FR3095535A1 - capteur d'empreintes papillaires à lame mince - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur d'empreintes papillaires comprenant une surface d'acquisition (14) s'étendant sur une longueur L, une source lumineuse (11) configurée pour émettre une impulsion lumineuse, une lame (12) adaptée pour la propagation de rayons lumineux par réflexion sur la première face (12a) et la seconde face (12b) qui définit un angle critique (θc), et un imageur (13), l'épaisseur (e) de la lame étant inférieure à une épaisseur emax= L/2xtan(θc), de sorte qu'une première partie des rayons lumineux (20b, 20c) se propage sans réflexion sur la surface d'acquisition (14) tandis qu'une seconde partie des rayons lumineux (20a, 20d) est réfléchie vers ladite surface d'acquisition (14) après une réflexion sur la seconde face (12), et l'imageur (13) est configuré pour acquérir une première image pendant la réception de la première partie des rayons lumineux et une seconde image pendant la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Figure pour l'abrégé : figure 2
Description
L'invention concerne un capteur d'empreintes papillaires tel qu'un capteur d'empreintes digitales à lame mince, et son procédé de fonctionnement.
L’identification par empreintes papillaires est une des techniques les plus utilisées en biométrie. Les empreintes papillaires sont formées par des dermatoglyphes présentes sur l’épiderme en surface de la peau. Ces dermatoglyphes sont constitués de crêtes et de vallées, et sont une projection du dessin présent en profondeur sur le derme. Les dermatoglyphes présentent l'avantage d'être individuelles, immuables, et inaltérable, sauf altération profonde du derme.
Les parties du corps humain présentant des empreintes papillaires sont principalement constituées par les doigts, et on parle alors d'empreintes digitales, mais également par les paumes ou la plante des pieds. Plusieurs technologies sont possibles pour acquérir des empreintes papillaires à des fins d'identification. L'acquisition d'une image optique des empreintes digitales d'un doigt est la plus couramment utilisée et sera utilisée pour illustrer la présente invention. On parlera donc par la suite de doigt pour désigner la partie du corps humain présentant des empreintes papillaires, et d'empreintes digitales pour désigner les empreintes papillaires.
Dans une identification optique par empreintes digitales, une image d’un doigt illuminé est acquise et analysée pour identifier un individu. La méthode la plus employée consiste à acquérir l'image du doigt lorsque celui-ci est apposé sur une surface, et à exploiter les interactions optiques entre le doigt et cette surface pour identifier les empreintes digitales, et par comparaison avec une base de données, identifier l'individu.
Un capteur d'empreintes digitales qui doit illuminer un doigt et en récupérer la lumière pour la traiter fait donc appel à des systèmes optiques afin d'acquérir les données biométriques qui doivent être traitées. Les systèmes optiques utilisés font naître des contraintes géométriques liées à la propagation des rayons lumineux qui se traduisent par des contraintes d'encombrement et de fabrication.
Par exemple, lafigure 1illustre un exemple schématique d'un capteur 1 d'empreintes digitales dans lequel la propagation de la lumière entre la surface d'acquisition 4 et l'imageur 3 fait intervenir plusieurs réflexions à des interfaces entre un milieu de propagation et des milieux externes à ce milieu de propagation, typiquement de l'air.
Le capteur 1 comprend une lame 2 formant un milieu de propagation pour la lumière, dans un matériau transparent comme par exemple du polyméthacrylate de méthyle (PMMA). La lame 2 comprend deux faces 2a, 2b sensiblement parallèles qui sont destinées à réfléchir les rayons lumineux, formant un guide d'onde jusqu'à l'imageur 3 dans une direction de propagation Z. L'interface entre le milieu de propagation et le milieu externe au contact de chacune de ces faces 2a, 2b définit un angle critique. Lorsque l'angle d'incidence de la lumière est inférieur à l'angle critique, la lumière traverse l'interface ; lorsque l'angle d'incidence de la lumière est supérieur à l'angle critique, la lumière est réfléchie à l'interface sans la traverser. Pour simplifier, il est considéré ici que le milieu externe est de l'air pour les deux faces 2a, 2b, sauf au niveau de la surface d'acquisition.
La lame 2 présente en effet face à la seconde face 2b une surface d'acquisition 4 destinée à recevoir en apposition le doigt présentant les empreintes digitales dont on souhaite acquérir une image. La surface d'acquisition 4 est typiquement une partie de la première face 2a de la lame 2.
Les empreintes digitales comportent des crêtes et des vallées. Les crêtes sont au contact de la surface d'acquisition 4, définissant avec le milieu de propagation une interface milieu de propagation-peau. Les vallées ne sont pas au contact de la surface d'acquisition, de l'air est interposé entre la peau formant les vallées et la surface d'acquisition 4. En l'absence de crêtes, il y a donc une interface milieu de propagation-air. Ces interfaces définissent donc différents angles critique de réflexion, qui dépendent des indices de réfraction respectifs du milieu de propagation, de la peau, et de l'air.
Une source lumineuse 1, par exemple une diode électroluminescente, émet de la lumière en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition 4. La lumière peut être réfléchie par l'interface entre la surface d'acquisition 4 et l'air, auquel cas elle est réfléchie depuis la surface d'acquisition 4 vers l'intérieur de la lame 2, ou la lumière peut parvenir dans le doigt et y être réémise par diffusion dans le milieu de propagation en traversant la surface d'acquisition 4. La lumière en provenance de la surface de d'acquisition 4 correspond à l'image dont il est souhaité l'acquisition.
Les rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition 4 se propage dans le milieu de propagation de la lame 2 jusqu'à atteindre la seconde face 2b de la lame opposée à la surface d'acquisition 4. Les rayons lumineux qui présentent un angle d'incidence θ sur la seconde face 2b supérieur à l'angle critique sont réfléchis vers l'intérieur de la lame 2 en direction de la première face 2a, tandis que les autres rayons lumineux traversent la seconde face 2b et sortent de la lame 2. Les rayons lumineux réfléchis se propagent ensuite par réflexion totale interne en se réfléchissant alternativement sur la première face 2a et la seconde face 2b, jusqu'à atteindre la sortie 5 de la lame, puis l'imageur 3. Typiquement, comme schématiquement illustré sur lafigure 1, la sortie 5 de la lame peut être courbe, et un ou plusieurs miroirs 6 peuvent être utilisés entre la sortie 5 et l'imageur 3 pour guider la lumière.
Cette propagation par réflexion totale interne dans la lame 2 impose une contrainte sur l'épaisseur e de la lame. Il est en effet nécessaire que la lame 2 présente une épaisseur e suffisante pour empêcher les rayons lumineux réfléchis sur la seconde face 2b de rejoindre la surface d'acquisition 4, afin d'empêcher la création d'images fantômes. Si des rayons en provenance d'un premier point de la surface d'acquisition 4 sont renvoyés par réflexion sur la seconde face 2b vers un autre point de cette surface d'acquisition 4, ces rayons peuvent être réfléchis par la surface d'acquisition 4 vers l'intérieur de la lame 2 et se propager vers l'imageur 3. Un même point de la surface d'acquisition 4 peut alors être la source de deux types de rayons lumineux : des premiers rayons lumineux sans réflexion préalable, correspondant à l'image qu'il est souhaité d'acquérir, et des seconds rayons lumineux ayant précédemment subit une réflexion sur la seconde face. Ces deux types de rayons engendrent deux informations lumineuses différentes pour un même point : une vraie image et une image fantôme, qui vient polluer la vraie image.
Les rayons les plus susceptibles de créer de telles images fantômes sont ceux en provenance du côté de la surface d'acquisition 4 la plus éloignée de la sortie 5 dans la direction de propagation Z, opposé à l'imageur 3. Dans une vue en coupe comme illustrée par lafigure 1, la surface d'acquisition 4 s'étend sur la première face 2a dans la direction de propagation Z depuis un point A vers un point B, le point A étant le point de la surface d'acquisition 4 le plus éloigné de la sortie 5, le point B étant le point de la surface d'acquisition 4 le plus proche de la sortie 5 de la lame 2. Les rayons lumineux en provenance du point A incidents à la seconde face 2b selon un angle d'incidence θ supérieur à l'angle critique, sont renvoyés avec un même angle θ vers la première face 2a. Pour que ces rayons évitent la surface d'acquisition 4 même avec un angle d'incidence θ égal à l'angle critique, il faut que l'épaisseur e de la lame soit supérieure à une épaisseur minimale emincorrespondant à emin= L/2 x tan(θc), avec L la largeur de la surface d'acquisition 4 dans la direction de propagation Z (c'est-à-dire la distance entre A et B) et θcl'angle critique à l'interface entre la seconde face 2b et le milieu externe. Par exemple, avec le PMMA comme milieu de propagation (indice de réfraction nmilieude 1,42), l'angle critique θcest d'environ 42°. Une surface d'acquisition 4 s'étendant sur une largeur L de 20 mm dans la direction de propagation Z impose alors une épaisseur de lame e d'au moins 9 mm.
Une lame 2 épaisse présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, l'épaisseur de la lame 2 empêche de réaliser un capteur 1 plus fin et moins encombrant. Ensuite, il est difficile de fabriquer une lame 2 épaisse, et en particulier de s'assurer d'une parfaite planéité de la lame 2, nécessaire à une bonne propagation de la lumière par réflexion totale.
L'invention vise à permettre de réduire l'encombrement du capteur et d'en faciliter la fabrication en proposant un capteur muni d'une lame d'épaisseur réduite qui permettent néanmoins d'acquérir une image des empreintes digitales non affectée par une image fantôme.
A cet effet, l'invention propose un capteur d'empreintes papillaires comprenant :
- une surface d'acquisition destinée à recevoir une partie d'un corps dont une image des empreintes papillaires doit être acquise, la surface d'acquisition s'étendant sur une longueur L dans une direction de propagation,
- une source lumineuse configurée pour émettre une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition,
- une lame formant un milieu de propagation pour la lumière dans la direction de propagation présentant un premier indice de réfaction, et présentant au moins une sortie, une première face et une seconde face parallèles entre elles et distantes d'une épaisseur de la lame, la lame étant adaptée pour la propagation de rayons lumineux depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie par réflexion sur la première face et la seconde face, la seconde face constituant une interface entre la lame et un milieu externe à la lame présentant un second indice de réfraction différent du premier indice de réfraction, ladite interface définissant un angle critique pour les rayons se propageant dans la lame et incidents à cette interface,
- un imageur disposé pour recevoir les rayons lumineux en provenance de la sortie, l'imageur comprenant une matrice de pixels sensibles à la réception des rayons lumineux pendant une durée d'acquisition,
dans lequel l'épaisseur de la lame est strictement inférieure à une épaisseur limite emax, avec emax= L/2 x tan(θc), de sorte qu'en utilisation, une première partie des rayons lumineux se propage depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie sans réflexion sur la surface d'acquisition tandis qu'une seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition est réfléchie vers ladite surface d'acquisition après une réflexion sur la seconde face lors de la propagation depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie, et dans lequel l'imageur est configuré pour acquérir une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux et une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux.
- une surface d'acquisition destinée à recevoir une partie d'un corps dont une image des empreintes papillaires doit être acquise, la surface d'acquisition s'étendant sur une longueur L dans une direction de propagation,
- une source lumineuse configurée pour émettre une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition,
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dans lequel l'épaisseur de la lame est strictement inférieure à une épaisseur limite emax, avec emax= L/2 x tan(θc), de sorte qu'en utilisation, une première partie des rayons lumineux se propage depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie sans réflexion sur la surface d'acquisition tandis qu'une seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition est réfléchie vers ladite surface d'acquisition après une réflexion sur la seconde face lors de la propagation depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie, et dans lequel l'imageur est configuré pour acquérir une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux et une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux.
L'invention concerne également un procédé d'acquisition d'empreintes papillaires d'une partie d'un corps posée sur une surface d'acquisition d'un capteur d'empreintes papillaires selon l'invention, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission par la source lumineuse d'une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition,
- acquisition par l'imageur d'une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux, ladite première partie des rayons lumineux se propagent depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie sans réflexion sur la surface d'acquisition,
- acquisition par l'imageur d'une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux, ladite seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition étant réfléchie vers ladite surface d'acquisition après une réflexion sur la seconde face lors de la propagation depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie,
- combinaison de la première image et de la seconde image pour former une image finale représentative des empreintes papillaires de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition.
- émission par la source lumineuse d'une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition,
- acquisition par l'imageur d'une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux, ladite première partie des rayons lumineux se propagent depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie sans réflexion sur la surface d'acquisition,
- acquisition par l'imageur d'une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux, ladite seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition étant réfléchie vers ladite surface d'acquisition après une réflexion sur la seconde face lors de la propagation depuis la surface d'acquisition jusqu'à la sortie,
- combinaison de la première image et de la seconde image pour former une image finale représentative des empreintes papillaires de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition.
Le capteur et/ou le procédé peuvent être avantageusement complétés par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- la première durée d'acquisition s'arrête avant le début de la réception de la seconde partie des rayons lumineux, et la seconde durée d'acquisition commence après la fin de la réception de la première partie des rayons lumineux ;
- la première durée d'acquisition commence avant le début de la réception de la première partie des rayons lumineux et la seconde durée d'acquisition commence se termine après la fin de la réception de la seconde partie des rayons lumineux ;
- l'épaisseur de la lame est supérieure à emin, avec emin= L/4 x tan(θc) ;
- au moins une durée d'acquisition parmi la première durée d'acquisition et la seconde durée d'acquisition est inférieure à 500 picosecondes ;
- l'imageur est un imageur à photodiodes à avalanche ;
- l'impulsion lumineuse est inférieure à 50 picosecondes ;
- la combinaison de la première image et de la seconde image consiste à juxtaposer la première image et la seconde image ;
- il peut y avoir une émission par la source lumineuse d'une seconde impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition après l'acquisition par l'imageur d'une première image et avant l'acquisition par l'imageur d'une seconde image.
- la première durée d'acquisition s'arrête avant le début de la réception de la seconde partie des rayons lumineux, et la seconde durée d'acquisition commence après la fin de la réception de la première partie des rayons lumineux ;
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- la combinaison de la première image et de la seconde image consiste à juxtaposer la première image et la seconde image ;
- il peut y avoir une émission par la source lumineuse d'une seconde impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition après l'acquisition par l'imageur d'une première image et avant l'acquisition par l'imageur d'une seconde image.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations et des variantes selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
Description détaillée
Lafigure 2montre un exemple de capteur d'empreintes papillaires selon l'invention présentant une structure similaire à celle décrite en référence à lafigure 1. De ce fait, les caractéristiques décrites en relation avec le capteur de la figure 1 s'appliquent également à un capteur selon l'invention, à moins qu'il ne soit explicitement fait mention du contraire. On y retrouve ainsi une lame 12 formant un milieu de propagation pour la lumière dans la direction de propagation Z présentant un premier indice de réfaction. La lame 2 est dans un matériau transparent comme par exemple du polyméthacrylate de méthyle (PMMA). La lame 2 présente au moins une sortie 15, une première face 12a et une seconde face 12b parallèles entre elles et distantes d'une épaisseur e de la lame 12. La lame 12 peut être de toute forme dès lors qu'elle remplit une fonction de guide d'onde pour les rayons lumineux.
Le capteur comprend une surface d'acquisition 14 destinée à recevoir une partie d'un corps dont une image des empreintes papillaires doit être acquise, c'est-à-dire destinée à recevoir en apposition le doigt présentant les empreintes digitales dont on souhaite acquérir une image. Le capteur peut être un capteur à doigt fixe, dans lequel le doigt est immobile sur la surface d'acquisition 14, ou un capteur roulant, dans lequel le doigt se déplace en translation sur la surface d'acquisition 14.
La surface d'acquisition 14 s'étend sur une longueur L dans une direction de propagation Z. La surface d'acquisition 14 fait face à la seconde face 12b de la lame 12. La lame 12 est adaptée pour la propagation de rayons lumineux depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15 par réflexion sur la première face 12a et la seconde face 12b, et plus précisément par réflexion total interne. La première face 12a et la seconde face 12b constituent des interfaces entre la lame 12 et un milieu externe à la lame 12 présentant un second indice de réfraction différent du premier indice de réfraction. L'interface entre la seconde face 12b et le milieu externe à la lame 12 définit un angle critique θc pour les rayons se propageant dans la lame 12 et incidents à cette interface.
Le capteur comprend également une source lumineuse 11 configurée pour émettre une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition 14. L'impulsion lumineuse est de préférence très brève, par exemple inférieure à 50 picosecondes, et de préférence encore inférieure à 25 picosecondes. La source lumineuse 11 est par exemple une diode laser telle qu'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface, ou VCSEL pour l'anglais "vertical-cavity surface-emitting laser". La source lumineuse 11 est présentée ici comme faisant face à la surface d'acquisition 14, du côté de la seconde face 12b de la lame 12. La source lumineuse 11 peut être disposée ailleurs, et peut par exemple être disposée latéralement entre la première face 12a et la seconde face 12b, ou bien encore être extérieure à la lame 12 et éclairant directement le doigt sans que sa lumière ne traverse la surface d'acquisition 14.
Le capteur comprend également un imageur 13 disposé pour recevoir les rayons lumineux en provenance de la sortie 15, l'imageur 13 comprenant une matrice de pixels sensibles à la réception des rayons lumineux pendant une durée d'acquisition.
A l'inverse des capteurs de l'état de la technique tels qu'illustré par lafigure 1, le capteur selon l'invention se caractérise par une épaisseur e plus faible. Plus précisément, l'épaisseur e de la lame 12, c'est-à-dire la distance entre la première face 12a et la seconde face 12b, est strictement inférieure à une épaisseur limite emax, avec emax= L/2 x tan(θc), avec θc l'angle critique à l'interface entre la seconde face 12b et le milieu extérieur à la lame 12.
De ce fait, une seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition 14 est réfléchie vers ladite surface d'acquisition 14 après une réflexion sur la seconde face 12 lors de la propagation depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15, tandis qu'une première partie des rayons lumineux 20b, 20c se propagent depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15 sans réflexion sur la surface d'acquisition 14.
A titre illustratif, dans une vue en coupe comme sur lafigure 2, la surface d'acquisition 14 s'étend sur la première face 12a dans la direction de propagation Z depuis un point A vers un point B, le point A étant le point de la surface d'acquisition 14 le plus éloigné de la sortie 15, le point B étant le point de la surface d'acquisition 14 le plus proche de la sortie 15 de la lame 12. Entre les points A et B se trouvent les points D et C de la surface d'acquisition 14 (dans la direction de propagation Z). De chacun de ces points A, B, C, D proviennent des rayons lumineux (ou au moins des trajets de rayons lumineux qui seront considérés comme des rayons lumineux pour simplifier), notés respectivement 20a, 20b, 20c, 20d.
Les rayon lumineux 20a, 20b, 20c, 20d en provenance de la surface d'acquisition 14 sont incidents à la seconde face 12b selon un angle d'incidence θ supérieur à l'angle critique θc, et sont renvoyés avec un même angle θ pour ensuite se propager par réflexion sur la première face 12a et la seconde face 12b jusqu'à la sortie 15. Toutefois, en raison de la faible épaisseur e de la lame 12, des rayons lumineux en provenance de la partie de la surface d'acquisition 14 la plus éloignée de la sortie 15 sont réfléchis vers la surface d'acquisition 14 après une première réflexion sur la seconde face 12b. Ainsi, le rayon 20a en provenance du point A est réfléchi par la seconde face 12b en direction du point C de la surface d'acquisition 14, tandis que le rayon 20d en provenance du point D est réfléchi par la seconde face 12b en direction du point B de la surface d'acquisition 14. A l'inverse, le rayon 20b en provenance du point B et le rayon 20c en provenance du point C, sont réfléchis vers la première face 12a en dehors de la surface d'acquisition 14 après une première réflexion sur la seconde face 12b, puis se propagent vers la sortie 15.
Ainsi, une seconde partie des rayons lumineux 20a, 20d en provenance de la surface d'acquisition 14 est réfléchie vers la surface d'acquisition 14 après une réflexion sur la seconde face 12b lors de la propagation depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15, tandis qu'une première partie des rayons lumineux 20b, 20c se propagent depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15 sans réflexion sur la surface d'acquisition 14.
Il apparaît donc cependant que les rayons 20a et 20c partagent le même trajet optique après le point C, dans la lame 12 et après celle-ci, de sorte qu'ils atteignent un même pixel A'/C' de l'imageur 13. De même, les rayons 20d et 20b partagent le même trajet optique après le point B, dans la lame 12 et après celle-ci, de sorte qu'ils atteignent un même pixel B'/D' de l'imageur 13. Une même zone de l'imageur 13 reçoit donc des rayons lumineux en provenance de deux zones distinctes de la surface d'acquisition 14, puisqu'il y a recouvrement entre les rayons lumineux en provenance de la zone A-D et de la zone C-B de la surface d'acquisition 14. Une image fantôme peut alors être générée pour la zone C-B à partir des informations contenues dans les rayons lumineux en provenance de la zone A-D. Il est à noter que les rayons lumineux en provenance de la zone D-C de la surface d'acquisition ne présentent pas de problème, ceux-ci se propageant depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15 sans réflexion sur la surface d'acquisition 14 faisant suite à une première réflexion sur la seconde face 12b, et restent distincts des autres rayons lumineux jusqu'à l'imageur 13, sans risque de confusion.
Toutefois, cette seconde partie des rayons lumineux n'arrive pas au même moment sur l'imageur 13. En effet, les rayons lumineux en provenance de la zone A-D tels que les rayons 20a et 20d présentent un aller-retour dans l'épaisseur de la lame 12 avant d'atteindre la surface d'acquisition 14 d'où ils suivent le même trajet optique que les rayons lumineux en provenance de la zone C-B. Cette seconde partie des rayons lumineux présente donc un retard dans sa propagation dans la lame 12 correspondant au temps mis pour faire l'aller-retour dans la lame 12, c'est-à-dire le trajet depuis la surface d'acquisition 14 vers la seconde face 12b puis vers la surface d'acquisition après réflexion sur la seconde face 12b. La distance supplémentaire est de dn=2 x e/cos(θ), parcourue par la lumière à une vitesse vnégale au rapport entre la vitesse de la lumière c dans le vide par l'indice de réfraction n du matériau, ce qui donne un temps supplémentaire de parcours de dn/vn. A titre d'exemple, le PPMA présente un indice n de 1,42, donc une vitesse de la lumière vnà l'intérieur de la lame 12 d'environ 211 121 km.s-1. Avec une lame 12 d'une épaisseur e de 4 mm, et avec un angle critique PPMA-air d'environ 42°, la distance supplémentaire dnest de 10,8 mm, d'où un temps de parcours supplémentaire Δt de 51 picosecondes.
Dès lors, la seconde partie des rayons lumineux arrive sur l'imageur 13 avec un retard correspondant à ce temps de parcours supplémentaire par rapport à la première partie des rayons lumineux qui n'a pas eu de réflexion sur la surface d'acquisition 14. Il est donc possible de distinguer la seconde partie des rayons lumineux de la première partie des rayons lumineux.
L'imageur 13 est donc configuré pour acquérir une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux et une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Il suffit pour cela que la première durée d'acquisition s'arrête essentiellement avant le début de la réception de la seconde partie des rayons lumineux, et que la seconde durée d'acquisition commence essentiellement après la réception de la première partie des rayons lumineux.
Il est à noter que des fractions de la seconde partie des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition 14 peuvent présenter plusieurs réflexions sur la surface d'acquisition 14. Puisque chaque réflexion sur la surface d'acquisition 14 engendre un retard de propagation des rayons lumineux due à l'aller-retour dans l'épaisseur de la lame 12 comme décrit précédemment, chaque fraction de la seconde partie des rayons lumineux se distingue par une durée de propagation propre au nombre de réflexions sur la surface d'acquisition 14 subies par ladite fraction. Il est donc possible, par l'acquisition de plusieurs images, chacune avec une durée d'acquisition dédiée à la réception des rayons lumineux d'une fraction, de distinguer les fractions entre elles afin d'empêcher l'apparition d'images fantômes.
Toutefois, autoriser de multiples réflexions sur la surface d'acquisition 14 rend plus complexe le fonctionnement du capteur, et engendre des exigences supplémentaires sur les capacités de l'imageur 13. Ainsi, l'épaisseur e de la lame 12 est de préférence supérieure à emin, avec emin= L/4 x tan(θc), afin de n'autoriser au maximum qu'une réflexion sur la surface d'acquisition 14 par les rayons lumineux de la seconde partie des rayons lumineux.
Lafigure 3et lafigure 4illustrent un exemple de fonctionnement du capteur lors de la mise en œuvre d'un exemple de procédé d'acquisition. Après que la partie d'un corps, typiquement un doigt, dont on souhaite acquérir une image des empreintes papillaires, a été posée sur la surface d'acquisition 14 du capteur, la source lumineuse 11 émet (étape S11) une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition 14. Sur lafigure 4, cette impulsion 40 apparaît sur le profil temporel du haut du chronogramme.
Comme expliqué plus haut, cette émission lumineuse engendre des rayons lumineux en provenance de la surface d'acquisition 14 se propageant dans la lame 12 depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15, puis jusqu'à l'imageur 13. Ces rayons lumineux se divisent en une première partie qui se propage depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15 sans réflexion sur la surface d'acquisition 14, et une seconde partie en provenance de la surface d'acquisition qui est réfléchie vers ladite surface d'acquisition 14 après une réflexion sur la seconde face 12 lors de la propagation depuis la surface d'acquisition 14 jusqu'à la sortie 15. Sur le profil temporel du milieu de lafigure 4, montrant schématiquement l'intensité lumineuse des rayons arrivant sur l'imageur 13 en fonction du temps, la première partie des rayons lumineux est représentée par la forme vide 42, tandis que la seconde partie des rayons lumineux est représentée par la forme hachurée 44. On voit ici que la première partie des rayons lumineux précède la seconde partie des rayons lumineux.
L'imageur 13 acquiert alors (étape S12) une première image pendant une première durée d'acquisition 46 correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux. La première durée d'acquisition 46 s'interrompt avant la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Ainsi, la première image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone D-B de la surface d'acquisition 14, puisque ceux-ci constituent la première partie des rayons lumineux.
L'imageur 13 acquiert ensuite (étape S13) une seconde image durant une seconde durée d'acquisition 48 correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux. La première durée d'acquisition 46 commence après la réception de la première partie des rayons lumineux. Ainsi, la seconde image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone A-D de la surface d'acquisition 14, puisque ceux-ci constituent la seconde partie des rayons lumineux.
Il est à noter que les durées d'acquisition 46, 48, peuvent avoir une même longueur, ou être de longueurs différentes. La première durée d'acquisition 46 peut commencer bien avant la réception de la première partie des rayons lumineux, et la seconde durée d'acquisition 48 peut s'interrompre bien après la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Il faut néanmoins que la transition entre la première durée d'acquisition 46 et la seconde durée d'acquisition 48 interviennent entre la réception de la première partie des rayons lumineux et la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Plus la lame 2 est fine, plus le retard de la seconde partie par rapport à la première partie est faible. Par ailleurs, plus l'impulsion lumineuse est de longue durée, plus le train de rayons lumineux de la première partie est long, augmentant le chevauchement. Il est donc préférable que l'impulsion lumineuse soit aussi brève que possible, et de préférence inférieure à 50 picosecondes, et de préférence encore inférieure à 25 picosecondes.
Il est à noter que les durées d'acquisition 46, 48, peuvent avoir une même longueur, ou être de longueurs différentes. La première durée d'acquisition 46 peut commencer bien avant la réception de la première partie des rayons lumineux, et la seconde durée d'acquisition 48 peut s'interrompre bien après la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Il faut néanmoins que la transition entre la première durée d'acquisition 46 et la seconde durée d'acquisition 48 interviennent entre la réception de la première partie des rayons lumineux et la réception de la seconde partie des rayons lumineux. Plus la lame 2 est fine, plus le retard de la seconde partie par rapport à la première partie est faible. Par ailleurs, plus l'impulsion lumineuse est de longue durée, plus le train de rayons lumineux de la première partie est long, augmentant le chevauchement. Il est donc préférable que l'impulsion lumineuse soit aussi brève que possible, et de préférence inférieure à 50 picosecondes, et de préférence encore inférieure à 25 picosecondes.
La présence d'un chevauchement temporel à la réception par l'imageur 13 entre la première partie et la seconde partie des rayons lumineux n'est pas trop préjudiciable. En effet, la première durée d'acquisition 46 peut s'interrompre avant la fin de la réception de la première partie des rayons lumineux, de sorte à éviter la réception de la seconde partie des rayons lumineux. De même, la seconde durée d'acquisition 48 peut commencer après le début de la réception de la seconde partie des rayons lumineux, de sorte à éviter la fin de la réception de la première partie des rayons lumineux. Il n'y a donc pas d'acquisition pendant la durée de chevauchement en réception. Il est alors possible de réduire l'exigence de brièveté de l'impulsion lumineuse 40, au prix toutefois d'une attention particulière portée aux variations spatiales de luminosité engendrées alors, puisque certaines zones de la surface d'acquisition 14 dont sont originaires les rayons lumineux non acquis apparaissent moins lumineuses. Il peut alors être mis en œuvre une correction de luminosité sur l'image finale.
Il faut néanmoins synchroniser correctement les durées d'acquisition de l'imageur 13 avec l'arrivée des rayons lumineux au moyen d'une calibration.
Chaque image ne rend compte que d'une partie de la surface d'acquisition 14, et donc ne rend compte que d'une partie des empreintes papillaires de la partie du corps qui y est apposée. Une dernière étape consiste donc à combiner (étape S14) la première image et la seconde image pour former une image finale représentative des empreintes papillaires de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition. Typiquement, la combinaison de la première image et de la seconde image consiste à juxtaposer la première image et la seconde image. En effet, comme expliqué plus haut, l'imageur 13 reçoit sur les mêmes pixels les rayons lumineux en provenance des zones A-D et C-B. La première image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone D-B, et la seconde image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone A-D. La juxtaposition des images permet de rendre compte de la zone A-B, créant un décalage entre les images qui évite de superposer les informations en provenance en provenance des zones A-D et C-B.
Les deux images sont de préférence acquises consécutivement suite à une même impulsion lumineuse. Il faut alors que l'imageur 13 présente une grande vitesse d'acquisition. L'imageur 13 est de préférence apte à acquérir la première image et/ou la seconde image avec une première durée d'acquisition et/ou une seconde durée d'acquisition inférieure à 500 picosecondes, et de préférence inférieure à 100 picosecondes. Il est par exemple possible un imageur à base de photodiodes à avalanche, et particulièrement un imageur du type dit SPAD pour l'anglais "single-photon avalanche diode", qui présentent des vitesses d'acquisition pouvant descendre à moins de 10 picosecondes. Dans ce type d'imageur, chaque électron reçu (ou un petit nombre d'électrons) provoque un grand courant d'avalanche, ce qui permet une détection très fine dans un temps très court.
Il est toutefois possible d'utiliser un imageur 13 avec moins de contraintes de rapidité, en exploitant différemment les rayons lumineux engendrés par deux impulsions lumineuses distinctes. C'est l'exemple illustré par lafigure 5et lafigure 6. Comme précédemment, la source lumineuse 11 émet (étape S21) une première impulsion lumineuse 50 en direction de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition 14. Sur lafigure 6, cette première impulsion 50 apparaît sur le profil temporel du haut du chronogramme. Comme précédemment, un train de rayon lumineux arrive avec une première partie de rayons lumineux, représentée par la forme vide 52 sur le profil temporel du milieu de lafigure 6, suivie par une seconde partie de rayons lumineux, représentée par la forme hachurée 53. Comme précédemment, l'imageur 13 acquiert alors (étape S22) une première image pendant une première durée d'acquisition 56 (profil temporel du bas) correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux. La première durée d'acquisition 56 s'interrompt avant la réception de la seconde partie des rayons lumineux.
Toutefois, contrairement au mode de réalisation illustré par lesfigures 3et4, l'acquisition de la seconde image ne se fait pas au moment de la réception de la seconde partie des rayons lumineux du même train de rayons lumineux engendré par la première impulsion 50. Avant cette acquisition, la source lumineuse 11 émet (étape S23) une seconde impulsion lumineuse 51 en direction de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition 14, qui engendre un second train de rayons comprenant une première partie de rayons lumineux représentée par la forme vide 54 suivie par une seconde partie de rayons lumineux représentée par la forme hachurée 55. L'imageur 13 acquiert ensuite (étape S24) une seconde image durant une seconde durée d'acquisition 58 correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux, cette fois engendrée par la seconde impulsion 51. Cette seconde durée d'acquisition 58 commence après la réception de la première partie des rayons lumineux engendrée par la seconde impulsion 51.
Il est aisé de choisir un écart temporel entre la première impulsion 50 et la seconde impulsion 51 est suffisamment faible pour que la partie du corps ne bouge pas entre les deux acquisitions, typiquement inférieure à 0,1 seconde, de préférence inférieure à 0,01 seconde, et très inférieures aux temps caractéristiques d'un mouvement du corps. Dans cette approche, il n'y a pas la nécessité que les durées d'acquisition 56, 58 soient très proches l'une de l'autre. L'imageur 13 peut donc être moins rapide. L'imageur 13 peut alors être de tout type, la seule contrainte étant la synchronisation de la fin de la première durée d'acquisition 56 avant la réception de la seconde partie des rayons lumineux, et le début de la seconde durée d'acquisition 58 après la réception de la première partie des rayons lumineux, comme précédemment
Comme précédemment, deux images sont donc obtenues. La première image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone D-B, et la seconde image rend compte des rayons lumineux en provenance de la zone A-D. Comme précédemment, il suffit donc de les combiner (étape S25) pour obtenir une image finale représentative des empreintes papillaires de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition 14.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des diverses caractéristiques techniques ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims (10)
- Capteur d'empreintes papillaires comprenant :
- une surface d'acquisition (14) destinée à recevoir une partie d'un corps dont une image des empreintes papillaires doit être acquise, la surface d'acquisition (14) s'étendant sur une longueur L dans une direction de propagation (Z),
- une source lumineuse (11) configurée pour émettre une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition (14),
- une lame (12) formant un milieu de propagation pour la lumière dans la direction de propagation (Z) présentant un premier indice de réfaction, et présentant au moins une sortie (15), une première face (12a) et une seconde face (12b) parallèles entre elles et distantes d'une épaisseur (e) de la lame (12), la lame (12) étant adaptée pour la propagation de rayons lumineux depuis la surface d'acquisition (14) jusqu'à la sortie (15) par réflexion sur la première face (12a) et la seconde face (12b), la seconde face (12) constituant une interface entre la lame (12) et un milieu externe à la lame (12) présentant un second indice de réfraction différent du premier indice de réfraction, ladite interface définissant un angle critique (θc) pour les rayons se propageant dans la lame et incidents à cette interface,
- un imageur (13) disposé pour recevoir les rayons lumineux en provenance de la sortie (15), l'imageur (13) comprenant une matrice de pixels sensibles à la réception des rayons lumineux pendant une durée d'acquisition,
caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la lame est strictement inférieure à une épaisseur limite emax, avec emax= L/2 x tan(θc), de sorte qu'en utilisation, une première partie des rayons lumineux (20b, 20c) se propage depuis la surface d'acquisition (14) jusqu'à la sortie (15) sans réflexion sur la surface d'acquisition (14) tandis qu'une seconde partie des rayons lumineux (20a, 20d) en provenance de la surface d'acquisition (14) est réfléchie vers ladite surface d'acquisition (14) après une réflexion sur la seconde face (12) lors de la propagation depuis la surface d'acquisition (14) jusqu'à la sortie (15), et
en ce que l'imageur (13) est configuré pour acquérir une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux (20b, 20c) et une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux (20a, 20d). - Capteur d'empreintes papillaires selon la revendication 1, dans lequel la première durée d'acquisition s'arrête avant le début de la réception de la seconde partie des rayons lumineux, et la seconde durée d'acquisition commence après la fin de la réception de la première partie des rayons lumineux.
- Capteur d'empreintes papillaires selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première durée d'acquisition commence avant le début de la réception de la première partie des rayons lumineux et la seconde durée d'acquisition commence se termine après la fin de la réception de la seconde partie des rayons lumineux.
- Capteur d'empreintes papillaires selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur (e) de la lame (12) est supérieure à emin, avec emin= L/4 x tan(θc).
- Capteur d'empreintes papillaires selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une durée d'acquisition parmi la première durée d'acquisition et la seconde durée d'acquisition est inférieure à 500 picosecondes.
- Capteur d'empreintes papillaires selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'imageur (13) est un imageur à photodiodes à avalanche.
- Capteur d'empreintes papillaires selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'impulsion lumineuse est inférieure à 50 picosecondes
- Procédé d'acquisition d'empreintes papillaires d'une partie d'un corps posée sur une surface d'acquisition (14) d'un capteur d'empreintes papillaires selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission par la source lumineuse (11) d'une impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition (14),
- acquisition par l'imageur (13) d'une première image pendant une première durée d'acquisition correspondant à la réception de la première partie des rayons lumineux, ladite première partie des rayons lumineux (20b, 20c) se propagent depuis la surface d'acquisition (14) jusqu'à la sortie (15) sans réflexion sur la surface d'acquisition (14),
- acquisition par l'imageur (13) d'une seconde image durant une seconde durée d'acquisition correspondant à la réception de la seconde partie des rayons lumineux, ladite seconde partie des rayons lumineux (20a, 20d) en provenance de la surface d'acquisition (14) étant réfléchie vers ladite surface d'acquisition (14) après une réflexion sur la seconde face (12) lors de la propagation depuis la surface d'acquisition (14) jusqu'à la sortie (15),
- combinaison de la première image et de la seconde image pour former une image finale représentative des empreintes papillaires de la partie du corps posée sur la surface d'acquisition. - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la combinaison de la première image et de la seconde image consiste à juxtaposer la première image et la seconde image.
- Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, comprenant en outre une émission par la source lumineuse (11) d'une seconde impulsion lumineuse en direction de la partie d'un corps posée sur la surface d'acquisition (14) après l'acquisition par l'imageur (13) d'une première image et avant l'acquisition par l'imageur (13) d'une seconde image.
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| SEIGO IGAKI ET AL: "REAL-TIME FINGERPRINT SENSOR USING A HOLOGRAM", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, US, vol. 31, no. 11, 10 April 1992 (1992-04-10), pages 1794 - 1802, XP000263991, ISSN: 0003-6935 * |
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