CN102663381A - 一种低畸变单指指纹采集系统及降低梯形畸变的方法 - Google Patents

Abstract

一种低畸变单指指纹采集系统及降低梯形畸变的方法，该指纹采集系统包括采集器支架、梯形棱镜、CMOS图像传感器、光学镜头、CMOS控制及LED供电模块，支架的中间部分安放光学镜头，支架的前端安放梯形棱镜，梯形棱镜的底面用于按压指纹，梯形棱镜顶面处安装LED光源模组，采集器支架的后端安放CMOS图像传感器。光学镜头由一块梯形棱镜、两片透镜构成。CMOS背面电路板上设有CMOS控制及LED供电模块；本发明设计的低畸变单指指纹采集装置主要是采用结合近远心光路和棱镜倾斜面补偿的方法降低由于指纹采集原理产生的梯形畸变，系统具有高分辨率、高对比度、低畸变和结构简单等特点。对提高身份识别的准确性、安全性、识别速度等具有实质性意义。

Description

一种低畸变单指指纹采集系统及降低梯形畸变的方法

技术领域

本发明属于光学仪器和模式识别技术领域，具体涉及生物特征采集装置方面。由一块梯形棱镜、两片透镜构成的低畸变、高分辨率指纹采集系统及结合远心光路和棱镜倾斜面补偿降低梯形畸变的方法。

背景技术

生物识别是一种新的身份识别技术。现实生活中，每个人都有区别于其他人的独特的生物特征。随着计算机技术的发展，人们可以从自身中提取多种生物特征数据，例如指纹、手指静脉、手指背纹、面像、瞳孔、声音、掌纹等等。这种依靠人身体特征进行身份验证的技术总称为生物识别技术。

随着国内第二代身份识别系统的全面推开，社会对于身份识别的准确性、安全性、识别速度等都提出了新的要求。国家公安部已准备将个人指纹生物特征存入第三代身份识别系统。生物识别的核心在于如何获取这些生物特征，并将之转换为数字信息，存储于计算机中，利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。

光学指纹识别系统是指纹识别系统中使用最广泛的一类。但是光学指纹采集系统的梯形畸变、分辨率一直是影响指纹识别系统准确性及处理速度的重要因素。

国内外企业及科研院校对这类系统也做了相当多的研究，其中就有提出棱镜倾斜面补偿的方法来减小梯形畸变，但这样的系统存在固有的像散，系统的成像质量较差。又有通过远心光路来降低系统畸变的方法，但该方法更适合于多指或掌纹这类在尺寸上较大的系统。再有采用软件插值算法对显示前的图像进行形状调整和补偿来实现梯形畸变校正，但主要针对图像精度要求不高的应用，图像经校正后，图像出现毛刺和不平滑现象，导致清晰度低影响识别效率。

本发明针对单指指纹采集光学系统的小型化、简易化、低畸变，增加识别系统的安全性、可靠性和有效性，所以对指纹采集光学系统提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于近远心光路和棱镜倾斜面补偿结合方法的一种低畸变单指指纹采集系统，以解决指纹采集系统由于原理上存在的梯形畸变问题，提高认证系统的可靠性、稳定性和实用性。

本发明提供的低畸变单指指纹采集系统，包括采集器支架(1)、光学镜头(2)、梯形棱镜(3)、CMOS控制及LED供电模块(6)、CMOS图像传感器(7)，采集器支架(1)的中间部分安放光学镜头(2)，支架的前端安放梯形棱镜(3)，梯形棱镜的底面用于按压指纹，梯形棱镜顶面处安装LED光源模组(8)用以提供指纹采集面的照明，采集器支架的后端安放CMOS图像传感器(7)用以获取高对比度指纹图像；光学镜头(2)由孔径光阑(9)、凸透镜(4)和凹透镜(5)构成，凸透镜主要起到汇聚指纹处漫反射光线作用，凹透镜主要起到校正光学像差作用；在CMOS图像传感器(7)背面设有CMOS控制及LED供电模块(6)：

所述的CMOS控制及LED供电模块包括单片机、DSP芯片、FLASH芯片、稳压电源，单片机分别与DSP芯片、FLASH芯片和LED连接，DSP芯片又分别与CMOS图像传感器和FLASH芯片相连，DSP用于向CMOS图像传感器发送控制信号以及接收CMOS图像传感器采集的图像信息，同时DSP将图像信息存入FLASH芯片，稳压电源分别连接DSP芯片、FLASH芯片和LED，采用稳压电源向CMOS控制电路及LED光源模块供电，单片机同时监管系统整体时序；

所述的LED光源模组采用两颗550nm波长LED作为光源，也可替换为其它波长LED作为光源，LED光源根据保证像面的照度均匀进行分布；

所述的CMOS图像传感器可以更换成CCD图像传感器，同样能起到获取指纹图像的作用。

本发明同时提供了一种降低梯形畸变的方法，该方法采用近远心光路及棱镜倾斜面补偿相结合的方法降低系统由于指纹采集原理产生的梯形畸变；具体步骤包括：

第一、将孔径光阑设置在光学镜头凸透镜的焦点附近处，使得指纹面进入后续系统的主光线近似平行光轴，实现近远心光路的光路特征，降低畸变；

第二、光学式单指指纹采集系统，采集指纹时将待采集指纹的手指按压在指纹采集面，利用棱镜的全反射原理，手指指纹谷线处空气与玻璃的界面发生全反射，脊线处与指纹采集棱镜紧密接触而不发生全反射，形成高对比度指纹图像，然后后续光学系统将棱镜采集面的指纹纹理成像在探测器CMOS/CCD上，为使得指纹接触面能产生全反射，光学系统的光轴必须与指纹接触面产生一定的倾斜。倾角θ可由光全反射定律得出：

θ＝arctan(1/n)

式中θ为光轴与采集面法线夹角，n为棱镜折射率。

设W′表示指纹图像下端宽度，W为指纹图像上端宽度，δ为指纹面长度在光轴上的投影长度，与指纹采集面同光轴夹角θ及指纹面长度L相关。它们之间有如下关系：

δ＝L*cos(π/2-θ)

W′＝W+4δtanω

系统的梯形畸变量可以表示为：

Δ＝W′/W

式中Δ为系统最大梯形畸变量。

通过计算指纹图像在光轴上投影长度以及采集器采集的指纹图像的最大梯形畸变量Δ小于设计要求值，确定梯形棱镜底面(10)即指纹采集面与光轴的夹角α、最大视场与光轴的夹角ω。

第三、设γ为棱镜倾斜面(11)处的折射角度，棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角β，指纹采集面与光轴的夹角α，指纹采集面水平轴的夹角

通过下列公式：

sin(π/2-β)＝nsinγ

π-α＞θ

确定合理的棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角β，减小由于棱镜底面(10)倾斜带来的光学系统非对称像差，起到倾斜面像差补偿作用；

第四、利用上述的参数指纹采集面水平轴的夹角

最大视场与光轴的夹角ω、棱镜倾斜面(11)与光轴倾角β，进行光学优化设计确定梯形棱镜(3)、凸透镜(4)、凹透镜(5)和孔径光阑(9)在采集器支架中的相对位置，最终实现采集图像的高分辨率及低畸变。

本发明的优点和有益效果：

本发明为可得到低畸变、高分辨率指纹图像的指纹采集系统，采集设备简单，采集快速、准确，由于采用光学式结构，系统更加耐用，且具有高的实用性。对比仅采用棱镜补偿方式降低梯形畸变的指纹采集系统可以获得更高清晰度的指纹图像，相对采用严格远心光路设计的光路来说，本发明方法结合近远心光路和棱镜倾斜面补偿更适合小型系统，具有小型化优点。

附图说明：

图1指纹采集装置的内部结构；

图2指纹采集系统的网格畸变图；

图3CMOS控制及LED供电模块原理图；

图4试制系统实测网格图像；

图5试制系统实测指纹图像；

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式：

指纹采集光学系统是光学式指纹识别系统的一个重要组成部分，指纹识别对光学系统的畸变以及分辨率精度都有严格要求，为获得高分辨率、高对比度和低畸变的指纹采集系统，本发明提出一种针对降低非轴对称系统畸变方法，采用近远心光路及倾斜面补偿相结合的方式，降低系统梯形畸变。

图1是指纹采集装置的内部结构，包括采集器支架(1)、光学镜头(2)、梯形棱镜(3)、CMOS控制及LED供电模块(6)、CMOS图像传感器(7)，采集器支架(1)的中间部分安放光学镜头(2)，支架的前端安放梯形棱镜(3)，梯形棱镜的底面用于按压指纹，梯形棱镜顶面处安装LED光源模组(8)用以提供指纹采集面的照明，采集器支架的后端安放CMOS图像传感器(7)用以获取高对比度指纹图像；光学镜头(2)由孔径光阑(9)、凸透镜(4)和凹透镜(5)构成，凸透镜主要起到汇聚指纹处漫反射光线作用，凹透镜主要起到校正光学像差作用；在CMOS图像传感器(7)背面设有CMOS控制及LED供电模块(6)；

图2为该系统的网格畸变图，该图表示出该系统中存在的最大剩余畸变。从图中看出，该采集系统在整个视场内最大畸变量的绝对值小于0.43％。

图3为CMOS控制及LED供电模块包括单片机、DSP芯片、FLASH芯片、稳压电源，单片机分别与DSP芯片、FLASH芯片和LED连接，DSP芯片又分别与CMOS图像传感器和FLASH芯片相连，DSP用于向CMOS图像传感器发送控制信号以及接收CMOS图像传感器采集的图像信息，同时DSP将图像信息存入FLASH芯片，稳压电源分别连接DSP芯片、FLASH芯片和LED，采用稳压电源向CMOS控制电路及LED光源模块供电，单片机同时监管系统整体时序；

应用例一

首先根据降低梯形畸变的方法，梯形棱镜需要满足全反射条件，光轴与采集面法线夹角θ，棱镜采用ZF1光学材料，折射率n为1.648可由光全反射定律得出：

θ＝arctan(1/n)＝31.25°

然后，由设计要求指纹图像上端宽度W＝16mm，指纹面长度L＝18mm，设W′指纹图像下端宽度，最大视场与光轴的夹角ω，δ为指纹面长度在光轴上的投影长度，与指纹采集面同光轴夹角θ及指纹面长度L相关。它们之间有如下关系：

δ＝L*cos(π/2-θ)

W′＝W+4δtanω

系统的梯形畸变量可以表示为：

Δ＝(W′-W)/W

式中最大梯形畸变量Δ≈1～2％。

通过计算指纹图像在光轴上投影长度以及采集器采集的指纹图像的最大梯形畸变量Δ接近设计要求值，确定梯形棱镜底面(10)即指纹采集面与光轴的夹角α＝28°、最大视场与光轴的夹角ω大约0.5°。

第三、设γ为棱镜倾斜面(11)处的折射角度，棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角β，指纹采集面与光轴的夹角α，指纹采集面水平轴的夹角

通过下列公式：

sin(π/2-β)＝nsinγ

π-α＞θ

确定棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角β为31°

第四、利用上述的参数指纹采集面水平轴的夹角最大视场与光轴的夹角ω、棱镜倾斜面(11)与光轴倾角β，进行光学优化设计确定梯形棱镜(3)、凸透镜(4)、凹透镜(5)和孔径光阑(9)在采集器支架中的相对位置。

根据上述结构参数加工指纹采集装置，具体指纹采集装置的内部结构，包括采集器支架(1)、光学镜头(2)、梯形棱镜(3)、CMOS控制及LED供电模块(6)、CMOS图像传感器(7)，CMOS控制及LED供电模块包括单片机、DSP芯片、FLASH芯片、稳压电源，单片机分别与DSP芯片、FLASH芯片和LED连接，DSP芯片又分别与CMOS图像传感器和FLASH芯片相连，DSP用于向CMOS图像传感器发送控制信号以及接收CMOS图像传感器采集的图像信息，同时DSP将图像信息存入FLASH芯片，稳压电源分别连接DSP芯片、FLASH芯片和LED，采用稳压电源向CMOS控制电路及LED光源模块供电，单片机同时监管系统整体时序；

系统开始工作以后，将待采集黑白网格图像安放在指纹采集面处，单片机开启LED光源模块照射指纹采集面，指纹采集面处黑色条带处光线大部分被吸收，白色条带出光线大部分散射出梯形棱镜，然后被后续光学镜头接收并会聚在成像CMOS图像传感器上，DSP用于向CMOS图像传感器发送控制信号，CMOS图像传感器产生图像信号传入DSP芯片进行处理，处理完成后DSP将图像信息存入FLASH芯片，最后PC机应用程序向FLASH提取图像信息并在显示器显示出来。

利用本发明提供的指纹采集系统，实际采集畸变测试网格，图4为该试制系统的实测网格图，该试制系统采集的网格未通过图像处理软件校正畸变，图中可看到，网格基本没有梯形畸变。

应用例二

利用本发明指纹采集系统，采集指纹时将待采集指纹的手指按压在指纹采集面，利用棱镜的全反射原理，手指指纹谷线处玻璃与空气界面发生全反射，脊线处与指纹采集面紧密接触而不发生全反射，形成高对比度指纹图像，后续光学系统将棱镜采集面的指纹纹理成像在探测器CMOS/CCD上，图5为试制系统的实测指纹图像，由图可见，通过指纹采集系统实际采集到的手指指纹图像已足够清晰至能分辨指纹上毛孔细节，可见其清晰度已可满足指纹识别要求。

虽然以具体实施方式描述发明，但是了解该技术的人将清楚地知道在所附权利要求所划定的范围内进行各种外观的修改，均属本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低畸变单指指纹采集系统，其特征在于该指纹采集系统包括采集器支架(1)、光学镜头(2)、梯形棱镜(3)、CMOS控制及LED供电模块(6)、CMOS图像传感器(7)，采集器支架(1)的中间部分安放光学镜头(2)，支架的前端安放梯形棱镜(3)，梯形棱镜的底面用于按压指纹，梯形棱镜顶面处安装LED光源模组(8)用以提供指纹采集面的照明，采集器支架的后端安放CMOS图像传感器(7)用以获取高对比度指纹图像；光学镜头(2)由孔径光阑(9)、凸透镜(4)和凹透镜(5)构成，凸透镜主要起到汇聚指纹处漫反射光线作用，凹透镜主要起到校正光学像差作用；在CMOS图像传感器(7)背面设有CMOS控制及LED供电模块(6)；

所述的CMOS控制及LED供电模块包括单片机、DSP芯片、FLASH芯片、稳压电源，单片机分别与DSP芯片、FLASH芯片和LED连接，DSP芯片又分别与CMOS图像传感器和FLASH芯片相连，DSP用于向CMOS图像传感器发送控制信号以及接收CMOS图像传感器采集的图像信息，同时DSP将图像信息存入FLASH芯片，稳压电源分别连接DSP芯片、FLASH芯片和LED，采用稳压电源向CMOS控制电路及LED光源模块供电，单片机同时监管系统整体时序；

所述的LED光源模组采用两颗550nm波长LED作为光源，也可替换为其它波长LED作为光源，LED光源根据保证像面的照度均匀进行分布；

所述的CMOS图像传感器可以更换成CCD图像传感器，同样能起到获取指纹图像的作用。

2.一种降低梯形畸变的方法，其特征在于采用近远心光路及棱镜倾斜面补偿相结合的方法降低系统由于指纹采集原理产生的梯形畸变；具体步骤包括：

第一、将孔径光阑设置在光学镜头凸透镜的焦点附近处，使得指纹面进入后续系统的主光线近似平行光轴，实现近远心光路的光路特征，降低畸变；

第二、通过计算指纹图像在光轴上投影长度以及指纹采集系统采集的指纹图像的最大梯形畸变量，确定梯形棱镜底面(10)与光轴的夹角；

第三、确定合理的棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角，减小由于棱镜底面(10)倾斜带来的光学系统非对称像差，起到倾斜面像差补偿作用；

第四、利用前三步中光阑位置、梯形棱镜底面(10)与光轴的夹角、棱镜倾斜面(11)与光轴的夹角，进行光学优化设计确定梯形棱镜(3)、凸透镜(4)、凹透镜(5)和孔径光阑(9)在采集器支架中的相对位置，最终实现采集图像的高分辨率及低畸变。

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