CN112613487B - 一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置及方法，属于全息应用技术领域。本发明所述装置包括黄光激光器、分束镜Ⅰ、扩束镜Ⅰ、透镜Ⅰ、分束镜Ⅱ、扩束镜Ⅱ、透镜Ⅱ、焦平面阵列探测器、全反射镜Ⅰ、全反射镜Ⅱ、全反射镜Ⅲ、不透光外壳、小型计算机；本发明所述方法通过非接触的方式获取物光光束与参考光光束干涉的全息干涉图；对所述的图像信号进行提取，然后对提取振幅和相位信息后的全息图像利用平滑、锐化、插值、滤波等处理，实现对处理后的全息图再现成像。本发明所述方法不仅能够记录指纹的振幅信息和相位信息，同时可以对指纹的细节信息进行深度提取，确保成像的高质量以及满足指纹识别的高精度需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置及方法，属于全息应用技术领域。
背景技术
目前市面上的指纹识别技术方法，主要是指纹的平面识别，依靠每个人皮肤纹路在图案、断点和交叉点上的唯一性和稳定性，通过实际指纹和预先保存的指纹匹配度来实现指纹识别，大多数指纹识别系统是基于细节特征匹配的，但是针对于某些人或者某些群体的指纹相似度高、难识别的问题，依旧缺乏有效性、实质性的解决方法。
传统的指纹采集设备有足够好的分辨率可以获得指纹的细节信息，其记录的是指纹的振幅信息，记录指纹面上的光强分布，但它不能记录手指指纹漫反射光的相位信息，因而无法满足指纹识别的高精度需求。
近年来指纹识别技术在不断完善，但仍然难以去除用户每一次使用指纹时在指纹采集头上留下的指纹印痕，增加了指纹痕迹被用来复制指纹的可能性，指纹录入的完整性并不能保证指纹识别的安全可靠性。因此，如何精确地识别指纹以及最大程度的解决指纹痕迹滥用造成的不良影响问题就显得十分迫切和重要。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，将全息相位识别技术应用于指纹识别、成像方面，通过对拍摄的手指指纹全息图振幅和相位信息的深度提取，不仅可以解决某些人或者某些人群指纹相似度高、难识别的问题，以达到一个三维立体识别的效果；采用非接触式的方式，还可以有效降低指纹痕迹被用来复制指纹的可能性，提高安全性和可靠性，同时克服了普通指纹识别方法无法满足高精度识别需求的缺点，实现快速、精确、安全、高效的指纹识别。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，包括黄光激光器1、分束镜Ⅰ2、扩束镜Ⅰ3、透镜Ⅰ4、全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅱ8、全反射镜Ⅲ9、分束镜Ⅱ10、偏振片11、检测腔12、焦平面阵列探测器13、不透光外壳14、小型计算机15、检测孔16。
黄光激光器1、分束镜Ⅰ2、分束镜Ⅱ10、扩束镜Ⅰ3、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ8、全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9、偏振片11、检测腔12、检测孔16、焦平面阵列探测器13均设置在不透光外壳14内，避免其它可见光的干扰，有效提高成像质量；偏振片11紧贴于检测腔12的腔壁上。
黄光激光器1发射激光，经分束镜Ⅰ2分为两束激光，一束激光经过扩束镜Ⅰ3扩束，经透镜Ⅰ4准直为平行激光，该平行激光束到达 全反射镜Ⅰ5，再经全反射镜Ⅱ6反射到分束镜Ⅱ10上，光束以反射的方式通过分束镜Ⅱ10进入焦平面阵列探测器13，此光束称为参考光光束。
分束镜Ⅰ2分束的另一束光经扩束镜Ⅱ7扩束，经透镜Ⅱ8准直后成为平行光束，再经全反射镜Ⅲ9反射到分束镜Ⅱ10，经分束镜Ⅱ10分束的一束反射光经偏振片11进入检测腔12内，照射被检测物即手指指纹，再由手指指纹漫反射后沿原光路返回分束镜Ⅱ10，光束以透射的方式通过分束镜Ⅱ10进入焦平面阵列探测器13，此光束称为物光光束；所述偏振片11改变射入检测腔12内光束与检测腔12内手指指纹漫反射回来光束的偏振态。
物光光束与参考光光束拟合在分束镜Ⅱ10上发生干涉形成全息干涉图，全息干涉图由焦平面阵列探测器13进行接收记录，通过小型计算机15进行显示，从而对手指指纹三维立体信息再现成像显示。
优选的，本发明所述黄光激光器1选用577—597nm波段的波长。
优选的，本发明所述透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ8为傅里叶透镜；所述扩束镜Ⅰ3、扩束镜Ⅱ7为玻璃扩束镜；所述分束镜Ⅰ2、分束镜Ⅱ10为玻璃分束镜。
优选的，本发明所述全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9相对设置，全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9位置自由旋转；通过预设范围内的旋转来调整摆放角度，以改变平行黄光激光束进入全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9时的相对入射角度，从而改变平行黄光激光束在全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9中的反射次数，以达到调整参考光束光程的目的。
优选的，本发明所述焦平面阵列探测器13用感应波段包含黄光激光器1波长波段CCD图像传感器替代。
优选的，本发明所述分束镜Ⅰ2、分束镜Ⅱ10、扩束镜Ⅰ3、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ8、全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9因具有不透光外壳14的遮光保护，无其它可见光干扰，选用玻璃材质的光学分束镜、扩束镜和透镜，可以降低装置成本，不会影响装置效果。
本发明使用焦平面阵列探测器13接收手指指纹在检测腔内漫反射回来的物光与参考光形成的全息干涉图，焦平面阵列探测器13灵敏度的选取需和黄光激光器1功率大小以及指纹识别的距离范围相匹配，其感应波段应当与选取的黄光激光器1的波长相匹配，既应能感受到所选取的黄光激光器1的波长的波段，以达到理想的再现成像和高精度识别效果。
本发明所述小型计算机15能够对接收的全息图像进行相位信息的提取，对提取相位信息的全息图进行图像处理，最后对处理后的全息图像进行再现成像和显示，通过与原有数据库的指纹信息对比，快速精确识别指纹。
本发明的另一目的在于提供所述装置用于指纹识别的方法，具体包括以下步骤：
（1）获取通过非接触式图像采集设备焦平面阵列探测器采集到的手指指纹的全息干涉图。
（2）对所述提取振幅和相位信息的全息干涉图像执行平滑、锐化、插值、滤波处理，得到对比度增强的全息干涉图。
（3）对所述的对比度增强的全息干涉图进行手指指纹的原始三维立体信息再现成像。
（4）对所述高质量再现图像进行指纹特征提取，并基于提取结果进行指纹识别。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明核心装置均采用不透光的外壳保护和固定，检测腔12本身有一层不透光外壳，且留一个固定的便于识别物（手指）放入的检测孔16，以避免其它可见光的干扰，提高成像质量。
（2）采用全息相位识别技术用于指纹识别的方法，实现了非接触式的检测，它不仅记录手指的振幅信息，同时也记录了手指的相位信息，实现了一个从记录手指的平面信息到记录手指的三维立体信息的转变，不需要录入指纹信息的完整性也能满足指纹识别的高精度需要，更能保证指纹识别的安全性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例1的装置结构示意图；
图2是本发明实施例1的具体流程示意图。
其中：1-黄光激光器；2-分束镜Ⅰ；3-扩束镜Ⅰ；4-透镜Ⅰ；5-全反射镜Ⅰ；6-全反射镜Ⅱ；7-扩束镜Ⅱ；8-透镜Ⅱ；9-全反射镜Ⅲ；10-分束镜Ⅱ；11-偏振片；12-检测腔；13-焦平面阵列探测器（CCD）；14-不透光外壳；15-小型计算机；16-检测孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种基于全息相位识别技术的指纹识别装置，如图1所示，其主要装置包括：黄光激光器1、分束镜Ⅰ2、扩束镜Ⅰ3、透镜Ⅰ4、全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅱ8、全反射镜Ⅲ9、分束镜Ⅱ10、偏振片11、检测腔12、焦平面阵列探测器13、不透光外壳14、小型计算机15、检测孔16；其中黄光激光器1、分束镜Ⅰ2、扩束镜Ⅰ3、透镜Ⅰ4、全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅱ8、分束镜Ⅱ10、偏振片11、检测腔12、焦平面阵列探测器13均设置在不透光外壳14内，偏振片11紧贴于检测腔12的腔壁上，检测腔12本身设有一层不透光外壳，且检测腔12的侧壁上留一个圆形的、固定的、与手指粗细接近的、便于识别物（手指）放入的检测孔16，检测孔16的边缘都涂抹一层厚度均匀的软硅胶，在不透光外壳14上设置与检测孔16相平行的、大小相近的、且可活动性（可开可关）的透光圆孔，透光圆孔边缘同样涂抹一层相对于检测孔16较薄的且厚度均匀的软硅胶。
黄光激光器1发射激光，黄光激光器1选用在577-597nm波段的波长，可以避免黄光激光束在空气中过快的衰减；经分束镜Ⅰ2分为两束激光，一束激光经过扩束镜Ⅰ3扩束，经透镜Ⅰ4准直为平行激光，该平行激光束到达全反射镜Ⅰ5，再经全反射镜Ⅱ6反射到分束镜Ⅱ10上，光束以反射的方式通过分束镜Ⅱ10进入焦平面阵列探测器13，此光束称为参考光光束。
分束镜Ⅰ2分束的另一束光经扩束镜Ⅱ7扩束，经透镜Ⅱ8准直后成为平行光束，再经全反射镜Ⅲ9反射到分束镜Ⅱ10，经分束镜Ⅱ10分束的一束光（反射光）经偏振片11进入检测腔12内，照射被检测物即手指指纹，再由被检测物体（手指指纹）漫反射后携带手指指纹的振幅和相位信息沿原光路返回分束镜Ⅱ10，光束以透射的方式通过分束镜Ⅱ10进入焦平面阵列探测器13，此光束称为物光光束。所述偏振片11改变射入检测腔12内光束与检测腔12内手指指纹漫反射回来光束的偏振态。
物光光束与参考光光束在分束镜Ⅱ10上发生干涉形成全息干涉图，全息干涉图由焦平面阵列探测器13进行接收记录，使用焦平面阵列探测器13接收手指指纹在检测腔内漫反射回来的物光与参考光形成的全息干涉图，焦平面阵列探测器13灵敏度的选取需和黄光激光器1功率大小以及指纹识别的距离范围相匹配，其感应波段应当与选取的黄光激光器1的波长相匹配，既应能感受到所选取的黄光激光器1的波长的波段，物光与参考光能够形成一个较好的干涉效果，焦平面阵列探测器13将图形信号传递给小型计算机15，提取手指指纹的三维立体信息即振幅和相位信息，然后利用平滑、锐化、插值、滤波等图像处理手段对已提取手指指纹的振幅和相位信息的全息图进行处理，再对处理后的全息图进行再现成像和显示，最后通过与原数据库已录入指纹信息特征进行匹配对比，从而快速地、安全地、高精度的进行指纹识别。
本实施例中黄光激光器1型号为：MGL-U-577,功率大小：30-50mW,稳定性高；可供选择的还有低噪声黄光激光器、单纵模黄光激光器两个系列，实现自由空间输出、光纤耦合（单模光纤、多模光纤、匀化光纤）输出；其中，焦平面阵列探测器（CCD）的型号为：FL3-GE-03S1C-C。分束镜Ⅰ2、分束镜Ⅱ10为玻璃分束镜，扩束镜Ⅰ3、扩束镜Ⅱ7为玻璃扩束镜。透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ8为消除了各种像差和球差的傅里叶透镜，避免像差和球差的存在影响成像。
本实施例中全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9相对设置，其旋转角度和参考光束光程以及和装置探测成像的实际距离三者之间的对应关系可以根据装置实际原件的放置位置计算出来，全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9的侧面活动通过活动螺钉设置在不透光外壳14内壁，且全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9侧面绕螺钉自由旋转，通过预设范围内的旋转来调整摆放角度，以此来改变平行黄光激光束进入全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6、全反射镜Ⅲ9的相对入射角度，从而改变平行黄光激光束在全反射镜Ⅰ5、全反射镜Ⅱ6以及全反射镜Ⅲ9中的反射次数，以达到调整参考光束光程的目的。
黄光激光器1、分束镜Ⅰ2、扩束镜Ⅰ3、透镜Ⅰ4、全反射镜Ⅱ6、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅱ8、分束镜Ⅱ10、偏振片11、检测腔12、焦平面阵列探测器（CCD）13、检测孔16通过支架固定在不透光外壳14内部，以此来增强装置的稳定性，保证成像的质量。
分束镜Ⅰ2、分束镜Ⅱ10、扩束镜Ⅰ3、扩束镜Ⅱ7、透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ8均采用玻璃材质或者硅材质的光学分束镜、扩束镜和准直透镜，可以降低装置成本，亦可以用具有透过黄光激光滤掉可见光特性的其它材料的分束镜、扩束镜和透镜替代。
焦平面阵列探测器（CCD）13可以用感应波段包含黄光激光器1波长波段的CCD图像传感器代替，不影响整个装置的功能实现。
进一步的，焦平面阵列探测器（CCD）13选用高速CCD使采集手指指纹信息的时间大大缩短，排除手指抖动性等其它不稳定因素的影响，使稳定性可忽略不计。
由于相干光在偏振态不同时其发生干涉后产生条纹对比度会下降，结合这一定律，在光路中加入偏振片11，使射入检测腔12内光束与检测腔12内手指指纹漫反射回来的光束在偏振态上存在差异，从而减弱两光束发生干涉后产生条纹的对比度，进而减少干扰条纹对指纹识别结果的影响，提高指纹识别精度。
严格控制物光与参考光光强比为1:1，物光光程与参考光光程比为1:1，以获取一个理想的全息干涉图，增强手指指纹的再现成像效果，便于和数据库已录入的指纹信息特征进行快速高效的匹配对比，提高指纹识别的精度。
进一步的，基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置及方法可应用于三维立体指纹锁；通过非接触式的方式采集手指指纹的三维立体信息，即得到手指指纹的振幅和相位信息，然后在与预先录入的指纹信息进行匹配对比，从而精确识别指纹。
再进一步的，基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置及方法亦可应用于公安网络系统方面；该装置可设置为移动式装置，利用5G网络将基于全息光路相位识别技术的指纹识别结果和公安系统数据库中已录入的指纹信息快速高效地作信息特征匹配，可以把数据库中指纹的平面信息替换成立体信息，便于实时掌握和更新指纹的最新信息；以确保指纹识别的安全性和指纹识别的高精度性。
实施例2
一种基于全息相位识别技术的指纹识别方法，具体包括以下步骤：
（1）获取通过非接触式图像采集设备焦平面阵列探测器采集到的手指指纹的全息干涉图。
（2）对所述提取振幅和相位信息的全息干涉图像执行平滑、锐化、插值、滤波处理，得到对比度增强的全息干涉图。
（3）对所述的对比度增强的全息干涉图进行手指指纹的原始三维立体信息的高质量再现成像；对所述高质量再现图像进行指纹特征提取，并基于提取结果进行指纹识别。
Claims (6)
1.一种基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，其特征在于：包括黄光激光器（1）、分束镜Ⅰ（2）、扩束镜Ⅰ（3）、透镜Ⅰ（4）、全反射镜Ⅰ（5）、全反射镜Ⅱ（6）、扩束镜Ⅱ（7）、透镜Ⅱ（8）、全反射镜Ⅲ（9）、分束镜Ⅱ（10）、偏振片（11）、检测腔（12）、焦平面阵列探测器（13）、不透光外壳（14）、小型计算机（15）、检测孔（16）；
黄光激光器（1）、分束镜Ⅰ（2）、分束镜Ⅱ（10）、扩束镜Ⅰ（3）、扩束镜Ⅱ（7）、透镜Ⅰ（4）、透镜Ⅱ（8）、全反射镜Ⅰ（5）、全反射镜Ⅱ（6）、全反射镜Ⅲ（9）、偏振片（11）、检测腔（12）、检测孔（16）、焦平面阵列探测器（13）均设置在不透光外壳（14）内；偏振片（11）紧贴于检测腔（12）的腔壁上；
黄光激光器（1）发射激光，经分束镜Ⅰ（2）分为两束激光，一束激光经过扩束镜Ⅰ（3）扩束，经透镜Ⅰ（4）准直为平行激光束，该平行激光束到达全反射镜Ⅰ（5），再经全反射镜Ⅱ（6）反射到分束镜Ⅱ（10）上，光束以反射的方式通过分束镜Ⅱ（10）进入焦平面阵列探测器（13），此光束称为参考光光束；
分束镜Ⅰ（2）分束的另一束光经扩束镜Ⅱ（7）扩束，经透镜Ⅱ（8）准直后成为平行光束，再经全反射镜Ⅲ（9）反射到分束镜Ⅱ（10），经分束镜Ⅱ（10）分束的一束反射光经偏振片（11）进入检测腔（12）内，照射被检测物即手指指纹，再由手指指纹漫反射后沿原光路返回分束镜Ⅱ（10），光束以透射的方式通过分束镜Ⅱ（10）进入焦平面阵列探测器（13），此光束称为物光光束；
物光光束与参考光光束拟合在分束镜Ⅱ（10）上发生干涉形成全息干涉图，全息干涉图由焦平面阵列探测器（13）进行接收记录，通过小型计算机（15）进行显示，从而对手指指纹三维立体信息再现成像显示。
2.根据权利要求1所述基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，其特征在于：所述黄光激光器（1）选用577—597nm波段的波长。
3.根据权利要求1所述基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，其特征在于：所述透镜Ⅰ（4）、透镜Ⅱ（8）为傅里叶透镜；所述扩束镜Ⅰ（3）、扩束镜Ⅱ（7）为玻璃扩束镜；所述分束镜Ⅰ（2）、分束镜Ⅱ（10）为玻璃分束镜。
4.根据权利要求1所述基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，其特征在于：
所述全反射镜Ⅰ（5）、全反射镜Ⅱ（6）、全反射镜Ⅲ（9）相对设置，全反射镜Ⅰ（5）、全反射镜Ⅱ（6）、全反射镜Ⅲ（9）位置自由旋转。
5.根据权利要求1所述基于全息光路相位识别技术的指纹识别装置，其特征在于：所述焦平面阵列探测器（13）用感应波段包含黄光激光器（1）波长波段CCD图像传感器替代。
6.权利要求1~5任意一项所述装置用于指纹识别的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）获取通过非接触式图像采集设备焦平面阵列探测器采集到的手指指纹的全息干涉图；
（2）对所述提取振幅和相位信息的全息干涉图像执行平滑、锐化、插值、滤波处理，得到对比度增强的全息干涉图；
（3）对所述的对比度增强的全息干涉图进行手指指纹的原始三维立体信息再现成像；
（4）对所述再现图像进行指纹特征提取，并基于提取结果进行指纹识别。
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