CN1364279A - 图象读取设备 - Google Patents

Abstract

一种图象读取设备,包括一壳体(1)、一有一输入面的输入件(2)、一用透明底材制成的转动件(3)、一光源(4)、一有多个光电转换件的光检测装置(5)和一信号处理装置(8),其中,用从光源射向输入面后受与输入面接触的手指(6)的波谷反射的光获得各部分图象,相继检测与手指接触的同时转动的转动件一端部表面上的一明暗图案,从而用信号处理装置(8)从各部分图象合成指纹的整个图象。此外,光源和光检测装置布置成:除了检测从输入面反射的光,还检测散射光,从而还可读取原稿之类有明暗的平面图象。此外,通过输出转动件的转动量,还可按照手指(6)的运动量进行位置输入。

Description

图象读取设备

                                    技术领域

本发明涉及一种图象读取设备，在该图象读取设备中，通过检测读取对象与图象读取设备的相对运动量从各部分图象获得整个合成图象，从而可读取指纹之类有凹凸的读取对象和原稿之类有明暗的平面读取对象。

                                  现有技术

现有图象读取设备的例子见分别由图18和19所示的日本专利申请No.11-353457和No.9-240906。

当指尖放在一有玻璃板之类透明输入面的光学件上时，图18所示读取指纹的图象读取设备利用由指纹的波峰和波谷之间的接触状态差别造成的反射光差别。即，当手指107放到一由玻璃、合成树脂等制成的、用作一输入件的棱镜阵列101的输入面上时，皮肤的波峰与该棱镜阵列的输入面接触，而皮肤的波谷与空气接触。因此，当在棱镜阵列与空气的交界面上入射角接近临界角时，反射在波谷中变得较强，结果波谷与波峰之间的反射差别变大，从而指纹的波谷和波峰被读取成一明暗图案。

此外，日本专利申请No.10-240906公开了一例图象读取设备，该图象读取设备有一光检测装置，可通过读取对象与该图象读取设备的相对运动量从各部分图象合成整个两维图象，从而读取指纹和原稿，按照该专利，照明光垂直照射在输入面上以检测垂直反射光。

在图18所示使用棱镜阵列的图象读取设备中，只使用接近临界角的反射光，因此很难读取纸张、比方说原稿之类不发生完全光接触的对象。此外，尽管非扫描型图象读取设备可较方便地进行图象处理，但它需要CCD之类大面积图象收集装置，且其光学系统复杂。

另一方面，在图19所示图象读取设备中，使用一滚轮201和一转动编码器(未示出)，从指纹的各部分图象合成整个图象。检测指纹的相对运动距离以重构指纹图象的这一装置的优点在于：图象处理较为方便，使用由CCD之类构成的面积较小的线性图象传感器202。另一方面，转动编码器的使用导致成本提高。此外，在使用垂直入射光和散射光的图19所示图象读取设备中，指纹的波谷与波峰之间散射光的差别小于反射光的差别，因此在读取指纹时光检测装置必须获得比读取原稿时更多的累积时间。因此，该装置尽管容易读取原稿，但读取指纹的能力很低。

因此本发明的一个目的是提供一种使用一光检测装置、能读取指纹之类有凹凸的读取对象的图象读取设备和一种能精确读取上述读取对象以及原稿之类有明暗的平面读取对象、结构简单的图象读取设备。

                             发明概述

为实现上述目的，按照本发明权利要求1，提供一种图象读取设备，该设备包括一光源；读取对象的有一输入面的输入件和由多个光电转换件构成、检测读取对象与该输入面的交界面上的散射光或反射光的光检测装置，

其中，该输入件由一透明底件构成，且由一按照读取对象与该图象读取设备之间的相对运动量转动的转动件形成，

该设备还包括整个图象合成装置，该整个图象合成装置用第一光检测装置检测读取对象与该图象读取设备之间的相对运动量，从而检测第一转动件的转动量；并且根据由第一光检测装置和该运动量获得的部分图象获得读取对象的整个图象。

按照本发明权利要求2，提供按权利要求1所述的图象读取设备，其中，在第一转动件一端表面上形成一明暗图案，第一光检测装置检测从第一光源发出后透过该明暗图案的光，从而检测第一转动件的转动量。

按照本发明权利要求3，提供按权利要求1或2所述的图象读取设备，其中，第一光检测装置设置在可接收从读取对象与输入面交界面发出的、由Snell定律确定的反射光的位置上。

按照本发明权利要求4，提供按权利要求1或2所述的图象读取设备，其中，第一光检测装置设置在可接收从读取对象与输入面交界面发出的、由Snell定律确定的反射光和从第一转动件的输入面与读取对象交界面发出的散射光的位置上。

按照本发明权利要求5，提供按权利要求1-4所述的图象读取设备，其中，从第一光源发出、入射在输入面上的入射光有多个不同入射角分量。

按照本发明权利要求6，提供按权利要求1-5中任一权利要求所述的图象读取设备，其中，在第一转动件和第一光检测装置的光路之间有光学成像系统和反射镜之一。

按照本发明权利要求7，提供按权利要求1-5中任一权利要求所述的图象读取设备，其中，在第一转动件和第一光检测装置的光路之间有一光纤束。

按照本发明权利要求8，提供按权利要求1-7中任一权利要求所述的图象读取设备，其中，第一转动件和光学成像系统由无机底材的玻璃底材或有机底材的合成树脂制成。

按照本发明权利要求9，提供按权利要求1-8中任一权利要求所述的图象读取设备，其中，第一转动件的输入面上有一防止脏物粘在该表面上的防脏层。

按照本发明权利要求10，提供按权利要求1-9中任一 所述的图象读取设备，其中，提供一除去粘在第一转动件表面上的脏物的清洁器。

按照本发明权利要求11，提供按权利要求1-10中任一 所述的图象读取设备，其中，读取对象包括指纹之类有凹凸的读取对象和原稿之类有明暗的读取对象。

按照本发明权利要求12，提供按权利要求1-10中任一 所述的图象读取设备，其中，提供按照第一转动件的转动量进行一维位置输入的功能。

按照本发明权利要求13，提供按权利要求1-10中任一 所述的图象读取设备，进一步包括其转动轴线与第一转动件的转动轴线不同的第二转动件和第二转动件转动量检测装置，其中，提供按照第一转动件的转动量和第二转动件的转动量进行二维位置输入的功能。

按照本发明权利要求14，提供按权利要求1-10中任一 所述的图象读取设备，进一步包括其转动轴线与第一转动件的转动轴线不同、其一端表面上形成有一明暗图案的第二转动件、第二光源、第二光检测装置和通过检测从第二光源发出后透过形成在第二转动件该表面上的该明暗图案的光检测第二转动件的转动量的转动量检测装置，其中，提供按照第一转动件的转动量和第二转动件的转动量进行二维位置输入的功能。

                                 附图简要说明

图1为一示出本发明一实施例的图象读取设备的主要部件的剖面图；图2为一示出本发明一实施例的图象读取设备的主要部件的剖面图；图3为一示出一转动件和一明暗图案的立体图；图4为示出一明暗图案、入射光和反射光之间的位置关系的剖面图；图5示出明暗图案与光检测装置的输出之间的关系；图6为一示出从一光源发出、照射在输入面上的入射光的入射角的剖面图；图7为一示出折射率与入射角/反射特性之间的关系的剖面图；图8为一示出入射光、反射光和散射光之间关系的剖面图；图9为可读取指纹和原稿的本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图10为可读取指纹和原稿的本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图11为可读取指纹和原稿的本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图12为一示出本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图13为一示出本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图14为一示出本发明一实施例的图象读取设备的剖面图；图15为一示出本发明一实施例的图象读取/输入设备的立体图；图16为其中装有本发明一实施例的图象读取/输入设备的一移动电话的示意图；图17为其中装有本发明一实施例的图象读取/输入设备的一鼠标的示意图；图18为一现有图象读取设备的剖面图；图19为一现有图象读取设备的剖面图。

                      本发明最佳实施方式

下面结合附图说明本发明一实施例的图象读取设备。

图1和2为示出本发明一图象读取设备主要部件的剖面图。该图象读取设备包括一壳体1；一输入面2；一包括该输入面、由透明底材制成的第一转动件3；一由冷阴极管、LED、EL等构成的第一光源4和包括多个光电转换件的第一光检测装置5，这些光电转换件由CCD之类线性图象传感器构成。

第一转动件3包括输入面2，由玻璃或合成树脂之类透明底材制成。读取指纹时使指尖6接触输入面2。此时，当光如图1所示照射到指纹的波谷部时，由于转动件与手指不直接接触，因此光反射强。当光如图2所示照射到指纹的波峰部时，由于转动件与手指直接接触，因此光反射弱。因此，光检测检测装置可获得指纹与输入面接触部分的图象。接着，当手指在箭头方向上移动、从而转动与手指接触的转动件时，可用透过转动件一端部表面上的一明暗图案的检测光在获得指纹的部分图象的同时获得转动件的转动量。此外，通过用光检测装置反复获得指纹的部分图象和转动件的转动量，可合成指纹的整个图象。

下面结合图3-5详细说明用光检测装置检测转动件转动量的方法。

图3为示出光源、其一端表面上有一明暗图案15的转动件和光检测装置之间的位置关系的立体图。图4为示出从光源发出的光是如何透过该明暗图案的剖面图。从光源发出的光照射在转动件上，然后在受输入面的反射前透过该明暗图案再次到达该明暗图案。从该明暗图案、入射光和反射光的位置关系看，光不透过该明暗图案的暗部而是透过其明部。因此，用光检测装置检测透射光(折射光)即可检测转动件的转动量。

图5示出该明暗图案与光检测装置的输出之间的关系。与图5A所示条纹状明暗图案比较，图5B所示三角形明暗图案的优越之处在于：它便于检测转动方向；对于相同的明暗图案周期，可获得更高分辨率。这样，在本发明图象读取设备中，检测部分图象的同时检测转动件的转动量，从而即使手指的移动不平稳也较容易合成整个图象。尽管在图3所示转动件转动量的检测方法中，在转动件的一端上形成一明暗图案，用透过该明暗图案的光量的变动检测转动量，但本发明中转动件转动量的检测方法不限于该方法。例如，可使用一不与手指接触、与该转动件同步转动的独立转动件，用光检测装置检测该独立转动件的转动量。

下面结合图6-8详细说明用本发明图象读取设备读取指纹和原稿的部分图象的基本原理。在本发明中，术语“反射光”指在转动件输入面的交界面上遵循Snell定律的反射光；术语“散射光”指透过输入件后回到转动件输入面一侧前受手指皮肤或原稿或空气与皮肤的交界面或原稿与空气的交界面反射的光。

图6示出从光源发出、照射在输入面上的入射光的入射角。

从光源发出、照射在输入面上的入射光的入射范围8在最大入射角7与最小入射角9之间，其照明度不小于一固定值。

这里，最大入射角小于从转动件到输入面的入射光的反射光的全反射角即临界角。最小入射角为20°。

即，光源的位置设定成：从光源到输入面的入射光的入射角不小于20°且小于临界角。

图7示出用玻璃或合成树脂制成的转动件的入射角/反射特性。用来制成转动件的玻璃或合成树脂的折射率在1.5-2范围内。

反射曲线9表示与空气接触的转动件的折射率为1.5时的反射，反射曲线10表示折射率为2时的反射。反射曲线11表示与皮肤接触的转动件的折射率为2时的反射。

当转动件与皮肤接触时，入射角在达到40°前反射基本无变化。尽管图中未示出，但当折射率为1.5时反射也无变化。另一方面，当转动件与空气接触时，当折射率为1.5时临界角约为41.8°。随着折射率增加，临界角减小。特别是，当折射率为2时，临界角为30°。

图8示出读取指纹和原稿时的入射光、反射光和散射光。图8A示出读取指纹时的入射光和反射光。这样，当入射光的照明度不小于固定值、入射角不大于临界角且不小于20°时，从指纹的波谷和波峰反射的光在输入面上的对比度比光垂直入射和反射时大。

另一方面，图8B示出在输入原稿时的入射光和散射光。由于多次反射，散射光的散布角度大。当光源的入射光小于临界角时，从输入面一侧到转动件不发生全反射，从而光检测装置可在任何位置上进行检测。

通过设置多个光源、使得入射光在不大于20°的范围内其照明度不小于固定值、入射光在不小于20°的范围内其照明度不大于固定值或通过使用EL之类平面光源进行分段操作，可减小反射光，从而可用从原稿之类散射的光进行读取。

即，读取指纹时使用反射光；读取原稿时使用散射光，从而可读取指纹和原稿的图象。由于形成原稿之类有明暗图案的平面图象的方法与从各部分图象合成整个图象的方法基本相同，因此上述整个图象合成方法不但适用于指纹，也适合于原稿。

下面结合图9-11说明能读取指纹和原稿的图象读取设备的一实施例。

图9示出一有两个光源的图象读取设备。图10示出一有EL之类可转换发光区的平面光源的图象读取设备。图11示出一有一光检测装置的图象读取设备，该光检测装置的受光面很大。

在图9和10所示图象读取设备中，在图9A和10A的情况下，光源设置在第一输出方式，在该方式下，入射角不小于20°且不大于临界角，照明度不小于固定值。因此，主要检测反射光。另一方面，在图9B和10B的情况下，光源设置在第二输出方式，在该方式下，入射角不大于20°，照明度不小于固定值。因此，主要检测散射光。在操作该设备时适当转换光源的输出方式即可在第一输出方式下读取指纹，在第二输出方式下读取原稿之类的平面图象。

在图11所示图象读取设备中，光源设定成：入射光的范围不大于临界角且不小于20°、照明度不小于固定值。该设备有图11A所示主要用来接收反射光的第一受光区和图11B所示主要用来接收散射光的第二受光区。通过设定光检测装置5a、使得由第一受光区读取指纹、由第二受光区读取纸张之类，即可读取指纹和原稿的图象。

尽管图11所示图象读取设备使用单个光检测装置，但也可用多个光检测装置，例如使用一反射光的光检测装置和一散射光的光检测装置读取指纹和原稿。

下面说明本发明其他实施例。

在图12所示实施例中，在第一转动件3与光检测装置5之间设置一由一反射镜17、一光学透镜18和一视野光圈19构成的光学成像系统，以纠正图象扭曲和减小光检测装置以及整个设备的大小。尽管在图12所示图象读取设备中在转动件轴向上使用一等同的光学系统，但本发明也可用于在转动件轴向上使用一简化光学系统的图象读取设备。

在图13所示实施例中，在第一转动件3与光检测装置5之间设置一光纤束20，以消除以大入射角照射在该光纤束上的散射光的影响并增加光路的自由度，从而减小整个设备的大小。

在图14所示实施例中，转动件表面涂有防脏层21，壳体1与转动件2之间设置除去废线之类灰尘或粘在转动件输入面上的油脂之类脏物的清洁器22，以消除妨碍图象读取的各种因素，使图象读取保持所需精度。

图15示出本发明图象读取设备的一种变型，在该变型中，进一步包括第二转动件3a和第二转动量检测装置，从而提供两维位置输入功能。

标号3表示随手指移动而转动的第一转动件，标号4表示第一光源，标号5表示检测由第一转动件表面上的明暗图案反射的光的第一光检测装置。该光检测装置把光信号转换成电信号，一信号处理装置检测转动量，以按照手指或第一转动件的转动量进行一维位置输出。

同样，由于增加第二光源4d和第二光检测装置5b，因此可检测第二转动件3a的转动量，以按照手指6或第一转动件的转动量和第二转动件的转动量进行两维位置输出。

尽管图15所示结构使用第二光源和光检测图案的第二光检测装置来检测第二转动件的转动量，但也可使用任何其他的转动量检测装置。例如可使用机械检测第二转动件的转动量的转动编码器。此外，也可使用第一转动件、第一光源和第一光检测装置、不使用第二转动件、第二光源和第二光检测装置实现图象读取装置的一维位置输入功能。

图16示出一包括本发明图象读取设备的移动电话。该移动电话中装有图15所示图象读取设备和指纹识别软件包等，从而获得一紧凑、低成本和具有指纹识别功能、光标输入功能等的设备。

图17示出其上装有图16所示图象读取设备的一鼠标。本发明图象读取设备装在一鼠标中，此外与鼠标连接的计算机(未示出)中装有指纹识别软件包等，从而获得一紧凑、低成本和具有指纹识别功能和滚动功能的设备。

如上所述，按照本发明，提供一种图象读取设备，包括一光源、一有一输入面的转动件和一检测来自输入面的光的光检测装置，其中，用该光检测装置检测从输入面反射的光而生成部分图象；用该光检测装置检测与读取对象接触而转动的转动件的转动量，以计算读取对象与该图象读取设备的相对运动量，从各部分图象合成整个两维图象。因此，可省略指纹识别等通常所需的检测手指运动量的转动编码器和计算指纹图案等的相对运动速度的处理器，减小光检测装置的大小，从而大大降低图象读取设备的总成本。此外，通过不但检测从输入面反射的光而且还检测散射光，可获得既能读取指纹之类具有凹凸的读取对象又能读取原稿之类有明暗的平面图象的简单、小型化图象读取设备。

此外，除了图象读取功能，由于还把转动件用作编码器提供输入功能，因此可获得同时具有读取指纹等的图象读取功能和输入功能的移动电话或鼠标之类紧凑、低成本的输入设备。

                           工业应用

如上所述，本发明图象读取设备可用作指纹检测设备和原稿之类有明暗平面的读取对象的读取设备。

Claims (14)

1、一种图象读取设备，包括光源；读取对象的有输入面的输入件和由多个光电转换件构成、检测读取对象与该输入面交界面上散射或反射的光的光检测装置，

其中，该输入件用透明底件制成，且由按照读取对象与该图象读取设备之间的相对运动量转动的转动件构成，

该设备进一步包括整个图象合成装置，该整个图象合成装置用第一光检测装置检测读取对象与该图象读取设备之间的相对运动量而检测第一转动件的转动量，并且根据由第一光检测装置和该运动量获得的部分图象获得读取对象的整个图象。

2、按权利要求1所述的图象读取设备，其特征在于，在第一转动件一端表面上形成明暗图案；第一光检测装置检测从第一光源发出后透过该明暗图案的光，从而检测第一转动件的转动量。

3、按权利要求1或2所述的图象读取设备，其特征在于，第一光检测装置设置在可接收从读取对象与输入面交界面发出的、由Snell定律确定的反射光的位置上。

4、按权利要求1或2所述的图象读取设备，其特征在于，第一光检测装置设置在可接收从读取对象与输入面交界面发出的、由Snell定律确定的反射光和从第一转动件的输入面与读取对象交界面发出的散射光的位置上。

5、按权利要求1-4所述的图象读取设备，其特征在于，从第一光源发出、入射在输入面上的入射光有多个不同入射角分量。

6、按权利要求1-5中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，该图象读取设备在第一转动件和第一光检测装置的光路之间有光学成像系统和反射镜之一。

7、按权利要求1-6中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，该图象读取设备在第一转动件和第一光检测装置的光路之间有一光纤束。

8、按权利要求1-7中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，第一转动件用为无机底材的玻璃底材或为有机底材的合成树脂制成。

9、按权利要求1-8中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，该图象读取设备在第一转动件的输入面上有一防止脏物粘在该表面上的防脏层。

10、按权利要求1-9中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，该图象读取设备有除去粘在第一转动件该表面上的脏物的清洁器。

11、按权利要求1-10中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，读取对象包括指纹之类有凹凸的读取对象和原稿之类有明暗的读取对象。

12、按权利要求1-11中任一权利要求所述的图象读取设备，其特征在于，该图象读取设备具有按照第一转动件的转动量进行一维位置输入的功能。

13、按权利要求1-11中任一权利要求所述的图象读取设备，进一步包括其转动轴线与第一转动件的转动轴线不同的第二转动件和第二转动件转动量检测装置，其特征在于，具有按照第一转动件的转动量和第二转动件的转动量进行二维位置输入的功能。

14、按权利要求1-11中任一权利要求所述的图象读取设备，进一步包括其转动轴线与第一转动件的转动轴线不同、其一端部表面上形成有一明暗图案的第二转动件；第二光源；第二光检测装置和通过检测从第二光源发出后透过形成在第二转动件该表面上的该明暗图案的光检测第二转动件的转动量的转动量检测装置，其特征在于，具有按照第一转动件的转动量和第二转动件的转动量进行二维位置输入的功能。

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