Brevet FR2890209A1 — publié le 20070302

ENSEMBLE D'IDENTIFICATION D'EMPREINTES DIGITALES UTILISANT LA RÉFLEXION POUR IDENTIFIER UN MOTIF D'UNE EMPREINTE DIGITALE La présente invention porte sur un ensemble d'identification d'empreintes digitales, et, plus particulièrement, sur un ensemble d'identification d'empreintes digitales ayant une première lentille, une seconde lentille et une troisième lentille formée conjointement avec la première lentille et la seconde lentille de telle sorte qu'un mélange de réflexion et de pénétration de la lumière en correspondance avec un motif de l'empreinte digitale sur la partie supérieure de la première lentille de l'ensemble est capable de focaliser une image de l'empreinte digitale devant être détectée par un détecteur de l'ensemble. L'identification d'empreintes digitales est probablement l'une des méthodes les plus anciennes et des mieux établies pour identifier une personne. Elle appartient au domaine de la biométrie, c'est-à-dire l'identification des personnes en mesurant ou en détectant des parties du corps humain, ce qui est important pour de nombreuses applications. Beaucoup de techniques automatisées sont actuellement utilisées ou en développement, y compris la lecture des lignes de la main, la lecture des pores du doigt, l'identification de la géométrie de la main, et la reconnaissance de l'iris, de la rétine ou du visage. Parmi celles-ci, l'identification des empreintes digitales est relativement simple, et elle promet maintenant d'être plus largement acceptée, puisqu'elle est commode et qu'elle est une alternative sûre aux mots de passe tapés, aux clés ou à la signature pour accéder à des zones ou à des informations restreintes. Fondamentalement, la tâche d'identification comporte la détermination de l'identité d'une personne inconnue sur la base d'un fragment de motif d'empreinte digitale, ou la vérification de l'identité d'une personne connue jusqu'à un niveau de certitude sur la base du motif de l'empreinte digitale spécifique. L'identification exacte des caractéristiques de l'empreinte digitale est souhaitée pour un besoin universel, c'est-à-dire, différentes machines peuvent reconnaître les caractéristiques. D'un autre côté, dans beaucoup de situations, les identifications ne sont pas nécessairement universelles, mais nécessitent uniquement une résolution claire. Les extrémités des doigts humains ont des motifs distinctifs de crêtes courbes, avec une période d'environ 0,5 à environ 1,0 mm et une profondeur d'environ 0,1 mm. Le tissu des doigts diffuse la lumière rouge avec une réflectivité de diffusion d'environ 50%, et l'indice de réfraction d'un doigt est d'environ 1,51. Il peut être souhaitable d'avoir un champ de vue aussi large que possible avec une distorsion minimale pour fournir plus de caractéristiques pour l'identification et plus de marge d'erreur dans le placement du doigt pour le besoin d'identification universelle. D'un autre côté, avec une plateforme tactile sur laquelle une empreinte digitale sera identifiée, la taille effective de l'empreinte digitale pourrait être d'environ 10 mm, mais la taille du système doit être relativement petite, moins de 10 mm pour les applications de téléphone portable par exemple. Beaucoup de types de dispositifs de réorganisation d'empreintes digitales ont été développés. Ils sont nombreux à d'abord enregistrer les motifs des crêtes, et un logiciel extrait les coordonnées et les classes de caractéristiques comme les extrémités des crêtes et les bifurcations (appelées minutiae ). Avec un logiciel, la distorsion peut être corrigée, mais le flou d'image est difficile à ôter. Il y a également une ligne de pores minuscules sur les crêtes qui est plus difficile à résoudre, mais peut être utilisée pour fournir plus d'informations pour l'identification. La demande de brevet américaine N 2002/003892 de M Iwanaga propose un nouveau procédé pour l'imagerie d'empreintes digitales dans l'air pour un téléphone cellulaire. Cependant, pour un doigt dans l'air, les crêtes peuvent être vues par la réflexion spéculaire de lumière provenant d'une source localisée, mais le contraste d'image est limité par la diffusion sous- jacente, et par la courbure en extrémité du doigt, de telle sorte qu'elle n'est pas parfaitement plate sur la surface d'imagerie. La forme arrondie du doigt peut amener une distorsion inacceptable de l'image. Au contraire, lorsqu'on utilise les procédés de contact, l'utilisateur aplatit le bout du doigt contre une surface (plateforme tactile) ; ensuite les crêtes et les vallées peuvent être distinguées par les différences de hauteur entre les crêtes et les vallées. L'identification utilisant le procédé par contact a été largement utilisée. Il y a des détecteurs électroniques qui mesurent la variation de capacité, et des détecteurs optiques qui voient le doigt pressé contre une platine ou fenêtre transparente. Les détecteurs de contact optique enregistrent les changements de réflectance spéculaire, mis en image sur un détecteur tel qu'un réseau de détecteurs CCD ou CMOS. La taille du pixel du détecteur de contact optique peut descendre jusqu'à -5pm et le détecteur peut être relativement petit avec une quantité désirée de pixels pour une capacité de résolution suffisante. La plupart des dispositifs d'identification d'empreintes digitales sont des dispositifs à fond clair, ce qui signifie qu'ils produisent un motif de crêtes d'empreintes digitales sombre sur un fond clair. Pour produire une image d'empreinte digitale avec un contraste acceptable, des composants optiques additionnels sont nécessaires pour générer un fond uniformément clair. A cause des composants optiques supplémentaires, il est difficile de fabriquer un dispositif à fond clair compact. Dans le brevet américain N 5 900 993, délivré le 4 Mai 1999 et intitulé Lens System for Use in Fingerprint Detection , Betensky décrit un système de lentilles dans lequel une première et une seconde lentille en combinaison avec une troisième lentille cylindrique sont utilisées pour réduire la distorsion optique. Cependant, une approche utilisant des lentilles cylindriques nécessite des composants supplémentaires et complique de manière inhérente l'alignement du système de lentilles parce qu'un manque de symétrie provoque l'échec du processus d'alignement en manipulant un degré de liberté supplémentaire dans le placement des lentilles. En voyant les besoins d'un dispositif compact d'identification d'empreintes digitales en petits volumes, telles que celles pour un clavier, Clark et al. décrivent en outre un agencement compact avec un système de lentilles focales et une illumination ou éclairement à fond sombre dans le brevet américain N 6 643 390, délivré en Novembre 2003. Les applications émergentes pour consommateurs nécessitent un dispositif compact perfectionné d'identification d'empreintes digitales, ayant une qualité d'image appropriée avec une distorsion minimale qui peut être adapté pour l'utilisation dans un petit compartiment, tel qu'un téléphone cellulaire ou un dispositif électronique ultraplat ou des effets personnels, et qui contient un nombre minimal de composants afin de faciliter la production. La difficulté majeure pour un dispositif compact d'imagerie d'empreintes digitales est que le volume du système doit être tout à fait petit, alors que la taille de l'objet et la taille du détecteur ne sont pas du tout petites; en d'autres termes, le champ de vue effectif devient important à la fois dans l'espace d'image et l'espace d'objet. Pour aplanir la difficulté dans l'agencement des lentilles, une voie possible est d'utiliser le système de réflexion partiel de telle sorte que la longueur totale effective peut être accrue. Cette sorte de système a été inventée, sous le nom de système optique concentrique, par Togino et al en 1997. (Brevet américain No. 5 644 436) pour être utilisable soit comme système optique d'imagerie soit comme système optique oculaire. Togino et al ont démontré que le système optique concentrique permet à une image claire même à un angle de vue allant jusqu'à environ 90 degrés et avec un diamètre de pupille allant jusqu'à environ 10 millimètres, pratiquement sans aberration chromatique. Cependant, le dispositif d'imagerie d'empreintes digitales nécessite de façon stricte une configuration de système conjugué fini, à la différence de ceux revendiqués par Togino et al dans lesquels l'objet est éloigné de la lentille ou situé à une position infinie éloignée de la lentille. Pour surmonter les inconvénients, la présente invention vise à proposer un ensemble compact perfectionné d'identification d'empreintes digitales pour satisfaire les problèmes ci-dessus. L'objectif principal de la présente invention est de proposer un ensemble d'identification d'empreintes digitales utilisant un mélange de réflexion et de pénétration de lumière en correspondance avec une empreinte digitale pour identifier un motif de l'empreinte digitale. Sous l'un des aspects de la présente invention, l'ensemble d'identification d'empreintes digitales a une première lentille, une seconde lentille et une troisième lentille formée conjointement avec la première lentille et la seconde lentille. De plus, au moins une source de lumière est située sous la lentille feuilletée pour projeter de la lumière sur la lentille feuilletée et un détecteur est disposé sous la lentille feuilletée pour capter l'image réfléchie de l'empreinte digitale. La présente invention a donc pour objet un ensemble d'identification d'empreintes digitales, caractérisé par le fait qu'il comprend: - une lentille feuilletée ayant une première lentille, une seconde lentille et une troisième lentille formée conjointement avec la première lentille et la seconde lentille, chacune de la première lentille, la seconde lentille et la troisième lentille ayant un film appliqué sur celle-ci; au moins un dispositif d'éclairement situé à une partie inférieure de la lentille feuilletée; et un détecteur situé sous la lentille feuilletée pour prendre une image d'une empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée, ledit film de la lentille feuilletée étant apte à permettre à la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement d'être partiellement réfléchie en raison de l'empreinte digitale sur la lentille feuilletée et pénétrant partiellement à travers la seconde lentille et la troisième lentille pour être captée par le détecteur. La première lentille peut avoir une surface supérieure plate ou une surface supérieure concave. La présente invention a également pour objet un ensemble d'identification d'empreintes digitales, caractérisé par le fait qu'il comprend: une lentille feuilletée ayant une première lentille, une seconde lentille et une troisième lentille formée conjointement avec la première lentille et la seconde lentille, chacune de la première lentille, la seconde lentille et la troisième lentille ayant un film diélectrique appliqué sur celle-ci; au moins un dispositif d'éclairement situé à une partie inférieure de la lentille feuilletée; et - un détecteur situé sous la lentille feuilletée pour capter une image d'une empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée, ledit film diélectrique de la lentille feuilletée étant apte à permettre à la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement d'être partiellement réfléchie en raison l'empreinte digitale sur la lentille feuilletée et pénétrant partiellement à travers la seconde lentille et la troisième lentille pour être captée par le détecteur. La première lentille peut avoir une surface supérieure plate ou une surface supérieure concave. Les lentilles précitées peuvent être faites d'une matière constituée par le verre, une matière plastique ou un mélange des deux. D'autres objectifs, avantages et nouvelles caractéristiques de l'invention apparaîtront davantage à la lecture de la description détaillée suivante prise en liaison avec les dessins annexés. SUR CES DESSINS: la Figure 1 est une vue en plan schématique montrant qu'un doigt est placé sur la partie supérieure de la lentille feuilletée de l'ensemble de la présente invention; la Figure 2 est une vue schématique montrant le trajet de lumière de la source de lumière pour focaliser l'image de l'empreinte digitale de façon à être captée par le détecteur; la Figure 3 est une vue schématique montrant une application différente de la lentille feuilletée; la Figure 4 est une vue schématique montrant encore 30 une application différente de la lentille feuilletée; la Figure 5 est une vue de côté d'une tête de lentille conforme à la présente invention; la Figure 6 est un diagramme d'un comportement d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 5; les Figures 7A et 7B sont des diagrammes d'une performance MTF typique (modulation de fonction de transfert) de la tête de lentille de la Figure 5; la Figure 8A est une courbe de distorsion de la tête 10 de lentille de la Figure 5; la Figure 8B est un diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 5; - la Figure 9 est une vue de côté d'une tête de lentille d'un mode de réalisation préféré, dont la prescription de lentille est illustrée sur le Tableau 2; la Figure 10 est un diagramme d'un comportement 20 d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 9; les Figures 11A et 11B sont des diagrammes d'une performance MTF typique de la tête de lentille de la 25 Figure 9; la Figure 12A est une courbe de distorsion de la tête de lentille de la Figure 9; - la Figure 12B est un diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 9; la Figure 13 est une vue de côté d'une tête de lentille d'un mode de réalisation préféré, dont la 35 prescription de lentille est illustrée sur le Tableau 3; la Figure 14 est un diagramme d'un comportement d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 13; les Figures 15A et 15B sont des diagrammes d'une performance MTF typique de la tête de lentille de la Figure 13; - la Figure 16A est une courbe de distorsion de la tête de lentille de la Figure 13; et la Figure 16B est un diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 13. Les Exemples 1 à 3 du système optique concentrique selon la présente invention seront décrits ci- dessous avec référence aux Figures. A des fins de démonstration, la hauteur de l'objet est de 6 mm, et, de ce fait, la taille de l'objet est de 12 mm. Le nombre F est de 3,5. La longueur d'onde de la source de lumière d'éclairement est de 720 nm. EXEMPLE 1 L'Exemple 1 de la présente invention sera expliqué ci-après avec référence à la Figure 1. La tête de lentille est formée par deux matières différentes, ici la première est une matière plastique (acrylique) et la seconde est du verre (BK7). La prescription de lentille est présentée dans le Tableau 1. Dans le mode de réalisation courant, les surfaces sont toutes sphériques. Les Figures 2,3 et 4 montrent graphiquement l'aberration, la MTF, la distorsion et le diagramme de points respectivement dans cet exemple. Tableau 1 surface rayon épaisseur matières Obj 7,880369 5,00000 Acrylique 1 2, 110090 -5,00000 Réflectrice 2 7,880369 5,00000 Réflectrice 3 2,110090 6, 263463 BK7 ims 0 0 EXEMPLE 2 L'Exemple 2 de la présente invention sera expliqué ci-après avec référence à la Figure 9. La tête de lentille est formée par deux matières différentes, ici la première est une matière plastique (acrylique) et la seconde est du verre (BK7). La prescription de lentille est présentée dans le Tableau 2. L'épaisseur totale du mode de réalisation courant a été réduite dans les 10 mm. Dans le mode de réalisation courant, les surfaces sont toutes sphériques. Les Figures 10A, 11A, 11B, 12A et 12B montrent graphiquement l'aberration, la MTF, la distorsion et le diagramme de points respectivement dans cet exemple. Tableau 2 surface rayon épaisseur matières Obj 6,730158 5,3 Acrylique 1 0,322989 -5, 3 Réflectrice 2 6,730158 5,3 Réflectrice 3 0,322989 2,5 BK7 ims 0 0 EXEMPLE 3 L'Exemple 3 de la présente invention sera expliqué ci-après avec référence à la Figure 13. La tête de lentille est formée par deux matières différentes, ici la première est une matière plastique (acrylique) et la seconde est du verre (BK7). La prescription de lentille est présentée dans le Tableau 3. L'épaisseur totale du mode de réalisation courant a été réduite dans les 10 mm. Dans le mode de réalisation courant, la seconde surface est une surface asphérique. Pour la surface asphérique, l'équation de fléchissement est décrite par +ADy4+ AEyb+AFy$+AGy'O où . c est la courbure de surface (c=1/r, r est le rayon de courbure) ; y est la distance radiale à partir de l'axe; et k est la constante conique; - AD AE AF et AG sont les coefficients de déformation des quatrième, sixième, huitième et dixième ordres. Les Figures 14, 15A, 15B, 16A, 16B montrent graphiquement l'aberration, la MTF, la distorsion et le diagramme de points respectivement, dans cet exemple. Dans ce mode de réalisation, les coefficients asphériques des surfaces 1 et 3 suivent. AD =-0,004813,AE=0,003481,AF=-9,6981X10-5. La constante conique CC et le coefficient asphérique AG sont de O. z= cy2 I1- 1+x- c2y2 Tableau 3 surface rayon épaisseur matières Obj 6,928947 5,0 Acrylique 1 5,606262 -5, 0 Réflectrice 2 6,928947 5,0 Réflectrice 3 5,606262 2,0 BK7 ims 0 0 La Figure 5 montre la tête de lentille d'un mode de réalisation préféré. La Figure 6 montre le comportement d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 1. Les Figures 7A et 7B montrent la performance MTF typique de la tête de lentille de la Figure 1. Les Figures 8A et 8B montrent la courbe de distorsion et le diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 1. La Figure 9 montre la tête de lentille d'un mode de réalisation préféré. La Figure 10 montre le comportement d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 9. Les Figures 11A et 11B montrent la performance MTF typique de la tête de lentille de la Figure 9. Les Figures 12A et 12B montrent la courbe de distorsion et le diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 9. La Figure 13 montre la tête de lentille d'un mode de réalisation préféré. La Figure 13 montre le comportement d'aberration typique de la tête de lentille de la Figure 13. Les Figures 15A et 15B montrent la performance MTF typique de la tête de lentille de la Figure 13. Les Figures 16A et 16B montrent la courbe de distorsion et le diagramme de points de la tête de lentille de la Figure 13. Si l'on fait référence à la Figure 1, il ressort de la représentation que l'ensemble d'identification d'empreintes digitales selon la présente invention comprend une lentille feuilletée 2, au moins un dispositif d'éclairement ou illumination 3 et un détecteur 4. La présente invention utilise la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement 3 pour montrer l'image de l'empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée 2. En raison de la structure de la lentille feuilletée 2, la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement 3 est partiellement réfléchie et pénètre partiellement à travers la lentille feuilletée 2 de telle sorte que l'image de l'empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée 2 est capable d'être présentée clairement pour le détecteur 4. Si l'on fait référence à la Figure 2, on peut voir que le premier mode de réalisation préféré de la présente invention est représenté, dans lequel la lentille feuilletée 2 est composée d'une première lentille 21, d'une seconde lentille 23 et d'une troisième lentille 24 formée conjointement avec la première lentille 21 et la seconde lentille 23. De préférence, il y a deux dispositifs d'éclairement 3 disposés sur la partie inférieure de la lentille feuilletée 2 et le détecteur 4 est situé sous la lentille feuilletée 2. De préférence, la première lentille 21, la seconde lentille 23 et la troisième lentille 24 sont faites de verre, de matière plastique ou d'une combinaison de verre et de matière plastique. De plus, un film métallique ou un film diélectrique A est appliqué sur chacune de la première lentille 21, de la seconde lentille 23 et de la troisième lentille 24 de telle sorte que la lumière provenant du ou dispositifs d'éclairement 3 est partiellement réfléchie et pénètre partiellement à travers la seconde lentille 23 et la troisième lentille 24. Lorsque l'ensemble de la présente invention est employé, la lumière provenant du ou dispositifs d'éclairement 3 est projetée sur la première lentille 21. Ensuite, en raison du motif ondulé de l'empreinte digitale sur la partie supérieure de la première lentille 21, un premier faisceau lumineux réfléchi b1 et un premier faisceau lumineux pénétrant b2 passant à travers la seconde lentille 23 sont générés. Le premier faisceau lumineux pénétrant b2 est réfléchi par la troisième lentille 24 de façon à générer un second faisceau lumineux réfléchi b3 sur la seconde lentille 23. Le second faisceau lumineux réfléchi b3 est ensuite transformé en un troisième faisceau lumineux réfléchi b4 après avoir été réfléchi par la seconde lentille 23. Le troisième faisceau lumineux réfléchi b4 est projeté sur et pénètre dans la troisième lentille 23 pour générer un faisceau lumineux final b5 devant être capté par le détecteur 4. Par conséquent, on conclut que le trajet de lumière à partir du ou des dispositifs d'éclairement 3 est: b1,b2,b3,b4,b5,image. De préférence, la lentille feuilletée 2 de la présente invention a une limitation d'épaisseur de 15 mm de telle sorte que le trajet de lumière à partir du ou des dispositifs d'éclairement 3 est prolongé et, de ce fait, l'angle de lumière d'incidence sur le détecteur 4 est petit. Par conséquent, le volume global de l'ensemble d'identification d'empreintes digitales de la présente invention est compact. Si l'on se réfère à la Figure 3, on peut voir que le mode de réalisation tel que représenté a une structure sensiblement identique à celle représentée sur la Figure 2. La seule différence entre les deux est que la première lentille 21' a une surface supérieure plate. Si l'on se réfère à la Figure 4, on peut voir que le mode de réalisation tel que représenté a une structure sensiblement identique à celle représentée sur la Figure 2. La seule différence entre les deux est que la première lentille 21" a une surface supérieure concave. Il doit cependant être entendu que, même si de nombreuses caractéristiques et avantages de la présente invention ont été énoncés dans la description précédente, conjointement avec des détails de la structure et du fonctionnement de l'invention, la description n'est qu'illustrative, et des changements peuvent être apportés dans le détail, en particulier dans les questions de forme, de dimension et de disposition des pièces dans les principes de l'invention dans la pleine mesure indiquée par la signification générale large des termes dans lesquels les revendications annexées sont exprimées. REVENDICATIONS 1 - Ensemble d'identification d'empreintes digitales, caractérisé par le fait qu'il comprend: une lentille feuilletée (2) ayant une première lentille (21), une seconde lentille (23) et une troisième lentille (24) formée conjointement avec la première lentille (21) et la seconde lentille (23), chacune de la première lentille (21), la seconde lentille (23) et la troisième lentille (24) ayant un film appliqué sur celle-ci; au moins un dispositif d'éclairement (3) situé à une partie inférieure de la lentille feuilletée (2) ; et un détecteur (4) situé sous la lentille feuilletée (2) pour prendre une image d'une empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée (2), ledit film de la lentille feuilletée (2) étant apte à permettre à la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement (3) d'être partiellement réfléchie en raison de l'empreinte digitale sur la lentille feuilletée (2) et pénétrant partiellement à travers la seconde lentille (23) et la troisième lentille (24) pour être captée par le détecteur (4). 2 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première lentille (21) a une surface supérieure plate. 3 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première lentille (21) a une surface supérieure concave. 4 - Ensemble d'identification d'empreintes digitales, caractérisé par le fait qu'il comprend: - une lentille feuilletée (2) ayant une première lentille (21), une seconde lentille (23) et une troisième lentille (24) formée conjointement avec la première lentille (21) et la seconde lentille (23), chacune de la première lentille (21), la seconde lentille (23) et la troisième lentille (24) ayant un film diélectrique (A) appliqué sur celle-ci; au moins un dispositif d'éclairement (3) situé à une partie inférieure de la lentille feuilletée (2) ; et un détecteur (4) situé sous la lentille feuilletée (2) pour capter une image d'une empreinte digitale sur la partie supérieure de la lentille feuilletée (2), ledit film diélectrique (A) de la lentille feuilletée (2) étant apte à permettre à la lumière provenant du ou des dispositifs d'éclairement (3) d'être partiellement réfléchie en raison de l'empreinte digitale sur la lentille feuilletée (2) et pénétrant partiellement à travers la seconde lentille (23) et la troisième lentille (24) pour être captée par le détecteur (4). 5 - Ensemble selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la première lentille (21) a une surface supérieure plate. 6 - Ensemble selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la première lentille (21) a une 20 surface supérieure concave. 7 - Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les lentilles (21, 23 et 24) sont faites d'une matière constituée par le verre, une matière plastique ou un mélange des deux.