CN1292539A - 指纹图像的显示与采集装置 - Google Patents

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一种指纹图像的显示与采集装置,包括带有放指窗口和观测窗口的外壳。在外壳内沿着被测手指反射光前进的方向上,同光轴地依次经过直角棱镜,补偿直角棱镜、平面反射镜、双胶合透镜、超半球型浸没透镜直到摄像元件。由面阵发光二极管以及盖在它上面的毛玻璃片构成的光源对着直角棱镜的一个直角平面。全部光路安排紧凑合理,整体装置小巧适用,具有图像不失真、质量好、清晰度高、像差小的优点。

Description

指纹图像的显示与采集装置
本发明是一种关于指纹图像的显示与采集装置。
指纹是人终身不变的一个特征，指纹因其具有唯一性和稳定性，一直是身份鉴定和安全防范的可靠手段。因此，构建一个指纹图像的显示与采集装置具有广阔的应用前景和实际意义。在先技术中，井垣诚武、新崎卓、本问浩二等人在日本专利“光学的指纹检出机构”(日本国特许厅于1993年9月21日公布，公布号：特开平5-242230)中，提供了一种指纹图像显示的光学系统结构，如图1所示。光源1发出的光从棱镜(プリズム)3的一直角面以大于临界角入射到直角棱镜3中。将被测手指2按在直角棱镜3的斜面上，由于手指的乳突线(即指纹)是凸起于手指表面的，指纹与直角棱镜3斜面的紧密接触，破坏了全反射的条件，一部分入射光将被手指吸收损失掉，余下的部分光反射，从直角棱镜3的另一直角面透射出去，透镜(レンズ)4将指纹上各点反射的光会聚后，由平面反射镜(ミラ)5反射给摄像元件(摄像素子)6成像。这些乳突线(即指纹)上的各点在摄像元件6上显示为弱光。而在乳突线之间的凹处，因为人会分泌有微量的汗液，其折射率较小，入射光在此处会发生全反射，所以凹处的各点在摄像元件6上显示为强光。这样，从摄像元件6摄录下来的被测手指2表面上各点反射光的强弱变化，就可以得到清晰的指纹纹路。
上述在先技术中，被测手指2是按在直角棱镜3的斜面上，对直角棱镜3而言，指纹上各点反射的光经过直角棱镜后成像在直角棱镜的直角面上，成像过程相当于斜面上的指纹投影在直角面上。因为直角棱镜3的斜面大于直角面，所以指纹图像的长度被压缩变短了，但是宽度还是同实际指纹一样大，这样就引起了图像长宽比例的失真。上述在先技术另外的缺点是：光源1对指纹的照明不够均匀；整个光学系统的光路太长；成像过程中产生的像差较大。
本发明的目的是针对在先技术指纹采集过程中图像长宽比例失真、光源照明不均匀、光路较长、像差大的缺点，提供一种能够提高成像质量，使整个光路更为紧凑，结构更加小巧，指纹图像更加真实的指纹图像的显示与采集装置。
本发明指纹图像的显示与采集装置，包括外壳8，外壳8上带有供置放被测手指2的放指窗口801和供显示和采集指纹置放摄像元件6的观测窗口802。在外壳8内置有直角棱镜3，直角棱镜3的斜面上的中心点o与放指窗口801的中心点o相重合，直角棱镜3的一个直角平面对着有光源1。紧贴在直角棱镜3的另一个直角平面与直角棱镜3对称地置有补偿直角棱镜7。补偿直角棱镜7与直角棱镜3的大小形状和材料完全相同。在外壳8内有一平面反射镜5，平面反射镜5的反射平面与补偿直角棱镜7的斜面相平行，并且平面反射镜5反射平面的中心点o与直角棱镜3斜面上的中心点o的连线oo恰好穿过直角棱镜3和补偿直角棱镜7紧贴的两直角平面的中心点o′和补偿直角棱镜7斜面上的中心点o″。在外壳8内置有双胶合透镜9，双胶合透镜9的中心点o2在平面反射镜5反射平面的中心点o与直角棱镜3斜面上的中心点o的连线oo的垂线oo1上。在外壳8内置有超半球型浸没透镜10，超半球型浸没透镜10的球面向着双胶合透镜9。超半球型浸没透镜10球面的中心点o3与双胶合透镜9的中心点o2同在一条垂线oo1上。超半球型浸没透镜10平面上的中心点o1处置有在外壳8上观测窗口802内的摄像元件6。
所说的光源1是由面阵发光二极管101以及盖在它上面的毛玻璃片102构成。
所说的双胶合透镜9是由一凹凸透镜901和一双凸透镜902胶合而成的。
所说的置放在放指窗口801内的直角棱镜3斜面上的被测手指2与置于超半球型浸没透镜10平面上的中心点o1处的摄像元件6相对于超半球型浸没透镜10的物像位置是：物距L=(1+n)r，像距L′=(1+n)r／n，式中n为超半球型浸没透镜10的折射率，r为超半球型浸没透镜10球面的曲率半径。
本发明指纹图像的显示与采集装置，如上述和图2所示的结构，在外壳8内置有的作为光源1的面阵发光二极管101以及盖在它上面的毛玻璃片102，在外壳8内沿着被测手指2反射光前进的方向上，同光轴o-o-o1地依次经过直角棱镜3、补偿直角棱镜7、平面反射镜5、双胶合透镜9、超半球型浸没透镜10直到摄象元件6。
所说的摄像元件6是CCD摄像机，或者是照相机，将指纹图像摄录下来，或者是显示屏，直接显示指纹图像。
本发明用面阵发光二极管101发出的单色红光做为照明光源1，并在其上盖一块毛玻璃片102，使照明更加均匀。如同在先技术一样，利用直角棱镜3的全反射特性来获取对比度反差较好的指纹图像。本发明在直角棱镜3后加了一个与其同样大小和同种材料的对称置放的补偿直角棱镜7，把被直角棱镜3压缩的图像再放大回原来的大小，从而保证指纹图像长度和宽度比例一致，不失真。平面反射镜5将光路弯折90度，使整个光路更加紧凑、小巧。光线经过双胶合透镜11以及超半球型浸没透镜12会聚后，成像在超半球型浸没透镜10的平面上，由置于平面上中心点o1处的摄像元件6记录下来指纹的图像。
本发明的最大优点是图像不失真，像差小，图像质量好，清晰度高。为了解决在先技术中图像失真的问题，在直角棱镜3后加了一个补偿直角棱镜7，把被压缩的图像再放大恢复原来的大小。双胶合透镜9由一凸一凹的两个透镜组成，以相互平衡抵消成像过程中产生的正负球差。在先技术中单一的透镜4显然无法消除自身产生的球差。在先技术是用透镜4会聚光束，本发明不仅用双胶合透镜9会聚光束，还用了一个二次聚光元件超半球型浸没透镜10进一步会聚光束，两个元件的强力会聚使得光路的长度变得更短，可将本发明应用到诸如指纹锁等要求小型化的场合中。使用超半球型浸没透镜10后，不仅显著地缩短了整个光路长度，还有效地提高了信噪比，减小了像差。超半球型浸没透镜10一般来说是有像差的，但将物体放在超半球型浸没透镜的齐明点(即不晕点)处，球差、慧差和像散均可消除。此时被测手指2与摄像元件6(相对于超半球型浸没透镜10)的物像位置是按物距L=(1+n)r和像距L′=(1+n)r／n这一特殊的物像共轭关系置放的，可有效地消除球差、慧差和像散，大大降低了光学系统的像差。式中n为超半球型浸没透镜10的折射率，r为超半球型浸没透镜10球面的曲率半径。全部光路安排紧凑合理，整体装置小巧适用。
附图说明：
图1为在先技术的指纹图像采集装置的光路结构的示意图。
图2为本发明指纹图像显示与采集装置结构的示意图。
实施例：如图2所示的结构。为了避免成像过程中产生色差，光源1是用面阵发光二极管101发出的单色红光(波长λ=766nm)对被测手指2进行照明，并在面阵发光二极管101上面盖一块毛玻璃片102，目的是对被测手指2进行均匀照明。直角棱镜3和补偿直角棱镜7的材料、尺寸完全相同，最好做成等腰直角全反射棱镜，它们的斜面面积比一般人的手指指纹有效面积略大一些，长、宽、高尺寸取32cm×20cm×32cm。双胶合透镜11是由一凸一凹的两个透镜胶合而成，它们分别是由两种折射率不同的玻璃材料制作的。折射率相差越大，它们相互平衡抵消成像过程中产生的正负球差的效果就越好。平面反射镜5按与补偿直角棱镜7的斜面平行的方向置放。超半球型浸没透镜10用K9玻璃(折射率n=1．5163)加工而成，曲率半径r=15mm，厚度24．89mm。相对于超半球型浸没透镜10，物距L=37．74mm，像距L′=24．89mm。除了在被测手指2的按捺处留一手指般大小的放指窗口801和观测窗口802外，整台装置用外壳8密封起来，以防止灰尘和杂散光的进入，影响指纹图像的显示与采集效果。为了得到清晰度较高的指纹，采集指纹前最好将被采集人的手指清洗干净。

Claims (4)

1．一种指纹图像的显示与采集装置，包括：
<1>带有放指窗口(801)和观测窗口(802)的外壳(8)，在外壳(8)内置有直角棱镜(3)，直角棱镜(3)斜面上的中心点(o)与放指窗口(801)的中心点(o)相重合，直角棱镜(3)的一个直角平面对着有光源(1)；
其特征在于：
<2>在外壳(8)内，紧贴在直角棱镜(3)的另一个直角平面与直角棱镜(3)对称地置有大小形状和材料完全相同的补偿直角棱镜(7)；
<3>外壳(8)内置有平面反射镜(5)，平面反射镜(5)的反射平面与补偿直角棱镜(7)的斜面平行，并且平面反射镜(5)反射平面的中心点(o)与直角棱镜(3)斜面上的中心点(o)的连线(oo)恰好穿过直角棱镜(3)和补偿直角棱镜(7)紧贴的两直角平面的中心点(o′)和补偿直角棱镜(7)斜面上的中心点(o″)；
<4>在外壳(8)内置有双胶合透镜(9)，双胶合透镜(9)的中心点(o2)在平面反射镜(5)反射平面中心点(o)与直角棱镜(3)斜面上的中心点(o)的连线(oo)的垂线(oo1)上；
<5>在外壳(8)内置有超半球型浸没透镜(10)，超半球型浸没透镜(10)的球面向着双胶合透镜(9)，超半球型浸没透镜(10)球面的中心点(o3)与双胶合透镜(9)的中心点(o2)同在一条垂线(oo1)上；
<6>超半球型浸没透镜(10)平面上的中心点(o1)处置有在外壳(8)观测窗口(802)内的摄像元件(6)。
2．根据权利要求1所述的指纹图像的显示与采集装置，其特征在于所说的光源(1)是由面阵发光二极管(101)以及盖在它上面的毛玻璃片(102)构成。
3．根据权利要求1所述的指纹图像的显示与采集装置，其特征在于所说的双胶合透镜(9)是由一凹凸透镜(901)和一双凸透镜(902)胶合而成的。
4．根据权利要求1所述的指纹图像的显示与采集装置，其特征在于所说的放指窗口(801)内的直角棱镜(3)斜面上的被测手指(2)与置于超半球型浸没透镜(10)平面上的中心点(O1)处的摄像元件(6)相对于超半球型浸没透镜(10)的物像位置是：物距L=(1+n)r，像距L′=(1+n)r／n，式中n为超半球型浸没透镜(10)的折射率，r为超半球型浸没透镜(10)球面的曲率半径。
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