CN1804865A - 一种基于表面等离子体共振现象的指纹图像采集方法 - Google Patents

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CN1804865A CN 200610033101 CN200610033101A CN1804865A CN 1804865 A CN1804865 A CN 1804865A CN 200610033101 CN200610033101 CN 200610033101 CN 200610033101 A CN200610033101 A CN 200610033101A CN 1804865 A CN1804865 A CN 1804865A
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李莹
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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体共振现象的指纹图像采集方法，光源发出的光束经扩束透镜组扩束、准直为一准平行光束，再经起偏器起偏后成为一振动方向平行于入射面的偏振光，该偏振光入射到一棱镜，经棱镜底面投射到金属膜上，将手指纹压在金属膜上或用油墨印在金属膜上，反射光经一成像透镜组，成像在图像传感器上，图像传感器采集反射光束中的指纹图像。该方法相对现有的全反射光学指纹图像采集方法，能够大幅度提高采集指纹图像的质量，对多汗手指和强光环境下也能获得良好的采集效果，有利于提高指纹识别的精度、准确度和指纹识别系统的处理速度。

Description

一种基于表面等离子体共振现象的指纹图像采集方法
技术领域
本发明属于生物识别技术领域，特别涉及一种基于表面等离子体共振现象的指纹图像采集方法。
背景技术
指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格低廉的生物识别技术，拥有巨大的应用市场。目前指纹图像的采集方法主要有以下几类：光学全反射方法、半导体芯片方法和超声波方法。光学全反射指纹图像采集是目前应用最广泛的一种方法，它直接采集玻璃或棱镜上的指纹图像，依据的基本原理是光的全反射原理：光线经玻璃照射到指纹谷的地方时，在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到图像传感器，而照射到指纹脊的光线，不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到其他地方，这样就在图像传感器上形成了谷亮脊暗的指纹图像。这种采集方式的优点是能承受一定程度温度变化，稳定性好，成本较低；缺点主要是对于汗多的和稍胀的手指成像模糊且强光下采集效果差，给指纹图像的处理和识别造成了较大的障碍。半导体芯片类采集方法的优点是分辨率较高，敏感性好，封装尺寸小，功耗小；缺点是取像区域小(小于1平方英寸)，易受静电干扰，易磨损。超声波采集方法的优点是成像能力高，不受皮肤上的杂物影响；缺点是价格较高，目前还处于实验室阶段。
发明内容
为了解决上述现有指纹图像采集技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体共振的指纹图像采集方法，该方法相对原有光学指纹图像采集方法，能够大幅度提高采集指纹图像的质量，强光环境(自然光)下也能获得良好的采集效果，有利于提高指纹识别的精度、准确度和指纹识别系统的处理速度。
本发明的目的通过下述技术方案实现：所述的采集方法，包括如下步骤：光源发出的光束经扩束透镜组扩束、准直为一准平行光束，再经起偏器起偏后成为一振动方向平行于入射面的偏振光，该偏振光入射到一棱镜，经棱镜底面投射到金属膜上，将手指纹压在金属膜上或用油墨印在金属膜上，反射光经一成像透镜组，成像在图像传感器上，图像传感器采集反射光束中的指纹图像。
为了更好地实现本发明，所述的光源为激光源(如半导体激光器、氦氖激光器等)或其他单色光源(如经滤光的发光二极管)；起偏器可以是偏振片或其他偏振器(如格兰-泰勒偏振棱镜、渥拉斯顿偏振棱镜和尼科耳偏振棱镜等)。所述准平行光束横截面和成人指纹大小相当。所述棱镜可以是至少有一底面能在空气中形成全反射的棱镜，棱镜底面和成人指纹大小相当。偏振光束入射到棱镜底面的入射角，可在指纹采集过程中，调整入射角的大小，以便形成表面等离子体共振，获得最清晰的指纹图像；也可以预先设置，使其满足产生表面等离子体共振的入射条件。所述金属膜包括金膜或银膜等能形成表面等离子体共振的各种金属膜。金属膜可以直接镀在棱镜底面，也可以预先镀在盖玻片上，再将镀有金属膜的盖玻片粘贴在棱镜底面。粘贴盖玻片的介质应选用折射率与棱镜的折射率和盖玻片的折射率相近的透明物质，如香柏油等。金属膜的厚度可根据不同金属的种类，以产生等离子体共振效应并达到共振峰最大深度来确定，大约40～60nm。为了增加金属膜在玻璃表面的附着力，金属膜镀在棱镜底面或者盖玻片之前，可以先镀2～3nm厚的金属铬。所述图像传感器可以是CCD或CMOS等其他图像传感器。所采集到的指纹图像，当入射角满足在指纹谷处界面产生表面等离子体共振的条件时，指纹图像背景是暗场、指纹的脊呈亮色；当入射角满足在金属膜与指纹脊界面产生表面等离子体共振的条件时，指纹图像背景是明场、指纹的脊为暗色。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种发生在金属与电介质分界面上的物理光学现象，由于其对电介质折射率变化的灵敏响应，可以用于实时跟踪发生在金属薄层表面与电介质折射率变化相关的物理量变化以及化学生物的反应和转化过程。
表面等离子体共振的基本原理如下：按照麦克斯韦方程组，在一定的条件下，可以出现沿着具有负实数介电常数材料(如金属)和正实数介电常数电介质分界面上传播的平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减，把这个沿着分界面传播的电磁波称为表面等离子体波(surface plasma wave，SPW)。在一定条件下，激励产生等离子体波的现象，称之为表面等离子体共振现象。采用如图1所示的棱镜耦合方式可以激发这种等离子体波。在介电常数较大的棱镜底面镀有一定厚度的金属膜，一偏振方向平行于入射面的偏振光入射到棱镜底面，在没有出现表面等离子体共振的情况下，入射光大部分被棱镜底面反射，通过调整光线在棱镜底面的入射角，使得透入金属的光波沿界面方向的波矢分量与界面上的等离子体波的波矢相等，以满足波矢匹配条件，就可以激发等离子体波，此时大部分入射光的能量被耦合到等离子体波中，因而使由棱镜底面反射的光强显著下降，形成一反射光强共振衰减峰。共振峰的位置与入射光的入射角及金属膜表面的电介质折射率有关，共振峰的深度和金属膜的厚度有关。
本发明的原理是利用上述表面等离子体共振现象，一束横截面有一定大小的平行光束投射到压有或印有指纹的棱镜底面，由于指纹谷和指纹脊处产生表面等离子体共振的条件不同，指纹的谷和脊处不会同时出现表面等离子体效应，当指纹谷处出现表面等离子体效应时，入射到指纹谷处的光能量被耦合到等离子体波中，该处的反射光变暗，而此时指纹脊处不出现表面等离子体共振效应，入射到指纹脊处的光波几乎被全部反射到图像传感器，因此图像传感器接收到一幅以指纹脊为亮显示的指纹图像；反之，当指纹脊处出现表面等离子体效应时，图像传感器接收到一幅以指纹谷为亮显示的指纹图像。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：由于SPR现象对金属膜上电介质的折射率变化有很高的响应度，只要指纹谷和指纹脊处的介质折射率稍有不同，就可分辨出指纹谷和指纹脊的位置，因此汗液的影响比传统全反射光学方法要小的多。本发明采集的指纹图像的图像质量(对比度、清晰度)远远高于传统光学方法采集的指纹图像，并且环境光不能从采集窗口透过金属膜进入图像传感器，指纹采集不受环境光的影响，因此在强光(自然光)环境下，也能获得很好的采集效果。由于本发明采集的指纹图像质量好，能大大提高整个指纹识别系统的运行速度和识别的准确性，可在有关个人身份认证的各个领域得到广泛应用，如金融证券、信息安全、门禁系统、公安、医疗、福利等。
附图说明
图1为产生表面等离子体共振现象的示意图；
图2为基于本发明的指纹采集系统的结构示意图；
图3为基于本发明的一实施例采集到的指纹图像图样。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图2为本发明一实施例的指纹图像采集系统示意图(其中1-激光器，2-扩束透镜组，3-起偏器，4-指纹，5-棱镜，6-金膜，7-成像透镜组，8-图像传感器)。盖玻片及等腰直角棱镜经严格清洗，在盖玻片的一面先均匀镀2nm厚的铬，再均匀镀50nm厚的金膜6，将此镀有金膜6的盖玻片作为传感片，将传感片用香柏油粘贴到等腰直角棱镜5的底部，可方便更换。盖玻片和等腰直角棱镜均采用K9玻璃材料，折射率是1.516，香柏油的折射率是1.5148～1.5152，三者折射率接近。采用功率为3毫瓦、波长为632.8纳米的氦氖激光器1作为光源，其发出的激光束经扩束透镜组2扩束、准直成直径大约15毫米的圆横截面平行光束，再经一偏振片3起偏为振动方向平行于入射面的偏振光，入射到等腰直角棱镜5底面，棱镜5的直角边长约40毫米、厚度约20毫米，粘贴在棱镜底面的镀金方形盖玻片边长约20毫米、厚度约1毫米。将手指纹压在金膜上或用油墨印在金膜上，光束的入射角在采集过程中调整为43.9°(该角度为金膜在空气中的共振角，在无汗液的情况下，指纹谷处的介质为空气)。反射光束经一成像透镜组7成像到一CCD图像传感器(摄像头)8的传感芯片上，计算机通过图像采集卡采集指纹图像，并将指纹图像数据存储起来。图3为上述采集方法采集到的指纹图像，其中指纹脊呈亮色、指纹谷为暗色。
实施例2
等腰直角棱镜经严格清洗，在等腰直角棱镜的底面先均匀镀2nm厚的铬，再均匀镀60nm厚的银，采用功率为2毫瓦、波长为635纳米的半导体激光器作为光源，其发出的激光束经扩束透镜组扩束、准直成直径大约15毫米的圆横截面平行光束(光束的扩束、准直均可采用传统方法)，再经一起偏器(格兰-泰勒偏振棱镜或渥拉斯顿偏振棱镜或尼科耳偏振棱镜)起偏为振动方向平行于入射面的偏振光，入射到等腰直角棱镜底面，棱镜(该棱镜是至少有一底面能在空气中形成全反射的棱镜)的直角边长约40毫米、厚度约20毫米，将手指纹压在银膜上，光束的入射角在采集过程中调整为42.9°(该角度为银膜在空气中的共振角，在无汗液的情况下，指纹谷处的介质为空气)。反射光束经一成像透镜成像到一CMOS摄像头的传感芯片上，计算机通过图像采集卡采集指纹图像，并将指纹图像数据存储起来。
如上所述，可较好地实现本发明。

Claims (10)

1、一种基于表面等离子体共振成像的指纹图像采集方法，光源发出的光束经扩束透镜组扩束、准直为一准平行光束，再经起偏器起偏后成为一振动方向平行于入射面的偏振光，其特征在于，所述偏振光入射到一棱镜，经棱镜底面投射到金属膜上，将手指纹压在金属膜上或用油墨印在金属膜上，反射光经一成像透镜组，成像在图像传感器上，图像传感器采集反射光束中的指纹图像。
2、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述的光源为激光源或单色光源；起偏器包括偏振片、格兰-泰勒偏振棱镜、渥拉斯顿偏振棱镜或尼科耳偏振棱镜。
3、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述准平行光束横截面和成人指纹大小相当。
4、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述棱镜是至少有一底面能在空气中形成全反射的棱镜，棱镜底面和成人指纹大小相当。
5、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述金属膜包括金膜或银膜。
6、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述金属膜镀在棱镜底面；或者镀在盖玻片上，再将镀有金属膜的盖玻片粘贴在棱镜底面。
7、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述金属膜的厚度根据产生的表面等离子体共振效应来确定，厚度为40～60nm。
8、根据权利要求6所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述金属膜镀在棱镜底面或者盖玻片之前，先镀2～3nm厚的金属铬。
9、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所述图像传感器包括CCD或CMOS图像传感器。
10、根据权利要求1所述的指纹图像采集方法，其特征在于，所采集到的指纹图像，当入射角满足在指纹谷处界面产生表面等离子体共振的条件时，指纹图像背景是暗场、指纹的脊呈亮色；当入射角满足在金属膜与指纹脊界面产生表面等离子体共振的条件时，指纹图像背景是明场、指纹的脊为暗色。
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