CN201527662U - 四指指纹图像采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种四指指纹图像采集仪，采集棱镜设置在采集仪本体的采集窗口处，采集棱镜为上下表面平行的六面体，上表面为指纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，采集棱镜的下表面装置有红外LED光源，反射镜、分光镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上，反射镜设在采集棱镜与成像镜头之间，将采集棱镜出射的光线反射到成像镜头上，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上。本实用新型利用红外光源照射，实现了在彩色CMOS芯片上获得高质量的黑白图像；采用了CPLD配合高速FIFO的方案，达到了USB接口的最高传输速率。同时能采集四个手指，大大提高了采集效率，同时也提高了指纹识别的精度。

Description

四指指纹图像采集仪

技术领域

本实用新型是一种四指指纹图像采集仪，属于指纹采集装置技术领域。

背景技术

在常规的四连指指纹采集仪的光学系统中，一般是采用等腰直角棱镜作为指纹采集棱镜，采用黑白CMOS电子器件作为传感器，由于等腰直角棱镜的体积及黑白CMOS外型尺寸都很大，所以采集仪的本体也就变得很大；另外，由于采集四连指指纹图像的数据量远远大于采集单指图像的数据量，所以多数厂家采用FPGA配合双片SDRSDRAM或单片DDR SDRAM的连接方案，甚至还在前面基础之上增加了一片CPLD放在FPGA和Sensor之间，用来管理Sensor的时序，最终导致市场上的四连指指纹采集仪体积都比较大，价格也很昂贵，制约了四指指纹采集仪的推广使用。

发明内容

本实用新型提供一种四指指纹图像采集仪，克服了现有同类型指纹采集仪体积大、分量重、成本高的缺欠。

本实用新型四指指纹采集仪包括以下部分组成：由红外LED光源、采集棱镜、反射镜、分光镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集仪本体构成，其特征在于：采集棱镜设置在采集仪本体的采集窗口处，采集棱镜为上下表面平行的六面体，上表面小为指纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面大为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，与上表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角40度，采集棱镜2的下表面约为3毫米处装置有红外LED光源，反射镜距离采集棱镜下表面约为25毫米，并且与水平方向夹角50度，反射镜、分光镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上，反射镜设在采集棱镜与成像镜头之间，将采集棱镜出射的光线反射到成像镜头上，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上。

反射镜表面镀分光膜，波长为400-700nm的可见光透射，透过率大于85％；同时红外光反射，反射率大于98％。

CMOS光电转换器主要由USB控制芯片、可编程逻辑器件CPLD、彩色CMOS芯片和缓存芯片FIFO构成；

USB通过IO端口将RESET_BAR_IN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC信号和SLWR信号与CPLD的IO端口连接，USB的数据端口DATA_USB也连接着CPLD的IO端口；

CPLD芯片通过输出端口将RESET_BAR信号和EXTCLK信号传输给彩色CMOS芯片，对彩色CMOS进行复位；将行信号LV、场信号FV、数据同步时钟信号PCLK和图像数据DATA_SENSOR与CPLD的输入端口连接；

CPLD通过IO端口与FIFO的WRST信号、WE信号、WCK信号、RRST信号、RE信号、RCK信号、ORDY信号、IN_USB数据、OUT_BUS数据连接，将彩色CMOS传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中进行暂存；将FIFO中存储的图像数据通过OUT_BUS端口传输给CPLD，CPLD再通过DATA_USB端口将图像数据传输给USB控制芯片。

当采集仪上电之后，红外LED光源指示标识亮，表示光源已经正常工作；当标识亮时，用户需要将左手四指放在采集面上进行图像采集；当标识亮时，用户需要将双拇指放在采集面的中心位置进行图像采集；当标识亮时，用户需要将右手四指放在采集面上进行图像采集；按奈在采集面上的指纹信号经过光路进入彩色CMOS芯片，在CMOS光电转换器上，首先对USB控制芯片进行配置，使它工作在批量传输模式；接下来USB控制芯片通过IO提供给CPLD、外置FIFO、彩色CMOS芯片工作时所需要的信号；然后USB控制芯片通过I2C接口对彩色CMOS芯片寄存器进行设置，包括对采集窗口大小、采集窗口起点、曝光时间、增益等信息的设置，设置完毕，彩色CMOS芯片开始工作；CPLD通过彩色CMOS芯片提供的信号将彩色CMOS芯片的图像数据输入到外置FIFO中进行缓存，再通过USB控制芯片提供的状态信号及外置FIFO提供的状态信号将外置FIFO中的图像数据传输给上位机，经过上位机软件的拼接、调整等相关处理显示完整的四指指纹图像。

该采集仪同时能采集四个手指，大大提高了采集效率，同时也提高了指纹识别的精度；本实用新型在采集棱镜的下表面丝印指示标识，通过其下的蓝光LED及柔光膜实现操作状态指示。指示效果美观、大方，深埋在玻璃下部，具有高科技的神秘感。

本实用新型积极效果在于：利用红外光源照射，实现了在彩色CMOS芯片上获得高质量的黑白图像。采用了CPLD配合高速FIFO的方案，达到了USB接口的最高传输速率。

本实用新型的采集棱镜采用上下光学面平行的特点，在采集棱镜内发生2次反射，第一次是在镀内反射膜面发生反射，第二次是光线在棱镜内部发生全反射。2次反射有效的减小了仪器的体积，反射镜表面镀分光膜，波长为400-700nm的可见光透射，透过率大于85％；同时红外光反射，反射率大于98％。在采集棱镜底部丝印操作指示等状态标识，通过其下的蓝光LED及柔光膜实现操作状态指示。指示效果美观、大方，深埋在玻璃下部，具有高科技的神秘感。本实用新型的巧妙之处在于：通过红外选择性反射镜及分光镜去除了指示灯的蓝光对于成像光路的影响，具有生产容易、成本低廉、效果神奇的优势；

红外选择性反射镜，应用了目前顶级的多层镀膜技术，镀膜层数多达50层，将红外光反射率提高到98％的同时，可见光的透过率仍然高于95％。这在光学领域是一大技术突破，此技术应用在四指采集仪里，使得仪器对环境光的抗干扰能力在同类产品中尤为突出。

镜头前端增加红外透过、可见光反射的分光镜，保证了光路对红外光充分利用的同时，又将可见光波段的杂散光进行滤除，与红外选择性反射镜的组合使用，更进一步的降低了环境光对采集仪的干扰。

附图说明

图1为本实用新型光学系统原理图；

图2为本实用新型的采集棱镜主视图；

图3为本实用新型的采集棱镜左视图；

图4为本实用新型的采集棱镜俯视图

图5为本实用新型的电路原理图；

图6为本实用新型印在采集棱镜底部的指示标识丝印示意图；

图中，1、红外LED光源；2、采集棱镜；3、反射镜；4、分光镜；5、成像镜头；6、CMOS光电转换器；7、USB数据线；8、采集仪本体；9、红外LED光源指示标识；10、采集左手四指的指示标识；11、采集双拇指的指示标识；12、采集右四指的指示标识。

具体实施方式

实施例1

根据图1所示，由红外LED光源(1)、采集棱镜(2)、反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)、USB数据线(7)、采集仪本体(8)组成四指指纹图像采集仪。其中，红外LED光源(1)作为系统的照明装置固定在采集棱镜(2)的下表面为3毫米处；反射镜(3)固定在采集棱镜(2)下表面为25毫米位置上，反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)的中心位于系统光轴上，分光镜(4)固定在成像镜头(5)前面，起到滤除环境光作用。红外LED光源(1)、反射镜(3)和分光镜(4)结合应用，使光学系统在最大程度上避免了环境光的影响。

参见图2、3、4所示，采集棱镜(2)为上下表面平行的六面体，上表面小为指纹采集面位于指纹采集窗口处，左侧为镀银反射面，与上表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角40度，在采集棱镜(2)下表面丝印了四个指示标识，如图6所示，红外LED光源电路板的相应位置有蓝色LED给指示标识照明。

如图5所示，本实用新型电路主要由USB控制芯片、可编程逻辑器件CPLD、彩色CMOS芯片和缓存芯片FIFO构成。其中USB控制芯片主要实现对彩色CMOS芯片的配置，并将图像数据传输给计算机；可编程逻辑器件CPLD主要控制图像数据完整的传输；彩色CMOS芯片主要实现图像的采集；缓存芯片FIFO主要实现图像数据的暂时存储。

USB通过IO端口将RESET_BAR_IN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC信号和SLWR信号与CPLD的IO端口连接，USB的数据端口DATA_USB也连接着CPLD的IO端口。其中RESET_BAR_IN信号是彩色CMOS芯片正常工作之前的复位信号，START信号是启动CPLD工作的开始信号，IFCLK信号是USB芯片给出的时钟信号，INT1信号是USB的外部中断信号，FLAGC信号是USB给出的状态标志信号，根据这个状态标志信号CPLD控制着数据的传输，SLWR是USB芯片数据传输的使能信号，当USB允许的情况，CPLD将SLWR信号使能，并将图像数据通过DATA_USB端口传输给USB控制芯片。

USB控制芯片通过I2C端口与彩色CMOS芯片连接，USB控制芯片通过I2C端口对彩色CMOS芯片进行配置，包括对采集窗口大小、采集窗口起始点、曝光时间、增益等信息的设置。

CPLD芯片通过输出端口将RESET_BAR信号和EXTCLK信号传输给彩色CMOS芯片，其中RESET_BAR信号是USB给出的彩色CMOS芯片复位信号，之所以通过CPLD芯片，是因为USB输出的RESET_BAR_IN信号电压是3.3V，而彩色CMOS芯片的工作信号电压是1.8V，所以通过CPLD芯片将3.3V的RESET_BAR_IN信号降为1.8V的RESET_BAR信号对彩色CMOS芯片进行复位；EXTCLK信号是彩色CMOS芯片的输入时钟信号，是CPLD通过对IFCLK信号降压得来的。当彩色CMOS芯片正常工作时，将行信号LV、场信号FV、数据同步时钟信号PCLK和图像数据DATA_SENSOR与CPLD的输入端口连接。

CPLD通过IO端口与FIFO的WRST信号、WE信号、WCK信号、RRST信号、RE信号、RCK信号、ORDY信号、IN_USB数据、OUT_BUS数据连接。其中WRST信号和RRST信号是CPLD传输给FIFO芯片的写地址复位信号和读地址复位信号；WE信号是FIFO的写使能信号，当WE信号有效时，CPLD控制着将彩色CMOS芯片传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中进行暂存；WCK是FIFO的写时钟信号，每写入到FIFO中的数据都是同步于WCK的；RE信号是FIFO的读使能信号，RCK是FIFO的读时钟信号，ORDY是FIFO给出的状态信号，当条件允许时，CPLD将RE信号使能，并将FIFO中存储的图像数据通过OUT_BUS端口传输给CPLD，CPLD再通过DATA_USB端口将图像数据传输给USB控制芯片。

Claims (3)

1.一种四连指指纹采集仪，由红外LED光源(1)、采集棱镜(2)、反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)、USB数据线(7)及采集仪本体(8)构成，其特征在于：采集棱镜(2)设置在采集仪本体(8)的采集窗口处，采集棱镜(2)为上下表面平行的六面体，上表面小为指纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面大为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，与上表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角40度，采集棱镜(2)的下表面装置有红外LED光源(1)，反射镜(3)设在采集棱镜(2)下表面位置上，并且与水平方向夹角50度，反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)顺序排列位于系统光轴上，反射镜(3)设在采集棱镜(2)与成像镜头(5)之间，将采集棱镜(2)出射的光线反射到成像镜头(5)上，CMOS光电转换器(6)设置在成像镜头(5)的像面上。

2.根据权利要求1所述的采集仪，其特征在于：反射镜(3)表面镀分光膜，波长为400-700nm的可见光透射，透过率大于85％；同时红外光反射，反射率大于98％。

3.根据权利要求1或2所述的采集仪，其特征在于：CMOS光电转换器(6)主要由USB控制芯片、可编程逻辑器件CPLD、彩色CMOS芯片和缓存芯片FIFO构成；

USB通过IO端口将RESET_BAR_IN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC信号和SLWR信号与CPLD的IO端口连接，USB的数据端口DATA_USB与CPLD的IO端口连接；

CPLD芯片通过输出端口将RESET_BAR信号和EXTCLK信号传输给彩色CMOS芯片，对彩色CMOS进行复位；将行信号LV、场信号FV、数据同步时钟信号PCLK和图像数据DATA_SENSOR与CPLD的输入端口连接；

CPLD通过IO端口与FIFO的WRST信号、WE信号、WCK信号、RRST信号、RE信号、RCK信号、ORDY信号、IN_USB数据、OUT_BUS数据连接，将彩色CMOS传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中进行暂存；将FIFO中存储的图像数据通过OUT_BUS端口传输给CPLD，CPLD再通过DATA_USB端口将图像数据传输给USB控制芯片。

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