CN106778663B - 一种指纹识别系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种指纹识别系统，建立直角坐标系，以平行于纸面为X轴、垂直于纸面为Y轴，光的传播方向为Z轴，该识别系统包括沿光的传播方向依次设置的LED光源、柱状透镜、狭缝、透镜组及指纹采集板，其中，柱状透镜用于对LED光源所发出的光束进行汇聚，在Y轴方向上形成直线型光照明场；狭缝位于直线型光照明场的焦域内，狭缝的长度方向落在Y轴上，狭缝在缝的长度方向上弯曲呈弧形，狭缝用于将直线型光照明场衍射形成一弧线场光源；弧线场光源经透镜组后形成共轭的弧线型光照明场；弧线型光照明场透过指纹采集板照射至待识别手指的内部指纹上以采集样品光。该识别系统，结构简单，操作方便，能够一次性有效采集拇指左右两侧有弧度的部分。

Description

一种指纹识别系统
技术领域
本发明涉及一种指纹采集技术，特别涉及一种指纹识别系统。
背景技术
指纹识别技术在生物识别领域占有重要的优势地位，这是因为指纹具有唯一性、稳定性、可靠性、易采集且成本低等特点。目前，二维或者表皮指纹识别是当今最为普遍的身份识别技术，但是有两个主要缺陷：(1)10％左右的人的表皮指纹由于缺损无法识别；(2)二维指纹容易仿造，给现有的指纹识别系统带来种种问题。目前，还出现了三维指纹识别方法，三维指纹识别旨在通过对手指表皮下的真皮层指纹识别实现精准的身份识别。因真皮层指纹不存在上述表皮指纹的缺损和无法识别问题，而且很难仿造。
而光学相干层析成像(OCT)是三维指纹识别的首选技术。OCT是一种新兴的光学成像技术。它以非侵入性的方式、极高的速度形成高分辨率的生物组织剖面图。这种技术自1991年问世以来，为临床诊断及医疗研究带来了显著的影响。一个典型的频域OCT(Spectral domain OCT,SD-OCT)设备包括以下组成部分(参见图1所示)：宽带光源110；分光器140；参考臂150；光谱仪170；样品臂190。OCT通常有4个接口，分别连接宽带光源110、参考臂150、光谱仪170、样品臂190四个部分。宽带光源110提供照明光；照明光被分光器140分成两个部分，一部分到达样品臂190，另一部分到达参考臂150。到达样品臂190的光被样品背向散射后沿原路返回分光器140；同样，到达参考臂150的光经过参考反射镜反射后按原路返回分光器140。回到分光器140的两束光在分光器140上合束并发生干涉。分光器140将干涉光束分成两部分，其中一部分干涉光到达光谱仪170，光谱仪170接接收到干涉光后将其转换为电信号。计算机(图中未视出)从光谱仪170读取包含光谱干涉信号的光谱仪输出数据，通过光谱域线性校正和反傅立叶变化后得到样品的断面图像。
现有OCT设备造价昂贵(约合60-80万人名币/台)，个人无法承担设备费用，严重阻碍了这种有效指纹识别技术的普及。在所有组件当中，光源、光谱仪和图像处理器最为昂贵；其余组件均可找到廉价的替代品。所以，降低OCT设备的关键在于用发明廉价的光源、光谱仪和图像处理器。目前，已有OTC设备采取措施以降低OCT设备的成本。如一种便携式光学相干层析成像仪(申请号201510509005.1)，采用了廉价的LED代替OCT光源、用手机照相机代替OCT光谱仪、用手机处理器代替OCT图像处理器，从而实现低成本。然而，现有的线场OCT技术只能提供直线型的照明，在采集指纹的时候无法一次性有效采集拇指左右两侧有弧度的部分。为了采集两侧有弧度部分皮肤的指纹，手指必须在指纹采集平面上左右滚动，非常的不方便，也影响采集准确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低廉，采集方便且采集准确度高的一种指纹识别系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种指纹识别系统，建立直角坐标系，以平行于纸面为X轴、垂直于纸面为Y轴，光的传播方向为Z轴，所述识别系统包括沿光的传播方向依次设置的LED光源、柱状透镜、狭缝、透镜组及指纹采集板，其中，
柱状透镜，用于对所述LED光源所发出的光束进行汇聚，在Y轴方向上形成直线型光照明场；
狭缝，位于所述直线型光照明场的焦域内，所述狭缝的长度方向落在Y轴上，所述狭缝在缝的长度方向上弯曲呈弧形，所述狭缝用于将所述直线型光照明场衍射形成一弧线场光源；
透镜组，所述弧线场光源经所述透镜组后形成共轭的弧线型光照明场；
指纹采集板，所述弧线型光照明场透过所述指纹采集板照射至待识别手指的内部指纹上以采集样品光。
优选地，所述透镜组包括沿光的传播方向依次设置的第一透镜与第二透镜，所述柱状透镜在Z轴上相对于LED光源的位置为D，满足D·tanθ/M＝r，其中，θ为所述LED光源所发出的光束的发散角；M＝f1/f2，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距；r为待识别手指上拇指左右方向弧线所对应的圆弧半径。
进一步优选地，所述狭缝的缝的弧形半径为R，满足R＝M·r。
进一步优选地，所述弧线型光照明场焦线的曲率半径为r。
优选地，所述指纹采集板为透明板或其上具有能够供所述弧线型光照明场通过的窗口。
优选地，所述指纹采集板在YZ平面内呈弧形，所述指纹采集板的弧形轮廓与所述弧线型光照明场的焦线相平行。
优选地，所述识别系统还包括参考臂、样品臂、分光器及光谱仪，所述样品光经所述样品臂反射后形成样品光信号沿原入射光路到达所述分光器，并与被所述参考臂反射回的参考光信号发生干涉，重合后传播至所述光谱仪中。
进一步优选地，所述光谱仪包括光栅以及采集光信号的智能设备，重合后的所述样品光信号与所述参考光信号经所述光栅后散射形成面光源，而后被所述智能设备全部采集。
更进一步优选地，所述智能设备为手机或平板电脑。
更进一步优选地，所述智能设备在X轴方向上的像素大小为S，所述狭缝的缝宽为d，所述S与d间为光学共轭关系。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的指纹识别系统，通过采用柱状透镜、带弧形缝的狭缝、透镜组及指纹采集板即可实现一次图像曝光、采集，就可以完成对整个指纹的成像，与现有技术相比，省去了滚动手指的麻烦以及由其产生的运动误差，同时整个系统所采用的部件相对于现有技术价格便宜，能够满足普通消费者的消费需求。
附图说明
附图1为现有技术中的SD-OCT设备的结构示意图；
附图2为本发明所述的一种指纹识别系统的结构示意图；
附图3为本发明所述的一种指纹识别系统中光谱仪的内部结构示意图；
附图4a为直线型光照明场的焦域与待识别手指指纹间的关系图；
附图4b为弧线型光照明场的焦域与待识别手指指纹间的关系图；
附图5a为采用直线型光照明场所采集的手指内部指纹图；
附图5b为采用弧线型光照明场所采集的手指内部指纹图。
其中：110、宽带光源；140、分光器；150、参考臂；170、光谱仪；190、样品臂；
210、LED光源；211、柱状透镜；212、直线型光照明场；213、狭缝；214、第一透镜；215、第二透镜；216、弧线型光照明场；217、指纹采集板；218、手指；219；待识别手指的内部指纹；
310、样品光信号；311、参考光信号；312、光栅；313、智能设备。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图2所示，一种指纹识别系统，建立直角坐标系，以平行于纸面为X轴、垂直于纸面为Y轴，光的传播方向为Z轴。
该识别系统包括沿光的传播方向依次设置的LED光源210、柱状透镜211、狭缝213、透镜组及指纹采集板217，该识别系统还包括参考臂150、样品臂、分光器140及光谱仪170。
该LED光源210输出的光束通常为一个发散的光束，不同种类的LED光源210有不同的发散角θ。本例中，各类LED光源210及相对应的发散角θ都适用。
该柱状透镜211用于对LED光源210所发出的光束进行汇聚，并在Y轴方向上形成直线型光照明场212。该柱状透镜211的柱面中心通常沿Y轴方向延伸，并与该LED光源210所发出的光束轴线垂直相交。
这里，该直线型光照明场212的焦面是一个近似的平面，狭缝213位于该直线型光照明场212的焦域内。该狭缝213的长度方向落在Y轴上，该狭缝213在缝的长度方向上弯曲成弧形。该直线型光照明场212在通过该弧形狭缝213时发生衍射，也就是说该直线型光照明场212通过这里的弧形狭缝213后形成一个弧线场光源。该弧线场光源相对透镜组共轭成像形成弧线型光照明场216。该弧线型光照明场216透过指纹采集板217照射至待识别手指218的内部指纹219上以完成样品光的采集，其中，手指218的指尖朝向X轴方向。
这里，透镜组包括沿光的传播方向依次设置的第一透镜214与第二透镜215。该透镜组的主要功能是在指纹采集板217上待采集手指的内部指纹219位置处产生一个放大的弧线型光照明场216。
这里，该指纹采集板217为透明板或其上具有能够供弧线型光照明场216通过的窗口。光谱仪170每曝光一次，就可以采集到皮肤在窗口处的二维断层图。当手指218在X轴方向沿指纹采集板217的平面滑动时，光谱仪170即能连续快速曝光以采集到皮肤不同位置的断层图。当整个手指218划过弧线型光照明场216后，手指218皮肤的三维图片就能采集完成，在三维数据中，就可以得到皮肤的外部指纹和内部指纹219的三维图。
这里，该柱状透镜211在Z轴上相对于LED光源210的位置为D，满足D·tanθ/M＝r，其中，θ为LED光源210所发出的光束的发散角；M＝f1/f2，f1为第一透镜214的焦距，f2为第二透镜215的焦距；r为待识别手指218上拇指左右方向弧线所对应的圆弧半径。而狭缝213的缝的弧形半径R满足R＝M·r。
这里，该弧线型光照明场216的焦线(弧线型光照明场216的焦平面沿与经过光轴的YZ平面的交线)的曲率半径为r。在指纹采集过程中，该弧线型光照明场216的焦线与待识别手指的内部指纹219左右方向上的弧线重合，该弧线型光照明场216的焦域以该焦线为中心轴呈扇形分布。通常，指纹采集板217在YZ平面内呈弧形，其YZ平面上的弧线轮廓与该弧线型光照明场216的焦线相平行。而采集到的样品光在该弧线型光照明场216的焦域内被样品臂反射或背向散射后形成样品光信号310沿原入射光路到达分光器140传播至光谱仪170中。
本例中，该光谱仪170包括光栅312以及采集光信号的智能设备313，该智能设备313为手机或平板电脑，本例中，该智能设备313采用了面阵(二维)相机。
该光谱仪170采集数据的具体过程如下：参见图3所示，光线传播方向为笛卡尔坐标系的Z方向(相对坐标系)。样品光在弧线型光照明场216的焦域内被样品臂反射或者背向散射后成为样品光信号310，样品光信号310沿原来入射的光路到达分光器140，并在此处与参考臂150反射回来的参考光信号311发生干涉。样品光信号310和参考光信号311重合后传播到光谱仪170当中的光栅312。该光栅312的散射方向位于X轴上，因此，样品光信号310与参考光信号311通过光栅312后产生的不同谱线形成面光源，正好被面阵(二维)相机全部采集到。
该面阵(二维)相机采集到的二维图像当中沿着X轴的每一行(列)数据，代表这一行(列)像素所对应样品上的光学共轭点处的频谱干涉信号；该行(列)当中的不同像素对应LED光源210当中不同的谱线。二维相机通常会有沿着Y轴紧密排列的几百到几千行(列)像素，所对应样品上的光学共轭点也是连续的。由于频谱干涉信号包含该点处所有深度信息，光谱仪170每曝光一次，就可以采集到皮肤的二维断层图。这一过程无需机械扫描。在一次曝光以后，面阵(二维)相机采集到的频谱干涉信号将通过处理器按照标准的OCT数据处理算法生成一幅皮肤的断层图像。
面阵相机在X方向上的像素大小为S，通常S与弧形狭缝213的缝宽d形成光学共轭关系。
现有技术中，直线型光照明场OCT的焦域无法覆盖手指218的全部指纹，参见图4a所示；而本例中的识别系统，采用了弧线型的狭缝213，该狭缝213能够产生弧线型光照明场216，参见图4b所示，其弧度正好与手指218指纹表面的弧度吻合；这样只需要一次图像曝光、采集，就可以完成对整个指纹的成像，省去了滚动手指218的麻烦和由其产生的运动误差。
这里，图5a是用直线型光照明场OCT采集的内部指纹219图像，深色纹理为指纹。由于直线型光照明场无法有效覆盖手指218两侧，这一部分的指纹无法有效采集；图5b是用弧线型光照明场OCT采集的内部指纹219图像，由于弧线型光照明场216与指纹轮廓吻合，包括双侧指纹在内的整个手指218指纹都能清晰采集。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种指纹识别系统，其特征在于，建立直角坐标系，以平行于纸面为X轴、垂直于纸面为Y轴，光的传播方向为Z轴，所述识别系统包括沿光的传播方向依次设置的LED光源、柱状透镜、狭缝、透镜组及指纹采集板，其中，
柱状透镜，用于对所述LED光源所发出的光束进行汇聚，在Y轴方向上形成直线型光照明场；
狭缝，位于所述直线型光照明场的焦域内，所述狭缝的长度方向落在Y轴上，所述狭缝在缝的长度方向上弯曲呈弧形，所述狭缝用于将所述直线型光照明场衍射形成一弧线场光源；透镜组，所述弧线场光源经所述透镜组后形成共轭的弧线型光照明场；
指纹采集板，所述弧线型光照明场透过所述指纹采集板照射至待识别手指的内部指纹上以采集样品光；
所述弧线型光照明场焦线的曲率半径为r，r为待识别手指上拇指左右方向弧线所对应的圆弧半径；
所述指纹采集板在YZ平面内呈弧形，所述指纹采集板的弧形轮廓与所述弧线型光照明场的焦线相平行；
所述识别系统还包括参考臂、样品臂、分光器及光谱仪，所述样品光经所述样品臂反射后形成样品光信号沿原入射光路到达所述分光器，并与被所述参考臂反射回的参考光信号发生干涉，重合后传播至所述光谱仪中。
2.根据权利要求1所述的指纹识别系统，其特征在于，所述透镜组包括沿光的传播方向依次设置的第一透镜与第二透镜，所述柱状透镜在Z轴上相对于LED光源的位置为D，满足D·tanθ/M＝r，其中，θ为所述LED光源所发出的光束的发散角；M＝f1/f2，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的指纹识别系统，其特征在于，所述狭缝的缝的弧形半径为R，满足R＝M·r。
4.根据权利要求1所述的指纹识别系统，其特征在于，所述指纹采集板为透明板或其上具有能够供所述弧线型光照明场通过的窗口。
5.根据权利要求1所述的指纹识别系统，其特征在于，所述光谱仪包括光栅以及采集光信号的智能设备，重合后的所述样品光信号与所述参考光信号经所述光栅后散射形成面光源，而后被所述智能设备全部采集。
6.根据权利要求5所述的指纹识别系统，其特征在于，所述智能设备为手机或平板电脑。
7.根据权利要求5所述的指纹识别系统，其特征在于，所述智能设备在X轴方向上的像素大小为S，所述狭缝的缝宽为d，所述S与d间为光学共轭关系。
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