CN201741166U - 一种能识别活体手指的光学指纹采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，它包括指纹采集模块和电容式活体手指检测模块，电容式活体手指检测模块包括感应电极和电容测量电路，其特征在于，所述感应电极位于采集棱镜采集面，其底层为透明导电层，与采集棱镜相接，其表层为透明绝缘层，与手指接触。本实用新型将感应电极置于采集面上，其透明绝缘层能被手指直接接触，减小了活体手指与感应电极之间的距离，根据电容测量电路测得的耦合电容大小能有效地识别活体手指，防止假指纹的使用。

Description

一种能识别活体手指的光学指纹采集仪

技术领域

本实用新型涉及光学指纹采集仪领域，尤其涉及一种能识别活体手指的光学指纹采集仪。

背景技术

光学指纹采集仪，是现有的指纹识别系统中广泛使用的指纹采集装置，它基于光学成像原理通过光学传感器将手指表层纹理进行采集并成像，然后将指纹图像输送至主机进行处理。然而，一些利用橡胶、明胶、硅胶等材料制作的假指纹的出现，使基于光学指纹采集仪的指纹识别系统的安全可靠性受到了极大的威胁，其方法是：制作一个和指纹识别系统的合法用户的手指指纹纹理一致的假手指，包括实芯假手指和指纹套。利用光学指纹采集仪使用光学成像，假指纹成像和活体指纹成像没有差异的特点，将假手指按压在光学采集仪的采集面来欺骗指纹识别系统。

活体手指和假手指之间存在电特性差异，因此，基于电容传感器对活体手指进行判定是活体手指检测的一种方法。电容传感器包括感应电极和电容测量电路，用于测量感应电极和导电体之间的耦合电容。由于生物体是导电体，手指接近感应电极时产生耦合电容，故电容传感器可感应手指接触。

导电体与感应电极接近时产生的耦合电容C_f为：

$C_f=\frac{S}{\mathrm{\δ}/\mathrm{\ϵ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}\·S}{\mathrm{\δ}}---\left(1\right)$

由公式(1)可知，耦合电容C_f的大小与介电常数ε、电容极板面积S成正比，与两极板间距δ成反比，如图4所示，当无导电体靠近感应电极1时，感应电极1的悬空一方为空气绝缘层2，相当于耦合电容两极板间距离δ无穷大，此时感应电极1产生的耦合电容C_f几乎为零，C₀为感应电极1其他方向产生的电容，此时测得感应电极1的耦合电容C与C₀的值相等。

如图5所示，当活体手指1靠近感应电极2时，测得的耦合电容C为感应电极2其他方向的电容C₀与手指1接近时所产生的耦合电容C_f之和：

C＝C₀+C_f    (2)

对光学指纹仪而言，手指接触表面即为光学采集面，金属感应电极无法放置在手指接触表面，往往放置于采集面边缘或棱镜底部。对于前一种情形，可以用非合法用户的活体手指触摸感应电极并用假手指采集成像，实现对指纹识别系统的欺骗；对于后一种情形，可以将薄的指纹套戴在非合法用户的活体手指上，使其既能成像也能使电容传感器响应，从而欺骗指纹识别系统。

当活体手指1靠近感应电极2时，感应电极2的表面积为S，活体手指1与感应电极2之间耦合电容的介电常数为ε₁，两极板间距为δ₁，活体手指1与感应电极2产生的耦合电容C_f1为：

$C_{f1}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{1\·}S}{{\mathrm{\δ}}_1}=\frac{S}{{\mathrm{\δ}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}---\left(3\right)$

如图6所示，当非合法用户活体手指1戴着假指纹套3靠近感应电极2时，假指纹套3的介电常数为ε₂，假指纹套3的厚度为δ₂，使手指1与感应电极2的距离较远，此时产生的耦合电容C_f2为：

$C_{f2}=\frac{S}{{\mathrm{\δ}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2}---\left(4\right)$

如图7所示，当实芯假手指1接近感应电极2时，实芯假手指1与感应电极2的介电常数为ε₃，因实芯假手指1是绝缘体，导电体与感应电极的距离δ₃无穷大，此时产生的耦合电容C_f3为：

$C_{f3}=\frac{S}{{\mathrm{\δ}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3}=\frac{S}{\∞}---\left(5\right)$

由公式(3)、(4)、(5)可知，活体手指接近或接触感应电极时产生的耦合电容C_f1较大，假手指接近感应电极时所产生的耦合电容较小。

$\frac{C_{f1}}{C_{f3}}=\∞\·{\mathrm{\ϵ}}_1/{\mathrm{\δ}}_1=\∞---\left(6\right)$

由公式(6)可知，C_f1＞＞C_f3，如图8所示，X、Y、Z分别为活体手指、戴有假指纹套的非合法用户的活体手指及实芯假手指接近感应电极时感应电极的电容分

布密度曲线，由于值C_f1＞＞C_f3，活体手指接近感应电极时的电容分布密度曲线X与实芯假手指接近感应电极时的电容分布密度曲线Z距离较远，根据测得的电容C的大小，电容传感器能可靠的区分活体手指和实芯假手指。

$\frac{C_{f1}}{C_2}=1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}\·\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{\mathrm{\δ}1}---\left(7\right)$

由公式(7)可知，当δ₁＞＞δ₂时，耦合电容C_f1与C_f2之比接近1，将产生如图8中阴影标示的交叉区域。该区域表明电容传感器有一定概率无法区分活体手指和戴假指纹套的活体手指。

实用新型内容

基于上述技术背景，为了让指纹识别系统根据测量到的电容识别戴假指纹套的活体手指和活体手指，需设法消除如图8所示的曲线X与Y的交叉区域，使两条曲线完全分离，即增加C_f1与C_f2的比值。由公式(6)可知，增加ε₁/ε₂或δ₂/δ₁的值都能使C_f1增加，即增加ε₁及δ₂，或减小ε₂及δ₁，因ε₂及δ₂不被控制，介电常数ε₁又受材料的约束，最可行的方法是减少手指与感应电极的距离δ₁，δ₁的值越小，C_f1与C_f2的比值就越大，当δ₁的值足够小时，便能将图8中阴影交叉区域消除，得出一幅如图9所示的电容分布密度图，此时便能准确的根据感应电极的耦合电容的大小可靠的区分活体手指和实芯假手指。

使用一种新型的电容感应电极，包括透明导电层和透明绝缘层。将该感应电极的透明导电层一面粘接在光学指纹采集仪的光学采集面上，使绝缘层和手指接触，即可达到上述技术条件。透明绝缘层厚度小于1mm，甚至达到μm量级。如图10所示，该感应电极由透明导电层1的透明绝缘层2共同组成。

为降低透光率损失，透明导电层和透明绝缘层的折射率与采集棱镜的折射率相等或接近，并用折射率与采集棱镜相等或接近的光学胶进行粘接。

本实用新型提供了一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，它包括指纹采集模块和电容式活体手指检测模块，电容式活体手指检测模块包括感应电极和电容测量电路，其特征在于，所述感应电极位于采集棱镜采集面，其底层为透明导电层，与采集棱镜相接，其表层为透明绝缘层，与手指接触。

所述感应电极的绝缘层及导电层的折射率与采集棱镜的折射率相等或接近，所述感应电极通过折射率与采集棱镜相等或接近的光学胶粘接在采集面上。

所述电容测量电路与所述感应电极相连接，电容测量电路的输出信号与主机相连接。

所述指纹采集模块包括：外壳、采集棱镜、光源、透镜组、半导体传感器成像阵列。

所述光源与采集棱镜的入射面相接。

所述透镜组中心位置与光路光轴重合。

所述半导体传感器成像阵列的输出信号与主机相连接，所述半导体传感器为CMOS传感器或CCD传感器。

本实用新型在光学指纹采集仪中增加了电容式活体手指检测模块，其感应电极由透明导电层和透明绝缘层组成，因透明导电层和透明绝缘层有良好的导电性和透光性，可以置于采集面上并被手指直接接触，减小了活体手指与感应电极之间的距离，根据测得的耦合电容大小能有效地识别活体手指，防止假指纹的使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图；

图2是本实用新型实施例左视图；

图3是本实用新型电路连接示意图；

图4是感应电极一方悬空时产生耦合电容的工作原理图；

图5是导电体接近感应电极产生耦合电容的工作原理图；

图6是活体手指与感应电极产生耦合电容的工作原理图；

图7是覆有假指纹套的手指与感应电极产生耦合电容的工作原理图；

图8是电容传感器的电容分布密度图；

图9是电容传感器能有效识别指纹真伪时的电容分布密度图；

图10是本实用新型电容式活体手指检测模块感应电极的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图来对本实用新型进一步描述：

如图1所示，本实施例提供了一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，由指纹采集模块1和电容式活体手指检测模块2组成。指纹采集模块1包括外壳11、采集棱镜12、光源13、透镜组14、半导体传感器成像阵列15。光源13与采集棱镜12的入射面相接，光源13与主机相连接；透镜组14的中心与光路光轴重合，半导体传感器成像阵列15的输出信号与主机相连接，所述半导体传感器为CMOS传感器或CCD传感器。如图2所示，电容式活体手指检测模块2包括感应电极21和电容测量电路22，感应电极21是位于采集棱镜12采集面，感应电极21的底层为透明导电层，与采集棱镜相接，表层为透明绝缘层，其绝缘层及导电层的折射率与采集棱镜的折射率相等或接近，通过折射率与采集棱镜相等或接近的光学胶粘接在采集面上。当手指按压在采集棱镜采集面上时，指面直接与感应电极21的绝缘层接触。电容测量电路22位于外壳11内采集棱镜12附近并与感应电极21的导电层相连接，电容测量电路22的输出信号与主机相连接。

如图3所示，当活体手指按压在采集面上时，活体手指接触感应电极21的绝缘层，活体手指与感应电极21的导电形成电容器并产生一较大耦合电容使感应电极21的电容发生改变，电容测量电路22检测到感应电极21改变后的耦合电容，并将该电容信号传输给主机，主机发出指令使该光学指纹采集仪处于工作状态。当假手指按压在采集面上时，因为假手指使得活体手指和感应电极21导电层之间的距离增加，所产生的耦合电容会远小于活体手指压在采集面上时产生的耦合电容，电容测量电路22检测到感应电极21改变后的耦合电容，并传输给主机，主机判定为非活体手指，便不发送指令，该感应式光学指纹采集仪保持处于非工作状态。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本实用新型的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本实用新型的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (7)

1.一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，它包括指纹采集模块和电容式活体手指检测模块，电容式活体手指检测模块包括感应电极和电容测量电路，其特征在于，所述感应电极位于采集棱镜采集面，其底层为透明导电层，与采集棱镜相接，其表层为透明绝缘层，与手指接触。

2.如权利要求1所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述感应电极的绝缘层及导电层的折射率与采集棱镜的折射率相等或接近，所述感应电极通过折射率与采集棱镜相等或接近的光学胶粘接在采集面上。

3.如权利要求1所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述电容测量电路与所述感应电极的导电层相连接，电容测量电路的输出信号与主机相连接。

4.如权利要求1所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述指纹采集模块包括：外壳、采集棱镜、光源、透镜组、半导体传感器成像阵列。

5.如权利要求4所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述光源与采集棱镜的入射面相接。

6.如权利要求4所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述透镜组中心位置与光路光轴重合。

7.如权利要求4所述一种能识别活体手指的光学指纹采集仪，其特征在于，所述半导体传感器成像阵列的输出信号与主机相连接，所述半导体传感器为CMOS传感器或CCD传感器。

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