CN1209881A - 非平坦面图像传递装置 - Google Patents

Abstract

利用清晰会聚的照明光场,使非平坦面图像传递装置有更好的性能,此照明光场名义上聚焦到成像透镜的光阑上。该传递装置包括将辐射能引向展示台板(130)的非球面照明透镜(128),指纹或条形码图像从展示台板传递到外部图像传感器件(168),如电荷耦合器件芯片。倏逝波图像从台板上全内反射(TIR),沿着一条包括多个TIR面(134,136,138,140)的光路以获得预定的光程长。多个TIR面中两个面(138,140)位于非球面照明透镜焦点的各一侧。非球面成像(142)有一分轴孔径光阑,此成像透镜将图像光线传递到图像传感器件。

Description

非平坦面图像传递装置

本发明涉及一非平坦面图像传递装置，更具体的是，本发明涉及将图像，例如指纹图像，从手指台板传递到图像检测器件，而同时保留几何保真度。

按照普通的获取指纹数据方法，指纹的油墨印记留在纸上供随后的扫描进入数字计算机。按照此方法，每一次输入指纹数据，手指就沾上油墨。任何不平坦的油墨涂布或模糊会妨碍输入操作，因为带油墨的手指压在纸上时，会有该于指的一些横向移动或切变。为了保证数据输入或录入时获取足够的信息，手指往往在纸面上“辗压”，使人手指更大一部分表面转印到纸上。虽然这辗压步骤增加获取数据的总量，但在获取数据的完整性上潜伏了手指切变的更大风险。此外，在将数据扫描进入数字计算机的过程中，可能引入几何畸变或电信号畸变。

按照更近代的方法，将手指表面图像用反射或散射的方法送到图像传感器，如电荷耦合器件，以获取指纹。完成这一功能的器件在以下美国专利中有描述，例如Kato等人的专利号4,924,085,Igaki等人的专利号5,088,817，以及Driscoll Jr，等人的专利号5,067,162，特此供作参考。在每一个这种系统中，光源是以一个角度照射在指纹的脊和沟部分，该指纹压在一导光板上。根据光源相对于导光板的特定取向以及图像传感器的位置，测量来自指纹的反射光或散射光。图像传感器收集测量到的光，使收集的指纹数据可以贮存。这些指纹读出器包含由多个光学元件组成的相当大的光学系统，或者为了试图简化光学系统而牺牲分辨率和几何保真度，如在4,924,085号专利中那样。

在此专业中所需要的和至此未完成的是一个非平坦面图像传递系统，它可以在图像传感器件上提供一个高分辨率的真实信号，该图像传感器件远离低成本系统中的图像传递台板。还需要一个具有上述优点并成单一结构的，包含非平坦面图像传递系统的装置。对此专业更有利的是还可以传递诸如条形码数据这类图像的一种系统。本发明在非平坦面图像传递装置中满足这些和其他的要求。

本发明提供一个非平坦面图像传递装置，采用非球面照明透镜；藉助清晰的会聚场照明使该装置具有良好的性能特征，照明透镜以临界角或大于临界角，以产生光学板内的全内反射(TIR)，将光从外部光源传递到台板上。手指或其他物体放在台板上，选择性地消除在台板上形成的倏逝波，并藉助光学板内的TIR传送到离轴成像透镜。辐射源被照明透镜名义上聚焦在成像透镜光阑处。倏逝波被台板全内反射，并作为图像光线沿着多个TIR面反射光路以获得预定的光程长。成像透镜是非球面的，且有一分轴(split-axis)孔径光阑，此光阑用一个或多个TIR面调整，或者不用TIR面调整。成像透镜将图像光线传递到图像传感器件。分轴孔径光阑在非球面照明透镜标称焦点的相对两侧有其光阑轴以修正象散。图像传递装置对非坦面有用，这些面是在下述意义上非平坦的，即是以空间起伏或强度对比度的形式出现的编码图像数据，诸如条形码。

非球面照明透镜，非球面成像透镜，以及其间的每个TIR面和台板，可以整体地形成光学板。

本发明提供一种光学板，它使台板上的这种图像传递到外部图像传感器件，为了减少图像传感器件上的几何畸变和象散，与离轴非球面成像透镜相结合，采用了一对环形反射面。伴随着设计的离轴特性，在成像透镜的光阑面附近的光程内产生象散，为了提高分辨率必须控制象散。可以用特殊几何形状，涂布或二者都要用的反射面以减少或消除象散和几何畸变，实现象散控制。例如，公开的实施例中环形面的光焦度(optical power)控制传播轴向。然而，这会在光学板内产生象散，尤其是在离轴非球面成像透镜的标称光阑面处产生象散，从而在x轴和y轴上有不同的光阑面。除了用这些环形面以外，还可以用几个附加的反射面以增大光程长，足够的光程长保证预定的图像放大倍数，或使光学板内的光引向非球面成像透镜，或者两个作用都有。

在第二个实施例中，本发明提供了一种光学板，它使条形码或其他高对比度数据从台板传递到外部图像传感器件。在此实施例中，“非平坦面”是在光学意义下的不平坦，就是说此面可以含有起伏的空间面或不同强度的面，尤其是如UPC(万国邮政公约)标记中条形码标记内的并列黑白图像。

作为对这些实施例的改进以提高分辨率，辐射源或图像传感装置可以安装上快门，闪光灯或二者都用上，为的是减少来自台板的图像数据在图像传感器件上的曝光时间。

在本发明的这些和其他特点在目前推荐的说明性实施例中详细描述如下。

图1是指纹读出装置的透视图，它可以与本发明第一实施例中非平坦面图像移转装置结合在一起使用；

图2是指纹的负像，此负像由本发明的非平坦面图像传递装置传递到图像传感器件；

图3是图1装置的分解图，详细说明本发明的非平坦面图像传递装置与其他元件的相对布置；

图4是图1装置的部分剖面图，说明本发明的非平坦面图像传递装置与其他元件的装配布置；

图5是沿图4中直线5-5切开的图像传递装置部分的俯视图；

图6是沿图4中直线6-6切开的图像传递装置部分的仰视图；

图7是沿图5中直线7-7切开的剖面图；

图8是沿图7中直线8-8切开的剖面图；

图9是沿图7中直线9-9切开的剖面图；

图10是沿图7中直线10-10切开的剖面图；

图11是光波通过图5中装置到达图像传感器件的传播路径侧视图；

图12是图11中所示光波传播路径的正面图；以及

图13是按照本发明第二个实施例中非平坦面图像传递装置。

通过纵览和介绍，从图1中可以看到，指纹读出装置20可以与本发明的非平坦面图像传递装置结合在一起使用。图示的指纹读出装置20具有人机工程外形的特殊优点，它在与其共同未决的Merjanian“人机工程学的指纹读出装置”一文内有描述，该文的美国申请序列号未定，1994年10月28日申请，特此公布该文供作参考。然而，用于本发明图像传递装置的特定外壳对本发明并不重要。

简短的说明一下，人机工程学装置20可以用一绳束22连接到基座单元24以组成指纹读出系统26。在图1中，手28握住人机工程学读出器20，且将手指32放在台板130上(此图中台板被手指32遮挡)。台板是光学板64的一个反射面，此台板是本发明非平坦面图像传递装置的组成部分。台板起到图像传递面的作用，来自手指32的图像从此图像传递面上传送到图像传感器件。图像传感器件将台板130的上表面，即展示面31的光学图像转换成电信号，此电信号通过绳束22内部导线或光缆(未画出)传输到基座单元24。此外，信息可以从基座单元24通过串行接口40传递到外部设备，例如计算机或调制解调器。若需要，可以利用电源口41将系统连接到外部电源。

每个手指32的指纹是由凹沟分开的凸脊组成。指纹的图案对每个人是独一无二的。当手指32放在台板130的展示板31上时，指纹的脊就会消除接触点处近表面的电磁场，从而在台板上产生倏逝波表面效应，即，使接触点处的光线被吸收，散射或兼而有之。这就严重地衰减了那些接触点处的光线并产生衰减的倏逝波图像光波前(或者缺少倏逝波的图像光)，传递到图像传感器件168。同时，由于指纹脊之间的沟并不与台板接触，倏逝波图像光线在这些点上仍不受影响，并且产生全内反射。所以，如图2中所示，外部图像传感器件168上得到指纹的负像。

在图2中，指纹像的黑暗部分代表个人手指32的指纹脊与台板130的展示面31之间的接触点。这些接触点在台板130上产生倏逝波表面效应，并产生一严重衰减的图像光波前，传递到图像传感器件168。明亮部分代表个人手指纹沟的位置，因为在台板130上没有产生倏逝波表面效应，倏逝波在那些点上没有被消除，所以，任何射入到光学板64上不受干扰的这些点处，辐射波传递到图像传感器件168。由于隐约的眩光，即，最终入射到图像传感器件上的散射光，暗区与亮区之间的对比度可能会下降少许，然而，这个对比度的轻微下降对于大多数图像处理系统来说是可以允许的。

现参照图3，可以看到图1装置的分解图，详细表明本发明的非平坦面图像传递装置与其他非关键元件的相对布置。人机工程学的读出器20有第一半球部分和第二半球部分58,60，这两个部分罩住集成光路系统62。按照本发明的另一方面，除了一侧有台板130的光学板64以外，集成光路系统62还包括在光学板另一侧的印刷电路板(PCB)66,当然，其他配置也是可能的。PCB 66包括外部图像传感器件168，来自台板130的图像传递到此图像传感器件，PCB还包括其他电子元件70A,B,…N构成的其余部分。

第一半球部分58有一个大体是平的表面46，有一开孔48穿过此面。如图1中所示，开孔48与光学板64的台板130对齐装配，提供给台板一个窗口，可以将手指32放在台板130的展示面31上获取指纹数据。虽然开孔48画成一般的椭圆孔，但本发明不受此限制。如以上提到过的，非平坦面图像传递装置的外罩对于本发明并不重要。PCB 66上的通孔74以及从光学板64一侧延伸的支柱76可以使集成光路系统62组装成一个单元。最好是，支柱76有带螺纹的孔77(图7)，可以容纳螺丝77A完成组装。

一片泡沫结构的胶皮带78插入在集成光路系统62组件与第一半球部分58之间，使组件与第一半球部分紧密接触。胶皮带78也用作密封垫阻挡光，阻挡污垢和油脂进入，否则这些污垢和油脂会把光学板64的反射面与第一半球部分或光程中的其他物体隔离，倏逝波图像是沿着该光程传送的。沿着光程的隔离是需要的，因为任何与光程中反射面的接触会由于吸收光并引起散射而不是反射，使部分倏逝波被消除。例如，胶皮带78中至少有一个开孔80，使沿着图像传递光程中光学板64的上表面86的多个反射面与其他物体隔离。同样，如果光学板64与某些其他物体的界面不与沿着光程中全内反射(TIR)处别的物体接触，带孔的表面可以与底面88接触。第一半球部分的开孔48容许手指32与展示面31接触，以消除指纹脊邻近的电磁场，但不是在指纹沟邻近消除电磁场，以阻止在这些接触点处的镜面反射并去除该处的辐射。因此，如图2中所示，产生了展示面31上的手指32负像，并传递到外部图像传感器168。

第二半球部分60与第一半球部分58扣合装接，完成装配。其他的电路部分，例如，与指纹数据压缩，分析，或二者都有关的电路，或是与其他电路功能有关的，如无线通讯，可以放在第二半球部分60内部。

图4描绘组装元件之间的实际关系，尤其是图3中集成光路系统62的装配。如图所示，印刷电路板66和光学板64组合件是由紧靠平面46下的胶皮带78安装定位。此外，台板130与开孔48对准，使放在台板130展示出31上的手指32能给安装在印刷电路板66上的图像传感器件168提供输入数据。

利用非球面照明透镜128，光学板64精确地会聚来自外部光源90的辐射场。在此优选的实施例中，照明透镜128是一非球面透镜，它对来自光源90的辐射名义上聚焦在光学板64内两个全内反射(TIR)面之间的一点。光源90安装在光学板64底面88上的狭孔92内，使光源辐射中心线与照明透镜128的中心线重合。(见图6)。最好是，光源90具有T-1封装的形状系数，而且最好是T-1封装的发光二极管(LED)。如此，非球面明照透镜128通过改变来自光源90的光传播方向，将光均匀地照射在台板130的首尾边缘94,96，而同时有效地将此辐射引入到光学板64。按照本发明的一个方面，非球面照明透镜128将光源90的辐射略微会聚成一锥形，此锥形光名义上聚焦在成像透镜142的孔径光阑处，使来自光源90的大部分光作为倏逝波图象光波前传递到图像传感器168。

来自光源90的光被照明透镜128以大于费涅耳(Fresnel)反射定律确定的临界角传送到台板130。因此，入射到台板130上的辐射就会沿着光程在每个玻璃到空气或塑料到空气的界面处产生全内反射(TIR)，从而使该辐射穿过光学板64传播即传递到成像透镜142。倏逝波图像光在光学板64内以大于临界角的角度传播，最终的光程大于光学板64的实际长度。丙烯酸塑料的临界角近似为42°；然而，在表面上涂覆反射材料，诸如铝或银，可以在小于临界角的角度上获得TIR。

沿着光程，照明透镜128与成像透镜142之间的每个光学板64的表面处，倏逝波图像光线按照斯涅耳(Snell)定律以与入射角相同的角度反射，按照本发明，通过改变反射面的取向或曲率半径，可使倏逝波图像光线改变方向。倏逝波图像光线多次地在光学板64内反射，直至它被引向成像透镜142，倏逝波图像光线在此点上从光学板64射出，被传送到外部的图像传感器件168表面。

为了更好地保证台板被均匀地照明，可以在光源90与照明透镜128之间插入漫射面，即切趾面98。

因为TIR要求辐射源90入射到平的展示面31的入射角通常大于42°，传递到外部图像传感器件168的图像光线一般就经受高度的几何透视畸变。例如，当矩形台板成像到外部成像器件168时，因为两对边成像不平行，矩形就成为梯形。这是因为每个光学面是在离轴下应用，即，光在名义上不是沿法线方向入射到这些面上，而是入射到后缘之前入射到前缘上。如在上述美国专利No.4924,085中提到，这种畸变可以用图像面上放一补偿倾斜板加以修正，但是获取的图像在分辨率上有重大损失，因为成像透镜不能在整个倾斜面上保持清晰的聚焦。虽然这种畸变在获取图像之后用电子信号处理方法可以部分修正，但就图像采集器件整个视场没有被利用而言，获取的图像分辨率仍然受损。然而，按照本发明，在展示面31与成像透镜142中间放入一个或多个环形TIR元件，就可以在传递图像光线到外部图像传感器件168之前，减少或消除几何透视畸变和象散。环形元件与离轴非球面成像的结合影响了光程，使图像传感器件168上的图像似乎是光源90以近似垂直的方向照射台板130，而不是以实际使用时为产生TIR的临界角照射。另外，采用非球面透镜128和142替代简单的球面还对提供高分辨率、低畸变图像有贡献，该图像由光学板64传递到外部图像传感器件168。

结合图5至图10，描述一优选实施例中光学板64的特征。所描述的每一个面是沿着光学板64的光轴放置，使得从台板130前、后边缘94,96的反射光入射到每个相应的面上，并由藉助TIR传递到外部图像传感器件168。

图5和图6中分别画出光学板64的俯视图和仰视图。光学板64可以由一干净的光学塑料实心体组成，例如，丙烯酸塑料，用注模法制成，或者是一玻璃板。在任一情况中，制作光学板64是为了将图像数据从台板130传递到外部图像传感器件168提供表面和透镜。光学板64包括台板130以及非球面照明透镜128和非球面成像透镜142，因为光线被成像透镜142折射，台板130上的指纹就成像到外部图像传感器件168。与光学板64成一整体的是台板130与非球面成像透镜之间的几个反射面，其中某些反射面是环形面。环形面与非球面成像透镜142的组合作用是减少或消除传递到图像传感器件168中图像的任何几何畸变或象散。如上面已提到，几何畸变是从图像传感器件168处看台板时由于光学TIR斜透视的结果。

在图5中，画出了光学板64上表面86。上表面86有几个研磨和抛光面，这些面包括台板130以及第一环形面136和第二环形面140。环形面136,140的光焦度决定传播轴向，以减少或消除成像器件平面处的几何畸变和象散。然而，这就产生了光学板64内的象散，尤其是在非球面成像透镜142标称光阑面处的象散，于是在x轴和y轴上有不同的光阑面。第二环形面140在光传播的横向轴上有一窄孔，在本实施例中此轴随意地标记为x轴。在与光传播一致的轴上有一宽孔，该轴随着地标记为y轴。如图所示，第二环形面140是一矩形面，其长轴沿y方向，窄面沿x方向。这样，第二环形面140只在x方向有一孔径光阑，并位于离成像透镜142最佳的象散距离，所以在这个轴方向上缩小入射到成像透镜142上的光线锥。缩小的光锥在这个轴的方向上减小图像传感器件168处图像的模糊圆。从图7中最容易看出，第二环形面140相对于上表面86的位置是在截头梯形部分102平截头的斜凹口100，以接收下述第二平表面138的反射光。平截头最好有铝膜或银膜镀层以增强该面的反射率。按照本发明，非球面成像透镜142的x方向孔径光阑位于照明透镜128标称焦点的一侧，而成像透镜142的y方向孔径光阑移位到此标称焦点的另一侧。

图6表示光学板64的底表面88，通过此底表面提供辐射和提取图像数据。底表面88包括一个由此沿着光学板一边缘延伸的壁104。壁104有一窄孔92穿过，此窄孔内有光源90，并且有一足够的角度使光源发出的辐射能在台板130上产生全内反射。壁104与照明透镜128之间有一空腔106，使来自光源90的辐射照射到照明透镜128上。空腔106的壁可以作为缝108的界限，用于支承选用的漫射面或切趾面98。在照明透镜128的另一侧有一垫片(filler)110，避免来自光源90的辐射在照明透镜128最底部分与光学板64明显底面之间被切断。垫片有一个未抛光的装配面(图7)，它只不过是光学板64光学材料的延伸部分。

再参照图6，提供的第一平表面134和第二平表面138部分地是为了引导从台板130反射的倏逝波图像光线，使它到达非球面成像透镜142。第一平表面134位于底面88之上，使得从台板130前边缘94和后边缘96来的反射图像光线入射到第一平表面上。如图所示，第二平表面138是截头锥体部分114的平截头，虽然本发明不受此限制。截头锥体部分114的平截头或第二平表面138是这样放置的，使得从第一环表面136反射的TIR倏逝波图像光线入射到平截头上。然而，第二平表面138只需在x轴上有一宽孔和在y轴上有一窄孔，以提供一个垂直于第二环形面140孔径光阑上的孔径光阑，即，只要在y方向上离成像透镜142最佳的象散距离处缩小光线锥，此光线锥在这个轴方向入射到成像透镜142上。第二平表面能够容易制成为一个矩形面，其长轴沿y方向。因此，第二平表面138，第二环形面140与非球面成像透镜142的组合提供了一个分轴孔径光阑，在其间不同点处缩小沿x方向和y方向入射到成像透镜142的光线锥，从而调节光阑面处的象散。

因为带几何畸变修正环形面的离轴TIR设计在光学系统中引入了象散，x方向焦点与y方向焦点并不在光学板64内的一个面上重合。因此，系统的光阑是分离的，藉助上述的第二平表面138提高按焦深表示的分辨率，第二平表面适合于缩小在y焦点处缩小来自台板130的y方向光线，藉助前述环表面140，在x焦点处缩小来自台板130的x方向光线，该光线仍沿着光的传播方向，即y方向。调节光阑面的象散可以减少或消除图像模糊，虽然环形面136,140和离轴非球面透镜142提供了台板130更大的视场，然而也带来光阑面的象散。因此，一个环形元件和一个平面元件结合使用，形成系统孔径以控制光圈数f，总分辨率和杂散光。

虽然第二平表面138描述成适合于缩小y方向光线以及第二环形面140适合于缩小x方向光线，但这是任意的。根据所选的特定非球面照明透镜128以及此照明透镜相对于光学板64的轴方向，上述相反情况也是可以的。

穿过光学板64的图像传递光路从光源90开始，经过照明透镜128到台板130，台板上可以放手指32，再从台板130到第一平表面134，然后到第一环形面136，再到第二平表面138，全都是TIR。倏逝波图像光线从第二平表面138入射到第二环形面140，此面背后有铝膜镀层，因为它仅有约60％TIR，然后由此反射到成像透镜142。倏逝波图像光线从成像透镜142传递到外部图像传感器件168。进入和离开光学板64的光路简记成：90-128-130-134-136-138-140-142-168。

光学板64通过支柱76和带螺纹孔77留有间隔地安装到含有图像传感器件168的PCB66上。当组装光学板64与PC66时，一根支柱76上的法兰116可以确定成像透镜142相对于图像传感器件168的位置。例如，法兰116可以插入到图像传感器件168的一个缝69内，此缝一般都会有的，使集成电路器件，如电荷耦合器件芯片的管脚定位到PCB上。所以，法兰有助于确定光学板64在PCB 66上的位置。从图7中可以看出，集成光路系统62用螺丝77A固定到一起。

再参照图7，虽然图7没有按比例绘制，但能够很好地知道128,130,134,136,138,140和142这几个面的曲率，对准关系及相对位置。可以看出，窄孔92中的光源90以预选的角度照射非球面照明透镜128，使来自光源90的光被照明透镜128，使来自光源90的光被照明透镜128以临界角或更大的角度分布到台板130上。在图8中，画出了垫片110和非抛光面112。将非抛光面112延伸到近照明透镜128的局部，接近边缘部分，来自光源90的光便不被阻挡，而是充满台板130从前边缘94到后边缘96的范围。

如图7中所示，第一环形面136的形状表示成一半径在y轴上的曲线，而在图9中，是另一半径在x轴上的曲线。第二环形面140的形状在图7和图10中以正交图示出。第二环形面140的长轴沿y方向(图7)，而其相对窄的面在x方向(图10)。图7还表明非球面成像透镜142与图像传感器件168互相对准。包含手指数据或指纹信息的倏逝波图像光线被非球面成像透镜142均匀地传递到图像传感器件168的上表面。此外，非球面成像透镜142放置在这样的位置上，使其孔径光阑位于照明透镜128的标称焦点处。这样一来，大部分辐射能够传送给外部图像传感器件168。

在此优选的实施例中，光活化区域，即倏逝波图像光线传播通过的光学板64部分，约为宽0.75″×高0.31″×长2.00″。包括辐射源安装架(壁122和窄孔104)和安装在PCB 66上的外部图像传感器件168在内，总尺寸增大到约宽0.75″×高0.75″×长2.50″。

在图11中，沿y方向，即光的传播方向，详细画出倏逝波图像的传播或传递，且光学板64画成剖面图。光源90发出的辐射一般是发散型式，由非球面照明透镜128转变成略微会聚的光束。照明透镜128将辐射从光源扩展到台板130的前边缘94至后边缘96，所以在台板130的倏逝波图像数据能够传递到图像传感器件168。经过全内反射(TIR)，图像数据从台板130反射到表面134,136,138,140以及通过成像透镜142。图像波在向第二平表面138传播过程中会聚，且在到达第二环形面140之前，图像波会聚到照明透镜128的标称焦点(FP)处。之后，图像波的前边缘与后边缘颠倒，所以，来自台板前边缘94的数据传到第二环形面140的后边缘，反之亦然。于是，颠倒的图像通过成像透镜142从光学板64射出，并传递到外部图像传感器件168。

在图12中，画出了同一个倏逝波图像传播，这是一个正面图，即，画出x方向，此方向与光学板64中光传播方向正交。从此图中可以看出，倏逝波图像会聚在第二平表面138与第二环形面140之间的焦点FP上。从图12和图13的视图中可以了解来自光源90辐射的锥状会聚。此外，在这两个方向上总的放大率或扇形最好是相同形状。例如，可以得到在x轴和y轴(图11和图12)有几乎一致放大率M的构造。

在图13中，画出了非平坦面检测装置的第二个实施例，其中与第一个实施例中有共同特征的给予相应的参考数字。除了以下特别说明以外，本实施例也采用这种创造性的透镜安排，它适合于减少或消除光学板64内的几何透视畸变和象散，并采用上面所述光源90照明。然而，对于其某些数据库和安全保密应用，可能要求扫描信息以补充指纹数据，或者完全是别的信息，如条形码或其他数据。因此，除了光学板64的各项特性以外，图13的光学系统62’还包括安装在PCB 66’上的光源200，为的是照射几乎垂直或基本上垂直于底面88的光学板64’。在这种取向下，光源200辐射的光在展示面31下面A处进入光学板64’，并由此通过到达相对的边缘B，光在B点以略微偏离光学板64’上表面86法线的角度向外折射。从光源200辐射的光然后照明一般位于B点上面的物体202，但此物体未必与展示面31接触或平行。物体202可以包含条形码BC或其他非平坦面，需要传递到图像传感器件204(即图像传感器件168)。图像传感器件204可以是一线型CCD芯片，如一般用在收款处或工业应用的条形码扫描。或者，第一个实施例的图像传感器件168，最好是一个包括图像面积传感器(IAR)的CCD芯片，利用扫描复位脉冲提前中断面积扫描式样，因此仅仅使用CCD阵列中很少行线，该图像传感器件便可以用作一个限场CCD或线型CCD。在此方式下，只利用了CCD面积扫描那部分接收来自物体的传递图像。安装在PCB66’上的其他增补电子元件70A,B,…N(剖面图上未画出，但可参照图4)可能包括对图像传感器件168扫描循环复位电路，图像传感器件168在这种电路的控制下运行，在这方面，熟知此专业的人员是明白的，还可能包括切换运行模式的电路，在第一个实施例和第二个实施例两种填式之间切换。

在本实施例中，光学板64’包括在台板130后边缘96附近的线性棱镜元件206。从物体202反射的一倍分光通过所射棱镜元件206进入光学板64’。然后，此光经反射转称到图像传感器件，像上面描述过的那样。线性棱镜元件206可以整体地在光学板64’上形成，不管如何，此棱镜元件总是以一个抑制TIR的角度安装或形成在光学板上，换句话说，此角度适合于折射方式传送。

用一窄槽(未画出)控制物体202，如信用卡，的运动，便可以对二维条形码进行扫描。这个槽可以与展示面31成一整体，尤其是，可以作为手动限位器或触觉反馈装置的一个部分，也可以作为台板130上操作员手指32位置的指示器。

利用热敏纸可以在远离光学板64’的位置上获取指纹，此后再传递到图像传感器件。例如，热敏纸对于人体温度的响应是在纸上记录下指纹图像。利用图13中非平坦面检测装置，通过反射热敏纸(此纸起到了实例应用中物体202的作用)上的指纹图像数据，于是，该图像变转换成数字格式。

作为上面两个实施例中任一个或两个的改进，可以增加一个外部图像传感器件168,204的快门装置以提高其分辨率，快门装置在打开与关闭位置之间变换。当外部图像传感器件处在打开位置时，来自展示板130的倏逝波图像或从棱镜元件206来的条形码数据BC就被获取。所以，就在缩短的时间间隔内获取了其图像正在被传递的物体(手指32或物体202)，缩短的时间间隔减少了图像传感器件的曝光时间，从而限制了物体任何运动的效应，否则可能使传递图像模糊。要不再添加器件，光学系统62’可以包括一个间歇地照明台板的频闪装置，或许是一个驱动图像传感器件的驱动器，使它从台板130获取倏逝波图像数据或者从棱镜元件206获取条形码BC图像数据。用脉冲方法间歇地激励光源，此光源可以在较高的发射功率下运行，在一较短时间间隔内提供名义上相同能量而不会过热或受损。最好是，促使外部传感器件获取图像的驱动器与台板或棱镜面的间歇照明同步。利用普通的机械装置或电子器件可以完成快门或频闪功能或快门和频闪两个功能。

透镜的表面形状和不规则应该在20个条纹以内。关于透镜的外观状态，每个透镜面上的划痕宽度不大于60μm，小坑宽度不大于40μm。每个透镜轴或制模工具垫块应该研磨，抛光或研磨加抛光，加工到0°1′30″之内。最后，环形面上的透镜中心度应该是+0.002″，其他透镜面上的中心度应该是±0.005″。

图像传感器件168可以是一普通的CMOS CCD器件。图像面积传感器(IAR)最好能分辨每英寸500点(500DPI)。普通的CCD芯片有510×494像素，每个像素数字化成8比特。500DPI是若干种指纹特征检测系统所采用的基准分辨率，包括美国联邦调查局(FBI)的指纹识别系统以及美国申请序列号No.08/036,845公布的系统，1993年3月25日申请，Shen：“检测指纹灰级图像特征的方法和系统”，转让给Cogent Systems公司。数字化信号可以滤波以(a)去除背景噪声、和(b)实现边缘增强。边缘增强方法使图像锐化并填充指纹脊的一些错误孔隙。此信号然后输入到指纹特征检测系统，如上述系统中任一个。与特定的应用有关，该信号信息量为16K和40K。

例如，若指纹信息用导线传输，则40K信号能够很容易传输。然而，为了提高效率，数字处理器还可以有数字压缩，使信息量下降至16K，该信号可以用无线电线路传送，熟知此专业的人们是清楚的。获取的指纹图像数据存贮在小于约1K的存储器内，例如，贮存在Symbol规定的条形码中，在半导体存储器(RAM,DRAM,SRAM,EPROM,PROM,ROM)中，或在光学介质，或磁性介质(CD ROM Laserdisk,Minidisk，硬盘或软盘)上，熟知此专业的人们是明白的。

在此优选的实施例中，光源90发光在以565nm(肉眼看到的是绿色)为中心的很小波长范围内，最好是在550nm至600nm范围。虽然也可以使用其他波长，选择这些推荐的波长是因为，这些波长在图像传感器件168中能损供清晰的图像，且对于肤色指纹有最佳的反差。通常，当选择的图像传感器件是CCD芯片时，光源射出的中心波长选择在CCD芯片的灵敏度峰值处，为的是使图像传感器件有高灵敏度。此中心波长是在约565nm中收波长的范围以外。然而，因为光学板64有效地将光反射到图像传感器件，本设计为了有利于图像质量而牺牲一些灵敏度，这是光学设计工程师在互相矛盾的设计准则之间所做的抉择。在所选光源的射出波长下，通过最大限定减少几何畸变优化光学设计，在台板130与图像传感器件168中间选取了几个反射面。

有关某些反射面，上面优选的实施例中已经描述了，但是还可以包括其他的几个反射面，为的是在很小的空间内获得更大的光程长。这几个反射面也可以是TIR的，那么就不需要任何特殊的反射膜层，或者也可以镀上反射膜以保证实现TIR。

如在本专利申请说明书中所用的，非平坦面指的是，在不规则表面起伏的实际意义下非平坦，或在有反差表面的光学意义下非平坦，特别是，并列的黑和白图像，如条形码BC。

在本专利申请说明书中所用的术语“指纹”指的是左、右手上任一手指上形成的脊和沟图案，包括小指，无名指，中指，食指以及姆指。此处所用术语“图像处理系统”指的是压缩，分析和匹配等程序，这些程序可以与本发明的集成电路系统结合使用。此外，此处所用的术语“台板”包括棱镜元件206，尽管上面讨论中所用的此术语是另一种意义。

从以上描述中可以清楚看到，只要不偏离本发明的精神实质和重要特性，本发明可以表示成别的具体形式。因此，举例，虽然已画出并说明非平坦图像传递装置的两个实施例，本发明不局限于这两个实施例。只要其他的结构适合于保持上面描述的几何保真度，这些结构被认为是在本发明的范围内。所以，现在公开的几个实施例在各个方面都看成是用作说明的而不是限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书规定，而不局限于上面的描述。

Claims (32)

1．一个光学板，它将台板上的图像传递到外部的图像传感器件，此台板有一全内反射物体接触面，用于产生倏逝波图像光线，该光学板包括：

非球面照明透镜，它有一标称焦点；

第一反射面，它位于标称焦点的一侧；

第二反射面，它位于标称焦点的另一侧；以及

成像透镜，它有孔径光阑，此成像透镜放置在某个位置上，使孔径光阑位于照明透镜的标称焦点处，来自台板的倏逝波图像光线被第一反射面和第二反射面反射，被成像透镜接收并将其传递到光学板以外的位置上。

2．根据权利要求1的光学板，其中第一反射面包含缩小光阑装置，用于在第一方向上遮挡光，第二反射面包含缩小光阑装置，用于在第二方向上遮挡光，因此，台板上放置的物体被清晰地聚焦到光学板以外的位置上。

3．根据权利要求2的光学板，其中第一方向与第二方向正交。

4．根据权利要求3的光学板，其中第一反射面和第二反射面在不同的平面内。

5．根据权利要求1的光学板，其中第一反射面为一平面结构。

6．根据权利要求1的光学板，其中第二反射面为一环形面结构。

7．根据权利要求19的光学板，其中辐射源沿着非球面照明透镜的光轴对准。

8．根据权利要求1的光学板，其中所述第一面和第二面中至少有一个面含反射膜。

9．根据权利要求1的光学板，还包括几个附加的反射面，用于增大光程长度到足以提供预选好的图像放大倍数。

10．根据权利要求1的光学板，其中孔径光阑包含非反射面。

11．根据权利要求1的光学板，其中非球面照明透镜，第一反射面，第二反射面和成像透镜的每一个与光学板成一整体。

12．根据权利要求1的光学板，其中非球面成像透镜放在离轴的位置上。

13．根据权利要求12的光学板，还包括一个第三面，第三面位于标称焦点的一侧，第二面和第三面是环形面，其具有的光焦度控制倏逝波图像光线的传播方向，使第二面和第三面与离轴非球面成像透镜连同作用以减少光学板以外位置处的几何畸变和象散。

14．一个被来自辐射源的光照明的光学板，包括：

台板，它有一全内反射的物体接触面，用于产生倏逝波图像光线；

非球面照明透镜，它有一标称焦点；

第一平面，用于反射来自台板的倏逝波图像光线；

第一环形面，用于反射来自第一平面的倏逝波图像光线；

第二平面，它位于标称焦点的一侧，用于反射来自第一环形面的倏逝波图像光线；

第二环形面，它位于标称焦点的另一侧，用于反射来自第二平面的倏逝波图像光线；以及

成像透镜，它有一孔径光阑，此成像透镜的放置使孔径光阑位于照明透镜的标称焦点处，成像透镜接收从第二环形面反射的倏逝波图像光线，并将其传递到光学板以外的位置上。

15．根据权利要求14的光学板，其中倏逝波图像光线包含有关物体与台板接触点的接触点信息。

16．根据权利要求15的光学板，其中接触点信息是剧烈衰减的倏逝波图像光线和无倏逝波图像光线之一。

17．根据权利要求14的光学板，其中非球面成像透镜在离轴的位置上。

18．根据权利要求17的光学板，其中第一环形面和第二环形面具有的光焦度控制倏逝波图像光线的传播方向，使第一环形面和第二环形面与离轴非球面成像透镜共同作用以减少图像传感器件上的几何畸变和象散。

19．与辐射源和外部成像器件组合，光学板将台板上的图像传递到外部图像传感器件，该台板包括全内反射的物体接触面，此接触面用于产生倏逝波图像光线，台板被来自辐射源的光照明，该光学板包括：

非球面照明透镜，此透镜以来自辐射源的光照明台板，有一标称焦点的非球面照明透镜用于会聚来自辐射源的光；

第一反射面，位于标称焦点的一侧；

第二反射面，位于标称焦点的另一侧；

成像透镜，此透镜有一孔径光阑，成像透镜的放置，使孔径光阑位于照明透镜的标称焦点外，来自台板上的倏逝波图像光线，经第一反射面和第二反射面反射，被成像透镜接收并传递到外部图像传感器件。

20．根据权利要求19的组合，还包括间歇地照明台板的频闪装置。

21．根据权利要求20的组合，还包括驱动外部图像传感器件并使其收集来自台板的倏逝波图像光线的驱动装置。

22．根据权利要求21的组合，其中驱动装置与台板的间歇照明同步驱动外部图像传感器件。

23．根据权利要求19的组合，还包括快门装置，此快门装置用于选择性地在打开与关闭位置之间开关外部图像传感器件。

24．根据权利要求19的光学板，其中非球面成像透镜放在离轴的位置上。

25．根据权利要求25的光学板，还包括一个第三面，此第三面位于标称焦点的一侧，第二面和第三面是环形面，其具有的光焦度控制倏逝波图像光线的传播方向，使第二面和第三面与离轴非球面成像透镜共同作用以减少图像传感器件上的几何畸变和象散。

26．根据权利要求23的组合，还包括驱动外部图像传感器件并使其收集来自台板的倏逝波图像光线的驱动装置。

27．根据权利要求27的组合，其中驱动装置与快门装置的选择性快门同步驱动外部图像传感器件。

28．与权利要求1中的光学板组合，光学板的台板有一图像传递面，该组合还包括：

辐射源，此辐射源基本上与台板垂直，且位于图像传递面之下；以及

线性棱形元件，此元件适合于将图像传递面附近物体的图像光线以反射方式传递到第一反射面和第二反射面和成像透镜，不用非球面照明透镜。

29．根据权利要求29的组合，其中线性棱形元件以折射透射角度安装到光学板上。

30．根据权利要求29的组合，还包括外部图像传感器件。

31．根据权利要求31的组合，其中外部图像传感器件是一线型CCD。

32．根据权利要求31的组合，其中外部图像传感器件是一图像阵列传感器CCD，该组合还包括复位装置，此复位装置在图像传感器件对整个图像传感器件阵列扫描之前复位图像传感器件，使其仅仅对足以接收线性棱形元件传递的图像光线的区域扫描。

Images