CN102737233A - 一种暗背景光学指纹采集装置 - Google Patents

Abstract

一种暗背景光学指纹采集装置由暗背景光学指纹成像模块和带有自适应调节算法的指纹信号处理模块组成，在暗背景光学指纹成像模块中，同时采用了红外光源和单色可见光源以及具有带通滤波功能的滤光层，大大减少了使用环境中外界杂光的干扰，结合软件算法上的优化，对用干手指或湿手指操作都能够在成像装置上得到可靠的、高清晰度的指纹图像，并能够有效地减少残留指纹的欺骗。

Description

一种暗背景光学指纹采集装置

技术领域

本发明涉及生物识别技术领域，特别涉及一种暗背景光学指纹采集装置。

背景技术

指纹采集装置是指纹识别系统的输入装置，可广泛应用于指纹门禁控制系统、指纹采集仪、指纹考勤机、指纹保险箱等需要用指纹进行识别登录的产品中。

光学指纹采集装置是将光照射到放在棱镜上的指纹以形成一个图像，并且读取被按照指纹的谷和脊的形状反射而形成在图像传感器上的指纹图像，以与预先存储的指纹进行比对，进而确定是否为有效用户指纹，达到安全识别的目的。光学指纹采集装置一般由外壳、采集三棱镜、单色可见光源、透镜组和成像装置组成，是现有的指纹识别系统中广泛使用的指纹采集装置。根据采集原理的不同，光学指纹采集装置采集到的指纹图像可以分为暗背景图像和亮背景图像两种，从而将光学指纹采集装置又可分为两类：暗背景光学指纹采集装置和亮背景光学指纹采集装置。在指纹图像中，表现指纹的脊线谷线纹理的区域称之为前景，非指纹区域或噪声严重以致无法识别指纹纹理的区域，称之为背景。

亮背景光学指纹采集装置也叫全反射吸收型指纹采集装置，它采用全反射的原理，光束以大于采集面的临界角的入射角到达采集面，指纹的脊线与采集棱镜紧密接触，一部分入射光线被手指吸收，一部分发生反射，透镜组将该反射光束成像到成像装置上，脊线吸收了部分全反射光线，显示为暗线，谷线不与采集面接触，入射光线在谷线处发生全反射，显示为亮线，从而得到亮背景的指纹图像。

暗背景光学指纹采集装置也叫指面漫反射型指纹采集装置，它采用漫反射的原理，光束以小于采集面的临界角的入射角到达采集面，指纹的脊线与采集棱镜紧密接触，照射在脊线上的光束，一部分被手指吸收，一部分发生漫反射，指纹脊线接触部位漫反射的光线在成像装置上显示为亮线，谷线不接触，光线仍旧透射出采集棱镜，所以谷线在成像装置上显示为暗线，从而得到暗背景的图像。

由于反射光的量与压在采集棱镜接触面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与接触面之间的油脂和水分有关。普遍认为，暗背景光学指纹采集装置对于湿手指采集到的图像不够清晰，亮背景的光学指纹采集装置对于干手指采集到的图像不够清晰，其原因在于：对于暗背景光学指纹采集装置，由于湿手指皮肤的油脂和水分多，指纹谷线也能较为贴近采集棱镜接触面，大部分入射光线在谷线处也能发生漫反射，在成像装置上与脊线的亮度差不多，无法得到清晰的指纹图像。

对于亮背景光学指纹采集装置，干手指的指纹脊线无法与采集棱镜接触面紧密接触，导致只有少量的光被吸收，而大部分入射光发生全反射并且成像到成像装置上，显示为与谷线相同的亮线，无法得到清晰的指纹图像。

现有亮背景光学指纹采集装置，为了增强对干手指的适应性，特别是在冬天寒冷、干燥的气候环境下，指纹采集比较困难，成像质量不高，往往需要在采集棱镜的采集面上贴上一层增强膜来改善此类问题。但由于此层增强膜比较薄，硬度也不高、耐磨性不够好，容易被尖锐物品划伤而损坏，被粗糙手指长期使用时也会很快磨损，还会受灰尘等脏物影响不易清洁，导致成像质量逐渐变差。因而此种增强膜寿命不长，需要用户定期更换，给实际使用操作带来不方便。

由于光学成像采集原理是利用指纹脊线谷线和光学棱镜表面接触程度的差异进行采集，光学指纹采集仪的光学成像采集还存在易受指纹残留欺骗的缺点。指纹残留是指手指接触采集棱镜表面时，留下的与脊线对应的油渍。由于指纹残留造成的反射光吸收率远小于指纹接触，在暗背景模式下，光学的指纹残留处只有少量的光线被吸收，其余的光线发生漫反射，非指纹残留则全部透射出去，因此指纹残留便形成一幅较为清晰的暗背景指纹纹理图像。

对于现有暗背景光学指纹采集装置，大多采用可见光如红光、蓝光或绿光作为光源，在采集棱镜的采集面上残留有清晰的指纹痕迹时，如果光源背光灯亮度过小，指纹采集及成像质量就容易受到外界杂光的干扰。当外界自然光、阳光或灯光按照某个角度照射指纹采集仪三棱镜时就可能会产生自动采集现象，自动采集的程度取决于背景灯亮度与外光亮度的对比度。这就容易导致错误识别，引起误操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种暗背景光学指纹采集装置，该指纹采集装置抗干扰能力强，指纹成像质量好，对残留指纹的误报率低，而且能较好地适应干手指及湿手指的操作。

本发明所提出的技术解决方案是这样的：

一种暗背景光学指纹采集装置，该装置包括：

——暗背景光学指纹成像模块1，它同时采用红外光源和单色可见光源，以及抗干扰的虑光层，用于获取清晰、可靠的指纹图像；

——带有自适应调节算法2-1的指纹信号处理模块2，能针对不同程度的干手指或湿手指所采集到的指纹图像信号，通过自适应调节算法进行自动调节，获取高质量、高清晰度、可靠的指纹图像。

所述暗背景光学指纹成像模块1设有安装在外壳3内并按前后顺序排布的采集棱镜4、光源板5、遮光板7、大透镜6、小透镜8和成像装置9，在采集棱镜4与成像装置9之间设有滤光层10，所述成像装置9设有能进行光电转换的图像传感器1-1。所述光源板5设有一组LED红外光灯5-1和一组LED可见光灯5-2，每组LED红外光灯5-1和每组LED可见光灯5-2在光源板5上同侧布排或相互交叉布排。

每组LED红外光灯5-1的盏数为1-3，其红外光波长范围为0.76-1.5um；每组LED可见光灯5-2的盏数为1-3，其采用LED红光灯或LED绿光灯或LED蓝光灯中任一种LED单色光灯。采集棱镜4采用五棱镜，设有指纹采集面4-4、黑色衬底面4-2、光源入射面4-3、光学透射面4-5和位于五棱镜两侧的遮光面4-1，所述光源板5的一组LED红外光灯5-1和一组LED可见光灯5-2与所述光源入射面4-3相对并保持在一定的入射角上，所述光学透镜面4-5与所述大透镜6相邻相对。

所述滤光层10为只能让红外光通过的带通滤光片，所述带通滤光片10设置在所述光学透射面4-5、大透镜6、小透镜8、成像装置9中任意相邻两者之间。所述滤光层10为只能让红外光通过的带通滤光膜，所述带通滤光膜10涂覆在所述光学透射面4-5、大透镜6的入射面、大透镜6的出射面、小透镜8的入射面、小透镜8的出射面中任一面上。优先的方式是将所述滤光层10设置在透镜8与成像装置9之间。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：本发明在暗背景光学指纹采集的光路系统中同时采用了可见光源和不可见光源红外光，以及抗干扰的带通滤光层，大大减小了使用环境中外界杂光的干扰，结合软件算法上的优化，无论用干手指或湿手指操作都能够在成像装置上得到可靠的、清晰的指纹图像，并能够有效地减少残留指纹的欺骗。

本暗背景光学指纹采集装置主要应用于指纹锁、指纹采集仪、指纹保险箱、指纹考勤机等需要用指纹进行识别登录的产品上。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种暗背景光学指纹采集装置的系统方框图。

图2是图1所示暗背景光学指纹成像模块的结构分解示意图。

图3是图2所示采集棱镜的结构示意图。

图中标号说明：1，暗背景光学指纹成像模块；1-1，图像传感器；2，指纹信号处理模块；2-1，自适应调节算法；3，外壳；4，采集棱镜 ；4-1，遮光面； 4-2，黑色衬底面；4-3，光源入射面；4-4，指纹采集面；4-5，光学透射面；5，光源板；5-1，红外光源；5-2，可见光源；6，大透镜；7，遮光板；8，小透镜；9，成像装置；10，滤光层（滤光片或滤光膜）。

具体实施方式

通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。

参见图1所示，一种暗背景光学指纹采集装置由暗背景光学指纹成像模块1和指纹信号处理模块2组成。所述暗背景光学指纹成像模块1包括有按前、后顺序排布的采集棱镜4、光源板5、遮光板7、大透镜6、小透镜8、滤光层10、成像装置9，该成像装置9包括有实现光电转换的图像传感器1-1，所述的暗背景光学指纹采集装置还包括安装固定这些部件的外壳3。 

所述光源板5设有两组光源，即红外光源5-1与可见光源5-2。其中一组红外光源5-1为LED红外光源，其盏数为1-3盏，本实施例选用两盏LED红外光灯，用于提供指纹成像所需的光线。所述LED红外光波的范围在0.76～1.5um之间。另一组光源5-2为LED可见光源，其盏数为1-3盏，本实施例选用两盏LED可见光灯，可见光只是用于提供指纹采集时的指示，提示用户录入指纹的位置和停留时间。经过滤光层10的过滤，LED可见光被作为杂光过滤掉，不到达成像装置9。所述LED可见光5-2可以是红色、绿色、蓝色中任一色的LED单色光；所述两盏红外光源5-1可以放在两盏可见光源5-2之间，也可以将两盏可见光源5-2放于两盏红外光源5-1之间，也可以将每组LED红外光灯5-1和每组LED可见光灯5-2在光源板5上同侧布排或相互交叉布排，这些布排方式都不会影响到本实施例的实施效果。

所述遮光板7固定于外壳3上，放置于光源板5与大透镜6之间，可以防止光源板5的两组光不经过采集棱镜4直接到达大透镜6而影响到指纹成像质量。

所述采集棱镜4选用五棱镜，包括指纹采集面4-4、两侧的遮光面4-1、黑色衬底面4-2、光源入射面4-3和光学透射面4-5，参见图2所示，作为优化，两侧的遮光面4-1一般做成磨砂面，黑色衬底面4-2被涂成黑色以吸收光线；所述光源入射面4-3做成磨砂面，以使LED红外光源5-1通过该面后能够比较均匀地散射开；同时，所述光源入射面4-3做成磨砂面还能减弱LED单色可见光源5-2对人眼的视觉影响。

所述采集棱镜4，除了光源入射面4-3、光学透射面4-5、指纹采集面4-4之外的其它面均可以涂有遮光层10，可以避免外部环境中的杂光进入到棱镜内产生成像干扰，以提高采集成像质量。

所述滤光层10具有带通滤波功能，滤光层10可以用滤光片的方式设置在小透镜8与成像装置9之间，或设置在大透镜6与小透镜8之间，还可以设置在采集棱镜4的光学透射面4-5与大透镜6之间；所述滤光层10，还可以通过渡膜的方式设置在采集棱镜4的光学透射面4-5上，也可以设置在大透镜6的入射面或出射面上，还可以设置于小透镜8的入射面或出射面上。综合考虑各光路传输过程中产生的干扰以及结构工艺的影响，本实施例的滤光层10采用滤光片方式，将滤光片10设置在小透镜8之后、成像装置9之前。所述的滤光层10采用只能通过红外光而过滤掉其它可见光的带通滤光片或带通滤光膜，这样，可以保证最大限度消除杂光对成像质量的影响，从而得到更高清晰度的指纹图像。

还可以根据可见光源5-2所采用的不同波长的红光或蓝光或绿光等LED单色光源，将滤光层10设计为不能通过相应不同波长的红光或蓝光或绿光等LED单身光源的带阻滤光片，也能起到消除最大量杂光的作用，从而得到比较好的指纹成像质量。

为保证成像质量，在壳体3内还可以设置一个调焦装置，用于对小透镜8位置及成像焦距作微调，以使在成像装置9上得到清晰可靠的指纹图像。

所述成像装置9内设有图像传感器1-1，本实施例选用CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器与指纹信号处理模块2相连接，将图像信号进行处理，以得到清晰可靠的图像。

为进一步提升所采集到的指纹图像的质量，改善不同程度的干手指或湿手指的适应性，本发明还包括了指纹信号处理模块2该指纹信号处理模块2带有自适应调节算法2-1，能够针对不同程度的干手指或湿手指所采集到的指纹图像信号，用软件的方法进行自动调节，以获得最佳效果、质量更清晰的指纹图像。

综上所述，本发明的实施例提供了一种暗背景光学指纹采集装置，它采用了不可见光源红外光，以及抗干扰的滤光片，大大地减小了使用环境中外界杂光的干扰，结合软件算法上的优化，对干手指或湿手指，都能够在成像装置上得到比较清晰的图像，并能够有效地减少残留指纹的欺骗。

Claims (8)

1.一种暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：该装置包括：

——暗背景光学指纹成像模块（1），它同时采用红外光源和单色可见光源，以及抗干扰的滤光层，用于获取清晰、可靠的指纹图像；

——带有自适应调节算法（2-1）的指纹信号处理模块（2），能针对不同程度的干手指或湿手指所采集到的指纹图像信号，通过自适应调节算法进行自动调节，获取高质量、高清晰度、可靠的指纹图像。

2.根据权利要求1所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述暗背景光学指纹成像模块（1）设有安装在外壳（3）内并按前后顺序排布的采集棱镜（4）、光源板（5）、遮光板（7）、大透镜（6）、小透镜（8）和成像装置（9），在采集棱镜（4）与成像装置（9）之间设有滤光层（10），所述成像装置（9）设有能进行光电转换的图像传感器（1-1）。

3.根据权利要求2所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述光源板（5）设有一组LED红外光灯（5-1）和一组LED可见光灯（5-2），每组LED红外光灯（5-1）和每组LED可见光灯（5-2）在光源板（5）上同侧布排或相互交叉布排。

4.根据权利要求3所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述每组LED红外光灯（5-1）的盏数为1-3，其红外光波长范围为0.76-1.5um；所述每组LED可见光灯（5-2）的盏数为1-3，其采用LED红光灯或LED绿光灯或LED蓝光灯中任一种LED单色光灯。

5.根据权利要求2所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述采集棱镜（4）为五棱镜，设有指纹采集面（4-4）、黑色衬底面（4-2）、光源入射面（4-3）、光学透射面（4-5）和位于五棱镜两侧的遮光面（4-1），所述光源板（5）的一组LED红外光灯（5-1）和一组LED可见光灯（5-2）与所述光源入射面（4-3）相对并保持在一定的入射角上，所述光学透镜面（4-5）与所述大透镜（6）相邻相对。

6.根据权利要求2所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述滤光层（10）为只能让红外光通过的带通滤光片，所述带通滤光片（10）设置在所述光学透射面（4-5）、大透镜（6）、小透镜（8）、成像装置（9）中任意相邻两者之间。

7.根据权利要求2所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述滤光层（10）为只能让红外光通过的带通滤光膜，所述带通滤光膜（10）涂覆在所述光学透射面（4-5）、大透镜（6）的入射面、大透镜（6）的出射面、小透镜（8）的入射面、小透镜（8）的出射面中任一面上。

8.根据权利要求2或6或7所述的暗背景光学指纹采集装置，其特征在于：所述滤光层（10）设置在小透镜（8）与成像装置（9）之间。

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