專利名稱：指紋圖像的顯示采集儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種關(guān)于指紋圖像的顯示采集儀。
指紋是人終身不變的一個(gè)特征，指紋因其具有唯一性和穩(wěn)定性，一直是身份鑒定和安全防范的可靠手段。因此，構(gòu)建一個(gè)指紋圖像的顯示與采集裝置具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。在先技術(shù)中，井垣誠(chéng)武、新崎卓、本問浩二等人在日本專利“光學(xué)的指紋檢出機(jī)構(gòu)”(日本國(guó)特許廳于1993年9月21日公布，公布號(hào)特開平5-242230)中，提供了一種指紋圖像顯示的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。光源1發(fā)出的光從棱鏡(プリズム)3的一直角面以大于臨界角入射到直角棱鏡3中。將被測(cè)手指2按在直角棱鏡3的斜面上，由于手指的乳突線(即指紋)是凸起于手指表面的，指紋與直角棱鏡3斜面的緊密接觸，破壞了全反射的條件，一部分入射光將被手指吸收損失掉，余下的部分光反射，從直角棱鏡3的另一直角面透射出去，透鏡(レンズ)4將指紋上各點(diǎn)反射的光會(huì)聚后，由平面反射鏡(ミラ)5反射給攝像元件(攝像素子)6成像。這些乳突線(即指紋)上的各點(diǎn)在攝像元件6上顯示為弱光。而在乳突線之間的凹處，因?yàn)槿藭?huì)分泌有微量的汗液，其折射率較小，入射光在此處會(huì)發(fā)生全反射，所以凹處的各點(diǎn)在攝像元件6上顯示為強(qiáng)光。這樣，從攝像元件6攝錄下來(lái)的被測(cè)手指2表面上各點(diǎn)反射光的強(qiáng)弱變化，就可以得到清晰的指紋紋路。
上述在先技術(shù)中，被測(cè)手指2是按在直角棱鏡3的斜面上，對(duì)直角棱鏡3而言，指紋上各點(diǎn)反射的光經(jīng)過直角棱鏡后成像在直角棱鏡的直角面上，成像過程相當(dāng)于斜面上的指紋投影在直角面上。因?yàn)橹苯抢忡R3的斜面大于直角面，所以指紋圖像的長(zhǎng)度被壓縮變短了，但是寬度還是同實(shí)際指紋一樣大，這樣就引起了圖像長(zhǎng)寬比例的失真。上述在先技術(shù)另外的缺點(diǎn)是光源1對(duì)指紋的照明不夠均勻；整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光路太長(zhǎng)；成像過程中產(chǎn)生的像差較大。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)在先技術(shù)指紋采集過程中圖像長(zhǎng)寬比例失真、光源照明不均勻、光路較長(zhǎng)、像差大的缺點(diǎn)，提供一種能夠提高成像質(zhì)量，使整個(gè)光路更為緊湊，結(jié)構(gòu)更加小巧，指紋圖像更加真實(shí)的指紋圖像的顯示采集儀。
本實(shí)用新型指紋圖像的顯示采集儀，包括外殼8，外殼8上帶有供置放被測(cè)手指2的放指窗口801和供顯示和采集指紋置放攝像元件6的觀測(cè)窗口802。在外殼8內(nèi)置有直角棱鏡3，直角棱鏡3的斜面上的中心點(diǎn)o與放指窗口801的中心點(diǎn)o相重合，直角棱鏡3的一個(gè)直角平面對(duì)著有光源1。緊貼在直角棱鏡3的另一個(gè)直角平面與直角棱鏡3對(duì)稱地置有補(bǔ)償直角棱鏡7。補(bǔ)償直角棱鏡7與直角棱鏡3的大小形狀和材料完全相同。在外殼8內(nèi)有一平面反射鏡5，平面反射鏡5的反射平面與補(bǔ)償直角棱鏡7的斜面相平行，并且平面反射鏡5反射平面的中心點(diǎn)o與直角棱鏡3斜面上的中心點(diǎn)o的連線oo恰好穿過直角棱鏡3和補(bǔ)償直角棱鏡7緊貼的兩直角平面的中心點(diǎn)o＇和補(bǔ)償直角棱鏡7斜面上的中心點(diǎn)o＂。在外殼8內(nèi)置有雙膠合透鏡9，雙膠合透鏡9的中心點(diǎn)o2在平面反射鏡5反射平面的中心點(diǎn)o與直角棱鏡3斜面上的中心點(diǎn)o的連線oo的垂線oo1上。在外殼8內(nèi)置有超半球型浸沒透鏡10，超半球型浸沒透鏡10的球面向著雙膠合透鏡9。超半球型浸沒透鏡10球面的中心點(diǎn)o3與雙膠合透鏡9的中心點(diǎn)o2同在一條垂線oo1上。超半球型浸沒透鏡10平面上的中心點(diǎn)o1處置有在外殼8上觀測(cè)窗口802內(nèi)的攝像元件6。
所說的光源1是由面陣發(fā)光二極管101以及蓋在它上面的毛玻璃片102構(gòu)成。
所說的雙膠合透鏡9是由一凹凸透鏡901和一雙凸透鏡902膠合而成的。
所說的置放在放指窗口801內(nèi)的直角棱鏡3斜面上的被測(cè)手指2與置于超半球型浸沒透鏡10平面上的中心點(diǎn)o1處的攝像元件6相對(duì)于超半球型浸沒透鏡10的物像位置是物距L=(1+n)r，像距L＇=(1+n)r/n，式中n為超半球型浸沒透鏡10的折射率，r為超半球型浸沒透鏡10球面的曲率半徑。
本實(shí)用新型指紋圖像的顯示采集儀，如上述和圖2所示的結(jié)構(gòu)，在外殼8內(nèi)置有的作為光源1的面陣發(fā)光二極管101以及蓋在它上面的毛玻璃片102，在外殼8內(nèi)沿著被測(cè)手指2反射光前進(jìn)的方向上，同光軸o-o-o1地依次經(jīng)過直角棱鏡3、補(bǔ)償直角棱鏡7、平面反射鏡5、雙膠合透鏡9、超半球型浸沒透鏡10直到攝象元件6。
所說的攝像元件6是CCD攝像機(jī)，或者是照相機(jī)，將指紋圖像攝錄下來(lái)，或者是顯示屏，直接顯示指紋圖像。
本實(shí)用新型用面陣發(fā)光二極管101發(fā)出的單色紅光做為照明光源1，并在其上蓋一塊毛玻璃片102，使照明更加均勻。如同在先技術(shù)一樣，利用直角棱鏡3的全反射特性來(lái)獲取對(duì)比度反差較好的指紋圖像。本實(shí)用新型在直角棱鏡3后加了一個(gè)與其同樣大小和同種材料的對(duì)稱置放的補(bǔ)償直角棱鏡7，把被直角棱鏡3壓縮的圖像再放大回原來(lái)的大小，從而保證指紋圖像長(zhǎng)度和寬度比例一致，不失真。平面反射鏡5將光路彎折90度，使整個(gè)光路更加緊湊、小巧。光線經(jīng)過雙膠合透鏡11以及超半球型浸沒透鏡12會(huì)聚后，成像在超半球型浸沒透鏡10的平面上，由置于平面上中心點(diǎn)o1處的攝像元件6記錄下來(lái)指紋的圖像。
本實(shí)用新型的最大優(yōu)點(diǎn)是圖像不失真，像差小，圖像質(zhì)量好，清晰度高。為了解決在先技術(shù)中圖像失真的問題，在直角棱鏡3后加了一個(gè)補(bǔ)償直角棱鏡7，把被壓縮的圖像再放大恢復(fù)原來(lái)的大小。雙膠合透鏡9由一凸一凹的兩個(gè)透鏡組成，以相互平衡抵消成像過程中產(chǎn)生的正負(fù)球差。在先技術(shù)中單一的透鏡4顯然無(wú)法消除自身產(chǎn)生的球差。在先技術(shù)是用透鏡4會(huì)聚光束，本實(shí)用新型不僅用雙膠合透鏡9會(huì)聚光束，還用了一個(gè)二次聚光元件超半球型浸沒透鏡10進(jìn)一步會(huì)聚光束，兩個(gè)元件的強(qiáng)力會(huì)聚使得光路的長(zhǎng)度變得更短，可將本實(shí)用新型應(yīng)用到諸如指紋鎖等要求小型化的場(chǎng)合中。使用超半球型浸沒透鏡10后，不僅顯著地縮短了整個(gè)光路長(zhǎng)度，還有效地提高了信噪比，減小了像差。超半球型浸沒透鏡10一般來(lái)說是有像差的，但將物體放在超半球型浸沒透鏡的齊明點(diǎn)(即不暈點(diǎn))處，球差、慧差和像散均可消除。此時(shí)被測(cè)手指2與攝像元件6(相對(duì)于超半球型浸沒透鏡10)的物像位置是按物距L=(1+n)r和像距L＇=(1+n)r/n這一特殊的物像共軛關(guān)系置放的，可有效地消除球差、慧差和像散，大大降低了光學(xué)系統(tǒng)的像差。式中n為超半球型浸沒透鏡10的折射率，r為超半球型浸沒透鏡10球面的曲率半徑。全部光路安排緊湊合理，整體裝置小巧適用。


圖1為在先技術(shù)的指紋圖像采集裝置的光路結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為本實(shí)用新型指紋圖像顯示采集儀結(jié)構(gòu)的示意圖。
實(shí)施例如圖2所示的結(jié)構(gòu)。為了避免成像過程中產(chǎn)生色差，光源1是用面陣發(fā)光二極管101發(fā)出的單色紅光(波長(zhǎng)λ=766nm)對(duì)被測(cè)手指2進(jìn)行照明，并在面陣發(fā)光二極管101上面蓋一塊毛玻璃片102，目的是對(duì)被測(cè)手指2進(jìn)行均勻照明。直角棱鏡3和補(bǔ)償直角棱鏡7的材料、尺寸完全相同，最好做成等腰直角全反射棱鏡，它們的斜面面積比一般人的手指指紋有效面積略大一些，長(zhǎng)、寬、高尺寸取32cm×20cm×32cm。雙膠合透鏡11是由一凸一凹的兩個(gè)透鏡膠合而成，它們分別是由兩種折射率不同的玻璃材料制作的。折射率相差越大，它們相互平衡抵消成像過程中產(chǎn)生的正負(fù)球差的效果就越好。平面反射鏡5按與補(bǔ)償直角棱鏡7的斜面平行的方向置放。超半球型浸沒透鏡10用K9玻璃(折射率n=1.5163)加工而成，曲率半徑r=15mm，厚度24.89mm。相對(duì)于超半球型浸沒透鏡10，物距L=37.74mm，像距L＇=24.89mm。除了在被測(cè)手指2的按捺處留一手指般大小的放指窗口801和觀測(cè)窗口802外，整臺(tái)裝置用外殼8密封起來(lái)，以防止灰塵和雜散光的進(jìn)入，影響指紋圖像的顯示與采集效果。為了得到清晰度較高的指紋，采集指紋前最好將被采集人的手指清洗干凈。
權(quán)利要求1．一種指紋圖像的顯示采集儀，包括<1>帶有放指窗口(801)和觀測(cè)窗口(802)的外殼(8)，在外殼(8)內(nèi)置有直角棱鏡(3)，直角棱鏡(3)斜面上的中心點(diǎn)(o)與放指窗口(801)的中心點(diǎn)(o)相重合，直角棱鏡(3)的一個(gè)直角平面對(duì)著有光源(1)；其特征在于<2>在外殼(8)內(nèi)，緊貼在直角棱鏡(3)的另一個(gè)直角平面與直角棱鏡(3)對(duì)稱地置有大小形狀和材料完全相同的補(bǔ)償直角棱鏡(7)；<3>外殼(8)內(nèi)置有平面反射鏡(5)，平面反射鏡(5)的反射平面與補(bǔ)償直角棱鏡(7)的斜面平行，并且平面反射鏡(5)反射平面的中心點(diǎn)(o)與直角棱鏡(3)斜面上的中心點(diǎn)(o)的連線(oo)恰好穿過直角棱鏡(3)和補(bǔ)償直角棱鏡(7)緊貼的兩直角平面的中心點(diǎn)(o＇)和補(bǔ)償直角棱鏡(7)斜面上的中心點(diǎn)(o＂)；<4>在外殼(8)內(nèi)置有雙膠合透鏡(9)，雙膠合透鏡(9)的中心點(diǎn)(o2)在平面反射鏡(5)反射平面中心點(diǎn)(o)與直角棱鏡(3)斜面上的中心點(diǎn)(o)的連線(oo)的垂線(oo1)上；<5>在外殼(8)內(nèi)置有超半球型浸沒透鏡(10)，超半球型浸沒透鏡(10)的球面向著雙膠合透鏡(9)，超半球型浸沒透鏡(10)球面的中心點(diǎn)(o3)與雙膠合透鏡(9)的中心點(diǎn)(o2)同在一條垂線(oo1)上；<6>超半球型浸沒透鏡(10)平面上的中心點(diǎn)(o1)處置有在外殼(8)觀測(cè)窗口(802)內(nèi)的攝像元件(6)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像的顯示采集儀，其特征在于所說的光源(1)是由面陣發(fā)光二極管(101)以及蓋在它上面的毛玻璃片(102)構(gòu)成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像的顯示采集儀，其特征在于所說的雙膠合透鏡(9)是由一凹凸透鏡(901)和一雙凸透鏡(902)膠合而成的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像的顯示采集儀，其特征在于所說的放指窗口(801)內(nèi)的直角棱鏡(3)斜面上的被測(cè)手指(2)與置于超半球型浸沒透鏡(10)平面上的中心點(diǎn)(O1)處的攝像元件(6)相對(duì)于超半球型浸沒透鏡(10)的物像位置是物距L=(1+n)r，像距L＇=(1+n)r/n，式中n為超半球型浸沒透鏡(10)的折射率，r為超半球型浸沒透鏡(10)球面的曲率半徑。
專利摘要一種指紋圖像的顯示采集儀,包括帶有放指窗口和觀測(cè)窗口的外殼。在外殼內(nèi)沿著被測(cè)手指反射光前進(jìn)的方向上,同光軸地依次經(jīng)過直角棱鏡,補(bǔ)償直角棱鏡、平面反射鏡、雙膠合透鏡、超半球型浸沒透鏡直到攝像元件。由面陣發(fā)光二極管以及蓋在它上面的毛玻璃片構(gòu)成的光源對(duì)著直角棱鏡的一個(gè)直角平面。全部光路安排緊湊合理,整體裝置小巧適用,具有圖像不失真、質(zhì)量好、清晰度高、像差小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK2450664SQ0024985
公開日2001年9月26日 申請(qǐng)日期2000年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者朱鵬飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所