УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОТПЕЧАТКА ПАЛЬЦА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам для распознавания личности человека и авторизации доступа, в частности к устройствам для получения и регистрации отпечатков пальцев, и может быть использована в системах идентификации личности человека на основе его биометрических характеристик для организации автоматизированных систем контроля доступа к закрытым помещениям (научным лабораториям, складам, операционным залам и другим объектам), к личной собственности (домам, гаражам, средствам связи, индивидуальным средствам передвижения), а также к вычислительным и информационным ресурсам, банковским терминалам, сейфам и хранилищам.
Идентификации личности с помощью биометрических технологий является в настоящее время одним из перспективных, бурно развивающихся направлений, среди которых методы и средства, использующие отпечатки пальцев, занимают одно из ведущих мест.
Известны различные способы и устройства, предназначенные для регистрации отпечатка пальца контактным путем. Так в устройстве (патент РФ №2031625, МПК6 А 61 В 5/117, оп. 1995.03.27) предлагается осуществлять непосредственный контакт объекта с многоэлементным фотоэлектрическим преобразователем, используя освещение объекта со стороны, противоположной контактируемой.
Известен также датчик изображения папиллярных линий кожи пальца (патент US №5907627, МПК G 06 K 9/00, оп. 1999.05.25), который содержит матрицу емкостных элементов, упорядоченных в строки и столбцы, блок заряда емкостных элементов до заданного опорного напряжения, средства
сравнения опорного напряжения с напряжением на каждом из емкостных элементов после приложения к матрице пальца и блок формирования массива результатов сравнения опорного напряжения с напряжением на каждом из емкостных элементов после приложения пальца.
Основным недостатком описанных выше аналогов, в основе которых заложен контакт объекта с поверхностью, на которой формируется его изображение, является следующее:
- сложность изготовления фотоприемников, на которых формируются изображения, которые должны иметь характеристики, необходимые для обеспечения требуемой точности распознавания папиллярных линий кожи;
- недостаточная надежность и долговечность датчика, обусловленная тем, что в процессе считывания изображения поверхность пальца непосредственно соприкасается с чувствительными элементами матрицы, что особенно важно при использовании датчика в автоматизированных системах контроля за коллективным доступом к охраняемым объектам или базам данных.
Следует также рассмотреть аналоги, в которых использованы различные оптические системы для проецирования изображения отпечатка пальца в плоскость фотоприемника.
Известно устройство для регистрации папиллярного узора (патент РФ №2185096, МПК7 А 61 В 5/117, оп. 2002.07.20), которое содержит оптически связанные источник света, призму с входной отражающей и выходной гранями, проекционную оптическую систему и систему фотоприемных элементов, соединенную с блоком обработки изображения. Призма выполнена в виде четырехгранника, одна из граней является поверхностью, воспринимающей отпечатки пальцев. Входная и выходная грани образуют тупой угол, кроме того, входная грань расположена к поверхности, воспринимающей отпечатки пальцев, под углом (80-100)°, отражающая грань наклонена под острым углом к поверхности, воспринимающей отпечатки пальцев, по отношению к которой выходная грань расположена
под углом, близким к углу полного внутреннего отражения, причем поверхность, воспринимающая отпечатки пальцев, является отражающей. Недостатками данного устройства являются неравномерность освещения рабочей грани призмы, а также сложность геометрии и конструкции самой призмы.
Известно также устройство для регистрации папиллярного узора (патент РФ №2241376, МПК7 А 61 В 5/117, оп. 2004.12.10), которое содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник света, призму, имеющую входную поверхность, воспринимающую поверхность и выходную поверхность, систему фотоприемных элементов и блок обработки изображения. Выходная поверхность призмы или ее часть выполнена криволинейной, например, цилиндрической. Лучи от источника света падают на воспринимающую поверхность под углом, близким к углу полного внутреннего отражения. Для формирования параллельного светового пучка, падающего на систему фотоприемных элементов, между выходной гранью призмы и системой фотоприемных элементов дополнительно устанавливается положительная (собирающая) линза. Описанное устройство достаточно простое и надежное, оно позволяет получать качественные отпечатки пальцев, используемые в дактилоскопии. Однако для получения отпечатков высокого качества с помощью известного устройства необходима высокая точность изготовления оптических элементов, а также тщательная юстировка всей оптической схемы устройства, работа которой должна происходить в параллельном пучке света.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство регистрации отпечатка пальца (патент РФ №2022524, МПК5 А 61 В 5/117, оп. 1994.11.15), выбранное в качестве прототипа. Устройство предназначено для идентификации личности по отпечаткам пальцев и содержит последовательно расположенные источник света, светорассеивающий элемент и призму, контактная поверхность которой размещена под углом полного внутреннего отражения к оси пучка
света. Устройство содержит также плоское зеркало для отклонения изображения, корректирующую призму и оптическую систему формирования изображения, которая включает два положительных компонента (объектива) и апертурную диафрагму. Задний фокус первого объектива совмещен с передним фокусом второго объектива и с апертурной диафрагмой. Кроме того, устройство - прототип содержит матричный фотоприемник и систему обработки изображения. В оптической системе формирования изображения известного устройства обеспечено постоянство линейного увеличения независимо от расстояния от контактной поверхности призмы до первого объектива, что является необходимым условием формирования изображения наклоненного предмета (отпечатка пальца) без дисторсии, то есть неискаженного изображения отпечатка. Это является несомненным достоинством устройства. Однако его оптическая схема сложна, громоздка и состоит из большого количества деталей. Этим обусловлены высокие требования к качеству выполнения каждой детали и юстировки всей системы в целом. Кроме того, наличие корректирующей призмы, двух объективов и расположенной между ними апертурной диафрагмы существенно увеличивает габариты устройства, что имеет большое значение при создании малогабаритных устройств, используемых, например, в системах ограничения доступа в закрытые помещения. К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве прототипа, следует также отнести и схему освещения гипотенузной грани призмы, являющейся контактной (рабочей) поверхностью, воспринимающей отпечатки пальцев, и состоящей из лампы накаливания и светорассеивающего элемента. Такой схеме свойственны потери значительной части света, падающего на воспринимающую поверхность под углами, отличающимися от угла полного внутреннего отражения. Применение в качестве источника света ламп накаливания в сочетании с матричным фотоприемником также не является оптимальным, так как упомянутые элементы имеют различные спектральные характеристики.
Следствием этого является низкая контрастность изображения.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение качества изображения отпечатка пальца за счет создания эффективной системы подсветки, а также уменьшение габаритов устройства и упрощение конструкции за счет сокращения количества оптических элементов.
Для решения указанных задач предлагается два варианта выполнения устройства для регистрации отпечатка пальца. И в первом (см. п.1 формулы полезной модели), и во втором вариантах (см. п.4 формулы) предложены устройства для регистрации отпечатка пальца, которые, как и наиболее близкое к ним устройство, выбранное в качестве прототипа, содержат расположенные вдоль оптической оси источник света, призму с рабочей, контактирующей с пальцем гранью, входной и выходной гранями, а также оптическую систему формирования изображения, состоящую из объектива и апертурной диафрагмы, и матричный фотоприемник. Особенностью первого варианта предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип устройства для регистрации отпечатка пальца, является то, что рабочая, контактирующая с пальцем грань призмы параллельна оптической оси, призма содержит вторую входную грань, нижнюю грань, параллельную рабочей грани, и сферическую отражающую поверхность, образующую острый угол с рабочей гранью призмы. Входные грани призмы параллельны между собой, симметричны оптической оси устройства и являются боковыми гранями призмы. Выходная грань призмы перпендикулярна оптической оси. Источник света в первом варианте представляет собой две группы светодиодов, установленных в плоскости нижней грани призмы, вблизи ее входных граней, а апертурная диафрагма расположена непосредственно за выходной поверхностью объектива, обращенной в сторону матричного фотоприемника. Для уменьшения продольного размера устройства между объективом и матричным фотоприемником может быть установлен отражающий элемент для отклонения изображения. Для увеличения освещенности рабочей грани
призмы части входных граней призмы, примыкающие к ее рабочей грани, могут быть выполнены зеркальными.
В устройстве для регистрации отпечатка пальца, предложенном во втором варианте (см. п.4 формулы полезной модели), кроме конструктивных элементов, входящих в состав устройства по первому варианту, имеется, как и в прототипе, светорассеивающий элемент, представляющий собой плоскопараллельную пластину. Призма во втором варианте конструктивно выполнена идентично с призмой по первому варианту полезной модели. Однако во втором варианте рабочая грань призмы, контактирующая с пальцем, размещена под углом полного внутреннего отражения к оси пучка света. Кроме того, особенность второго варианта заключается в том, что выходная грань призмы является одновременно ее входной гранью. Как и в первом варианте, призма содержит две параллельные, расположенные симметрично оптической оси боковые грани, нижнюю грань, параллельную рабочей грани, и сферическую отражающую поверхность, образующую острый угол с рабочей гранью призмы. Источник света, как и в первом варианте, представляет собой две группы светодиодов, но расположены они, в отличие от первого варианта, непосредственно за призмой симметрично оптической оси по обе стороны светорассеивающего элемента. Установлены группы светодиодов и светорассеивающий элемент в плоскости нижней грани призмы, а апертурная диафрагма расположена в плоскости входного зрачка объектива. Как и в первом варианте предлагаемой полезной модели в устройстве для регистрации отпечатка пальца по второму варианту для уменьшения его продольного размера между объективом и матричным фотоприемником может быть установлен отражающий элемент для отклонения изображения.
Выполнение задач, поставленных при создании полезной модели, стало возможным благодаря следующему.
В предлагаемой полезной модели, как в первом, так и во втором вариантах предложена новая конструкция призмы с пятью плоскими гранями
и одной - сферической. Сферическая грань призмы является отражающей. В результате на месте четырех оптических элементов прототипа (призмы, плоского зеркала, корректирующей призмы и первого объектива) установлен один элемент - призма новой конструкции. Оптическая система формирования изображения также упрощена по сравнению с прототипом, она включает в себя отражающую сферическую грань призмы, объектив и апертурную диафрагму, в отличие от двух объективов и апертурной диафрагмы в прототипе. В результате за счет сокращения количества элементов существенно уменьшены габариты устройства и упрощена его конструкция. Таким образом, указанные существенные признаки обеспечивают выполнение одной из задач, поставленных при создании предлагаемой полезной модели, а именно: упрощение конструкции при уменьшении габаритов устройства.
В оба варианта заявляемых конструкций устройств для регистрации отпечатка пальца введены также новые, отсутствующие в прототипе существенные признаки, относящиеся к выполнению и размещению источника света. В первом варианте устройства источники света установлены по обе стороны призмы вблизи ее входных граней, а во втором варианте источники света устанавливаются непосредственно за призмой, перед ее передней гранью, по обе стороны светорассеивающего элемента. Передняя грань является в данном варианте и входной и выходной гранью. В заявляемых устройствах в качестве источников света выбраны именно светодиоды, так как спектр их излучения может быть подобран в соответствии с максимальной чувствительностью матричного фотоприемника. Такое выполнение осветительной системы обеспечивает работу устройств в узком спектральном диапазоне (хроматические аберрации практически отсутствуют). Освещенность рабочей поверхности призмы, к которой прижимается палец, может регулироваться за счет изменения количества светодиодов и их яркости. Сочетание существенных признаков, как по первому, так и по второму вариантам обеспечивает получение на
рабочей грани призмы изображения отпечатка пальца высокого качества, которое формируется затем на матричном фотоприемнике. Таким образом, группа существенных признаков, относящихся к осветительной системе устройства, позволила создать эффективную систему подсветки, обеспечившую высокую контрастность изображения отпечатка пальца.
Дополнительные признаки, касающиеся установки отражающего элемента, могут относиться как к первому, так и ко второму вариантам предлагаемой полезной модели. Эти признаки обеспечивают такую конструктивную возможность реализации предлагаемой полезной модели, как уменьшение размера устройств в продольном направлении.
Дополнительный признак о выполнении частей входных граней призмы, примыкающих к ее рабочей грани, зеркальными (см. п.3 формулы) обеспечивает увеличение освещенности рабочей грани призмы, повышая тем самым качество и контрастность изображения.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Следует также отметить, что в первом варианте контрастность изображения получается несколько ниже, чем во втором варианте. Это происходит потому, что доля света, попадающая в систему формирования изображения в данном варианте меньше, чем во втором варианте. Однако продольные габариты устройства по первому варианту меньше, чем во втором варианте, что обусловлено расположением источников света. Указанные особенности первого варианта требуют более точной настройки оптической системы устройства. Для второго варианта полезной модели требования к юстировке, качеству выполнения оптических элементов, а также к чувствительности фотоприемника ниже, чем в первом варианте, что объясняется высококонтрастным изображением отпечатка пальца, получаемым во втором варианте заявляемого устройства. Таким образом, в зависимости от области использования заявляемого объекта, имеется возможность выбора предпочтительного варианта.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлена схема конкретного примера выполнения первого варианта устройства для регистрации отпечатка пальца в соответствии с п.2 формулы полезной модели;
на фиг.2 - вид А на фиг.1 (фрагмент);
на фиг.3 - схема конкретного примера выполнения второго варианта устройства для регистрации отпечатка пальца в соответствии с п.5 формулы полезной модели;
на фиг.4 - вид Б на фиг.3.
Устройство для регистрации отпечатка пальца в соответствии с п.2 формулы полезной модели содержит источник света, представляющий собой две группы 1 и 2 светодиодов, установленных по обе стороны призмы 3 симметрично относительно оптической оси устройства (см. фиг.1, 2). В качестве светодиодов могут быть использованы, например, светодиоды 12-215SURC/S530-A2/TR8 фирмы Everlight Electronics Co., Ltd. Призма 3 имеет пять плоских граней и одну сферическую. Рабочей гранью является грань 4, к поверхности которой прижимается палец, отпечаток которого необходимо зарегистрировать. Грань 4 параллельна оптической оси устройства. Боковые грани 5 и 6 призмы 3 являются входными гранями, через которые световое излучение от светодиодов проходит внутрь призмы и попадает на рабочую грань 4. Грани 5 и 6 параллельны между собой и расположены симметрично оптической оси устройства. Параллельно рабочей грани 4 расположена нижняя грань 7, в одной плоскости с которой, вблизи входных граней 5 и 6 призмы 3 установлены группы 1 и 2 светодиодов. Сферическая грань 8 призмы 3 является отражающей, она образует острый угол с рабочей гранью 4 призмы 3. Выходная грань 9 призмы 3 перпендикулярна оптической оси устройства. Призма может быть изготовлена из оптического стекла, поликарбоната или другого прозрачного органического пластика. Далее по ходу оптического луча устройства установлен объектив 10, за выходной поверхностью которого расположена апертурная диафрагма 11,
осуществляющая виньетирование светового пучка от внешней засветки. Для уменьшения продольного размера устройства между объективом 10 и матричным фотоприемником 12 установлен отражающий элемент 13, отклоняющий регистрируемое изображение на чувствительный элемент матричного фотоприемника 12, в качестве которого может быть использован, например, фотоприемник OV9121 B&W CMOS SXGA фирмы OmniVision Technologies. Для повышения эффективности работы устройства типы светодиодов и фотоприемника подбираются по спектральным характеристикам. Для увеличения освещенности рабочей грани 4 призмы 3 участки боковых граней 5 и 6, примыкающие к рабочей грани, могут быть выполнены зеркальными. Геометрические и оптические параметры элементов схемы устройства (размеры граней призмы, угол наклона ее сферической поверхности к рабочей грани призмы, размер апертурной диафрагмы, фокусное расстояние объектива, типы светодиодов и матричного фотоприемника определяются на этапе расчета устройства, в соответствии с конкретным техническим заданием.
Устройство работает следующим образом.
К рабочей грани 4 прижимают палец, отпечаток которого необходимо зарегистрировать. Зона контакта пальца с поверхностью призмы 3 освещается излучением от групп 1 и 2 светодиодов, которое, пройдя через входные грани 5 и 6, попадает внутрь призмы 3. В местах контакта выступов на коже пальца с рабочей гранью 4 призмы 3 излучение отражается. Часть отраженного излучения освещает сферическую отражающую поверхность грани 8, от которой направляется через выходную грань 9 призмы 3, объектив 10, апертурную диафрагму 11 и отражающий элемент 13 на матричный фотоприемник 12, плоскость чувствительной площадки которого совмещена с плоскостью изображения оптической системы формирования изображения. Сигнал с матричного фотоприемника 12 поступает в систему обработки изображения (на фиг.не показана). В этом варианте устройства на матрице фотоприемника формируется изображение линии папиллярного
узора в виде светлой полоски на темном фоне.
Устройство для регистрации отпечатка пальца в соответствии с п.4 формулы полезной модели (см. фиг.3, 4) содержит источник света, который, как и в первом варианте полезной модели, представляет собой две группы 14 и 15 светодиодов, которые в отличие от первого варианта установлены непосредственно за призмой 16 по обе стороны светорассеивающего элемента 17, представляющего собой плоскопараллельную пластину, изготовленную, например, из оптического стекла, поликарбоната или другого прозрачного органического пластика. Призма 16 конструктивно выполнена идентично с призмой 3, описанной в первом варианте полезной модели. Верхняя грань 18 -рабочая, расположена параллельно оптической оси. Однако некоторые грани призмы выполняют иные функции по сравнению с первым вариантом, а именно: входной гранью, через которую световое излучение от светодиодов проходит внутрь призмы, является грань 19 (см. фиг.3), перпендикулярная оптической оси. Эта же грань 19 является и выходной гранью для пучка лучей света. Рабочая грань 18 в данном варианте освещается под углом полного внутреннего отражения (в отличие от первого варианта). Призма 16 содержит также две боковые грани 20 и 21, нижнюю грань 22, параллельную рабочей грани 18, и сферическую отражающую грань 23, расположенную под острым углом к рабочей грани 18 призмы 16. Упомянутые выше группы 14 и 15 светодиодов и светорассеивающий элемент 17 расположены в одной плоскости с нижней гранью 22 призмы 16. За источником света по ходу оптического луча устройства в плоскости входного зрачка объектива 24 установлена апертурная диафрагма 25. Как и в первом варианте для уменьшения продольного размера устройства между объективом 24 и матричным фотоприемником 26 установлен отражающий элемент 27.
Данный вариант устройства для регистрации отпечатка пальца работает следующим образом.
К рабочей грани 18 прижимают палец, отпечаток которого необходимо зарегистрировать. Зона контакта пальца с поверхностью призмы 16 освещается светом под углом полного внутреннего отражения с помощью осветительной системы, состоящей из двух групп 14 и 15 светодиодов, с двух торцов подсвечивающих светорассеивающий элемент 17. Излучение от светодиодов попадает внутрь призмы 16 через входную грань 19. В местах контакта выступов на коже пальца с контактной поверхностью призмы 16 происходит нарушение полного внутреннего отражения света, поэтому интенсивность света, отраженного в этих местах, существенно ниже, чем при полном отражении. Таким образом, на рабочей грани 18 призмы 16 создается переменное распределение коэффициента отражения, соответствующее папиллярному рисунку пальца. Так как интенсивности света, отраженного в местах контакта выступов на коже и в местах полного внутреннего отражения существенно отличаются по абсолютной величине, то на рабочей грани 18 призмы 16 получается высококонтрастный отпечаток пальца. Излучение, попавшее на сферическую отражающую поверхность грани 23, отражается от нее и через грань 19 призмы 16, апертурную диафрагму 23, объектив 24 и отражающий элемент 27 попадает на матричный фотоприемник 12. В этом варианте устройства получается инвертированное изображение отпечатка пальца (на матрице фотоприемника формируется изображение линии папиллярного узора в виде темной полоски на светлом фоне).
Таким образом, в заявляемой полезной модели, как в первом, так и во втором варианте за счет установки призмы с пятью плоскими гранями и одной - сферической (отражающей) гранью, упрощений в системе формирования изображения, а также введения новой эффективной системы подсветки рабочей грани призмы, появилась возможность существенно повысить качество изображения отпечатка пальца при одновременном уменьшении габаритов и упрощении конструкции устройства.