CN102609692B - 一种单指指纹采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种单指指纹采集装置，是对在先专利CN102043947A公开的《一种小型指纹采集器》的进一步改进，光学单指指纹成像模块的棱镜与平面反射镜之间的光路设有凹凸透镜，凹凸透镜的凸面对着棱镜，棱镜的大端面即活体单指指纹采集窗口大于12.8mm×16.5mm，CMOS传感器是至少8.215万像素的CMOS传感器，光学系统、电路控制模块及壳体具备小型化的特点，进一步节约了成本，便于携带。还可以与计算机联合使用完成用户单指指纹采集、单指指纹比对、异常报警、控制信号输出功能，显著提高了指纹采集速率和识别精度，且活体单指指纹采集窗口尺寸、图像分辨率和图像灰度级符合中国公安部门和美国FBI的要求。
Description
技术领域
本发明涉及应用电子电路进行生物特征识别的方法或装置，特别是涉及一种单指指纹采集装置。
背景技术
现有光学式单指指纹采集装置的体积普遍较大，本申请人的在先专利CN102043947A公开了《一种小型指纹采集器》，包括壳体和设置在所述壳体内的光学指纹成像模块，所述光学指纹成像模块包括顺应光路设置的棱镜、成像物镜、图像采集单元和光源，所述棱镜是纵截面底边大于高的均匀对称的六面梯形棱镜，包括有相互平行正对的大端面、小端面、下侧面和其余三个侧面，所述大端面是图像采集面，所述小端面是光源射入面，所述下侧面是与成像物镜相对的成像面，其特征在于：在所述棱镜和所述成像物镜之间的光路设有平面反射镜，所述光源发出的光经所述棱镜的小端面进入棱镜，被按压在所述棱镜的大端面上的指头反射光线的一部分，由所述棱镜的下侧面射出到所述平面反射镜上，经所述平面反射镜全反射进入所述成像物镜，并经成像物镜消畸变、色差，成像于所述图像采集单元的图像接收面上，所述图像采集单元将接收到的图像转换成电信号输出。这种小型指纹采集器采用平面反射镜进行全反射，光路呈折线，相比直线光路可以明显缩短指纹采集器的纵向尺寸，有利于实现装置小型化，但是，体积仍然较大，不便于携带，不具有与计算机联合使用完成用户单指指纹采集、单指指纹比对、异常报警、控制信号输出的功能，指纹采集速率和识别精度有待进一步提高，且活体单指指纹采集窗口尺寸不符合中国公安部门和美国联邦调查局(Federal Bureau of Investigation，缩略词为FBI)有关必须大于12.8mm×16.5mm、图像分辨率为500dpi，以及图像灰度级为256gray-level的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是对本申请人的在先专利CN102043947A公开的《一种小型指纹采集器》进行进一步改进，提供一种改进的单指指纹采集装置。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种单指指纹采集装置，包括壳体和设置在所述壳体内的光学单指指纹成像模块，以及背光单元，所述光学指纹成像模块包括顺应光路设置的棱镜、成像组件、图像采集单元和光源，所述棱镜是三角柱形棱镜，包括有相互平行正对的大端面、小端面和下侧面，所述大端面是单个手指指纹图像采集面即活体单指指纹采集窗口，所述小端面是光源射入面，所述下侧面是与成像相对的成像面，在所述棱镜和所述成像组件之间的光路设有用于延长光路的平面反射镜，所述平面反射镜与所述棱镜成45°的夹角，与水平面成45°的夹角，所述光源发出的光经所述棱镜的小端面进入棱镜，被按压在所述棱镜的大端面上的指头反射光线的一部分，由所述棱镜的下侧面射出到所述平面反射镜上，经所述平面反射镜全反射进入成像组件，成像于所述图像采集单元的图像接收面上的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩略词为CMOS)传感器，将接收到的单个手指指纹图像转换成电信号输出。
这种单指指纹采集装置的特点是：
所述光学单指指纹成像模块的棱镜与平面反射镜之间的光路设有一凹凸透镜，所述凹凸透镜的凸面对着棱镜，以降低光学系统的畸变，提高光学系统的分辨率，使得采集到的指纹图像更加清晰。
所述三角柱形棱镜的大端面即活体单指指纹采集窗口大于12.8mm×16.5mm，即CMOS传感器的采集区域面积大于12.8mm×16.5mm，符合中国公安部门和美国FBI有关活体单指指纹采集窗口尺寸必须大于12.8mm×16.5mm的要求。
所述CMOS传感器是至少8.215万像素的CMOS传感器，图像分辨率至少为500dpi，符合中国公安部门和美国FBI有关必须达到图像分辨率为500dpi的要求。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
优选的是，所述CMOS传感器是中星微公司出品的型号为GC0503的高级视频图形阵列(Super Video Graphics Array，缩略词为SVGA)的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。
所述图像采集单元主板即电路控制模块，设置在所述三角柱形棱镜的下方，包括主控芯片、分别与所述主控芯片连接的存储单元芯片、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，所述主控芯片用于控制CMOS传感器实时采集单个手指指纹以及对指纹进行比对，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，所述晶体振荡电路用于给主控芯片提供时钟信号，所述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保护，所述降压集成电路用于将来自USB连接座的电源降压后向主控芯片和CMOS传感器提供电源，所述数据通讯单元用于与计算机联合使用，以完成用户单指指纹采集、单指指纹比对、异常报警、控制信号输出功能，显著提高了指纹采集速率和识别精度。
所述背光单元包括安装在所述三角柱形棱镜的小底面的波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯。
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，设有单指指纹采集单元、数据通讯单元、数据存储单元以及输出控制单元，符合中国公安部门和美国FBI有关必须达到图像灰度级为256gray-level的要求。
所述存储单元芯片采用型号为AT24C64CN-SH-B(64K)的存储芯片。
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。
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，设置在电路控制模块上。
所述成像组件设置在包括平面反射镜与所述图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器之间的光路上，依次包括与平面反射镜成45°夹角的平凸透镜和传感器保护玻璃，光线经平凸透镜折射进所述图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器，进行指纹图像的采集。
所述三角柱形棱镜、凹凸透镜、平面反射镜、平凸透镜和传感器保护玻璃的间距根据图像质量调整，平凸透镜和传感器保护玻璃的间距由调焦孔调整。
所述三角柱形棱镜、凹凸透镜、平面反射镜、平凸透镜和传感器保护玻璃之间的光路总长调整范围为50mm～53mm，具体数值根据镜片材料、物距和像距决定，其中，
所述三角柱形棱镜中光路总长调整范围为8mm～10mm；
所述三角柱形棱镜和所述凹凸透镜的间距调整范围为1mm～3mm；
所述凹凸透镜中光路总长调整范围为4mm；
所述凹凸透镜和所述成像组件的间距调整范围为13mm～15mm；
所述平凸透镜中光路总长调整范围为2mm；
所述平凸透镜和所述传感器保护玻璃的间距通过调焦孔调整，调整范围为3.5mm～5.5mm；
所述传感器保护玻璃中光路总长调整范围为0.3mm～1mm；
所述传感器保护玻璃和所述CMOS传感器之间的光路总长为0.1～0.8mm。
所述壳体包括主壳体、固定平面反射镜的下侧盖板，以及固定CMOS传感器、背光单元和USB连接座的后盖板。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
采用模块化设计，光学单指指纹成像模块的棱镜与平面反射镜之间的光路设有凹凸透镜，可以降低光学系统的畸变，提高光学系统的分辨率，使得采集到的指纹图像更加清晰，光学系统、电路控制模块及壳体具备小型化的特点，进一步节约了成本，便于携带。还可以与计算机联合使用完成用户单指指纹采集、单指指纹比对、异常报警、控制信号输出功能，显著提高了指纹采集速率和识别精度，，且活体单指指纹采集窗口尺寸符合中国公安部门和美国FBI有关必须大于12.8mm×16.5mm、图像分辨率为500dpi，以及图像灰度级为256gray-level的要求。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的解体结构图；
图2是本发明具体实施方式的电路控制模块的组成方框图；
图3是本发明具体实施方式的光路图。
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进行说明。
一种如图1～3所示的单指指纹采集装置，包括壳体和设置在壳体内的光学单指指纹成像模块，以及背光单元4。
光学指纹成像模块包括顺应光路设置的棱镜、成像组件、图像采集单元和光源，棱镜是三角柱形棱镜1，包括有相互平行正对的大端面、小端面和下侧面，大端面是大于12.8mm×16.5mm的单个手指指纹图像采集面A即活体单指指纹采集窗口，小端面是光源射入面，下侧面是与成像相对的成像面，在三角柱形棱镜1和成像组件之间的光路设有用于延长光路的平面反射镜2，平面反射镜2与三角柱形棱镜1成45°的夹角，与水平面成45°的夹角，光源发出的光经三角柱形棱镜1的小端面进入棱镜，被按压在三角柱形棱镜1的大端面上的指头反射光线的一部分，由三角柱形棱镜1的下侧面射出到平面反射镜2上，经平面反射镜2全反射进入成像组件，成像于图像采集单元的图像接收面上的至少8.215万像素的型号为GC0503的SVGA CMOS传感器9，图像分辨率至少为500dpi。
光学单指指纹成像模块的三角柱形棱镜1与平面反射镜2之间的光路设有凹凸透镜3，凹凸透镜3的凸面对着三角柱形棱镜1，以降低光学系统的畸变，提高光学系统的分辨率，使得采集到的指纹图像更加清晰。
图像采集单元主板即电路控制模块，设置在三角柱形棱镜1的下方，包括美国Cypress半导体公司出品的型号为CY7C68013A的主控芯片12、分别与主控芯片12连接的型号为AT24C64CN-SH-B(64K)的存储单元芯片15、晶体振荡电路13、加密芯片16、降压集成电路11，以及与计算机通讯进行数据传输的包括带静电保护的USB连接座5的数据通讯单元14，主控芯片12处理的图像灰度级为符合中国公安部门和美国FBI有关要求的256gray-level，提供时钟信号、复位信号、同步信号和I2C信号，控制CMOS传感器9实时采集单个手指指纹以及对指纹进行比对，存储单元芯片15用于存储功能文件，以便完成采集后的登记与识别，晶体振荡电路13用于给主控芯片12提供时钟信号，加密芯片16用于下载自有软件算法和代码，对用户重要数据提供保护，降压集成电路用于将来自USB连接座5的电源降压后向主控芯片12和CMOS传感器9提供电源，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。
成像组件设置在包括平面反射镜2与图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器9之间的光路上，依次包括与平面反射镜2成45°夹角的平凸透镜17和传感器保护玻璃7，光线经平凸透镜17折射进图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器9，进行指纹图像的采集。
三角柱形棱镜1、凹凸透镜3、平面反射镜2、平凸透镜17和传感器保护玻璃7的间距根据图像质量调整，平凸透镜17和传感器保护玻璃7的间距由调焦孔8调整。
背光单元4包括安装在三角柱形棱镜1的小底面的波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯。
壳体包括主壳体、固定平面反射镜2的下侧盖板10，以及固定CMOS传感器9、背光单元4和USB连接座5的后盖板。
本发明具体实施方式的工作波长为850nm；入瞳直径为0.6mm；像方视场半径为5.3mm；放大倍率为-0.16；物像共轭距，即三角柱形棱镜1、凹凸透镜3、平面反射镜2、平凸透镜17和传感器保护玻璃7之间的光路总长为51.8mm；后截距为5.4mm。其中，
三角柱形棱镜1中光路总长调整范围为9.1mm，半孔径为9.6mm，上表面即采集面为14.0mm×20.0mm，光学材料为H-LAK7；
三角柱形棱镜1和凹凸透镜3之间的光路总长为2mm，半孔径为8.5mm；
凹凸透镜3的中心厚度为4mm，半孔径为8.25mm，光学材料为H-ZK7；
凹凸透镜3与平凸透镜24之间的光路总长为14.1mm，半孔径为8.25mm。在凹凸透镜3和平凸透镜24间利用平面反射镜25来延长光路，缩小光学采集装置的体积；
平凸透镜17中光路总长为2.0mm，半孔径为2.25mm，光学材料为H-ZF52；
平凸透镜17和传感器保护玻璃7之间的光路总长通过调焦孔8调整为4.5mm，半孔径为2.25mm；
传感器保护玻璃7中光路总长为0.5mm，半孔径为5.24mm，光学材料为BK7；
传感器保护玻璃7和CMOS传感器9之间的光路总长为0.3mm，半孔径为5.24mm。
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)
1.一种单指指纹采集装置，包括壳体和设置在所述壳体内的光学单指指纹成像模块，以及背光单元，所述光学指纹成像模块包括顺应光路设置的棱镜、成像组件、图像采集单元和光源，所述棱镜是三角柱形棱镜，包括有相互平行正对的大端面、小端面和下侧面，所述大端面是单个手指指纹图像采集面即活体单指指纹采集窗口，所述小端面是光源射入面，所述下侧面是与成像相对的成像面，在所述棱镜和所述成像组件之间的光路设有用于延长光路的平面反射镜，所述平面反射镜与所述棱镜成45°的夹角，与水平面成45°的夹角，所述光源发出的光经所述棱镜的小端面进入棱镜，被按压在所述棱镜的大端面上的指头反射光线的一部分，由所述棱镜的下侧面射出到所述平面反射镜上，经所述平面反射镜全反射进入成像组件，成像于所述图像采集单元的图像接收面上的互补金属氧化物半导体CMOS传感器，将接收到的单个手指指纹图像转换成电信号输出，其特征在于：
所述光学单指指纹成像模块的棱镜与平面反射镜之间的光路设有一凹凸透镜，所述凹凸透镜的凸面对着棱镜；
所述三角柱形棱镜的大端面即活体单指指纹采集窗口大于12.8 mm×16.5mm，即CMOS传感器的采集区域面积大于12.8 mm×16.5mm；
所述CMOS传感器是至少8.215万像素的CMOS传感器，图像分辨率至少为500dpi。
2.如权利要求1所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述图像采集单元主板即电路控制模块，设置在所述三角柱形棱镜的下方，包括主控芯片、分别与所述主控芯片连接的存储单元芯片、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，所述主控芯片用于控制CMOS传感器实时采集单个手指指纹以及对指纹进行比对，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，所述晶体振荡电路用于给主控芯片提供时钟信号，所述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保护，所述降压集成电路用于将来自USB连接座的电源降压后向主控芯片和CMOS传感器提供电源，所述数据通讯单元用于与计算机联合使用，以完成用户单指指纹采集、单指指纹比对、异常报警、控制信号输出功能。
3.如权利要求1或2所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述背光单元包括安装在所述三角柱形棱镜的小底面的波长为850nm或940nm的红外二极管的LED背光灯。
4.如权利要求2所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
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，设有单指指纹采集单元、数据通讯单元、数据存储单元以及输出控制单元。
5.如权利要求4所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述存储单元芯片采用型号为AT24C64CN-SH-B的存储芯片；
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。
6.如权利要求5所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述数据通讯单元包括带静电保护的通用串行总线USB连接座，设置在电路控制模块上。
7.如权利要求6所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述成像组件设置在包括平面反射镜与所述图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器之间的光路上，依次包括与平面反射镜成45°夹角的平凸透镜和传感器保护玻璃，光线经平凸透镜折射进所述图像采集单元的图像接收面上的CMOS传感器，进行指纹图像的采集。
8.如权利要求7所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述三角柱形棱镜、凹凸透镜、平面反射镜、平凸透镜和传感器保护玻璃的间距根据图像质量调整，平凸透镜和传感器保护玻璃的间距由调焦孔调整。
9.如权利要求8所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述三角柱形棱镜、凹凸透镜、平面反射镜、平凸透镜和传感器保护玻璃之间的光路总长调整范围为50mm～53mm，具体数值根据镜片材料、物距和像距决定，其中，
所述三角柱形棱镜中光路总长调整范围为8mm～10mm；
所述三角柱形棱镜和所述凹凸透镜的间距调整范围为1mm～3mm；
所述凹凸透镜中光路总长调整范围为4mm；
所述凹凸透镜和所述成像组件的间距调整范围为13mm～15mm；
所述平凸透镜中光路总长调整范围为2mm；
所述平凸透镜和所述传感器保护玻璃的间距通过调焦孔调整，调整范围为3.5mm～5.5mm；
所述传感器保护玻璃中光路总长调整范围为0.3mm～1mm；
所述传感器保护玻璃和所述CMOS传感器之间的光路总长为0.1～0.8mm。
10.如权利要求9所述的单指指纹采集装置，其特征在于：
所述壳体包括主壳体、固定平面反射镜的下侧盖板，以及固定CMOS传感器、背光单元和USB连接座的后盖板。
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