CN102368298A - 一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，包括指纹采集器、背光单元、指示单元和外壳，其特征在于：指纹采集器是包括光指纹图像采集单元的光学双指指纹采集器，光指纹图像采集单元包括带存储单元芯片的电路控制模块和光学系统，存储单元芯片用于存储功能文件，以便完成采集后的登记与识别。本发明采用模块化设计，以辅助提高管理力度及可靠性，其光学系统、电路控制模块及外壳具备小型化的特点，克服了现有同类型的双指指纹采集装置体积大的缺陷，从而进一步节约了成本，便于携带。本发明可以与计算机联合使用完成用户双指指纹采集、双指指纹比对、异常报警、控制信号输出等功能，有效提高了指纹采集速率和识别精度。

Description

一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置

技术领域

本发明涉及应用电子电路进行指纹识别的方法或装置，特别是涉及一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置。

背景技术

指纹识别技术具有方便、可靠、非侵害和成本比较低的特点，将用户指纹数据分配到相应的指纹验证装置，可实时上传指纹按压记录，生成指纹按压报表，为追查事故提供依据。但是，现有光学式指纹采集装置的采集窗口尺寸尚未见有符合中国公安部门和美国联邦调查局(Federal Bureauof Investigation，缩略词为FBI)有关活体滚动或双指指纹采集窗口尺寸必须大于1.6×1.5英寸，图像分辨率为500dpi±1％，灰度级为256gray～level的要求，而且指纹图像采集速度、所用芯片均采用小封装、缩减光学系统的长度、实现模块化以便携带等方面也有待进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，包括指纹采集器、背光单元、指示单元和保护面板即外壳。

这种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置的特点是：

所述指纹采集器是包括光指纹图像采集单元的光学双指指纹采集器，所述光指纹图像采集单元包括带存储单元芯片的电路控制模块和光学系统，所述电路控制模块和光学系统用于一般为食指和中指的双指、单指和滚动指纹的实时采集与比对，所述存储单元芯片用于存储功能文件，以便完成采集后的登记与识别。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述电路控制模块还包括用于采集图像的至少85万像素的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩略词为CMOS)传感器、控制CMOS传感器完成采集图像数据的主控芯片、提供时钟信号给主控芯片的晶体振荡电路、加密芯片、降压集成电路、以及与计算机通讯进行数据传输的数据通讯单元，所述数据通讯单元用于与计算机联合使用，以完成用户指纹采集与比对。

优选的是，所述主控芯片是美国Cypress半导体公司出品的型号为CY7C68013A的主控芯片，设有双指指纹采集单元、数据通讯单元、数据存储单元以及输出控制单元，主控芯片分别与CMOS传感器、加密芯片、存储单元芯片、降压集成电路、指示单元、晶体振荡电路、数据通讯单元连接，用于实现双指指纹采集、双指指纹图像校正、数据通讯和输出控制。

优选的是，所述CMOS传感器是美国Aptina公司出品的型号为MT9M001C12STM的130万像素黑白CMOS传感器，由主控芯片提供时钟信号、复位信号、同步信号和I²C信号进行控制，采集到的数据直接传送至所述主控芯片。

所述加密芯片是深圳市华曦达科技股份有限公司出品的型号为DM2016N的加密芯片，用于下载自有软件算法和代码，对用户重要数据提供全方位、高安全度的保护，维护自身权益，避免软件盗版。

所述存储单元芯片采用型号为AT24C64CN-SH-B(64K)的存储芯片。

所述数据通讯单元包括带静电保护的通用串行总线(Universal SerialBus，缩略词为USB)连接座，设置在外壳后侧，且设有防水防尘橡胶盖。

所述USB连接座是12引脚双排USB母座，与两端为12引脚双排USB公座连接器的连接线配用。

所述光学系统包括直角梯形棱镜、平凸透镜、两个平面反光镜面和透镜系统；

所述直角梯形棱镜沿着光路方向位于光源上方倒置在采集窗口处，所述直角梯形棱镜的下底面为工作面，所述直角梯形棱镜的直角腰射出指纹图像，所述直角梯形棱镜的下方设有所述光指纹图像采集单元的主板。

所述平凸透镜沿着光路方向摆放在前面。

所述两个平面反光镜面沿着光路方向摆放，分别与所述直角梯形棱镜的直角边成45°和135°的夹角，与水平面均成45°的夹角，将光线准确反射至设置在透镜系统的成像物镜的相面上采集图像的CMOS光电转换器，所述两个平面反光镜面用于延长光路，使装置体积更加小型化。

所述透镜系统包括成像物镜和目镜，沿着光路方向依次摆放，包括双凸透镜、第一凹凸透镜、第二凹凸透镜。

所述光路总长调整范围为240mm～280mm，直角梯形棱镜中光路总长调整范围为110mm～130mm，平凸透镜中光路总长调整范围为7mm～9mm，双凸透镜中光路总长调整范围为0.8mm～1.5mm，第一凹凸透镜中光路总长调整范围为0.5mm～1.0mm，第二凹凸透镜中光路总长调整范围为6.5mm～7.5mm，具体数值根据镜片材料物距和像距决定，所述直角梯形棱镜、平凸透镜、双凸透镜、第一凹凸透镜和第二凹凸透镜的间距根据图像质量调整。

所述指示单元包括分别直接与主控芯片连接的指示灯和蜂鸣器。

所述指示灯是发光二极管(Light Emitting Diode，缩略词为LED)指示灯，受电路控制模块主控芯片的控制，所述LED指示灯光源为不同色可见光的发光二极管，且在外壳的上表面上设有使亮度均匀的导光柱，根据照明强度的取值和照明方式设置，其电源和地分别通过导线从所述光指纹图像采集单元的主板供电和共地。

所述蜂鸣器设置在外壳的一侧面，受电路控制模块主控芯片的控制及时做出各种响应，使人机交互更简单。

所述外壳的形状大体为长方体，外壳前面的上表面设有用做指纹采集窗口的长方形开口，且设有内凹的弧面，所述外壳的底座是加厚加长的橡胶底座，所述外壳的底座还设有橡胶脚垫，加大防滑面积，以防止按压指纹时发生指纹变形以及装置滑动甚至倾倒，所述外壳的长宽高尺寸根据所述光学系统的体积调整。

所述指纹采集窗口尺寸大于1.6×1.5英寸，即CMOS传感器的采集区域面积大于1.6×1.5英寸，符合中国公安部门和美国FBI有关要求。

所述内凹的弧面，弧度从-0.4rad变化至+0.4rad，以便用户按压手指。

所述外壳的后侧设有内有钢结构加固的锁孔，与采用钢丝锁缆的防盗锁具的T型锁扣相互卡合，将装置锁牢在固定位置或以被锁位置为圆心、以钢丝锁缆长为半径的可挪动空间，以防止被盗。

所述外壳的两侧面设有多条平行的防滑条，用于防滑与装饰的防滑，所述防滑条宽度为1mm，深度为0.8mm，长度为3～110mm。

所述背光单元包括均布波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯板和用于调节所述LED背光板亮度的外接电位器，所述背光单元安装在所述直角梯形棱镜的正下方，将采集指纹图像信息的光线呈现在图像采集单元感光阵列并转换成电信号。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明采用模块化设计，以辅助提高管理力度及可靠性，其光学系统、电路控制模块及外壳具备小型化的特点，克服了现有同类型的双指指纹采集装置体积大的缺陷，从而进一步节约了成本，便于携带。本发明可以与计算机联合使用完成用户双指指纹采集、双指指纹比对、异常报警、控制信号输出等功能，有效提高了指纹采集速率和识别精度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的外壳的主视图；

图2是本发明具体实施方式的外壳的侧视图；

图3是本发明具体实施方式的外壳的俯视图；

图4是本发明具体实施方式的光指纹图像采集单元的组成方框图；

图5是本发明具体实施方式的光学系统的光路二维图；

图6是本发明具体实施方式的操作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明的方法进行说明。

一种如图1～6所示的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，包括指纹采集器、背光单元22、指示单元12和保护面板即外壳。

指纹采集器是包括光指纹图像采集单元的光学双指指纹采集器，光指纹图像采集单元包括带存储单元芯片10的电路控制模块和光学系统，电路控制模块和光学系统用于一般为食指和中指的双指、单指和滚动指纹的实时采集与比对，存储单元芯片10用于存储功能文件，以便完成采集后的登记与识别。

电路控制模块还包括用于采集图像的CMOS传感器8、控制CMOS传感器8完成采集图像数据的主控芯片7、提供时钟信号给主控芯片7的晶体振荡电路13、加密芯片9、降压集成电路11、以及与计算机通讯进行数据传输的数据通讯单元14，数据通讯单元14用于与计算机联合使用，以完成用户指纹采集与比对。

主控芯片7是美国Cypress半导体公司出品的型号为CY7C68013A的主控芯片，设有双指指纹采集单元、数据通讯单元、数据存储单元以及输出控制单元，主控芯片7分别与CMOS传感器8、加密芯片9、存储单元芯片10、降压集成电路11、指示单元12、晶体振荡电路13、数据通讯单元14连接，用于实现双指指纹采集、双指指纹图像校正、数据通讯和输出控制。

加密芯片9是深圳市华曦达科技股份有限公司出品的型号为DM2016N的加密芯片，用于下载自有软件算法和代码，对用户重要数据提供全方位、高安全度的保护，维护自身权益，避免软件盗版。

存储单元芯片10采用型号为AT24C64CN-SH-B(64K)的存储芯片，由主控芯片7进行控制。

CMOS传感器8是美国Aptina公司出品的型号为MT9M001C12STM的130万像素黑白CMOS传感器，由主控芯片7提供时钟信号、复位信号、同步信号和I²C信号进行控制，采集到的数据直接传送至主控芯片7。

数据通讯单元14包括带静电保护的USB连接座4，设置在外壳后侧，且设有防水防尘橡胶盖。

USB连接座是12引脚双排USB母座，与两端为12引脚双排USB公座连接器的连接线配用。

光学系统包括直角梯形棱镜17、平凸透镜18、两个平面反光镜面15、16和透镜系统；

直角梯形棱镜17沿着光路方向位于光源上方倒置在采集窗口处，直角梯形棱镜17的下底面为工作面，直角梯形棱镜17的直角腰射出指纹图像；直角梯形棱镜17的下方设有光指纹图像采集单元的主板。

平凸透镜18沿着光路方向摆放在前面。

两个平面反光镜面15、16沿着光路方向摆放，分别与直角梯形棱镜17的直角边成45°和135°的夹角，与水平面均成45°的夹角，将光线准确反射至设置在透镜系统的成像物镜的相面上采集图像的CMOS光电转换器8，两个平面反光镜面15、16用于延长光路，使装置体积更加小型化。

透镜系统包括成像物镜和目镜，沿着光路方向依次摆放，包括双凸透镜19、第一凹凸透镜20、第二凹凸透镜21。

光路总长调整范围为240mm～280mm，直角梯形棱镜17中光路总长调整范围为110mm～130mm，平凸透镜18中光路总长调整范围为7mm～9mm，双凸透镜19中光路总长调整范围为0.8mm～1.5mm，第一凹凸透镜20中光路总长调整范围为0.5mm～1.0mm，第二凹凸透镜21中光路总长调整范围为6.5mm～7.5mm，具体数值根据镜片材料物距和像距决定。直角梯形棱镜17、平凸透镜18、双凸透镜19、第一凹凸透镜20和第二凹凸透镜21的间距根据图像质量调整。

本具体实施方式的像方数值孔径为6.916。像方视场半径为4.3mm。放大倍率为-0.1。物像共轭距，即光路总长为260mm。后截距为2.8mm。

直角梯形棱镜17厚为34.657mm，光路总长为120mm，半孔径为37.709589，斜边腰的角度为67°，上表面即采集面为78mm×50mm，光学材料为K9。

直角梯形棱镜17与平凸透镜18间的光路总长为5mm，半孔径为31.832918mm。

平凸透镜18的中心厚度为8mm，半孔径为30.993274mm，光学材料为H-K9L。

平凸透镜18经过光阑孔后与双凸透镜19间的光路总长为100mm，半孔径为30.660635mm。光阑孔的厚度为6.257746mm，半孔径为1.051812mm。

双凸透镜19的中心厚度为1.341117mm，半孔径为3.025609mm，光学材料为H-ZLAF50B。

双凸透镜19与第一凹凸透镜20间的光路总长为0.096224mm，半孔径为3.083121mm。

第一凹凸透镜20的中心厚度为0.797901mm，半孔径为3.076572mm，光学材料为H-ZF52。

第一凹凸透镜20与第二凹凸透镜21间的光路总长为8.832268mm，半孔径为2.946591mm。

第二凹凸透镜21的中心厚度为7.001482mm，半孔径为4.903812mm，光学材料为H-LAF54。

第二凹凸透镜21与像面间的光路总长为2.796325mm，半孔径为3.714652mm。像面的半孔径为4.010869mm。

指示单元12包括分别直接与主控芯片7连接的指示灯和蜂鸣器。

指示灯1是LED指示灯，受电路控制模块主控芯片7的控制，LED指示灯由红光二极管和绿光二极管组合，且在外壳的上表面上设有使亮度均匀的导光柱，根据照明强度的取值和照明方式设置，其电源和地分别通过导线从光指纹图像采集单元的主板供电和共地。

蜂鸣器设置在外壳的一侧面，受电路控制模块主控芯片的控制及时做出各种响应，使人机交互更简单。

外壳的形状大体为长方体，外壳前面的上表面设有用做指纹采集窗口6的长方形开口，且设有内凹的弧面2，外壳的底座是加厚加长的橡胶底座，底座下设有半径为9mm，厚度为3mm的高质量橡胶脚垫，加大防滑面积。以防止按压指纹时发生指纹变形以及装置滑动甚至倾倒，外壳的长宽高尺寸根据所述光学系统的体积调整。

指纹采集窗口6尺寸为45×43mm，即CMOS传感器8的采集区域面积大于1.6×1.5英寸，符合中国公安部门和美国FBI有关要求。

内凹的弧面2，弧度从-0.4rad变化至+0.4rad，以便用户按压手指。

外壳的后侧设有内有钢结构加固的锁孔5，尺寸为7×3mm，形状为矩形圆角，与采用长1m的钢丝锁缆的防盗锁具的T型锁扣相互卡合，将装置锁牢在固定位置或以被锁位置为圆心、以钢丝锁缆长为半径的可挪动空间，以防止被盗。

外壳的两侧面设有多条平行的防滑条3，用于防滑与装饰的防滑，所述防滑条宽度为1mm，深度为0.8mm，长度为3～110mm。

背光单元22包括均布波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯板和用于调节所述LED背光板亮度的外接电位器，背光单元22安装在直角梯形棱镜17的正下方，将采集指纹图像信息的光线呈现在图像采集单元感光阵列并转换成电信号。

本具体实施方式的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别过程如下：

1)用USB连接线将本装置与计算机连接，通电后LED指示灯的红光二极管亮；

2)在计算机上打开对应的程序准备指纹登记；

3)显示程序主界面，依据用户输入的信息执行相应程序，例如输入用户相关信息等操作，同时点扫描按钮；

4)按照软件提示进行指纹的登记工作，软件提示登记单指指纹，且此时LED指示灯中的红光二极管灭，绿光二极管闪烁，频率为一秒一次，用户将一个手指按到指纹采集面上进行登记指纹，软件判断采集装置是否有指纹捺按，如果有指纹捺按，则进行指纹登记，如果登记成功，则进行下一步操作，如果登记不成功，则显示重按手指，按照步骤4)继续执行，如果无指纹捺按，则继续按照步骤4)执行；

5)单指指纹登记成功后，软件自行提示登记单指滚动指纹，且此时LED指示灯中的红光二极管灭，绿光二极管常亮，用户将一个手指在指纹采集面上滚动，进行登记指纹，软件判断采集装置是否有指纹滚动，如果有指纹滚动，则进行指纹登记，如果登记成功，则进行下一步操作，如果登记不成功，则显示重按手指，按照步骤5)继续执行，如果无指纹滚动，则继续按照步骤5)执行；

6)单指滚动指纹登记成功后，软件自行提示登记双指指纹，且此时LED指示灯中的红光二极管灭，绿光二极管闪烁，频率为一秒两次，用户将两个手指，一般为食指和中指同时按在指纹采集面上，进行登记指纹，软件判断采集装置是否有指纹捺按，如果有指纹捺按，则进行指纹登记，如果登记成功，则进行下一步操作，如果登记不成功，则显示重按手指，按照步骤6)继续执行，如果无指纹捺按，则继续按照步骤6)执行；

7)指纹采集装置异常时，红光二极管闪烁，频率为一秒两次。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，包括指纹采集器、背光单元、指示单元和保护面板即外壳，其特征在于：

所述指纹采集器是包括光指纹图像采集单元的光学双指指纹采集器，所述光指纹图像采集单元包括带存储单元芯片的电路控制模块和光学系统，所述电路控制模块和光学系统用于一般为食指和中指的双指、单指和滚动指纹的实时采集与比对，所述存储单元芯片用于存储功能文件，以便完成采集后的登记与识别。

2.如权利要求1所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述电路控制模块还包括用于采集图像的至少85万像素的互补金属氧化物半导体CMOS传感器、控制CMOS传感器完成采集图像数据的主控芯片、提供时钟信号给主控芯片的晶体振荡电路、加密芯片、降压集成电路、以及与计算机通讯进行数据传输的数据通讯单元，所述数据通讯单元用于与计算机联合使用，以完成用户指纹采集与比对。

3.如权利要求1或2所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述数据通讯单元包括带静电保护的USB连接座，设置在外壳后侧，且设有防水防尘橡胶盖。

4.如权利要求3所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述光学系统包括直角梯形棱镜、平凸透镜、两个平面反光镜面和透镜系统；

所述直角梯形棱镜沿着光路方向位于光源上方倒置在采集窗口处，所述直角梯形棱镜的下底面为工作面，所述直角梯形棱镜的直角腰射出指纹图像，所述直角梯形棱镜的下方设有所述光指纹图像采集单元的主板；

所述平凸透镜沿着光路方向摆放在前面；

所述两个平面反光镜面沿着光路方向摆放，分别与所述直角梯形棱镜的直角边成45°和135°的夹角，与水平面均成45°的夹角，将光线准确反射至设置在透镜系统的成像物镜的相面上采集图像的CMOS光电转换器，所述两个平面反光镜面用于延长光路，使装置的体积更加小型化；

所述透镜系统包括成像物镜和目镜，沿着光路方向依次摆放，包括双凸透镜、第一凹凸透镜、第二凹凸透镜；

所述光路总长调整范围为240mm～280mm，直角梯形棱镜中光路总长调整范围为110mm～130mm，平凸透镜中光路总长调整范围为7mm～9mm，双凸透镜中光路总长调整范围为0.8mm～1.5mm，第一凹凸透镜中光路总长调整范围为0.5mm～1.0mm，第二凹凸透镜中光路总长调整范围为6.5mm～7.5mm，具体数值根据镜片材料物距和像距决定，所述直角梯形棱镜、平凸透镜、双凸透镜、第一凹凸透镜和第二凹凸透镜的间距根据图像质量调整。

5.如权利要求4所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述指示单元包括分别直接与主控芯片连接的指示灯和蜂鸣器；

所述指示灯是发光二极管LED指示灯，受电路控制模块中主控芯片的控制，所述LED指示灯光源为不同色可见光的发光二极管，且在外壳的上表面上设有使亮度均匀的导光柱，根据照明强度的取值和照明方式设置，其电源和地分别通过导线从所述光指纹图像采集单元的主板供电和共地；

所述蜂鸣器设置在外壳的一侧面，受电路控制模块主控芯片的控制及时做出各种响应，使人机交互更简单。

6.如权利要求5所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述外壳的形状大体为长方体，外壳前面的上表面设有用做指纹采集窗口的长方形开口，且设有内凹的弧面，所述外壳的底座是加厚加长的橡胶底座，所述外壳的底座还设有橡胶脚垫，加大防滑面积，以防止按压指纹时发生指纹变形以及装置滑动甚至倾倒，所述外壳的长宽高尺寸根据所述光学系统的体积调整。

7.如权利要求6所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述指纹采集窗口尺寸大于1.6×1.5英寸，即CMOS传感器的采集区域面积大于1.6×1.5英寸，符合中国公安部门和美国联邦调查局相关要求；

所述内凹的弧面，弧度从-0.4rad变化至+0.4rad，以便用户按压手指。

8.如权利要求7所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述外壳的后侧设有内有钢结构加固的锁孔，与采用钢丝锁缆的防盗锁具的T型锁扣相互卡合，将装置锁牢在固定位置或以被锁位置为圆心、以钢丝锁缆长为半径的可挪动空间，以防止被盗。

9.如权利要求8所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述外壳的两侧面设有多条平行的防滑条，用于防滑与装饰的防滑，所述防滑条宽度为1mm，深度为0.8mm，长度为3～110mm。

10.如权利要求9所述的双指、单指和滚动指纹的采集、登记与识别装置，其特征在于：

所述背光单元包括均布波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯板和用于调节所述LED背光板亮度的外接电位器，所述背光单元安装在所述直角梯形棱镜的正下方，将采集指纹图像信息的光线呈现在图像采集单元感光阵列并转换成电信号。

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