CN1286052C - 指纹输入设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够获得具有足够对比度的指纹图像的指纹输入设备。这种指纹输入设备包括：二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像；以及透明固体薄膜，它被安装在二维图像传感器的图像采集表面上，当二维图像传感器采集指纹图像时，指纹测量部分被固定在透明固体薄膜上，其中通过一个空气层，该指纹输入设备采集指纹测量部分中的指纹脊线部分的图像作为光亮部分，采集指纹测量部分中的指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，而且其透明固体薄膜的折射率满足使图像的对比度超过一个给定值。

Description

指纹输入设备

技术领域

本发明涉及一种指纹输入设备，尤其涉及一种利用二维图像传感器直接获取指纹图像的指纹输入设备。

背景技术

常规上，这类指纹输入设备通常使用诸如透镜、棱镜及光纤等光学元件使光以一个预定的角度照射到指尖的指纹上，将指纹反射回来的光会聚起来并输出一个指纹图像。另外，一种利用静电容量直接输入指纹图像以代替利用光学系统获取指纹图像的系统已被研制出来。

已经对一种利用光学器件直接输入指纹图像的系统进行了研究。在这种系统中已知有一个光反射系统和一个光传输系统，前者可使光照射到指尖的皮肤上并且使用其反射光，后者则用于将光输入到手指上并且在光纤束的端面上接收从手指表面发出的光。

但是，根据这些常规的指纹输入设备，如果使用诸如透镜、棱镜或光纤等光学元件，则需要确保光学元件自身的尺寸、结合位置或类似情况达到一定程度。另外，光学元件相对较贵，这个缺点使得指纹输入设备在尺寸上不能够被制作得薄而小，而且也不能以低成本来制造设备。此外，如果指纹图像由光学元件进行光学处理，则所获得的图像会不利地趋向于失真。

另一方面，利用静电容量直接输入指纹图像的系统，其缺点在于，该设备对外部的静电反应很弱，因而很难获得良好的灵敏度。

另外，还有一种常规上已知的用于直接获取指纹图像的光学反射型指纹输入设备。根据这种指纹输入设备，光通过传感器内的缝隙从传感器的背面照射到一个面对二维图像传感器正面的手指上。在指纹脊线部分(其中有一个薄膜被放置在二维图像传感器与手指之间并与手指相接触)内，照在手指上的光将进入手指而不被接触表面反射。在指纹的凹谷部分(其中薄膜不与手指接触)内，不被薄膜反射的光以及从薄膜发出的光被手指表面反射并且再次通过薄膜入射进二维图像传感器。因此，通过判断反射光是否入射进二维图像传感器就可以将指纹的脊线部分与指纹的凹谷部分区分开来。根据这种设备，它需要将光从传感器的背面加到与二维图像传感器的正面相面对的手指上。结果，在传感器元件之间需要有许多使光通过的部分，这些使光通过的部分会降低传感器元件的密度，损失传感器的分辨率，从而需要具有特殊结构的传感器，由此使制造成本升高。另外，这种设备具有一个操作缺陷，即，如果有环境光(干扰光)从手指的测量目标表面以外的部分进入手指、在手指中散射、穿过指纹脊线部分与薄膜之间的接触面而入射进光学图像传感器，则入射光的强度几乎与反射光的强度相等，这样就不能获取指纹图像。

另外，常规上已知的传输型指纹输入设备利用了这样一种现象，即，如果手指按压在光纤束的端面上并且有光照射在手指上，则指纹图像将会出现。因此，需要使用一种完整无缺并且较长的光纤束或者这种光纤的短切片。结果，指纹输入设备在尺寸上将会不利地变大或者会使制造成本不利地升高。另外，由于将光纤做得十分短(即，切割出很薄的光纤)是有限度的，因此它不利地限制了使设备变薄的尝试。另外，对指纹输入设备的需求已被广泛扩展到各个领域。结果，就需要考虑这样一种情况，即，要求器件像IC卡一样被弯曲以用于粘在诸如各类把手、书写工具或杆状物(如笔状指示器)等等的曲面上。因此，仅提供常规的使用单晶硅的并且一点不能弯曲的二维图像传感器是不够的。

为了解决上述这些问题，本发明的发明人在日本未决专利申请No.2000-217803中公开了一种指纹输入设备。该指纹输入设备是一种光传输型设备，它没有采用光纤而是采用了一个二维图像传感器以及一个放置在二维图像传感器之上的面板，该面板由一种诸如玻璃的透明构件制成，其上用于放置手指尖。这种指纹输入设备将其中面板与手指相接触的指纹脊线部分检测为明亮部分、将其中面板与手指不相接触的指纹凹谷部分检测为黑暗部分。该指纹输入设备还包括第一光源和第二光源，前者用于将光照射到指尖的顶端，后者则用于将光照射到手指的第一个指节附近。从这些光源发出的光进入指尖部分并且在指尖部分中散射，有一部分散射光被指向指纹区域。因此，它可以提高二维图像传感器所检测出来的指纹图像的对比度。

但是，日本未决专利申请No.2000-217803只公开了可以采用玻璃作为指纹输入设备中所用的面板，而并没有指出面板材料的折射率以及面板的厚度。结果，取决于面板材料的折射率，指纹图像并不总是具有足够的对比度。另外，取决于面板的厚度，指纹图像也并不总是具有足够的对比度，而且其对二维图像传感器的保护功能也并不总是足够的。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而被提出的。因此，本发明的一个目的是提供一种能够获取呈现足够对比度的指纹图像的指纹输入设备。

本发明的另一个目的是提供一种对二维图像传感器具有足够保护功能的指纹输入设备。

本发明还有一个目的是提供一种可弯曲的指纹输入设备。

根据本发明，提供了一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像，所述指纹测量部分具有指纹脊线部分和指纹凹谷部分；以及

透明固体薄膜，它被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述透明固体薄膜上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的所述指纹脊线部分的图像作为光亮部分，并且采集所述指纹测量部分中的所述指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.4≤n₃≤5.0。

根据本发明，提供了另一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分采集指纹图像，所述指纹测量部分具有指纹脊线部分和指纹凹谷部分；以及

透明固体薄膜，它被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述透明固体薄膜上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的所述指纹脊线部分的图像作为光亮部分，并且采集所述指纹测量部分中的所述指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，

所述透明固体薄膜的折射率n₃满足一个条件，即，对比度C₀等于或大于噪声幅度被给出时获取指纹识别的信噪比的值，所述对比度C₀被定义为所述透明固体薄膜的厚度接近于零的情况，它可以通过在一个满足所述透明固体薄膜的折射率n₃≥所述手指的皮层的折射率n₁＞空气的折射率n₂＝1.000的第一条件下，将公式2和3代入公式1而获得，也可以通过在一个满足所述手指的皮层的折射率n₁＞所述透明固体薄膜的折射率n₃＞空气的折射率n₂＝1.000的第二条件下，将公式2和4代入公式1而获得，

其中所述公式1如下：

C₀＝(P_3L-P_3D)/P_3L

其中：

P_3D：指纹凹谷部分正下方各个方向的下行光的功率

P_3L：指纹脊线部分正下方各个方向的下行光的功率

其中所述公式2如下：

P_3D＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→②)}t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)

其中：

θ_c(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)

t_D(①→②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

       ·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)

t_D(②→③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

       ·(1+1/cos(θ_2Di-θ_3D))

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ^2Di)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

其中所述公式3如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       ·(1+1/cos(θ_1L-θ_3L))

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)

θ_1L：光入射到指纹脊线部分之内的透明固体薄膜上的入射角

以及其中所述公式4如下：

P_3L＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→③)}t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

θ_c(①→③)＝sin^-1(n₃/n₁)

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       /sin²(θ_1L+θ_3L)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)

根据本发明，提供了又一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像；以及

多个安装于所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上的微透镜，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述多个微透镜之上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的指纹脊线部分的图像作为光亮部分，采集所述指纹测量部分中的指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述多个微透镜中的每一个的折射率的范围都为1.4≤n₃≤5.0”。

根据本发明，提供了再一种指纹输入设备，其特征在于包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像；以及

多个安装于所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上的微透镜，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述多个微透镜之上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的指纹脊线部分的图像作为光亮部分，采集所述指纹测量部分中的指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述微透镜的折射率n₃满足一个条件，即，对比度C₀等于或大于噪声幅度被给出时获取指纹识别的信噪比的值，所述对比度C₀被定义用于所述微透镜的厚度接近于零的情况，它可以通过在一个满足所述微透镜的折射率n₃≥所述手指的皮层的折射率n₁＞空气的折射率n₂＝1.000的第一条件下将公式2和3代入公式1而获得，也可以通过在一个满足所述手指的皮层的折射率n₁＞所述微透镜的折射率n₃＞空气的折射率n₂＝1.000的第二条件下将公式2和4代入公式1而获得。

其中所述公式1如下：

C₀＝(P_3L-P_3D)/P_3L

其中：

P_3D：指纹凹谷部分正下方各个方向的下行光的功率

P_3L：指纹脊线部分正下方各个方向的下行光的功率

其中所述公式2如下：

P_3D＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→②)}t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)

其中：

θ_c(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)

t_D(①→②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

       ·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)

t_D(②→③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

       ·(1+1/cos(θ_2Di-θ_3D))

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ_2Di)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方的空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

其中所述公式3如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       ·(1+1/cos(θ_1L-θ_3L))

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)

θ_1L：光入射到指纹脊线部分之内的透明固体薄膜上的入射角

以及其中的公式4如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^{θc(①→③)}t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

θ_c(①→③)＝sin^-1(n₃/n₁)

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       /sin²(θ_1L+θ_3L)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)为了达到提供足够对比度的目的，对光在手指和与手指相接触的透明固体部分之间的折射、反射以及传输情况进行了详尽的分析。作为结果，发现了以下情况。在指纹脊线部分中，在手指与透明固体部分之间的交界面上光的反射几乎为零，并且光被从手指射进透明固体部分。在指纹凹谷部分中，在手指皮肤与透明固体部分之间产生了一个空气层。由于这个原因，手指内部与空气层之间的折射率差异很大，并且空气层与透明固体部分的折射率差异也很大。结果，在指纹凹谷部分中，两个交界面上的反射系数很高，而且当来自手指的散射光射进透明固体薄膜时，将会产生与两个反射系数的乘积相对应的反射损失。另外，当光从手指内部射入空气时，由于手指的折射率与空气折射率之间的关系，所以存在一个临界角。从而会导致产生这样一种现象，即，在手指内部只有约一半的散射光被射入空气。虽然本发明属于光传输类型，但本发明中不使用光纤束的结构却造成了这些有利现象，因而可以获得更加可靠的指纹脊线图像，即，与使用光纤束的常规系统相比，其脊线图像的遗漏部分较少。

首先，一种薄膜被用作与手指相接触的构件(即，透明固体薄膜)，该薄膜具有这样一种硬度，即，如果手指放在该薄膜上，则指纹的脊线部分将发生一定程度的变形并且与薄膜紧贴在一起，而且薄膜不陷入指纹的凹谷部分。这种透明固体薄膜还应起到二维图像传感器表面的保护器作用。因此，必须选择一种坚硬的薄膜。但是，这种必要性不能与上述条件相抵触。另外，如果透明固体薄膜具有充分小于相邻指纹脊线的间距的厚度，则可以形成清晰的指纹图像。

以下将对透明固体薄膜的折射率进行考虑。

手指皮层根据指尖的干燥程度以及个人情况而具有不同的折射率。但是，水的折射率为1.33，脂肪的折射率为1.4至1.5，由动物蛋白构成的羊毛的折射率为1.56。因此，如果据估计手指皮层的水成分为40至50wt％、其脂肪成分为10wt％、蛋白质成分为50至40wt％，则手指皮层的折射率处于1.43至1.46的范围之内，或者若将估计误差考虑在内，则手指皮层的折射率应处于1.4至1.5的范围之内。

根据日本未决专利申请No.2000-217803所公开的指纹输入设备，与本发明所述透明固体薄膜相对应的面板材料为玻璃。玻璃的折射率根据玻璃类型的不同而不同，具体如下：

石英玻璃(SiO₂)：1.458

耐热玻璃(Na₂O-B₂O₃-SiO₂)：1.47

碱石灰石英玻璃(Na₂O-CaO-SiO₂)：1.51至1.52

重火石玻璃：1.6至1.7

B₂O₃玻璃：1.456

36BaO 64B₂O₃玻璃：1.630

50PbO 50B₂O₃玻璃：1.878

GeO₂玻璃：1.607

BeF₂玻璃：1.2747

20LiF 30NaF 50BeF₂玻璃：1.315

25NaF 25BaF₂ 50ZrF₄玻璃：1.523

7LaF 33ThF₄ 60ZrF₄玻璃：1.547

仅从上述各个例子中可以看出，玻璃的折射率范围为1.2747至1.878。该范围包括了手指的折射率的范围并且宽于后者。

与此同时，为了获得作为指纹图像的二进制图像，则应在指纹脊线部分与指纹凹谷部分之间呈现出对比度。如果将因干扰光和电路内产生的噪声而引起的的噪声影响考虑在内，则指纹脊线部分与指纹凹谷部分之间的对比度最好较高。因此，以下将利用图1所示的模型对透明固体薄膜的折射率与对比度之间的关系进行说明。

图1中，各个符号分别代表以下内容：

①：手指皮层部分

②：空气层(参考序号7)

③：透明固体薄膜(参考序号4)

n1：手指皮层的折射率

n2：空气折射率

n3：透明固体薄膜的折射率

θ_1L：指纹脊线部分内透明固体薄膜上光的入射角

θ_3L：指纹脊线部分之下透明固体薄膜上光的出射角

θ_1D：指纹凹谷部分中空气层上光的入射角

θ_2D：指纹凹谷部分之下空气层上光的出射角

θ_2Di：从指纹凹谷部分之下的空气层入射到透明固体薄膜的光的入射角

θ_3D：从指纹凹谷部分之下的空气层出射到透明固体薄膜的光的出射角

β_1L：以θ_1L角入射至手指皮层的内部与位于指纹脊线部分中的透明固体薄膜之间的交界面上的光功率(由于光功率被均匀地分布在手指皮层内的各个方向之中，所以β_1L＝β₁，其中p₁代表手指皮层内任意方向中的光功率)

p_1D：以θ_1D角入射至手指皮层内部与位于指纹凹谷部分中的空气层之间的交界面上的光功率(P_1D＝P₁)

p_2D：以θ_2D角从手指皮层内部与位于指纹凹谷部分中的空气层之间的交界面上出射的光功率

P_2Di：在指纹凹谷部分内所生成的在空气层中进行散射的光中，以θ_2Di角入射到空气层与透明固体薄膜之间的交界面的光的入射功率

p_3L：以θ_3L角从手指皮层与位于指纹脊线部分中的透明固体薄膜之间的交界面上出射的光功率

p_3D：以θ_3D角从空气层与位于指纹凹谷部分中的透明固体薄膜之间的交界面上出射的光功率

在因透明固体薄膜的厚度而造成对比度减小之前的对比度C₀由以下公式定义：

C₀＝(P_3L-P_3D)/P_3L

＝(P_3L/P₁-P_3D/P₁)/P_3L/P₁

＝(T_L(①→③)一T_{D(①→②→③)})/T_L(①→③)

其中：

P_3D：指纹凹谷部分正下方各个方向的下行光的光功率

P_3L：指纹脊线部分正下方各个方向的下行光的光功率

P₁：存在于手指皮层部分中的下行光的光功率

T_D(①→②→③)：指纹凹谷部分的正下方区域的各个方向上的光的透射率(从手指皮层部分①射向空气层②，在空气层②中散射，并且入射到透明固体薄膜③上的光的透射率)

T_L(①→③)：射向指纹脊线部分的正下方区域的各个方向上的光的透射率(直接从手指皮层部分①入射到透明固体薄膜③上的光的透射率)

这里，折射率条件涉及到两个条件，即，第一折射率条件：n₃≥n₁＞n₂＝1.000以及第二折射率条件：n₁＞n₃＞n₂＝1.000。

在第一折射率条件下，以下公式适用于指纹凹谷部分：

凹谷部分：P_3D＝(p₁∫₀ ^θct_D(①→②)dθ)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ)…(2)

在第一折射率条件下，以下公式适用于指纹脊线部分：

脊线部分：P_3L＝(p₁∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ)…(3)

在以上公式中，

t_D：凹谷部分中各个入射角的光的透射率

t_L：脊线部分中各个入射角的光的透射率

在第二折射率条件下，与第一折射率条件的情况一样，以下公式适用于指纹凹谷部分：

凹谷部分：P_3D＝(p₁∫₀ ^θct_D(①→②)dθ)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ)…(2)

在第二折射率条件下，以下公式适用于指纹脊线部分：

脊线部分：P_3L＝(p₁∫₀ ^{θc(①→③)}t_D(①→③)dθ)…(4)

透射率t_D和t_L分别是光强中P分量和S分量的平均透射率。即，t_D和t_L由以下公式表示：

t_D＝(t_PD+t_SD)/2            (5)

t_L＝(t_PL+t_SL)/2            (6)

这里，t_P的一般公式表达如下：

t_P＝(sin2θ_i·sin2θ_o)/(sin²(θ_i+θ_o)·cos(θ_i-θ_o))…(7)

t_s的一般公式表达如下：

t_s＝(sin2θ_i·sin2θ_o)/sin²(θ_i+θ_o)…(8)

因此，平均透射率t的一般公式表达如下：

t＝(1/2)·(sin2θ_i·sin2θ_o)/sin²(θ_i+θ_o)(1+1/cos(θ_i-θ_o))…(9)

在这些公式中，

θ_o＝sin^-1(n_i/n₀sinθ_I)    (10)

其中

θ_i：入射角

θ_o：出射角

n_i：入射光一侧的折射率

n_o：出射光一侧的折射率

θ_o由θ_i单一决定

从公式(10)中可以得到以下公式：

n_osinθ_o＝n_isinθ_i    (10′)

另外，当n_i＞n_o时，通过以下公式可获得临界角θ_c：

θ_c＝sin^-1(n_o/n_i)

从上述公式可以看出，在第一折射率条件下，以下公式适用于指纹凹谷部分：

P_3D＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→②)}t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)…(12)

其中

θ_C(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)                              …(13)

t_D(①→②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))                                 …(14)

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)                              …(15)

t_D(②→③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

       ·(1+1/cos(θ_2Di-θ_3D))                         …(16)

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ_2Di)                             …(17)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方的空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

另外，在第一折射率条件下，以下公式适用于指纹脊线部分：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ_1D)                    …(18)

其中

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       ·(1+1/cos(θ_1L-θ_3L))                          …(19)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)                              …(20)

θ_1L：光入射到指纹脊线部分之内的透明固体薄膜上的入射角

在第二折射率条件下，与第一折射率条件的情况一样，以下公式适用于指纹凹谷部分：

P_3D＝(|p₁|·∫₀ ^{θc(①→②)}t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)…(12)

其中

θ_C(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)                              …(13)

t_D(①→②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))                                 …(14)

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)                              …(15)

t_D(②→③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

       ·(1+1/cos(θ_2Di-θ3_D))                         …(16)

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ_2Di)                             …(17)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方的空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

另外，在第二折射率条件下，以下公式适用于指纹脊线部分：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^{θc(①→③)}t_L(①→③)dθ_1D)             …(21)

其中

θ_C(①→③)＝sin^-1(n₃/n₁)                              …(22)

t_D(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       /sin²(θ_1L+θ_3L)                                …(23)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)                              …(24)

因此，在第一折射率条件下，可通过将公式(12)和(18)代入公式(1)而获得对比度C₀。在第二折射率条件下，可通过将公式(12)和(21)代入公式(1)而获得对比度C₀。

接下来将对利用上述公式得到的对比度计算结果进行说明。图2和图3显示出了透明固体薄膜的折射率与利用上述公式计算出来的对比度之间的关系。为了便于图形的形成，图2中透明固体薄膜的折射率范围为1.0至2.0，图3中的折射率范围为1.0至5.0。通过连接“+”点而获得的线代表了其中手指皮层的折射率为1.4的情况。通过连接“×”点而获得的线段代表了其中手指皮层的折射率为1.5的情况。图2和图3显示出了以下内容。如果透明固体薄膜的折射率为1.0，则对比度C₀为0％。随着透明固体薄膜折射率的增加直到它等于手指皮层的折射率为止，对比度C₀相应地增加至最大值。随着透明固体薄膜的折射率从手指皮层的折射率进一步增加，对比度C₀先轻微减小然后再轻微增加。如果手指皮层的折射率为1.4，则对比度C₀的最大值约为63％，若手指皮层的折射率为1.5，则对比度C₀的最大值约为58％。

另外，图2中还显示了以下内容。如果透明固体薄膜的折射率为1.4并且手指皮层的折射率也为1.4，则对比度C₀约为60％。如果透明固体薄膜的折射率为1.4而手指皮层的折射率为1.5，则对比度C₀下降至约为50％。另一方面，如果透明固体薄膜的折射率为1.5而手指皮层的折射率为1.4，则对比度C₀约为58％，如果透明固体薄膜的折射率为1.5并且手指皮层的折射率也为1.5，则对比度C₀约为63％。因此，这就表明，如果将个人的手指皮层折射率的差异、因手指的湿度而造成的折射率的波动以及其它离差因素考虑在内，则透明固体薄膜的折射率最好不要小于手指皮层的最大折射率。作为最大值，如上所述选择例如1.5。

应该注意，对比度C₀并不总是需被设定为最大值。如果给定了一个所需的对比度，则透明固体薄膜的折射率可被设定成使得由透明固体薄膜的折射率所决定的对比度C₀变为不小于所需对比度(例如，50％)。在第一折射率条件下，由透明固体薄膜的折射率所决定的对比度C₀是通过将公式(12)和(18)代入公式(1)而被获得的。在第二折射率条件下，由透明固体薄膜的折射率所决定的对比度C₀是通过将公式(12)和(21)代入公式(1)而获得的。通过用这种方式设定对比度C₀，就可以确定透明固体薄膜的折射率的下限。另一方面，即使透明固体薄膜的折射率增大，对比度也倾向于基本不减小而是增加。因此，不能利用所需对比度C₀来确定透明固体薄膜的折射率的上限。换句话说，为了获得所需的对比度C₀，使折射率不小于一个确定值就已足够，而不需要给出对折射率上限的限制。例如，如果所需对比度C₀为40％，则可将折射率的下限确定为约1.3，而折射率的上限则不能确定。

图4至图7显示出了透明固体薄膜的折射率与在获取折射率与对比度的关系图的过程中所获得的透射率之间的关系。图4和图5是在手指的折射率为1.4的情况下的图形，图6和图7是在手指的折射率为1.5的情况下的图形。为了便于图形的形成，图4和图6中透明固体薄膜的折射率范围为1.0至2.0，图5和图7中折射率的范围为1.0至5.0。通过连接“*”点而获得的线代表了在指纹脊线部分中射向指纹脊线部分的正下方区域的各个方向上的光的透射率T_L(①→③)。通过连接“+”点而获得的线则代表了在指纹凹谷部分中射向指纹凹谷部分的正下方区域的各个方向上的光的透射率T_D(①→②→③)。图4至图7显示出了以下内容：在指纹脊线部分中射向指纹脊线部分的正下方区域的各个方向光的透射率T_L(①→③)一直增加，直到透明固体薄膜的折射率从1.00增加至与手指的折射率相等为止。透射率T_L(①→③)随着透明固体薄膜的折射率从手指的折射率向上继续增加而减小。另外，在指纹脊线部分中从各个方向射向指纹凹谷部分的正下方区域的光的透射率T_D(①→②→③)随着透明固体薄膜的折射率从1.00开始增加而单调下降。

图2和图3显示出了在透明固体薄膜的折射率不小于手指皮层的折射率的情况下对比度C₀只有很小的变化。图4至图7显示出了指纹脊线部分和指纹凹谷部分中的光的透射率随着透明固体薄膜的折射率在透明固体薄膜的折射率不小于手指皮层的折射率的范围内增加而下降。因此，如果透明固体薄膜的折射率较高，则亮度下降，S/N比(信噪比)也下降，(此处，因干扰光而产生以及在电路中产生的噪声电平被认为是一种噪声成分)并且即使在指纹脊线部分与指纹凹谷部分之间呈现出对比度，对它们进行区分的可能性也变得不准确。作为结果，就需要确定透明固体薄膜的折射率的上限，以使S/N比在假设噪声为一预定值的基础上变得不小于一个所需值。如果照射到手指上的光强增加，则由二维图像传感器检测到的指纹脊线部分和指纹凹谷部分的亮度(信号成分)也增加。但是，由手指皮层表面反射的干扰光的亮度(噪声成分)也同时增加。结果，不能通过增加照射到手指上的光强来提高S/N比。这就意味着应该通过对透明固体薄膜的折射率的上限进行限制，以将S/N比限制为不小于一个预定值。作为S/N比的所需值，可以选择(例如)10dB或20dB。

但是，应该注意，没有必要对上限作出严格的限制，因为作为透明固体薄膜的折射率增加的结果，由二维图像传感器检测到的指纹脊线部分和指纹凹谷部分的亮度(信号成分)的降低很小。如果手指皮层的折射率为1.4，则如下面表1所示，得到薄膜折射率与透射率的关系。

	n3＝1.4	n3＝2.0	n3＝3.0	n3＝4.0	n3＝5.0
						脊线部分	1.022(100％)	0.875(86％)	0.785(77％)	0.709(69％)	0.648(63％)
凹谷部分	0.411(100％)	0.375(91％)	0.325(79％)	0.288(70％)	0.259(63％)

另外，如果手指皮层的折射率为1.5，则如下面表2所示得到薄膜折射率与透射率的关系。

	n3＝1.5	n3＝2.0	n3＝3.0	n3＝4.0	n3＝5.0
						脊线部分	1.022(100％)	0.890(87％)	0.800(78％)	0.731(72％)	0.667(65％)
凹谷部分	0.406(100％)	0.375(92％)	0.325(80％)	0.288(71％)	0.259(64％)

表1和表2显示出了以下内容。如果透明固体薄膜的折射率变为2.0，则透射率下降百分之十几。如果透明固体薄膜的折射率变为3.0，则透射率下降约20％。如果透明固体薄膜的折射率变为4.0，则透射率下降约30％。如果透明固体薄膜的折射率变为5.0，则透射率下降约35％。因此，如果应将透射率的下降率抑制在百分之十几，则透明固体薄膜折射率应被设定为2.0或更小。如果应将透射率的下降率抑制在约20％，则透明固体薄膜折射率应被设定为3.0或更小。如果应将透射率的下降率抑制在约30％，则透明固体薄膜折射率应被设定为4.0或更小。如果应将透射率的下降率抑制在约35％，则透明固体薄膜折射率应被设定为5.0或更小。

如果透明固体薄膜的厚度远远小于相邻指纹脊线之间的距离，则由二维图像传感器检测出来的对比度C₁与由公式(1)表达的对比度C₀相等。否则，由二维图像传感器检测出来的对比度C₁将低于由公式(1)表达的对比度C₀，因为对比度随透明固体薄膜厚度的增加而降低。现在考虑这样一种条件，即，由一特定的二维图像传感器检测出来的对比度C₁不小于一个所需对比度C_1D。因此，需对透明固体薄膜折射率的下限进行讨论，以使通过将公式(12)和(18)或者(12)和(21)代入公式(1)而获得的对比度C₀满足此条件。只有在透明固体薄膜的厚度几乎为零的情况下，这个下限才是能够满足使对比度C₀变成C_1D的透明固体薄膜的折射率。因此，如果给出应由一特定二维图像传感器检测到的对比度C_1D，为了确定具有一定厚度的透明固体薄膜的折射率的下限，则必须对由于该透明固体薄膜的该厚度而产生的对比度C_1D的缩减进行补偿。因此，透明固体薄膜的折射率不仅由所需对比度C_1D决定，而且还由透明固体薄膜的厚度决定。但是，如果透明固体薄膜的厚度被预先设定，则透明固体薄膜的折射率将只由一个所需的对比度(它经过对因厚度而产生的缩减的补偿)决定。

然而，如上所述，如果将手指皮层折射率的离差考虑在内并且透明固体薄膜的折射率不小于手指皮层的最大折射率，则最大对比度C₀可被获得。只要折射率不是极高，透射率就不会降低。因此，就允许在将透明固体薄膜的折射率设定为手指皮层的最大折射率(在把手指皮层折射率的偏差考虑在内的情况下)之后确定透明固体薄膜的厚度。

接下来将对透明固体薄膜的厚度进行考虑。

图8是在位于指纹脊线部分中心点的正下方的X₀点上接收到的光的典型视图。图8中，符号“w”代表指纹脊线之间的距离，“t”代表透明固体薄膜的厚度，P_3L代表从指纹脊线部分发出的光的强度(＝指纹凹谷部分正下方的各个方向的下行光的功率)，P_3D(＝αP_3L)代表从指纹凹谷部分发出的光的强度(＝指纹凹谷部分正下方的各个方向的下行光的功率)，γ则代表指纹脊线部分的能率。由于指纹脊线部分与指纹凹谷部可被分区分开，所以可作一个假设，即，X₀点上接收到的光是光A_-1、光A₀以及光A₁的总和，光A_-1来自于X₀点正上方的指纹脊线部分相邻的指纹凹谷部分的一半处，光A₀来自X₀点正上方的指纹脊线部分，光A₁来自于X₀点正上方的指纹脊线部分相邻的另一指纹凹谷部分的一半处。在X₀点上接收到的光的总和I_X0由以下公式表示：

$I_{X0}=A_{-1}+A_0+A_1$

$=P_{3D}\underset{-w/2}{\overset{-\mathrm{\γw}/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}+P_{3L}\underset{-\mathrm{\γw}/2}{\overset{\mathrm{\γw}/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}+P_{3D}\underset{\mathrm{\γw}/2}{\overset{w/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}$

$=\frac{{2P}_{3L}}{t}({\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\mathrm{\α}\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\mathrm{\α}\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}})---\left(24\right)$

其中

β＝t/w。

图9是在位于指纹凹谷部分中心点的正下方的X₁点上接收到的光的典型视图。图9中，符号“w”代表指纹脊线之间的距离，“t”代表透明固体薄膜的厚度，P_3L代表从指纹脊线部分发出的光的强度，P_3D(＝αP_3L)代表从指纹凹谷部分发出的光的强度，γ则代表指纹脊线部分的能率。可以作一个假设，即，X₁点上接收到的光是光B_-1、光B₀以及光B₁的总和，光B_-1来自于X₁点正上方的指纹凹谷部分相邻的指纹脊线部分的一半处，光B₀来自X₁点正上方的指纹凹谷部分，光B₁来自于X₁点正上方的指纹凹谷部分相邻的另一指纹脊线部分的一半处。在X₁点上接收到的光的总和I_X1由以下公式表示：

$I_{X1}=B_{-1}+B_0+B_1$

$=P_{3L}\underset{-w/2}{\overset{-(1-\mathrm{\γ})w/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}+P_{3D}\underset{-(1-\mathrm{\γ})w/2}{\overset{(1-\mathrm{\γ})w/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}+P_{3L}\underset{(1-\mathrm{\γ})w/2}{\overset{w/2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{t^2+x^2}$

$=\frac{{2P}_{3L}}{t}(\mathrm{\α}{\tan }^{-1}\frac{1-\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}})---\left(25\right)$

其中

β＝t/w

因此，对比度C₁可以表达如下：

$C_1=1-\frac{I_{x1}}{I_{x0}}$

$=1-\frac{{\mathrm{\α}\tan }^{-1}\frac{1-\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}{{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\mathrm{\α}\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\mathrm{\α}\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}$

$=1-\frac{(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{1-\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}{{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}---\left(26\right)$

图10显示出了在对比度C₀为100％，即，α＝0％的情况下，透明固体薄膜的厚度和指纹脊线的距离之比β与对比度C₁之间的关系。在图10中，三条曲线分别代表了指纹脊线部分的能率γ为30％、50％及70％的情况。

从公式(26)可以计算出，在C₀＝100％的情况下，相对于30％、50％及70％的能率γ来说，满足使对比度C₁为10％和20％的β值如下表所示。

类似地，图11显示出了在对比度C₀＝60％，即，α＝40％的情况下，透明固体薄膜的厚度和指纹脊线的距离之比β与对比度C₁之间的关系。在图11中，三条曲线分别代表了指纹脊线部分的能率γ为30％、50％及70％的情况。从上述对透明固体薄膜折射率的考虑中可以明显看出，当透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率时，对比度C₀变成60％并且接近最佳值。

从公式(26)可以计算出，在C₀＝60％的情况下，相对于30％、50％及70％的能率γ来说，满足使对比度C₁为10％和20％的β值如下表所示。

因此，如果指纹脊线部分的能率为30％至50％，透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率，并且C₀为最大值60％，则透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间距离之比β应为0.64或更小，以获得10％的对比度C₁。由于指纹脊线之间的最小距离大约为100μm，所以透明固体薄膜的厚度应为64μm或更小。

另外，如果指纹脊线部分的能率为70％，透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率，并且C₀为最大值60％，则透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间距离之比β应为0.51或更小，以获得10％的对比度C₁。由于指纹脊线之间的最小距离约为100μm，所以透明固体薄膜的厚度应为51μm或更小。

类似地，如果指纹脊线部分的能率为30％，透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率，并且C₀为最大值60％，则透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间距离之比β应为0.38或更小，以获得20％的对比度C₁。由于指纹脊线之间的最小距离约为100μm，所以透明固体薄膜的厚度应为38μm或更小。

另外，如果指纹脊线部分的能率为50％，透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率，并且C₀为最大值60％，则透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间距离之比β应为0.39或更小，以获得10％的对比度C₁。由于指纹脊线之间的最小距离约为100μm，所以透明固体薄膜的厚度应为39μm或更小。

此外，如果指纹脊线部分的能率为70％，透明固体薄膜的折射率约等于手指皮层的折射率，并且C₀为最大值60％，则透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间距离之比β应为0.29或更小，以获得20％的对比度C₁。由于指纹脊线之间的最小距离约为100μm，所以透明固体薄膜的厚度应为29μm或更小。

因此，考虑到若C₁约为10％、指纹脊线部分的能率一般为50％，并且指纹脊线之间的最小距离约为100μm，则可从指纹输入设备的输出中检测出来手指，由此可见，透明固体薄膜的厚度应为64μm或更小。

与此同时，由于透明固体薄膜起到保护二维图像传感器的作用，所以透明固体薄膜很难具有完全的抗磨损性并且有可能被损坏，因此，即使薄膜在一段长的时间周期内被用过许多次之后出现磨损和损坏，也最好使透明固体薄膜具有至少不被穿孔程度的厚度。根据透明固体薄膜的硬度，该厚度可以是一个超过零的有限厚度。

另外，由于透明固体薄膜还起到了保护膜的作用，所以如果在户外使用时，透明固体薄膜越厚，其耐久性就越高。但是，如果透明固体薄膜的厚度增加，则指纹脊线部分与指纹凹谷部分之间的对比度就不能呈现出以上所述的情况。因此，为了既保证耐久性又保证对比度，可以用多个小蜂窝状的遮光壁(每个遮光壁都由遮光材料制成)将透明固体薄膜分隔开来，然后就可将透明固体薄膜做得较厚以遮挡住具有水平速度分量的光。可以通过以下办法来获得这种薄膜，即，在一具有所需厚度的遮光薄膜上穿出多个透孔，使透孔的尺寸充分小于传感器单元以及传感器单元之间的距离，使透孔高密度地排列起来，将透明固体材料注入到遮光薄膜的多个透孔中，然后再将薄膜表面压平以使其不规则度充分低于指纹的不规则度。由此获得的薄膜被紧密地粘贴在二维图像传感器的光敏部分的表面上。在这种情况下，在设定各个透孔的直径使其小于指纹脊线之间的距离后，使薄膜的厚度趋向于和指纹脊线之间的距离一样大。作为结果，透孔是纵长的透孔，这需要高级的制造技术。但是，如果采用最新的半导体制造技术，则可以很容易地制造出该设备。

另外，蜂窝状遮光壁可被形成为与二维图像传感器的各个单元对齐。这样，就可以将各个透孔的尺寸设定成与一个单元的尺寸一样大。在这种情况下，入射到透明固体薄膜上的光的利用率可以得到提高，并且各个透孔的高度与直径之比可被设定为低于没有进行对齐的情况，由此便于设备的制造。但是，在这种情况下，还需要使所有透孔的位置与二维图像传感器的各个单元的位置相一致。结果，很难先单独制造透明固体薄膜和二维图像传感器然后再将它们相互粘接起来。考虑到这个原因，就需要将透明固体薄膜的制造过程作为制造二维图像传感器过程的一部分。由于没有必要提供特殊用途的二维图像传感器而只需要一个标准的图像传感器，所以通过在制造标准二维图像传感器的方法中的最后一个过程中增加一个提供透明保护膜的过程就足够了。因此，不需要使用特殊的制造方法，也不会使制造成本大幅度地上升。

在二维图像传感器中存在着一种因指尖上产生的静电而造成的静电击穿或类似现象的负面效应，虽然它比静电容量型指纹输入设备的静电击穿现象少。为了减轻对二维图像传感器的静电击穿的恐惧，一种导电材料(例如，金属)被用作遮光材料以形成上述蜂窝状遮光壁，而且遮光壁被接地以使静电可被释放。另外，即使采用本文一开始所述的简单的透明固体薄膜，也可以通过在透明固体薄膜的表面上附着一个导电透明薄膜并使该导电透明薄膜接地，而使产生于指尖之上的静电得到释放。作为导电透明薄膜材料，可以采用(例如)氧化锡或ITO(铟-锡氧化物)。需要使导电透明薄膜的折射率高于手指的折射率而不高于透明固体薄膜的折射率。但是，由于含有诸如氧化铟等具有大原子量的金属氧化物的透明材料的折射率大于1.5，由此满足前一个条件，所以通过适当选择具有能够满足后一个条件的折射率的透明固体薄膜的折射率就可使两个条件都被满足。

对于光传输型指纹输入设备，照射到指纹测量部分(具有指纹的部分)以外的手指表面的干扰光起到了一种光源的作用，并且不会对指纹的输入产生负面影响。但是，异常强的干扰光或者照射在其一部分未被手指盖住的二维图像传感器的光敏部分上的干扰光是不需要的。考虑到这一点，通过将一个红外滤波器紧密附着在二维图像传感器的光敏部分上，并且利用红外线作为待被照射到手指上的光，就可将几乎所有入射到光敏部分上的普通干扰光屏蔽掉，由此可以获得一个稳定的受干扰光影响较小的指纹图像。该红外过滤膜(一般较薄)被贴在透明固体薄膜的表面上或者被贴在二维图像传感器的覆盖膜上(提供覆盖膜的目的是为了稳定单元的特性，它应该在半导体制造过程中被形成，因此由于半导体器件的制造方法而通常被做得很薄，只有几微米或更少)。红外线发射LED被用作红外线的光源。如果将红外过滤膜贴在透明固体薄膜的表面，则过滤膜的折射率应不小于手指的折射率且不大于透明固体薄膜的折射率。另外，如果将红外过滤膜贴在覆盖膜上，则其折射率应不小于透明固体薄膜的折射率且不高于覆盖膜的折射率。也可以用透明固体薄膜的内部起到红外过滤膜的作用。

如果使用了红外线，则透明固体薄膜为透明的就意味着，无论采用什么实现红外滤波器的方法，它都对红外波段是透明的。

另外，也可将红外滤波器与上述导电透明薄膜一起使用。在这种情况下，导电透明薄膜将作为最上层以与手指的指纹测量部分相接触。

另外，有一种二维图像传感器正在付诸使用，在这种二维图像传感器的结构中，有一个凸透镜被安装在二维图像传感器的各个光接收单元的正上方，并且入射到各单元之间的非光敏部分之上的光被会聚至作为传感器表面上的光敏部分的光接收单元上，即，把所谓的微透镜薄膜安装在传感器的表面上。此微透镜薄膜自身可被用作光敏部分的保护膜，或者可用一个折射率低于此微透镜薄膜的透明固体层覆盖在微透镜上并且使传感器的表面平坦，由此便于指纹与传感器表面的接触。如果指纹测量部分的亮度较小或者光源的功率降低，则使用微透镜层是有益的。

使指纹脊线部分的亮度在指纹测量部分的整个表面上尽可能均匀是十分重要的，这样才能减少后面指纹图像处理中的修正步骤。因此，需要设计光源的结构以使入射到手指上的光在手指内散射并且从所有指纹脊线部分尽可能均匀地出射。为了做到这样，就需要使光从多个方向照射到手指上。也就是说，需要使光至少从指纹测量部分的前面和后面(即，手指指端的较低部分以及靠近手指第一个指节的部分的较低部分)照到手指上。

为了使光从很多方向照到手指上，在指纹测量部分的四周放置有表面发光体，以便发出的光指向手指，而且在测量部分的四周还提供有一个护罩，以使从表面发光体发出的光不能直接进入测量部分。使用表面发光体的原因是为了让光源环绕测量部分。为了达到同样的目的，可以用一种所谓的线性发光体来代替上述表面发光体，这种线性发光体是通过将(例如)多个发光二极管芯片线性排列起来而形成的。这种线性发光体具有足够的发光量并且能够用作薄而高效的光源。由于这种线性发光体的模块最近已被作为发光二极管芯片阵列而以较低的成本供应，所以线性发光体是非常实用的。

基于指纹检验的个人识别方法已经得到很长时间的研究，而且它在多种个人识别方法中是最为实用的。但是，如果用类似于手指皮层的材料形成手指的复制品，则很难利用二维图像传感器的光学图像将提交者的指纹与其复制品的指纹区分出来。因此，有必要在进行指纹检验之前先获取一些信息以确定测量目标手指是否为人体的一部分。根据一种采用光透明度的指纹输入方法，人们将注意力集中在整个指纹图像的平均亮度有脉动现象的情况上，由此附加提供了一个功能以用于确定脉动波形是否为人体特有，这样就可获得上述判断信息。

本发明具有两种基本结构，即，(1)在第一种结构中，一个厚度充分小于指纹脊线之间距离的透明固体薄膜作为二维图像传感器的透明保护膜被紧密地贴在传感器的表面上，(2)在第二种结构中，一个薄膜被穿出多个透孔，每个透孔的直径都充分小于指纹脊线之间的距离，或者这些透孔与二维图像传感器的各个光接收单元对准并且在透孔中还注入了一种透明固体材料，该薄膜被固定地附着在传感器的表面上。

附图说明

图1的局部截面图显示出了一个用于考虑透明固体薄膜的折射率与对比度之间的关系的模型，并且显示出了指纹测量部分放置在透明固体薄膜之上的状态；

图2是表示透明固体薄膜的折射率与对比度之间的关系的第一个图形；

图3是表示透明固体薄膜的折射率与对比度之间的关系的第二个图形；

图4是在手指的折射率为1.4的情况下，表示透明固体薄膜的折射率与透射率之间的关系的第一个图形；

图5是在手指的折射率为1.4的情况下，表示透明固体薄膜的折射率与透射率之间的关系的第二个图形；

图6是在手指的折射率为1.5的情况下，表示透明固体薄膜的折射率与透射率之间的关系的第一个图形；

图7是在手指的折射率为1.5的情况下，表示透明固体薄膜的折射率与透射率之间的关系的第二个图形；

图8是在位于指纹脊线部分中心点的正下方的X₀点上所接收到的光的典型视图；

图9是在位于指纹凹谷部分中心点的正下方的X₁点上所接收到的光的典型视图；

图10显示出了在对比度C₀为100％的情况下，透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间的距离之比与对比度C₁之间的关系。

图11显示出了在对比度C₀为60％的情况下，透明固体薄膜的厚度和指纹脊线之间的距离之比与对比度C₁之间的关系。

图12A显示出了根据本发明一个实施例的指纹输入设备的原型的局部截面图；

图12B显示出了根据本发明一个实施例的指纹输入设备的原型的平面图；

图13的概念视图显示出了根据本发明的指纹输入设备的基本结构；

图14的局部截面图显示出了指纹测量部分被放置在根据本发明的实施例1的指纹输入设备之上的状态；

图15的放大局部截面图显示出了指纹测量部分被放置在根据本发明的指纹输入设备之上的状态；

图16的局部截面图显示出了根据本发明的实施例2-1的指纹输入设备的结构；

图17的局部截面图显示出了根据本发明的实施例2-2的指纹输入设备的结构；

图18显示出了由使用光纤的光传输型指纹输入设备拍摄到的指纹图像的一张照片(0.35的光圈速度)；

图19显示出了根据本发明的实施例的指纹输入设备拍摄到的指纹图像的一张照片；

图20的局部截面图显示出了根据本发明的实施例3-1的指纹输入设备的结构；

图21的局部截面图显示出了根据本发明的实施例3-2的指纹输入设备的结构；

图22的局部截面图显示出了根据本发明的实施例3-3的指纹输入设备的结构；

图23是根据本发明的一个实施例的一种包含两个点光源的指纹输入设备结构的局部截面图；

图24A是根据本发明的一个实施例的一种包含有表面光源的指纹输入设备结构的局部截面图；

图24B是根据本发明的一个实施例的一种包含有表面光源的指纹输入设备结构的平面图；

图25A是根据本发明的一个实施例的一种包含有线光源的指纹输入设备结构的局部截面图；

图25B是根据本发明的一个实施例的一种包含有线光源的指纹输入设备结构的平面图；

图26的框图显示出了根据本发明的实施例4的一种脉动检测电路的结构。

具体实施方式

[实施例1]

图12A和12B显示出来实施例1，在实施例1中，有一个根据本发明的很薄的指纹输入设备被安装在一印刷电路板上。图13、14和15分别显示出使用该指纹输入设备进行指纹检测时的操作状态(工作原理)。

图13的框图显示出了根据本发明的实施例1的指纹输入设备的结构。在图13中，参考序号5代表二维图像传感器，它能够二维地检测到由手指1的不规则性所决定的光的强弱。参考序号27代表图像处理部分，它将二维图像传感器5的输出进行图像处理以产生指纹图案。参考序号28代表图案识别部分，它能够提取图像处理部分27所产生的指纹图案的特征，将提取出来的特征与预定的参考图案进行比较，并由此对指纹图案进行识别和判断。

以下将通过举例的方式对采用CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器、CCD(电荷耦合器件)传感器或非晶态传感器作为二维图像传感器5的情况进行说明。注意，可以采用普通的图像处理部分和普通的图案识别部分以分别作为图像处理部分27和图案识别部分28。

二维图像传感器5由多个二维排列的光接收单元组成。根据这些光接收单元的输出就可形成一个平面图像。必须使各光接收单元之间的排列距离小于指纹脊线部分(凸起部分)或者指纹凹谷部分(凹陷部分)的间距。但是，由于指纹脊线部分之间的距离为100至500m，所以将光接收单元之间的排列距离设定在50μm或50μm以下就可以获得具有足够精确度的图像以用于图案识别。

图14是一个说明图，它显示出了二维图像传感器的光接收过程。当要输入手指1的指纹时，把手指1放在二维图像传感器5上，以使指纹脊线部分与二维图像传感器5上的透明固体薄膜4相接触。该透明固体薄膜4由一种诸如玻璃的透明构件形成，并且具有根据本发明的上述折射率。另外，透明固体薄膜4具有防止指纹测量部分与二维图像传感器直接产生接触的功能。该功能即使在指纹输入设备被用过多次的情况下也能够防止二维图像传感器受到磨损和破坏。另外，透明固体薄膜4具有一定程度的抗磨损性，以使薄膜4不会因与手指的摩擦而受到磨损。

指纹脊线部分2接触到二维图像传感器5上的透明固体薄膜4。另外，由于手指1的折射率几乎等于透明固体薄膜4的折射率，所以从指纹脊线部分2射向透明固体薄膜4的几乎全部散射光都入射到指纹脊线部分2内的透明固体薄膜上。

与此同时，在指纹凹谷部分3与透明固体薄膜4之间具有一个空间7。由于手指皮层的折射率(约1.4至1.5)与空气折射率(1.000293)之间的差距很大，从指纹凹谷部分3射向空间7的大部分散射光被皮肤反射并照到手指上，而且以等于或大于临界角的角度从指纹凹谷部分3射向空间7的散射光被全反射而进入手指。因此，从指纹凹谷部分3入射到空间7上的光量很小。另外，由于空气的折射率(1.000293)与透明保护膜的折射率之间有较大差异，所以大部分从空间7射向透明保护膜4的光被反射回来。因此，从指纹凹谷部分入射到透明保护膜4上的光量小于从指纹凹谷部分入射至空间7的光量。

所以，二维图像传感器满意地检测出来自指纹脊线部分2的光，却很难检测到来自指纹凹谷部分3的光，这样，传感器就将指纹脊线部分2检测为光亮部分，并将指纹凹谷部分3检测为黑暗部分。

因此，根据本发明，没有必要提供诸如透镜、棱镜及光纤等光学元件。与常规的指纹输入设备相比较，它不需要对因光学元件自身尺寸而造成的设备的物理尺寸以及元件的附着位置设定限制。

因此，就能够实现薄而小的指纹输入设备，以便于安装在需要审核持卡用户身份的IC卡等的内部。如果将该指纹输入设备安装在既薄且又极易弯曲的物品上(如IC卡)，并且利用通过蒸发作用或类似技术而生长于一个可弯曲衬底膜上的非晶态半导体形成的二维图像传感器作为二维图像传感器5，则该图像传感器能够抵抗较大程度的弯曲。在这种情况下，也可采用可弯曲薄膜作为透明固体薄膜4。该可弯曲透明固体薄膜可以聚酰亚胺薄膜或聚碳酸酯薄膜为例。考虑到聚酰亚胺的折射率约为1.4而聚碳酸酯的折射率约为1.55，并且聚碳酸酯足以抵抗使用磨损，所以最好采用聚碳酸酯薄膜作为可弯曲透明固体薄膜。

另外，根据本发明，不用利用光学元件执行光学处理。因此，就可以在不必执行图像修正处理(例如失真修正)的情况下获得无失真的指纹图像，从而提高了指纹图案的识别速度。

由于透明固体薄膜需要足够的耐磨性以在即使手指重复接触薄膜的情况下也不被磨损，所以可采用具有本发明所述折射率且很难被擦伤的玻璃质地的物质或有机物质作为透明固体薄膜的材料。但是，大部分玻璃质地的物质或有机物质都是不导电的。由于本发明的指纹输入设备是一种光学指纹输入设备，所以它发生因手指上的静电而导致的静电击穿的可能性很小。但是，最好还是将静电释放掉以防止作为半导体元件的二维图像传感器出现静电击穿。为了达到此目的，像前面所述的那样，最好在透明固体薄膜上形成一个由氧化锡、ITO或类似物质制成的透明导电薄膜并将该导电薄膜接地。

如果使用了如图16和17所示的遮光壁(将在后面得到说明)，则可以通过利用金属作为遮光壁的材料并将其接地而释放更强的静电。图16和17中所示的指纹输入设备在保护设备以使其若在户外使用时不受静电危害方面非常出色。

另外，由于本发明的指纹输入设备是一种光传输型设备，干扰光虽然也起到了发光光源的作用，却对本指纹输入设备只有很少的负面影响。但是，为了保证在即使干扰光极强或者干扰光从指纹测量部分与指纹输入设备表面之间的缝隙进入的情况下也有稳定的指纹检测，采用以下措施是十分有效的，即，设计出具有特定波段的发光光源，用它将光照射到指纹测量部分以外的指尖部分，并且在二维图像传感器与指纹输入设备表面之间的确定位置上放置一个只允许该波段之内的光通过的光谱滤波器，由此就可以使用于指纹测量的光的波段变窄，从而消除干扰光。作为一个例子，可以采用一种近红外线发光二极管作为光源，并且采用一个具有与该二极管的发光波长相同的传输波长的近红外滤波器作为光谱滤波器。在这种情况下，近红外线趋向于传输进一个活体，尤其是皮肤。如果选用的波长为800至950nm，则血液对这种波长的近红外线的吸收系数为约10％。因此，可以在不损坏检测灵敏度的情况下通过传输光的脉动来感知出一个活体。红外线或类似的具有1400nm或1400nm以上的光波包括一个波段，在该波段中，红外线或类似光波由水根据其波长进行吸收。因此，需要避免使用具有该波段范围的红外线。另外，在血液对包括干扰光在内的光的光吸收系数太低的波段中，滤波器有时候会对用于检测活体的血液脉动显得不敏感。因此，也需避免使用此波段。在选择作为光源的发光二极管以及仅允许来自该二极管道的光通过的光谱滤波器时，这些注意事项都是常用的。

[实施例2]

接下来将对实施例2进行说明。图16和17是根据实施例2的两类指纹输入设备的局部截面图。二维图像传感器的覆盖膜8用于稳定传感器单元的特性，它应该在半导体制造过程中被形成，并且一般因所采用的半导体制造方法而薄于几个微米。如果手指反复地直接按压在覆盖膜8上，则覆盖膜8的耐久性会因手指的接触而受到不利影响。因此，在实施例1中提供了透明固体薄膜4，并且确定了透明固体薄膜4的厚度、折射率及硬度。在这些参数中，正是厚度条件与耐久性条件相矛盾，即，透明固体薄膜4越薄，获得的图像就越清晰。透明固体薄膜4越厚，薄膜的耐久性就越好。为了获得指纹图像的对比度，如果指纹脊线部分之间的最小距离为100μm，则透明固体薄膜4的厚度可被增加至，例如60μm。如果透明固体薄膜4的厚度为60μm，只要设备正常使用，则其耐久性就足够。但是，如果将设备暴露于户外环境使用，则透明固体薄膜4最好更厚一些。然而，如果透明固体薄膜4太厚，则实施例1的指纹输入设备就不能够获得指纹图像的对比度。

图16和17中所示的实施例2的结构解决了实施例1的问题。如果透明保护膜8太厚，则射向水平方向的光的分量增加，并且指纹脊线的清晰度会降低。为了防止这种降低，在竖直方向上提供了一个遮光壁用以遮蔽水平方向的光。图16显示出了一个例子，在该例子中，遮光壁被放得非常靠近，其目的是为了不再需要使透孔与二维图像传感器的各个单元对准。图17显示出了一个例子，在这个例子中，遮光壁与二维图像传感器单元的间隙对准，从而不必要使遮光壁十分地靠近。

图16所示的指纹检测设备中，有许多透孔被形成于由诸如金属的遮光材料制成的薄膜当中，这些透孔的直径不大于二维图像传感器的各个光接收单元的光接收直径的一半，并且在这些透孔中填充有透明固体薄膜的成分(以下称为透明固体材料)，各个光接收单元与至少一个透孔相对应，而无需使由遮光壁包围的各透孔分别与二维图像传感器的各个光接收单元对准，由此就形成了具有遮光壁的透明固体薄膜。然后，该具有遮光壁的透明固体薄膜被紧贴在二维图像传感器的表面上。在这种情况下，没有必要将各个透孔与二维图像传感器的各个光接收单元对准，从而简化了组装。但是，如果二维图像传感器的光接收单元的间隔为50μm，并且各个单元的光接收直径为25μm，则需要将各个透孔的直径设定在12.5μm或12.5μm以下。如果考虑到遮光壁的厚度，则遮光壁最好更靠近一些。

如果考虑到设备的户外使用情况，则最好使含有遮光壁的透明固体薄膜的厚度为60μm或60μm以上。结果，透孔就变得类似于深井。为了将透明固体材料填充入各个透孔，需要采用一种相对高级的薄膜形成方法。

根据图17中的指纹检测设备，通过比较，形成了一个由遮光材料制成并且含有多个透孔的薄膜，在该薄膜内，各个透孔的尺寸、形状和位置都与二维图像传感器的各个光接收单元的光接收表面的相应参数完全一致，并且透明固体材料被填充入该遮光薄膜的各个透孔中，而且二维图像传感器的各个光接收单元的光接收表面都分别与各个透孔对准，由此组装出了检测设备。在根据制造这种指纹检测设备的方法中，需要保证极高的精度，以满足光接收单元的光接收表面与透孔之间的位置关系。但是，如果图像传感器的光接收单元的间隔为50μm、并且各个单元的光接收直径为25μm，则各个透孔的直径为25μm就已足够。因此，即使是厚度为60μm遮光薄膜也很容易被制造出来。

只要填充入透孔的透明固体材料的光吸收系数较低，即使透明固体材料的透明度较低(即，即使光在透孔中被散射)，指纹图像的清晰度也基本上不会有变化。在这方面，该指纹检测设备与使用光纤束的设备是根本不同的。

也就是说，光纤具有芯体以及用于抑止由于光的Z字形传播所造成的信号传输特性下降的壳层。如果光从光纤端面入射到光纤上，则存在一个临界入射角，并且光纤只传导具有有限入射角的光，并且传输处于此角度范围之内的光而不使光在水平方向分散。换句话说，当光从光纤出射时，入射到光纤上的光具有良好的直线传播特性。

因此，入射到光纤上的光被以与入射角相同的角度出射。但是，光不会从指纹脊线部分末端上的微凹部分照射到光纤上，因而不会有水平光进行补偿，其结果使得脊线图像趋向于不连续。

相反，如果使用了本发明的透明固体薄膜，无论透明固体薄膜是否具有遮光壁，从指纹脊线部分照射到透明固体薄膜上的光的入射角都不存在临界角。结果，如果来自指纹脊线部分末端上的微观不规则部分的光的水平分量被入射到透明固体薄膜中，并且光被从透明固体薄膜传播至二维图像传感器的光敏部分，那么与微观不规则部分相对应的图像丢失部分会得到水平分量的光的补偿。因此，指纹图像的外观清晰度将会降低。

另外，如果在指纹脊线部分中有汗腺出现，由于在使用光纤的指纹输入设备的指纹脊线部分上临界角的出现，所以它将在图像中以黑色区域出现。相反，在根据本发明的指纹输入设备中，由于在指纹脊线部分中不存在临界角，所以不会有汗腺在图像中以黑色区域出现。鉴于此，使用本发明透明固体薄膜的指纹输入设备在指纹脊线部分待被与指纹凹谷部分区分开的情况下比使用光纤的指纹输入设备更有优势。换句话说，在采用使用光纤的指纹输入设备来分辩指纹脊线部分与指纹凹谷部分的情况下，需要有一个图像处理过程来消除汗腺的黑暗区域。但是，如果采用根据本发明的使用透明固体薄膜的指纹输入设备来达到相同的目的，则不需要用来消除汗腺黑暗区域的图像处理过程。

另外，作为指纹校验操作的主要过程，能够读取连续的脊线以跟踪指纹脊线是十分重要的。如果脊线变得不连续，图像处理块就要执行间断脊线的连接操作。但是，这种处理需要相当大的计算量。因此，尽可能减少间断点的数目并且尽可能地减少计算量都是十分重要的。由于相同的原因，脊线中断点的数目在使用光纤的指纹输入设备中较多。相反，在采用根据本发明的使用透明固体薄膜的指纹输入设备的情况下，脊线不必要的中断是不可能的。因此，本发明所述的指纹输入设备适用于指纹校验。

在图16和17中所示的各个指纹输入设备都能够抑制光在厚薄膜中沿水平方向的前进。但是，它们对于光的抑制只限于在指纹脊线之间距离的范围之内。因此，入射到厚薄膜上的光确实含有水平分量。这与使用光纤的指纹输入设备不同，因为后者的意图是抑制光的水平分量。

通过把图18中所示的前一种设备所输入的指纹图像与图19中所示的后一种设备所输入的指纹图像进行比较，使用具有0.35的孔径速率光纤的指纹输入设备与本发明所述指纹输入设备之间的指纹脊线的不连续性方面的差异就变得十分清楚。由于图18中所示的指纹图像比图19中的图像更清楚，所以前一种设备比后一种设备更为优越。但是，从图中可以看出，后一种设备比前一种设备的优越之处在于，由图18中由白圈代表的丢失点并没有在图19中出现。

[实施例3]

在实施例3中，把近年来被用于提高指纹图像传感器的灵敏度的一种微透镜层用作保护膜。

在实施例3中，微透镜3是一个圆顶状透明固体，它被覆盖在图像传感器的光敏部分的正上方，如图20所示。由此使入射到光敏部分以外的其他部分上的光被会聚在光敏部分上，从而提高了传感器的光检测灵敏度。当指纹脊线部分与微透镜13接触时，脊线的形状由13-1表示，并且传感器的光检测灵敏度通过光在光敏部分上的会聚而得到提高。但是，从凹谷部分13-2入射到微透镜13上的光被出射至一个空间，而且来自这个部分的光变得不能利用。结果，指纹脊线部分100％范围中的光就不能被检测到。虽然如此，但由于普通大规模生产的传感器可被用作这种图像传感器，所以本实施例中的指纹输入设备在成本上具有优势。作为微透镜13的组成部分，可以使用实施例1中的透明固体薄膜。因此，微透镜的折射率被确定为与透明固体薄膜折射率的情况一样。

图21中所示的指纹输入设备是对图20所示指纹输入设备的一种改进。图21中所示的指纹输入设备采用了一种迭片透镜以使与手指接触的部分变平。该迭片透镜是通过将折射率小于微透镜材料折射率的透明固体材料14在微透镜13上压成薄片而获得的。应该注意的是，透明固体材料14的成分与实施例1中透明固体薄膜的材料相同。因此，根据本发明可以确定透明固体材料14的折射率，并且微透镜13的折射率要高于透明固体材料14的折射率。

根据图21中所示的指纹输入设备，可以检测出来自指纹脊线部分上100％区域内的光，因为没有凹谷部分13-2。结果，传感器的光检测灵敏度就得到了提高。另外，由于在微透镜13中不存在薄的凹谷部分，所以微透镜13的耐久性也得到了提高。

图22中所示的指纹输入设备使用一个平面微透镜15作为微透镜，此微透镜的折射率分布可根据图像传感器的间隔而调整。平面微透镜15被形成在一个透明固体薄膜上。通过将杂质填充入透明固体薄膜上与二维图像传感器的各个光接收单元相接触的各个点中，并且在形成透明固体薄膜时使杂质扩散，就可形成平面微透镜15。因此，平面微透镜15具有这样一种透射率分布16，即，透射率随着薄膜远离光接收单元而降低。平面微透镜15比图20和21所示的微透镜13具有更高的聚光能力。此外，由于是平面透镜，所以指纹脊线与透镜100％接触，并且透镜的厚度可被设定为10至20μm，从而使平面微透镜足以起到保护膜的作用。

与此同时，对形成发射光的光源的重要要求是使从手指的测量部分出射并且来源于发射光的光均匀地分布。为了满足这个要求，最好使光从各个方向上照射到手指上。如果光源是一个点光源，并且有很强的光从有指纹测量部分的手指面的背面(有爪的一面)照射在手指上，然后就可以获得均匀的出射光分布。然而，如果将指纹输入设备在将来可能的应用领域考虑在内，则构成一个整体平坦的指纹输入设备并且使光由此不能被从有爪的表面照射到手指上是十分重要的。如图23所示，若使用点光源，则将光源11和12分别放置在手指指尖的尖端下部和手指的第一个指节的下部是最佳的。但是，可以通过利用图24A和图24B所示的一个面光源17，并且根据使用目的对面光源的形状进行优化，从而实现一种将光照射到整个手指并且使光强更均匀的方法。

在图24A和图24B中，参考序号18代表一个遮光体，它将光遮住以不使光从光源直接进入传感器的光敏部分。作为光源的表面，最近开发出来的膜状EL发光板是比较适宜的。

图25A和图25B中所示的指纹输入设备被设计成能够进一步提高测量部分的光强并且能够优化排列发光二极管阵列芯片以使出射光均匀。在图25A和图25B中，参考序号18代表一个遮光体，它将光遮住以不使光从光源直接进入传感器的光敏部分。参考序号19代表线发光模块(LED芯片阵列)。图25A和图25B中所示的指纹输入设备能够自由地设计光量。对光量的设计是为了找到线发光模块的最佳排列以使从手指发出的光的不规则性达到最小。

图12A和图12B显示出了图25A和图25B中所示的指纹输入设备的原型的一个例子。在图12A和图12B中，参考序号4代表透明固体薄膜，5代表二维图像传感器，8代表一个传感器覆盖膜，18代表遮光体，它将光遮住以不使光从光源直接进入传感器的光敏部分，19代表线发光模块(LED芯片阵列)，24代表LED芯片，25代表主衬底，26代表LED阵列的衬底。该原型最明显的特征在于，由于线发光模块较薄，因此，图25A和25B中所示的指纹输入设备的厚度可被设定成几乎等于二维图像传感器5的厚度。

[实施例4]

在实施例4中，因血液的脉动流动而造成传输光的波动得到了利用，而且在测量期间，它被用来根据这个脉动特征来识别指纹是否为一个活体的指纹以防止手指复制品的非法使用。图26的框图显示出了实施例4中的脉动检测电路。该脉动检测电路的操作如下。一束波长为800至950nm的红外线被用作测量光，并且具有与上述红外线的波长相等的传输波长的光谱滤波器也得到使用。在这个波段中，含有大量氧的血液(动脉)以及含有少量氧的血液(静脉)在吸收系数上相互几乎没有差异，并且传输光量的波动约为10％。根据血液的光吸收量的变化，二维图像传感器输出波形的峰值相应地有10％或低于10％的变化。这是由于血压脉动的结果。低通滤波电路(LPF)21获取一帧图像的平均亮度，取平均电路22在长于脉搏周期的时间内对多个帧的平均亮度取平均。施密特比较器23对低通滤波电路21的输出与取平均电路22的输出进行比较，由此可以判断出它是否具有脉动。如果有脉动，则比较器23的输出是一个方波。如果没有脉动，则比较器23的输出保持不变。因此，就可以区分出人体的手指与伪造的手指。也可以用一个电脑通过使二维图像传感器的输出数字化并且根据程序进行操作，从而实现低通滤波电路21、取平均电路22以及比较器23的功能。

本发明的基本优点在于，指纹输入设备自身可以被做得与二维图像传感器芯片一样的薄，并且由于它不使用光纤或者类似材料，所以其制造成本也很低。这些优点可以满足各类便携式信息终端在进行个人识别时的大部分情况下的用途。此外，本发明还适用于各类情况下，包括：信用卡、与汽车有关的安全，等等。对本发明优点的具体说明如下。

由于本发明所述的指纹输入设备是一种光学系统，所以静电不会影响图像信息，即，电学特性。

由于根据本发明的指纹输入设备在各类光学指纹输入设备中属于尤为直接的类型，所以它不需要棱镜、透镜等器件，因而它没有产生光学失真的部分，由此可以获得精确的图像。另外，本发明的指纹输入设备在尺寸上可被做得像用于图像传感器的LSI芯片一样薄而小，因为它没有诸如棱镜和透镜等需要空间的光学系统。

由于根据本发明的指纹输入设备在直接型光学指纹输入设备中属于特殊的传输类型，所以与反光型指纹输入设备相比，干扰光不会对指纹输入设备中的光学系统产生负面影响，并且设备的结构也很简单。另外，与反光型输入设备不同，由于它不需要将光照射到测量面上，所以能够密集排列传感器单元以保证高的分辨率。

由于尽管是发光型输入设备但没有必要使用光纤，所以指纹测量部分的厚度与二维图像传感器的芯片厚度几乎是相同的。

由于没有必要使用昂贵的光纤，而且输入设备的结构也很简单，因而制造成本较低。

即使二维图像传感器与指纹测量部分之间放置有透明固体薄膜，指纹图像的清晰度也不会下降，除非透明固体薄膜的厚度不小于一个预定的厚度。因此，通过选择诸如玻璃质地材料等硬质材料，就可在诸如户外环境的较差环境下使用这种指纹输入设备。

如果此指纹输入设备被用于一个其中干扰光趋向于进入指纹测量部分的环境中，则可以使用近红外光源以及相应的滤波器，由此可以获得稳定的指纹图像。

通过从本发明的光源中选择出一个最佳光源，就可以使整个测量表面的光量均匀，并且几乎可以免除利用信号处理对图像进行的修正操作。

最佳光源中的LED模块能够根据用途设计出最佳光分布。因此，就可以获得更均匀的图像。

本发明的指纹传感系统能够区分活体指纹的指纹图像与伪造指纹的指纹图像。

如果采用具有微透镜的指纹传感器，则需要较少的输入光量和较低的光源功率。

Claims (40)

1.一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像，所述指纹测量部分具有指纹脊线部分和指纹凹谷部分；以及

透明固体薄膜，它被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述透明固体薄膜上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的所述指纹脊线部分的图像作为光亮部分，并且采集所述指纹测量部分中的所述指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.4≤n₃≤5.0。

2.如权利要求1所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.5≤n₃≤5.0。

3.如权利要求1所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.4≤n₃≤4.0。

4.如权利要求3所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.4≤n₃≤3.0。

5.如权利要求4所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的折射率的范围为1.4≤n₃≤2.0。

6.如权利要求1所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的厚度为100μm或100μm以下并且在0μm以上。

7.如权利要求6所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的厚度为90μm或90μm以下。

8.如权利要求7所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的厚度为80μm或80μm以下。

9.如权利要求8所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的厚度为70μm或70μm以下。

10.如权利要求9所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的厚度为60μm或60μm以下。

11.一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分采集指纹图像，所述指纹测量部分具有指纹脊线部分和指纹凹谷部分；以及

透明固体薄膜，它被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述透明固体薄膜上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的所述指纹脊线部分的图像作为光亮部分，并且采集所述指纹测量部分中的所述指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，

所述透明固体薄膜的折射率n₃满足一个条件，即，对比度C₀等于或大于噪声幅度被给出时获取指纹识别的信噪比的值，所述对比度C₀被定义为所述透明固体薄膜的厚度接近于零的情况，它可以通过在一个满足所述透明固体薄膜的折射率n₃≥所述手指的皮层的折射率n₁＞空气的折射率n₂＝1.000的第一条件下，将公式2和3代入公式1而获得，也可以通过在一个满足所述手指的皮层的折射率n₁＞所述透明固体薄膜的折射率n₃＞空气的折射率n₂＝1.000的第二条件下，将公式2和4代入公式1而获得，

其中所述公式1如下：

C₀＝(P_3L-P_3D)/P_3L

其中：

P_3D：指纹凹谷部分正下方各个方向的下行光的功率

P_3L：指纹脊线部分正下方各个方向的下行光的功率

其中所述公式2如下：

P_3D＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→②})t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)

其中：

θ_c(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)

t_D(①→(②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

        ·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)

t_D(②→(③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

        ·(1+1/cos(θ_2Di-θ_3D))

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ_2Di)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

其中所述公式3如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       ·(1+1/cos(θ_1L-θ_3L))

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)

θ_1L：光入射到指纹脊线部分之内的透明固体薄膜上的入射角

以及其中所述公式4如下：

P_3L＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→③})t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

θ_c(①→③)＝sin^-1(n₃/n₁)

t_L(①→(③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

        /sin²(θ_1L+θ_3L)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)。

12.如权利要求11所述的指纹输入设备，其特征在于：

所述透明固体薄膜的厚度t满足一个条件，即，被定义用于所述透明固体薄膜的厚度t的对比度C₁的值等于或大于在当噪声幅度被给出时获取指纹识别的信噪比的值，所述对比度C₁由如下公式表示：

$C_1=1-\frac{(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{1-\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+{\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}{{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}+(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{1}{2\mathrm{\β}}-(1-C_0){\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\β}}}$

其中β＝t/w，

w：指纹脊线之间的距离

γ：指纹脊线部分的能率。

13.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜含有玻璃成分。

14.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的成分具有可弯曲性。

15.如权利要求14所述的指纹输入设备，其特征在于具有所述可弯曲性的所述成分包括聚酰亚胺或聚碳酸酯。

16.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，其特征在于它还包括一个接地的导电透明薄膜。

17.如权利要求16所述的指纹输入设备，其特征在于所述导电透明薄膜含有氧化锡或铟-锡氧化物成分。

18.如权利要求16所述的指纹输入设备，其特征在于所述导电透明薄膜是最上层。

19.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，进一步还包括光源，该光源将光从不同于所述指纹测量部分的表面上照射到比所述测量目标手指的第一个指节更接近指尖的部分。

20.如权利要求19所述的指纹输入设备，

其特征在于所述光源包括：

第一光源，它将光照射到所述测量目标手指的指尖上；以及

第二光源，它将光照射到所述测量目标手指的所述第一个指节上。

21.如权利要求19所述的指纹输入设备，其特征在于所述光源是一个面光源，它将光照射到所述测量目标手指的指纹测量部分的外围部分。

22.如权利要求19所述的指纹输入设备，其特征在于所述光源是一个线光源，它将光照射到所述测量目标手指的指纹测量部分的外围部分。

23.如权利要求19所述的指纹输入设备，其特征在于所述光源只发出处于预定波段内的光。

24.如权利要求23所述的指纹输入设备，其特征在于在所述二维图像传感器与指纹输入设备的表面之间的任意位置上放置了一个只允许处于所述预定波段内的光通过的光谱滤波器。

25.如权利要求23所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜只对所述预定波段透明。

26.如权利要求23所述的指纹输入设备，其特征在于所述预定波段的范围为800至950nm。

27.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜被遮光壁分隔开，该遮光壁通过在由遮光材料制成的薄膜上穿出多个透孔而被形成。

28.如权利要求27所述的指纹输入设备，其特征在于所述各个透孔的直径都等于或小于所述二维图像传感器的光接收单元的光接收直径的一半。

29.如权利要求27所述的指纹输入设备，其特征在于所述透孔与所述二维图像传感器的光接收单元对准。

30.如权利要求27所述的指纹输入设备，其特征在于所述遮光材料导电并且被接地。

31.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，进一步包括多个被与所述透明固体薄膜压在一起的微透镜，它们被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上。

其中所述多个微透镜中的每一个的折射率都高于所述透明固体薄膜的折射率。

32.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，进一步包括多个微透镜，它们形成于所述透明固体薄膜上，并且被安装在所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上，其中所述多个微透镜中的每一个的折射率都高于所述透明固体薄膜的折射率。

33.如权利要求32所述的指纹输入设备，其特征在于所述多个微透镜中的每一个的折射率都沿着与所述光接收单元的距离而变化。

34.如权利要求1或11所述的指纹输入设备，进一步包括用于对测量目标手指上是否存在脉动进行检测的装置。

35.一种指纹输入设备，包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像；以及

多个安装于所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上的微透镜，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述多个微透镜之上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的指纹脊线部分的图像作为光亮部分，采集所述指纹测量部分中的指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述多个微透镜中的每一个的折射率的范围都为1.4≤n₃≤5.0。

36.如权利要求35所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的所述折射率的范围为1.5≤n₃≤5.0。

37.如权利要求35所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的所述折射率的范围为1.4≤n₃≤4.0。

38.如权利要求37所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的所述折射率的范围为1.4≤n₃≤3.0。

39.如权利要求38所述的指纹输入设备，其特征在于所述透明固体薄膜的所述折射率的范围为1.4≤n₃≤2.0。

40.一种指纹输入设备，其特征在于包括：

二维图像传感器，它用于从测量目标手指的指纹测量部分上采集指纹图像；以及

多个安装于所述二维图像传感器的图像采集表面上的各个光接收单元之上的微透镜，当所述二维图像传感器采集所述指纹图像时，所述指纹测量部分被固定在所述多个微透镜之上，

其中所述指纹输入设备采集所述指纹测量部分中的指纹脊线部分的图像作为光亮部分，采集所述指纹测量部分中的指纹凹谷部分的图像作为黑暗部分，并且

其中所述微透镜的折射率n₃满足一个条件，即，对比度C₀等于或大于噪声幅度被给出时获取指纹识别的信噪比的值，所述对比度C₀被定义用于所述微透镜的厚度接近于零的情况，它可以通过在一个满足所述微透镜的折射率n₃≥所述手指的皮层的折射率n₁＞空气的折射率n₂＝1.000的第一条件下将公式2和3代入公式1而获得，也可以通过在一个满足所述手指的皮层的折射率n₁＞所述微透镜的折射率n₃＞空气的折射率n₂＝1.000的第二条件下将公式2和4代入公式1而获得。

其中所述公式1如下：

C₀＝(P_3L-P_3D)/P_3L

其中：

P_3D：指纹凹谷部分正下方各个方向的下行光的功率

P_3L：指纹脊线部分正下方各个方向的下行光的功率

其中所述公式2如下：

P_3D＝(|p₁|∫₀ ^{θc(①→②})t_D(①→②)dθ_1D)·(∫₀ ^90°t_D(②→③)dθ_2Di)

其中：

θ_c(①→②)＝sin^-1(n₂/n₁)

t_D(①→②)＝(1/2)·(sin2θ_1D·sin2θ_2D)/sin²(θ_1D+θ_2D)

       ·(1+1/cos(θ_1D-θ_2D))

θ_2D＝sin^-1(n₁/n₂sinθ_1D)

t_D(②→③)＝(1/2)·(sin2θ_2Di·sin2θ_3D)/sin²(θ_2Di+θ_3D)

       ·(1+1/cos(θ_2Di-θ_3D))

θ_3D＝sin^-1(n₂/n₃sinθ_2Di)

θ_1D：光在指纹凹谷部分内的空气层上的入射角

θ_2Di：光从指纹凹谷部分正下方的空气层入射到透明固体薄膜上的入射角

其中所述公式3如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^90°t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

        ·(1+1/cos(θ_1L-θ_3L))

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)

θ_1L：光入射到指纹脊线部分之内的透明固体薄膜上的入射角

以及其中的公式4如下：

P_3L＝(|p₁|·∫₀ ^{θc(①→③})t_L(①→③)dθ_1D)

其中：

θ_c(①→③)＝sin^-1(n₃/n₁)

t_L(①→③)＝(1/2)·(sin2θ_1L·sin2θ_3L)/sin²(θ_1L+θ_3L)

       /sin²(θ_1L+θ_3L)

θ_3L＝sin^-1(n₁/n₃sinθ_1L)。

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