RU184082U1 - Ультразвуковое устройство для регистрации отпечатка пальца - Google Patents

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к области биометрической идентификации личности, более конкретно к ультразвуковым устройствам для регистрации папиллярного узора пальца с высоким разрешением, и может быть использована в системах ограничения доступа в защищаемые объекты, к техническим средствам, транспортным средства и т.д., основанных на идентификации личности по отпечаткам пальцев.Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности акустической формирующей системы.Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности ультразвуковых устройствах регистрации отпечатков пальцев.Поставленная задача решается благодаря тому, что в ультразвуковом устройстве для регистрации отпечатка пальца, содержащем приемопередающий ультразвуковой элемент со сферической акустической линзой, жидкостную ячейку (иммерсионную среду) и акустически прозрачную пластину, установленные между акустической линзой и образцом измерения (палец), при этом образец непосредственно расположен на внешней стороне поверхности акустически прозрачной пластины по отношению к акустической линзе, а также системы сканирования исследуемого образца и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства, новым является то, что в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным размером порядка поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83. 1 ил.

Description

Заявляемая полезная модель относится к области биометрической идентификации личности, более конкретно к ультразвуковым устройствам для регистрации папиллярного узора пальца с высоким разрешением, и может быть использовано в системах ограничения доступа в защищаемые объекты, к техническим средствам, транспортным средства и т.д., основанных на идентификации личности по отпечаткам пальцев.

Отпечаток пальца представляет собой так называемый паппилярный узор - конфигурацию выступов (гребней), содержащих индивидуальные поры, разделенные впадинами. Под кожей пальца расположена сеть кровеносных сосудов. Также отпечаток пальца связан с определенными электрическими и тепловыми характеристиками кожи. Это означает, что для получения изображения отпечатка пальца может использоваться свет, тепло или электрическая емкость (а также их комбинация). Все существующие сканеры отпечатков пальцев можно разделить на три группы: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые.

Оптические сканеры отпечатков пальцев основаны на использовании оптических методов получения изображения. В оптических сканерах основанных на применении метода работы на отражении используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения. Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части - одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (поверхности пальца) с менее плотной в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный датчик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера).

Ведущими производителями подобных сканеров являются компании BioLink, Digital Persona, Identix.

Недостатками таких устройств является сильная чувствительность к загрязнению образца, неэффективная защита от муляжей.

Оптические сканеры отпечатков пальцев, работа которых основана на принципе на просвет, представляют собой оптоволоконную матрицу, в которой все волноводы на выходе соединены с фотодатчиками. Чувствительность каждого датчика позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке соприкосновения пальца с поверхностью матрицы. Изображение всего отпечатка формируется по данным, считываемым с каждого фотодатчика.

Однако устройства данного типа сложны при их реализации и пространственное разрешение не высоко.

В оптических бесконтактных сканерах, не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа Touchless Sensor Technology.

Примеры оптических устройств обнаружения отпечатков описаны, например, в патентах РФ № 2371091, 2363049, патентах США №№ 4120585, 4258994, 4311300, 4784484, 4785171, 4792226, 4876725, 4932776,5233404, 5467403, 5548394, 6628377, 6665427, 6826000, 7515252, 8259168 и т.п.

Общим недостатком оптических сканеров отпечатков пальцев является их ненадежная работа в случае, если палец загрязнен или влажный.

В основе полупроводниковых сканеров отпечатков пальцев лежит использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера.

Емкостные сканеры являются наиболее распространенными полупроводниковыми устройствами для получения изображения отпечатка пальца. Их работа основана на эффекте изменения емкости p-n-перехода полупроводника при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации емкостных сканеров, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к датчику между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется емкость, величина которой определяется расстоянием между рельефной поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Ведущими производителями сканеров данного типа являются компании Infineon, STMicroelectronics, Veridicom.

Примеры емкостных устройств обнаружения отпечатков описаны, например, в патентах США №№ 4016490, 4353056, 5801313, 6114862, 6317508, 6525547, 6580816, 6636053, 7130455, 9195877.

Недостатками емкостных устройств регистрации отпечатков пальцев являются их ненадежная работа в случае, если палец загрязнен или влажный, неэффективная защита от муляжей и низкое пространственное разрешение.

В радиочастотных сканерах отпечатков пальцев используется матрица элементов, каждый из которых работает как миниатюрная антенна. Радиочастотный модуль генерирует сигнал низкой интенсивности и направляет его на сканируемую поверхность пальца. Каждый из чувствительных элементов матрицы принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой миниатюрной антенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия вблизи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

Известным производителем радиочастотных сканеров является компания Authentec.

Недостатками данных устройств являются неустойчивая работа при плохом контакте пальца и низкая разрешающая способность.

Чувствительные к давлению сканеры отпечатков пальцев в своей конструкции используют матрицу пьезоэлектрических элементов, чувствительных к нажатию. При прикладывании пальца к сканирующей поверхности гребешковые выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов матрицы. Впадины кожного узора никакого давления не оказывают. Таким образом, совокупность полученных с пьезоэлектрических элементов напряжений преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Чувствительные к давлению сканеры выпускает компания BMF. Чувствительные к давлению сканеры выпускает компания BMF. Примеры устройств обнаружения отпечатков чувствительных к давлению описаны, например, в патентах США №№ 5400662, 5429006, 20090027352.

Данные устройства имеют следующие недостатки: низкую чувствительность, низкую пространственную разрешающую способность, подверженность к повреждениям при чрезмерно прилагаемых усилиях.

Из технической литературы известны термосканеры отпечатков пальцев. В таких устройствах используются датчики, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение. При прикладывании пальца к сканеру по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца, которая в дальнейшем преобразуется в цифровое изображение.

К недостаткам данных устройств можно отнести то, что изображение быстро исчезает. При прикладывании пальца в первый момент разница температур значительна и уровень сигнала, соответственно, высок. По истечении короткого времени (менее одной десятой доли секунды) изображение исчезает, поскольку палец и датчик приходят к температурному равновесию.

Ультразвуковые сканеры отпечатков пальцев сканируют поверхность пальца ультразвуковыми волнами. Расстояния между источником волн и гребешковыми выступами и впадинами папиллярного узора измеряются по отраженному от них сигналу. Устройство для регистрации отпечатка пальца, включает в себя приемник ультразвукового излучения, опорное звукопроводящее устройство, источник ультразвукового излучения. При этом палец устанавливается на опорном звукопроводящем устройстве, например, пластине или валике, и ультразвуковая волна от источника ультразвукового излучения облучает палец, отражается от него и регистрируется на приемнике ультразвукового излучения. Далее эта информация визуализируется на видеоконтрольном устройстве.

Для повышения качества получаемого изображения и чувствительности устройства применяют акустические линзы.

В качестве приемника и источника ультразвукового излучения может применяться матрица элементов пьезоэлектрического преобразователя или использоваться их механическое перемещение.

Примеры ультразвуковых устройств обнаружения отпечатков чувствительных к давлению описаны, например, в патентах США №№ 4395652, 4977601, 5177353, 5563345, 5647364, 7739912, 8601876, 8724859, 9607203, 9613246, 9747488, 20120177257.

Достоинством ультразвуковых устройств регистрации отпечатков пальцев является то, что качество получаемого изображения выше, чем у любых устройств работающих на иных принципах, и они менее чувствительны к загрязнению пальцев. Кроме того, данные устройства практически полностью защищены от муляжей, поскольку позволяет помимо отпечатка папиллярного узора пальца получать информацию и о некоторых других характеристиках, например, о пульсе внутри пальца.

Недостатками ультразвуковых устройств регистрации отпечатков пальцев является их недостаточная пространственная разрешающая способность и высокая стоимость.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // -М.:Наука. - 1970]:

h=1.22λFD^-1,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятому за прототип, является устройство для регистрации отпечатков пальцев, описанное в работе [R.Gr. Maev, E.Yu. Bakulin, A. Maeva, and F. Severin High Resolution Ultrasonic Method for 3D Fingerprint Recognizable Characteristics in Biometrics Identification / M.P.

et al. (eds.), Acoustical Imaging, Acoustical Imaging 30, DOI 10.1007/978-90-481-3255-3_2, C _ Springer Science+Business Media B.V. 2011, pp. 11-16], содержащее приемопередающий ультразвуковой элемент со сферической акустической линзой, жидкостную ячейку (иммерсионную среду) и акустически прозрачную пластину, установленные между акустической линзой и образцом измерения (палец), при этом образец непосредственно расположен на внешней стороне поверхности акустически прозрачной пластины по отношению к акустической линзе, а также системы сканирования исследуемого образца и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства. В ультразвуковом устройстве регистрации отпечатков пальцев, акустическая волна, возбуждаемая передающим ультразвуковым элементом, фокусируется акустической линзой. Исследуемый объект сканируется в фокальной плоскости линзы. Акустическая волна, отраженная от объекта, принимается акустической линзой приемного элемента.

В ультразвуковом устройстве регистрации отпечатков пальцев прототипа использовался сканирующий акустический микроскоп Tessonics AM-1103 (Tessonics Corp., Canada) в качестве передающего и приемного ультразвуковых элементов и работающий в импульсном режиме. При этом использовался метод работы на отражение. На частоте 50 МГц, акустическая линза обеспечивала пространственное разрешение 15 мкм. При этом поверхность пальца была прижата к акустически прозрачной пластине. Акустический гель использовался между пластиной и пальцем для лучшего акустического контакта.

Достоинством устройства является возможность получать изображение деталей объекта, сравнимых с длиной волны.

Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы..

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет повышения разрешающей способности акустической формирующей системы.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности ультразвуковых устройств регистрации отпечатков пальцев.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в ультразвуковом устройстве для регистрации отпечатка пальца, содержащем приемопередающий ультразвуковой элемент со сферической акустической линзой, жидкостную ячейку и акустически прозрачную пластину, установленные между акустической линзой и образцом измерения, при этом внешняя сторона поверхности акустически прозрачной пластины расположена по отношению к акустической линзе и выполнена с возможностью расположения на ней образца измерения, системы сканирования исследуемого образца и восстановления с возможностью передачи его изображения на экран видеоконтрольного устройства, согласно полезной модели в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным поперечным размером области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что мезоразмерная частица, например в форме куба или сферы, с характерным размером порядка поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и протяженностью не более 10 λ.

При выполнении мазоразмерной частицы с размерами более примерно полутора -двух поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы, увеличиваются габариты устройства формирования изображения при сохранении качества концентрации акустического излучения частицей. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2, локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.

При относительной скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0.5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой.

При относительной скорости звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0.83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.

На фиг. 1 схематически изображено ультразвуковое устройство регистрации отпечатков пальцев.

Устройство содержит приемопередающий ультразвуковой элемент 1, сферическую акустическую линзу 2, акустически прозрачную пластину 3, мезоразмерную частицу 4, жидкостную ячейку 5, иммерсионную среду 6, формируемая область повышенной концентрации акустической энергии с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, где λ длина волны излучения 7, образец (палец) 8, сканирующее устройство 9, видеоконтрольное устройство 10.

Устройство работает следующим образом. Ультразвуковое устройство регистрации отпечатков пальцев содержит в качестве приемопередающего ультразвукового элемента, например, пьезоэлектрический преобразователь из LiNBO₃ 1, сферическую акустическую линзу 2, мезоразмерную частицу, выполненную из рексалита (скорость звука 2311 м/с) в форме сферы или куба 4. Внешняя поверхность акустической линзы 2, мезоразмерная частица 4, исследуемый образец 8 и внутренняя поверхность акустически прозрачной пластины 3 находятся в жидкостной ячейке 5 с иммерсионной средой 6, например, водой (скорость звука 1490 м/с).

Акустическая волна, сформированная приемопередающим ультразвуковым элементом 1, фокусируется сферической линзой 2 на мезоразмерную частицу 4, которая расположена в области фокуса акустической линзы 2 на акустически прозрачной пластине 3. В результате интерференции поверхностных акустических волн мезоразмерная частица 3 формирует область с повышенной концентрацией акустической энергии 7 и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, где λ длина волны излучения. Этой областью 7 сканируется исследуемый образец 8 с помощью сканирующего устройства 9. При этом образец плотно прижат к внешней поверхности акустической прозрачной пластины 3. Для лучшего акустического контакта между пластиной и пальцем может использоваться акустически согласующий гель. Излучение, отраженное от пальца 8, через мезоразмерную частицу 4 попадает на акустическую линзу 2 и на приемопередающий элемент 1. Принятый сигнал подается на видеоконтрольное устройство 10.

Сравнение прототипа и предлагаемого устройства для мезоразмерных частиц с характерным размером равным 1.5λ в форме куба и шарика, с относительной скоростью звука 0.645, показало, что в предлагаемом устройстве достигнуто пространственное разрешение, превышающее пространственное разрешение по прототипу в 3-3.5 раза. Повышение пространственного разрешения в предлагаемом устройстве эквивалентно повышению частоты ультразвукового излучения в 3-3.5 раза в прототипе.

Кроме того, повышение пространственного разрешения по предлагаемому способу приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля на объекте исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.

Claims (1)

1. Ультразвуковое устройство для регистрации отпечатка пальца, содержащее приемопередающий ультразвуковой элемент со сферической акустической линзой, жидкостную ячейку, акустически прозрачную пластину, установленную между акустической линзой и образцом измерения, выполненную с возможностью расположения на ее внешней, по отношению к акустической линзе, стороне образца измерения, и систему сканирования образца измерения, выполненную с возможностью восстановления и передачи его изображения на экран видеоконтрольного устройства, отличающееся тем, что в области фокусировки акустической линзы установлена мезоразмерная частица с характерным поперечным размером области фокусировки не менее λ/2, где λ- длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0.5 до 0.83.

Images