CN108596136B - 指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统 - Google Patents

指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学技术领域，涉及一种指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，可同时工作于可见光和近红外两个波段，采用主动光学成像方式，具体地，采用白光LED光源和近红外LED光源分别对待测目标进行表面式和侧透式照明，光学成像系统同时获取指纹及静脉图像，经红外滤波片后由后续传感器接收；本发明基于双高斯结构，采用同轴透射式结构，通过较少的光学镜片，实现小体积光学成像，较传统方式设计的该类系统、体积大大减小，具有结构简单紧凑的特点；系统在双波段各视场处的聚焦性能均接近衍射极限，具有畸变小、能量集中度高、像面照度分布均匀等优点，可同时完成指纹及静脉双重生物特征提取，具有安全性高的优点。

Description

指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种生物特征提取系统，特别涉及一种采用同轴透射结构的、可同时工作于可见光波段和近红外波段的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统。
背景技术
在信息技术高速发展的今天，信息安全显得尤为重要，但广为采用的指纹识别已不再万无一失，其易于伪造且易受外界环境影响。而静脉属于人体内部特征，难以被伪造且只有在活体条件下才能被采集到。并且两者的特征点位于相同位置，获取方便，因此提出一种指纹及静脉的多模识别技术。
但目前关于指纹及静脉的多模识别技术大多集中在后期对指纹和静脉图像的处理和识别技术上，对于光学成像系统的设计却寥寥可数。文献报导了一种利用分光棱镜分光路的方法使静脉和指纹分别成像在不同的传感器上([J]湖北第二师范学院学报，2009年，第26卷第2期)，但并未给出具体的光学成像系统设计结果。文献还报导了利用两种光学成像系统分别采集指纹和静脉图像，成像在两个不同的图像传感器上([J]应用光学，2017年，第38卷第5期)，但其采用了两种光学成像系统和两种传感器，大大增加了成本和体积。
发明内容
本发明的解决的技术问题是：现有指纹特征提取系统不能同时提取指纹和静脉特征；为实现以上技术目的，本发明技术方案如下：
指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，可同时工作于可见光和近红外两个波段，采用主动光学成像方式，具体地，采用白光LED光源和近红外LED光源分别对待测目标进行表面式和侧透式照明，光学成像系统同时获取指纹及静脉图像，经红外滤波片后由后续传感器接收；该光学成像系统为改进型的双高斯结构，沿光线入射方向，依次包括第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第三正透镜，第四正透镜；所述第二正透镜与第一负透镜通过胶合组成第一双胶合透镜，所述第二负透镜与第三正透镜通过胶合组成第二双胶合透镜；所述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜组成光学成像系统前组，所述第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜组成光学成像系统后组，所述前组的像方焦面与后组的物方焦面重合。
为了有效的过滤杂散光，在所述前组的像方焦面处设置光阑，所述第一负透镜包括一个凸面和一个凹面，其凸面为胶合面，其凹面朝向所述光阑。
优选的上述方案中：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜相对于光学成像系统焦距的归一化焦距依次对应为f′21、f′22、f′23、f′24、f′25、f′26，对应值范围分别为1.3≤f′21≤1.5、0.4≤f′22≤0.6、-0.4≤f′23≤-0.2、-0.4≤f′24≤-0.2、0.5≤f′25≤0.7和0.7≤f′26≤0.9。单正透镜具有负球差，单负透镜具有正球差，正负透镜组合以消除球差，提高成像质量。
优选的上述方案中：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜的折射率依次对应为n21、n22、n23、n24、n25和n26；它们对应的取值范围分别为1.70≤n21≤2.25、1.52≤n22≤2.07、1.51≤n23≤2.06、1.60≤n24≤2.15、1.55≤n25≤2.10和1.75≤n26≤2.30。。第一正透镜和第四正透镜均选用高折射率玻璃，第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜和第三正透镜均选用低折射率玻璃，用以减少场曲和色差，提高成像质量。
所述光学成像系统为可见光波段和近红外光波段共焦成像系统，工作波长变化范围为400nm-700nm；840nm-860nm。可见光波段用以对指纹成像，近红外波段用以对静脉成像且波长850nm左右对静脉成像质量较好。
所述的第一双胶合透镜与第二双胶合透镜均为双胶合负透镜。
所述光学成像系统物像共轭距离小于100mm。有效减小了系统体积。
上述技术方案基于双高斯结构，采用同轴透射式结构，通过较少的光学镜片，实现小体积光学成像，较传统方式设计的该类系统、体积大大减小，具有结构简单紧凑的特点；系统在双波段各视场处的聚焦性能均接近衍射极限，具有畸变小、能量集中度高、像面照度分布均匀等优点，可同时完成指纹及静脉双重生物特征提取，具有安全性高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在可见光波段的像面的光线追迹点列图；
图3是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在近红外波段的像面的光线追迹点列图；
图4是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在可见光波段的能量集中度曲线；
图5是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在近红外波段的能量集中度曲线；
图6是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在可见光波段的畸变曲线；
图7是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在近红外波段的畸变曲线；
图8是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在可见光波段的像面相对照度曲线；
图9是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在近红外波段的像面相对照度曲线；
图10是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在可见光波段的调制传递函数曲线；
图11是本发明实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统在近红外波段的调制传递函数曲线
其中：11、采集区的白光LED光源；12、采集区的透明平板玻璃；13、采集区的近红外LED光源；21、光学成像系统的第一正透镜；22、光学成像系统的第二正透镜；23、光学成像系统的第一负透镜；24、光学成像系统的第二负透镜；25、光学成像系统的第三正透镜；26、光学成像系统的第四正透镜；31、传感器接收区的红外滤波片；32、传感器接收区的CMOS图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，它的工作波段为400nm～700nm和840nm～860nm，系统F数为F/#＝2.86，物像共轭距离为96.78mm。
参见附图1，它是本实施例提供的指纹及静脉双重生物特征提取系统的结构图；包括采集区、光学成像系统和传感器接收区，采集区由采集区的白光LED光源11，采集区的透明平板玻璃12，采集区的近红外LED光源13组成；光学成像系统由光学成像系统的第一正透镜21，光学成像系统的第二正透镜22，光学成像系统的第一负透镜23，光学成像系统的第二负透镜24，光学成像系统的第三正透镜25，光学成像系统的第四正透镜26组成；传感器接收区由传感器接收区的红外滤波片31，传感器接收区的CMOS图像传感器32组成。
利用Zemax光学设计软件，对应各透镜相关参数的优化设计结果如下：沿光线方向，第一正透镜21前后表面的曲率半径分别为9.1mm和24.7mm，厚度为2.3mm，折射率为1.95；第二正透镜22前后表面的曲率半径分别为4.2mm和30.7mm，厚度为1.3mm，折射率为1.77；第一负透镜23前后表面的曲率半径分别为30.7mm和2.9mm，厚度为0.5mm，折射率为1.76；第二负透镜24前后表面的曲率半径分别为-3.3mm和8.3mm，厚度为0.5mm，折射率为1.85；第三正透镜25前后表面的曲率半径分别为8.3mm和-4.4mm，厚度为1.2mm，折射率为1.80；第四正透镜26前后表面的曲率半径分别为18.1mm和-12.8mm，厚度为1.9mm，折射率为2.00。
光学成像系统的第一正透镜21与第二正透镜22的间距为0.01mm，第二正透镜22与第一负透镜23组成一组双胶合透镜，第一负透镜23与第二负透镜24的间距为2.7mm，第二负透镜24与第三正透镜25组成一组双胶合透镜，第三正透镜25与第四正透镜26的间距为0.1mm；采集区与光学成像系统之间的距离为80.2mm；光学成像系统与传感器接收区之间的距离为6mm。
对于可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～860nm)，按上述数据的光学系统都适用。
由图1可见，仅采用了单个光学系统即完成了对指纹及静脉生物特征的提取，相对于其他文献中提出的双镜头、双传感器提取指纹和静脉特征的方式，大大减少了系统体积和成本；为了进一步降低成本，选用成都玻璃库中的玻璃进行替代。
参见附图2和附图3，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的光线追迹点列图，即目标物经指纹及静脉图像复合采集光学成像系统后在其像平面上的情况；图中的圆圈是Airy斑，可见，系统在各波长的不同物高处的点列图80％都能落在Airy斑内，表示系统接近衍射极限的聚焦性能。
参见附图4和附图5，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的能量集中度曲线；横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中度数值，探测器像元大小为2.2μm×2.2μm，由图中可以看出，系统在各波段、各物高处，探测器像元内的成像光束能量集中度都接近衍射极限，探测器可很好的探测到目标。
参见附图6和附图7，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的畸变曲线；横坐标是畸变数值，纵坐标表示物高。可见，可见光波段和近红外波段的畸变都小于1％。
参见附图8和附图9，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的像面照度分布曲线；横坐标是像高，纵坐标是像面中心至边缘的照度分布情况。可见，在各波段，像面上边缘照度相对于中心点照度下降不到10％，表明像面上照度分布均匀。
参见附图10和附图11，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的调制传递函数曲线；横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器奈奎斯特频率164lp/mm处，光学系统的传递函数值均接近衍射极限，可见光波段高于0.4，近红外波段高于0.3。
本技术方案采用白光LED光源和近红外LED光源分别对待测目标进行表面式和侧透式照明，光学成像系统同时获取指纹及静脉图像，经红外滤波片后由后续传感器接收；采用同轴设计，结构简单紧凑、镜片少、视场角大、体积小、同时适用于可见光波段和近红外波段、畸变小、像面照度分布均匀，成像性能优；在双波段各视场角均接近衍射极限，满足成像质量要求，可同时完成指纹及静脉双重生物特征提取。
实施例二：
一种包括上述技术方案所述指纹及静脉双重生物特征提取系统的指纹锁，所述的指纹锁可同时提取指纹和指纹处的静脉信息。
本技术方案还可应用于其他防盗装置或者身份识别系统。
本发明提出了一种仅使用单个光学成像系统即完成指纹和静脉生物特征提取的具体设计，采用同轴设计，结构简单紧凑，适于批量生产。可同时在可见光波段提取指纹特征，在近红外波段提取静脉特征，双波段成像质量皆接近衍射极限，满足成像质量要求。
为了进一步降低成本，上述所有透镜的表面均为球面。
为了提高成像质量、增加光学系统分辨率，可透镜可使用非球面，进一步矫正像差。
本技术方案未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，该成像系统为改进型的双高斯结构，其特征在于：沿光线入射方向，依次包括第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第三正透镜，第四正透镜；
所述第二正透镜与第一负透镜通过胶合组成第一双胶合透镜，所述第二负透镜与第三正透镜通过胶合组成第二双胶合透镜；
所述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜组成光学成像系统前组，所述第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜组成光学成像系统后组，所述前组的像方焦面与后组的物方焦面重合。
2.根据权利要求1所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：所述前组的像方焦面处设置光阑，所述第一负透镜包括一个凸面和一个凹面，其凸面为胶合面，其凹面朝向所述光阑。
3.根据权利要求1所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜相对于所述光学成像系统焦距的归一化焦距依次对应为f′21、f′22、f′23、f′24、f′25、f′26，对应值范围分别为1.3≤f′21≤1.5、0.4≤f′22≤0.6、-0.4≤f′23≤-0.2、-0.4≤f′24≤-0.2、0.5≤f′25≤0.7和0.7≤f′26≤0.9。
4.根据权利要求1所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：第一双胶合透镜与第二双胶合透镜均选用阿贝数差大于20、折射率相差不超过0.05的玻璃；所述第一正透镜和第四负透镜均选用折射率大于1.9的折射率玻璃。
5.据权利要求4所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜的折射率依次对应为n21、n22、n23、n24、n25和n26；它们对应的取值范围分别为1.70≤n21≤2.25、1.52≤n22≤2.07、1.51≤n23≤2.06、1.60≤n24≤2.15、1.55≤n25≤2.10和1.75≤n26≤2.30。
6.根据权利要求5所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统物像共轭距离小于100mm。
7.根据权利要求1-6之一所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统为可见光波段和近红外光波段共焦成像系统，工作波长变化范围为400nm-700nm；840nm-860nm。
8.一种指纹及静脉双重生物特征提取系统，其特征在于：包括采集区、权利要求2、4、6之一所述的指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统、传感器接收区；
采集区包括白光LED光源，透明平板玻璃，近红外LED光源；
传感器接收区包括红外滤波片，CMOS图像传感器；
待测生物特征放置在采集区中的透明平板玻璃上，白光LED光源和近红外LED光源分别对待测生物特征进行表面式和侧透式照明，指纹及静脉双重生物特征提取光学成像系统同时采集指纹及静脉图像，经红外滤波片后由后续CMOS图像传感器接收。
9.一种指纹锁，特征在于：包括权利要求8所述的指纹及静脉双重生物特征提取系统，所述的指纹锁同时提取指纹和指纹处的静脉信息。
10.一种身份识别系统，特征在于：包括权利要求8所述的指纹及静脉双重生物特征提取系统。
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