CN208126411U

CN208126411U - 一种指纹静脉识别系统

Info

Publication number: CN208126411U
Application number: CN201820642335.7U
Authority: CN
Inventors: 季轶群; 赵迪迪
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2028-05-02

Abstract

本新型属于光学技术领域，涉及一种指纹静脉识别系统，可工作于可见光波段和近红外波段，识别系统包括采集区、光学成像区和传感器接收区；其中采集区的白光LED光源和近红外LED光源同时入射至待测生物特征表面，光学成像区同时对指纹及静脉成像，传感器接收区接收光学成像区所成的像；本新型采用同轴设计，结构简单紧凑、镜片少、视场角大、体积小、同时适用于可见光波段和近红外波段、畸变小、像面照度分布均匀，成像性能优；在双波段各视场角均接近衍射极限，满足成像质量要求，可同时完成指纹及静脉双重生物特征提取。

Description

一种指纹静脉识别系统

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种生物特征提取识别系统，特别涉及一种采用同轴透射结构的、可同时工作于可见光波段和近红外波段的指纹静脉识别系统。

背景技术

在信息技术高速发展的今天，信息安全显得尤为重要，但广为采用的指纹识别已不再万无一失，其易于伪造且易受外界环境影响。而静脉属于人体内部特征，难以被伪造且只有在活体条件下才能被采集到。并且两者的特征点位于相同位置，获取方便，因此提出一种指纹及静脉的多模识别技术。

但目前关于指纹及静脉的多模识别技术大多集中在后期对指纹和静脉图像的处理和识别技术上，对于光学成像系统的设计却寥寥可数。文献报导了一种利用分光棱镜分光路的方法使静脉和指纹分别成像在不同的传感器上([J]湖北第二师范学院学报，2009年，第26卷第2期)，但并未给出具体的光学系统设计结果。文献还报导了利用两种光学系统分别采集指纹和静脉图像，成像在两个不同的图像传感器上([J]应用光学，2017年，第38卷第5期)，但其采用了两种光学系统和两种传感器，大大增加了成本和体积。

在前人研究的基础上，提出一种仅使用单个光学系统即完成指纹和静脉生物特征提取的具体设计，采用同轴设计，结构简单紧凑，在可见光波段提取指纹特征，在近红外波段提取静脉特征，双波段成像质量皆接近衍射极限，满足成像质量要求。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：现有指纹采集系统不能同时采集指纹和静脉图像；为实现以上技术目的，技术方案如下：

一种指纹静脉识别系统，包括采集区、光学成像区和传感器接收区；采集区由白光LED光源，透明平板玻璃，近红外LED光源组成；光学成像区沿光线入射方向，依次包括第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第三正透镜，第四正透镜组成；其中第二正透镜和第一负透镜组成双胶合负透镜，第二负透镜和第三正透镜组成双胶合负透镜；传感器接收区由红外滤波片，CMOS图像传感器组成；待测生物特征放置在采集区中的透明平板玻璃上，白光LED光源和近红外LED光源同时入射至待测生物特征表面，光学成像区同时对待测生物特征的指纹及静脉成像，所成的像经红外滤波片后由CMOS图像传感器接收。优选的上述方案中：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜相对于指纹静脉识别系统焦距的归一化焦距依次对应为f″₂₁、f″₂₂、f″₂₃、f″₂₄、f″₂₅、f″₂₆，对应值范围分别为1.3≤f″₂₁≤1.5、0.4≤f″₂₂≤0.6、-0.4≤f″₂₃≤-0.2、-0.4≤f″₂₄≤-0.2、0.5≤f″₂₅≤0.7和0.7≤f″₂₆≤0.9。正负透镜组合以矫正像差和色差，提高成像质量；合理分配焦距以缩短物象共轭距离，缩小系统体积。

优选的上述方案中：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜的折射率依次对应为n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄、n₂₅和n₂₆；它们对应的取值范围分别为1.70≤n₂₁≤2.25、1.52≤n₂₂≤2.07、1.51≤n₂₃≤2.06、1.60≤n₂₄≤2.15、1.55≤n₂₅≤2.10和1.75≤n₂₆≤2.30。基本采用正透镜高折射率、负透镜低折射率的原则，减少场曲和色差，提高成像质量。

所述识别系统为可见光波段和近红外光波段共焦成像系统，工作波长变化范围为400nm-700nm；840nm-860nm。可见光波段用以对指纹成像，近红外波段用以对静脉成像且波长850nm左右对静脉成像质量较好。

所述识别系统的视场角为28°，物像共轭距离小于100mm。在满足成像质量要求的前提下，尽可能的增大视场角以减少物像共轭距离，缩小系统体积。

与现有技术相比，本技术方案的特点在于：

1、采用指纹识别和静脉识别相结合，相较于传统的单一指纹识别，安全性更高。

2、仅使用单个光学系统即完成了指纹及静脉双重生物特征的提取，大大减少了制造成本和系统体积。

3、视场角大，物像共轭距离短，进一步缩短了系统体积。

4、涉及的指纹静脉识别系统，具有双波段消色差好、像散小、畸变小的特点。

附图说明

图1是实施例提供的指纹静脉识别系统的结构示意图；

图2是实施例提供的指纹静脉识别系统在可见光波段的像面的光线追迹点列图；

图3是实施例提供的指纹静脉识别系统在近红外波段的像面的光线追迹点列图；

图4是实施例提供的指纹静脉识别系统在可见光波段的能量集中度曲线；

图5是实施例提供的指纹静脉识别系统在近红外波段的能量集中度曲线；

图6是实施例提供的指纹静脉识别系统在可见光波段的畸变曲线；

图7是实施例提供的指纹静脉识别系统在近红外波段的畸变曲线；

图8是实施例提供的指纹静脉识别系统在可见光波段的像面相对照度曲线；

图9是实施例提供的指纹静脉识别系统在近红外波段的像面相对照度曲线；

图10是实施例提供的指纹静脉识别系统在可见光波段的调制传递函数曲线；

图11是实施例提供的指纹静脉识别系统在近红外波段的调制传递函数曲线

其中：11、采集区的白光LED光源；12、采集区的透明平板玻璃；13、采集区的近红外LED光源；21、光学成像区的第一正透镜；22、光学成像区的第二正透镜；23、光学成像区的第一负透镜；24、光学成像区的第二负透镜；25、光学成像区的第三正透镜；26、光学成像区的第四正透镜；31、传感器接收区的红外滤波片；32、传感器接收区的CMOS图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本新型作进一步描述：

实施例一：

一种指纹静脉识别系统，它的工作波段为400nm～700nm和840nm～860nm，系统F数为F/#＝2.86，物像共轭距离为96.78mm。

参见附图1，它是本实施例提供的指纹静脉识别系统的工作原理图；包括采集区、光学成像区和传感器接收区，采集区由采集区的白光LED光源11，采集区的透明平板玻璃12，采集区的近红外LED光源13组成；光学成像区由光学成像区的第一正透镜21，光学成像区的第二正透镜22，光学成像区的第一负透镜23，光学成像区的第二负透镜24，光学成像区的第三正透镜25，光学成像区的第四正透镜26组成；传感器接收区由传感器接收区的红外滤波片31，传感器接收区的CMOS图像传感器32组成。

利用Zemax光学设计软件，对应各透镜相关参数的优化设计结果如下：沿光线方向，第一正透镜21前后表面的曲率半径分别为9.1mm和24.7mm，厚度为2.3mm，折射率为1.95；第二正透镜22前后表面的曲率半径分别为4.2mm和30.7mm，厚度为1.3mm，折射率为1.77；第一负透镜23前后表面的曲率半径分别为30.7mm和2.9mm，厚度为0.5mm，折射率为1.76；第二负透镜24前后表面的曲率半径分别为-3.3mm和8.3mm，厚度为0.5mm，折射率为1.85；第三正透镜25前后表面的曲率半径分别为8.3mm和-4.4mm，厚度为1.2mm，折射率为1.80；第四正透镜26前后表面的曲率半径分别为18.1mm和-12.8mm，厚度为1.9mm，折射率为2.00。

光学成像系统的第一正透镜21与第二正透镜22的间距为0.01mm，第二正透镜22与第一负透镜23组成一组双胶合透镜，第一负透镜23与第四正透镜26的间距为0.1mm；采集区与光学成像系统之间的距离为80.2mm；光学成像系统与传感器接收区之间的距离为6mm。

对于可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～860nm)，按上述数据的光学系统都适用。

由图1可见，仅采用了单个光学系统即完成了对指纹及静脉生物特征的提取，相对于其他文献中提出的双镜头、双传感器提取指纹和静脉特征的方式，大大减少了系统体积和成本；为了进一步降低成本，选用成都玻璃库中的玻璃进行替代；为了进一步缩短物像共轭距离，在满足F数的前提下，选用大视场。

参见附图2和附图3，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的光线追迹点列图，即目标物经指纹及静脉图像复合采集光学成像系统后在其像平面上的情况；图中的圆圈是Airy斑，可见，系统在各波长的不同物高处的点列图80％都能落在Airy斑内，表示系统接近衍射极限的聚焦性能。

参见附图4和附图5，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的能量集中度曲线；横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中度数值，探测器像元大小为2.2μm×2.2μm，由图中可以看出，系统在各波段、各物高处，探测器像元内的成像光束能量集中度都接近衍射极限，探测器可很好的探测到目标。

参见附图6和附图7，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的畸变曲线；横坐标是畸变数值，纵坐标表示物高。可见，可见光波段和近红外波段的畸变都小于1％。

参见附图8和附图9，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的像面照度分布曲线；横坐标是像高，纵坐标是像面中心至边缘的照度分布情况。可见，在各波段，像面上边缘照度相对于中心点照度下降不到10％，表明像面上照度分布均匀。

参见附图10和附图11，它们分别是本实施例所述的光学系统在可见光波段(400nm～700nm)和近红外波段(840nm～850nm)的调制传递函数曲线；横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器奈奎斯特频率164lp/mm处，光学系统的传递函数值均接近衍射极限，可见光波段高于0.4，近红外波段高于0.3。

本技术方案的指纹静脉识别系统的采集区的白光LED光源和近红外LED光源同时入射至待测生物特征表面，光学成像区同时对指纹及静脉成像，传感器接收区接收光学成像区所成的像；采用同轴设计，结构简单紧凑、镜片少、视场角大、体积小、同时适用于可见光波段和近红外波段、畸变小、像面照度分布均匀，成像性能优；在双波段各视场角均接近衍射极限，满足成像质量要求，可同时完成指纹及静脉双重生物特征提取。

本技术方案未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims

1.一种指纹静脉识别系统，包括采集区、光学成像区和传感器接收区；其特征在于：所述的采集区由白光LED光源，透明平板玻璃，近红外LED光源组成；

光学成像区沿光线入射方向，依次包括第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第三正透镜，第四正透镜组成；其中第二正透镜和第一负透镜组成双胶合负透镜，第二负透镜和第三正透镜组成双胶合负透镜；

传感器接收区由红外滤波片，CMOS图像传感器组成；

待测生物特征放置在采集区中的透明平板玻璃上，白光LED光源和近红外LED光源同时入射至待测生物特征表面，光学成像区同时对待测生物特征的指纹及静脉成像，所成的像经红外滤波片后由CMOS图像传感器接收。

2.根据权利要求1所述的指纹静脉识别系统，其特征在于：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜相对于所述识别系统焦距的归一化焦距依次对应为f″₂₁、f″₂₂、f″₂₃、f″₂₄、f″₂₅、f″₂₆，对应值范围分别为1.3≤f″₂₁≤1.5、0.4≤f″₂₂≤0.6、-0.4≤f″₂₃≤-0.2、-0.4≤f″₂₄≤-0.2、0.5≤f″₂₅≤0.7和0.7≤f″₂₆≤0.9。

3.根据权利要求1所述的指纹静脉识别系统，其特征在于：所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四正透镜的折射率依次对应为n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄、n₂₅和n₂₆；它们对应的取值范围分别为1.70≤n₂₁≤2.25、1.52≤n₂₂≤2.07、1.51≤n₂₃≤2.06、1.60≤n₂₄≤2.15、1.55≤n₂₅≤2.10和1.75≤n₂₆≤2.30。

4.根据权利要求1-3之一所述的指纹静脉识别系统，其特征在于：所述识别系统为可见光波段和近红外光波段共焦成像系统，工作波长变化范围为400nm-700nm；840nm-860nm。

5.根据权利要求4所述的指纹静脉识别系统，其特征在于：所述识别系统的视场角为28°，物像共轭距离小于100mm。