典型的指纹传感器使用执行单功能或者有限范围内的多个功能的硬件和软件(例如收集生物计量数据并且在手机上也用作为指示器)。在需要将生物计量传感器作为便携电子装置(Portable electronic phone，PED)(例如，手机，PDA或者掌上电脑)一部分的应用中，指纹读取器的增加会显著地提高了整个系统的成本和复杂性。在很多情况下，由于可以制作的较小并且具有相对较低的成本，因此基于半导体的指纹传感器选择用于PED应用。然而，半导体读取器相对非常脆弱，需要进行静电放电、刮伤、摩擦、水以及其它该种效果的保护。典型地，光指纹技术可以对于这些效应更加稳健，但是一般太大且太复杂，而不会考虑装入需要小且简单的传感器的PED或者其它应用中。
因此，概括而言，在现有技术中，存在对将生物计量传感器装入PED内的改进方法和系统的需求。

本发明的实施例提供了一种生物计量测量系统。该生物计量测量系统包括压盘，照明源，光检测器和控制器。该控制器与照明源和光检测器连接(interface)。控制器具有在希望的皮肤部位在压盘上移动时，在单个照明阶段期间，在多个不同的光学条件下用于照明个体的希望的皮肤部位的指令。该控制其还具有对于多个不同的光学条件中的每一个，在希望的皮肤部位在压盘上移动时，在光从希望的皮肤部位散射之后从由光检测器接收的光导出希望的皮肤部位的多光谱图像的指令。
在不同的实施例中，皮肤部位可以与压盘接触或者不与压盘接触。
在一些实施例内，形成多光谱图像的指令可以包括在皮肤部位在压盘上移动时，对于导出的希望的皮肤部位的不同部分的多个图像生成合成的指令。例如，压盘可以包括辊，利用该辊，皮肤部位相对于成像系统的位置可以移动。
照明源可以包括设置成在完全内部反射条件下照明压盘的第一照明源。用于照明希望的皮肤部位的对应的指令因此可以包括利用第一源照明压盘从而使得皮肤部位被间接照明的指令。照明源有时候可以进一步包括设置成直接照明皮肤部位的第二源。用于照明皮肤部位的相应的指令因此进一步包括利用第二源直接照明皮肤部位的指令。
在一些实施例中，成像器可以包括为多个子图像提供的彩色成像器，且每个子图像对应于不同的照明波长或者波长范围。形成多个子图像的波长可以有时从多个单频照明源形成，或者有时从一个或多个宽带照明源形成。
在一些实施例中，生物计量测量系统可以与便携电子装置形成为一体。在该例子中，控制器可以另外包括利用成像系统执行非生物计量功能的指令，该成像系统包括光检测器，例如可以利用缺少生物计量测量系统的相似的便携电子装置来执行。照明源可以是白光源。在一个实施例中，光导管适于从照明源将光引导到压盘。在该实施例中，用于执行非生物计量测量功能的指令可以包括利用照明源和成像系统两个执行非生物计量功能的指令。

本发明特性和优点的进一步理解通过参考说明书的剩下部分和附图来实现，其中在多个附图中所使用的相同的附图标记表示相似的部件。在一些情况下，附图标记包括具有拉丁字母后缀的数字标记；参考只有附图标记的数字部分意在于集中参考具有相同数字部分但是拉丁字母后缀不同的所有附图标记。
图1A，1B，1C提供了根据本发明的一个实施例的区域传感器(areasensor)的俯视图、侧视图和立体图；
图2A，2B，2C提供了根据本发明的另一实施例的静触击传感器(staticswipe sensor)的俯视图、侧视图和立体图；
图3提供了根据本发明的实施例具有光导管的静触击传感器的照明；
图4A，4B，4C提供了根据本发明的再一实施例的辊触击传感器(rollerswipe sensor)的俯视图、侧视图和立体图；和
图5提供了在实施例内包括直接照明的辊触击传感器的照明。

现今很多PED包括数码成像能力。数码相机的使用的范围从摄取用于纪念的娱乐照片和/或在膝上型电脑内使用相机用于商务视频会议。用于PED的成像器典型地是具有硅成像阵列的彩色成像器，硅成像阵列由以拜耳图案(Bayer pattern)布置的红-绿-蓝彩色过滤器阵列覆盖。相机的分辨率一般是640×480(VGA)或者1280×1024(XGA)，或者更好的。通过一个或多个透镜或其它的光学元件提供成像。在一些情形下，光学系统为可变焦距的设计，实现更大范围的聚焦。在一些情况下，光学系统能够执行超大摄影。
大多数PED包含用于不同目的的一个或者多个光源。在很多情况下，这些光源是或者单频或者宽带(“白光”)结构的发光二极管(LED)。在一些情况下，光源用于为例如健盘、屏幕背光供给照明，或者为数码成像供给电闪光。
发明人在相关申请内公开的多光谱成像(MSI)的系统和方法相对于其它指纹成像技术具有有利的特性。多光谱成像的特征在于在单个照明阶段期间在多个不同的光学条件下对位置的照明。在不同光学条件下的照明在不同的实施例中有时候同时执行有时候是依次执行的。多光学条件的使用提供了可以用于提高生物计量传感器的整体性能、以及用于提高传感器检测使用人工或者改变的样本来使系统失效的尝试的能力的额外信息。在一些情况下，多个光学条件提供了可以用于评估个体特性例如年龄、性别和种族的额外信息。多个光学条件可以包括多个照明波长，多个偏振条件和多个照明和/或成像角。在后面的情况下，大体上由全内部反射(totalinternal reflectance，TIR)效应影响生成图像的角度提供了与大体上不受TIR(即直接照明)影响的那些角度不同且互补的信息。
本领域的技术人员可以理解是，TIR效应是由于在传感器压盘和放置在上面的手指之间的折射指数差异的存在和不存在而形成的。当在交界处的光线角比由斯奈尔(Snell)定律确定的临界角大并且在指纹的空气填充的凹处存在在压盘的特定位置时，由于空气压盘指数的差异，TIR在压盘内出现。可选择地，如果具有合适的折射指数的皮肤与压盘光学接触，在该位置处的TIR被“阻止(frustrated)”，这允许光线穿过压盘-皮肤界面。在手指接触压盘的区域上TIR的地图差异形成了传统的光学指纹读取的基础。大量的光学布置用于检测在明亮区域和黑暗区域的光学布置内的光学界面的变化。
为了说明的目的，下面的说明在执行测量时有时候参考“手指”的使用。然而，应该理解的是，该种说明的本意不是用于限制。可选择使用的位置包括手指和拇指的所有表面和所有的关节，手指甲和甲床，手掌，手背，腕部和前臂，脸部，眼睛，耳朵和所有其它的身体外部表面。
在一些实施例中，传感器提供了穿透皮肤表面的多个离散光波长，并且在皮肤和/或下层组织内散射。如这里所使用的，提到的“离散波长”是指作为单个打包单元(binned unit)进行处理的波长组或者波长带，对于每个打包单元，信息仅从打包单元作为整体来提取，而不是从打包单元的单独的波长子组提取。在一些情况下，打包单元可是不连续的，从而使得当提供多个离散波长时，则在任何一对波长或波长带之间不提供某个波长，但这不是必需的。在一些情况下，打包单元可以叠置，从而使得当提供离散波长时，两个或更多的单元可以在某个相关的比例内做出反应。在一些例子中，波长处于紫外线-可见-接近红外波长的范围内。
通过皮肤和/或下层组织散射的光的一部分从皮肤出来并且用于形成在皮肤表面上或在皮肤表面的下面的组织的结构图像。在一些实施例中，该图像可以包括指纹图像，这里的术语“指纹”在这里可以广义是指具有皮肤纹理特征和/或其它组织特性的任何皮肤的任何表示。
因此，本发明的实施例提供了利用单个成像器和与已经装入很多PED的部件相似的少量其它部件收集MSI数据组的改进的系统和方法。另外，某些实施例有利地以这样的方式适应在PED内的现有的成像系统，即生物计量的功能在保持主要的成像功能的同时可以实现。
图1A，1B，1C图示了根据本发明的一个实施例。传感器101构造用于通过将手指111触摸在压盘105上收集生物计量数据。光源103从一侧或多侧照明压盘105，提供TIR照明。当没有手指按在压盘105时，从光源103发出的光的主要部分进入压盘105，并且通过一系列的TIR反射穿过压盘。然而，当手指111的皮肤(或者具有近似折射指数的其它物质)与压盘接触时，压盘内的光进入到手指111内。该光的一部分然后通过皮肤散射，并且通过压盘105指向光学系统107，该光学系统将手指111在成像器109上成像。光源103可以是单频光源(例如LED，激光二极管，或量子点激光器)，或者它们是宽带光源(例如白光LED)和各种白炽光源(例如石英-钨-卤)以及其它现有技术中已知的光源。光源103a，103b可以具有相同的波长特性或者不同的(例如基本上不同的波长)，并且可以具有超过两个所示的光源。可以存在用于将光从光源103导入进压盘105的透镜、平面镜或者其它的光学元件(未显示)。
成像系统107可以包括一个或多个透镜，一个或多个平面镜，和/或本领域已知的其它光学元件。成像器109可以是成像阵列(例如硅CCD或CMOS阵列)。成像器可以是单色成像器或者彩色成像器。可以使用的实现彩色成像器的例子包括拜耳彩色过滤器阵列和与多个单色成像器结合的波长分离光束分光器，如现有技术中所已知的。可使用的实现彩色成像器的另一个例子是例如由Peter J.Hopper等人提出的美国专利No.6,958,194所公开的，题为“改进敏感度的成像器”的、由Foveon公司制造的结深(junction-depth)过滤装置，为了所有的目的，其全部内容通过引用在此并入。另外，传感器101可以包括短通(short-pass)光学过滤器，带通光学过滤器，长通光学过滤器，线性偏振器，椭圆偏振器，漫散射介质，和/或其它光学元件(未显示)。
在本发明的一个实施例内，传感器101包括彩色RGB成像器109和可变焦距光学系统107或其它机构，以获得手指111的聚焦图像。光源103可以是白光LED或具有基本上位于成像器109的红-绿-蓝的通带内一个或多个波长的某种单频LED构造。光学系统107可以包括机械聚焦系统，液透镜，MEMS光学元件，可以实施波前编码技术的系统，和/或现有技术已知的其它系统。光学系统107的可变焦距允许成像器在手指上不同深度成像。另外，可变焦距可以使得成像器用于有时手指111不在压盘105上的传统成像。光学系统107可以提供用于执行如条形码读取、光扫描和其它这样的功能所需的超大成像。另外，光学系统107可以提供远处物体例如人物，风景或者其它这样的目标的照相的机构。在一些情况下光学系统107可以直接通过压盘105成像。在其它的情况下，压盘105是可移动的或者可拆分的，使得成像器109当压盘105不在光路时，用于传统的成像，并且当压盘105存在时用于生物计量的作业。在一些情况下，压盘105可以包括一个或多个弯曲表面，从而使得它们可以提供光学动力，以提高光学系统107聚焦在手指111上的能力。
图2A，2B，2C图示了根据本发明的第二实施例。在该实施例内，压盘205是窄的矩形形式，光源103为TIR提供照明。类似地(尽管不是必须地)，成像器209也可以是包括小数量的像素列的线性阵列或矩形阵列。在一些情况下，光学系统可以与成像器209形成为整体，如图2A-2C所示，而不是分离的部件，如图1A-1C所示的。在该构造中，手指111可以在箭头213所指示的任意方向“触击”过或者擦过传感器的上面。在触击的过程中多个图像或画面被收集，整个手指区域的图像然后以现有技术已知的方式从单独的画面被重新构造或者“缝接”。在照明光源103包括宽带源并且成像器209包括彩色成像器的情况下，对应于多个照明波长的图像以这种方式同时被收集。该多个图像有利地用于例如身份确定、活动度确定、欺骗检测、个体特性的评估等等的生物计量任务。
图3给出了照明结构的变形。在该图中，光导管305用作从远处光源(未显示)引导光。如所示的，光通道305可以形成为真实的压盘表面或者压盘和光通道可以包括多个不同的片。进一步，可以使用多个光导管，可以选择多种形状，用于满足其它的设计限制。在一些实施例中，光导管305设计用于在整个长度上保持TIR，因此光可以从光源(未显示)被引导。在其它情况下，光导管可以在某些部分涂敷金属膜或者其它反射材料，以有助于光传播。在一些情况下，涂层可以是选择性地对于某些波长比其它的波长反射更好的材料，这提供了对传播通过光导管的光进行过滤的机构。用于照明的光导管的使用可以应用于包括触击和单次接触构造的本发明的大范围的实施例。
图4A，4B，4C提供了根据本发明的不同的实施例。在该构造中，手指111触击辊压盘(rolling platen)405。该辊压盘405优选是光学透明的材料，例如塑料、玻璃或者其它的种类，通过该材料光源103可以提供TIR照明。辊压盘405能够在轴435上旋转，而成像器409通过合适的光学系统(未显示)查看手指111。以与图2A-2C和图3相似的方式，当手指111触击触时，成像器409可以收集多个画面，并且最终的合成图像可以从这些画面重新构造。可选择地，位置编码器425(例如光学编码器)可以连接到辊压盘405。用该种方式，每个画面在手指上被收集的位置可以被确定，并且用于更好地重新构造完整的图像。如之前所公开的，在成像器409包括彩色成像器并且照明光源103包括宽带源的情况下，不同波长的多个图像同时被收集，用于多种生物计量任务。
图5显示了图4A-4C的变型，包括在不同方向的光源545，从而使得光能够直接照在手指111。光源545可选择地包括光偏振元件(未显示)，例如线性偏振器。在该情况下，成像器509可以包括例如线性偏振器的偏振元件(未显示)，该偏振元件可以定向成大体上垂直于照明偏振器。通过光源545提供的直接照明可以使用多种方式来实现，但是重要的是该光基本上不受会在手指111和辊压盘505之间出现的TIR效应的影响。类似的直接照明技术也可以与本发明的其它的触击和接触传感器实施例结合使用。在触击击的实施例的情况下，直接和TIR照明可以以这样的方式进行时间调节，即，一个画面利用TIR照明抓取，第二画面在直接照明下抓取。然后在整个手指触击期间该交替继续，且可以重新构造两个不同的图像(直接照明和TIR照明)。相似的时间调整方法也可以应用于装有不同波长、不同的偏振和光学特性的其它差异的多个照明源(直接或TIR)的实施例中。
可选择地，在成像器509包括彩色过滤器阵列的情况下，直接照明源545和TIR照明源503可以具有不同的波长。特别地，可以选取TIR波长从而使得基本上通过彩色过滤器通带(例如，红色)中的一个，同时基本上被另外的过滤器通带(例如，蓝色和绿色)阻止。类似地，直接照明可以具有可以被各个彩色过滤器通过和阻止的不同的波长(例如，蓝色)。利用该种方式，照明源545和503可以同时打开。由此形成的图像(以原始的形式而不是色彩处理过的)可以容易地分离，以形成不同的图像类型。通过使用具有足够的色彩识别特性和对应的单频照明源的足够数量的不同的彩色过滤器，该相同的方法可以应用于任何数量的不同成像条件。
在另一种可选的实施例中，图5中的实施例可以构造为使得TIR和直接图像是可加成的而不是可分的。例如，在单频成像器509的情况下，直接照明源545和TIR照明源503可以同时打开，这产生在这两个光源作用下的图像。类似地，在彩色成像器509的情况下，两个光源545和503可以具有相同的波长，或者两者都是宽带光源，这形成了相似的加成图像。
在一些情况下，可以使用直接照明而不使用TIR照明。在该情况下，通过保持手指、手或者其它的身体部分处于距离成像器合适的距离处从而其可以被照明或者成像，执行非接触测量。在非接触成像的情况下，压盘可以从系统中去除。在一些情况下，使用例如在某些PED上存在的、用于执行闪光功能的白光LCD，可以执行直接照明。成像器509可以是彩色成像器，能够在单个照明过程期间收集对应于多个波长的多个图像。
在成像器509包括彩色图像的情况下，随后的处理步骤可以借助于将形成的色彩图像分成为一系列的子图像，每个子图像代表了大体不同照明波长条件。例如，在彩色成像器是拜耳构造时，可以从原始的RGB数据提取对应于红、蓝和两个绿通道的四个子图像。每个子图像与其它偏移大约等于像素大小的量，但是所有四个子图像在多照明条件下代表大体相同的物体。该子图像生成广泛应用于本发明使用彩色成像器的所有实施例。
在一些情况下，本发明的实施例可以与其它类型的指纹传感器结合使用。通过说明的方式，在图2A-2C所示的多光谱成像器的触击结构可以定位在不同形式的触击传感器(例如电容型，RF，或热传感技术)的附近或者与其形成为一体。以这种方式，在每个用户动作期间，多个形式可以用于收集生物计量数据。
由此，已经说明了多个实施例，本领域的普通技术人员应该承认的是，在不背离本发明的精神的前提下，可以进行各种改进、结构替换或者等同变化。因此，上面的说明不应认为是限制本发明的范围，本发明的保护范围应该以随附的权利要求为准。
相关申请的交叉引用
本发明是题为“多光谱生物计量传感器”、且由Robert K.Rowe于2005年4月27日提交的美国专利申请No.60/675,776的非临时申请并且要求该美国专利申请No.60/675,776的申请日的权益，为了所有的目的该美国专利申请No.60/675,776的全部内容通过引用在此并入。
本申请还涉及下面的申请，为了所有的目的其中的每一个的全部内容通过引用在此并入：美国专利申请No.11/115,100，题为“多光谱成像生物计量仪”，Robert K.Rowe等于2005年4月25日提交；以及美国专利申请No.11/115,075，题为“多光谱活性确定”，Robert K.Rowe于2005年4月25日提交。该三个申请中的每一个是下面的临时申请中的每一个的非临时申请，为了所有的目的该每一个临时申请的全部的内容也通过引用在此并入：美国临时专利申请No.60/576,364，题为“多光谱手指识别”，RobertK.Rowe和Stephen P.Corcoran于2004年6月1日提交；美国临时专利申请No.60/600,867，题为“多光谱成像生物计量仪”，Robert K.Rowe于2004年8月11日提交；美国临时专利申请No.60/610,802，题为“利用多光谱成像的指纹欺骗检测”，Robert K.Rowe于2004年9月17日提交；美国临时专利申请No.60/659,024，题为“对于生物计量的手指多光谱成像”，RobertK.Rowe等于2005年3月4日提交。
本申请进一步涉及共同受让的美国专利申请No.11/009,372，题为“从生物计量测量评估个体特性的方法和系统”，Robert K.Rowe和Stephen P.Corcoran于2004年12月9日提交，为了所有的目的其全部内容通过引用在此并入。
上面指明的这些申请在这里有时候统称为“相关申请”。