指纹输入设备制造技术

本发明专利技术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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术的专利技术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。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而被提出的。因此，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术还有一个目的是提供一种可弯曲的指纹输入设备。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。虽然本专利技术属于光传输类型，但本专利技术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，与本专利技术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(Na20-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1.7B2O3玻璃1.45636BaO 64B2O3玻璃1.63050PbO 50B2O3玻璃1.878GeO2玻璃1.607BeF2玻璃1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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为１．４或１．４以上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：樋口辉幸，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]