ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТАКТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК A61B5/117 

Изобретение относится к областям электроники и биометрии и может быть использовано в электронно-оптических устройствах, биометрических устройствах и системах для защиты от воздействия статического электричества, а также для защиты биометрических систем от несанкционированного доступа по поддельному носителю информации.

Существует множество конструкций электропроводящих оптически прозрачных многослойных объектов, состоящих из различных по составу плоских слоев, выполняющих по отдельности электропроводящие и защитные функции [1, 2, 3]. Указанные конструкции особенно широко применяются в автомобильной промышленности для защиты стекол от запотевания и обледенения. Однако многослойная структура и различные покрытия стекла могут существенно повлиять на метрологические свойства чувствительного (или излучающего) элемента оптического датчика, поэтому оптический датчик обычно защищают однородным по объему оптически прозрачным материалом или элементом (стеклом). Известно, что любой датчик, в том числе и оптический, является чувствительным к вполне определенной физической величине и должен быть защищен от воздействия других физических величин.

Обычно для защиты оптического датчика от внешних воздействий фоточувствительный элемент помещают в герметичный корпус, имеющий оптически прозрачное входное окно из однородного материала для входа (выхода) оптического излучения и служащее защитным элементом [4]. Это оптически прозрачное однородное входное окно должно пропускать входное излучение с минимальными потерями во всем диапазоне оптической чувствительности датчика и препятствовать проникновению в датчик пыли, грязи, воды, а также обладать достаточной механической устойчивостью и прочностью. В стандартном оптическом датчике, например содержащем в качестве фоточувствительного элемента ФППЗ, оптическое входное окно (защитный элемент) представляет собой оптически прозрачное стекло, которое крепится к корпусу с помощью клея, причем между защитным стеклом и фоточувствительным элементом находится воздух или инертный газ, выполняющий функцию дополнительной защиты фоточувствительного элемента от воздействия внешней среды. Однако, такая оптическая схема датчика требует применения объектива для передачи оптического изображения от объекта к фоточувствительному элементу, что увеличивает как реальные размеры датчика, так и расстояние от датчика до объекта, что часто невыгодно.

Существуют оптические датчики, позволяющие получать оптические изображения без применения объектива, например при непосредственном контакте объекта (или его изображения) с фоточувствительным элементом. В этом случае непосредственно на внешнюю поверхность фоточувствительного элемента датчика наносится тонкое оптически прозрачное покрытие, причем его толщина не должна превышать половины минимального размера фоточувствительного элемента, обычно составляющее несколько мкм, для сохранения разрешающей способности датчика без значительных потерь [5].

Указанные оптические датчики обладают минимальными возможными габаритами, однако, механическая и электростатическая прочность таких приборов недостаточна для их широкого применения, т.к. механический контакт с таким тонким покрытием может привести к разрушению оптического покрытия или чувствительного элемента. Также нарушение работоспособности датчика может произойти вследствие его разрушения статическим электричеством, например при контакте с рукой или одеждой человека.

Известен оптический датчик [6], позволяющий получать контактное изображение объекта и обладающий при этом высокой прочностью.

Датчик содержит фоточувствительный многоэлементный преобразователь, например ПЗС или КМОП, и волоконно-оптическое входное окно для передачи изображения из контактной поверхности на фоточувствительный прибор.

Волоконно-оптическое входное окно служит защитным оптически прозрачным элементом.

Контактной поверхностью служит внешняя сторона защитного элемента.

Данный датчик взят нами за прототип. Устройство-прототип обладает высокой механической прочностью и может быть использовано в дактилоскопии для идентификации пользователей.

Однако данное устройство является недостаточно компактным, наличие специального корпуса и относительно толстого оптического волокна (более 3 мм толщиной) не позволяет широко использовать данное устройство, т.к., например, для применения его как устройства биометрической (дактилоскопической) идентификации в мобильных телефонах его толщина должна быть не более 1,5 мм.

К недостаткам прототипа относится и то, что данное устройство должно содержать дополнительные элементы для определения момента начала его работы или находиться постоянно включенным, что невыгодно из-за большого энергопотребления, кроме того, данное устройство при применении его в дактилоскопии не позволяет отличить живой палец от поддельного.

Известен способ получения контактного изображения объекта [6].

Способ состоит из контакта объекта (пальца) с контактной поверхностью волоконно-оптической пластины (ВОП), включение датчика, освещение объекта светом, проходящим через объект, передачу изображения объекта через оптическое волокно на фоточувствительный многоэлементный преобразователь и преобразования полученного изображения в электрический сигнал.

Данный способ не позволяет отличить живой дактилоскопический носитель изображения от поддельного и запускать датчик при установке пальца, т.к. размещение каких-то дополнительных элементов (например, емкостного сенсора) на оптическом волокне технологически является сложной задачей и приводит к потере всех преимуществ, связанных с надежной работой датчика.

Заявляемые устройство и способ позволяют уменьшить габаритные размеры и повысить надежность устройства и расширить функциональные возможности устройства и способа.

Достигается это тем, что в известном оптическом датчике, включающем по крайней мере один фоточувствительный элемент и оптически прозрачный защитный элемент, внешняя сторона которого может являться контактной поверхностью, защитный элемент является электропроводящим.

В другом варианте предлагаемого оптического датчика, который представляет собой дактилоскопический датчик, преобразующий дактилоскопическое изображение в электрический сигнал, оптически прозрачный защитный элемент представляет собой оптическое волокно (волоконно-оптическую пластину) с поверхностным электрическим сопротивлением, большим, чем электрическое сопротивление кожи человека.

В следующем варианте изобретения оптический датчик содержит дополнительные чувствительные к изменению электрофизических параметров контактной поверхности элементы, электрически связанные с оптически прозрачным защитным элементом.

Задача решается также тем, что в известном способе получения контактного изображения объекта, включающем установку пальца на контактную поверхность датчика, включение датчика, получение и обработку дактилоскопического изображения, измеряют электрофизические параметры контактной поверхности с установленным на нее пальцем и без него, и включают датчик при регистрации изменения измеряемого электрофизического параметра выше порогового значения.

Защитный элемент, обычно стекло, должен совмещать защитные функции по предохранению фоточувствительного (излучательного) элемента от нежелательных воздействий с определенными метрологическими свойствами, т.е., например, пропускать оптическое излучение с минимальными потерями. Причем до недавнего времени оптические датчики были относительно недостаточно распространены и располагались в защищенных от электростатического воздействия местах. Развитие оптоэлектроники в настоящее время приводит к тому, что оптические датчики располагают в различной аппаратуре в местах, легко доступных для касания рукой человека, при этом геометрические размеры (объем) оптических датчиков постоянно уменьшаются, а площадь фоточувствительной поверхности увеличивается. В этих условиях становится актуальной защита оптических датчиков не только от внешних механо-климатических воздействий, но и от воздействия статического электричества, которое может разрушить датчик не только при касании выводов прибора, но и через защитное оптическое диэлектрическое покрытие, если величина напряженности электрического поля при образовании статического разряда превышает диэлектрическую прочность оптического покрытия. Более того, существует ряд применений оптических датчиков, которые непосредственно связаны с постоянным воздействием статического электричества, например в высокочувствительных телевизионных камерах на базе сочлененных ЭОПов и ПЗС, а также в дактилоскопических сенсорах.

Авторы установили, что использование проводящих, однородных по глубине оптических покрытий позволяет существенно повысить защищенность оптического датчика от разрушающего воздействия статического электричества.

Ранее защита от воздействия статического электричества применялась, в основном, для защиты электрических элементов цепей, причем одним из путей защиты являлось повышение электрического сопротивления элементов цепи. Также стандартный подход для повышения электрической прочности однородных изоляторов - это еще больше увеличение электрического сопротивления изолятора, которое, в основном, достигалось увеличением размеров однородного диэлектрического материала. Однако уменьшение электрического сопротивления диэлектрика также приводит к уменьшению вероятности его пробоя статическим электричеством. Вероятно, это вызвано различием механизмов развития и протекания электростатического пробоя в диэлектриках и проводящих материалах. В классическом диэлектрике при электрическом пробое образуется проводящий канал с низким электрическим сопротивлением, причем за короткое время в этом канале выделяется значительная мощность, что приводит к механическому разрушению диэлектрика. Под проводящими материалами (может точнее мало проводящими) авторы понимают практически все материалы (вещества), имеющие удельное электрическое сопротивление в промежутке между проводниками (металлами, ρ≤1•10² Ом•см) и изоляторами (ρ>1•10¹¹ Ом•см).

В проводящем материале такой процесс не происходит, потому что определенная проводимость существует всегда, заряд как бы "растекается" по поверхности или объему и не может сконцентрироваться в одной локальной точке. В условиях постоянного воздействия электрического поля (напряжения), вероятно, возможно и образование более проводящих каналов в проводящем материале, однако, воздействие статического электричества является кратковременным процессом. Следовательно, наличие проводящего материала (например с удельным сопротивлением ρ=10³÷10⁹ Ом•см) приводит к уменьшению мощности процесса пробоя во времени (τ=RC) и пространстве, а значит, существенно уменьшает вероятность электрического пробоя.

Для изготовления оптически прозрачной волоконно-оптической пластины нет необходимости использовать одновременно оптически прозрачный и электропроводный единый материал, т.к. электрически проводящей может быть оболочка, а оптически проводящим - сердцевина волокна, однако, разработка и изготовление такого волокна является технически сложной задачей. Путем тщательного подбора стекол для оболочки и проводника удалось получить экспериментальные образцы ВОП с сопротивлением от 10⁶ до 10⁹ Ом•см, причем в качестве электропроводного стекла использовалось стекло оболочки оптического волокна. Т.к. в процессе изготовления ВОП оболочки спекаются между собой, то образовавшаяся ВОП, обладающая и необходимыми оптическими свойствами, обладает равномерным по всему образцу электрическим сопротивлением.

Использование такой ВОП для дактилоскопического датчика позволяет не только предохранить датчик от воздействия статического электричества, но и использовать электропроводную ВОП для определения наличия пальца на датчике и включения датчика, т. к. при установке пальца на контактную поверхность датчика изменяется электрическое сопротивление в цепи датчик-палец, что может быть относительно легко зарегистрировано, причем вредное статическое электричество приносит пользу и повышает чувствительность устройства. Для этого оптический датчик может дополнительно содержать электрическую цепь измерения тока, одним из элементов которой является оптически прозрачный защитный элемент, например оптическое волокно. При установке пальца на контактную поверхность электрическое сопротивление в цепи уменьшится и, например, ток увеличится (при поддержании постоянного напряжения), что может явиться сигналом для включения оптических элементов датчика.

Предлагаемое устройство обладает существенно расширенными функциональными возможностями за счет придания электропроводных свойств оптически прозрачному защитному элементу оптического датчика однородного по глубине. В простейшем случае это расширение функциональных возможностей связано с расширением защитных свойств оптического покрытия, охватывающих не только защиту от механо-климатических факторов, но и от статического электричества.

В другом варианте устройства наличие электропроводных свойств у оптического покрытия позволяет реализовать не только защитные свойства в обычном понимании, но и защитные свойства в виде защиты от поддельных носителей дактилоскопического изображения, а также реализовать энергосберегающий режим.

На фиг.1 приведен простейший вариант конструкции оптического датчика согласно предлагаемому изобретению.

На фиг.2 приведен вариант конструкции, в котором оптический токопроводящий защитный элемент имеет электрический контакт с заземленной частью оптического датчика.

На фиг.3 изображена условная схема измерения тока в токопроводящем защитном покрытии оптического датчика.

На фиг.4 приведена упрощенная электрическая схема, отображающая установку пальца на токопроводящее оптическое покрытие дактилоскопического датчика.

На фиг. 5 приведен вид сверху на электропроводящую волоконно-оптическую пластину.

Предлагаемое устройство состоит из следующих основных элементов:
1 - фоточувствительный элемент;
2 - защитное оптически прозрачное или волоконно-оптическое покрытие;
3 - заземленный контакт датчика;
4, 5 - электрочувствительные элементы;
6 - тонкое изолирующее (пассивирующее) покрытие, являющееся частью фоточувствительного элемента.

Работа оптического датчика осуществляется следующим образом. Защитное проводящее покрытие (1) осуществляет передачу света на фоточувствительный элемент (2), точно так же, как и обычное диэлектрическое покрытие, однако, в случае попадания статического электричества на защитное покрытие электрический заряд равномерно растекается по защитному покрытию, стекая на землю (3) или протекая по электрической цепи (4, 5), причем электрическая цепь (4, 5) регистрирует ток не только от появления статического электричества, но и от изменения сопротивления (R) образовавшейся цепи при включении в нее шунтирующего сопротивления пальца (Rf). Изменение токового сигнала в этой цепи используют для включения фоточувствительного элемента датчика и определения подлинности дактилоскопического носителя информации, включая датчик только при превышении определенного порогового значения тока. Тонкое диэлектрическое покрытие (6), обычно имеющееся у каждого фотоприемника, позволяет изолировать токонесущие элементы на поверхности фотоприемника (2) от токопроводящего защитного покрытия (1), хотя в некоторых случаях проводящие материалы с удельным сопротивление более ρ≥1•10⁷ Ом•см могут считаться изоляторами и их проводимость не влияет на работу оптического датчика.

Естественно, конструкция оптического датчика согласно данному изобретению не ограничивается приведенными примерами. На чертежах показаны только основные принципы построения возможных конструкций, которые, в частности, могут быть достаточно разнообразны с учетом предлагаемой формулы изобретения и описания. Аналогичное обобщение относится и к предложенному способу идентификации пользователя.

В качестве фоточувствительного прибора (2) используем кристалл ФППЗ 1М с числом фоточувствительных элементов 512•576 и размером фоточувствительной секции 10•15 мм. На фоточувствительную поверхность кристалла нанесено тонкое диэлектрическое покрытие SiO толщиной 1 мкм (6), на которое нанесено оптически прозрачное покрытие из поликристаллического кремния (Si*) толщиной 3 мкм с электрическим сопротивлением 1 кОм•см (1).

При выполнении оптического датчика согласно фиг.1 электропроводный слой (1) не имел электрического контакта с заземленной подложкой ФППЗ 1М (3). При выполнении оптического датчика согласно фиг.2 электропроводный слой непосредственно контактировал с заземленной подложкой прибора.

При выполнении оптического датчика в соответствии с фиг.3 изменение сигнала в электрической цепи (4, 5) автоматически запускало управление сенсором ФППЗ 1М, причем оптически прозрачный защитный элемент (6) выполнен из оптического волокна с удельным электрическим сопротивлением ρ=10⁷ Ом•см, что больше сопротивления кожи человека. Электропроводная оболочка волокна (показана на фиг.5 черным) обеспечивает равномерное распределение электрического сопротивления по всему образцу волоконно-оптической пластины.

Работа защитного покрытия по увеличению стойкости к воздействию статического электричества проиллюстрирована в сравнительной таблице 1, где указана величина пробивного напряжения, при котором происходит электростатический пробой оптического датчика.

Из таблицы следует, что введение проводящего защитного слоя существенно увеличивает стойкость оптического датчика к статическому электричеству.

Проведенные исследования показали, что при установке пальца на электропроводящее оптическое волокно с ρ=10⁷ происходит значительное уменьшение общего сопротивления в цепи палец - датчик, т.к. типовое сопротивление кожи составляет 100-200 кОм (хотя бывают отклонения от 10 кОм (влажная кожа) до 1-2 мОм (сухая кожа)). При этом ток в цепи, приведенной на фиг.5, возрастает в несколько раз при установке живого пальца. Например, для одного экспериментально изготовленного волоконно-оптического защитного элемента измеренные значения сопротивлений в соответствии с упрощенной схемой на фиг.4 составили следующие значения: lgρ=6,8 Ом•см; Rv=5•10⁶ Ом; Rs=20•10⁶ Ом, а практическое увеличение тока S при установке пальца составило 2,5 раза при приложенном к образцу постоянном напряжении 5V, что вполне достаточно для уверенной регистрации.

Теоретический расчет изменения сопротивления по схеме на фиг.4 осуществлялся по формуле:

при предположении, что Rf<Rv<Rs, и показал хорошее приближение данной формулой полученных экспериментальных значений
S теор/S экспер = 2,7/2,5.

Таким образом, при подаче напряжения 5 В между измерительными элементами в состоянии покоя протекает ток, примерно I=0,5 мкА, который увеличивается при установке пальца более чем в два раза до 1,25 мкА.

Известно, что наилучший материал для объемной подделки отпечатков является виксинт, который является диэлектриком. Следовательно, фальшивый отпечаток, изготовленный, например, из виксинта, просто не включит датчик, изготовленный в соответствии с фиг.3 и работающий в соответствии с описанным способом.

Таким образом, проведенные исследования показали, что описанное изобретение может найти широкое применение в контактных оптических и дактилоскопических приборах и системах, где воздействие статического электричества на оптический датчик непосредственно связано с самим принципом получения изображения, а также и в обычных миниатюрных оптических датчиках, где воздействие статического электричества может носить случайный характер.

Источники информации
1. US 4778732, МКИ В 32 В 17/06, оп. 18.10.88.

2. US 5805330, МКИ G 02 F 1/15, оп. 08.09.98.

3. US 6175641, МКИ G 06 K 9/20, оп. 16.01.01.

4. US 5550398, МКИ H 01 L 31/0203, оп. 27.08.96.

5. http://www.shellcase.com 04.2001.

6. RU 2031625, МКИ 6 А 61 В 5/117, оп. 27.03.95, прототип.

Изобретение относится к области биометрической техники, а именно к устройствам для снятия отпечатков пальцев. Оптический датчик включает фоточувствительный элемент и защитный оптически прозрачный элемент, предназначенный для защиты фоточувствительного элемента от воздействия статического электричества. Причем защитный оптически прозрачный элемент выполнен в виде электропроводящей волоконно-оптической пластины с поверхностным электрическим сопротивлением, большим, чем сопротивление кожи человека. Способ получения контактного изображения включает установку пальца на контактную поверхность дактилоскопического оптического датчика, включение датчика, получение и обработку дактилоскопического изображения. Причем измеряют электрофизические параметры контактной поверхности с установленным на нее пальцем и без него и включают датчик при регистрации изменения измеряемого электрофизического параметра выше порогового значения. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Оптический датчик, включающий, по крайней мере, один фоточувствительный элемент и защитный оптически прозрачный элемент для защиты фоточувствительного элемента от внешних воздействий, внешняя сторона которого является контактной поверхностью датчика, отличающийся тем, что защитный оптически прозрачный элемент выполнен в виде электропроводящей волоконно-оптической пластины с поверхностным электрическим сопротивлением большим, чем сопротивление кожи человека, и предназначен для защиты от воздействия статического электричества.2. Оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит элементы, чувствительные к изменению электрофизических параметров контактной поверхности, электрически связанные с защитным оптически прозрачным элементом.3. Способ получения контактного изображения, включающий установку пальца на контактную поверхность дактилоскопического оптического датчика, включение датчика, получение и обработку дактилоскопического изображения, отличающийся тем, что измеряют электрофизические параметры контактной поверхности с установленным на нее пальцем и без него и включают датчик при регистрации изменения измеряемого электрофизического параметра выше порогового значения.