CN106529483A - 高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法 - Google Patents

高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法，包括激发光源、探测光源、第一分光镜、第二分光镜、二维扫描振镜、扫描透镜、压缩透镜、平板、下层玻璃板、震动薄膜、上层玻璃板、光电探测器以及中央处理器。本发明利用光声技术对皮下血管网络进行空间几何结构的成像，其空间分辨率最高可达几百纳米，高精度的二维或三维血管网络结构图像可使身份识别的准确度大大提高。

Description

高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法
技术领域
本发明涉及生物特征识别领域，具体为一种高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法。
背景技术
文献1(CN 101004789 B)公开了一种手指静脉图像识别方法，通过图像和形态学的算法来获得更清晰的静脉图像来提高识别精度。不足之处在于对于现有的高精度二维静脉图和三维静脉指模，无法判定是否为本人。
文献2(CN 103617419 A)公开了一种具有活体手指侦测功能的手指静脉识别装置，其通过红外脉搏检测来判断被测物体是否为活体手指。不足之处在于手指皮下血管的脉搏信号非常微弱，且无法判定贴有平面静脉图的活体手指是否为本人，具有很高的误判率。
文献3(CN 104778445 B)公开了一种基于手指静脉立体特征的活体识别装置及方法，可同时获得不同角度的手指静脉信息，并以此来判定被测物体是否为活体手指。不足之处在于对于三维立体静脉结构的伪造指模识别，该方法仍具有很大的识别准确度风险。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述不足提供一种体积小、可实现任意方向转动扭曲的高分辨率光声显微成像身份识别系统及其识别方法。
本发明一种高分辨率光声显微成像身份识别系统，包括激发光源1、探测光源2、第一分光镜3、第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10、上层玻璃板11、光电探测器12以及中央处理器13，所述下层玻璃板9的上表面与震动薄膜10的一面紧贴，所述上层玻璃板11的下表面与震动薄膜10的另一面紧贴，所述平板8的一面与下层玻璃板9的下表面紧贴，所述压缩透镜7位于平板8的下方，所述扫描透镜6位于压缩透镜7的下方，所述二维扫描振镜5位于扫描透镜6的下方，所述激发光源1、探测光源2和光电探测器12均通过导线与中央处理器13相连，所述第二分光镜4位于二维扫描振镜5和光电探测器12之间，所述第一分光镜3位于第二分光镜4和探测光源2之间，所述第一分光镜3位于第二分光镜4和激发光源1之间。
一种所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其识别方法包括以下步骤：
第一步，激发光源1发射激光束经第一分光镜3反射后，依次经过第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10和上层玻璃板11后照射进手指的皮下血管网络上，激发出光声信号，光声信号穿过上层玻璃板11引起震动薄膜10的震动，导致上层玻璃板11和下层玻璃板9之间的间距产生变化；
第二步，探测光源2发射激光束依次经过第一分光镜3、第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10和上层玻璃板11，并由下层玻璃板9和上层玻璃板11的高反膜引起多次反射相干涉，相干光经原路返回并由第二分光镜4反射到光电探测器12上，光电探测器12将接收到的相干光信号转换成电信号；
第三步，中央处理器13接收到光电探测器12的电信号；
第四步，二维扫描振镜5同时带动激发光源1和探测光源2的激光束扫描下一个位置，并最终完成二维或三维的空间扫描；
第五步，中央处理器13对接收到的所有信号通过算法反演出被测物体的皮下血管网络的空间几何结构、血氧饱和度和血液流速，再分别与数据库中已有的特征予以匹配识别，并做出最终的身份判定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用人体皮下内部的结构与功能特征进行认证，每个人的皮下血管网络是唯一的，并不会像指纹和掌纹一样存在磨损的可能。
(2)本发明利用光声技术对皮下血管网络进行空间几何结构的成像，其成像分辨率最高可达几百纳米，其主要由激发光源的波长和光路数值孔径决定，高精度的二维或三维血管网络结构图像可使身份识别的准确度大大提高。
(3)本发明利用光声技术对皮下血管网络进行血氧饱和度和血液流速的成像，其血氧饱和度参数可区分动脉和静脉血管，而血液流速亦是活体生物的特征之一，增加了人工伪造模型的难度通过。
(4)本发明采用纯光学的方法探测超声信号，替代了传统采用压电陶瓷探头的方法，光声的激发和传感易于设置成背向模式，且激发光源和探测光源发射的激光束可同时快速光学扫描极大的提高了系统成像速度，系统实用性和使用便捷度更强。
附图说明
图1本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明。
实施例：一种高分辨率光声显微成像身份识别系统，包括激发光源1、探测光源2、第一分光镜3、第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10、上层玻璃板11、光电探测器12以及中央处理器13，所述下层玻璃板9的上表面与震动薄膜10的一面紧贴，所述上层玻璃板11的下表面与震动薄膜10的另一面紧贴，所述平板8的一面与下层玻璃板9的下表面紧贴，所述压缩透镜7位于平板8的下方，所述扫描透镜6位于压缩透镜7的下方，所述二维扫描振镜5位于扫描透镜6的下方，所述激发光源1、探测光源2和光电探测器12均通过导线与中央处理器13相连，所述第二分光镜4位于二维扫描振镜5和光电探测器12之间，所述第一分光镜3位于第二分光镜4和探测光源2之间，所述第一分光镜3位于第二分光镜4和激发光源1之间。所述平板8的下表面形状为楔形。所述下层玻璃板9的上表面和上层玻璃板11的下表面分别镀有高反膜。
激发光源1为脉冲型或连续调制型的激光器，工作在紫外至红外范围内选择的一个或多个波长；探测光源2为连续型的半导体激光器；下层玻璃板9和上层玻璃板11的高反膜对激发光源1发射的激光束具有高透过性，而对探测光源2发射的光束具有高反射性；楔形平板8对激发光源1和探测光源3发射的激光束都具有高透过性；二维扫描振镜5可对探测光源2发射的激光束进行二维扫描。扫描透镜6与压缩透镜7的有效总数字孔径约为0.51，故系统的空间分辨率约为650nm(计算公式：0.51*λ/NA，其中为λ激发光源波长，NA为光路的有效总数值孔径)
所述探测光源2为美国Thorlabs公司的L1550P5DFB型连续激光二极管，波长为1550nm，输出功率为5mW。所述压缩透镜7为美国Thorlabs公司的LA1207-A型平凸透镜。所述震动薄膜10为40μm厚的聚对二甲苯高分子薄膜，其频带宽度范围为350KHz-22MHz。
作为实施方式一，所述激发光源1采用德国GWU公司的versaScan120型OPO可调谐激光器，波长调谐范围为410-2500nm，脉宽为3ns，重复频率为100Hz。
作为实施方式二，所述激发光源1采用日本三菱公司的ML101J23型激光二极管，波长为650nm，输出功率为150mW，脉宽为100ns，重复频率为10KHz。
所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其识别方法包括以下步骤：
第一步，激发光源1发射激光束经第一分光镜3反射后，依次经过第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10和上层玻璃板11后照射进手指的皮下血管网络上，激发出光声信号，光声信号穿过上层玻璃板11引起震动薄膜10的震动，导致上层玻璃板11和下层玻璃板9之间的间距产生变化；
第二步，探测光源2发射激光束依次经过第一分光镜3、第二分光镜4、二维扫描振镜5、扫描透镜6、压缩透镜7、平板8、下层玻璃板9、震动薄膜10和上层玻璃板11，并由下层玻璃板9和上层玻璃板11的高反膜引起多次反射相干涉，相干光经原路返回并由第二分光镜4反射到光电探测器12上，光电探测器12将接收到的相干光信号转换成电信号；
第三步，中央处理器13接收到光电探测器12的电信号；
第四步，二维扫描振镜5同时带动激发光源1和探测光源2的激光束扫描下一个位置，并最终完成二维或三维的空间扫描；
第五步，中央处理器13对接收到的光电探测器12的电信号,通过算法反演出被测物体的皮下血管网络的空间几何结构、血氧饱和度和血液流速，再分别与数据库中已有的特征予以匹配识别，并做出最终的身份判定。
本发明可以通过改变震动薄膜的厚度来调整其频带宽度的范围。
本发明利用光声技术对皮下血管网络进行空间几何结构的成像，其空间分辨率最高可达几百纳米，高精度的二维或三维血管网络结构图像可使身份识别的准确度大大提高；对皮下血管网络进行血氧饱和度和血液流速的成像，其血氧饱和度参数可区分动脉和静脉血管，而血液流速亦是活体生物的特征之一，增加了人工伪造模型的难度通过；通过纯光学的方法探测超声信号，替代了传统采用压电陶瓷探头的方法，光声的激发和传感易于设置成背向模式，激发光源和探测光源发射的激光束可同时快速光学扫描极大的提高了系统成像速度，系统实用性和使用便捷度更强。

Claims (8)

1.一种高分辨率光声显微成像身份识别系统，包括激发光源(1)、探测光源(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、二维扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、压缩透镜(7)、平板(8)、下层玻璃板(9)、震动薄膜(10)、上层玻璃板(11)、光电探测器(12)以及中央处理器(13)，其特征在于所述下层玻璃板(9)的上表面与震动薄膜(10)的一面紧贴，所述上层玻璃板(11)的下表面与震动薄膜(10)的另一面紧贴，所述平板(8)的一面与下层玻璃板(9)的下表面紧贴，所述压缩透镜(7)位于平板(8)的下方，所述扫描透镜(6)位于压缩透镜(7)的下方，所述二维扫描振镜(5)位于扫描透镜(6)的下方，所述激发光源(1)、探测光源(2)和光电探测器(12)均通过导线与中央处理器(13)相连，所述第二分光镜(4)位于二维扫描振镜(5)和光电探测器(12)之间，所述第一分光镜(3)位于第二分光镜(4)和探测光源(2)之间，所述第一分光镜(3)位于第二分光镜(4)和激发光源(1)之间。
2.根据权利要求1所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述平板(8)的下表面形状为楔形。
3.根据权利要求2所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述下层玻璃板(9)的上表面和上层玻璃板(11)的下表面分别镀有高反膜。
4.根据权利要求3所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述激发光源(1)采用德国GWU公司的versaScan120型OPO可调谐激光器，波长调谐范围为410-2500nm，脉宽为3ns，重复频率为100Hz或者采用日本三菱公司的ML101J23型激光二极管，波长为650nm，输出功率为150mW，脉宽为100ns，重复频率为10KHz。
5.根据权利要求4所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述探测光源(2)为美国Thorlabs公司的L1550P5DFB型连续激光二极管，波长为1550nm，输出功率为5mW。
6.根据权利要求5所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述压缩透镜(7)为美国Thorlabs公司的LA1207-A型平凸透镜。
7.根据权利要求6所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其特征在于所述震动薄膜(10)为40μm厚的聚对二甲苯高分子薄膜，其频带宽度范围为350KHz-22MHz。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高分辨率光声显微成像身份识别系统，其识别方法包括以下步骤：
第一步，激发光源(1)发射激光束经第一分光镜(3)反射后，依次经过第二分光镜(4)、二维扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、压缩透镜(7)、平板(8)、下层玻璃板(9)、震动薄膜(10)和上层玻璃板(11)后照射进手指的皮下血管网络上，激发出光声信号，光声信号穿过上层玻璃板(11)引起震动薄膜(10)的震动，导致上层玻璃板(11)和下层玻璃板(9)之间的间距产生变化；
第二步，探测光源(2)发射激光束依次经过第一分光镜(3)、第二分光镜(4)、二维扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、压缩透镜(7)、平板(8)、下层玻璃板(9)、震动薄膜(10)和上层玻璃板(11)，并由下层玻璃板(9)和上层玻璃板(11)的高反膜引起多次反射相干涉，相干光经原路返回并由第二分光镜(4)反射到光电探测器(12)上，光电探测器(12)将接收到的相干光信号转换成电信号；
第三步，中央处理器(13)接收到光电探测器(12)的电信号；
第四步，二维扫描振镜(5)同时带动激发光源(1)和探测光源(2)的激光束扫描下一个位置，并最终完成二维或三维的空间扫描；
第五步，中央处理器(13)对接收到的所有信号通过算法反演出被测物体的皮下血管网络的空间几何结构、血氧饱和度和血液流速，再分别与数据库中已有的特征予以匹配识别，并做出最终的身份判定。
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