Устройство идентификации вен ладони пользователя Российский патент 2022 года по МПК A61B5/117 G06T7/40 

Изобретение относится к устройствам для получения изображения вен ладоней пользователя и может быть использовано в системах биометрической идентификации для контроля и управления доступом, систем аутентификации в финансовых, паспортно-визовых системах и системах безопасности в любой отрасли промышленности.

В настоящее время активно развиваются устройства идентификации пользователей с использованием их биометрических данных, в частности устройства, использующие рисунок вен ладони пользователя в качестве входных данных. Работа данных устройств основана на принципе поглощения излучения в инфракрасной (ИК) области спектра восстановленным гемоглобином в сосудах вен, вследствие чего при освещении ладони пользователя становятся видны только вены и кровеносные сосуды, содержащие восстановленный гемоглобин. Для реализации данного принципа в устройствах биометрической идентификации пользователей используются источники излучения ИК спектра и приемные устройства, считывающие рисунок вен пользователя в виде изображения.

Одним из примеров источников излучения является известное из области оптики и систем поляризации устройство проецирования излучения, содержащее последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, имеющий многослойную структуру, при этом один из слоев выполнен в виде пленки, содержащей поляризационную решетку, нанесенную на твердую основу, а еще один из слоев расположен над поляризационной решеткой и выполнен из твердого светопропускающего материала, поверхность которого выполнена глянцевой [JP2009198638A, дата публикации: 03.09.2009 г. МПК: G02B 27/28, G02B 5/30, G02F 1/1335].

Недостатком известного технического решения является недостаточная степень рассеяния излучения, обусловленная тем, что поверхность слоя твердого светопропускающего материала выполнена глянцевой, что не позволяет обеспечить достаточную для равномерного освещения ладони степень рассеяния света, вследствие чего данное техническое решение не может быть использовано в составе устройств идентификации вен ладони пользователя.

В качестве прототипа выбрано устройство идентификации вен ладони пользователя, содержащее последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, а также последовательно расположенный приемник излучения с поляризатором приемника, вектор напряженности световой волны которого является перпендикулярным по отношению к вектору напряженности световой волны поляризатора излучателя, при этом в данном охранном документе конструкция поляризатора не раскрыта [JP2011100317A, дата публикации: 19.05.2011 г., МПК: A61B 5/117, G06T 1/00, G06T 7/00].

Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является возможность получения устройством более контрастного изображения вен ладони, за счет выполнения поляризатора приемника и поляризатора излучателя таким образом, что их векторы напряженности световой волны перпендикулярны друг другу.

Однако недостатком прототипа является повышенный риск повреждения и выхода из строя поляризаторов приемника и излучателя вследствие того, что не представляется возможным однозначно заявить о том, что поляризатор имеет структуру, обеспечивающую защиту его от внешних воздействий.

Известные технические решения в той или иной степени могут обеспечивать реализацию принципа поглощения излучения в ИК области спектра восстановленным гемоглобином в сосудах вен, который используется устройствами идентификации вен ладоней пользователей, однако даже в случае совокупного использования вышеописанных технических решений, остается необходимым создание технического решения, лишенного присущих им недостатков, а именно устройства идентификации вен ладони пользователя позволяющего равномерно осветить ладонь пользователя и получить контрастное изображение вен ладони, имеющее большую площадь, что существенным образом повышает эффективность биометрической идентификации пользователей, и при этом устройства обладающего такими конструктивными особенностями, которые обеспечивают снижение риска повреждения и выхода из строя поляризаторов устройства и существенным образом улучшают его эксплуатационные характеристики.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости повышения эффективности биометрической идентификации пользователя.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении степени рассеяния излучения, поступающего от излучателя.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Устройство идентификации вен ладони пользователя содержит последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, а также последовательно расположенный приемник излучения с поляризатором приемника, вектор напряженности световой волны которого является перпендикулярным по отношению к вектору напряженности световой волны поляризатора излучателя, причем поляризатор излучателя имеет многослойную структуру, один из слоев выполнен в виде пленки, содержащей поляризационную решетку, а еще один из слоев выполнен из твердого светопропускающего материала. В отличие от прототипа одна поверхность слоя твердого светопропускающего материала поляризатора излучателя выполнена светорассеивающей.

Устройство идентификации вен ладони пользователя содержит корпус, обеспечивающий размещение элементов устройства идентификации вен ладони. Корпус может быть выполнен из любого конструкционного материала, который является светонепроницаемым. Корпус может быть выполнен в форме параллелепипеда, цилиндра или многогранника, имеющего полость для размещения элементов устройства.

Корпус содержит плоскую крышку, выполненную из светопрозрачного материала и выступающую в качестве инфракрасного фильтра, пропускающего свет только в данной области спектра. Крышка в продольном сечении может иметь форму ответную форме полой части корпуса, в частности крышка может иметь форму квадрата, круга или многоугольника. Крышка может быть закреплена на корпусе при помощи любых элементов разъемного или неразъемного соединения. Крышка может быть снабжена просветляющим покрытием, которое позволяет достигнуть пропускания излучения ИК спектра через нее на уровне не ниже 95 % для длины волны излучения 850 нм и не менее 75 % для длины волны излучения 940 нм.

Внутри корпуса содержится процессорная печатная плата и печатная плата освещения, соединенные между собой при помощи соединительных разъемов, а также оптическая система и рассеивающий фильтр.

Процессорная печатная плата обеспечивает размещение на ней микроконтроллера и светочувствительного элемента и может быть выполнена в виде пластины из текстолита или гетинакса с нанесенной на нее микросхемой.

Светочувствительный элемент выполняет функцию приемника изображения и обеспечивает его считывание и передачу изображения ладони на микроконтроллер. Светочувствительный элемент может быть выполнен в виде CMOS (КМОП) или CCD (ПЗС) матрицы светочувствительной в ИК области спектра.

Микроконтроллер обеспечивает реализацию алгоритма идентификации пользователя по рисунку вен ладони и может быть представлен в виде микросхемы, нанесенной на печатную плату. Алгоритм заключается в анализе изображения рисунка вен ладони пользователя, идентификации пользователя в соответствии с результатами анализа и предоставлении ему требуемого доступа.

Оптическая система обеспечивает фокусирование изображения ладони пользователя на светочувствительном элементе и может быть представлена в виде объектива. Объектив представляет собой цилиндрический корпус с фокусирующими линзами внутри. Оптическая система может быть расположена внутри корпуса устройства опираясь на процессорную печатную плату, а центральная ось оптической системы может быть сонаправлена с осью симметрии матрицы светочувствительного элемента.

Печатная плата освещения обеспечивает размещение на ней светодиодов и может быть выполнена в виде пластины из текстолита или гетинакса с нанесенной на нее микросхемой питания светодиодов. Печатная плата может иметь цилиндрическое отверстие для размещения внутри него оптической системы.

Светодиоды выполняют функцию излучателя и обеспечивают формирование излучения ИК спектра для освещения им ладони пользователя. Светодиоды могут излучать свет в диапазоне длин волн от 850 до 940 нанометров. Светодиоды могут быть расположены на печатной плате освещения по окружности вокруг отверстия для размещения оптической системы, для равномерного освещения ладони пользователя.

Над светодиодами расположены поляризаторы излучателя, которые обеспечивают получение плоскополяризованного в ближнем ИК диапазоне излучения из формируемого светодиодами неполяризованного излучения. Над светочувствительным элементом расположен поляризатор приемника, также обеспечивающий поляризацию в ближнем ИК диапазоне излучения, считываемого светочувствительным элементом. Направление поляризации излучения характеризуется вектором напряженности световой волны, при этом вектор напряженности световой волны поляризатора приемника является перпендикулярным вектору напряженности световой волны поляризаторов излучателя. Такая взаимно перпендикулярная ориентация направлений поляризации позволяет осветить ладонь пользователя плоскополяризованным светом, а при отражении плоскополяризованного света от внутренних слоев ладони его направление поляризации совпадает с направлением поляризации поляризатора приемника. Это позволяет зафиксировать светочувствительным элементом только отраженный от вен ладоней свет, минимизируя при этом отражение ИК излучения от поверхности кожи пользователя и попадание его на светочувствительный элемент, за счет чего обеспечивается повышение контрастности изображения, содержащего рисунок вен ладоней пользователя.

Поляризаторы излучателя и приемника имеют многослойную структуру, что обеспечивает защиту их от внешних воздействий.

Один из слоев поляризатора выполнен в виде пленки, содержащей поляризационную решетку. Поляризационная решетка состоит из проводников, которые могут быть нанесены на светопрозрачную пластиковую подложку. Ширина проводников, а также расстояние между ними может варьироваться в диапазоне от 50 до 150 нм, что значительно меньше, чем длины волн ближнего ИК диапазона (от 850 до 940 нм), и позволяет улучшить оптическое пропускание в ближнем ИК диапазоне, а также повысить контрастность изображения рисунка вен ладони.

Еще один из слоев поляризатора выполнен из твердого светопропускающего материала, обеспечивающего защиту поляризационной решетки от внешних воздействий и расположен над слоем, содержащим ее. Светопропускающий материал может быть представлен оптическим стеклом, обеспечивающим пропускание света без его существенных искажений. Слой, содержащий поляризационную решетку, и слой твердого светопропускающего материала, могут быть соединены между собой посредством ламинации с использованием оптического клея.

Одна из поверхностей слоя твердого светопропускающего материала поляризатора излучателя может быть выполнена светорассеивающей, за счет увеличения неоднородности поверхности материала, что позволяет повысить степень рассеяния излучения и равномерность освещения им ладони пользователя. Увеличение неоднородности поверхности светопропускающего материала может быть достигнуто посредством нанесения рельефного рисунка или шероховатостей. В наиболее предпочтительном варианте исполнения неоднородность поверхности светопропускающего материала может быть достигнута посредством выполнения ее матовой. Выполнение поверхности слоя светопропускающего материала матовой позволяет уменьшить размер шероховатостей до размера меньшего чем длина волны падающего света, за счет чего увеличивается коэффициент рассеяния излучения твердого светопропускающего материала. Для придания структуре поляризатора дополнительной жесткости и снижения риска его повреждения и выхода из строя, слой, содержащий поляризационную решетку, может быть расположен между двух слоев твердого светопропускающего материала. Поверхность каждого из двух слоев твердого светопропускающего материала также может быть выполнена светорассеивающей, а в частности может быть выполнена матовой, что дополнительно повышает степень рассеяния излучения, поступающего от излучателя.

Поверхности слоя твердого светопропускающего материала поляризатора приемника могут быть выполнены гладкими, что обеспечивает минимальное рассеяние излучения, попадающего на приемник, за счет чего повышается качество получаемого им изображения рисунка вен ладони пользователя, что позволяет повысить эффективность биометрической идентификации пользователя.

Рассеивающий фильтр обеспечивает рассеяние излучения, формируемого светодиодами, и позволяет равномерно осветить ладонь пользователя. Рассеивающий фильтр установлен внутри корпуса над поляризаторами излучателей и может иметь кольцеобразную структуру, обеспечивающую поглощение света от каждого из светодиодов.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что одна поверхность слоя твердого светопропускающего материала поляризатора излучателя выполнена светорассеивающей, что позволяет, повысить коэффициент рассеяния света слоем твердого светопропускающего материала и обеспечить равномерность освещения ладони пользователя поляризованным светом, поступающим от излучателей.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет повысить контрастность изображения рисунка вен ладони пользователя, за счет выполнения поляризаторов приемника и излучателя таким образом, что направления их поляризации перпендикулярны друг другу, что позволяет увеличить разницу между двумя составляющими поляризованного света, которые перпендикулярны друг другу. Также совокупность существенных признаков обеспечивает повышение эффективности биометрической идентификации пользователя по рисунку вен его ладони, в частности, за счет равномерного освещения ладони пользователя поляризованным светом происходит увеличение площади ладони освещаемой светом ближнего ИК диапазона, что позволяет использовать для биометрической идентификации не только те вены пользователя, которые находятся в центре ладони, но и те что находятся на периферии с ней.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении степени рассеяния излучения, поступающего от излучателя, тем самым, повышая эффективность биометрической идентификации пользователя.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известно устройство идентификации вен ладони пользователя, содержащее последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, а также последовательно расположенные приемник излучения и поляризатор приемника излучения, векторы напряженности световой волны которых перпендикулярны друг другу. Также из уровня техники известно устройство проецирования излучения, содержащее последовательно расположенные излучатель поляризатор излучателя, который при этом имеет многослойную структуру, один из слоев которой выполнен из твердого светопропускающего материала и обеспечивает защиту поляризационной решетки от внешних воздействий, однако применение данного устройства в области биометрической идентификации пользователей не представляется возможным.

Однако из уровня техники не известны устройства, в которых могут быть одновременно решены проблемы повышения защищенности поляризационной решетки от внешних воздействий и повышения контрастности изображения рисунка вен ладоней человека. А также не известны устройства, в которых, при прочих равных признаках, возможно повышение степени рассеяния излучения, поступающего от излучателя, за счет выполнения одной из поверхностей слоя твердого светопропускающего материала светорассеивающей.

Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 - Устройство идентификации вен ладони, поперечный разрез

Фиг. 2 - Схема расположения светодиодов на печатной плате устройства.

Фиг. 3 - Схема расположения поляризационных фильтров внутри устройства идентификации вен ладони.

Фиг. 4 - Структура пластины поляризационного фильтра.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Устройство идентификации вен ладони содержит полый корпус 1, прикрытый крышкой, которая представляет собой ИК пропускающий фильтр 2. Внутри корпуса 1 содержится, процессорная печатная плата 3 с размещенным на ней микроконтроллером и светочувствительным элементом 4. Светочувствительный элемент 4 представлен CMOS матрицей чувствительной в ИК области спектра. Над светочувствительным элементом 4 расположена оптическая система, в виде объектива 5, предназначенного для формирования изображения на CMOS матрице светочувствительного элемента 4. Также внутри корпуса содержится печатная плата 6 освещения, с размещенными на ней светодиодами 7 ИК спектра излучения. Светодиоды 7 расположены по окружности вокруг объектива 5. Печатные платы 3 и 6 соединены между собой при помощи соединительных разъемов 8.

Как показано на фиг. 1 и 3, над светодиодами 7 расположены поляризационные фильтры 9, а над светочувствительным элементом 4 расположен поляризационный фильтр 10 вектор напряженности световой волны которого, перпендикулярен вектору напряженности световой волны поляризационного фильтра 9. При этом направление поляризации фильтров показано линиями на фиг. 3.

Поляризационные фильтры 9 и 10 обеспечивают поляризацию в ближнем ИК диапазоне длин волн и выполнены в виде пластин, имеющих твердую структуру, состоящую из пяти слоев. Поляризационный фильтр 9 содержит активный слой 300 выполненный в виде поляризатора, поляризационный слой которого состоит из металлических проводников и нанесен на пластиковую подложку. Ширина проводников равна расстоянию между ними и составляет δ = 100 нм. Слои 100 и 500 представлены оптическими стеклами, внешние поверхности которых выполнены матовыми и выполняют светорассеивающую функцию. Слои светопрозрачного оптического клея 200 и 400 обеспечивают ламинацию активного слоя 300 между двумя слоями 100 и 500 оптического стекла. Поляризационный фильтр 10 имеет идентичную структуру, а поверхность слоев 100 и 500 оптического стекла выполнена глянцевой.

Над поляризационными фильтрами 9 установлен кольцеобразный рассеивающий фильтр 11, обеспечивающий равномерное освещение ладони светодиодами 7.

Изобретение работает следующим образом.

Пользователем подносится ладонь к устройству идентификации и фиксируется ее положение на расстоянии 4-10 см от фильтра 2. Светодиодами 7 формируется излучение ИК спектра, которое попадает на поляризационные фильтры 9 и проходя через слой 500 оптического стекла рассеивается его матовой поверхностью, а затем проходя через слой 400 оптического клея попадает на активный слой 300 поляризатора. На активном слое 300 поляризатора излучение поляризованное ортогонально проводникам проходит сквозь них, а остальное излучение отражается от их поверхности, и на выходе из слоя 300 излучение имеет плоскополяризованную структуру. Излучение, проходя через слой 200 оптического клея попадает на слой 100 оптического стекла, где дополнительно рассеивается его матовой поверхностью и попадает на кольцеобразный рассеивающий фильтр 11. Проходя через кольцеобразный рассеивающий фильтр 11, излучение рассеивается и ладонь пользователя равномерно освещается.

Плоскополяризованное ИК излучение, освещающее ладонь пользователя, проходит сквозь кожу и в различной степени поглощается оксигемоглобином и дезоксигемоглобином, содержащимися в крови человека, и также в различной степени отражается от них. При этом, за счет того, что ИК излучение является плоскополяризованным оно в меньшей степени отражается от поверхности ладони пользователя и может быть лучше поглощено компонентами крови. Отраженное компонентами крови излучение попадает в объектив 5, где формируется изображение, которое затем поступает на поляризационный фильтр 10. Отраженное компонентами крови излучение также является плоскополяризованным, однако при отражении его от компонентов крови изменяется направление его поляризации. Также в объектив 5 попадает не только излучение, отраженное компонентами крови человека, а также и излучение, отраженное от ладони пользователя, попадание которого в объектив 5 является нежелательным. Излучение попадающее в объектив 5 проходя через активный слой 300 поляризационного фильтра 10, поляризуется в направлении перпендикулярном направлению поляризации фильтра 9. Поляризованное излучение, полученное на выходе из фильтра 10, попадая на CMOS матрицу светочувствительного элемента 4, формирует на ней контрастное изображение вен ладони. После чего это изображение поступает на микроконтроллер печатной платы 3, который анализирует его и в соответствии с результатами анализа производит идентификацию пользователя и предоставляет ему требуемый доступ.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении степени рассеяния излучения, поступающего от излучателя, тем самым, повышая эффективность биометрической идентификации пользователя.

Изобретение относится к устройствам для получения изображения вен ладоней пользователя и может быть использовано в системах биометрической идентификации для контроля и управления доступом. Сущность изобретения заключается в устройстве идентификации вен ладони пользователя, содержащем последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, а также последовательно расположенный приемник излучения с поляризатором приемника, вектор напряженности световой волны которого перпендикулярен вектору напряженности световой волны поляризатора излучателя, причем поляризатор излучателя имеет многослойную структуру, один из слоев выполнен в виде пленки, содержащей поляризационную решетку, а еще один из слоев выполнен из твердого светопропускающего материала. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении степени рассеяния излучения, поступающего от излучателя. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство идентификации вен ладони пользователя, содержащее последовательно расположенные излучатель и поляризатор излучателя, а также последовательно расположенный приемник излучения с поляризатором приемника, вектор напряженности световой волны которого является перпендикулярным по отношению к вектору напряженности световой волны поляризатора излучателя, причем поляризатор излучателя имеет многослойную структуру, при этом один из слоев выполнен в виде пленки, содержащей поляризационную решетку, а еще один из слоев выполнен из твердого светопропускающего материала, отличающееся тем, что одна поверхность слоя твердого светопропускающего материала расположена над слоем, содержащим поляризационную решетку, и выполнена светорассеивающей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность слоя твердого светопропускающего материала выполнена матовой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поляризационная решетка расположена между двумя слоями твердого светопропускающего материала.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поверхность каждого из слоев твердого светопропускающего материала выполнена матовой.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поляризатор приемника имеет многослойную структуру.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что один из слоев поляризатора приемника выполнен из твердого светопропускающего материала.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что поверхности слоя твердого светопропускающего материала выполнены гладкими.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шаг поляризационной решетки составляет от 50 до 150 нм.