Brevet FR2778548A1 — publié le 19991119

CAPTEUR OPTIQUE D'EMPREINTE DIGITALE COMPACT L'invention concerne un capteur optique de détection d'empreinte digitale destiné à prendre des vues d'empreintes digitales. Il arrivera qu'on confonde l'empreinte digitale et le relief de la peau du doigt qui en est la source d'empreinte, mais le lecteur l'admettra certainement. On trouve des capteurs de ce type notamment dans des systèmes d'identification destinés à sécuriser l'accès à un lieu protégé, ou à contrôler l'identité d'un porteur de carte personnelle (carte d'identité, carte d'assuré social, etc.), par exemple. Généralement, un capteur d'empreinte digitale comprend un prisme, avec une face support de l'empreinte digitale sur laquelle la personne à identifier doit poser son doigt, une source d'éclairage de l'empreinte, un module de prise de vues, avec une surface de détection, et un système optique, par exemple une lentille, interposé entre le prisme et la surface de détection et destiné à focaliser l'image de l'empreinte sur la surface de détection. Un capteur optique d'empreinte digitale s'avère structurellement complexe et encombrant. L'invention vise à réduire fortement cet inconvénient. A cet effet, l'invention concerne un capteur optique d'empreinte digitale comprenant un corps de transmission optique destiné à recevoir un doigt dont une vue de l'empreinte doit être prise, des moyens d'éclairage du doigt, des moyens de prise de vues pour prendre une vue du doigt à travers le corps de transmission optique et ainsi en capter l'empreinte, selon des angles de prise de vues correspondant aux incidences de rayons lumineux des moyens d'éclairage à réflexion totale sur les sillons de l'empreinte du doigt, les vues étant prises sans modification de puissance optique entre le corps optique et les moyens de prise de vues. Il est clair qu'il faut entendre par sillons de l'empreinte les zones de l'empreinte correspondant aux zones de la peau du doigt non en contact avec le corps de transmission optique. Grâce à l'invention, les rayons lumineux réfléchis par les zones de la surface de réception, correspondant aux sillons de l'empreinte, selon donc une détection ombroscopique, viennent, à la sortie du corps de transmission optique, directement frapper la surface de détection, sans modification de leur puissance optique, par exemple par transmission à travers un système optique tel que la lentille de focalisation du capteur optique de l'art antérieur. Il en résulte que le capteur de l'invention est structurellement plus simple et plus compact. io De préférence, le corps de transmission optique est agencé pour que la prise de vues s'effectue sans modification de puissance. Avantageusement, le corps de transmission optique comporte une surface de détermination du grandissement entre l'empreinte digitale et son image, agencée pour modifier les trajets optiques des rayons lumineux provenant des moyens d'éclairage de façon à ce que les rayons lumineux, qui se réfléchissent sur les sillons de l'empreinte du doigt, viennent frapper une surface de détection des moyens de prise de vues. Bien évidemment, l'image de l'empreinte s'entend de la vue de l'empreinte prise par les moyens de prise de vues. La surface de détermination du grandissement oriente les rayons d'éclairage, de façon à ce que les rayons à réflexion totale sur les sillons de se dirigent vers la surface de détection. En outre, grâce à cela, l'image de l'empreinte digitale ne déborde pas en dehors de la surface de détection. Dans une forme de réalisation particulière, la surface de détermination du grandissement est agencée pour diriger les rayons lumineux des moyens d'éclairage vers l'empreinte. Ainsi, les rayons d'éclairage frappent d'abord la surface de détermination du grandissement avant de venir éclairer l'empreinte. La surface de détermination du grandissement peut être agencée pour modifier les trajets optiques des rayons lumineux par réflexion ou par diffraction. De préférence encore, la surface de détermination du grandissement est courbe. Elle peut être sphérique ou asphérique, cylindrique. De préférence, le corps de transmission optique comportant une surface de réception de l'empreinte digitale, la surface de détection des moyens de prise de vues est parallèle à ladite surface de réception de l'empreinte. Grâce à cela, on évite les distorsions d'image. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière du capteur optique d'empreinte digitale de l'invention en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente une vue schématique du capteur optique selon la forme de réalisation particulière de l'invention; - la figure 2 représente une vue schématique, en perpective, de l'avant, d'un corps de transmission optique de la figure 1; - la figure 3 représente une vue en perpective, de l'arrière, du corps de transmission optique de la figure 2 et - la figure 4 représente un schéma illustrant la loi optique de Descartes. Dans l'exemple particulier de la description, le capteur optique est intégré dans un dispositif d'identification et destiné à prendre des vues d'un doigt d'une personne à identifier afin d'en capter l'empreinte digitale. Le capteur optique comprend, dans un boîtier 20, un corps de transmission optique 1, un module de prise de vues 2, un module d'éclairage 3, un bloc d'alimentation destiné à alimenter électriquement les différents éléments du capteur et un bloc de contrôle destiné à contrôler le fonctionnement du capteur. Le bloc d'alimentation et le bloc de contrôle ne sont pas représentés. Le module de prise de vues 2 comprend une surface de détection 4, consistant ici en une matrice CCD (Charge Coupled Device), à deux dimensions, de cellules photosensibles faisant fonction de photomètres, et un bloc électronique 5 de traitement de signaux électriques délivrés par les cellules photosensibles et d'élaboration de vues, d'images, de l'empreinte à capter. Le module d'éclairage 3 comprend une source de lumière 6, en l'espèce une diode électroluminescente (LED), destinée à émettre un faisceau lumineux d'éclairage, ainsi qu'un diaphragme de champ 7' et un diaphragme d'entrée 7 interposé entre la LED et le diaphragme de champ 7'. Les diaphragmes 7, 7' sont destinés à conformer le faisceau lumineux de la LED 6, de façon à obtenir, à la sortie du module d'éclairage 3, un faisceau lumineux divergent et ayant un angle solide déterminé, comme cela sera explicité plus loin. 0o Le corps de transmission optique 1 consiste en un prisme, ici en verre, et comporte essentiellement: - une surface supérieure 8 de réception du doigt dont on veut capter l'empreinte, - une surface inférieure de prise de vues 9, à travers laquelle le module de is prise de vues 2 est destiné à prendre des vues du doigt, - une surface avant 10 d'entrée des rayons lumineux émis par le module d'éclairage 3 et - une surface arrière 11 de détermination du grandissement entre l'empreinte digitale et son l'image sur la surface de détection 4. La surface de réception 8, la surface de prise de vues 9 et la surface d'entrée sont planes. La surface 1 1 de détermination du grandissement est courbe et ici sphérique, convexe vers l'extérieur du prisme 1. La surface arrière 11, de détermination du grandissement, est située en regard de la surface avant d'entrée 10, sur les trajets optiques des rayons lumineux émis par le module d'éclairage 3. La distance séparant sensiblement la surface d'entrée 10 et la surface de détermination du grandissement 11 est une distance déterminée L, explicitée plus loin. Cette surface 11 est ici réfléchissante et destinée à modifier, par réflexion, les trajets optiques des rayons lumineux du module d'éclairage 2 en les dirigeant vers la surface de réception 8 selon des directions correspondant à des angles d'incidence déterminés sur cette surface 8. La surface inférieure de prise de vues 9 est parallèle à la surface de réception supérieure 8 et disposée sur les trajets optiques des rayons lumineux provenant du module d'éclairage 3 et à réflexion totale sur les sillons de l'empreinte, comme cela sera explicité plus loin. La distance entre la surface supérieure 8 et la surface inférieure 9, correspondant à la hauteur du prisme, est également une distance déterminée H, explicitée plus loin. En outre, la surface avant d'entrée 10 est sensiblement orthogonale aux surfaces supérieure et inférieure 8, 9. Le boîtier 20 ménage une ouverture 16 au droit de la surface de réception 8, afin de permettre la pose du doigt dont l'empreinte doit être captée, sur la surface de réception 8. La surface 8 de réception du doigt, est reliée, à l'arrière, à la surface arrière 11, et se prolonge, à l'avant, par une surface 12, située à l'intérieur du boîtier 20, reliant la surface de réception 8 et la surface avant d'entrée 10. La surface de prise de vues 9 est reliée, à l'avant, à une surface 17 qui prolonge vers le bas la surface avant 10, et se prolonge elle-même, à l'arrière, par une surface inclinée 13 reliant la surface inférieure 9 et la surface arrière 11. Enfin, le prisme comporte deux surfaces latérales 14, 15, ici orthogonales aux surfaces 8, 9 et 10. Le module d'éclairage 3 est placé, et ici collé, contre la surface d'entrée 10, les diaphragmes 7 et 7' étant interposés entre la source de lumière 6 et la surface 10. La surface de détection 4 est également placée, collée, contre la surface de prise de vues 9, et donc parallèle à la surface de réception 8. La surface de détection 4 est destinée à prendre des vues d'un doigt posé sur la surface de réception 8, à travers le prisme 1, selon des angles de prise de vues correspondant aux incidences de rayons lumineux du module d'éclairage 3 à réflexion totale sur les sillons de l'empreinte du doigt, sans modification de puissance optique entre le prisme 1 et le module de prise de vues 2, comme cela sera explicité plus loin. L'angle de prise de vues s'entend de l'angle formé par un rayon incident, frappant la surface de détection 9 en un point d'incidence, et la normale à cette surface de détection 9. On soulignera que les dispositions respectives du module d'éclairage 3 et du module de prise de vues 2, tous deux collés contre le prisme 1, contribuent à une meilleure compacité du capteur. Après la description structurelle du capteur, son fonctionnement pour la capture de l'empreinte d'un doigt 100 d'une personne à identifier va maintenant être décrit. La personne à identifier pose son doigt 100, à travers l'ouverture 16, sur la surface de réception 8. Le module d'éclairage 3 émet un faisceau de rayons lumineux divergents, présentant un angle solide déterminé Q. D'emblée, on notera que l'on 1o appelle "rayons lumineux d'éclairage", les rayons provenant du module d'éclairage 2. Ces rayons lumineux d'éclairage pénètrent dans le prisme 1 par la surface avant d'entrée 6 et se propagent à l'intérieur du prisme 1, de l'avant vers i5 l'arrière, avant de venir frapper la surface 11 de détermination du grandissement. L'angle solide Q du faisceau lumineux d'éclairage émis par le module d'éclairage 3 et la distance L entre la surface d'entrée 10 et la surface de détermination du grandissement 11 sont tels que les rayons d'éclairage frappent directement la surface arrière 11, sans rencontrer une autre surface du prisme 1. Les rayons lumineux du module d'éclairage 3 sont réfléchis par la surface 1i 1 de détermination du grandissement et les rayons réfléchis se propagent, à l'intérieur du prisme 1, vers la surface de réception 8, suivant des directions pour lesquelles les angles d'incidence des rayons lumineux d'éclairage sur la surface de réception 8 ont des valeurs déterminées, explicitées plus loin. La surface de détermination du grandissement 1 1 modifie ainsi, par réflexion, les trajets optiques des rayons lumineux du module d'éclairage 2, à l'intérieur du prisme 1. L'angle d'incidence, ou "l'incidence", d'un rayon frappant sur une surface s'entend de l'angle formé par le rayon incident et la normale à la surface. On rappelle ici, en référence à la figure 4, la loi optique de Descartes concernant la réfraction. Soit deux milieux optiques MI et M2, ayant chacun un indice de réfraction nl et n2, et une surface S de séparation entre ces deux milieux MI et M2. Soit un rayon lumineux se propageant du milieu M1 vers le milieu M2, frappant la surface S avec un angle d'incidence il et transmis à travers la surface S dans le milieu M2 avec un angle de réfraction i2. L'angle de réfraction i2 du rayon réfracté (c'est-à-dire l'angle entre le rayon réfracté et la normale à la surface S) obéit à la loi de Descartes: n *sini = n2 * sini2 Cette loi montre que, dans l'hypothèse o ni est supérieur à n2, il existe un angle d'incidence limite a tel que pour les angles d'incidence il supérieurs à 0o cet angle limite o, il est impossible de calculer l'angle de réfraction correspondant i2, la valeur de (nl/n2)*siniî étant supérieure à un. Ainsi, les rayons incidents, avec des angles d'incidence supérieurs à a, sont totalement réfléchis par la surface S et ne sont donc pas transmis dans le milieu M2. Ce phénomène est appelé la réflexion totale. Appliquons maintenant la loi de Descartes au capteur optique de l'invention. Les rayons lumineux du module d'éclairage 2, après réflexion sur la surface de détermination du grandissement 11, viennent frapper la surface de réception 8 avec des incidences déterminées. Le relief du doigt 100 comprend des crêtes papillaires en contact avec la surface de réception 8 et des sillons, des creux, non en contact avec la surface de réception 8. De l'air sépare la surface de réception 8 et la peau du doigt constituant le fond des sillons. La surface de réception 8 constitue une surface de séparation entre le milieu optique du prisme 1 et un autre milieu optique qui est soit l'air, pour les sillons de l'empreinte, soit la peau, pour les crêtes de l'empreinte. Les indices de réfraction du prisme, de l'air et de la peau, respectivement npr, na et npe, sont différents deux à deux et l'indice du prisme npr est supérieur à l'indice de l'air na. Les incidences des rayons lumineux d'éclairage sur la surface de réception 8 sont déterminés suivant les valeurs des indices npr, na et npe, de façon à ce qu'il y ait réflexion totale des rayons d'éclairage incidents sur les sillons de l'empreinte et transmission partielle, à travers la surface de réception 8, des rayons d'éclairage incidents sur les crêtes de l'empreinte. En d'autres termes, les rayons d'éclairage frappant les zones de la surface 8 non en contact avec la peau du doigt 100 sont totalement réfléchis par la surface de réception 8, alors que les rayons d'éclairage frappant les zones de la surface de réception 8 en contact avec la peau du doigt 100 sont partiellement absorbés par celui-ci, une partie de l'énergie lumineuse des rayons incidents étant diffusée, à l'intérieur du prisme 1, dans toutes les directions, et par conséquent une très faible partie de l'énergie lumineuse étant diffusée dans chacune des directions de prise de vues du module 2. Après réflexion sur les sillons de l'empreinte, les rayons lumineux se propagent à l'intérieur du prisme 1, de la surface de réception 8 vers la surface de prise de vues 9, et sortent du prisme 1 à travers cette surface de prise de vues 9, juste avant de venir frapper la surface de détection 4. On soulignera ici qu'en sortant du prisme 1, les rayons lumineux ne rencontrent i5 aucun élément optique avant de frapper la surface de détection 4. Il en résulte que la prise de vues s'effectue sans perte de puissance optique entre le prisme 1 et la surface de détection 4. De façon connue, les cellules photosensibles de la surface de détection 4 reçoivent essentiellement les rayons d'éclairage réfléchis par les sillons de l'empreinte, en mesurent l'énergie lumineuse et convertissent cette énergie en signaux électriques. Les rayons diffusés par les crêtes papillaires à l'intérieur du prisme, dans une direction de prise de vues déterminée, étant de très faible énergie, leur contribution dans l'énergie lumineuse mesurée par les cellules photosensibles est négligeable. Les signaux électriques sont ensuite traités par le bloc électronique 5 qui élabore une vue, une image de l'empreinte. Une succession de vues de l'empreinte est ainsi prise. On soulignera que du fait de la réflexion totale sur les sillons de l'empreinte et de l'absorption des rayons par les crêtes papillaires, les vues de l'empreinte sont ainsi prises par ombroscopie. En d'autres termes, les images prises correspondent à des images d'une ombre virtuelle de l'empreinte. La surface arrière 11, par sa forme, détermine le grandissement entre l'empreinte et son image, en d'autres termes le rapport des dimensions de l'empreinte et de son image sur la surface de détection 4. En effet, la surface arrière 11, par sa forme, détermine les directions, les incidences, des rayons lumineux frappant la surface de réception 8 et, par conséquent, les directions des rayons lumineux réfléchis correspondant, l'angle de réflexion de chacun des rayons réfléchis étant égal à l'angle d'incidence du rayon incident correspondant (l'angle de réflexion s'entendant de l'angle formé par le rayon réfléchi et la normale à la surface réfléchissante). Or, pour une distance déterminée H entre la surface de réception 8 et la surface de détection 4, les directions des rayons réfléchis sur les sillons de l'empreinte déterminent le rapport des dimensions de l'empreinte digitale et de son image dans le plan de la surface de détection 4. En définitive, la surface 11 modifie les trajets optiques des rayons lumineux d'éclairage de façon à ce qu'ils rencontrent la surface de détection 4. En outre, la surface de détermination du grandissement 1 est conformée pour corriger les aberrations du système optique. Au lieu de modifier les trajets optiques des rayons lumineux du module d'éclairage 2 par réflexion, la surface de détermination du grandissement pourrait être agencée pour modifier les trajets optiques des rayons par diffraction. Au lieu d'être sphérique, la surface de détermination du grandissement pourrait être asphérique. Le terme "asphérique" est ici utilisé dans un sens large, une surface asphérique désignant une surface non sphérique. Il peut s'agir d'une surface asphérique, au sens optique du terme, par exemple une surface appartenant à la famille des coniques (hyperbolique, parabolique, etc.), ou d'une surface cylindrique. Le prisme pourrait être en plastique, et obtenu par moulage. REVENDICATIONS 1- Capteur optique d'empreinte digitale comprenant un corps de transmission optique (1) destiné à recevoir un doigt (100) dont une vue de l'empreinte doit être prise, des moyens (3) d'éclairage du doigt (100), des moyens de prise de vues (2) pour prendre une vue du doigt (100) à travers le corps de transmission optique (1) et ainsi en capter l'empreinte, selon des angles de prise de vues correspondant aux incidences de rayons lumineux des moyens d'éclairage (3) à réflexion totale sur les sillons de l'empreinte io du doigt (100), les vues étant prises sans modification de puissance optique entre le corps optique (1) et les moyens de prise de vues (2). 2- Capteur optique selon la revendication 1, dans lequel le corps de transmission optique (1) est agencé pour que la prise de vues s'effectue sans modification de puissance. 3- Capteur optique selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le corps de transmission optique (1) comporte une surface (11) de détermination du grandissement entre l'empreinte digitale et son image, agencée pour modifier les trajets optiques des rayons lumineux provenant des moyens d'éclairage (3) de façon à ce que les rayons lumineux, qui se réfléchissent sur les sillons de l'empreinte du doigt, viennent frapper une surface de détection (4) des moyens de prise de vues (2). 4- Capteur optique selon la revendication 3, dans lequel la surface (11) de détermination du grandissement est agencée pour diriger les rayons lumineux des moyens d'éclairage vers l'empreinte. - Capteur optique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface (11) de détermination du grandissement est agencée pour modifier les trajets optiques des rayons lumineux par réflexion. 6- Capteur optique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface de détermination du grandissement est agencée pour modifier les trajets optiques des rayons lumineux par diffraction. 7- Capteur optique selon l'une des revendications 3 à 6, dans lequel la surface (11) de détermination du grandissement est courbe. Il 8- Capteur optique selon la revendication 7, dans lequel la surface (11) de détermination du grandissement est sphérique. 9- Capteur optique selon la revendication 7, dans lequel la surface de détermination du grandissement est asphérique. - Capteur optique selon l'une des revendications 3 à 9, dans lequel la surface (11) de détermination du grandissement est agencée pour corriger les aberrations. 11- Capteur optique selon l'une des revendications 3 à 10, dans lequel, le corps de transmission optique (1) comportant une surface (8) de réception du doigt (100), la surface de détection (4) est parallèle à ladite surface de réception (8). 12- Capteur optique selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le corps de transmission optique (1) comprend une surface de prise de vues (9), située sur les trajets optiques des rayons lumineux réfléchis sur les sillons de l'empreinte du doigt (100). 13- Capteur optique selon l'une des revendications 3 à 12, le corps de transmission optique (1) comprend une surface (10) d'entrée des rayons lumineux émis par les moyens d'éclairage (3), située en regard de la surface ( 1) de détermination du grandissement. 14- Capteur optique selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel les moyens d'éclairage (3) comprennent une source d'éclairage (6) destinée à émettre un faisceau lumineux, associée à au moins un diaphragme (7, 7') destiné à conformer ledit faisceau lumineux. - Capteur optique selon l'une des revendications 13 et 14, dans lequel les moyens d'éclairage (3) sont placés contre la surface d'entrée (10) du corps de transmission optique (1). 16- Capteur optique selon l'une des revendications 12 à 15, dans lequel, la surface de détection (4) des moyens de prise de vues (2) est placée contre la surface de prise de vues (9) du corps de transmission optique (1).