CN104766050A - 指掌纹成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指掌纹成像系统，包括依次设置的液体腔外壁、充满透明液体的液体腔、液体腔内壁、空腔，置于液体腔中的反射镜组，置于空腔或液体腔内的光源，置于空腔内的成像机构；液体腔外壁的外表面为采集面，用于与待采集指掌纹的手掌相接触，液体腔外壁和液体腔内壁均为透明材质；光源、反射镜组与成像机构之间保持固定角度且三者之间的相对位置不变，并且三者能够同步移动且成像机构能够同步采集反射光；成像系统中的光路为：光源发射出的光在与待采集指掌纹的手掌相接触的采集面上产生反射光，经反射镜组反射进入空腔后，由成像机构采集而形成指掌纹。本发明提供的指掌纹成像系统，结构更紧凑，具有体积小，重量轻，生产成本较低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及指掌纹图像获取技术领域，特别是指一种指掌纹成像系统。
背景技术
近几年，随着生物识别技术和互联网技术的迅速发展，指纹识别产品已经渗透到日常工作生活之中。其中，四手指采集仪和半掌指掌纹采集仪是出入境和刑侦领域应用的主流产品。随着安全级别的要求越来越高，对于采集器采集能力的要求也随之提高，包括图像质量和采集面积两方面。
针对图像质量方面的要求，现有光学式指纹采集仪，主要通过采用内部全反射实现高对比的指纹图像。如图1所示，为现有光学式指纹采集仪的原理示意图，其原理如下，此类仪器中棱镜通常是玻璃或者塑料，棱镜折射率n1大于空气折射率n2。当照明光线以一定角度θ1(大于临界角)从棱镜内部射向棱镜与空气的接触面(采集面)时，非接触部位(指纹谷)发生全内反射θ2，发生全内反射区域的光线被光学系统收集，从而形成亮的背景图像；而在指纹脊和棱镜表面接触的区域全内反射条件将破坏，只有极少部分的散射光线被成像系统收集，相比全反射形成的背景，脊的区域的图像非常暗，因此形成亮背景暗指纹的图像。
另一方面，采集面积扩大的要求给技术实现带来巨大的难度，因为设备体积的增长三次方于采集窗口尺寸的增加，成本也成倍增加。这是当前所有的指纹采集技术(光学、电子和超声波)所共同面临的难题。这一难题在全指掌纹采集设备的设计中尤为突出。现有的全指掌纹采集技术(光学)主要分为两种，一种是将光路简单的线性放大到全掌尺寸，这样做的缺点，设备体积巨大，使用不便，成本也高到让人难以接受，如果采用平面棱镜，采集整个指掌纹，需6x8英寸的采集窗口，而实现500ppi/1000ppi(像素密度)的图像，所需的图像传感器价格极高。如果采用线阵图像传感器，这部分费用有所降低，但制造与之配合的椎体/柱体棱镜也是非常昂贵的。另外一种方案是采用锥体或柱状棱镜以旋转扫描的方式采集指纹。美国专利US2006169159公开了一种此类的光学成像装置。该装置包含一个较大的固体环形棱镜。因此，这种技术方案虽然使成本有所降低，但椎体/柱体棱镜的成本也是比较昂贵的，此外，设备体积仍然很庞大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种指掌纹成像系统，满足对于图像采集器采集图像质量和采集面积的要求。同时，具备体积小，重量轻，成本适于大规模生产等特点。
基于上述目的本发明提供的一种指掌纹成像系统，包括依次设置的液体腔外壁、充满透明液体的液体腔、液体腔内壁、空腔，以及置于液体腔中的反射镜组，置于空腔或液体腔内的光源，置于空腔内的成像机构；其中，所述液体腔外壁的外表面为采集面，用于与待采集指掌纹的手掌相接触，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为透明材质；
光源、反射镜组与成像机构之间保持固定角度且三者之间的相对位置不变，并且三者能够同步移动且成像机构能够同步采集反射光；其中，所述成像系统中的光路为：所述光源发射出的光在与待采集指掌纹的手掌相接触的采集面上产生全反射光或者受抑全反射，再经反射镜组反射进入空腔后，由成像机构采集而形成指掌纹。
在一些实施方式中，所述成像机构包括透镜或透镜组，以及图像传感器；所述图像传感器为线阵图像传感器或面阵图像传感器。
在一些实施方式中，所述液体腔内所填充的透明液体为蒸馏水、油或别的液体，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为无色透明玻璃、石英或其他透明材料。
在一些实施方式中，所述光源采用单色LED或激光的线光源或线性排列的多个点光源。
在一些实施方式中，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为空心圆筒形状，液体腔内壁置于液体腔外壁中且二者共轴设置，二者之间形成液体腔，液体腔内壁内部形成为空腔；
液体腔内壁能够绕其中心轴线旋转，光源、成像机构以及反射镜组均与液体腔内壁固定连接并随着液体腔内壁的旋转而旋转。
在一些实施方式中，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜且二者的反射面相对；光源置于液体腔内；
所述第一反射镜靠近光源设置，其反射面朝向光源且与光源的光路呈一角度；所述第二反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；
光源发射的光经过第一反射镜反射以不小于全反射角的角度射向采集面，在指掌纹未与采集面接触的区域内，发生全内反射，经第二反射镜反射进入成像机构，形成亮背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构收集，进而形成暗区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集。
在一些实施方式中，所述反射镜组仅包括一个反射镜；所述反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；所述光源设置在空腔内部或设置在液体腔内；
当光源设置在空腔内时，光源的光路垂直或近似垂直液体腔外壁和液体腔内壁射出，在指掌纹未与采集面接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于穿过液体腔外壁的光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成亮区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集。
当光源设置在液体腔内时，光源的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源照射角度为垂直或者近似垂直射出时，光源的光路垂直液体腔外壁射出，在指掌纹未与采集面接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成亮区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集；
当光源照射角度为倾斜射出时，光源发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面，在指掌纹未与采集面接触的区域内，发生全内反射，经反射镜反射进入成像机构，形成亮背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成暗区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集。
在一些实施方式中，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为平板形状，液体腔内壁置于液体腔外壁下方且二者平行或者近似平行设置，二者之间形成液体腔，液体腔内壁下方形成为空腔；
光源能够在空腔内或液体腔内水平移动，成像机构能够在空腔内水平移动，反射镜组在液体腔内与光源和成像机构同步水平移动。
在一些实施方式中，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜且二者的反射面相对；光源置于液体腔内；
所述第一反射镜靠近光源设置，其反射面朝向光源且与光源的光路呈一角度；所述第二反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；
光源发射的光经过第一反射镜反射以不小于全反射角的角度射向采集面，在指掌纹未与采集面接触的区域内，发生全内反射，经第二反射镜反射进入成像机构，形成亮背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构收集，进而形成暗区域；光源和成像机构在第一反射镜和第二反射镜水平移动的同时同步水平移动，从而完成成像机构对采集面上整个指掌纹的采集。
在一些实施方式中，所述反射镜组仅包括一个反射镜；所述反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；所述光源设置在空腔内部或设置在液体腔内；
当光源设置在空腔内时，光源的光线垂直或者近似垂直于液体腔内壁和液体腔外壁射出，在指掌纹未与采集面接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于穿过液体腔外壁的光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成亮区域；光源和成像机构在反射镜水平移动的同时同步水平移动，从而完成成像机构对采集面上整个指掌纹的采集。
当光源设置在液体腔内时，光源的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源照射角度为垂直或近似垂直射出时，光源的光路垂直液体腔外壁射出，在指掌纹未与采集面接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成亮区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集；
当光源照射角度为倾斜射出时，光源发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面，在指掌纹未与采集面接触的区域内，发生全内反射，经反射镜反射进入成像机构，形成亮背景，而在指掌纹与采集面接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜反射后，被成像机构收集，进而形成暗区域；成像机构在液体腔内壁旋转的同时同步移动，从而完成对采集面上整个指掌纹的采集。
从上面所述可以看出，本发明提供的指掌纹成像系统，采用在腔体内充入液体的液体棱镜，通过在液体中放置光学元件，从而保持成像光线以全反射角度入射/出射，进而获得高对比度的指纹图像。该光学元件通过与成像光路进行同步扫描，对所获得局部图像进行拼接，实现对整个采集面的图像采集。本发明优点在于体积小，重量轻，成本低，整体设计更符合人体工程学，具有更好的体验效果。
附图说明
图1为现有光学式指纹采集仪的原理示意图；
图2为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的部分结构放大示意图；
图3a为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的光路中角度关系示意图；
图3b为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的光路中光线形成的三角形示意图；
图3c为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的垂直入射到第一反射镜亮背景光路中角度关系示意图；
图4为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的暗背景光路替代方案结构示意图；
图4a为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的暗背景光路替代方案的光路中角度关系示意图；
图5为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的结构示意图；
图5a为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的光路中角度关系示意图；
图6为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的暗背景光路替代方案结构示意图；
图6a为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的暗背景光路替代方案的光路中角度关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的指掌纹成像系统的实施例所利用的物理学原理是受抑全内反射(FTIR，frustrated Total Internal Reflection)，其基本原理如下：
入射光由光密介质n1射到光疏介质n2的界面时，若入射角θ1大于临界角θc，则全部入射光线被反射回原介质n1内的现象被称为全反射。虽然在普通的全反射条件下，光线全部回到入射介质之中，但是却有一相位的变化，即半波损失。而波矢量相位跃变也意味着矢量的复数域分解。通过理论计算，仍可以发现光线在复域的折射。理论计算过程如下：将入射光分解为s光和p光。以s光为例，设入射角为θ1，折射角为θ2，在界面上，透射系数ts＝2sinθ2cosθ1/sin(θ1+θ2)，而全反射时，n1sinθ1＝n2sinθ2，sinθ2>1，cosθ2为一个虚数，θ2亦为虚数，即光在复域内传播，而ts亦为复数。这种光称为倏逝波，仅仅是一种表面现象。随着深入折射介质，其幅值按指数衰减，在两个波长的距离外几乎可以忽略。可以预见，在经过一定的距离以后，不会再有新的光子从折射介质出来，通过能量守恒定律可知，普通全反射的能量将全部回到入射介质。
上述分析的条件在于光深入折射介质衰减到足够小，但如果折射介质相对于波长而言十分薄。那么由光路可逆原理，复域的光就可以回到实域中。这种效应就是受抑全内反射。受抑全内反射的实现要求全反射基础之上增加另外一层介质n3，介质n3与介质n2相临，且介质n3的折射率大于介质n2。不同于全反射的结果，发生受抑全内反射时只有部分光线会被反射回到介质n1，其余部分透过介质n2进入第三层介质n3。此外，受抑全内反射效应的发生还要求介质n2的厚度必须在入射光波长范围内。受抑全反射的透射率随介质n2的厚度的增加而减小，当介质n2的厚度增加到入射光波长数量级左右时，透射率几乎下降到0。因此，通过控制中间层介质n2的厚度(即倏逝波的衰减程度)可以任意控制反射光与透射光之比。
下面参考附图2至附图6，介绍本发明提供的指掌纹成像系统实施例的基本结构组成。附图2-6，分别是本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的结构示意图、第一个实施例的部分结构放大示意图、第一个实施例的替代方案结构示意图、第二个实施例的结构示意图、第二个实施例的替代方案结构示意图。
基于以上原理，所述指掌纹成像系统，包括依次设置的液体腔外壁2、充满透明液体(无空气气泡)的液体腔3、液体腔内壁4、空腔5，以及置于液体腔3中的反射镜组，置于空腔5内的光源6和成像机构9；其中，所述液体腔外壁2的外表面为采集面2-2，用于与待采集指掌纹的手掌相接触，所述液体腔外壁2和液体腔内壁4均为透明材质；
光源6、反射镜组与成像机构9之间保持固定角度且三者之间的相对位置不变，并且三者能够同步移动且成像机构9能够同步采集反射光；其中，所述成像系统中的光路为：所述光源6发射出的光在与待采集指掌纹的手掌相接触的采集面2-2上产生反射光，经反射镜组反射进入空腔5后，由成像机构9采集而形成指掌纹。
可选的，所述成像机构9包括用于聚焦反射光的透镜或透镜组，以及用于图像采集的图像传感器；所述图像传感器可采用线阵图像传感器或面阵图像传感器；所述光源6采用单色LED或激光的线光源或线性排列的多个点光源，以满足线阵图像传感器或面阵图像传感器在每个采集点位置均能采集到至少为线性的图像光线数据；所述图像传感器可通过连接处理器而导出所采集的图像光线数据，从而得到指掌纹的图像数据。
上述实施例中，液体腔外壁2和液体腔内壁4均为固体的透明材质，而液体腔3中充入的是透明液体，通常情况下，液体腔外壁2和液体腔内壁4的折射率大于液体腔3中充入的透明液体的折射率；可选的，所述液体腔3内所填充的透明液体为水或油，所述液体腔外壁2和液体腔内壁4均为玻璃、石英或塑料；优选的，所述液体腔3内所填充的透明液体为蒸馏水，因为蒸馏水具有透明度高、无污染和成本低的特点，是最理想的介质之一；优选的，所述液体腔外壁2和液体腔内壁4均为无色透明玻璃。
本发明提供的实施例中，采用液体腔3及液体腔外壁2、液体腔内壁4替代传统固体棱镜，使液体腔成为折射率大于空气的均匀介质，光线能在其中匀速直线传播，并且在其与采集面2-2的界面处发生全反射，更重要的是，液体腔3内的液体不会阻止内部反射镜组的移动，从而能实现将反射镜组置于液体腔3中内且保证反射镜组随着光源和成像机构同步灵活移动，使装置结构更紧凑，同时大大减轻了装置的重量。
可选的，所述液体腔外壁2的尺寸根据待测手掌的大小决定，本实施例中根据典型手掌尺寸，优选的将液体腔外壁2的尺寸设定为：宽度为6英寸，周长为大于12英寸(约为双手手掌的大小)。
进一步的，参照附图2和附图3，示出本发明提供的指掌纹成像系统的第一个具体实施例。
所述液体腔外壁2和液体腔内壁4均为空心圆筒形状，液体腔内壁4置于液体腔外壁2中且二者共轴设置，液体腔外壁2和液体腔内壁4两端封闭，在二者之间形成液体腔3，在液体腔内壁4内部形成为空腔5(由液体腔内壁4围成)；
液体腔内壁4能够绕其中心轴线旋转，光源6、成像机构9以及反射镜组均与液体腔内壁4固定连接并随着液体腔内壁4的旋转而旋转；
其中，所述反射镜组包括相对位置固定的第一反射镜7和第二反射镜8且二者的反射面相对；所述第一反射镜7靠近光源6设置，其反射面朝向光源6且与光源6的光路呈一角度；所述第二反射镜8靠近成像机构9设置，其反射面朝向成像机构9且与成像机构9的光路呈一角度；第一反射镜7和第二反射镜8的主要作用是通过反射调整光线传播方向，确保入射光以不小于全反射临界角的角度射向采集面2-2以及反射光能被成像机构9所接收；图2中还示出了其他一些结构和光路中的光线，包括：液体腔外壁2的内表面2-1，图像传感器9-1，感光元件9-2，经第一反射镜7反射的光线11-1，经液体腔外壁2的内表面2-1折射的光线11-2，经采集面2-2反射或者散射的光线11-3，出射到第二反射镜8的光线11-4，被成像机构9收集的光线11-5；
光源6发射的光经过第一反射镜7反射以不小于全反射角的角度射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，发生全内反射，光线几乎无损失地被全部反射回液体腔3内，经第二反射镜8反射进入成像机构9，形成亮背景；而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构9收集，进而形成暗区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时沿扫描方向10同步移动(光源6、第一反射镜7和第二反射镜8均同步移动，保持相对位置不变)，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集。通过以上方式，可从成像机构9中获取亮背景暗指掌纹图像。
具体地，参照附图3a-3c，介绍关于第一个实施例中的光路的角度关系。
图3a是第一个实施例中液体腔外壁2的放大示意图，包括采集面2-2和液体腔外壁2的内表面2-1，n0是采集面所在介质的折射率，通常为空气n0＝1外筒材料折射率为n1，液体腔内的液体折射率为n2。
照明光线照射到采集面时的入射角度为θ1和出射角度为θ0有Snell定律可知：
n0sinθ0＝n1sinθ1，
当θ0＝90°时，此时入射角称为临界入射角为：
θc＝sin-1(n0/n1)，
当θ1≥θc时，在该界面发生全反射，从而获得高对比的指纹图像。
假设液体腔外壁2的内径为R1，壁厚为d1。入射到液体腔外壁2的内表面上的折射反射的法线和折射光线，以及液体腔外壁2的采集面上发生反射的法线组成的三角形如图3b所示，因法线和圆周垂直且他们相交于同心圆的圆心，有正弦定律可知：
R1/sinθ1＝(R1+d1)/sin(180°-θ2)，
因此，
θ2＝sin-1[(1+d1/R1)/sinθ1]。
由θ2和θ3的关系有Snell定律：
n2sinθ3＝n1sinθ2，
θ3＝sin-1[(n1/n2)sinθ2]。
反射镜的角度和位置取决于光源的入射角度和位置，虽然光源可以斜入射到液体腔内壁4内表面，但将光源垂直入射到液体腔内壁4内表面是比较好的选择。如图3c所示，是一种垂直入射到液体腔内壁4内表面的情况，假设入射光线延长线和液体腔外壁2的内表面发生折射的法线夹角为α。反射镜需要将该入射光线反射到以θ3入射到外筒内壁的光线，即：
2θ4＝180°-(α+θ3)，
从而，
θ4＝90°-(α+θ3)/2。
如前述，光源的入射角度有多种选择，如斜入射到液体腔内壁4内表面。光源位置也可以多种选择，只要入射到液体腔后，调整反射镜的位置和角度能够使出射光线以θ3入射到液体腔外壁2的内表面即可。这里不再做一一图示和计算，本领域技术人员可以很容易根据光源的位置和角度，通过Snell定律得到经过两个折射面到达液体腔后的光线，通过调整反射镜的位置和角度，以使该光线入射到液体腔外壁2的内表面的角度为θ3。
同理，在采集面发生全反射的光线，同样遵循Snell定律得出出射光线位置和角度，从而确定成像机构9中透镜或透镜组(成像镜头)的位置和角度。对于垂直入射的情况，如图3c所示，光线在液体腔内壁4和液体腔外壁2内部的光线是关于采集面全反射法线对称的。
可选的，所述液体腔内壁4可通过连接一个内置或外置于空腔的马达，通过控制器控制马达旋转来带动液体腔内壁4实现旋转；此外，该成像系统可以增设辅助位置定位装置，用于侦测定位当前所处角度位置。
本实施例中优选采用的是线阵图像传感器，当旋转扫描系统10旋转至某一位置，线阵图像传感器仅对入射光线与采集面2-2相交的线性区域成像。随着旋转扫描系统10的旋转，控制器控制马达旋转来带动液体腔内壁4实现旋转，从而带动光源6、成像机构9和反射镜组同步旋转，从而实现对采集面上整个指掌纹的采集。这里，仅当线性的光源6和线阵图像传感器或面阵图像传感器的采集面足够大时(通常情况下，实际的器件已能够满足所需的宽度)，液体腔内壁4可只进行旋转动作即能完成图像采集，但若均不够大，则还需令光源6、成像机构9及反射镜组沿液体腔内壁4的轴线方向直线运动并进行同步采集，才能完成整个指掌纹的采集。
参照附图4，为本发明提供的指掌纹成像系统第一个实施例的替代方案结构示意图。作为第一个实施例的替代方案，通过调整光源6和反射镜组的位置，即可实现对暗背景亮指掌纹图像的采集。
与第一个实施例不同的是，该替代方案中，所述反射镜组仅包括一个反射镜12；所述反射镜12靠近成像机构9设置，其反射面朝向成像机构9且与成像机构9的光路呈一角度；
光源6的光路垂直液体腔外壁2和液体腔内壁4射出并几乎垂直射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构9收集不到反射光线，进而形成暗背景；而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，透过液体腔内壁、液体腔和液体腔外壁的光线在指纹处发生散射，有一部分散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而在暗背景上形成亮区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时沿扫描方向10同步移动(光源6和反射镜12均同步移动，保持相对位置不变)，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集。
具体地，参照附图4a，介绍了关于第一个实施例的替代方案中的光路的角度关系。
对于暗背景的光路，即照明光线是以垂直角度入射到液体腔内壁4，而到达液体腔外壁2的外表面(采集面)，对于没有皮肤接触的区域，该光线直接射出液体腔外壁2，对于有接触皮肤的区域，皮肤散射的光线中出射角度不小于全反射临界角度θ1≥θc镜头的位置和角度可以通过类似第一个实施例中所述确定光源位置的方法与步骤类似，使用Snell定律可以确定。暗背景成像的照明源除了垂直入射外，也可以以小角度入射。
除了上述替代方案外，第一个实施例还可以有其他的替代方案，例如，将光源6设置在液体腔3中。
可以想象，当光源6设置在液体腔3内时，光源6的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源6照射角度为垂直射出时，光源6的光路垂直液体腔外壁2射出，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构9收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而形成亮区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时同步移动，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集；
当光源6照射角度为倾斜射出时，光源6发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，发生全内反射，经反射镜12反射进入成像机构9，形成亮背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而形成暗区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时同步移动，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集。
可选的，所述反射镜组可采用普通的机械连接方式固定在液体腔内壁4上，或者与液体腔内壁4通过一体成型的方式固定(如图2-4所示)。
从本发明指掌纹成像系统第一个实施例及其替代实施例中可以看出，本发明提供的指掌纹成像系统，整体构造上采用圆柱体的设计，采集面2-2设置于圆柱体的外表面，并且将成像机构和光源内置到内部的空腔5内，从而显著减小设备的体积。此外，采集面2-2和空腔5之间填充液体以替代传统的棱镜，不仅减轻了设备整体重量，降低了生产成本，更重要的是，以最简捷的方式将反射镜组设置于液体腔3中内且保证反射镜组随着旋转扫描系统同步灵活移动，使装置结构更紧凑，同时大大减轻了装置的重量。此外，环握式的操作方式符合人体工程学，具有更好的体验效果。
可选的，参照附图5，为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的结构示意图。
如图5所示，所述指掌纹成像系统整体采用平板式构造，所述液体腔外壁2和液体腔内壁4均为平板形状，液体腔内壁4置于液体腔外壁2下方且二者平行设置，二者之间形成液体腔3，液体腔内壁4下方形成为空腔5；光源6和成像机构9能够在空腔5内水平移动，反射镜组在液体腔3内与光源6和成像机构9同步水平移动；
所述反射镜组包括第一反射镜7和第二反射镜8且二者的反射面相对；所述第一反射镜7靠近光源6设置，其反射面朝向光源6且与光源6的光路呈一角度；所述第二反射镜8靠近成像机构9设置，其反射面朝向成像机构9且与成像机构9的光路呈一角度；
光源6发射的光经过第一反射镜7反射以不小于全反射角的角度射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，发生全内反射，经第二反射镜8反射进入成像机构9，形成亮背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构9收集，进而形成暗区域(与亮背景的亮度相对)；光源6和成像机构9在第一反射镜7和第二反射镜8水平移动的同时沿扫描方向10同步水平移动，从而完成成像机构9对采集面2-2上整个指掌纹的采集。在该种实施方式中，采集到的指掌纹图像以亮背景暗指掌纹的形式呈现。
具体地，参照附图5a，介绍了关于第二个实施例中的光路的角度关系。
对于所述指掌纹成像系统的平板扫描方式，亮背景实施例如图5a所示，当θ1≥θc时，在该界面发生全反射，θc＝sin-1(n0/n1)。由于液体腔外壁2的上下两个面是平行的，θ2和θ1相等。
由θ2和θ3的关系有Snell定律：
n2sinθ3＝n1sinθ2，
θ3＝sin-1[(n1/n2)sinθ2]。
照明光源入射角度为垂直入射时，入射光线和法线平行，因此θ3和2θ4是补角，则θ4＝90°-θ3/2。经采集面反射之后的成像光线和照明一侧的光线对称可以确定镜头的位置和角度。
本实施通过将反射镜组内置到平板状的液体腔3内，并且保持相对于光源6和成像机构9特定的位置与角度，从而保证在扫描过程中实现受抑全内反射。与第一个实施例不同的是，本实施例中扫描方式不是以旋转方式，而是以线性方式进行扫描。液体腔3内放置的反射镜组与空腔5内的光源6和成像机构9在同步的驱动装置的驱动下同步进行线性移动，从而实现对整个采集面的图像采集。
可选的，所述光源6和成像机构9可通过传动机构连接一个内置或外置于空腔的马达，通过控制器控制马达旋转来带动光源6和成像机构9实现在空腔5内的线性移动，反射镜组则可通过磁吸方式与光源6之间形成连接，当光源6和成像机构9直线运动时可通过磁力带动反射镜组移动。
本实施例中优选采用的是线阵图像传感器，当旋转扫描系统10旋转至某一位置，线阵图像传感器仅对入射光线与采集面2-2相交的线性区域成像。随着旋转扫描系统10的旋转，控制器控制马达旋转来带动反射镜组、光源6和成像机构9实现从采集面2-2的一端向另一端的直线运动，从而实现对采集面上整个指掌纹的采集。这里，仅当线性的光源6和线阵图像传感器或面阵图像传感器的采集面足够大时(通常情况下，实际的器件能够满足所需的宽度)，液体腔内壁4可只进行水平方向移动即能完成图像采集，但若均不够大，则还需令光源6、成像机构9及反射镜组沿垂直图4中的纸面方向直线运动并进行同步采集，或者采用并行的2-4个成像机构9来实现拓宽视野，或者采用缩小光路长度的方法，才能完成整个指掌纹的采集。
参照附图6，为本发明提供的指掌纹成像系统第二个实施例的替代方案结构示意图，该替代方案可采集到暗背景亮指掌纹图像。
与第二个实施例不同的是，所述反射镜组仅包括一个反射镜12；所述反射镜12靠近成像机构9设置，其反射面朝向成像机构9且与成像机构9的光路呈一角度；
光源6的光路近似垂直液体腔外壁2和液体腔内壁4射出，几乎垂直射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构9收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，透过外壁的光线经指掌纹散射，有一部分散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而形成亮区域；光源6和成像机构9在反射镜12水平移动的同时沿扫描方向10同步水平移动，从而完成成像机构9对采集面2-2上整个指掌纹的采集。
参照附图6a，介绍了关于第二个实施例的替代方案中的光路的角度关系。
平板式扫描的暗背景实施例的光路如图6a所示，照明光源垂直入射到采集面，被皮肤散射的光线中出射角度大于临界角时，镜头收集到的光线形成高对比度的图像。和亮背景中相同，使用Snell定律确定反射镜的角度及位置，这里不再重复叙述。
除了上述替代方案外，第二个实施例还可以有其他的替代方案，例如，将光源6设置在液体腔3中。
可以想象，当光源6设置在液体腔3内时，光源6的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源6照射角度为垂直射出时，光源6的光路垂直液体腔外壁2射出，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构9收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而形成亮区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时同步移动，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集；
当光源6照射角度为倾斜射出时，光源6发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面2-2，在指掌纹未与采集面2-2接触的区域内，发生全内反射，经反射镜12反射进入成像机构9，形成亮背景，而在指掌纹与采集面2-2接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜12反射后，被成像机构9收集，进而形成暗区域；成像机构9在液体腔内壁4旋转的同时同步移动，从而完成对采集面2-2上整个指掌纹的采集。
从本发明指掌纹成像系统第二个实施例及其替代实施例中可以看出，本发明提供的指掌纹成像系统，构造上采用平板式设计，通过将采集面2-2设置在液体腔外壁2的上表面，将反射镜组内置于平板式液体腔3内以及将成像机构9和光源6内置到空腔5内，从而实现了设备构造的紧凑，显著减小设备的体积。此外，液体腔3内填充液体以替代传统棱镜，保证了反射镜平移的灵活性，减轻了设备重量，降低了生产成本。与实施例1相比，本实施例中的特点在于，整体形状更加轻薄，适于放置于平面上使用，操作更加方便，同时，生产调试也更加简单。
与现有技术相比，本发明指掌纹成像系统创新之处主要有以下几点：第一，通过在液体腔内部放置光学元件的方法，以保持一定入射出射角度，从而实现某些特殊角度的光线成像。第二，通过使液体内部的光学元件和外部的成像系统同步运动，实现图像扫描。第三，将成像系统内置到采集面内部，以实现装置结构的紧凑和体积减小。
除上述两个实施例之外，本发明还有其他替代方案。例如，液体腔中的反射镜组，可以替换为特殊棱镜等其他光学元件，以实现对光路的折转；此外，液体腔内光学元件与扫描系统保持同步的方式也可有以下几种：1.可以将光学元件固定在支架上，而支架伸入空腔内，并与扫描驱动控制系统连接，以保持光学元件和扫描系统的同步联动。2.可以通过将光学元件安装在磁性物体上，通过与空腔内扫描驱动控制系统上的磁性物体配对进行同步。3.可以通过重力实现同步。例如，将线性扫描系统以某个角度竖起来，在自身重力的作用下，液体腔内的光学元件，在液体腔中自由下落，控制空腔内部的扫描系统，实现与液体腔内自由下落的光学元件的同步联动，并在下落过程中完成扫描。扫描完成后，通过磁吸，将光学部件吸着拉回液体腔顶部，准备进行下一次图像采集。与前两种方式相比，第三种方式的优点在于自由下落的轨迹重复性好，可以设置扫描系统以该下落轨迹跟随，调试方便。缺点在于采集面的角度有限制，且扫描前需要将光学部件和扫描系统拉升至顶部。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。本发明还可以有其他替代方案，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种指掌纹成像系统，其特征在于，包括依次设置的液体腔外壁(2)、充满透明液体的液体腔(3)、液体腔内壁(4)、空腔(5)，以及置于液体腔(3)中的反射镜组，置于空腔(5)或液体腔(3)内的光源(6)，置于空腔(5)内的成像机构(9)；其中，所述液体腔外壁(2)的外表面为采集面(2-2)，用于与待采集指掌纹的手掌相接触，所述液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)均为透明材质；
光源(6)、反射镜组与成像机构(9)之间保持固定角度且三者之间的相对位置不变，并且三者能够同步移动且成像机构(9)能够同步采集反射光；其中，所述成像系统中的光路为：所述光源(6)发射出的光在与待采集指掌纹的手掌相接触的采集面(2-2)上产生全反射光或者受抑全反射，再经反射镜组反射进入空腔(5)后，由成像机构(9)采集而形成指掌纹。
2.根据权利要求1所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述成像机构(9)包括透镜或透镜组，以及图像传感器；所述图像传感器为线阵图像传感器或面阵图像传感器。
3.根据权利要求1所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述液体腔(3)内所填充的透明液体为蒸馏水或油，所述液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)均为无色透明玻璃或石英。
4.根据权利要求1所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述光源(6)采用单色LED或激光的线光源或线性排列的多个点光源。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)均为空心圆筒形状，液体腔内壁(4)置于液体腔外壁(2)中且二者共轴设置，二者之间形成液体腔(3)，液体腔内壁(4)内部形成为空腔(5)；
液体腔内壁(4)能够绕其中心轴线旋转，光源(6)、成像机构(9)以及反射镜组均与液体腔内壁(4)固定连接并随着液体腔内壁(4)的旋转而旋转。
6.根据权利要求5所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8)且二者的反射面相对；光源(6)置于液体腔(3)内；
所述第一反射镜(7)靠近光源(6)设置，其反射面朝向光源(6)且与光源(6)的光路呈一角度；所述第二反射镜(8)靠近成像机构(9)设置，其反射面朝向成像机构(9)且与成像机构(9)的光路呈一角度；
光源(6)发射的光经过第一反射镜(7)反射以不小于全反射角的角度射向采集面(2-2)，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，发生全内反射，经第二反射镜(8)反射进入成像机构(9)，形成亮背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构(9)收集，进而形成暗区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集。
7.根据权利要求5所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述反射镜组仅包括一个反射镜(12)；所述反射镜(12)靠近成像机构(9)设置，其反射面朝向成像机构(9)且与成像机构(9)的光路呈一角度；所述光源(6)设置在空腔(5)内部或设置在液体腔(3)内；
当光源(6)设置在空腔(5)内时，光源(6)的光路垂直液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)射出，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构(9)收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成亮区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集；
当光源(6)设置在液体腔(3)内时，光源(6)的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源(6)照射角度为垂直射出时，光源(6)的光路垂直液体腔外壁(2)射出，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构(9)收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成亮区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集；
当光源(6)照射角度为倾斜射出时，光源(6)发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面(2-2)，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，发生全内反射，经反射镜(12)反射进入成像机构(9)，形成亮背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成暗区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)均为平板形状，液体腔内壁(4)置于液体腔外壁(2)下方且二者平行或者近似平行设置，二者之间形成液体腔(3)，液体腔内壁(4)下方形成为空腔(5)；
光源(6)能够在空腔(5)内或液体腔(3)内水平移动，成像机构(9)能够在空腔(5)内水平移动，反射镜组在液体腔(3)内与光源(6)和成像机构(9)同步水平移动。
9.根据权利要求8所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8)且二者的反射面相对；光源(6)置于液体腔(3)内；
所述第一反射镜(7)靠近光源(6)设置，其反射面朝向光源(6)且与光源(6)的光路呈一角度；所述第二反射镜(8)靠近成像机构(9)设置，其反射面朝向成像机构(9)且与成像机构(9)的光路呈一角度；
光源(6)发射的光经过第一反射镜(7)反射以不小于全反射角的角度射向采集面(2-2)，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，发生全内反射，经第二反射镜(8)反射进入成像机构(9)，形成亮背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜组反射后，被成像机构(9)收集，进而形成暗区域；光源(6)和成像机构(9)在第一反射镜(7)和第二反射镜(8)水平移动的同时同步水平移动，从而完成成像机构(9)对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集。
10.根据权利要求8所述的指掌纹成像系统，其特征在于，所述反射镜组仅包括一个反射镜(12)；所述反射镜(12)靠近成像机构(9)设置，其反射面朝向成像机构(9)且与成像机构(9)的光路呈一角度；所述光源(6)设置在空腔(5)内部或设置在液体腔(3)内；
当光源(6)设置在空腔(5)内时，光源(6)的光路垂直液体腔外壁(2)和液体腔内壁(4)射出，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构(9)收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，透过外壁的光线被指掌纹散射，有一部分散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成亮区域；光源(6)和成像机构(9)在反射镜(12)水平移动的同时同步水平移动，从而完成成像机构(9)对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集；
当光源(6)设置在液体腔(3)内时，光源(6)的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出；
其中，当光源(6)照射角度为垂直射出时，光源(6)的光路垂直液体腔外壁(2)射出，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，直接透射到外界，不形成反射光线，成像机构(9)收集不到反射光线，进而形成暗背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，透射光线在指掌纹表面发生散射，有一部分散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成亮区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集；
当光源(6)照射角度为倾斜射出时，光源(6)发射的光以不小于全反射角的角度射向采集面(2-2)，在指掌纹未与采集面(2-2)接触的区域内，发生全内反射，经反射镜(12)反射进入成像机构(9)，形成亮背景，而在指掌纹与采集面(2-2)接触的区域内，由于受抑全内反射效应的发生，仅有极弱的散射光线经反射镜(12)反射后，被成像机构(9)收集，进而形成暗区域；成像机构(9)在液体腔内壁(4)旋转的同时同步移动，从而完成对采集面(2-2)上整个指掌纹的采集。
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