Brevet FR2952801A1 — publié le 20110527

CAPTEUR D'EMPREINTE CUTANEE La présente invention concerne un capteur d'empreinte cutanée, par exemple un capteur d'empreinte digitale ou palmaire_ De façon connue, une empreinte cutanée est formée par la disposition en alternance de reliefs et de sillons dan la surface cutanée d'.un utilisateur. Conformément à la figure 1 a;, un capteur d'empreinte 10 d'un type usuel comprend un élément prismatique transparent 1, avec une face d'application la qui est lisse et sur laquelle la surface cutanée est destinée à être appliquée. Pour une empreinte digitale, cette surface cutanée est la face inférieure de l'extrémité d'un doigt 20 de l'utilisateur. L'élément prismatique 1 possède deux autres faces : une face d'entrée lé, et une face de sortie 1s. Les faces le et l s sont inclinées par rapport à la face la de sorte qu'un premier rayon de lumière RI qui est réfléchi à l'intérieur de l'élément prismatique 1 sur la face d'application la, avec une réflexion totale au droit d'un sillon G de la surface cutanée, ressorte par la face de sortie l s. Simultanément, un second rayon de lumière R2 qui sort de l'élément prismatique 1 par la face de sortie l s parallèlement au premier rayon RI, mais en provenant d'un point de contact d'un relief R de la surface cutanée avec la face d'application la, ne subit qu'une réflexion partielle à ce point de contact. Pour cette raison, le rayon R2 est représenté par un trait plus fin que le rayon RI après leurs réflexions respectives sur la face la. Les faces d'entrée le et de sortie 1s peuvent être. inclinées par rapport à la face d'application 1:à de sorte que les rayons Ri et R2 les traversent perpendiculairement à chacune d`elles... Le capteur 10 comprend en outre un détecteur 4, qui est adapté pour saisir une image bidimensionnelle formée sur une surface de détection S4 de ce détecteur. Pour cela, une unité de focalisation 3 est agencée pour conjuguer optiquernent la face d'application la de l'élément prismatique 1 avec la surface de détection S4 du détecteur 4, à travers la face de sortie 1 s de l'élément prismatique 1. Lorsque des rayonsr de lumière pénètrent dans l'élément prismatique 1 par la face d'entrée le et éclairent la face d'application la, le détecteur 4 saisit une image de l'empreinte cutanée dans laquelle les sillons G apparaissent clairs et les reliefs R apparaissent sombres. Par exemple, l'élément prismatique 1 peut être en polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Dans ce cas, les rayons de lumière RI et R2 peuvent avoir un angle d'incidence i sur la face d'application la, à l'intérieur de l'élément prismatique 1, qui est supérieur à 42°(degré) environ. Les faces d'entrée lé et de sortie 1s peuvent chacune former un angle a qui est complémentaire de l'angle i, c'est-à-dire égal à 90°- i, avec une direction perpendiculaire avec la face d'application le. L'unité de focalisation 3 est alors disposée au sein du capteur 10 de sorte qu'un axe optique Z-Z de cette unité soit parallèle à la direction moyenne d'émergence, à partir de la face de sortie 1s, des rayons de lumière qui forment l'image de l'empreinte cutanée. Autrement dit, l'axe optique Z-Z est incliné d'environ 42° par rapport à la direction perpendiculaire à la face d'application la. En outre, le détecteur 4 doit aussi être incliné par rapport à l'axe optique Z-Z. Le capteur d'empreinte cutanée 10 possede donc un agencement général qui est complexe, et qui contribue à augmenter le prix de revient du capteur. La figure lb représente une variante du capteur 10 de la figure la, dans laquelle l'élément prismatique 1 est remplacé par une feuille transparente. Cette feuille transparente, dite première feuille et encore référencée 1, possède la face lisse la pour appliquer dessus la surface cutanée, et une face à motif lb qui est opposée à et parallèle à la face d'application la. La face à motif lb de la feuille 1 est pourvue de micro-prismes identiques qui sont étendus selon une direction de translation TI parallèle à la première feuille 1. La direction TI est perpendiculaire au plan de la figure lb. Les références le et 1s désignent maintenant les deux facettes de chaque micro-prisme de la face lb, par lesquelles les rayons RI et R2 entrent dans la feuille 1 et ressortent de celle-ci. Le fonctionnement optique du capteur d'empreinte cutanée de la figure lb est identique à celui de la figure la, si bien qu'il n'est pas répété. La feuille 1 du capteur de la figure lb peut être fabriquée de façon très économique, par rapport au moulage et à l'usinage de l'élément prismatique du capteur de la figure la. Par exemple, elle peut être fabriquée en pressant à chaud une feuille de matériau transparent à deux faces parallèles, entre deux rouleaux dont l'un comporte sur sa surface un motif complémentaire de celui des micro-prismes. La feuille 1 peut encore être en PMMA. Dans ce cas, les facettes le et 1s des micro-prismes peuvent avoir des inclinaisons respectives qui sont identiques à celles des faces d'entrée et de sortie de l'élément prismatique. Mais le capteur d'empreinte cutanée de la figure 1 b présente les 10 mêmes inconvénients que celui de la figure la. Son agencement général est aussi complexe, car les directions moyennes d'émergence des rayons R1 et R2, après la feuille transparente 1, sont inchangées. En particulier, l'axe optique Z-Z de l'unité de focalisation 3 est encore fortement incliné par rapport à la direction perpendiculaire à la face d'application la , et le détecteur 4 est lui- 15 même encore incliné par rapport à l'axe optique Z-Z. En outre, dans les deux cas, l'image de l'empreinte cutanée qui est saisie présente des distorsions importantes, par rapport à la disposition réelles des reliefs R et des sillons G sur la surface cutanée. Ces distorsions résultent de l'inclinaison de l'axe optique Z-Z par rapport à la face d'application la. 20 Dans ces conditions, un premier but de l'invention consiste à proposer un nouveau capteur d'empreinte cutanée qui présente un agencement interne simplifié par rapport aux capteurs antérieurs du type illustré par la figure lb. Un second but de l'invention consiste à proposer un. capteur d'empreinte cutanée pour lequel l'image de l'empreinte cutanée .qui est saisie 25 est .exempte de distorsion optique' importante. Pour atteindre ces buts et d'autres, l'invention propose un capteur d'empreinte cutanée du type illustré par la figure 1 b, qui comprend en outre une seconde feuille transparente. Cette seconde feuille est disposée parallèlement a la première feuille, d'un côté de cette dernière qui est opposé à 30 la face d'application de la surface cutanée, et entre cette première feuille et l'unité de focalisation. Dans ce capteur de l'invention, l'axe optique de l'unité de focalisation est perpendiculaire à la première feuille. En outre, l'unité de focalisation est agencée pour conjuguer optiquement la face d'application de la première feuille avec la surface de détection du détecteur à travers les deux feuilles. Pour cela, la seconde feuille possède un motif constant qui est répété parallèlement à cette feuille. Ce motif de seconde feuille est adapté pour que le premier rayon de lumière, qui a subi une réflexion totale sur la face d'application de la première feuille à l'intérieur de celle-ci, pénètre dans l'unité de focalisation avec une inclinaison, par rapport à l'axe optique de cette unité, qui est adaptée pour que ce premier rayon parvienne à la surface de détection du détecteur. Autrement dit, les rayons lumineux qui forment l'image de l'empreinte cutanée ont une direction moyenne d'émergence, juste après leur traversée de la seconde feuille, qui est sensiblement perpendiculaire aux deux feuilles. L'unité de focalisation est donc agencée pour que son axe optique coïncide avec cette direction moyenne d'émergence des rayons lumineux utiles. Ainsi, le capteur d'empreinte cutanée possède un agencement de système optique dont le plan d'objet, c'est-à-dire la face d'application de la première feuille, est perpendiculaire à l'axe optique du système d'imagerie. Il s'en suit que la surface de détection du détecteur d'image est aussi perpendiculaire à ce même axe optique. Cette surface de détection devient donc parallèle aux deux feuilles. Tout le capteur possède alors un agencement qui est simplifié, avec un alignement de ces composants selon l'axe optique de l'unité de focalisation. En particulier, l'encombrement du capteur dans des directions perpendiculaires à l'axe optique est supprimé. En outre, les distorsions de l'image de l'empreinte cutanée, qui étaient causées par l'inclinaison de la face d'application par rapport à l'axe optique de l'unité de focalisation, sont aussi supprimées. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, l'un et/ou l'autre des perfectionnements suivants peuvent être utilisés, seul ou en combinaison entre eux - le motif de la seconde feuille peut être invariant parallèlement à la 2952801 direction de translation des micro-prismes de le première feuille ; - l a seconde feuille peut posséder une face lisse qui est tournée vers la face :à motif de la première feuille,. et une face â motif qui comporte un relief en dents de scie,. ces deux faces de I.a seconde feuille étant parallèles et opposées. l'une à l'autre ; - les micro-prismes de la face à motif de la première feuille et le motif de la seconde feuille peuvent être adaptés pour qu'un rayon lumineux qui est initialement parallèle â l'axe optique de l'unité de focalisation, et qui traverse une première fois la seconde feuille puis la première feuille, puis est réfléchi sur 10 la face d'application de cette dernière, et traverse une seconde fois la première feuille puis la seconde feuille, ressorte de cette seconde feuille sensiblement parallèlement à l'axe optique de l'unité de focalisation ; et - les micro-prismes de la face à motif de la première feuille peuvent être symétriques, de même que les dents de scie du relief de la face à motif de 15 la seconde feuille. D'autres particularités et avantages de la présente invention. apparaîtront dans la .description ci-après d'un exemple de. réalisation non limitatif, eh référence aux dessins annexés, dans lesquels - les -figures 1a.. et l b, déjà décrites, sont des schémas de principe de 20. deux capteurs d'empreinte cutanée connus avant la présente invention. la figure 2 est une vue en perspective d'une feuille transparente utilisée dans un capteur d'empreinte cutanée selon l'invention ; - la figure 3a est un schéma de principe d'un capteur d'empreinte cutanée 25 selon la présente invention ; et - la. figure 3b est une vue grossie d'une partie de la figure 3a,. montrant des trajets de rayons lumineux utiles. Pour raison de clarté de ces figures, les dimensions des éléments représentés ne correspondent pas à des dimensions réelles, ni à des rapports 30 de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des 2952801 _6 fonctions identiques. De plus, ceux de ces éléments qui ont déjà été décrits plus haut en relation avec les figures la et lb ne sont pas repris. La description qui suit est donc limitée aux aspects nouveaux du capteur d'empreinte cutanée, qui sont introduits par l'invention. En particulier, la référence 3 désigne encore une unité de focalisation qui est représentée symboliquement sous la forme d'une lentille, mais il est entendu que cette unité peut avoir en général une structure plus complexe. Conformément à la figure 2, une feuille de matière transparente possède deux faces opposées et globalement parallèles, qui sont référencées 10 respectivement 2a et 2b. La face 2a est lisse. La face 2b possède un motif qui est répété périodiquement de façon à recouvrir toute cette face. De préférence, ce motif est invariant parallèlement à une direction de translation qui est notée T2 Par exemple, le motif de la face 2b peut comporter un relief en dents de scie. La face 2b est alors constituée de facettes allongées 2b' et 2b" qui sont 15 parallèles à la direction T2, et inclinées en alternance selon deux pentes qui ont des signes opposés. Ces deux pentes sont égales en valeurs absolues lorsque le relief est en dents de scie symétriques. Elles forment alors un même angle 13 par rapport à une direction perpendiculaire à la face lisse 2a, qui est le demi-angle au sommet de chaque dent de scie du relief de la face 2b. La hauteur h 20 et le pas p des dents de scie peuvent avoir des valeurs quelconques, par exemple, supérieure a 50 phi. En fait, les dimensions du motif de la face 2b sont choisies assez grandes pour ne pas provoquer de diffusion ni de diffraction lumineuse qui soit gênante pour le fonctionnement du capteur d'empreinte cutanée. 25 La feuille transparente de la figure 2 est référencée 2 dans la suite de cette description, et correspond à la seconde feuille transparente de la partie générale de cette demande de brevet. Elle est introduite dans le capteur d'empreinte cutanée 10 de la figure lb, entre la feuille transparente 1 et l'unité de focalisation 3. La feuille 2 est disposée parallèlement à la feuille 1, avec la 30 face lisse 2a qui est tournée vers la face à motif lb de la feuille 1. L'unité de focalisation 3 peut alors être déplacée de façon à réduire et annuler l'angle entre son axe optique Z-Z et la direction perpendiculaire à la face d'application l a de la feuille 1. En sélectionnant convenablement les angles respectifs a et (3 des feuilles 1 et 2 en fonction des valeurs d'indice de réfraction lumineuse des matériaux de celles-ci, les rayons R, et R2 peuvent être ramenés sensiblement parallèles à l'axe Z-Z après leur sortie de la feuille 2. Le capteur d'empreinte cutanée 10 possède alors la configuration qui est représentée sur les figures 3a et 3b. Dans cette configuration, l'axe Z-Z est perpendiculaire aux feuilles 1 et 2, et perpendiculaire à la surface de détection S4 du détecteur 4. La distance d entre l'unité de focalisation 3 et la surface de détection S4 est alors ajustée simplement, pour former une image de la face d'application la sur la surface S4. Notamment, cette distance d est constante selon une direction perpendiculaire à l'axe optique Z-Z. Préférablement, la feuille 2 est tournée parallèlement à la feuille 1 de façon que les directions de translation Ti et T2 qui sont liées respectivement à chacune d'elles, soient parallèles. Ainsi, le motif de la feuille 2 est invariant parallèlement à la direction de translation des micro-prismes de la feuille 1. En outre, les motifs des deux feuilles 1 et 2 peuvent avantageusement être adaptés pour les rayons utiles RI et R2 introduits précédemment soient initialement sensiblement parallèles à L'axe Z-Z de l'unité de focalisation 3, avant d'arriver sur les feuilles 1 et 2. Ainsi, comme représenté sur la figure 3b, ces rayons qui sont initialement parallèles à l'axe optique Z-Z, traversent une première fois la feuille 2 puis la feuille 1, puis sont réfléchis sur la face d'application la de la feuille 1 et traversent une seconde fois cette même feuille 1 puis la feuille 2, et ressortent de cette dernière parallèlement à l'axe Z-Z. La lumière qui est nécessaire à la formation de l'image de l'empreinte cutanée sur le détecteur 4 peut alors être introduite parallèlement à l'axe optique Z-Z. Pour cela, une source lumineuse peut être disposée à proximité de cet axe, et/ou sa lumière peut être dirigée vers les feuilles 1 et 2 parallèlement à l'axe Z-Z. Eventuellement, cette lumière peut être introduite à travers une partie au moins de l'unité de focalisation 3 ou bien être située à proximité de rentrée optique de cette unité. L'ensemble du capteur d'empreinte cutanée possède alors une structure qui est encore plus compacte. Lorsque les feuilles 1 et 2 sont toutes deux en PMMA, les micro-primes 2952801 -8 de la face lb de la feuille 1 peuvent être symétriques avec un angle a qui est encore égal à environ 48 Les dents de scie de la face à motif 2b de la feuille 2 peuvent être symétriques avec un demi-angle au sommet R d'environ 20°. Les rayons Ri et R2 sont alors parallèles à l'axe Z-Z avant de pénétrer pour la première fois dans la feuille 2 et après leur sortie finale de cette feuille 2 (figure 3b). La lumière qui est utile pour former l'image de l'empreinte cutanée sur la surface de détection S4 est donc regroupée en un faisceau parallèle à l'axe Z-Z, à l'extérieur des feuilles 1 et 2 et en dehors d'un éventuel intervalle compris entre ces deux feuilles. 10 L'homme du métier saura, à la lumière de la présente description qui a été donnée dans le cas où les deux feuilles .l et 2 sont en.PMMA, appliquer les lois de I.a réfraction lumineuse pour déterminer les valeurs numériques des angles a .et ..f3 lorsque d'autres matériaux sont utilisés -pour les feuilles 1 etlou, 2. Enfin, il est entendu que le motif de la seconde feuille n'est pas 15 forcément constitué par un relief de l'une de ses faces. Ce motif peut aussi être constitué par une modulation de l'indice de réfraction lumineuse du matériau transparent de la seconde feuille. Dans ce cas, les deux faces cette seconde feuille peuvent être lisses. REVENDICATIONS1. Capteur d'empreinte cutanée (10), par exemple d'empreinte digitale ou palmaire, ladite empreinte étant formée par une disposition en alternance de reliefs (R) et de sillons (G) dans une surface cutanée d'un utilisateur (20), le capteur comprenant - une première feuille transparente (1) ayant une face d'application (1`a) Tisse sur laquelle la surface cutanée (20) est destinée a être appliquée, et une face à. motif {1 b) opposée à et parallèle à la face d'application, ladite face à. motif étant pourvue. de micro-prismes identiques (té! 1.$), 10 étendus. selon une direction de translation (T1) parallèle à ladite première feuille, et. adaptés de sorte qu'un premier rayon de lumière (,R.1) qui est réfléchi à I'intérieur de ladite première feuiille sur la face d'application (1 a), avec une réflexion totale au droit d'un sillon (G)' de la surface cutanée appliquée sur ladite. face d'application, ressorte par I.a 15 face â, motif (1 b) obliquement par rapport â. une direction perpendiculaire à ladite premiers feuille. et de sorte qu'un second rayon de lumière (R?) qui .sort de ladite première feuille parallèlement au premier rayon en provenant d'un point de contact d'un relief (R) de la surface cutanée avec la face d'application (ta». ne subisse qu'une 20. réflexion partielle audit point de contact un détecteur (4) adapté pour saisir une image bidimensionnelle formée sur une surface de détection (S4) dudit détecteur et - une unité de focalisation. (3) agencée pour conjuguer obliquement la surface d'application. (1 a) de la première feuille (1). avec la surface de 25 détection (S4) du détecteur (4); le capteur étant caractérisé en ce qu'il. comprend en outre une seconde feuille transparente (2). disposée parallèlement à la. première feuille. (1) d'un côté opposé â la face d'application (1a) de ladite première 'feuillé; entre ladite première feuille et l'unité de focalisation (3),, 2952801 -10- et en ce que un axe optique (Z-Z) de l'unité de focalisation (3) est perpendiculaire à la première feuille (1), et ladite unité de focalisation est agencée pour conjuguer optiquement la face d'application (10) de la première feuille (1) avec la surface de détection (S4) du détecteur (4) à travers les première et seconde feuilles, et en ce que ladite seconde feuille (2) possède un motif constant (2b', 2b") répété parallèlement à ladite seconde feuille, ledit motif de la seconde feuille étant adapté pour que le premier rayon (RI) pénètre dans l'unité de focalisation (3) avec une inclinaison par rapport à l'axa optique (Z-Z) de ladite unité de 10 focalisation adaptée pour que ledit premier rayon parvienne à la surface de détection (S4) du détecteur (4). 2 Capteur' d'empreinte cutanée selon la revendication 1., dans leque le motif (2b`, 2b") de la seconde feuille (2) est invariant parallèlement à la direction de translation (T1) des micro-'prismes de la..première feuil e (1). 15 3. Capteur d'empreinte cutanée selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la seconde feuille (2) possède une face lisse (2a) tournée vers la face à motif (lb) de la première feuille (1), et une face à motif (2b) comportant un relief en dents de scie (2b', 2b"), les dites face lisse et face à motif de la seconde feuille étant parallèles et opposées l'une à l'autre. 20 4. Capteur d'empreinte cutanée selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les micro-prismes (1 e, 1s) de la face à motif «lb) de la première feuille (1) et le motif (2b', 2b") de la seconde feuille (2), sont adaptés pour qu'un rayon lumineux qui est initialement parallèle à l'axe optique (Z-Z) de l'unité de focalisation (3), et qui traverse une première 25 fois la seconde feuille puis la première feuille, puis est réfléchi sur la face d'application (la) de ladite première feuille et traverse une seconde fois ladite première feuille puis ladite seconde feuille, ressorte de ladite seconde feuille sensiblement parallèlement audit axe optique. 5. Capteur d'empreinte cutanée selon les revendications 3 et 4, dans 30 lequel les micro-prismes (le, 1s) de la face à motif (1 b) de la première feuille 2952801 - Il - (1) sont symétriques, et dans lequel les dents de scie (2b', 2b") du relief de la face à motif (2b) de la seconde feuille (2) sont symétriques.