CN1695154A - 用于生物识别的非接触式光学成像系统 - Google Patents

Abstract

一种将物体的特征、突脊与高度变化成像的光学系统，利用光的镜面反射特性最大化这些特征、突脊与高度变化的对比度。该系统提供了一种适用于生物识别的非接触式的物体成像方式，例如指纹成像。该系统通过对波阵面适当的定形，从而获得了强烈的镜面反射。可选的，该系统还可以包括一个用于滤光的偏光器，以增强物体表面的镜面反射。可选的，该系统也可以包括预处理装置，用于调整图像亮度，对比度以及放大率。

Description

用于生物识别的非接触式光学成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于生物识别的非接触式光学成像系统。

背景技术

在今天这个电子信息时代，人们对于加强安全与正确的身份识别有着非常大的需求。例如，对经由互联网在供货商的网站上进行购物的购买者的身份识别，对其他金融交易参与者的身份识别，以及对于在任何必须要处理和传输敏感数据的地点和在访问控制中的身份识别，都包括在可靠的身份识别需求之内。正在发展中的生物测定学领域为这种可靠的身份识别需求提供了一个科学的答案。生物识别技术测量并突出标记某个人身上的一些唯一的特征，然后利用这些特征去识别这个人。

目前已经存在有许多生物识别设备，包括指纹读取器，掌形读取器，虹膜成像仪，视网膜摄像仪，语音辨识器，人脸辨识设备。更复杂一些的设备还有指甲突脊辨识设备以及耳垂血管图案摄像仪。在这些生物识别设备中，最有前途，最成熟和最常用的设备可能就是指纹读取器。

所有这些生物识别设备都各有其所长与不足之处。任何生物识别设备的重要特性包括用户舒适度，使用户愿意使用；低误拒绝率；低误接受率；成本；尺寸；操作速度；以及在各种工作环境下的耐用性。综合考虑这些特性，指纹读取器表现出很好的整体性能，特别是在用户接受度上。

目前的指纹读取器有两种基本类型，一种是(1)直读感应器，一种是(2)光学感应器。除了少数几种特殊的光学读取器，所有的直读感应器与绝大部分光学读取器，都要求使用者将其指尖部位紧紧地按在一个“平板”上，使其被读取。对于直读器来说，这个平板就是感应器自身的表面。这种设备必须要取得手指表面的接触印纹，其依据的原理在于，指纹的较高的突脊相对于凹沟来说，会接触到感应器，或者更靠近感应器的表面。该技术目前有多种变化形式。

另一方面，现有的绝大多数光读器都有一个棱镜或者其他玻璃(或者也可能是塑料)表面，使用者将他们的手指放在这个表面上，并且通过这个表面，其指纹的图像被摄取。这种设备依据平板表面处由于与手指表面突脊的接触而造成的反射率的变化，从而形成了指纹中突脊的高对比度图像。反射率的变化是由于平板与空气之间的表面处的折射指数的差异与不连续所造成的。

当手指(或者任何其折射指数略高于空气的物体)以与平板表面紧密的接触(也可以包括湿润)的方式被放置时，在放置处的反射率就会减小。原则上，仅指纹的高点(突脊)会与平板表面发生紧密接触，因而突脊会比凹沟显得更深暗。平板表面的照明措施是为了最大化这一效果。

接触式光学生物识别设备有其固有的缺点，包括手指的润湿性或油性引起的指纹图案的较大变化，手指的压力变化引起的图案变化，干燥或过于润湿的手指造成的指纹图案不清或部分区域无图案，残留物造成的对比度损失，以及上一次使用而遗留在平板上的隐约的指印。另外，由于这些隐约的指印有被使用者盗用的可能性，因此，身份被窃取的安全风险也是存在。由于都需要将手指放置于平板上，光读器的许多缺点也同样存在于直读感应器。而且，直读感应器的其他问题还包括：易破损(当某个物体落到必须很薄的平板上时容易破碎)，静电放电造成的损坏，以及成本高。

发明内容

本发明是一种新式光读技术。其主要的物理反差机制，基于从物体表面的直接镜面反射，而非内部反射。这就赋予了本发明的非接触式生物测定图像获取的独特优势，避免了目前的接触式光学和直接读取技术的大部分问题。此外，本发明独特的基于低成本与成熟的光学图像感应器，因此在价格与分辨率上具有市场竞争力。该技术还不受静电放电的影响，手指的潮湿或干燥对其无干扰，手指的压力大小不会引起指纹图案的变化。事实上，该技术的主要优点之一就是无需压力即可获得清晰的指纹图像。

本发明的优选实施例要求使用者将手指放在仪器外壳开口处来提取指纹，但是，使用在无菌或者其他特殊环境下的另外的实施例也允许采用一种完全的非接触模式。本发明另一个显著优点是，它可使用指尖以外的其它皮肤表面的突脊来进行身份识别，譬如：关节或手肘。这在一些特殊情况下很有用，譬如：使用者没有手指或不能使用手指。

总之，本发明是一种对一个物体的特征、突脊、以及高度变化进行成像的光学系统，利用光的镜面反射特性来最大化这些特征、突脊、和高度变化的反差。本发明包括一个光源(例如发光二极管)，一个用于定位成像物体的装置(例如一个物理托持架或位置检测器)，一个光源光束波阵面定形装置(例如镜子或透镜)，通过它来照亮物体，从而在物体的整个表面上形成强烈的镜面反射，一个利用反射光聚焦物体图像的装置(例如透镜或镜子)，以及一个图像感应器，放置在使从对象反射的光能在该感应器上创建图像的位置(例如CCD或CMOS图像感应器)。

附图说明

图1是本发明用于指纹成像的一个实施例的透视图；

图2是本发明用于指纹成像的一个实施例的方框示意图；

图3是本发明用于指纹成像的一个实施例的截面图；

图4是本发明用于指纹成像的一个实施例的示意图；

图5显示了利用本发明获取的指纹图像例图。

具体实施方式

本发明对表面特征，譬如，手指或其它生物识别对象的独特突脊，进行高质量、高对比度、均匀和一致的成像。读取器依据的基本物理原理是用镜面反射光来最大化特征、突脊和高度变化的反差。可选的，本发明使用一个偏光镜对来自物体表面的镜面反射进行过滤和增强。可选的，本发明还可以包括预处理装置，用于调节图像的亮度、对比度、和放大率。

本发明的优选实施例中包括(1)一个光源，即一个不带透镜的绿色发光二极管或LED；(2)一个空间滤光器，包括第一级与第二级，第一级具有一个对准光源的光圈，用以定义光源的有效尺寸，第二级具有一个与第一级光圈同心的光圈，用以定义光源光束的锥形角度；(3)一个球凹面镜，放置在从空间滤光器发生的光路上，以便俘获全部的锥形光束；(4)一个物体托持架，放置的位置可以保持物体相对于镜面反射光45度角成像，使从物体反射出来的光的镜面分量成为部分线性偏振，并保持物体恰好处于反射镜的源像点之内，从而使该物体被镜面反射锥形光束完全照明，该位置并进一步被定位于使源像点与光源并置，并进一步被定位于使其位于空间滤光器的出射锥形光束之外；(5)一个偏振滤光镜，位于物体反射光束路径上，其取向仅让反射光中的s-分量通过；(6)一个透镜，放置在可以使从偏振滤光镜出来的光通过该透镜的位置上；(7)一个小孔径光圈，放置在可以使从透镜出来的光通过该光圈的位置上，以获得较大的景深；(8)一个图像感应器，放置在可以使从该孔径光圈出来的光照在该感应器的位置上，而且该位置还可以使图像通过透镜聚焦在该感应器的表面，并且与来自该孔径光圈的光的光轴大约成30度角，以校正由于物体与透镜轴的大角度而造成的图像变形。

图1至图4描述了本发明的实施例，图5显示了本发明实施例输出的样图。

图1是本发明作为指纹读取器的一个实施例的透视图。该指纹读取器的内部工作结构被容纳于机壳(36)内。使用时，使用者沿铰链(34)向后翘起机盖(32)，暴露出手指光圈板(12)，使用者的手指放置其上以获取图像。

图2是在图1中进行了外部描述的优选实施例的截面图，显示了该成像器的内部结构。首先，实施例中的内部机构被安装在机壳(36)中。一个LED或其它灯泡(16)作为发光光源，最好是绿色波长。光束通过决定发射光锥形角度的两级空间滤光器(18)。(该两级空间滤光器放置的角度位置使在光圈(11)处被成像的物体免受LED(16)光的直射。)光束然后被送到凹面反射镜(14)，该凹面镜所处的位置使其能捕获光锥中的所有光量。从凹面反射镜(14)出来的光通过手指光圈板(12)的反射，充分照亮了放置在手指光圈板(12)上的开口或手指光圈(11)上的手指，以至拦截并反射了来自凹面镜(14)的锥形光束。(使用者将机盖(32)绕铰链(34)旋转提起来接近手指光圈(11)。)手指光圈板(12)被放置的位置可以保持手指大约成45度角，接近于布鲁斯特(Brewster)角，使光的镜面分量被部分地线性偏振。

经手指反射后，光束穿过偏光器(24)，通过的仅为光的s-分量。光束然后通过成像镜(26)和孔径光圈(28)。图像感应器(30)的放置位置使其能接受从孔径光圈(28)出来的光束，并且恰好让光通过成像镜(26)聚焦在其表面，同时相对于穿过孔径光圈的光轴成30°角，以校正因手指与成像镜(26)光轴的大角度而造成的图像变形。

图3为本发明实施例的概念性的方框示意图，显示了光束从光源(16)经由反射镜(14)，然后通过手指光圈(11)的光路。然后光束照射到手指(8)上，并且反射进入安装在预处理电路板(42)上的相机装置(44)，该电路板通过连接器(46)提供外接输出，以对信号作进一步处理或使用。

图4为本发明优选实施例的概念性示意图。LED或其它光源(16)提供光束，最好是绿色波长。该光束直接通过一个两级型的空间滤光器(18)。该两级型空间滤光器(18)由第一光圈(20)与第二光圈(22)组成，第一光圈对准光源以决定光源的有效尺寸，第二光圈与第一级的光圈同心。第一光圈(20)与第二光圈(22)共同定义了光源发射光束的锥形角度。然后该光束被送到一个凹面反射镜(14)，其所处位置使其能完全捕捉整个光束。从凹面镜(14)反射出来的光束通过手指光圈板(12)上的一个开口或手指光圈(11)聚焦在原像点(10)。被成像的指尖放在手指光圈板(12)上的开口(11)，对凹面反射镜(14)投来的锥形光束进行拦截和反射。手指光圈板(12)放置的位置使手指成约45度角，与布鲁斯特角接近，使光的镜面分量部分地线性偏振。原像点(10)与LED(16)并列排置。

经指尖反射后，光束穿过偏光器(24)，其仅使光的s-分量通过。光束然后通过成像透镜(26)和孔径光圈(28)。图像感应器(30)的放置位置使其能接受从孔径光圈(28)出来的光束，并且恰好让光通过成像透镜(26)聚焦在其表面，同时相对于来自孔径光圈(28)的光轴成30°角，以纠正因手指与成像透镜(26)光轴的大角度而造成的图像变形。

图5显示本发明实施例生成的结果。手指照片(38)为图像感应器捕捉的图像，指图(40)是经预处理后的手指图像。

在该优选实施例中，本发明使用了特殊的绿色LED用于照明，提供了高亮度与短波长以实现手指表面下的低穿透率。透镜经抛磨去除以形成一个类似点光源。在其他实施例中，其他波长的光源也可以等同的使用。

定形照明用于增强反射光的镜面分量，减少不需要的散射光，最大化LED输出到手指表面的光量，并确保物体的整个表面被照亮。在该优选实施例中，用一个凹面反射镜来收集LED发出的光并将其约束成一定的形状。在其它实施例中，亦可使用凹面镜之外的其它装置来收集和定形光束，下面将对此进行更详细的描述。

在优选实施例中，用直接置于照像(成像)镜前面的偏振滤光器来进一步增强表面特征的对差。偏光器的取向仅让反射光中的s-分量通过，其从表面发生镜面反射时自然地成为偏振光。为最大程度地发挥该效应，照明光的角度被设定成与布鲁斯特角相近。在其它实施例中，亦可使用不同于偏振滤光器的其它装置来增强反射光中的镜面分量，下面将对此进行更详细的描述。

在优选实施例中，照明光以大角度照射在表面上，以增强凹沟“阴影”的镜面反射效果和反射后的偏振。相机相对于手指的视角也很大。

相机的大视角产生景深问题和图像变形。在优选实施例中，采用两个主要的设计特点来处理这些问题。第一，一个低光圈成像镜提供高景深。第二，将图像感应器偏斜以纠正某些图像变形，也就是说相机透镜架相对于相机芯片是倾斜的。譬如，在一个实施例中，成像镜光轴与相机(感应器)平面的法线成30度角。

最后，在优选实施例中，用特别设计的数字预处理算法来对图像进行处理，通过增强手指表面图像的对比度、均匀和连贯性来进行这最后的处理机制。这是利用软件算法对相机所获得的原始图像进行“平整”和非线性处理“两元化”来实现的。

该程序可以固件形式被安装在嵌入或专用的处理器中，或以软件形式安装在主控计算机中(本地或远程)。该数字处理器有两个功能：第一是“平整”图像。为使每幅图像的明亮度和对比度一致，必须对图像进行平整；在原始图像中，一些区域会比其它区域亮(通常中央比周围亮)，并且手指表面的突脊与凹沟之间的对比度在一副原始图像内也不均匀。此外，人手指的原始图像中有局部亮度和对比度的变化外，也有总体亮度和对比度的变动，这是由于手指放置、手指情况、和LED亮度有差异以及不同阅读器的照明条件不同，。平整处理能消除这些变化。平整处理对优化本发明的性价比是非常重要的，因为它能纠正使用廉价光学组件引起的一些不一致情形而造成的原始数据的异常。

数字处理器的第二个功能是非线性处理。非线性处理增强和统一(使其在数值上恒定并均匀一致)了图像的对比度。一种用于指纹图像的非线性处理的较好形式是“两元化”。两元化在本质上是一个阈值运算，它检验图像中的每一个像点，然后用两个新数值中的一个代替其当前值，从而产生一个两元图像(就是说，它的所有的组成点为两个数值之一，譬如，+1或-1)。其它能产生连续图像的非线性处理(非两元化)也可被采用，譬如，将原始图像亮度值映射为亮度的数次幂或反切值。总之，该技术需要检验原始图像中的每一个像点及其周围邻近像点，从而决定该像点的新数值，进行该处理的原因在于原始图像的亮度和对比度都是不均匀的。

本发明的优选实施例包括：一个人体工程设计的机壳，机壳上有一个特殊形状的开口，其尺寸可以接受一般的手指按面；一个重力驱动的盖子，遮盖住开口，用于防止灰尘及异物落入机壳妨碍读取器的工作；一个不带透镜的改进的高亮度LED，起到类似一个点光源的作用；一个凹面镜，收集和定形从LED发出的光，并将其送到手指表面；一个基于数字图像感应器的芯片，该感应器具有特定角度的透镜架；一个价格低廉的小孔径透镜，将手指图像聚焦在感应芯片上；一个线性偏振滤光器，位于透镜正前方，用于滤除从手指表面发出的各种散射与非镜面反射光。

本发明的优选实施例被设计用于获取高质量的指纹图，而无需使用平板装置——使用者的手指不用与读取器感应表面接触。这样就避免了与压力敏感性(由于手指在平板上的压力不同引起图像不一致)、由于遗留在平板上的油污残留物造成的隐约指印污染或对比度损失、各种静电放电问题(直读式半导体芯片感应器的常见问题)等有关的问题。它还减少了由于手指的干燥或潮湿引起的指纹图像质量的变化和问题。此外，由于本发明的无接触操作，因此可以制造一些使用在无菌环境中的特殊的设备样式，用以满足在绝对无接触的情况下获取指纹的要求，还可以制造一些特殊型号，用于通过使用除了手指以外的其它身体表面(例如，指关节、肘，以及脚趾)进行生物识别。对于使用者可能是截肢者，无明显手指表面特征的人，或者因为某些原因不能使用他们的手的人(例如双肢截瘫或四肢截瘫者)的使用场合下，这些样式是有用的。

为降低成本和减小仪器的总尺寸，以上优选实施例包含了一些必要的妥协折衷措施。为得到更好的效果，某些部位可使用较昂贵的部件，特别是光学元件。虽然在优选实施例中使用了球形反射镜，其它形状的模铸反射镜，如椭圆形或抛物面形反射镜也可被采用，光源、镜面及物体的相对位置也可以调整为其他的物理配置。同样，也可采用更昂贵和更高质量的透镜，包括非球形镜，可以得到更佳的成像效果，但价格会更高。

上述优选实施例中的许多部件都有其它效果等同的装置可供替代。这些可用等效装置替代的部件至少包括定形、定位、偏振和预处理部件。

照明光束(或光的波阵面)定形部件的等效方式包括，但不限于，单面凹镜(如优选实施例中所示)；一系列反射镜；通过一个或多个透镜折射；通过一个或多个定形棱镜折射；通过透射模式全息光学元件透射；通过反射模式全息光学元件反射；经由单光纤或光纤阵列使光通过，每根光纤的输出端位于可以贡献一份所需要的照明的位置；经由光纤面板(光纤阵列被捆束或融镕在一起作为单个光学元件，但每根光纤仍作为光通道单独工作)使光通过，其形状经过拼合以提供所需的照明；光源阵列，对每个光源定位以获得所需的照明；或以上办法的组合，譬如，反射表面、透镜、棱镜、全息光学元件或光纤阵列的组合，所有的元件都经定位或定形以产生所需的照明光的波前。

用于成像的物体定位部件的等效方式包括，但不限于，针对物体放置处使用一个托持架，托持架的形状要限定物体在空间中相对于成像系统的取向(如优选实施例中所示)；一个或一组光检测器，当物体处在正确的位置和取向时，其进光被物体所阻挡或反射，从而产生一个信号来启动成像工作；一个提供用户位置反馈的光检测器，如音频、视频或触觉反馈，来引导物体定位；电容感应器；声波或超声波感应器；气流或气压感应器；物体固定器，可以通过机械或其它原理依序自定位入成像仪器中；一个机械手臂或传动装置，能抓持物体并将其放到成像位置；一个初级图像感应器(相机)，通过程序获取和分析成像，或检测自动增益控制信号，或通过其它由图像感应器产生的信号，来检测物体的位置和取向；或一个或一组次级图像感应器，与初级图像感应器一起使用。

偏光器的等效方式包括，但不限于，线性偏振滤光器，如双色片偏光器；延迟板，如波片，一般为1/4或1/2波片，但可以是任何所需要的推迟；偏振光束分光器；偏振镜；用旋光材料制成的旋转板，当光通过旋转板时，它能旋转进射光的偏振态；双折射晶体或用双折射材料制成的光学晶体，如格兰-汤姆逊(Glan-Thompson)、格兰-泰勒(Glan-Taylor)、或沃拉思顿(Wollaston)棱镜；或任何以上方式的组合。

通过统一图像亮度来对图像进行平整处理的等效方式包括，但不限于，过滤每个图像低空间频率并且根据过滤图像对原始图像的亮度变化进行统一；用两维函数核对图像进行卷积，并且根据各点的卷积值对图像的每个像素进行阈值处理；或测量并储存一个对于图像视域的照明差异的两维阵列(图像)，然后用这个两维阵列对图像进行统一化。

统一和增强图像对比度对图像进行非线性处理的等效方式包括，但不限于，用两维函数核对图像进行卷积，并且根据各点的卷积值对图像的每个像素进行阈值处理；用两维函数核对图像进行卷积，并且根据各点的卷积值对每个像素应用非线性增益函数(倍增因子)；在亮度被统一后，对整个图像应用非线性增益函数；或根据窗口内的像素直方图，对图像应用移动窗口技术并且调整窗口内中心像素的数值。

统一图像放大的等效方式包括，但不限于，应用表面映射技术；应用形态变换技术；或将放大倍数作为图像位置函数测量并存储，并利用插值法将像素重新映射至新的位置。

优选实施例的运作如下：当使用者将手指放在机壳的开口上时，启动图像拍摄。LED完全启亮，在短的预定的延时后，相机拍摄一个单幅图像。然后该“原始”图像被送到计算机主机进行预处理，或用单板处理器(如数字信号处理(DSP)芯片)在读取器内部进行预处理，该处理器具有一个储存在本地存储器上的处理程序。然后预处理后的图像被送到计算机主机作进一步的用户身份识别处理(生成模板或用户识别码)，此步骤亦可用本发明上的单板处理器来完成。在所有的情况下，如有安全上的必要，可将信息加密，然后从本发明设备发送至主机。一旦模板或唯一的用户识别码产生后，可通过运行于本地或远程主计算机中的数据库程序对其进行取存和传输控制。

优选实施例的照明系统包括：一个高亮度绿光LED(有市售)，具有平坦光学面，譬如：无透镜或移去其塑料透镜；一个两级型空间滤光器(两个相隔特定距离的同心光圈)，控制LED发出的照明光束；一个凹面镜，收集、重定形LED光并将其转向到手指表面。LED无透镜，或透镜被移除，譬如通过抛磨，这样LED可最大可能地像点光源一般工作，以除去因透镜精密的外形变化而造成的光束形状不一致性，这种无透镜的LED可以廉价的大规模生产。

从LED发出的光通过两级空间滤光器后，充满凹面反射镜口。反射镜将光束成形聚焦在一个焦点上，其由反射镜的曲率确定，并使得该焦点被设计为稍稍超越被成像手指的表面。也就是说，照明手指的光被聚集在一起，形成锥形光束。几何上的安排使指头表面稍稍在锥形光束的最高点或者说焦点前拦截该锥形光束，这样暴露在本发明的光圈中的整个手指面可被照明。

聚集到手指上的光束的收敛速度和入射角度被优化，使其在整个视域(暴露的手指)中产生最多的镜面反射分量，从而在手指表面的突脊反射与凹沟反射间形成高度的反差。光束的收敛速度由反射镜的曲面半径和LED与反射镜间的距离决定。照明入射角度由LED和反射镜相对彼此和相对手指的角度决定。

两级空间滤光器控制LED发射光的锥形束大小。这对最大化指纹图像的反差很重要，因为除了用于充满镜面并照明手指所必需的光之外，所有其余的光都被它遮蔽了。这些其余的光会在读取器内造成散射问题，最终会在手指表面上以不同角度反射，这会降低所需要的对比度，或者会直接进入相机，产生不良的背景信号。LED的角度和位置和空间滤光器的大小，都必须适当地设定，以保证LED发出的光线不会直接射在手指上，因为对手指的直接照明会同样降低手指区域的对比度。

两级空间滤光器由一个直径比LED源尺寸稍大的小光圈，以及第二个距该小光圈不远的同心大光圈组成。该第一光圈紧贴在LED面上以限定光源的有效尺寸，第二光圈限定了发射光的锥形角。第二光圈的直径和其距第一光圈的距离是限定所需要的锥形角度的一对参数。

在本发明的优选实施例中，LED被放在机壳内手指头位置的邻近处。凹面镜反射光的焦点(也是LED光源在空中的成像点)位于非常靠近手指的位置，仅稍稍超出手指面。这种几何配置不仅可以生成几乎最佳的照明以获得良好对差，而且使光源和它的像在空中并列排置。这就意味着球形反射镜几乎是最好的选择，这样还可以减小生产反射镜的成本，因为球形镜容易设计、规范和制造。

然而，本发明的其它实施例可以移动LED和反射镜的位置，用以例如减小仪器尺寸或改变其形状。这种变化是可以实现的，只要将反射镜的形状调整为椭圆形或其它更复杂的形状，以获取适当的照明，最大化对比度。

在优选实施例中，手指光圈与相机透镜的光轴成+45°度角，照明锥形光束的光轴与手指光圈面的法线成约+45°度角(与相机透镜的光轴成约+90°度角)。这个几何构形增强了产生对差效果的镜面反射。由于入射和反射的高角度，光的镜面分量偏振化。在本发明的优选实施例中，通过在相机透镜上放置偏振滤光器，使仅反射光的s-分量得以通过，这一措施更加增强了指纹表面特征的对差。

由于成像物体与相机透镜的光轴成较大的角度，一般情况下，会发生景深和图像失真的问题。为了简单而廉价的纠正这些问题，相机感应芯片的平面被倾斜到与成像镜的光轴成30°角。此外，相机的透镜架带有一小光圈以将透镜“缩小光圈”。这两个特性增大了景深并补偿了失真，因此可以仅使用一个廉价的塑料单透镜。小光圈引起的低集光性由高亮度的LED来补偿。这是为优化性价比而做的又一次折衷，因为高亮LED光源比起特殊的纠正光学元件要便宜得多。但是，在其它实施例中，如果成本不是重要因素，也可使用特别模铸的非球形或非对称成像透镜来进一步提高整体工作性能。

虽然在几个优选实施例中对本发明作了较详细的描述，但是本发明可能亦适用其它实施方式。因此，所附的权利要求之概念和范围不应受限于优选实施例中的描述。此外，本领域的技术人员应知道在不改变本发明的概念下，一些等效结构可以用于优选实施例中的部件。因此，再次重申，下面记载的权利要求包括了那些等效结构。

Claims (38)

1、一种将物体的特征、突脊与高度变化成像的光学系统，利用光的镜面反射特性最大化这些特征、突脊与高度变化的对比度，该系统包括：

a.一个光源；

b.一个定位所述成像物体的装置；

c.一个所述光源光束波阵面定形装置，用于照明所述物体以形成强烈的镜面反射；

d.一个利用所述反射光聚焦所述物体图像的装置；以及

e.一个图像感应器，位于可以使从所述物体反射的所述光在其上创建图像的位置。

2、一种将物体的特征、突脊与高度变化成像的光学系统，利用光的镜面反射特性增强这些特征、突脊与高度变化的对比度，该系统包括：

a.一个光源；

b.一个检验所述成像物体位置装置；

c.一个所述光源光束波阵面定形装置，用于照明所述物体以形成强烈的镜面反射；

d.一个利用所述反射光聚焦所述物体图像的装置；以及

e.一个图像感应器，位于可以使从所述物体反射的所述光在其上创建图像的位置。

3、一种将物体的特征、突脊与高度变化成像的光学系统，利用光的镜面反射特性增强这些特征、突脊与高度变化的对比度，该系统包括：

a.一个光源，发射波阵面被定形的光，用于照明所述物体以形成强烈的镜面反射；

b.一个定位所述成像物体的装置；

c.一个利用所述反射光聚焦所述物体图像的装置；以及

d.一个图像感应器，位于可以使从所述物体反射的所述光在其上创建图像的位置。

4、一种将物体的特征、突脊与高度变化成像的光学系统，利用光的镜面反射特性增强这些特征、突脊与高度变化的对比度，该系统包括：

a.一个光源，发射波阵面被定形的光，用于照明所述物体以形成强烈的镜面反射；

b.一个检验所述成像物体位置装置；

c.一个利用所述反射光聚焦所述物体图像的装置；以及

d.一个图像感应器，位于可以使从所述物体反射的所述光在其上创建图像的位置。

5、如权利要求1或2所述的光学系统，其中所述照明光的波阵面定形装置是一个凹面镜。

6、如权利要求5所述的光学系统，其中所述凹面镜是球形的。

7、如权利要求1或2所述的光学系统，其中所述照明光的波阵面定形装置是一个透镜。

8、如权利要求1或2所述的光学系统，其中所述照明光的波阵面定形装置是一个全息光学元件。

9、如权利要求3或4所述的光学系统，其中所述光源进一步包括一个单光发射器阵列，经排列以定形所述波阵面照明所述物体。

10、如权利要求1或3所述的光学系统，其中所述定位物体的装置是一个托持架。

11、如权利要求2或4所述的光学系统，其中所述检验物体位置的装置是一个光电检测器。

12、如权利要求1或3所述的光学系统，进一步包括：

a.定位物体的装置，使照明所述物体的所述光以足够将反射光的镜面分量部分线性偏振的角度照射到所述物体；以及

b.一个偏光滤光器，位于从所述物体反射的所述光束路径上，其取向使得仅所述偏振光的s-分量得以通过到达所述图像感应器。

13、如权利要求2或4所述的光学系统，进一步包括：

a.检验所述物体位置的装置，该位置使照明所述物体的所述光以足够将所述反射光的镜面分量部分线性偏振的角度照射到所述物体；以及

b.一个偏光滤光器，位于从所述物体反射的所述光束路径上，其取向使得仅所述偏振光的s-分量得以通过到达所述图像感应器。

14、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，进一步包括一个第一偏光滤光器，置于所述光源与所述物体的之间。

15、如权利要求14所述的光学系统，进一步包括一个第二偏振滤光器，置于所述物体与所述图像感应器之间，其位置应使所述物体反射光经由它通过，并到达所述图像感应器，所述第二偏振滤光器选取的取向应使所述反射光的所述镜面分量最大限度的通过。

16、如权利要求15所述的光学系统，其中所述的每一个偏振滤光器都仅由偏光器组成。

17、如权利要求15所述的光学系统，其中所述的每一个偏振滤光器都仅由波片组成。

18、如权利要求15所述的光学系统，其中所述的每一个偏振滤光器都由一个偏光器与一个波片共同组成。

19、如权利要求15所述的光学系统，其中所述的第二偏振滤光器是线性滤光器。

20、如权利要求14所述的光学系统，其中所述的第一偏振滤光器是线性滤光器。

21、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，其中所述的聚焦图像的装置是一个透镜，位于所述物体与所述图像感应器之间，将所述光聚焦到所述图像感应器上。

22、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，其中所述的光源是一个发光二极管或LED。

23、如权利要求22所述的光学系统，其中所述的发光二极管或LED没有透镜。

24、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，进一步包括一个空间滤光器，包括：

a.具有一个光圈的第一级，所述光圈相对所述光源放置，用于限定所述光源的有效尺寸，以及

b.具有一个光圈的第二级，所述第二级的所述光圈与所述第一级的所述光圈同心放置，用于限定所述光源光束的锥形角度。

25、如权利要求24所述的光学系统，其中所述的定形装置是一个镜子，位于所述光源光束经由所述空间滤光器而发出的光路上，用于俘获全部的所述锥形光束。

26、如权利要求1或3所述的光学系统，其中所述物体被放置的位置要使入射光以一个角度从该物体上被反射。

27、如权利要求26所述的光学系统，其中所述物体被放置的位置要使所述入射光以一个角度从所述物体上被反射，所述角度接近于布鲁斯特角度，以使所述光的所述镜面分量部分偏振。

28、如权利要求1或3所述的光学系统，其中所述物体放置的位置要使从所述镜子出来的光以大约45度角从所述物体反射。

29、如权利要求1或3所述的光学系统，

a.其中所述的照明光的波阵面定形装置是一个凹面镜；并且

b.其中所述的物体被放置的位置要使所述成像物体的表面被所述

镜子的反射锥形光束完全照明。

30、如权利要求29所述的光学系统，其中所述的物体放置位置进一步要使所述焦点与所述光源并列排置，并使该物体位于从所述空间滤光器发出的所述锥形光束的外部。

31、如权利要求30所述的光学系统，其中所述镜子是球形的。

32、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，其中所述的聚焦图像的装置是一个透镜，位于所述物体与所述图像感应器之间，用于将所述图像聚焦到所述图像感应器上。

33、如权利要求32所述的光学系统，进一步包括一个小孔径光圈，位于能使从所述透镜出来的所述光通过的位置，用于获得大景深。

34、如权利要求26所述的光学系统，其中所述的图像感应器相对于所述物体与所述图像感应器之间的所述轴线来说是倾斜的，用于校正由于所述物体相对于该同一轴线的角度所造成的所述图像失真。

35、如权利要求28所述的光学系统，其中所述的图像感应器倾斜大约30度角。

36、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，进一步包括一个通过统一化所述图像亮度来平整所述图像的处理装置。

37、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，进一步包括一个所述图像的非线性处理装置，用于增加并统一所述图像的对比度。

38、如权利要求1、2、3或4所述的光学系统，进一步包括一个统一所述图像放大率的装置。

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