CN1173683A - 光纤模块及其应用指纹检测器 - Google Patents

Abstract

在光纤的外表面上形成光吸收层并把这些光纤粘合在一起构成的锥状FOB(20),与通过粘合光纤得到的倾斜FOB(10)相连,CCD(60)安置在锥状FOB(20)的输出端面上。设定放置指尖的倾斜FOB(10)检测表面(11)的倾斜角β₀,使得从空气入射到倾斜FOB(10)的光线在倾斜FOB(10)的芯和包层之间交界处不以全内反射的方式反射。设定锥状FOB(20)的倾斜角β₁,使得到达锥状FOB(20)的背景光成为以小于出现全内反射的临界角射向芯和包层之间交界处的入射光。

Description

光纤模块及其应用指纹检测器

本发明涉及一种通过串接由多根光纤粘合并集成在一起所得的各个光纤模块而组成的光纤模块，以及使用该光纤模块的指纹检测器。

通过粘合多根光纤并集成而得到的光纤模块(FOB)被用于指纹检测器检测截面中等等。对于这样的指纹检测器，人们所熟知是在美国专利No.4,932,776中发布的技术，并且它的组成结构如图8A和8B所示。在该检测器中，从光源82，84，86和88发出的照明光束从一个倾斜渐变的FOB70的突出部分入射到检测表面74上。当手指接触检测表面74时，根据指端的皮肤表面上***和凹进与检测表面的接触/非接触图案，检测表面74上照明光束的反射出现差异。来自检测表面74反射光束通过渐变的FOB传输并缩小，且从端面80射出。由一个安装在端面80上的CCD78检测出射光束，从而得到一个与指纹图象相对应的图象。

由于下列原因，由该***得到的指纹图象的S/N较低。在所有从四个方向进入FOB70的照射光束中，仅有一部分光束直接用于指纹检测，而剩余光束从检测表面74和锥状FOB70的侧面75泄漏出去。到达端面80的光束的总量较少，因而得到的图象较暗。因此，由检测表面74得到指纹图象受以上因素的严重影响，致使图象的S/N低。

现在根据图9详细说明使得S/N降低的原因。标号a、b、c和d表示来自照射方向的光线路径。在该示例中，光纤芯71的折射率为1.62，包层72的折射率为1.48，而倾斜角α为30°-40°。

光源82、84、86和88射出的照明光束入射到FOB上，并在FOB70中向着检测表面74传播。在这种情况下，光束在FOB中经多次折射和反射而传播。由于这个原因，光束从不同的方向入射到检测表面74的一个任意点O上。即，如a～c所示，光束几乎是以漫散射的光束入射到检测表面74的一个任意点O上。

在所有入射到检测表面74的任意点O上的照射光束中，仅有与垂直于检测表面74的一个方向(OM线)所成角在θ₁～θ₂范围之间的入射光束被检测表面74反射。反射光束在光纤中进行不断的全内反射传播，并作为一个信号光(线a-a′和b-b′)从端面80输出。光纤在芯71和包层72之间的界面上进行全内反射的最小入射角为θ₃。

在所有入射到检测表面74的任意点O上的照射光束中，以小于θ₁(在角aOM之内)的入射角入射的照射光束直接出射到外面，而没有被反射到检测表面74上。相对于OM以大于θ₂的入射角(在角bOM之外)入射的光束(例如，光线c)被检测表面74反射，在芯71与包层72之间的界面上不断的折射传播，而不是全内反射，最后从端面80输出。此外，该光束也从FOB70的侧面75射出。所有在角MON之内的入射光束中，相对于OM以入射角大于临界角θ₂入射的光束，经检测表面74反射，在芯71和包层72之间的界面上不断折射，并从侧表面75射出去。另一方面，以小于临界角θ₂的入射角入射的光束，直接从检测表面74射出。

作为一个示例，对于倾斜角α＝40°的情况而言，图9中的θ₁、θ₂和θ₃值如下得出。

1.62·sinθ₃＝1.48·sin90° →θ₃＝66.0°

1.62·sinθ₁＝1·sin90°    →θ₁＝38.1°

θ₂＝90°-{α-(90°-θ₃)}  →θ₂＝74.0°

在检测指纹时，指尖压在检测表面74上。指尖的皮肤表面具有作为三维图案的***和凹进。在检测表面74上与三维图案每一个凹进相对应的那部分，保持着与指尖在压上之前相同的状态。在θ₁～θ₂角范围内入射到该部分检测表面的光束的反射光，在光纤中被全反射，并传播到端面80上。另一方面，皮肤表面的每个***和检测表面紧紧接触，而到达与皮肤表面***相对应的那部分检测表面74上的照射光束被吸收或散射，而没有返回到光纤中。基于这个原因，在所有照射到检测表面74上的照明光束中，由皮肤表面的***反射的光束检测不到，因而在端面80检测到一个作为指纹图象的密度图案。

这样可在端面80上检测指纹图象。如上所述，作为信号光，到达端面80的光束仅是光线a和b范围之内入射光束的一部分。在光线a和b范围之外入射、并被端面74反射的一部分光束，在芯71和包层72之间不断折射传播，最终在端面80上导致噪声。结果，由一个诸如CCD图象检测装置检测到的作为指纹图像的信号有一个低的S/N。

从检测表面入射的背景光也将参照图10加以说明。标号标号e，f，g和h表示从所示方向的入射的光线。线e-e′和f-f′表示光线传播路径。

光线e沿检测表面74向着端面80传播(线e-e′)的同时，在光纤的芯71和包层72之间的界面上全反射。光线f入射到光纤中，然后以最小的全内反射入射角(临界角θ_c)入射到芯71，并在芯71和包层72之间的界面上以全内反射的形式反射传播。光线g在FOB上具有小于光线f的入射角，在光纤中并没有全反射。光线g在芯71和包层72之间的界面上不断折射，向着端面80传播。光线h具有和光线g同样的特性，但是它向着侧表面75传播。

作为噪声入射的背景光束，被分出在eOf与fOh范围之内入射到点O上的光束。在eOf范围之内入射到点O上的背景光束，在光纤中向着端面80传播，同时以全内反射的方式反射。在hOf范围之内入射到点O上的背景光束，向着端面80和侧面75传播，同时在芯71和包层72之间的界面上不断折射。

在这两种背景光束中，到达端面80的所有光束都是噪声，它们降低了检测信号的S/N。

本发明致力于解决上述的已有技术的问题，并且目的是提供一个能够通过去除由照射光引起的噪声和由背景光引起的噪声而得到一个高S/N的光纤模块，和使用这样一个光纤模块的指纹检测器。

根据本发明的一个方面，提供一个用于检测一个放置在一个检测表面上的指尖指纹图象的指纹检测器，它包括第一和第二光纤模块和CCD。第一光纤模块通过将多个具有光纤芯和包层的光纤粘合在一起构成。它具有一个相对于其光轴倾斜预定角β₀、并在其上放置指尖的平坦检测表面；一个与该平坦检测表面相对、并垂直于光轴的平坦输出端面；一个与检测表面成β₀角、并且用于使照射指尖的光线入射到其上面的平坦入射表面。倾斜角β₀的设定应小于临界角，以此临界角，来自空气在芯上的光线以全内反射的形式在第一光纤模块的芯和包层之间的界面上被反射。第二光纤模块通过将多个具有芯和包层、并由光学吸收层覆盖的光纤粘合在一起构成。它具有一个相对于其光轴倾斜预定角β₁、并与第一光纤模块相接的输入端面；和一个垂直于光轴的平坦输出端面。倾斜角β₁的设定应小于临界角，以该临界角，通过所述第一光纤模块来自空气的背景光以全内反射的形式在第二光纤模块的芯和包层之间的界面上被反射。而CCD放置在第二光纤块的输出端面，并具有二维排列的光电转换像素。

根据该指纹检测器，通过检测表面从空气入射到第一光纤模块的光线并没有作为全内反射在第一光纤模块的芯和包层之间的界面上反射。该光线不经光纤传播。入射到第二光纤模块、在芯和包层之间折射传输的光束，在第二光纤模块的芯和包层之间的不以全内反射的方式反射。该光线不经光纤传播，但进入在相应的包层上形成的光吸收层中，并在那里被吸收。该光线在第二光纤模块中被衰减而消失，没有到达CCD。因此，能以高S/N测量到一个指纹图象。

另外，根据本发明的指纹检测器可以包括第一、第二和第三光纤模块和CCD。第一光纤模块通过将多个具有光纤芯和包层的光纤粘合在一起构成。它具有一个相对于其光轴成预定角β₀倾斜、并在其上放置指尖的平坦的检测表面；一个与平坦的检测表面相对、并垂直于光轴的平坦输出端面；一个与检测表面成β₀角、并且用于照射指尖的光线入射到其上面的平坦入射表面。倾斜角β₀的设定应小于临界角，以该临界角来自从空气在芯上的光线以全内反射的形式在第一光纤模块的芯和包层之间的界面上被反射。第二光纤模块通过将多个具有芯和包层、并由光学吸收层覆盖的光纤粘合在一起构成。它具有一个相对于其光轴以预定角β₁倾斜、并和第一光纤模块相接的输入端面；和一个垂直于光轴的平坦输出端面。倾斜角β₁的设定应小于临界角，以此临界角通过所述第一光纤模块来自空气的背景光以全内反射的形式在第二光纤模块的芯和包层之间的界面上被反射。第三光纤模块具有一个与第二光纤模块输出端面相接的输入端面，以便使从第二光纤模块入射的光线传播并从第三光纤模块的输出端面输出。而CCD放置在第三光纤模块的输出端面，并具有二维排列的光电转换像素。

在本发明的上述方面中，背景光不是通过第一和第二光纤模块传输，而是经折射和吸收而衰减。背景光没有到达第三光纤模块。因此，能以高S/N进行测量。

在任意一种构成中，第一光纤模块的倾斜角β₀最好满足β₀＜sin¹(n₁/n₀)-sin¹(n/n₀)，其中n、n₁、n₂分别为空气、芯和包层的折射率。

在该条件下，来自空气的背景光以小于出现全内反射临界角的角度入射到第一光纤模块的芯和包层之间的界面上。因此，背景光不进行全内反射，而是在芯和包层之间的界面上不断地折射传播。

第二光纤模块的预定角度β₁则适合于满足公式 ${\mathrm{\&beta;}}_1<{\sin }^{-1}\{1/n_2{(n_1^2-{(n_0^2-n^2)}^{1/2}\sin {({\mathrm{\&beta;}}_0+n_1{\cos \mathrm{\&beta;}}_0)}^2)}^{1/2}\}+{\sin }^{-1}(n_3/n_2)$ ，其中n₂、n₃分别为第二光纤模块的光纤芯和包层的折射率。

在该条件下，入射到第二光纤模块的背景光在第二光纤模块的芯和包层之间的界面不以全内反射的方式反射，而是通过相应的包层，向着相应的光学吸收层传播。

在任意一种构成中，与CCD直接耦合的光纤模块可以具有一个锥状形状，以便从输入端面到输出端面逐渐地减小垂直于光轴的光纤模块的截面积。

在这种结构中，可以得到一个逐渐减小的指纹图象，并且可以使用一个更加紧凑的检测装置。

另外，第二光纤模块可以具有一个等于或小于第一光纤模块输出端有效数值孔径的输入端有效数值孔径。采用这种结构，从一个与检测表面相对的表面入射并用于照亮指尖的所有光束中的，直接传播穿过第一光纤模块的光束，并不传播穿过第二光纤模块。因此，可以以高S/N进行测量。

此外，指纹检测器还可包含用于将一个从CCD输出的电子指纹图象和另外一个指纹图象进行比较的装置。基于这个指纹图象，可以对嫌疑人进行鉴定。

另外，本发明也包括构成上述指纹检测器的光纤模块。根据该光纤模块，背景光不传播穿过构成光纤模块的光纤。因此，可以以高S/N进行测量。

从下面给出的详细说明和附图中，可以更加清楚地理解本发明，说明和附图仅是以示例的方式给出，它们并不是对本发明的限制。

本发明的其它应用范围可以从下面给出的详细说明中显而易见。然而应当清楚，在说明优选实施方案时，仅是以示例的方式给出详细说明和特例，因为对本领域的普通技术人员而言，在本发明构思和范围之内的不同的变化和改进，相对于详细说明的内容是显然的。

图1是说明根据一个实施方案的指纹检测器的透视图；

图2是说明图1中的指纹检测器的侧视图；

图3和4是说明倾斜FOB的检测表面附近的一个部分的放大纵向截面图；

图5是说明倾斜FOB和锥状FOB之间的连接部分的放大纵向截面图；

图6是说明根据另外一个实施方案的指纹检测器的透视图；

图7是说明一个FOB连接部分的放大纵向截面图；

图8A是说明一个传统的指纹检测器的测试图；

图8B是说明图8A中的指纹检测器的顶视图；而

图9和10是说明图8A和B中指纹检测器的检测表面附近的一个部分的放大纵向截面图。

将参照附图说明本发明的优选实施方案。图1是表示根据本发明的一个指纹检测器101的外观透视图，而图2是其原理性侧视图。指纹检测器101具有一个通过连接楔形倾斜FOB10和锥状FOB20而得到的光纤模块，锥状FOB20的截面积从光入射表面到光出射表面逐渐变小。一个CCD60固定在锥状FOB20的输出端面22。一个照射光源61安置在倾斜FOB10的检测表面11的下方，用于从下面照射检测表面11。注意，每个FOB中的光纤方向由每个FOB的侧表面上的实线注出。

通过将许多根有芯1和包层2(见图3)的光纤粘合并集成在一起而得到倾斜FOB10。相对于光纤(相应于光纤的中心轴)的光轴4(见图3)以角β₀(倾斜角)切出检测表面11，作为指尖压迫部分。在该表面上以垂直于光纤的光轴的方向切出一个输出端面12。注意检测表面的倾斜角β₀将在下文中说明。

通过将许多根含有芯1和包层2(见图5)的光纤粘合并集成在一起而类似地得到锥状FOB20。此外，形成光吸收层3(见图5)，以覆盖各个光纤的包层2。每个光纤吸收层由含有彩色氧化剂Ni₂O₃，Co₂O₃，Cr₂O₃，CuO，Fe₂O₃等的玻璃组成。光吸收层具有吸收入射在它上面的光线之功能，以去除该光线。相对于锥状FOB20的光纤光轴成角β₁(倾斜角)地，将与倾斜FOB10输出端面12相连接的锥状FOB20的输入端面21截切。输入端面21的倾斜角β₁也将在下文加以说明。

指纹检测器101的功能将在下面加以概述。在该指纹检测器101中，具有***和凹进的指尖作为检测目标，被放置在检测表面11上。在这种情况下，光源61的照明光照射到检测表面11上。然后，根据指尖的皮肤表面的***和凹进，在检测表面上形成与指尖相接触的接触部分和非接触部分。接触部分被照射光照亮，而非接触部分在照射光的照射下较暗，从而形成一个密度图案。传输该密度图案并透射过每个FOB的光纤。指纹图案图象透射过锥状FOB20时减小，并入射到CCD60上。压在检测表面11上的指尖图案图象作为一个电信号由CCD60检测。

该电信号与美国专利No.4,932,776中所述的计算机之类中的其他指纹图象相比较。经对比，根据一个注册的指纹图象，可以对嫌疑人进行鉴定。

在该实施方案示例的指纹检测器101中，倾斜FOB10检测表面11的倾斜角β₀和锥状FOB20输入端面21的倾斜角β₁，将被设定为预定的角度，以使得在传播期间很好地消除来自检测表面的不必要的背景光。在下面将详细说明该功能。

从倾斜FOB10的检测表面11入射的背景光可分为两种光束类型：(I)经每个构成倾斜FOB10的光纤透射的光束；和(II)在多个光纤之间不断折射传播的光束，如在芯-包层-芯…之间的折射或包层-芯-包层…之间的折射。当这两种类型的背景光在锥状FOB20的光接收角范围之内进入锥状FOB20时，这些光束经锥状FOB20的光纤传播，并从输出端面22射出。结果，不必要的光束成为检测指纹图案图象的噪声，从而降低了S/N。

为了去除作为噪声的光束(I)，如下设置倾斜角β₀。图3示出入射到倾斜FOB10检测表面11上的光线的光路。

如图3所示，除平行于光纤光轴的光路外，入射到检测表面11的芯1部分上的背景光因空气和芯之间折射率之差而被折射，到达芯1和包层2之间的界面上。此时，当入射角为预定角或更大些时，光线以全内反射的方式在界面上反射。因此，该背景光无衰减传播，同时不断重复上述过程。平行于检测表面11入射的光线i被折射并成为以最大入射角入射到界面上的光线。当设置倾斜角β₀使得该光线不全反射时，背景光不传输穿过倾斜FOB10，从而去除了背景光噪声。

当空气、倾斜FOB10的芯材料和包层材料的折射率分别定义为n、n₀和n₁时，而全内反射的临界角和在检测表面上对倾斜FOB10的最大背景光入射角分别为δ和γ，则临界条件可以描述如下。首先，在芯1和包层2之间界面上的全内反射条件写为：

sinδ＝n₁/n₀                   …(1)

根据入射到芯1上光线i被折射的条件，

n₀sinγ＝n·sin90°＝n           …(2)

根据各个角的几何条件，

β₀+(90°+γ)+(90°-δ)＝180°

β₀＝δ-γ                       …(3)

重新整理式(1)-(3)，得到：

β₀＝sin^-1(n₁/n₀)-sin^-1(n/n₀)    …(4)

当设置一个小于式(4)确定的倾斜角β₀时，入射光i在芯1和包层2之间的面上不以全内反射的方式反射。以小于光束i的角度入射到检测表面上的光，折射时以小于临界角δ的角度进入界面，光线当然不以全内反射的方式反射。即，光线经检测表面11从空气入射到倾斜FOB10上时，背景光不沿FOB的光纤方向上传播，但是以不断折射的方式传播。因此不会产生光束(I)，从而可以消除掉由该光束造成的噪声。

下面将说明去除由光束(II)带来的噪声。该类型的背景光在光纤中多次折射传播，如图3中光线j所示。为了去除该背景光，设置锥状FOB20的接收角，使其小于入射到锥状FOB20上的背景光的最小入射角。图4是一个说明倾斜FOB10中光束(II)的光路示意图。图5是一个说明在倾斜FOB10与锥状FOB20之间的界面处光束(II)的光路的示意图。

根据由式(4)得到的临界角β₀，考虑到加工精度，将倾斜FOB的倾斜角β₀设置为一个较小的值。如图4所示，在所有从检测表面入射的背景光中，以小入射角入射到锥状FOB20上的光束为沿斜面入射的光线k和l。光线k和l入射到包层2和芯1上所得到的轨迹分别由线k-k′和l-l′表示。根据折射定律，光线k和l在检测表面上的入射角γ_k和γ_l，及在芯1和包层2部分，光路相对于光纤的角θ_k0、θ_l0、θ_kl、θ_l1可表示为：

sinγ_k＝n/n₁                            …(5)

sinγ_l＝n/n₀                            …(6)

θ_k1＝90°-(β₀+γ_k)                    …(7)

θ_l1＝90°-(β₀+γ_l)                    …(8)

n₀sin(90°-θ_k0)＝n₁sin(90°-θ_k1)      …(9)

n₀sin(90°-θ_l0)＝n₁sin(90°-θ_l1)      …(10)

根据式(5)-(10)，对于相对于光纤光轴的最小入射角，即θ_l1而言，从检测表面11的芯1入射并从输出端面12出来的光线，对锥状FOB来说是具有最小入射角的光线。因此，当以该最小出射角从倾斜FOB出来的背景光可以在锥状FOB中消除掉时，入射到锥状FOB20上的所有背景光都可以消除掉了。

图5中所示的光线传播路径，是从倾斜FOB10检测表面11的芯1入射、并从输出端面12出来的光线l的路径。该光线是以上述最小入射角θ_l1向着锥状FOB20射出的光线。如果该光线入射锥状FOB20时的折射角表示为γ1，根据折射定理，下列等式成立：

n₁sinθ_l1＝n₂sinγ₁       …(11)

其中n₂为锥状FOB20的芯1的折射率。如果包层2的折射率表示为n₃，当该光线在芯1和包层2之间交界处发生全内反射时所得到的临界角δ₁可由下式给出：

sinδ₁＝n₃/n₂

β₁+(90°-γ₁)+(90°-δ₁)＝180°      …(12)

β₁＝γ₁+δ₁                          …(13)

其中β₁为锥状FOB20的连接表面和光纤光轴所成的角。

重新整理(6)、(8)、(10)、(11)-(13)式，得到 ${\mathrm{\&beta;}}_1={\sin }^{-1}\{1/n_2{(n_1^2-{({(n_0^2-n^2)}^{1/2}{\sin \mathrm{\&beta;}}_0+n_1{\cos \mathrm{\&beta;}}_0)}^2)}^{1/2}\}+{\sin }^{-1}(n^3/n^2)$

                              …(14)

如果β₁小于式(14)的计算值，光线λ在锥状FOB20的芯1和包层2之间的交界处不以全内反射的方式反射。所有由光束(II)表示的背景光束以小于光线λ的角度入射到锥状FOB20上。基于这个原因，这些背景光束在芯1和包层2之间的交界处不以全内反射的方式反射，而是向着包层2折射并入射到其中。入射到包层2上并在芯1和包层2之间交界处折射传播的光线，在折射时被相应光吸收层3吸收。因此，在传播期间光线逐渐衰减，并最后消失。光束(II)以这种方式衰减。

如果倾斜FOB10和锥状FOB20的芯1的折射率为1.56，而其包层的折射率为1.52，由式(4)得到，倾斜FOB10的临界角β₀＝37.13°。然而，考虑到实际的加工精度，该临界角最好设置为β₀＝36°，稍微小于理论临界角。同时，由式(13)计算得到，锥状FOB20的临界角为β₁＝82.44°。在这种情况下，考虑到实际的加工精度，临界角β适宜设置为82°。

本发明的另外一个实施方案示于图6中。指纹检测器102的光纤模块，是通过将一个有光吸收层的倾斜FOB40连接在一个无光吸收层的倾斜FOB30与一个锥状FOB50之间而构成的。用这种结构，可以得到一个具有与FOB101同样功能的FOB。在这种例中，首先说明相应于倾斜FOB10的倾斜FOB30。FOB30的倾斜角也同样与上述的倾斜角β₀一致。在大致与构成锥状FOB50的光纤的光轴相垂直的方向上截切出锥状FOB50的输入端面51。与锥状FOB50的输入端相连的倾斜FOB40输入端面41，其倾斜角被设置为上述倾斜FOB20的倾斜角β₁。

在具有上述结构的指纹检测器102中，从倾斜FOB30入射的背景光可由具有光吸收层的倾斜FOB40消除掉。锥状FOB50的有效N.A.(数值孔径)可以对比于上述的实施方案而随意选择。

在每个指纹检测器101(102)的光纤模块中，如果与倾斜FOB10(30)相耦合的FOB20(40)的N.A.等于或小于相应的倾斜FOB10(30)的N.A.、并且为具有光吸收层3的倾斜FOB，则可以去除掉由光源61的照明光引起的噪声。下面将说明其原因。

图7是一个相邻FOBs10(30)和20(40)之间的连接表面的放大示意图。倾斜FOB10(30)的输出端有效数值孔径N.A.eff₁可表示为： $N.A.\mathrm{ef}{f}_1=(n_0^2-n_1^2)0.5$

         ＝n₀sin(90°-θ)                     …(15)

         ＝n₀cosθ

其中θ_c是出现全内反射时的临界角。另一方面，为了不让背景光传播而消除噪声，紧随其后的FOB20(40)的最大有效数值孔径N.A.eff₂必须满足下列等式：

N A.eff₁＝n₁sin(90°-θ₁)            …(16)

        ＝n₁cosθ₁

由于上述的有效数值孔口径为正值，将其平方后计算平方差，得 ${(N.A.\mathrm{ef}{f}_1)}^2-{(N.A.\mathrm{ef}{f}_2)}^2=n_2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c-n_1^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_1$ $=n_0^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c-n_1^2\&CenterDot;(1-{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_1)$ $=n_0^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c-n_1^2+n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_1$ $=n_0^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c-n_1^2+n_1^2{\sin }^2({\mathrm{\&theta;}}_c-\mathrm{\&Delta;\&theta;})$ $=n_0^2\{{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_c+{\sin }^2({\mathrm{\&theta;}}_c-\mathrm{\&Delta;\&theta;})\}-n_1^2$

(其中θ_c-Δθ为背景光的入射角)。

如果Δθ→0，则上述等式可改写为 ${(N.A.\mathrm{ef}{f}_1)}^2-{(N.A.\mathrm{ef}{f}_2)}^2=n_0^2-n_1^2$

因此，可见N.A.eff1的值大于N.A.eff₂的值。从上述结果可得出能消除背景光束(II)的有效数值孔径小于倾斜FOB10(30)的输出端有效数值孔径，而且也可以去除由光源的照明光引起的噪声。

这种情况在锥状FOB20或倾斜FOB40的倾斜角β₁为90°时是成立的。但是如上所述，为了去除背景光束(II)，倾斜角必须小于90°。当倾斜角小于90°时，可进一步增强去除由光源的照明光引起的噪声的效果。

在任一实施方案中，照明光只是向上入射到检测表面上。与图8中所示的传统装置相比较，不会有入射到检测表面上的下行光线，因此可以改善指纹图案的S/N。

如上所述，根据本发明的光纤模块，可以去除作为噪声检测的不必要的背景光和照明光。因此这可以大大地提高由这些光纤模块检测的图象的S/N特性。

此外，由于后面的光纤模块制成锥状的形状，可以将指纹图象等作为逐渐变小的图象输出，从而允许一个更加紧凑的检测装置来检测传输的图象。

在根据本发明的指纹检测器中，一个紧凑图象检测装置可以检测一个具有高S/N的指纹图象。

从所描述的本发明中，显而易见本发明可以以不同的方式变化。这些变化不被认为是偏离了本发明的精神和范围，并且对本领域的普通技术人员而言，所有改进均在所附权利要求书的范围之内。

1996年6月提出的基本日本专利申请NO.149402/1996在这里作为参考。

Claims (22)

1、一个用于检测压在检测表面上的指尖指纹图象的指纹检测器，包括：

第一光纤模块，通过将每个具有光纤芯和包层的光纤粘合在一起构成，它具有一个相对于其光轴以预定角β₀倾斜并在其上放置指尖的平坦检测表面，一个与所述平坦检测表面相对并垂直于光轴的平坦输出端面，一个与所述检测表面成β₀角并且用于使照射指尖的光线入射到其上的平坦入射表面，倾斜角β₀的设定应小于临界角，以此临界角从空气进入所述芯的光线在第一光纤模块所述芯和所述包层之间的界面被全内反射；

第二光纤模块，通过将多个具有芯和包层并由光学吸收层覆盖的光纤粘合在一起构成，它具有一个相对于其光轴以预定角β1倾斜并和所述第一光纤模块相接的输入端面，和一个垂直于光轴的平坦输出端面，该预定倾斜角β₁的设定应小于临界角，以此临界角，通过所述第一光纤块来自空气的背景光在所述第二光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面被全内反射；和

一个CCD，放置在所述第二光纤模块的所述输出端面，并具有二维排列的光电转换像素。

2、一种根据权利要求1的的检测器，其中所述第一光纤模块的倾斜角β₀满足β₀＜sin¹(n₁/n₀)-sin¹(n/n₀)，其中n、n₁和n₂分别为空气、所述第一光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

3、一种根据权利要求1的检测器，其中所述第二光纤模块的预定角β₁满足： ${\mathrm{\&beta;}}_1<{\sin }^{-1}\{1/n_2(n_1^2-{({(n_0^2-n^2)}^{1/2}\sin {\mathrm{\&beta;}}_0+n_1\cos {\mathrm{\&beta;}}_0)}^{1/2}\}+{\sin }^{-1}(n_3/n_2)$

其中n₂和n₃分别为所述第二光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

4、一种根据权利要求1的检测器，其中所述的第二光纤模块具有一个锥状形状，用于从所述输入端面到所述输出端面逐渐减小垂直于光纤光轴的所述第二光纤模块的截面积。

5、一种根据权利要求1的检测器，其中所述第二光纤模块具有一个输入端有效数值孔径，该孔径不大于所述第一光纤模块的输出端有效数值孔径。

6、一种根据权利要求1的检测器，还包括将来自CCD的电子指纹图象与另外一个指纹图象相比较的装置。

7、一个用于检测压在检测表面上的指尖指纹图象的指纹检测器，包括：

第一光纤模块，通过将每个具有光纤芯和包层的光纤粘合在一起构成，它具有一个相对于其光轴以预定角β₀倾斜并在其上放置指尖的平坦检测表面，一个与所述平坦检测表面相对并垂直于光轴的平坦输出端面，一个与所述检测表面成β₀角并且用于使照射指尖的光线入射到其上面的平坦入射表面，倾斜角β₀的设定应小于临界角，以此临界角，来自空气至所述芯的光线以全内反射的形式在第一光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射；

第二光纤模块，通过将多个具有芯和包层、并由光学吸收层覆盖的光纤粘合在一起构成，它具有一个相对于其光轴以预定角β1倾斜并和所述第一光纤模块相接的输入端面，和一个垂直于光轴的平坦输出端面，该预定角β₁的设定应小于临界角，以此临界角，通过所述第一光纤模块，来自空气的背景光以全内反射的形式在所述第二光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射；

第三光纤模块，具有一个与所述第二光纤输出模块的输出端面相接的输入端面，以便让从所述第二光纤模块入射的光进行传播，并从所述第三光纤模块的输出端面输出；和

一个CCD，放置在所述第三光纤模块的输出端面，并具有二维排列的光电转换像素。

8、一种根据权利要求7的检测器，其中所述第一光纤模块的倾斜角β₀满足β₀＜sin¹(n₁/n₀)-sin^-1(n/n₀)，其中n、n₁和n₂分别为空气、所述第一光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

9、一种根据权利要求7的检测器，其中所述第二光纤模块的预定角β₁满足： ${\mathrm{\&beta;}}_1<{\sin }^{-1}\{1/n_2{(n_1^2-{({(n_0^2-n^2)}^{1/2}\sin {\mathrm{\&beta;}}_0+n_1{\cos \mathrm{\&beta;}}_0)}^2)}^{1/2}\}+\mathrm{si}{n}^{-1}(n_3/n_2)$

其中n₂和n₃分别为所述第二光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

10、一种根据权利要求7的检测器，其中所述的第三光纤模块具有一个锥状形状，用于从所述输入端面到所述输出端面逐渐减小垂直于光纤光轴的所述第三光纤模块的截面积。

11、一种根据权利要求7的检测器，其中所述第二光纤模块具有一个输入端有效数值孔径，该孔径不大于所述第一光纤模块的输出端有效数值孔径。

12、一种根据权利要求7的检测器，还包括将来自CCD的电子指纹图象与另外一个指纹图象相比较的装置。

13、一种光纤模块，通过连接具有两个平坦端面的光纤模块构成，每个有两平坦端面的光纤模块是通过粘合各个具有芯和包层的光纤形成的，它包括：

第一光纤模块，具有一个相对其光轴以预定角β₀倾斜的输入表面，倾斜角β₀的设定应小于临界角，以此临界角，来自空气在所述芯上的光线以全内反射的形式在所述第一光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射；

第二光纤模块，通过在所述光纤之间分别形成光吸收层构成，具有一个相对其光轴以预定角β₁倾斜、并和所述第一光纤模块相接的输入端面，和一个垂直于光轴的平坦输出端面，预定角β₁的设定应小于临界角，以该临界角，通过所述第一光纤模块来自空气的背景光以全内反射的形式在所述第二光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射。

14、一种根据权利要求13的模块，其中所述第一光纤模块的倾斜角β₀满足β₀＜sin¹(n₁/n₀)-sin¹(n/n₀)，其中n、n₁和n₂分别为空气、所述第一光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

15、一种根据权利要求13的模块，其中所述第二光纤模块的预定角β₁满足： ${\mathrm{\&beta;}}_1<{\sin }^{-1}\{1/n_2{(n_1^2-{({(n_0^2-n^2)}^{1/2}{\sin \mathrm{\&beta;}}_0+n_1{\cos \mathrm{\&beta;}}_0)}^2)}^{1/2}\}+{\mathrm{sim}}^{-1}(n_3/n_2)$

其中n₂和n₃分别为所述第二光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

16、一种根据权利要求13的模块，其中所述的第二光纤模块具有一个锥状形状，用于从所述输入端面到所述输出端面逐渐减小垂直于光纤光轴的所述第二光纤模块的截面积。

17、一种根据权利要求13的模块，其中所述第二光纤模块具有一个输入端有效数值孔径，该孔径不大于所述第一光纤模块的输出端有效数值孔径。

18、一种光纤模块，通过连接具有两个平坦端面的光纤模块构成，每个有两平坦端面的光纤模块是通过粘合各个具有芯和包层的光纤形成的，它包括：

第一光纤模块，具有一个相对其光轴以预定角β₀倾斜的输入表面，倾斜角β₀的设定应小于临界角，以该临界，来自空气在所述芯上的光线以全内反射的形式在所述第一光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射；

第二光纤模块，通过在所述光纤之间分别形成光吸收层构成，并具有一个相对其光轴以预定角β₁倾斜并和所述第一光纤模块相接的输入端面，和一个垂直于光轴的平坦输出端面，预定角β₁的设定应小于临界角，以该临界角，通过所述第一光纤模块来自空气在所述芯上的背景光以全内反射的形式在所述第二光纤模块的所述芯和所述包层之间的界面上被反射；

第三光纤模块，具有一个与所述第二光纤输出模块的输出端面相接的输入端面，以便让从所述第二光纤模块入射的光进行传播，并从所述第三光纤模块的输出端面输出。

19、一种根据权利要求18的模块，其中所述第一光纤模块的倾斜角β₀满足β₀＜sin^-1(n₁/n₀)-sin^-1(n/n₀)，其中n、n₁和n₂分别为空气、所述第一光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

20、一种根据权利要求18的模块，其中所述第二光纤模块的预定角β₁满足： ${\mathrm{\&beta;}}_1<{\sin }^{-1}\{1/n_2{(n_1^2-{({(n_0^2-n^2)}^{1/2}\sin {\mathrm{\&beta;}}_0+n_1{\cos \mathrm{\&beta;}}_0)}^2)}^{1/2}\}+\mathrm{si}{n}^{-1}(n_3/n_2)$

其中n₂和n₃分别为所述第二光纤模块的所述芯和所述包层的折射率。

21、一种根据权利要求18的模块，其中所述的第三光纤模块具有一个锥状形状，用于从所述输入端面到所述输出端面逐渐减小垂直于光纤光轴的所述第三光纤模块的截面积。

22、一种根据权利要求18的模块，其中所述第二光纤模块具有一个输入端有效数值孔径，该孔径不大于所述第一光纤模块的一个输出端有效数值孔径。

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