用于活体的一部分的静脉网的传感器

摘要

本发明涉及用于活体的一部分（50）的静脉网的传感器（100），其包括：红外线照射源（102）；波导（104），由红外线照射源（102）照射并具有至少一个提取区（106），该至少一个提取区（106）位于面112上并旨在用于在至少一个主提取方向（116）上从波导（104）提取红外线（114）；图像获取装置（108），设置成与面（112）相对，以在两者之间限定通道（118），活体的一部分（50）可通过通道（118）的入口进入，并且图像获取装置（108）包括敏感元件（110）；以及提取区（106）均使得提取区（106）的主提取方向（116）被定向以不与灵敏元件（110）相交。

说明书

本发明涉及用于活体的一部分的静脉网的传感器以及用于控制这种 传感器的方法。

经常会使用到用于活体的一部分的静脉网（如，手指、手，脚趾等 的静脉网）的传感器，例如用于控制对站点或机器的接入。

静脉网传感器包括红外线照射源，该红外线照射源照射用于从传感 器获得图像的装置，例如CCD摄像机。

该红外线照射源通过通常沿行和/或列相对于彼此定位的一组红外线 发射器来实施。红外线发射器的阵列或矩阵将在下面进行描述。

当活体放置在红外线照射源与图像获取装置之间时，光流中的一些 射线直接照射图像获取装置，而其他射线在通过活体之后照射该图像获 取装置。然后对所获得的图像进行数字处理，使得活体的静脉网呈现在 该图像上。因此用户可通过比较所获得的静脉网与其以前记录的静脉网 而被验证。

虽然静脉网的原理简单，但是静脉网的使用会遇到获得的图像过度 曝光的问题。这是因为直接照射图像获取装置的射线导致了与由穿过活 体的射线导致的图像像素强度相比较高的图像像素强度。强度的不同会 在所获取的图像上造成伪像，诸如尤其位于活体边缘处的光晕或局部过 强。这尤其对于进行动态捕获的系统是正确的，因为要获得的物体位置 可能是受限制的。这些伪像干扰了被应用于所获取的图像以使静脉网显 现的处理操作。

为了提高静脉网的获取质量，已经提出了多种解决方案。例如，已 知一种静脉网传感器，其中红外线发射器的激活与对活体的存在的检测 相联系。

这种静脉网传感器并不完全令人满意。

文件US-A-2005/047632，US-A-2008/06243以及US-A-2010/092047公 开了静脉网传感器。

本发明的一个目的是提出一种用于活体的一部分的静脉网的传感 器，该传感器不具有现有技术缺点，尤其是无论活体存在或不存在都避 免使图像获取装置饱和。

就此，提出了一种用于活体的一部分的静脉网的传感器，其包括：

-红外线照射源；以及

-图像获取装置，

该传感器的特征在于，其还包括波导，该波导由红外线照射源照射 并具有至少一个提取区，该至少一个提取区旨在在至少一个主提取方向 上从波导提取红外线，红外线通过波导的提取面，

图像获取装置设置成面对提取面，以在两者之间限定通道。活体的 部分可通过通道的入口进入，并且该图像获取装置包括敏感元件，以及

每个提取区被设置成使得主提取方向被定向以不与灵敏元件相交。

根据一具体实施方式，该提取区或每个提取区均由与提取面相反的 面承载。

根据另一具体实施方式，该提取区或每个提取区均由提取面承载。

有利地，该提取区或提取区至少之一包括制造在提取面中的斜面。

有利地，该提取区或提取区至少之一包括微棱镜。

有利地，斜面在红外线在波导中传播的方向上位于微棱镜的上游。

根据一具体实施方式，光源设置成与通道的入口相反，传感器包括 准直装置，该准直装置设置在照射源与波导之间并设计成使从照射源发 出的红外线近似瞄准无限远处，并且波导在瞄准的红外线的路径上具有 反射面，该反射面具有设计成使传输的红外线折向并使其朝向提取区或 每个提取区转向。

根据另一具体实施方式，光源设置成与通道的入口相对，传感器包 括聚焦装置，该聚焦装置设置在照射源与波导之间并设计成使从照射源 发出的红外线朝向焦点聚焦，并且波导在聚焦的红外线的路径上具有反 射面，该反射面设置成距离焦点一段距离并且设计成将红外线反射并使 其朝向提取区转向。

根据另一具体实施方式，波导具有第一提取区和第二提取区，红外 线照射源具有第一照射元件和第二照射元件，其中第一照射元件照射波 导的设置在通道入口侧上的边缘，第二照射元件照射波导的设置在与通 道入口相反的一侧上的边缘，第一提取区设置在第一照射元件与第二提 取区之间并设计成提取从第一照射元件发出的红外线，第二提取区设置 在第二照射元件与第一提取区之间并设计成提取从第二照射元件发出的 红外线，并且提取区使得通过第一提取区提取的红外线与通过第二提取 区提取的红外线在通道中活体的部分易于被定位的位置处朝向彼此聚 集。

有利地，传感器包括保护板，该保护板放置成面对与提取面相反的 面并包括防止红外线通过但允许可见光谱中的射线通过的材料。

有利地，传感器包括滤光板，该滤光板放置在提取区与通道并包括 防止可见光谱中的射线通过但允许红外线通过的材料。

有利地，传感器包括控制装置，该控制装置设计成控制照射源的功 率。

有利地，控制装置包括控制单元和至少一个检测装置，其中控制单 元用于控制照射源，至少一个检测装置用于向控制单元发送表示其所接 收的照射功率的值，控制单元包括用于根据上述值控制照射源的装置。

根据一具体实施方式，该检测装置或每个检测装置均放置在敏感元 件附近。

根据另一具体实施方式，该检测装置或每个检测装置均设置在提取 区或多个提取区附近。

有利地，该检测装置或每个检测装置设置在波导中制造的孔的底部， 这些孔中每个均具有大体上平行于提取方向的轴线。

有利地，该孔或每个孔的表面覆盖有红外线不能穿透的材料。

本发明还提出了一种用于控制根据上述变型中的一些的传感器的方 法，该方法包括：

-初始化步骤，在初始化步骤过程中检测装置向控制单元发送表示其 在没有活体的部分的情况下接收的光功率的参考值，

-发送步骤，在发送步骤过程中，检测装置向控制单元发送表示其接 收的光功率的值，

-计算步骤，在计算步骤过程中，控制单元计算接收的值与参考值之 间的差别，

-测试步骤，在测试步骤过程中，控制单元检查计算的差的绝对值是 否大于预定差的绝对值，

-如果计算的差仍然小于预定差，执行循环步骤，在循环步骤过程中， 该程序循环回到发送步骤，

-如果计算的差大于预定的差，执行控制步骤，在控制步骤过程中， 控制单元要求增加由照射源发射的光功率，以及

-返回步骤，在返回步骤过程中，程序循环回到发送步骤。

通过阅读下面的参照附图给出的示例性实施方式的描述，本发明的 上述特征以及其他特征将更清楚地呈现，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图2示出了根据本发明第二实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图3示出了根据本发明第三实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图4示出了根据本发明第四实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图5示出了根据本发明第五实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图6示出了根据本发明第六实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图7示出了在没有活体的情况下的根据本发明第七实施方式的静脉 网传感器的侧视图；

图8示出在存在活体的情况下的图7的静脉网传感器的侧视图；

图9示出了根据本发明第八实施方式的静脉网传感器的侧视图；

图10示出了从下方观察的图9的静脉网传感器；

图11示出用于图9或图7的传感器的控制算法；

图12示出了根据本发明第九实施方式的静脉网传感器的侧视图；以 及

图13示出了根据本发明第十实施方式的静脉网传感器的侧视图。

图1示出传感器100，其设计为用于静态地或动态地捕获活体的一部 分50（这里为手指）的静脉网的图像。

传感器100包括：

-红外线照射源102；

-波导104，由红外线照射源102照射并在一个面112上具有至少一个提 取区106，至少一个提取区106旨在用于在至少一个主提取方向116上从波 导104提取红外线114；

-图像获取装置108，设置成与面112相对以在两者之间限定通道118， 活体的部分50可通过通道118的入口进入，并且图像获取装置108包括敏 感元件110；

提取区106或每个提取区均使得提取区106的主提取方向116被定向 以不与敏感元件110相交。

设置有提取区106的面112构成提取面112，红外线114通过提取面112 被提取。

例如照射源102为二极管阵列。

波导104例如为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）片，其四个边缘已被抛 光，并且其边缘中至少之一由照射源102照射。

在图1所示的本发明的实施方式中，仅一个在厚度上的边缘被照射， 并且承载提取区106的面112垂直于该边缘。

为了增加波导104的内反射，尤其是使泄露到外部的光最小化，其他 三个边缘覆盖有无编PVC粘合剂（例如具有以下标识的来自TESA公司的 粘合剂：Ruban PVC4163）以及铝粘合剂（例如具有以下标识的来 自TESA公司的粘合剂：Ruban aluminium50565）。

图像获取装置108例如为CCD摄像机类型并包括敏感元件，该敏感元 件本身可分成多个子敏感元件。

元件是敏感的意味着其提供表示其接收的光功率的信息。然后所提 供的信息被传输至控制单元124，控制单元124重建观察到的静脉网的图 像。然后被重建的图像可通过将该图像与参考图像进行比较而使用在验 证过程背景中。

控制单元124还控制照射源102的接通。接通命令的触发可取决于对 活体的部分50的存在的检测，例如通过设置红外线障碍。在另一具体情 况下，照射源102可能是永久接通的。

提取区106呈片的形式，其光学地联接至波导104的面112。也就是说， 提取区106位于提取面112上。

该片旨在将提取的红外线114适当地定向。本文中该片包括棱柱，并 且其可以是例如聚酯或聚碳酸酯薄膜（例如具有以下标识的来自Luminit 公司的膜DTF），其支承具有对称的或不对称的轮廓的呈微棱镜形式的有 槽的表面结构。对称的微棱镜的高度例如为约100μm。微棱镜的角度被 选择以获得用于所提取的红外线114的所需角度。

在这里示出的实施方式中，利用光学联接装置（例如折射率液或透 明的光学粘合剂），微棱镜通过其底部压在波导104上，其中该光学联接 装置能够提高这两者之间的联接并使得红外线114能够被提取至波导104 外部。

当然，可以提供其他装置以使得红外线114能够被提取。具体地，可 以在波导104中刻蚀微棱镜。

对于每个基本提取区，也就是说在每个微棱镜上，从该基本提取区 发出的红外线的照射轮廓呈叶的形式，其主提取方向116构成最大照射的 方向。

例如在DALSA4M60型的图像传感器110的情况中，额定通量为约 1W，并且具有宽度为6cm的通道118和包括二极管（例如具有以下标识来 自OSRAM公司的二极管SFH4235-EB）的光源102。

并非从波导104提取的所有光流都被发送至敏感元件110。

从照射源102发出的红外线以被传输的波122的形式在波导104中传 播，在从波导102提取之后，呈提取的红外线114的形式。

在不存在手指50的情况下，由每个微棱镜提取的红外线114在不直接 与敏感元件110相交的主发射叶方向上传输，这样避免了敏感元件110的 饱和。当存在手指50时，提取的红外线114散布到手指50中并在以出射射 线120的形式再出现前由血红蛋白吸收，出射射线120由敏感元件110拦截 但其具有不导致饱和的减小的光功率。

在该说明书的其余部分中，描述了本发明的多种实施方式。对于这 些实施方式的每个，与图1的实施方式相同的元件使用相同的附图标记。

图2示出了本发明的第二实施方式。

在图1中的本发明的实施方式中，照射源102设置在通道118的入口旁 边。该地点可致使传感器100在该入口处变热，并且具有使该部分50燃烧 的风险。

图2示出了具有以下布置的传感器200，在该布置中光源102与通道 118的入口相对。

因为，为了获得最佳结果，必须从手背进行照射，必要的是光线122 在波导204中被折向。

因此传感器200包括准直装置252，准直装置252设置在照射源102与 波导204之间并且被设计成使从照射源102发出并在波导204内传输的红 外线近似地瞄准无限远处。

由此在波导204中被瞄准的红外线122的路径上，波导204具有反射面 250，反射面250具有设计成使在波导204中传输的红外线122改变方向并 使红外线122朝向提取区106转向的倾角。

在图2中的本发明的实施方式中，在与由光源102照射的一侧相反的 一侧制造上反射面250。

图3示出了具有以下布置的传感器300，在该布置中光源102与通道 118的入口相反。

传感器300包括聚焦装置352，聚焦装置352设置在照射源102与波导 304之间并且被设计成使从照射源102发出并在波导304内传输的红外线 朝向焦点354聚焦。

在于波导304内被聚焦的红外线122的路径上，波导304具有反射面 350，反射面350设置在离焦点354一段距离处。

当红外线122遇到反射面350时，其朝向反射点356反射，这样致使该 红外线122在波导304中改变方向并朝向提取区106转向。

在图3中的本发明的实施方式中，反射面350制造在与由光源102照射 的一侧相反的一侧上，并且焦点354设置成在红外线从照射源102传播的 方向上超过反射面350。

图4示出了传感器400，其中提取区450由倾斜表面形成，这里该倾斜 表面为形成在面112中的斜面。因此，这里上述实施方式中的微棱镜被替 换为斜面450，斜面450可在与不敏感元件110相交的主提取方向452上从 波导404提取红外线122。

在图4中的实施方式中，照射源102与通道118的入口位于同一侧，但 是可结合图2和图3中的实施方式以将照射源102偏移至相反侧上。

主提取方向452与斜面450的法线相交。

对于微棱镜，一部分红外线114未在主提取方向116上漏出。然后从 敏感元件110的角度观察，微棱镜的表面会发光。即使这不是问题，但是 一些应用可能需要减小这种干涉。

设置斜面450减少了这些现象，其中斜面450构成用于控制红外线的 照射叶的透镜表面。

还可以将包括微棱镜的提取区106与包括斜面450的提取区450的原 理结合以能够微调控制手指50的照射。

在最后的这种实施方式中，斜面450在波导404中在红外线122传播的 方向上位于微棱镜上游，以加强手指50的后部处的照射，从由静脉网识 别的观点来看该区域是最相关的区域。

图5示出了与图1中的传感器相似的传感器500，但是其中提取区506 被设计成在多个主提取方向116和550上从波导104提取红外线114。

这种实施方式使得可以照射较大的体积。

在图5的实施方式中，存在两个主提取方向116和550，主提取方向116 和550大体上彼此垂直，但如之前一样都不与敏感元件110相交。

此处提取区506由具有双发射叶的微棱镜制成。

提取区506包括例如具有以下标识来自Vikuiti3M公司的膜BEF。

在另一实施方式中，每个微棱镜具有两个成20°的提取斜面，而主 提取方向相对于提取面112成70°，并且两个发射叶相对于彼此成40°的 角。

当然，可以将图5中的实施方式与图1至图4的实施方式结合。

图6示出了与图1中的传感器相似的传感器600。

为了便于将身体的部分50定位，用户必须能够看到其身体的部分50 穿过波导104。为此，用户可使自己位于波导104之上并穿过顶面观察， 顶面为与承载提取区106的面112相对的面。

为了限制穿过顶面朝向波导104的外部传输红外线，保护板650设置 成与该顶面相对。该保护板650包括防止红外线通过但允许可见光谱中的 射线至少部分地通过的材料。

该保护板650例如可以是由建筑玻璃制成，例如具有以下标识的来自 公司Schott DESAG的建筑玻璃IMERA D4218。

在验证程序情况下，可以将静脉网的分析与手指50的指纹的分析相 结合。

那么，补充设备是必需的。该补充设备包括可见光源和合适的获取 装置，其中可见光源照射手指50的底面，合适的获取装置捕获被照射的 该手指50的指纹图像。

然而，在捕获静脉网的图像的背景下，优选的是避免由可见光源发 射的光线照射提取区106。

就此，滤光板652设置在提取区106与通道118之间，即设置在提取区 106与手指50之间。滤光板652包括防止可见光谱中的射线通过但允许红 外线通过的材料。因此手指50在滤光板652与敏感元件110之间通过。

该滤光板652例如可由建筑玻璃制成，例如具有以下标识的来自公司 Schott DESAG的建筑玻璃IMERA D4403。

图7和图8示出了传感器700，其包括控制照射源102的装置以根据手 指50是否存在于通道118中而控制照射源102的功率。对于其他实施方式， 该新的实施方式存在于与图1中的传感器相似的传感器700的背景中，但 是还可适用于其他附图中的实施方式。

在图7中，不存在手指50，而在图8中存在手指50。

传感器700在敏感元件110附近包括至少一个检测装置750，例如其为 光检测器类型并在主提取方向116上不与从波导104提取的红外线714a、 714b相交。

控制装置包括检测装置750和控制单元124。

在不存在手指50的情况下，由于由照射源102发射并由提取区106传 输的红外线714a的漫射，检测装置750接收这些红外线714a的一部分720a。

在初始化步骤过程中，检测装置750向控制单元124发送表示其在不 存在手指50的情况下接收的光功率的参考值。

在正常运行过程中，检测装置750定期地向控制单元124发送表示其 接收的光功率的值。

如果新接收的值偏离参考值不超过预定差，即如果不存在手指50， 则什么也不发生。

如果新接收的值偏离参考值超过预定差，即如果存在手指50并且观 察到由检测装置750接收的光功率下降，则控制单元124控制照射源102以 增加发射的光功率，只要由检测装置750发送的值仍然远离参考值。

根据本发明的另一实施方式，可能的是传感器的几何形状可以使得 发射叶是窄的并且在不存在手指50的情况下检测装置不接收光流。手指 50的定位将致使由检测装置750接收到的光功率的增加，并且控制单元 124的反应将控制照射源102以减小发射的光功率。

图8示出了存在手指50并且已增加了由照射源102发射的功率的情 况。因而穿过提取区106传输的红外线714b具有较高的功率，并且已穿过 手指50的红外线720b的功率具有与对应于不存在手指50情况的红外线 720a的功率基本相同的光功率。

控制单元124包括用于根据其从监测装置750接收的值控制照射源的 装置。

因此控制将手指50对红外线的穿透性考虑在内。

图11示出了根据本发明的可用于图7和图8所示的传感器700的控制 方法1100的算法。

控制方法1100包括：

-初始化步骤1102，在初始化步骤1102过程中，检测装置750向控制单 元124发送表示其在没有手指50的情况下接收的光功率的参考值；

-发送步骤1104，在发送步骤1104过程中，检测装置750向控制单元124 发送表示其接收的光功率的值；

-计算步骤1106，在计算步骤1106过程中，控制单元124计算接收的值 与参考值之差；

-测试步骤1108，在测试步骤1108过程中，控制单元124检查计算的差 的绝对值是否大于预定差的绝对值；

-如果计算的差仍然低于预定差，执行循环步骤1110，在循环步骤1110 过程中，该程序循环回到发送步骤1104；

-如果计算的差大于预定的差，执行控制步骤1112，在控制步骤1112 过程中，控制单元124要求增加由照射源102发射的光功率；以及

-返回步骤1114，在返回步骤1114过程中，程序循环回到发送步骤 1104。

图9和图10示出了传感器900，其也包括控制照射源102的装置，以根 据手指50是否存在于通道1110中而控制照射源102的功率。

此处控制装置包括一个或多个检测装置952和控制单元124。

此处检测装置952设置在提取区906a-d附近。

在不存在手指50的情况下，检测装置952实际上没有接收红外线，而 当存在手指50时，检测装置952捕获由手指50朝向波导104背散射的红外 线952。

因此，根据其接收的光功率，检测装置952向控制单元124发出表示 该光功率的值，控制单元124根据该值控制照射源102，以通过其所包括 的适当装置增大或不增大照射源102发射的光功率。

为了防止检测装置952被由手指50的皮肤反射的红外线干扰，每个检 测装置均设置在制造在波导104中的孔950的底部，每个孔950具有大体上 平行于提取方向116的轴线，以保护检测装置952免受由手指50直接反射 的红外线的干扰。

为防止检测装置952由穿过波导104的红外线干扰，孔950的表面覆盖 有红外线不能穿透的材料。

另一控制方法可包括：分析捕获的静脉网的图像的平均对比度水平 以及根据该平均对比度水平控制照射源102的发射。

在上述的每个实施方式中，设置有提取区106的面112构成提取面 112，红外线114、714a、714b通过提取面112被提取，并且图像获取装置 108设置成与提取面112相对。

图12示出了根据本发明第九实施方式的传感器1200，其中传感器 1200包括：

-红外线照射源102；

-波导1204，由红外线照射源102照射并具有至少一个提取区1206，提 取区1206旨在用于在至少一个主要提取方向116上从波导1204提取红外 线114，红外线114穿过波导1204的提取面1212；

-图像获取装置108，设置成与提取面1212相对，以在两者之间限定通 道118，活体的部分50可通过通道118的入口进入，并且该图像获取装置 108包括敏感元件110；

提取区1206或每个提取区均被设置成使得主提取方向116或每个主 提取方向被定向以不与敏感元件110相交。

不同于之前的实施方式，传感器1200的提取面1212不是承载提取区 1206的面，而是与承载提取区1206的面相反的面。

提取区1206还可呈片的形式，其光学地联接至波导1204的与提取面 1212相对的面，并且此处提取区1206包括棱柱，更具体地包括用于反射 的微棱镜。

在每个微棱镜相对于提取面1212的法线的斜度为70°的该实施方式 中，主提取方向116与提取面1212的法线成约8°的角。提取区被这样定 位使得可以获得角度变窄的发射层。

在该实施方式中发生反射的表面更大，并且光子耦合效率更好并具 有更低的泄漏率。

所形成的层经受增大基本发射的立体角的额外折射。

当然，可以将之前实施方式的教导应用至图12中的实施方式。例如， 可以将光源102设置在与通道118的入口相反的端部（图2），设置具有倾 角的反射面，该倾角被设计成使传输的红外线折向并使其朝向每个提取 区1206转向。例如，可以提供与图3类似的实施。还可以安装保护板，该 保护板放置成面对与提取面1212相反的面并包括防止红外线通过但允许 可见光谱中的射线通过的材料。还可以设置滤光板，该滤光板位于提取 区1206与通道118之间并包括防止可见光谱中的射线通过但允许红外线 通过的材料。还可以使用控制装置，该控制装置设计成控制照射源102的 功率。

图13示出了根据本发明第十实施方式的传感器1300。

传感器1300包括：

-红外线照射源1302；以及

-图像获取装置108。

传感器1300还包括波导1304，波导1304由红外线照射源1302照射并 包括第一提取区1306b和第二提取区1306a，第一提取区1306b和第二提取 区1306a的每个均旨在分别在主提取方向1316a和1316b上从波导1304提取 红外线1314a和1314b，红外线1314a和1314b穿过波导1304的提取面1312。

图像获取装置108设置成面对提取面1312，以在两者之间限定通道 118。活体的部分50可通过通道118的入口进入，并且该图像获取装置108 包括敏感元件110。

每个提取区域1306a，1306b使得主提取方向1316a、1316b被定向以不 与灵敏元件110相交。

在图13示出的本发明的实施方式中，每个提取区1306a、1306b由提取 面1312承载。

照射源1302具有第一照射元件1303b和第二照射元件1303a，其中第一 照射元件1303b照射波导1304的设置成与通道118的入口位于相同侧上的 边缘，第二照射元件1303a照射波导1304的设置成与通道118的入口位于相 反侧上的边缘。照射元件1303a和照射元件1303b例如为二极管阵列型。

此处每个提取区1306a、1306b包括微棱镜。

第一提取区1306b设置在第一照射元件1303b与第二提取区1306a之 间，并且被设计成提取从第一照射元件1303b发出的红外线1314b。

第二提取区1306a设置在第二照射元件1303a与第一提取区1306b之 间，并且被设计成提取从第二照射元件1303a发出的红外线1314a。

提取区1306a和提取区1306b使得穿过第一提取区1306b从波导1304提 取的红外线1314b与穿过第二提取区1306a从波导1304提取的红外线1314a 在通道118中活体的部分50易于被定位且位于图像获取装置108上游的位 置处朝向彼此聚集。

因此可以平衡部分50的照射。

当然，本发明并不限于所描述的示例和实施方式，而本领域的技术 人员能够得到本发明的多种变型。