RU2261475C2 - Optical device for scanning skin pattern - Google Patents
Optical device for scanning skin pattern Download PDFInfo
- Publication number
- RU2261475C2 RU2261475C2 RU2003128030/28A RU2003128030A RU2261475C2 RU 2261475 C2 RU2261475 C2 RU 2261475C2 RU 2003128030/28 A RU2003128030/28 A RU 2003128030/28A RU 2003128030 A RU2003128030 A RU 2003128030A RU 2261475 C2 RU2261475 C2 RU 2261475C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- lens
- optical
- illuminator
- convex
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области биометрической идентификации личностей, более конкретно к способам и устройствам сканирования рисунка кожных линий пальцев, ладоней, стопы и т.п., а также к области оптических сканирующих систем, более конкретно к специальным структурам, системам оптической проекции, использующим в общем случае призму с углом полного внутреннего отражения с плоскими гранями, цилиндрическую, коническую и т.д.The present invention relates to the field of biometric identification of personalities, and more particularly to methods and devices for scanning a pattern of skin lines of fingers, palms, feet, etc., as well as to the field of optical scanning systems, more specifically to special structures, optical projection systems using in the general case, a prism with an angle of total internal reflection with flat faces, cylindrical, conical, etc.
В настоящее время все шире используются бескрасковые способы получения отпечатков пальцев с непосредственным вводом в электронную базу данных с использованием ЭВМ, и к устройствам сканирования предъявляются все более возрастающие требования по качеству получаемого изображения при меньших габаритах.Currently, paintless methods of obtaining fingerprints with direct input to an electronic database using computers are being used more and more, and increasingly increasing demands are placed on scanning devices for the quality of the resulting image with smaller dimensions.
Качество оптического изображения объекта определяется его размерами, разрешающей способностью, величиной геометрических искажений (дисторсией), разномасштабностью по полю изображения, частотно-контрастными характеристиками, светосилой.The quality of an optical image of an object is determined by its size, resolution, geometric distortion (distortion), different scale across the image field, frequency-contrast characteristics, aperture.
Отпечатки пальцев, ладоней и т.п. используются в основном в криминалистике и системах доступа к важным объектам. Более качественные отпечатки повышают достоверность идентификации личности и надежность систем доступа.Fingerprints, palms, etc. used mainly in forensics and access systems to important objects. Better prints increase the accuracy of personal identification and the reliability of access systems.
Меньшие габариты устройства позволяют более широко и мобильно использовать известные способы биометрической идентификации личностей.The smaller dimensions of the device allow more widely and mobile use of well-known methods of biometric identification of individuals.
В зависимости от конкретного применения устройства снятия отпечатков могут быть по крайней мере 4-х типов: ладонные сканеры, сканеры для снятия контрольных отпечатков (4 пальца), сканеры для прокатки одного пальца, сканеры для сняти отпечатка пальца без прокатки.Depending on the specific application of the fingerprinting device, there can be at least 4 types: palm scanners, fingerprint scanners (4 fingers), scanners for rolling one finger, scanners for taking a fingerprint without rolling.
Широкая область применения позволяет говорить об актуальности унификации технических решений.A wide range of applications allows us to talk about the relevance of the unification of technical solutions.
В настоящее время самое высокое качество изображения отпечатков пальцев, ладоней и т.п. получают оптическими устройствами, имеющими осветитель, сенсорный оптический элемент в виде призмы с полным внутренним отражением, линзовую систему и фотоприемник в виде линейной матрицы ПЗС.Currently, the highest image quality of fingerprints, palms, etc. receive optical devices having a illuminator, a sensor optical element in the form of a prism with total internal reflection, a lens system and a photodetector in the form of a linear CCD.
При этом объект по рабочей поверхности призмы сканируется строкой, которая оптически сопряжена с линейной матрицей ПЗС и которая перемещается фронтально либо в направлении вдоль плоскости угла полного внутреннего отражения, либо в поперечном направлении к плоскости этого угла.In this case, the object is scanned along the prism’s working surface by a line that is optically conjugated with a linear CCD matrix and which moves frontally either in the direction along the plane of the angle of total internal reflection or in the transverse direction to the plane of this angle.
Первое называется продольным сканированием, второе называется поперечным сканированием.The first is called longitudinal scanning, the second is called transverse scanning.
Известно устройство (пат. №05189132 JP, классы: G 06 T 7/00, А 61 В 5/117, G 06 T 1/00, номер публикации 07-098764, дата публикации 11.04.1995, дата приоритета 30.06.1993), в котором используется продольное сканирование путем линейных перемещений сканирующего зеркала, линзовой системы и линейной матрицы ПЗС, связанных соотношением, обеспечивающим постоянство оптического пути в призме и в воздухе.A device is known (Pat. No. 05189132 JP, classes: G 06
Имеется дополнительный оптический канал для следящего управления при сканировании отпечатков.There is an additional optical channel for tracking control when scanning prints.
При увеличении размеров рабочего поля требуется увеличивать фокусное расстояние линзовой системы и существенно увеличивать размеры призмы по толщине.When increasing the size of the working field, it is required to increase the focal length of the lens system and significantly increase the size of the prism in thickness.
Недостатком данного устройства является то, что сканирование производится при существенно изменяющейся толщине стекла призмы и сложность механического привода, который должен обеспечивать соотношение перемещений зеркала, линзовой системы и линейной матрицы ПЗС для постоянства оптического пути.The disadvantage of this device is that scanning is performed with a significantly changing thickness of the prism glass and the complexity of the mechanical drive, which should provide the ratio of the movements of the mirror, the lens system and the linear CCD matrix for a constant optical path.
При изменяющейся толщине стекла могут изменяться дисторсия изображения и частотно-контрастные характеристики оптического канала, что может быть скомпенсировано усложнением линзовой системы.With a changing glass thickness, image distortion and the frequency-contrast characteristics of the optical channel can change, which can be compensated by the complexity of the lens system.
Универсальность устройства ограничена.The versatility of the device is limited.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство (пат. №5548394 US, классы: 356/71, G 06 K 009/20, 20 августа 1996, заявители; Giles at al), в котором используется поперечное сканирование путем поворота сканирующего зеркала, при этом размеры поля сканирования определяются размерами первого оптического линзового компонента.Closest to the proposed device is (US Pat. No. 5548394 US, classes: 356/71, G 06 K 009/20, August 20, 1996, applicants; Giles at al), which uses transverse scanning by rotating the scanning mirror, while the dimensions scan fields are determined by the size of the first optical lens component.
Оптическая линзовая система удовлетворяет условиям: Scheimpflug (Smith, Warren J. "Modem Optical Engeneering: the design of optical systems / Warren J. Smith.-2 nd ed", стр.52-53) - условие углового сопряжения плоскостей объекта и изображения, условию телецентричности входных и выходных лучей (дуальная телецентричность), а также удовлетворяет условию исправления дисторсии и масштаба изображения в 2-х направлениях вдоль и поперек направления сканирования при естественной анаморфотности изображения.The optical lens system satisfies the following conditions: Scheimpflug (Smith, Warren J. "Modem Optical Engeneering: the design of optical systems / Warren J. Smith.-2 nd ed", pp. 52-53) - the condition for the angular conjugation of the object and image planes, the telecentricity condition of the input and output rays (dual telecentricity), and also satisfies the condition of correcting distortion and image scale in 2 directions along and across the scanning direction with natural anamorphic image.
Имеется дополнительный оптический канал для следящего управления при сканировании.There is an additional optical channel for tracking control during scanning.
Сканирование производится при постоянной толщине стекла призмы.Scanning is performed at a constant thickness of the prism glass.
Осветитель конденсорного типа создает направленный параллельный пучок света.A condenser-type illuminator creates a directional parallel beam of light.
Недостатками данного устройства являются ограничение размеров поля сканирования в двух направлениях размерами первого линзового компонента, увеличенные габариты устройства вследствие исправления дисторсии в двух направлениях по всему полю, что требует увеличения фокусных расстояний оптических компонентов, осветитель, имеющий большие габариты, создающий направленный пучок света и имеющий недостаточно высокую эффективность.The disadvantages of this device are the limitation of the size of the scanning field in two directions by the dimensions of the first lens component, the increased dimensions of the device due to the correction of distortion in two directions throughout the field, which requires an increase in the focal lengths of the optical components, a luminaire having large dimensions, creating a directed beam of light and not having enough high efficiency.
Универсальность применения устройства ограничена. Техническим результатом настоящего изобретения является:The versatility of the device is limited. The technical result of the present invention is:
1) получение высококачественных отпечатков ладоней, контрольных оттисков, прокатки пальцев и т.п. с малыми искажениями и высокой разрешающей способностью в соответствии с современными требованиями по качеству дактилоскопической информации;1) obtaining high-quality handprints, control prints, rolling fingers, etc. with small distortions and high resolution in accordance with modern requirements for the quality of fingerprint information;
2) уменьшение габаритов устройства в сравнении с аналогами;2) reducing the dimensions of the device in comparison with analogues;
3) универсальность устройства, позволяющая широко унифицировать компоненты, при широкой гамме устройств с различным применением и способами сканирования.3) the universality of the device, which allows to widely unify components, with a wide range of devices with various applications and scanning methods.
Для достижения технического результата в оптическом устройстве для сканирования кожного рисунка, содержащем осветитель, имеющий матрицу источников света, оптическую систему, имеющую сенсорный оптический элемент с углом полного внутреннего отражения на границе стекло-вода и оптическую линзовую систему, формирующую оптический пучок, определяющий оптическое изображение кожного отпечатка, обладающую свойством дуальной телецентричности и анаморфотности изображения, удовлетворяющую условию углового сопряжения плоскостей объекта и изображения, фотоприемник, каждый элемент из матрицы источников света создает плоский пучок света, например, с помощью бифокальной линзы, в источник света введена призма с двухкратным внутренним отражением, формирующая суммарный от матрицы источников света однородный направленный в заданном рабочем для линзовой системы направлении поток света, имеющая вид клина, одна из поверхностей клина имеет растровую поверхность, сенсорный оптический элемент может иметь выпуклую, плоскую или вогнутую рабочую поверхность и предназначен для сканирования относительным перемещением в виде линейного перемещения или вращения, причем осветитель может быть связан при относительном перемещении как с сенсорным оптическим элементом, так и с компенсирующей призмой, линзовой системой и фотоприемником; оптическая система непосредственно за сенсорным оптическим элементом содержит компенсирующую призму в виде клина, угол которого является дополняющим углом, при котором выходная грань призмы перпендикулярна оптической оси линзовой системы; оптическая линзовая система состоит из двух положительных линзовых компонентов, образующих афокальную дуальную телецентрическую оптическую систему, первый линзовый компонент состоит из двух плоско-выпуклых линз, первая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта, второй линзовый компонент состоит последовательно из двух менисков и двух выпукло-вогнутых линз, первый мениск обращен выпуклостью в сторону пространства объекта, второй мениск обращен выпуклостью в сторону пространства изображения, первая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта.To achieve a technical result in an optical device for scanning a skin pattern containing a illuminator having a matrix of light sources, an optical system having a sensor optical element with an angle of total internal reflection at the glass-water interface and an optical lens system forming an optical beam defining an optical image of the skin fingerprint, with the property of dual telecentricity and anamorphic image, satisfying the condition of angular conjugation of the planes of the object and braces, photodetector, each element from the matrix of light sources creates a flat beam of light, for example, using a bifocal lens, a prism with double internal reflection is introduced into the light source, forming a total light stream uniform from the matrix of light sources, directed in the specified direction for the lens system, having the form of a wedge, one of the surfaces of the wedge has a raster surface, the touch optical element can have a convex, flat or concave working surface and is intended for scanning tions relative movement as a linear movement or rotation, the illuminator may be associated with the relative movement of both sensor optical element, and a compensating prism lens system and a photodetector; the optical system immediately behind the touch optical element contains a compensating prism in the form of a wedge, the angle of which is a complementary angle at which the output face of the prism is perpendicular to the optical axis of the lens system; the optical lens system consists of two positive lens components forming an afocal dual telecentric optical system, the first lens component consists of two plane-convex lenses, the first lens is convex towards the image space, the second lens is convex towards the object space, the second lens component consists consistently of two menisci and two convex-concave lenses, the first meniscus is convex towards the object space, the second meniscus is facing you uklostyu toward the image space, the first convexo-concave lens is convex toward the image space, the second convex-concave lens is convex toward the object space.
Кроме того, в оптическом устройстве для сканирования кожного рисунка каждая бифокальная линза матрицы источников света имеет входную для светового пучка сферическую поверхность, направленную вогнутостью в сторону источника света, и выходную цилиндрическую поверхность, обращенную выпуклостью в сторону объекта.In addition, in an optical device for scanning a skin pattern, each bifocal lens of the matrix of light sources has a spherical surface input for the light beam, directed concavity toward the light source, and an output cylindrical surface, convex towards the object.
Помимо этого, осветитель также содержит дополнительную призму, имеющую входную для светового пучка грань и внутреннюю отражающую грань, создающую вместе с клиновой призмой пятикратное внутреннее отражение светового потока.In addition, the illuminator also contains an additional prism, which has a face input to the light beam and an internal reflective face, which together with the wedge prism creates a five-fold internal reflection of the light flux.
В другом случае, осветитель содержит дополнительную призму в виде клина, имеющую входную для светового потока грань, создающую вместе с клиновой призмой четырехкратное внутреннее отражение светового потока.In another case, the illuminator contains an additional prism in the form of a wedge, having a face input to the light flux, creating together with the wedge prism a four-fold internal reflection of the light flux.
Возможен также вариант, когда в осветителе дополнительная призма имеет входную цилиндрическую поверхность.It is also possible that in the illuminator an additional prism has an input cylindrical surface.
Кроме того, в осветителе растровая поверхность выполнена в виде набора большого числа узких наклоненных зеркальных граней, так, что растровая поверхность имеет пилообразный профиль в сечении.In addition, in the illuminator, the raster surface is made in the form of a set of a large number of narrow inclined mirror faces, so that the raster surface has a sawtooth profile in cross section.
Также, в осветителе растровая поверхность клиновой призмы может быть выполнена в виде направленной или ненаправленной шероховатой поверхности.Also, in the illuminator, the raster surface of the wedge prism can be made in the form of a directional or non-directional rough surface.
Допускается, что в осветителе клиновая призма может иметь две шероховатые поверхности с направленной или ненаправленной шероховатостью.It is assumed that in the illuminator a wedge prism can have two rough surfaces with directional or non-directional roughness.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде цилиндра и предназначен для сканирования рисунка кожных линий вращением его относительно собственной оси.In addition, the touch optical element is made in the form of a cylinder and is designed to scan the pattern of skin lines by rotating it about its own axis.
Для лучшей компоновки компенсирующая призма выполнена с наклонной отражающей гранью, создающей однократное внутреннее отражение для рабочего светового пучка.For a better layout, the compensating prism is made with an inclined reflective face that creates a single internal reflection for the working light beam.
Также, оно содержит дополнительное зеркало между двумя линзовыми компонентами для преломления оптической оси.Also, it contains an additional mirror between two lens components to refract the optical axis.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде призмы с плоской рабочей поверхностью и предназначен для сканирования путем линейного перемещения линзового блока и фотоприемника вдоль рабочей плоскости призмы.In addition, the touch optical element is made in the form of a prism with a flat working surface and is intended for scanning by linear movement of the lens unit and the photodetector along the working plane of the prism.
В этом случае оно содержит дополнительный оптический канал, содержащий линзовую систему, например, объектив и фотоприемник, предназначенный для управления сканированием, например, при прокатке пальцев.In this case, it contains an additional optical channel containing a lens system, for example, a lens and a photodetector, designed to control scanning, for example, when rolling fingers.
С целью уменьшения размеров оно содержит дополнительно первое и второе зеркала между первым и вторым линзовыми компонентами и третье зеркало между линзовой системой и фотоприемником.In order to reduce the size, it additionally contains the first and second mirrors between the first and second lens components and a third mirror between the lens system and the photodetector.
С этой же целью дополнительный оптический канал содержит три зеркала и две склеенные прямоугольные призмы, причем в случае совмещения дополнительного оптического канала с линзовой системой первое из зеркал может быть полупрозрачным.For the same purpose, the additional optical channel contains three mirrors and two glued rectangular prisms, and in the case of combining the additional optical channel with the lens system, the first of the mirrors may be translucent.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде усеченного конуса с вогнутой конической рабочей поверхностью и предназначен для сканирования вращением компенсирующей призмы, линзового узла и фотоприемника относительно оси конического сенсорного оптического элемента.In addition, the sensor optical element is made in the form of a truncated cone with a concave conical working surface and is intended for scanning by rotation of the compensating prism, the lens assembly and the photodetector relative to the axis of the conical sensor optical element.
В этом случае оно содержит дополнительно два зеркала: первое - после первого линзового компонента и второе - после второго линзового компонента.In this case, it additionally contains two mirrors: the first after the first lens component and the second after the second lens component.
На фиг.1 показан главный вид оптического устройства в обобщенном виде.Figure 1 shows the main view of the optical device in a generalized form.
На фиг.2 показан осветитель, имеющий клиновую призму 20, растровую поверхность 22, формирующую выходной световой поток с углом наклона α3 больше 90°, матрицу источников света 25 с линзами 24.Figure 2 shows a illuminator having a
На фиг.3 показан аналогичный осветитель, имеющий дополнительную призму 21 и зеркальные поверхности 29, создающие пятикратное внутреннее отражение светового потока, что позволяет уменьшить размер осветителя по длине.Figure 3 shows a similar illuminator having an
На фиг.4 а) и фиг.4 б) показан в двух проекциях источник света светодиод с линзой, имеющей сферическую поверхность 26 и цилиндрическую поверхность 27, создающие плоский световой пучок с углом расходимости по толщине β1 и углом раствора пучка β2.Figure 4 a) and figure 4 b) shows in two projections a light source LED with a lens having a
На фиг.5 показан осветитель с клиновой призмой, имеющей шероховатую поверхность 23 для освещения преимущественно сенсорного оптического элемента в виде цилиндра.Figure 5 shows a illuminator with a wedge prism having a
На фиг.6 показана смоделированная специальной программой трассировка световых лучей в осветителе фиг.3 и сенсорном оптическом элементе в виде призмы с полным внутренним отражением от матрицы из 84 светодиодов, расположенных в четыре ряда по 21 штуке в каждом ряду, при этом плоский детектор расположен за выходной гранью призмы.Figure 6 shows the tracing of light rays modeled by a special program in the illuminator of figure 3 and a sensor optical element in the form of a prism with total internal reflection from a matrix of 84 LEDs arranged in four rows of 21 pieces in each row, while the flat detector is located behind output face of the prism.
На фиг.7 показана картина освещенности в плоскости детектора, следы от 400000 лучей.7 shows a picture of the illumination in the plane of the detector, traces of 400,000 rays.
На фиг.8 показана схема оптического устройства с оптическим сенсорным элементом в виде цилиндра 30.On Fig shows a diagram of an optical device with an optical sensor element in the form of a
На фиг.9 а) показан график частотно-контрастных характеристик линзового узла для различных точек изображения, попадающих на линейный фотоприемник в тангенциальном (Т) и сагиттальном (S) направлениях.Fig. 9 a) shows a graph of the frequency-contrast characteristics of the lens unit for various image points falling on the linear photodetector in tangential (T) and sagittal (S) directions.
На фиг.9 б) показана диаграмма рассеяния точек в плоскости изображения с расчетным радиусом рассеяния точки в микронах.Figure 9 b) shows a diagram of the scattering of points in the image plane with the calculated radius of the scattering of the point in microns.
На фиг.9 в) показан график дисторсии в плоскости изображения для тангенциальных (Т) и сагиттальных (S) лучей.Fig. 9 c) shows a graph of distortion in the image plane for tangential (T) and sagittal (S) rays.
На фиг.10 а) и фиг.10 б) показано в двух проекциях оптическое устройство для сканирования кожного рисунка ладоней, отпечатков пальцев и т.п. с оптическим сенсорным элементом в виде призмы 2 с плоской рабочей поверхностью 18.Figure 10 a) and figure 10 b) shows in two projections an optical device for scanning the skin pattern of the palms, fingerprints, etc. with an optical sensor element in the form of a
На фиг.11 показано оптическое устройство для сканирования кожного рисунка пальцев по конической вогнутой рабочей поверхности без прокатки.11 shows an optical device for scanning a skin pattern of fingers on a conical concave working surface without rolling.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве, фиг.1, имеющем осветитель 1, призму 2, компенсирующую призму 3, оптическую линзовую систему 4, состоящую из двух групп линз 5 и 6, линейный матричный фотоприемник 7, сканирование производится относительным перемещением в поперечном направлении призмы 2 относительно компенсирующей призмы 3, оптической линзовой системы 4, линейного матричного фотоприемника 7, образующих единый узел 8.The problem is solved in that in the device of FIG. 1, having a
Возможны варианты, в которых узел 8 является неподвижным, перемещается призма 2, либо призма 2 является неподвижной, перемещается узел 8.There are options in which the
Относительное перемещение призмы 2 и оптического узла 8 возможно как в виде поступательного перемещения, так и вращения относительно выбранной оси.The relative movement of the
В данном устройстве размеры рабочего поля сканирования определяются в продольном направлении только высотой первой группы линз 5 и соответственно продольным размером призмы, а в поперечном направлении - только поперечным размером призмы и не зависит от параметров оптического линзового узла.In this device, the dimensions of the scanning working field are determined in the longitudinal direction only by the height of the first group of
Осветитель может быть связан с призмой и освещать всю рабочую поверхность призмы, либо может быть связан с оптическим узлом и, перемещаясь с ним, освещать зону строки сканирования.The illuminator can be connected to the prism and illuminate the entire working surface of the prism, or it can be connected to the optical unit and, moving with it, illuminate the area of the scan line.
Компенсирующая призма 3 выделяется в отдельный элемент в случаях, когда сканирование производится относительным вращением и необходима для компенсации рефрактивных искажений, которые создают дополнительные трудно исключаемые искажения (аберрации) в плоскости изображения.The compensating
Если компенсирующая призма из того же стекла, что и призма, то выходная грань компенсирующей призмы должна быть перпендикулярна оптической оси линзового узла.If the compensating prism is made of the same glass as the prism, then the output face of the compensating prism should be perpendicular to the optical axis of the lens assembly.
Если компенсирующая призма из другого стекла, чем призма, то выходная грань компенсирующей призмы должна быть под углом к оптической оси линзового узла.If the compensating prism is of a different glass than the prism, then the output face of the compensating prism should be at an angle to the optical axis of the lens assembly.
Этот угол должен соответствовать углу минимальных искажений волнового фронта для всей оптической системы в целом.This angle should correspond to the angle of minimal wavefront distortions for the entire optical system as a whole.
Если сканирование производится линейным поперечным перемещением строки сканирования, то компенсирующая призма 3 либо является составной частью призмы 2, либо может использоваться для оптимизации формы и размеров призмы 2.If scanning is performed by linear transverse movement of the scanning line, then the compensating
Осветитель 1, фиг.2, состоит из призмы 20 в виде клина, имеющего растровую поверхность 22, и матричного источника света, каждый элемент которого состоит из линзы 24 и источника света 25, например светодиода.The
Растровая зеркальная поверхность 22 с внутренним отражением образована набором из большого числа чередующихся граней в виде узких поперечных полос, наклоненных под углом, обеспечивающим заданный угол наклона α3 выходного светового пучка.The
Угол α3 соответствует углу α1 падающего на рабочую поверхность 8 призмы 2 исходного светового пучка.The angle α3 corresponds to the angle α1 incident on the working
Линза 24, фиг.4а, является бифокальной линзой и имеет входную сферическую поверхность 26 и выходную цилиндрическую поверхность 27, создающие плоский световой пучок с поперечным углом расходимости β1 и продольным углом раскрытия β2.
Угол расходимости β1 должен согласовываться с входным апертурным углом линзового узла 4.The divergence angle β1 should be consistent with the input aperture angle of the
Осветитель, имеющий уменьшенные компоновочные габариты по длине, показан на фиг.3, отличающийся тем, что дополнительно имеет призму 21 с входной цилиндрической поверхностью 28 и три зеркальные поверхности 29.A lighter having reduced overall dimensions in length is shown in FIG. 3, characterized in that it further has a
Осветитель для вращающейся цилиндрической призмы показан на фиг.5, отличающийся тем, что растровая поверхность в данном случае не требуется, вместо нее рассеивающая поверхность 23.The illuminator for a rotating cylindrical prism is shown in figure 5, characterized in that the raster surface in this case is not required, instead of it a
Призма в виде клина с углом α1 требуется для более полного ввода светового потока под углом α1 в торец вращающейся призмы.A wedge prism with an angle α1 is required for a more complete input of the light flux at an angle α1 into the end face of a rotating prism.
Особенности конструкции осветителя, в частности использование растра, связаны с компоновочными габаритами всего устройства, требование для угла α3, который должен быть больше 90 градусов, при этом должен формироваться однородный световой поток по всему полю и осветитель должен обладать высоким КПД.The design features of the illuminator, in particular the use of a raster, are associated with the layout dimensions of the entire device, the requirement is for an angle α3, which must be greater than 90 degrees, while a uniform light flux throughout the field must be formed and the illuminator must have high efficiency.
Осветитель, фиг.3, практически не имеет рассеянного и поглощенного света, его теоретический выходной коэффициент полезного действия составляет около 88% (без учета потерь при отражении на зеркальных поверхностях 29), что подтверждается результатами трехмерного моделирования трассировки лучей, приведенных на фиг.6, и расчетом на однородность освещенности рабочего поля, фиг.7, где выходная энергия согласно расчету, приходящаяся на все рабочее поле детектора, 37,7 Ватта против исходно заданной энергии излучения источника 42 Ватта.The illuminator, Fig. 3, has practically no scattered and absorbed light, its theoretical output coefficient of efficiency is about 88% (excluding losses due to reflection on mirror surfaces 29), which is confirmed by the results of three-dimensional modeling of ray tracing shown in Fig. 6, and counting on the uniformity of illumination of the working field, Fig. 7, where the output energy according to the calculation, falling on the entire working field of the detector, is 37.7 watts against the originally set radiation energy of the source of 42 watts.
Высокое значение КПД, направленность светового потока и отсутствие рассеянного света позволяют получить достаточную освещенность светочувствительной фотоприемной матрицы и исключить паразитную фоновую засветку от объекта сканирования во время работы, что в итоге прямым образом влияет на формирование высококачественного изображения дактилоскопических отпечатков.The high value of the efficiency, directivity of the light flux and the absence of scattered light make it possible to obtain sufficient illumination of the photosensitive photodetector and to exclude spurious background illumination from the scanning object during operation, which ultimately directly affects the formation of a high-quality image of fingerprints.
Линзовая система устройства рассчитывалась для получения высококачественного изображения от линейной матрицы ПЗС, которое зависит от совокупного соответствия уровня ее освещенности, частотно-контрастных характеристик линзовой системы, чувствительности матрицы ПЗС, количества чувствительных элементов ПЗС и их размеров.The lens system of the device was calculated to obtain a high-quality image from a linear CCD matrix, which depends on the total correspondence of its level of illumination, the frequency-contrast characteristics of the lens system, the sensitivity of the CCD matrix, the number of CCD sensitive elements and their sizes.
Расчетные частотно-контрастные характеристики, фиг.9а, линзовой системы заявляемого устройства имеют предел около 300 лин/мм, максимальная пространственная рабочая частота, соответствующая 1000 dpi, около 70 лин/мм при уровне контраста не менее 20%.The calculated frequency-contrast characteristics, figa, of the lens system of the inventive device have a limit of about 300 lines / mm, the maximum spatial working frequency corresponding to 1000 dpi, about 70 lines / mm with a contrast level of at least 20%.
Размер стандартного чувствительного элемента матрицы ПЗС - 7×7 мкм, что соответствует на фиг.9б диаграмме рассеяния точек.The size of the standard sensitive element of the CCD matrix is 7 × 7 μm, which corresponds to the dot scatter diagram in FIG.
Первая группа линз 5 состоит из двух плоско-выпуклых линз 9 и 10, обращенных выпуклостями друг к другу.The first group of
Вторая группа линз 6 состоит из четырех линз 11-14, первые две линзы из которых 11 и 12 являются менисками с выпуклостями, обращенными друг от друга наружу, вторые две линзы 13 и 14 являются положительными выпукло-вогнутыми линзами, расположенными по ходу луча: первая выпуклостью в сторону изображения, вторая выпуклостью в сторону предмета.The second group of
Диафрагма 15 помещается между двумя менисками 11 и 12.The
Первая группа линз 5 и вторая группа линз 6 образуют афокальную оптическую систему с заданным масштабом преобразования и телецентрическим ходом входных и выходных лучей.The first group of
Мениски 11 и 12 используются для коррекции ошибок волнового фронта.Menisci 11 and 12 are used to correct wavefront errors.
Для такой оптической схемы объект находится как бы на бесконечности и при этом на изображении наблюдается его ортогональная проекция в преобразованном масштабе.For such an optical scheme, the object is located at infinity, as it were, and its orthogonal projection in the transformed scale is observed in the image.
Дополнительный световой канал с линзовой системой 16 и матричным фотоприемником 17 может быть размещен, как показано на фиг.1, требующийся для адаптивного управления сканированием, например, при прокатке отпечатков пальцев.An additional light channel with a
При этом площадь объекта, захватываемая дополнительным световым каналом, может быть существенно меньше, чем вся рабочая поверхность призмы, но достаточная для управления прокаткой.In this case, the area of the object captured by the additional light channel can be significantly smaller than the entire working surface of the prism, but sufficient to control rolling.
Однако в случае полупрозрачного зеркала 56, фиг.10, дополнительный оптический канал может быть совмещен с основным оптическим каналом линзовой системы 4.However, in the case of a
Угол наклона α1 оптической оси основной линзовой системы 4 выбирается из условий полного внутреннего отражения на границе стекло-воздух, полного внутреннего отражения на границе стекло-вода, полного внутреннего отражения на границе стекло-кожа пальца.The tilt angle α1 of the optical axis of the
Для выбранного стекла призмы БК-4 (Nc=1.5276), воды чистой (Nc=1.3316), воды морской (Nc=1.33953), кожи пальца (Nc=1.440), угол наклона основной линзовой системы α1=63.5°.For the selected BK-4 prism glass (Nc = 1.5276), clean water (Nc = 1.3316), sea water (Nc = 1.33953), finger skin (Nc = 1.440), the angle of inclination of the main lens system was α1 = 63.5 °.
Угол наклона α2 дополнительного светового канала может определяться из условия полного внутреннего отражения на границе стекло-воздух, α2>40.89°, то есть из условия: 40.89°<α2<α1=63.5°.The angle of inclination α2 of the additional light channel can be determined from the condition of total internal reflection at the glass-air interface, α2> 40.89 °, that is, from the condition: 40.89 ° <α2 <α1 = 63.5 °.
Выбор угла наклона α1=63.5° позволяет исключить влияние влаги ладоней, пальцев и т.п. на качество отсканированных отпечатков.The choice of the angle of inclination α1 = 63.5 ° eliminates the influence of moisture on the palms, fingers, etc. on the quality of scanned prints.
Меньшее значение угла α1 имеет преимущество.A smaller angle α1 has an advantage.
На рабочую поверхность призмы 2 может наноситься мягкое оптическое покрытие с коэффициентом оптического преломления большем, чем у кожи пальца, для улучшения качества изображения. Наличие мягкого оптического покрытия на рабочей поверхности призмы не сказывается на параметрах оптической схемы.A soft optical coating with an optical refractive index greater than that of the finger skin can be applied to the working surface of
Оптический узел 8 создан и рассчитан, как афокальная анаморфотная система, удовлетворяющая условиям углового сопряжения объекта и изображения при заданном масштабе преобразования и телецентричности для входных и выходных лучей, а также условию исправления дисторсии в одном вертикальном направлении вдоль строки сканирования.The
При этом фокусное расстояние первого линзового компонента удовлетворяет условию:In this case, the focal length of the first lens component satisfies the condition:
F1≥L/2·(cosα1/tgβ),F1≥L / 2 · (cosα1 / tgβ),
где β - полуугол сходимости лучей после первой группы линз;where β is the half-angle of convergence of the rays after the first group of lenses;
L - продольный размер рабочего поля призмы.L is the longitudinal size of the working field of the prism.
Угол β выбран эмпирически, как максимальный, при котором расчеты дают надежный качественный результат, около 13°, то есть β≤13°.The angle β is chosen empirically as the maximum at which the calculations give a reliable qualitative result, about 13 °, that is, β≤13 °.
Больший угол имеет преимущество, поскольку уменьшает габариты.A larger angle has an advantage because it reduces the size.
Фокусное расстояние второго линзового компонента:Focal length of the second lens component:
F2=m1·F1,F2 = m1
где m1 - поперечный масштаб изображения.where m1 is the transverse image scale.
Оптимальное и максимальное значение фокусного расстояния F0 всей оптической системы определяется из оптимизационных расчетов всей оптической схемы, исходя из таких характеристик, как дисторсия изображения, энергетический кружок рассеяния точки, функции частотно-контрастных характеристик для разных точек поля изображения.The optimal and maximum focal length value F0 of the entire optical system is determined from optimization calculations of the entire optical system, based on such characteristics as image distortion, point scattering energy circle, and functions of frequency-contrast characteristics for different points of the image field.
Степень телецентричности входных и выходных лучей, градиент масштаба изображения зависят от величины фокусного расстояния F0.The degree of telecentricity of the input and output rays, the gradient of the image scale depend on the magnitude of the focal length F0.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, стремящемся к бесконечности, выполняется условие постоянства масштабов изображения продольного и поперечного.With the focal length of the entire optical system tending to infinity, the condition for the constancy of the longitudinal and transverse image scales is fulfilled.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, лежащем в области положительных значений, имеет место положительная перспектива.With the focal length of the entire optical system lying in the region of positive values, there is a positive perspective.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, лежащем в области отрицательных значений, имеет место отрицательная перспектива.With the focal length of the entire optical system lying in the region of negative values, there is a negative perspective.
Положительная или отрицательная перспектива приводят к тому, что наклонный объект в виде квадрата изображается трапецией с большим основанием либо вверху, либо внизу.A positive or negative perspective leads to the fact that the oblique object in the form of a square is depicted by a trapezoid with a large base either above or below.
Выбор и контроль фокусного расстояния F0 всей оптической системы может использоваться для компенсации искажений изображения, полученного при сканировании отпечатков пальцев на конических рабочих поверхностях призм.The choice and control of the focal length F0 of the entire optical system can be used to compensate for image distortions obtained by scanning fingerprints on the conical working surfaces of prisms.
Одно из применений предлагаемого устройства - реализация ладонного сканера по способу (RU 2168206 C1, классы: G 06 K 9/00, А 61 В 5/117, дата публикации 27.05.2001, приоритет 30.06.2000), в котором имеется призма в виде вращающегося относительно своей оси цилиндра, предназначенного для сканирования отпечатков ладоней, фиг.8.One of the applications of the proposed device is the implementation of a palm scanner according to the method (RU 2168206 C1, classes: G 06
В этом устройстве компенсирующая призма 32 выполнена с вертикальной отражающей гранью 33, которая поворачивает оптическую ось на 90°, вертикальное зеркало 35 за первым линзовым компонентом поворачивает оптическую ось еще на 90°.In this device, the compensating
Фокусное расстояние первого линзового компонента из двух линз 144 мм, фокусное расстояние второго линзового компонента из четырех линз 68 мм, общее фокусное расстояние от 1500 мм до 2800 мм, светосила рассчитывалась на значение 3.5, размер изображения 36 мм, угол наклона линейной матрицы 30°.The focal length of the first lens component of two lenses is 144 mm, the focal length of the second lens component of four lenses is 68 mm, the total focal length is from 1500 mm to 2800 mm, the aperture was calculated at a value of 3.5, the image size is 36 mm, the angle of inclination of the linear matrix is 30 °.
Устройство, фиг.8, имеет небольшие габариты и позволяет получать высококачественные отпечатки ладоней при дисторсии изображения не более 1% и разрешающей способности 1000 dpi. Качественные оптические характеристики устройства приведены на фиг.9: а) - Частотно-контрастные характеристики; б) - Диаграммы рассеяния точек; в) - График дисторсии.The device, Fig. 8, has small dimensions and allows you to get high-quality palm prints with image distortion of not more than 1% and a resolution of 1000 dpi. Qualitative optical characteristics of the device are shown in Fig.9: a) - Frequency-contrast characteristics; b) - Diagrams of scattering points; c) - Schedule of distortion.
В табл. 1 даны конструктивные данные оптической схемы устройства.In the table. 1 gives the structural data of the optical circuit of the device.
Второе применение предлагаемого устройства - ладонный сканер, фиг.10, с неподвижной призмой 51 и подвижным линзовым блоком 52, имеющим дополнительно три зеркала: два зеркала 53 и 54 после первой группы линз и зеркало 55 после второй группы линз.The second application of the proposed device is a palm scanner, figure 10, with a fixed prism 51 and a
Дополнительный оптический канал располагается снизу от основного оптического канала при меньшем угле наклона оптической оси и имеет три зеркала 56, 57, 58, призму 59, склеенную из двух прямоугольных призм, линзовый объектив 16 и матричный фотоприемник 17.An additional optical channel is located below the main optical channel at a smaller angle of inclination of the optical axis and has three
Устройство, фиг.10, имеет одинаковые оптические параметры с устройством на фиг.8.The device of FIG. 10 has the same optical parameters as the device of FIG.
Третье применение - сканер для сканирования отпечатков пальцев по вогнутой конической поверхности призмы, фиг.11.The third application is a scanner for scanning fingerprints on a concave conical surface of the prism, Fig.11.
Коническая призма 61 неподвижно закреплена, оптический линзовый узел 62 с компенсирующей призмой 3, линейным матричным фотоприемником 7 и осветителем 65 вращаются вокруг общей оси 66 на заданный угол, ось вращения является осью рабочей конической поверхности призмы 61.The
Фокусное расстояние оптической системы устройства, фиг.11, лежит в области положительных значений F0=107 мм, что создает прямую перспективу 6% на сторону при создании развертки изображения, которая частично компенсирует трапецеидальную развертку изображения объекта, приводя ее к виду, близкому к прямоугольному.The focal length of the optical system of the device, Fig. 11, lies in the region of positive values F0 = 107 mm, which creates a direct perspective of 6% to the side when creating an image scan, which partially compensates for the trapezoidal scan of the image of the object, leading it to a view that is close to rectangular.
Фокусное расстояние первого линзового компонента F1=68 мм, второго - F2=35,2 мм, продольный размер объекта L=70 мм, размер изображения 19 мм.The focal length of the first lens component is F1 = 68 mm, the second is F2 = 35.2 mm, the longitudinal size of the object is L = 70 mm, and the image size is 19 mm.
Для лучшей компоновки конструкции оптический линзовый узел 62 имеет дополнительно зеркало 67 за первым линзовым компонентом и зеркало 68 за вторым линзовым компонентом.For a better design arrangement, the
стеклаGrade
glass
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003128030/28A RU2261475C2 (en) | 2003-09-18 | 2003-09-18 | Optical device for scanning skin pattern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003128030/28A RU2261475C2 (en) | 2003-09-18 | 2003-09-18 | Optical device for scanning skin pattern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003128030A RU2003128030A (en) | 2005-04-10 |
RU2261475C2 true RU2261475C2 (en) | 2005-09-27 |
Family
ID=35611043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003128030/28A RU2261475C2 (en) | 2003-09-18 | 2003-09-18 | Optical device for scanning skin pattern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2261475C2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007108715A1 (en) * | 2006-03-23 | 2007-09-27 | Oleg Mikhailovich Chernomordik | Anamorpothic system for reading papillary pictures and a method for the use thereof |
RU2474876C2 (en) * | 2007-09-04 | 2013-02-10 | Айдентикс Инкорпорейтед | System and high-efficiency multimode scanning device for obtaining palmprints and fingerprints |
RU2577475C2 (en) * | 2009-06-15 | 2016-03-20 | Айдентикс Инкорпорейтед | Microscanning system with low setting time |
RU2597465C2 (en) * | 2015-01-23 | 2016-09-10 | Антон Сергеевич Прытков | Compact papillary picture recording system |
RU2668524C1 (en) * | 2015-01-29 | 2018-10-01 | Вканси Технолоджи Компани Лтд. | Device for obtaining fingerprint and palm image with honeycomb structure and terminal device |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459579C2 (en) * | 2008-01-09 | 2012-08-27 | Николай Геннадьевич Дроздов | Afocal system for scanning skin pattern |
-
2003
- 2003-09-18 RU RU2003128030/28A patent/RU2261475C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007108715A1 (en) * | 2006-03-23 | 2007-09-27 | Oleg Mikhailovich Chernomordik | Anamorpothic system for reading papillary pictures and a method for the use thereof |
RU2474876C2 (en) * | 2007-09-04 | 2013-02-10 | Айдентикс Инкорпорейтед | System and high-efficiency multimode scanning device for obtaining palmprints and fingerprints |
RU2577475C2 (en) * | 2009-06-15 | 2016-03-20 | Айдентикс Инкорпорейтед | Microscanning system with low setting time |
RU2597465C2 (en) * | 2015-01-23 | 2016-09-10 | Антон Сергеевич Прытков | Compact papillary picture recording system |
RU2668524C1 (en) * | 2015-01-29 | 2018-10-01 | Вканси Технолоджи Компани Лтд. | Device for obtaining fingerprint and palm image with honeycomb structure and terminal device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003128030A (en) | 2005-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102623745B1 (en) | Transmitting device for LIDAR scanners with scanning mirrors covered with cover elements | |
US6657185B2 (en) | Pattern detector for capturing images with reduced distortion | |
JP4246258B2 (en) | Compound-eye imaging device with ranging function | |
US20030030923A1 (en) | Optical system | |
EP0886162A2 (en) | Light source equipment, optical scanner and data reading apparatus using the same | |
JP3625988B2 (en) | Document scanning system | |
CN114911065A (en) | Light projection device | |
RU2261475C2 (en) | Optical device for scanning skin pattern | |
US9372342B2 (en) | Optical fingerprint acquisition apparatus | |
KR101329487B1 (en) | System and method for performing optical navigation using a compact optical element | |
JP2012185229A (en) | Erect life-size lens array plate, optical scanning unit, image reading device, and image writing device | |
CN106953999A (en) | Scanning means | |
CN208921064U (en) | A kind of laser camera and its optical imaging system | |
US10657354B2 (en) | Compact system for registering papillary ridge patterns | |
JP2005525892A (en) | Subject image playback device | |
JPH1090620A (en) | Optical scanner | |
CN113126460A (en) | Laser scanning unit | |
KR20220126177A (en) | Contactless type optical device | |
JP2013197606A (en) | Image reading apparatus | |
US8018627B2 (en) | Shared image scanning method and picture scanner thereof | |
KR20080082068A (en) | Optical system of head mounted display | |
KR20160103597A (en) | Apparatus for optical fingerprint recognition | |
JP4944325B2 (en) | Imaging system | |
KR101177861B1 (en) | Optical fingerprint acquisition apparatus | |
WO2017212616A1 (en) | Optical device and imaging device provided with same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20080118 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090919 |