Brevet FR2857482A1 — publié le 20050114

La présente invention concerne les dispositifs d'imagerie optique et plus particulièrement, mais non exclusivement, ceux destinés à la reconnaissance d'empreintes digitales. Un exemple de dispositif d'imagerie optique réalisé conformément à l'art 5 antérieur est représenté de manière schématique à la figure 1. Ce dispositif comporte un prisme 1. Un faisceau lumineux 5 émis par une source de lumière non représentée pénètre dans ce prisme 1 par une première face 2 de celui-ci. Une deuxième face 4 du prisme 1 définit une surface de détection sur laquelle un doigt D peut être posé. En l'absence de ce dernier, la lumière subit une réflexion totale vers la troisième face 6 du prisme 1. Le faisceau lumineux 5 subit, au niveau des reliefs du doigt D en contact avec la surface de détection, une réflexion frustrée, ce qui permet la formation d'une image sur un capteur d'image, de type CCD ou CMOS, non représenté, après traversée d'une lentille de focalisation 7. Cette dernière doit être de focale relativement longue, afin d'éliminer la composante diffusée, ce qui nuit à la compacité du dispositif. Le brevet US 6 381 347 décrit un dispositif d'imagerie optique assez similaire. Les brevets US 6 259 108 et US 6 355 937 visent notamment à diminuer l'encombrement du dispositif en utilisant un système de lentilles particulier pour former l'image. Toutefois, les agencements proposés sont particulièrement complexes et coûteux à réaliser. Il existe un besoin pour bénéficier d'un dispositif perfectionné qui puisse être fabriqué d'une manière fiable, avec un encombrement réduit et un coût compatible avec une utilisation à grande échelle. La présente invention vise notamment à répondre à ce besoin. L'invention a pour objet, selon un premier de ses aspects, un dispositif d'imagerie optique, comportant: - une source de lumière, - un milieu optique dans lequel la lumière provenant de la source de lumière peut se propager, - une surface de détection définie par une frontière du milieu optique, - un capteur d'image vers lequel la lumière provenant de la source et subissant une réflexion sur la surface de détection est réfléchie, ce dispositif pouvant se caractériser par le fait qu'il est agencé de telle sorte que la source lumineuse apparaisse depuis le capteur d'image comme étant suffisamment ponctuelle pour qu'une image puisse se former directement sur le capteur d'image. Par image se formant directement , il faut comprendre au sens de la présente invention que l'image peut se former sans système de lentilles. L'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord, le dispositif est plus facilement miniaturisable et gagne en solidité et fiabilité. En outre, sa fabrication est moins complexe, ce qui permet de diminuer son 10 coût et de généraliser son utilisation. Enfin, la consommation électrique de la source lumineuse peut être diminuée, ce qui permet notamment d'accroître l'autonomie dans le cas où le dispositif d'imagerie optique est utilisé sur des appareils portables tels que par exemple des téléphones ou assistants personnels numériques. La source de lumière peut être vue depuis le capteur d'image avec une taille compatible avec la résolution du capteur. Par exemple, pour un capteur ayant des cellules de détection dont la taille est de 50 m environ, deux rayons issus de deux points extrêmes de la source et passant par le même point de la surface de détection peuvent avoir des images distantes de moins de 100!lm sur le plan d'observation défini par le capteur, mieux une distance inférieure ou égale à la taille d'une cellule de détection du capteur. La source de lumière peut être située dans le milieu optique ou hors du milieu optique. La source de lumière et le milieu optique peuvent notamment être séparés ou non par une couche d'air. De même, le capteur d'image peut être situé dans le milieu optique ou hors de 25 celui-ci. Le capteur d'image et le milieu optique peuvent notamment être séparés ou non par une couche d'air. Le capteur d'image peut être séparable ou non du milieu optique. Le capteur d'image peut notamment être intégré à un support amovible tel qu'à une carte de paiement ou d'accès ou une clé ou tout autre objet personnel et le milieu optique appartenir à un lecteur adapté à coopérer avec le support. Le support peut ne comporter que le capteur et éventuellement des contacts électriques agencés pour transmettre des données provenant du capteur au lecteur. Le cas échéant, le support peut comporter au moins un micro-circuit comportant par exemple un processeur et/ou au moins une mémoire. Un avantage dans la possibilité de séparer le capteur du milieu optique est notamment que c'est le même capteur qui peut être utilisé avec plusieurs lecteurs différents, ce qui peut permettre d'accroître encore la fiabilité de la reconnaissance d'une image ou d'une signature analogue ou numérique correspondant à une empreinte. Le dispositif peut être agencé de telle sorte que la lumière émise par la source et atteignant le capteur d'image ne se réfléchisse que sur la surface de détection. En variante, le dispositif peut être agencé de telle sorte que la lumière émise par la source et atteignant le capteur d'image subisse au moins deux réflexions, notamment dans le milieu optique, avant d'atteindre le capteur. Le capteur peut être linéaire ou matriciel. La source de lumière peut être modulée, afin d'augmenter le rapport signal/bruit, le capteur d'image pouvant être accordé à cette modulation de la source. Un exemple de modulation pouvant être utilisée parmi d'autres est décrit dans la publication Y. Ni. X.L. Yan, "CMOS Active Differential Imaging Device with Single in-pixel Analog Memory", ESSCIRC' 02, 24-26 Sept. 2002 Florence, Italy, pp. 359-362. La source de lumière peut émettre dans plusieurs longueurs d'ondes, situées dans le domaine du visible, de l'infrarouge ou des ultraviolets, et le capteur d'image être agencé pour analyser des images correspondant à chacune de ces longueurs d'ondes. Au moins deux analyses des images formées respectivement à deux longueurs d'ondes différentes peuvent permettre, le cas échéant, d'améliorer la fiabilité de la détection. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1, précédemment décrite, illustre un dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2 représente de manière schématique un premier exemple de dispositif selon l'invention, - les figures 3 et 4 représentent respectivement, de manière schématique, des 30 capteurs d'image linéaire et matriciel, et - les figures 5 à 8 représentent, de manière schématique et partielle, en coupe, différents exemples, parmi d'autres, de dispositifs d'imagerie conformes à l'invention, - la figure 9, représente en vue de dessus un exemple de carte comportant un capteur d'image, et la figure 10 représente en coupe longitudinale partielle et schématique un exemple de lecteur adapté à coopérer avec la carte de la figure 9. Le dispositif d'imagerie optique représenté à la figure 2 comporte un milieu optique 10 dont une frontière avec l'air définit une surface de détection 11 sur laquelle peut être posé un doigt D, en vue de l'analyse d'une empreinte digitale par exemple. Ce doigt D présente localement des zones B en relief venant au contact de la surface de détection 11 et des sillons C situés en retrait. La surface de détection 11 est éclairée par une source lumineuse 13. En l'absence de doigt D, la réflexion de la lumière sur la surface de détection 11 est totale. En présence du doigt D, il se crée à l'interface avec la peau une réflexion frustrée. Conformément à un aspect de l'invention, la source 13 se comporte comme une source sensiblement ponctuelle, lorsqu'observée après réflexion sur la surface de détection 11 depuis un plan d'observation 14 défini par un capteur d'image 15. Une image peut être observée sur le plan d'observation 14, cette image correspondant dans l'exemple de la figure 2 à celle que l'on obtiendrait avec une source 13' symétrique de la source 13 par rapport au plan de la surface de détection 11 et dont seuls les rayons passant par les zones de non contact entre la peau et la surface de détection 11 seraient reçus par le plan d'observation 14, la source 13' projetant en quelque sorte l' ombre des zones de contact entre la peau et la surface de détection sur le plan d'observation 14. Le milieu optique 10 peut être constitué par tout matériau transparent, coloré ou non, tel qu'un verre minéral ou organique, plus dense que l'air. Le milieu optique 10 peut notamment comporter une matière plastique solide à température ambiante et transparente à au moins une longueur d'onde de la lumière émise par la source 13 et détectée par le capteur 15. Le capteur d'image 15 peut être relié à tout dispositif de traitement approprié, non représenté, agencé par exemple pour reconstituer une image plus complète à partir des données délivrées par le capteur 15 et/ou identifier à partir d'au moins une image reçue par le capteur 15 une personne ayant posé, et le cas échéant déplacé, son doigt sur la surface de détection 11. Le terme image ne doit pas être compris avec un sens restrictif et une image peut être réduite par exemple à un point lumineux ou sombre dans le plan d'observation 14. Le dispositif de traitement peut notamment comporter et/ou accéder à une mémoire dans laquelle sont enregistrées une ou plusieurs images d'empreintes digitales et/ou des signatures correspondantes, et le dispositif de traitement peut être agencé pour comparer toute nouvelle image reçue par le capteur 15 et/ou la signature correspondante à des données préalablement mémorisées. Le capteur d'image 15 peut être par exemple un capteur linéaire tel que 10 représenté à la figure 3 ou un capteur matriciel tel que représenté à la figure 4, de type CCD ou CMOS ou autre. Un capteur linéaire comporte par exemple une ou plusieurs barrettes de cellules de détection mises bout à bout, chaque barrette comportant par exemple au moins 256 cellules. Un capteur matriciel comporte par exemple au moins 2 lignes d'au moins 256 cellules. L'utilisation d'un capteur linéaire ou matriciel comportant un faible nombre de lignes peut permettre d'analyser une image de taille réduite avec moins de distorsions qu'une image de plus grandes dimensions. Lorsqu'un capteur linéaire est utilisé, celui-ci peut être associé le cas échéant à un mécanisme entraîné en mouvement lors du passage du doigt, de manière à synchroniser la détection avec le déplacement du doigt. Un capteur linéaire ou matriciel comportant peu de lignes pourra être utilisé notamment lorsque le doigt D est déplacé sur la surface de détection 11 dans une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de celle-ci, chaque image acquise par le capteur 15 correspondant alors à une bande relativement étroite de la surface du doigt. Le capteur d'image 15 peut être agencé pour analyser une image à une ou plusieurs longueurs d'ondes particulières. De préférence, de manière à s'affranchir de l'éclairage ambiant, la source 13 émet une lumière modulée et le capteur 15 est accordé sur la fréquence de modulation de la source 13. Ainsi, l'information portée par la lumière provenant de la source 13 peut être isolée davantage du bruit ambiant et le rapport signal/bruit est augmenté. L'image recueillie dans le plan d'observation 14 est d'autant plus nette que la source 13 est ponctuelle, en raison de ses dimensions et/ou de son éloignement. La diminution de la source 13 et son éloignement permettent également de diminuer la taille de l'image formée sur le plan d'observation, donc celle du capteur 15 utilisé, la surface couverte par l'image que l'on cherche à former étant de préférence voisine de celle couverte par les cellules de détection du capteur 15. Il peut également s'avérer souhaitable que la distance entre la surface de détection 11 et le capteur 15 soit la plus réduite possible. La surface de détection 11 peut par exemple s'étendre sur une largeur 10 comparable à celle d'une empreinte digitale. Pour réaliser la source 13, on peut avoir intérêt à utiliser un composant optique miniature, par exemple une seule diode électroluminescente ou laser, dépourvue de diffuseur ou de lentille, et éloigner la source 13 du plan d'observation 14, grâce par exemple à des réflexions multiples. Le cas échéant, la source 13 peut comporter un masque non représenté, pourvu d'une ouverture unique de petites dimensions, permettant la sortie de la lumière de manière ponctuelle. La source 13 peut également comporter, le cas échéant, une fibre optique. La lumière peut notamment être émise par l'extrémité de cette fibre optique. Les réflexions multiples peuvent être des réflexions internes, à l'interface entre le milieu optique 10 et l'air ou entre le milieu optique 10 et un autre milieu d'indice moindre, et/ou des réflexions sur des surfaces réfléchissantes, notamment des surfaces métallisées, externes ou internes au milieu optique 10. Les orientations et dispositions relatives du plan d'observation 14 et de la surface de détection 11 peuvent être diverses. On a représenté à la figure 5 un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans lequel la surface de détection 11 est orientée sensiblement à 90 du plan d'observation 14. De plus, dans cet exemple, la source 13 se situe hors du milieu optique 10 et la lumière pénètre dans celui-ci perpendiculairement à une face 16 de celui-ci, le dispositif 30 étant agencé de manière à ce qu'il n'y ait qu'une seule réflexion sur la surface de détection 11. Dans l'exemple de la figure 6, il y a plusieurs réflexions intermédiaires entre la source 13 et le plan d'observation 14, ce qui permet d'éloigner optiquement la source 13 du plan d'observation 14 et d'utiliser par exemple un milieu optique 10 peu épais, se présentant par exemple sous la forme d'une lame. Dans cet exemple, la lumière se propage, avant d'atteindre la surface de détection 11, en se réfléchissant successivement sur deux faces 17 et 18 définissant un guide optique. La surface de détection 11 se situe dans le prolongement de la face 16, laquelle est plane dans l'exemple considéré. La face 17, également plane, est parallèle à la face 16 et se situe au contact d'un support 25 qui porte le capteur 15. Dans l'exemple de la figure 7, le dispositif présente une forme générale allongée selon un axe longitudinal X et la surface de détection 11 se situe à une extrémité axiale du dispositif. Ce dernier se présente par exemple sous la forme d'une carte, laquelle peut comporter en outre, par exemple, des contacts électriques et/ou une antenne permettant d'échanger des informations à distance. La carte peut notamment comporter des contacts permettant l'alimentation électrique de la source 13. Le milieu optique 10 recouvre un support 19 qui porte, dans l'exemple considéré, outre la source 13 et le capteur d'image 15, un circuit 20 de traitement de données provenant du capteur 15. Dans l'exemple de cette figure, la lumière émise par la source 13 se propage 20 sensiblement parallèlement au support 19 avant d'atteindre la surface de détection 11, où elle est réfléchie vers le capteur 15. Le milieu optique 10 peut ne servir qu'à la propagation de la lumière émise par la source 13 en vue de l'analyse de l'image formée après réflexion frustrée sur la surface de détection 11. Le milieu optique 10 peut également exercer au moins une autre fonction, et notamment servir à protéger un afficheur 21, comme illustré sur la figure 8, notamment celui d'un terminal portable. Dans cet exemple, le milieu optique 10 présente une première portion 22, dans laquelle la lumière émise par la source 13 se propage jusqu'au capteur 15, cette première portion définissant la surface de détection 11, et une deuxième portion 23, passive, recouvrant l'afficheur 21. Le cas échéant, la première portion peut recouvrir au moins partiellement l'afficheur 21. Le capteur 15 peut être séparable du milieu optique 10 et notamment être intégré à un support tel qu'une carte de paiement ou d'accès, comportant par ailleurs des moyens permettant d'échanger des données, tels que par exemple des contacts électriques ou un dispositif radiofréquence. A titre d'exemple, on a représenté à la figure 10 une carte de paiement 27 comportant un capteur 15, par exemple linéaire, et un micro-circuit 26 comportant des contacts électriques. La carte 27 est destinée à être reçue dans un lecteur 29 comportant une source de lumière et un dispositif de lecture du micro-circuit 26, non représentés. La carte 27 est disposée sous le milieu optique 10 du lecteur 29, la surface de détection 11 étant agencée de manière à ce que la lumière provenant de la source soit réfléchie sur le capteur 15 lorsque la carte 27 est en place. L'utilisateur qui a introduit la carte 27 dans le lecteur 29 peut déplacer son doigt D dans le sens de la flèche M sur la surface de détection 11, ce qui permet la lecture d'une succession d'images par le capteur 15, cette succession étant représentative de l'empreinte digitale. La lecture de l'empreinte peut remplacer par exemple l'entrée d'un code confidentiel sur un clavier. Les données peuvent être transmises par le capteur 15 au micro-circuit 26 puis au lecteur 29. La carte 27 peut être remplacée par tout autre objet, tel qu'une clé par exemple. Un dispositif d'imagerie optique selon l'invention peut être utilisé pour des applications autres que l'identification et le contrôle d'accès, et notamment peut servir à commander un curseur ou autre objet, matériel ou immatériel, par analyse du déplacement du doigt ou d'un objet inanimé tel qu'un stylet, sur la surface de détection 11. Le capteur 15 peut notamment être associé à un dispositif de traitement capable de déterminer le mouvement d'un doigt relativement à la surface de détection, dans une direction au moins, et de préférence dans deux directions perpendiculaires entre elles. La surface de détection 11 peut alors, par exemple, remplacer le bouton de navigation d'un téléphone portable. Le dispositif peut encore être utilisé pour acquérir des images de zones non 30 dermatoglyphiques du corps humain, afin par exemple d'analyser le micro-relief de la peau, dans un but cosmétique ou dermatologique. Le dispositif peut être associé à un terminal de paiement ou autre dispositif informatique, de téléphonie ou de diagnostic. Bien entendu, les caractéristiques des différents modes de réalisation qui viennent d'être décrits peuvent être combinées entre elles sans que l'on ne sorte du cadre de la présente invention. Diverses modifications peuvent encore être apportées aux exemples décrits. La surface de détection peut notamment être non plane, par exemple. Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins 10 un , sauf si le contraire est spécifié. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie optique, comportant: une source de lumière (13), 5 un milieu optique (10) dans lequel la lumière provenant de la source (13) peut se propager, - une surface de détection (11) définie par une frontière du milieu optique (10), - un capteur d'image (15) vers lequel la lumière provenant de la source (13) et 10 subissant une réflexion sur la surface de détection (1l) est réfléchie, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il est agencé de telle sorte que la source (13) apparaisse depuis le capteur (15) comme étant suffisamment ponctuelle pour qu'une image puisse se former directement sur le capteur (15). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que deux rayons issus de deux points extrêmes de la source et passant par le même point de la surface de détection ont des images sur le capteur (15) distantes de moins de 100 m, notamment de moins de 50 m. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la source (13) est située dans le milieu optique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la source (13) est située hors du milieu optique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (15) est situé dans le milieu optique (10). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le capteur (15) est situé hors du milieu optique (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est agencé de telle sorte que la lumière émise par la source (13) et atteignant le capteur (15) ne se réfléchisse que sur la surface de détection (11). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il est agencé de telle sorte que la lumière émise par la source (13) subisse au moins deux réflexions, notamment dans le milieu optique (10), avant d'atteindre le capteur (15). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (15) est linéaire. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le capteur (15) est matriciel. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la source (13) est modulée. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la source (13) émet dans plusieurs longueurs d'ondes et par le fait que le capteur (15) est agencé pour analyser des images correspondant à chacune de ces longueurs d'ondes. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur (15) est séparable du milieu optique (10), le capteur étant notamment intégré à un support amovible tel qu'une carte de paiement ou d'accès (27) et par le fait que le milieu optique (10) appartient à un lecteur (29) adapté à coopérer avec ce support (27), le support (27) comportant éventuellement au moins un microcircuit (26), notamment un micro-circuit comportant un processeur et/ou au moins une mémoire.