界角θc(但显然仍小于极限角θ1)。
此外，光学模块2包括至少一个经过处理以吸收由照明系统8发出并在采集表面3处被反射的光线的区域10。
例如，所述区域10覆盖有涂层(直接对整体染色和/或对光学模块2的至少一个面的至少一部分的外侧和/或内侧间接覆盖：因此，该经过处理的区域10可以设置在光学模块2的外部和/或内部)，其吸收至少95％，优选至少98％的到达所述区域的光线。涂层是例如深色涂层(即，吸收至少95％的光线，优选至少98％的光线的有色涂层)以及例如黑色。
可选地，所述区域10被设置在光学模块2的至少一个侧面上，并且优选地在此为与出射面5和表面17(在光学模块2的该侧，光学模块2因此仅包括连接上表面的和下表面的单一侧面，所述面与上表面和下表面正交地延伸)相对的侧面。优选地，所述区域10在至少整个所述相对侧面上延伸。
照明系统8在此被设置成使得由照明系统8发射并被采集表面3反射的所有光线，在光学模块2表面上经过任意次数的反射之后，最后到达区域10。
因此描述了具有101°的角Ω的装置1。例如，各向异性因子g为0.7时，装置1的衰减是图1所示的现有技术中的装置的10倍。
图8示出了第七实施方式，其与图7所示的相同，区别在于将照明系统8巧妙地设置成使得其照明轴9平行于光轴6。
优选地，照明系统8和光学采集系统4还被设置成使得它们各自的底均在同一平面内延伸。
通常，照明系统8和光学采集系统4安装在同一支承件上或安装在两个不同但彼此平行的支承件上，并且可选地在同一平面内延伸。
针对第六实施方式所描述的其余部分因此也适用于第七实施方式，具体地涉及角α、B、γ和Ω。
注意，本发明并不限于所述上实施方式，任何改型均属于权利要求所限定的本发明的范围。
因此，该装置可以包括不同形式的光学模块，这已经被描述为棱镜形式但具有不同数量的侧面的光学模块。光学模块可以具有其他形状并且例如其整体都是不透明的。光学模块的形状显然允许光路穿过所述模块，特别是采集表面，从照明系统到光学采集系统。
照明系统可以设置在光学系统旁边、光学系统下方或上方、光学采集系统和采集系统之间等等。照明系统和/或光学采集可以由印刷电路板承载，并且可选地由相同的印刷电路板承载。
可选地，照明系统将被设置成使得其照明轴平行于光学系统的光轴或与其重合。
照明系统的设置可以与所示出的不同。例如，照明系统可以包括多个光源，所述光源可以包括多个LED光源，照明系统可以包括或相连一个或多个背光装置等。照明系统包括多个光源的情况下，例如多个LED光源，所述光源将优选地被设置成使得其所有照明轴彼此平行(照明系统则具有平行于每个光源的每个所述照明轴的总照明轴)。更优选地，光源将全部设置在同一平面内。例如，光源可以安装在同一支承件上，例如印刷电路板。照明系统可以包括光导。
经过处理以吸收由照明系统8发出并在采集表面3处被反射的光线的区域，可以不是由光学模块支承的，而是例如由该装置以外的其他元件支承，例如图4中示出的框架。当然可以理解的是，这方面可以应用于其他实施方式，正如第三实施方式的光学模块可以承载所述被处理区域。
该设备可能不包括框架，或者可能包括与所示出的框架不同的框架。例如，光学模块的整个上表面可以形成整个采集表面。
当然，该装置可以被配置为使得第一光线在到达光学采集系统之前被反射的次数与已说明的次数不同，和/或使得沿照明轴传播的光线在到达采集表面之前被反射的次数与已说明的次数不同。
照明系统的设置可以与已说明的不同。例如参照图2，可以获得与光轴对称设置的照明系统。
显然可以将一种或多种所述实施方式结合起来。

Claims (15)

1.一种生物特征捕捉装置，包括：
-带有采集表面(3)的光学模块(2)，使用时用户将带有至少一个印记的至少一个身体部位放置在所述采集表面上，
-光学采集系统(4)，被配置为通过所述模块的被称为出射面(5)的至少一个面采集所述身体部位的至少一个印记的至少一个图像，其中所述光学采集系统被设置成使得在所述光学模块外部沿所述光学采集系统的光轴(6)传播的第一光线在所述采集表面(3)处与所述采集表面的法线(13)形成夹角β，所述角的值大于所述光学模块和空气的折射率所决定的临界角，此外所述光学采集系统被设置成使得所述光轴(6)与所述出射面(5)的法线所成夹角小于所述临界角，
-照明系统(8)，被配置为可以对所述采集表面(3)照明，所述照明系统产生由照明轴(9)所限定的光束，
在所述光学模块外部沿所述照明轴(9)传播的第二光线，随后在所述光学模块中传播，以便在所述采集表面(3)处形成给定入射光线(14)，所述给定入射光线(14)在所述采集表面(3)上被反射，从而限定给定反射光线(15)，
所述照明系统和所述光学采集系统被设置成使得以下光线之间的夹角Ω：
-所述给定反射光线(15)，如果所述给定反射光线(15)在所述采集表面(3)的法线(13)和所述第一光线所限定的平面内，或者在相反情况下所述给定反射光线(15)在所述平面内的投影，和
-第一光线
严格大于角β。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述照明系统(8)通过所述光学模块邻近所述出射面(5)的一面(16)进行照明。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光学采集系统(4)被设置成使得所述光轴(6)与所述出射面(5)的法线所成夹角小于2度。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其中所述角Ω大于60度。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置，其中所述角Ω小于2β。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置，其中所述照明系统(8)和所述光学采集系统(4)被设置成使得所述第一光线和所述给定入射光线(14)的夹角γ严格小于β。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述角γ小于35度。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的装置，其中所述给定入射光线(14)与所述采集表面(3)的法线(13)的夹角大于β。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的装置，包括单个照明系统和/或单个光学采集系统。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的装置，其中所述照明系统(8)和所述光学采集系统(4)由在重合或平行的平面内延伸的支承件承载。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的装置，其中所述光学模块(2)为棱镜的形式。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的装置，其中所述光学模块(2)为玻璃片的形式：
-具有平行面，至少在一部分上具有倾斜的侧面，或者
-薄片，底面具有多个微棱镜。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的装置，包括至少一个经过处理以吸收由所述照明系统(8)发出并在所述采集表面(3)处被反射的光线的区域(10)。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述区域(10)经过深色涂层包覆处理。
15.根据权利要求1至14中的一项所述的装置，其中所述光学采集系统(4)和所述照明系统(8)彼此靠近。
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