CN103781421B - 脊图案记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物测量，降低了脊图案记录系统的成本，增加了脊图案记录系统的可靠性，这提供了高图像质量并具有小的尺寸、高的操作速度和减少的能耗。该系统包括光源、确定扫描表面的位置的元件、光学系统、多元件图像传感器、电子存储器和处理装置，其中，来自系统的输出电子图像通过在处理装置中的合并与至少两个中间图像连接，这些中间图像与来自扫描表面的光学图像连接，其中，具有小于L的波长的辐射光束比具有大于L的波长的辐射光束至少高5倍，并且L的值满足条件0.37·L^1.5/(A·N·T^1.2)＜1，L是微米级的临界波长，T是微米级的光敏元件的间隔，A是在图像传感器一侧的光学系统的数值孔径，以及N是针对输出图像的一个元素而言的图像传感器的光敏元件的数量。

Description

脊图案记录系统

技术领域

本发明涉及生物测量领域，特别地，涉及用于自动记录脊图案(ridge patterns)的系统。

背景技术

图1显示了用于记录脊图案的一种典型系统的示意图。光源1照射在元件2上，元件2确定要被记录的对象的扫描面3的位置，诸如手的手指或手掌上的脊线条的位置。在扫描面上，根据与脊图案的凹部和凸部相对应的区域的反射差，来自光源的光通量最终携带该脊图案的图像。该光学系统通常包括在图像传感器上的收集透镜4、反射镜系统5、物镜6、防护玻璃7和微透镜8，该光学系统得到该光通量并在多元件图像传感器的光敏表面9上产生脊图案的图像。图像传感器将图像从光学图像转换成电子数字图像，并发送该图像到电子存储器10，该电子数字图像的形式是正比于入射到相应的光敏元件上的辐射通量的强度值阵列。处理单元11将该电子图像的刻度标准化，从而产生系统的输出图像。

确定要被记录对象的位置的元件通常设计成光学透明的等腰直角棱镜。然而，用于记录脊图案的系统在设计上有变体，其中使用有复杂形状的棱镜、圆柱状元件或平面平行板作为确定扫描面的位置的元件。在更加罕见的变体中，系统的主体元件是确定扫描面的位置的元件。

光学系统中的镜的数量可以改变，并确定了系统的形状和整个尺寸。

辐射传感器通常构造成一条或矩阵排列的金属氧化物半导体晶体管或电荷耦合器件。

所述系统一个常见的缺点是由于对图像质量的要求极其严格，需要使用具有相对大的光敏元件的图像传感器，这导致传感器工作面的相当大的面积，并且因此构造的系统及其使用成本极高。

大面积的传感器的相当大的花费归因于制造硅片的高成本以及这些硅片的低有效产量百分比。

图2a示出了用于如下系统的典型图像传感器在晶体13的150mm直径硅片12上的布置，该系统用于在1000dpi的分辨率下记录手的手掌的脊图案。这种类型的传感器具有尺寸6.8微米的光敏元件并且沿着水平方向包含7216个元件，以及沿着垂直方向包含5412个元件。从图中可以看出，在晶片上只容纳了四个这种性质的晶体。此外，在这种情况下，晶片用于制造晶体的有用面积大约占它的整个面积的50％。如果在制造中允许总数为四个的关键制造缺陷14，但它们例如是如图2a所示的那样布置的，那么将不能从该晶片获得一个可用的晶体。

如果以相同数量的光敏元件但是以1.4微米的尺寸构造传感器，那么在150mm直径晶片15上的晶体的布置可以如图2b所示意。在这种情况下，晶片容纳了137个晶体16，其占据了晶片几乎80％的面积。同时，如果在制造中允许总数为四个的关键制造缺陷17，如图2a所示的布置，那么从晶片将获得133个可用晶体。因此由于缺陷造成的损失仅占晶片上晶体总数量的3％。

然而，尽管有明显的优势，在记录脊图案的系统中使用具有小的光敏元件的传感器受制于形成的图像的质量，它不足以满足生物测量领域当前的标准，特别是由于元件之间电荷的噪音和扩散。FBI EBTS附录F是当前用于脊图案记录系统的关键标准。

用于记录脊图案的系统的设计有一些变体，其产生所需的分辨率和扫描场的尺寸，同时使用相对便宜的图像传感器。

因此，公开日期为1999年1月12日的且IPC分类号划分为G01B11/124的美国专利5859420公开了一种系统，其中用于记录脊图案的该系统的分辨率通过将该系统细分为多个通道而增加，每个通道形成要被记录的对象的图像的单独一部分，之后各部分图像组合成输出图像。

公开日期为2005年8月9日的且IPC分类号划分为G06K9/32的美国专利6928195公开了一种系统，通过使用系统中的章动式镜子产生多个位移中间图像并形成输出图像，其中中间图像的元素交错，允许增加用于记录脊图案的系统的分辨率而不增加图像传感器中光敏元件的数量。

该系统是本发明的最接近的类似物。其主要缺点是其他元件和步骤的存在，尽管其允许使用相对便宜的传感器，但它们本身贡献给系统额外的花费并降低了它的可靠性。因此，不能实现系统总成本的显著降低，同时可靠性降低，整体尺寸增加，能耗更大并且系统的运行速度更低。

发明目的

本发明的目的是提供一种用于记录脊图案的系统，其具有低成本且高可靠性，同时提供高质量的图像、小的整体尺寸、高的运行速度以及降低的能耗。

发明内容

所述目的在用于记录脊图案该的系统中实现，该系统包括：光源、确定扫描表面的位置的元件、光学系统、多元件图像传感器、存储图像的电子存储器和处理单元，其特征在于：通过在所述处理单元中混合与所述扫描表面上的同一个区域的不同中间图像相对应的中间图像的元素的强度值并且将针对与该区域相对应的强度而获得的值分配给来自所述系统的输出图像的元素，将所述输出图像在所述电子存储器中与至少两个中间图像电连接，并且每一个所述中间图像与所述图像传感器的光敏元件电连接，所述图像传感器的所述光敏元件通过由所述光学系统形成的脊图案扫描表面的图像与所述光源和所述脊图案扫描表面光学连接，其中，在所述图像传感器的灵敏度的光谱范围中，具有小于边界波长L的波长的有用光的总通量比具有大于L的波长的杂散光的总通量至少高五倍，并且L的值满足条件：

$\frac{{0.37L}^{1.5}}{A\&CenterDot;N\&CenterDot;T^{1.2}}<1$

其中，L是以微米表示的边界波长；

T是以微米表示的在所述图像传感器中的对所述有用光敏感的元件的中心之间的间隔；

A是在所述图像传感器一侧，在所述图像传感器的光敏表面上形成所述扫描表面的图像的所述光学系统的有效数值孔径；

N是针对所述输出图像的每一个元素，在所述图像传感器中的光敏元件的数量。

优选地将计算机应用于合并中间图像的图像处理单元。在本发明的另一实施方式中，应用数字信号处理器作为合并中间图像的图像处理单元。

该处理单元、电子存储器和图像传感器可以集成到单个结构元件中。

该图像传感器优选地是单色的。

发明效果

由所列的这组特征所提供的技术效果是该用于记录脊图案的系统的成本降低、可靠性增加、供应高图像质量、小的整体尺寸、高的运行速度以及降低的能耗。

具体实施方式

可以在图1所示的图形中看到本发明的示例实施方式。采用光板1的形式并且构造成具有470纳米的主辐射波长的发光二极管的光源照射在由光学透明材料制成的等腰直角棱镜2上。光穿过棱镜21的入射面，以全内反射的角度照射到斜边面3上，该斜边面3自身确定了脊图案扫描表面。要被记录的对象，诸如手的指纹或手掌，放置在该表面上。在对应于脊图案凸部的点处，来自光源的光通量部分地被要被记录的对象吸收；在其余的区域它被棱镜的斜边面全部反射。这样，光通量最终携带要被记录的脊图案的图像。然后光穿过棱镜的出射面22和收集透镜4，在反射镜5上反射并入射到物镜6上。施加干涉涂层到物镜中一个光学元件的工作表面上以作为剪切光过滤器以阻挡波长超过490纳米的辐射。具有至少0.08的出口数值孔径的物镜在单色照相机的光敏表面9上形成要被记录的对象的图像，该光敏表面构造成为具有元件间间隔为1.7微米的金属氧化物半导体晶体管阵列，其中对于要被记录的对象上的所需分辨率的一个元素需要一个光敏元件，并且光学系统和成像传感器中的元件牢牢地紧固以形成单个主体。照相机产生与入射到相应光敏元件上的光通量相关联的强度值阵列形式的要被记录对象的数字图像，并将其通过USB接口发送到具有处理器11的计算机的存储器10。因此发送四幅中间图像，其形成一幅输出图像。为了实现这一点，程序计算全部四幅中间图像上相同元素的平均强度值并将获得的该值赋值给输出图像中对应的元素。在图3中图形显示了图像各部分合并的原理。

在系统的另一变体设计中，该程序通过暂时地平均和重新标度强度值，将从0到255单位的强度范围变换成0到65535的范围，来合并图像。这样对合并的强度值求和，对通过指定系数获得的值相乘，并将获得的值赋值给对应的输出图像的元素。

在本发明的又一变体实施方式中，为了简化调节该系统的流程，以及精确地修正手动调节光学放大的需要，物镜形成覆盖超出输出图像中期望数量的元素的许多光敏元件的图像。同时该软件通过压缩修改输出图像的比例。因此，例如在物镜形成图像而同时在两个正交方向的每一个上覆盖的许多光敏元件比输出图像中对应方向上所需的元素大10％时，该软件压缩数据，在输出图像中每个元素被分配传感器的1.1²＝1.21个光敏元件。此外，伴随着调节的简化，在这种情况下，依照所述条件0.37·L^1.5/(A·N·T^1.2)＜1，使用更宽的光谱范围变得可能并且因此提供更大的辐射通量，而不损害图像的质量且不增加能耗。

申请人已经制造了几个样品手掌脊图案扫描仪，其具有129×129mm的扫描仪表面尺寸并在该表面上具有相当于500点每英寸的分辨率，包括具有上述指定参数的样品。具有所述参数的装置是第一已知脊图案扫描仪，其具有这种小尺寸的光敏元件，该光敏元件已经能够产生符合FBI EBTS附录F的标准的图像质量。实验数据证实随着合并当前传感器所需数目的中间图像并且随着实施所述比率0.37·L^1.5/(A·N·T^1.2)＜1，使用任何可获得的具有小光敏元件的图像扫描仪构建满足所述标准的脊图案记录系统是可能的。同时，工作辐射通量比寄生辐射通量至少大五倍的事实意味着，该寄生辐射通量具有的对图像质量的影响处在相当于诸如光学系统中光的散射以及寄生反射之类的次要因素的影响的水平上。

由于光敏元件的小尺寸和单色照相机的使用，其每个元件都对工作辐射敏感，图像传感器中用到的传感器面积的整个尺寸相对地小，导致传感器成本的降低以及更低的能耗。同样地因为光敏表面的小尺寸，比起最接近的类似物，物镜的焦距显著地更短，导致系统整个尺寸和透镜成本的减少。在系统中没有移动元件，和最接近的类似物相比，导致运行速度和系统可靠性的增加。合并中间图像以及使用具有相对短的波长的辐射已经使得能够捕获符合FBI EBTS附录F的标准的高质量图像。

附图说明

附图中说明了现有技术和本发明的本质。

图1是脊图案记录系统设计的典型示意图。

图2显示了图像传感器中晶体的布置，在150mm直径的晶片上以不同的光敏元件尺寸沿着水平方向具有7216个光敏元件并且在垂直方向具有5412个光敏元件。图2a显示了具有6.8微米元件的晶体；图2b示出了具有1.4微米元件的晶体。

图3是通过对图像的元素的强度值求平均来将中间图像合并成输出图像的示意图。

Claims (5)

1.一种用于记录脊图案的系统，该系统包括光源、确定扫描表面的位置的元件、光学系统、多元件图像传感器、存储图像的电子存储器和处理单元，其特征在于：通过在所述处理单元中混合与所述扫描表面上的同一个区域的不同中间图像相对应的中间图像的元素的强度值并且将针对与该区域相对应的强度而获得的值分配给来自所述系统的输出图像的元素，将所述输出图像在所述电子存储器中与至少两个中间图像电连接，并且每一个所述中间图像与所述多元件图像传感器的光敏元件电连接，所述多元件图像传感器的所述光敏元件通过由所述光学系统形成的脊图案扫描表面的图像与所述光源和所述脊图案扫描表面光学连接，其中，在所述多元件图像传感器的灵敏度的光谱范围中，具有小于边界波长L的波长的有用光的总通量比具有大于L的波长的杂散光的总通量至少高五倍，并且L的值满足条件：

$\frac{{0.37L}^{1.5}}{A\&CenterDot;N\&CenterDot;T^{1.2}}<1$

其中，L是以微米表示的边界波长；

T是以微米表示的在所述多元件图像传感器中的对所述有用光敏感的元件的中心之间的间隔；

A是在所述多元件图像传感器一侧，在所述多元件图像传感器的光敏表面上形成所述扫描表面的图像的所述光学系统的有效数值孔径；

N是针对所述输出图像的每一个元素，在所述多元件图像传感器中的光敏元件的数量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元是计算机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元是数字信号处理器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多元件图像传感器、所述电子存储器和所述处理单元被集成到单个结构元件中。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多元件图像传感器是单色的。