CN101894258A - 光学指纹采集仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于红外线受抑全内反射原理进行指纹图像采集的光学指纹采集仪，包括外壳、光源、采集棱镜、透镜组和成像传感器，其中采集棱镜和透镜组采用亚克力材料注塑而成，光源为红外面光源，包括导光板和红外发光二极管，红外发光二极管发出波长范围是0.8μm至50μm的红外光束，光源发出的红外光线从采集棱镜的入射面进入，以大于采集面临界角的入射角到达采集面，在采集面上发生全反射后从采集棱镜的出射面出射，经过透镜组汇聚到成像传感器。本发明采用波长较长的红外光源达到较高的透射深度，有效地解决了干手指因为无法充分接触采集面造成的采集效果差的问题。

Description

光学指纹采集仪

技术领域

本发明涉及一种光学指纹采集仪领域，尤其涉及一种基于红外线受抑全内反射原理进行指纹图像采集的光学指纹采集仪。

背景技术

光学指纹采集仪在指纹识别系统中广泛应用，利用光线在界面上因手指接触时脊线谷线差异造成的光学差异形成图像并采集。

如图1所示，现有折射率分别为n₀和n₁的第1、第2介质，n₀＞n₁。当波长为λ的光线以大于全反射角的方向θ₀从第1介质向第2介质入射时，发生全反射，此时以折射率为n₂的第3介质充分靠近n₀，n₂＞n₁，第3介质与第1介质之间的距离为d，则光线的一部分辐射场可以被耦合输出，造成反射波的减弱，这种现象称为受抑全内反射(Frustrated Total Internal Reflection，简写FTIR)，该辐射波称为表面波或倏逝波，倏逝波的辐射强度随入射深度呈指数规律变化：

$I\∝e^{-4\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0-{n_1}^2}}---\left(1\right)$

透射率T可定义为倏逝波辐射强度与入射光辐射强度之比，因此由公式(1)可知，透射率T与是倏逝波的辐射强度I成正比，即：

$T\∝I\∝e^{-4\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0-{n_1}^2}}---\left(2\right),$

由公式(2)知，透射率T是相对间隙

材料折射率n₀、n₁及入射角θ₀的函数。其相对关系由图2所示，材料折射率一定的情况下，透射率T随着相对间隙

和增加而减少，并且入射角θ₀大的光线所得到的透射率T小。

光学指纹采集仪由外壳、采集棱镜、光源、透镜组和成像传感器组成。采集棱镜可视为折射率n₀的第1介质，空气为折射率n₁的第2介质，光线以大于全反射临界角的位置到达采集棱镜的采集面，手指充分靠近采集面，此时，手指可视为折射率n₃的第3介质，指纹谷线部分与采集面不接触，可视为其间距d远远大于波长数量级，不满足将倏逝波耦合输出的条件，此时透射率很小或为零，反射率很高，反射波在成像传感器上显示为亮线；指纹脊线处与采集棱镜紧贴，能够使其与采集面的距离d达到波长数量级，此时，入射光线发生受抑全内反射现象，一部分光被手指耦合输出，透射出采集面，反射光因此而减弱，反射率很低，在成像传感器上显示为暗线。当脊、谷透射率的差异相差很多的时候，亮纹和暗纹形成鲜明的对比，才能采集到脊、谷分明的清晰的指纹图像。

现有的光学指纹采集仪很难对干的手指采集到清晰的指纹图像，造成了这种产品对干手指识别率低(拒真率高)的问题，手指越干，这个问题越突出。其原因在于，透射率T随着相对距离

的减小而增大，因此，当波长为λ的可见光以大于全反射角的方向θ₀入射时，脊线越贴近采集面，相对距离

越小，则透射率T越大，被手指吸收的光线越多，相应的反射光线的量就越少，而谷线处无受抑全反射现象，透射率T很小或为零，因此脊、谷透射率的差异越大，成像传感器中得到的图像则越清晰，相反，接触距离越远，脊、谷透射率的差异越小，采集效果越差。当手指较干时，皮肤与玻璃间的油脂和水分少，手指脊线处与采集棱镜间的接触距离较远，相对距离增加，则透射率减小，反射光并未因此衰减，被成像传感器捕获，形成与谷线灰度相差不多的“暗线”，成像传感器无法得到脊、谷分明的清晰的指纹图像。虽然降低入射角θ₀能够提高透射率，但是受到全反射临界角的限制，并且为了减小图像变形带来的变形校正成本，光源的入射角会尽可能的小，直至逼近接近全反射临界角，能够降低入射角的幅度并不大，因此，通过降低入射角θ₀的方式并不能够很好的达到提高采集图像效果的目的。

发明内容

基于上述技术背景，为了提高干手指在光学指纹采集仪中的采集图像效果，根据受抑全内反射原理，由于现有的光学指纹采集仪采用可见光作为光源，其波长一般在380nm至780nm之间，可以通过提高入射光的波长λ的方法来提高脊、谷透射率差异，从而使得接触不佳的干手指脊线也能形成较大的倏逝波透射比，降低反射率。

红外线的波长范围0.8μm至100μm，而指纹识别技术要求指纹图像分辨率约为500dpi，合每像素50μm，常用金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器的光谱灵敏范围为0.4μm至1.15μm，远红外专用CCD传感器光谱灵敏范围可达到几十μm，选择0.8μm至50μm的红外光作为光源，能在指纹图像和成像传感器成本上得到较好的折中。

大多数对可见光透过率高的物质，如玻璃，对红外透过率极低，当红外线经过玻璃元件的时候，会被强烈吸收。因此，以玻璃材质构成的光学部件，不适用于基于红外线的光学指纹采集仪。亚克力(Acrylics)，指纯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，具有高透明度，对红外光具有良好的透射率，利用亚克力的这种特性，可作为基于红外线的光学指纹采集仪的光学部件材料，如采集棱镜和透镜组。

成像传感器同时对可见光敏感，为了避免可见光的干扰，需要对可见光进行滤除，可使用改性亚克力材料做光学部件，改性亚克力材料本身具备可见光滤除效应，是一种掺杂了红外透过可见光吸收物质的特殊亚克力材料；当使用普通亚克力材料做光学部件时，因普通亚克力材料不具备可见光滤除效应，用普通亚克力材料注塑而成的光学器件亦不具备滤除可见光的效应，需要在采集仪上加装红外滤过可见光吸收的滤片，放置在成像传感器和透镜组之间，也可以放置在采集棱镜和透镜组之间。

本发明提供了一种光学指纹采集仪，包括外壳、光源、采集棱镜、透镜组和成像传感器，其特征在于，

所述采集棱镜采用亚克力材料注塑而成，包括入射面，出射面和采集面；

所述光源为红外面光源，包括导光板和红外发光二极管，所述红外发光二极管发出波长范围是0.8μm至50μm的红外光束；

所述透镜组是用多个亚克力材料注塑而成的透镜组合而成，位于采集棱镜出射面一侧；

所述光源发出的红外光线从采集棱镜的入射面进入，以大于采集面临界角的入射角到达采集面，在采集面上发生全反射后从采集棱镜的出射面出射，经过透镜组汇聚到成像传感器。

所述亚克力材料为普通亚克力材料，所述光学指纹采集仪还包括滤片，所述滤片能够使红外滤过可见光吸收，位于成像传感器和透镜组之间或采集棱镜和透镜组之间。

所述亚克力材料为改性亚克力材料，所述改性亚克力材料能够使红外透过可见光吸收。

所述导光板包括光入射面和光出射面；所述导光板的光入射面与红外发光二极管紧贴，导光板的光出射面与采集棱镜的入射面紧贴；所述红外二极管发出的红外光束从所述导光板的光入射面进入，经过导光板传导并分散，在导光板的光出射面出射。

所述红外发光二极管的数量可以是一个或多个。

所述成像传感器由半导体传感器阵列构成，所述半导体传感器为金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器。

本发明提供的一种光学指纹仪具有如下几点优势：

首先根据受抑全内反射的原理，采用波长较长的红外光源，达到较高的透射深度，从而使得接触不佳的干手指脊线也能形成较大的倏逝波透射比，降低反射率，有效地解决了干手指因为无法充分接触采集面造成的采集效果差的问题；其次，亚克力材料具有良好的透射率，对红外光线的吸收率低，利用亚克力材料制成的采集棱镜和透镜组能够很好的将红外光源透射，避免了普通光学棱镜对红外强烈吸收的缺点；第三，采集仪使用本身具有红外滤过可见光吸收效应的改性亚克力材料的光学元件，或在使用普通亚克力材料光学元件的采集仪上加装红外透射可见光吸收的滤片，能够有效防止因为可见光干扰导致成像因光强衰减而模糊，而自然界近红外光功率远低于可见光，提高了成像的信噪比。

附图说明

图1是受抑全内反射原理图；

图2是受抑全内反射中透射率和相对距离以及入射角的关系曲线图；

图3是本发明的具体实施例一的结构示意图；

图4是本发明的具体实施例二的结构示意图。

具体实施方式

本发明为了提高干手指在光学指纹采集仪中的采集图像效果，根据受抑全内反射原理，由于现有的光学指纹采集仪采用可见光作为光源，其波长一般在380nm至780nm之间，可以通过提高入射光的波长λ的方法来提高脊、谷透射率差异，从而使得接触不佳的干手指脊线也能形成较大的倏逝波透射比，降低反射率。

红外线的波长范围0.8μm至100μm，而指纹识别技术要求指纹图像分辨率约为500dpi，合每像素50μm，常用金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器的光谱灵敏范围为0.4μm至1.15μm，远红外专用CCD传感器可达到几十μm，选择0.8μm至50μm的红外光作为光源，能在指纹图像和成像传感器成本上得到较好的折中。

大多数对可见光透过率高的物质，如玻璃，对红外透过率极低，当红外线经过玻璃元件的时候，会被强烈吸收。因此，以玻璃材质构成的光学部件，不适用于基于红外线的光学指纹采集仪。亚克力(Acrylics)，指纯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，具有高透明度，对红外光具有良好的透射率，利用亚克力的这种特性，可作为基于红外线的光学指纹采集仪的光学部件材料，如采集棱镜和透镜组。

成像传感器同时对可见光敏感，为了避免可见光的干扰，需要对可见光进行滤除，可使用改性亚克力材料做光学部件，改性亚克力材料本身具备可见光滤除效应，是一种掺杂了红外透过可见光吸收物质的特殊亚克力材料；当使用普通亚克力材料做光学部件时，因普通亚克力材料不具备可见光滤除效应，需要在采集仪上加装红外滤过可见光吸收的滤片，放置在成像传感器和透镜组之间，也可以放置在采集棱镜和透镜组之间。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一：

如图3所示，本发明提供的一种光学指纹采集仪，包括外壳1、光源2、采集棱镜3、透镜组4、成像传感器5和滤片6。

光源2为红外光源，由导光板21和红外发光二极管22组成，导光板21包括光入射面211和光出射面212，导光板21的光入射面211与红外发光二极管22紧贴，导光板21的光出射面212与采集棱镜3的入射面31紧贴，红外发光二极管22的数量可以是一个或多个，其发出波长范围在0.8μm至50μm的红外光束。

采集棱镜3采用普通亚克力材料注塑而成，包括入射面31，出射面32和采集面33。

透镜组4为采用普通亚克力材料注塑而成的单个透镜的组合，与成像传感器5安装在一起，位于采集棱镜3的出射面32一侧。

成像传感器5由半导体传感器阵列构成，半导体传感器一般可选用电荷耦合器件(CCD)传感器或金属氧化物半导体(CMOS)传感器，而CCD传感器的光谱响应相对于CMOS来说更广范，因此本实施例中，选用CCD传感器。

由于普通亚克力材料不具备滤除可见光的效应，因此用普通亚克力材料注塑而成的采集棱镜和透镜组亦不具备滤除可见光的效应，需要加装红外滤过可见光吸收的滤片6，可以安装在采集棱镜3的出射面32与透镜组4之间，也可以安装在透镜组4和成像传感器5之间，出于加工成本的考虑，本实例中采用后者。

其采集原理是，红外二极管22发出的红外光束从导光板21的光入射面211进入，经过导光板21传导并分散，在导光板21的光出射面212出射并从采集棱镜3的入射面31进入，以大于采集棱镜3采集面33的全反射临界角的位置到达采集棱镜3的采集面32，被采集的手指充分靠近采集面33，由于指纹谷线部分与采集面33不接触，可视为其间距远远大于波长数量级，不满足发生受抑全内反射的条件，透射率很小或为零，反射率很高，反射光线从采集棱镜3的出射面32射出，经过透镜组4和滤片6在成像传感器5上显示为亮线；指纹脊线处与采集棱镜3的采集面33紧贴，能够使其与采集面的距离达到波长数量级，入射光线发生受抑全内反射现象，一部分光被手指耦合输出，透射出采集面33，反射光因此衰减，在成像传感器5上显示为暗线。

实施例二：

如图4所示，本发明提供的一种光学指纹采集仪，包括外壳1、光源2、采集棱镜3、透镜组4和成像传感器5。

光源2为红外光源，由导光板21和红外发光二极管22组成，导光板21包括光入射面211和光出射面212，导光板21的光入射面211与红外发光二极管22紧贴，导光板21的光出射面212与采集棱镜3的入射面31紧贴，红外发光二极管22的数量可以是一个或多个，其发出波长范围在0.8μm至50μm的红外光束。

改性亚克力材料本身具备可见光滤除效应，是一种掺杂了红外透过可见光吸收物质的特殊亚克力材料。本实施例中采集棱镜3采用改性亚克力材料注塑而成，包括入射面31，出射面32和采集面33。透镜组4是采用改性亚克力材料注塑而成的单个透镜的组合，与成像传感器5安装在一起，位于采集棱镜3的出射面32一侧。

成像传感器5由半导体传感器阵列构成，半导体传感器一般可选用电荷耦合器件(CCD)传感器或金属氧化物半导体(CMOS)传感器，而CCD传感器的光谱响应相对于CMOS来说更广范，因此本实施例中，选用CCD传感器。

其采集原理是，红外二极管22发出的红外光束从导光板21的光入射面211进入，经过导光板21传导并分散，在导光板21的光出射面212出射并从采集棱镜3的入射面31进入，以大于采集棱镜3采集面33的全反射临界角的位置到达采集棱镜3的采集面32，被采集的手指充分靠近采集面33，由于指纹谷线部分与采集面33不接触，可视为其间距远远大于波长数量级，不满足发生受抑全内反射的条件，透射率很小或为零，反射率很高，反射光线从采集棱镜3的出射面32射出，经透镜组4汇聚到成像传感器5上显示为亮线；指纹脊线处与采集棱镜3的采集面33紧贴，能够使其与采集面的距离达到波长数量级，入射光线发生受抑全内反射现象，一部分光被手指耦合输出，透射出采集面33，反射光因此衰减，在成像传感器5上显示为暗线。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (6)

1.一种光学指纹采集仪，包括外壳、光源、采集棱镜、透镜组和成像传感器，其特征在于，

所述采集棱镜采用亚克力材料注塑而成，包括入射面，出射面和采集面；

所述光源为红外面光源，包括导光板和红外发光二极管，所述红外发光二极管发出波长范围是0.8μm至50μm的红外光束；

所述透镜组是用多个亚克力材料注塑而成的透镜组合而成，位于采集棱镜出射面一侧；

所述光源发出的红外光线从采集棱镜的入射面进入，以大于采集面临界角的入射角到达采集面，在采集面上发生全反射后从采集棱镜的出射面出射，经过透镜组汇聚到成像传感器。

2.根据权利要求1所述的一种光学指纹采集仪，其特征在于，所述亚克力材料为普通亚克力材料，所述光学指纹采集仪还包括滤片，所述滤片能够使红外滤过可见光吸收，位于成像传感器和透镜组之间或采集棱镜和透镜组之间。

3.根据权利要求1所述的一种光学指纹采集仪，其特征在于，所述亚克力材料为改性亚克力材料，所述改性亚克力材料能够使红外透过可见光吸收。

4.根据权利要求1所述的一种光学指纹采集仪，其特征在于，所述导光板包括光入射面和光出射面；所述导光板的光入射面与红外发光二极管紧贴，导光板的光出射面与采集棱镜的入射面紧贴；所述红外二极管发出的红外光束从所述导光板的光入射面进入，经过导光板传导并分散，在导光板的光出射面出射。

5.根据权利要求1所述的一种光学指纹采集仪，其特征在于，所述红外发光二极管的数量可以是一个或多个。

6.根据权利要求1所述的一种光学指纹采集仪，其特征在于，所述成像传感器由半导体传感器阵列构成，所述半导体传感器为金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器。

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