專(zhuān)利名稱(chēng):光學(xué)指紋采集儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)指紋采集儀領(lǐng)域,尤其涉及一種基于紅外線受抑全內(nèi)反 射原理進(jìn)行指紋圖像采集的光學(xué)指紋采集儀。
背景技術(shù):
光學(xué)指紋采集儀在指紋識(shí)別系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,利用光線在界面上因手指接觸時(shí)脊 線谷線差異造成的光學(xué)差異形成圖像并采集。如圖1所示,現(xiàn)有折射率分別為 和叫的第1、第2介質(zhì),nQ>ni。當(dāng)波長(zhǎng)為入 的光線以大于全反射角的方向9 ^從第1介質(zhì)向第2介質(zhì)入射時(shí),發(fā)生全反射,此時(shí)以折射 率為n2的第3介質(zhì)充分靠近rv n2 >叫,第3介質(zhì)與第1介質(zhì)之間的距離為d,則光線的一 部分輻射場(chǎng)可以被耦合輸出,造成反射波的減弱,這種現(xiàn)象稱(chēng)為受抑全內(nèi)反射(Frustrated Total Internal Reflection,簡(jiǎn)寫(xiě)FTIR),該輻射波稱(chēng)為表面波或倏逝波,倏逝波的輻射強(qiáng) 度隨入射深度呈指數(shù)規(guī)律變化T
I ^e 又en透射率T可定義為倏逝波輻射強(qiáng)度與入射光輻射強(qiáng)度之比,因此由公式(1)可知, 透射率T與是倏逝波的輻射強(qiáng)度I成正比,即
,d I 2-2/1 2^ T S如0 sin 00-n,
TccI cce A⑵,由公式⑵知,透射率T是相對(duì)間隙4、材料折射率 、叫及入射角e^的函數(shù)。其
A
相對(duì)關(guān)系由圖2所示,材料折射率一定的情況下,透射率T隨著相對(duì)間隙#和增加而減少,
A
并且入射角e^大的光線所得到的透射率T小。光學(xué)指紋采集儀由外殼、采集棱鏡、光源、透鏡組和成像傳感器組成。采集棱鏡可 視為折射率%的第1介質(zhì),空氣為折射率^的第2介質(zhì),光線以大于全反射臨界角的位置 到達(dá)采集棱鏡的采集面,手指充分靠近采集面,此時(shí),手指可視為折射率n3的第3介質(zhì),指 紋谷線部分與采集面不接觸,可視為其間距d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),不滿足將倏逝波耦合 輸出的條件,此時(shí)透射率很小或?yàn)榱?,反射率很高,反射波在成像傳感器上顯示為亮線;指 紋脊線處與采集棱鏡緊貼,能夠使其與采集面的距離d達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),此時(shí),入射光線發(fā) 生受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象,一部分光被手指耦合輸出,透射出采集面,反射光因此而減弱,反射 率很低,在成像傳感器上顯示為暗線。當(dāng)脊、谷透射率的差異相差很多的時(shí)候,亮紋和暗紋 形成鮮明的對(duì)比,才能采集到脊、谷分明的清晰的指紋圖像。現(xiàn)有的光學(xué)指紋采集儀很難對(duì)干的手指采集到清晰的指紋圖像,造成了這種產(chǎn)品
3對(duì)干手指識(shí)別率低(拒真率高)的問(wèn)題,手指越干,這個(gè)問(wèn)題越突出。其原因在于,透射率 T隨著相對(duì)距離#的減小而增大,因此,當(dāng)波長(zhǎng)為\的可見(jiàn)光以大于全反射角的方向e^入
A
射時(shí),脊線越貼近采集面,相對(duì)距離#越小,則透射率T越大,被手指吸收的光線越多,相應(yīng)
A
的反射光線的量就越少,而谷線處無(wú)受抑全反射現(xiàn)象,透射率T很小或?yàn)榱悖虼思?、谷?射率的差異越大,成像傳感器中得到的圖像則越清晰,相反,接觸距離越遠(yuǎn),脊、谷透射率的 差異越小,采集效果越差。當(dāng)手指較干時(shí),皮膚與玻璃間的油脂和水分少,手指脊線處與采
集棱鏡間的接觸距離較遠(yuǎn),相對(duì)距離4增加,則透射率減小,反射光并未因此衰減,被成像
A
傳感器捕獲,形成與谷線灰度相差不多的“暗線”,成像傳感器無(wú)法得到脊、谷分明的清晰的 指紋圖像。雖然降低入射角9 ^能夠提高透射率,但是受到全反射臨界角的限制,并且為了 減小圖像變形帶來(lái)的變形校正成本,光源的入射角會(huì)盡可能的小,直至逼近接近全反射臨 界角,能夠降低入射角的幅度并不大,因此,通過(guò)降低入射角%的方式并不能夠很好的達(dá) 到提高采集圖像效果的目的。
實(shí)用新型內(nèi)容基于上述技術(shù)背景,為了提高干手指在光學(xué)指紋采集儀中的采集圖像效果,根據(jù) 受抑全內(nèi)反射原理,由于現(xiàn)有的光學(xué)指紋采集儀采用可見(jiàn)光作為光源,其波長(zhǎng)一般在380nm 至780nm之間,可以通過(guò)提高入射光的波長(zhǎng)\的方法來(lái)提高脊、谷透射率差異,從而使得接 觸不佳的干手指脊線也能形成較大的倏逝波透射比,降低反射率。紅外線的波長(zhǎng)范圍0. 8 i! m至100 i! m,而指紋識(shí)別技術(shù)要求指紋圖像分辨率約為 500dpi,合每像素50i!m,常用金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器或電荷耦合器件(CXD)傳感 器的光譜靈敏范圍為0. 4 y m至1. 15 y m,遠(yuǎn)紅外專(zhuān)用(XD傳感器光譜靈敏范圍可達(dá)到幾十 y m,選擇0. 8 y m至50 y m的紅外光作為光源,能在指紋圖像和成像傳感器成本上得到較好 的折中。大多數(shù)對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)率高的物質(zhì),如玻璃,對(duì)紅外透過(guò)率極低,當(dāng)紅外線經(jīng)過(guò)玻璃 元件的時(shí)候,會(huì)被強(qiáng)烈吸收。因此,以玻璃材質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)部件,不適用于基于紅外線的光 學(xué)指紋采集儀。亞克力(Acrylics),指純聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,具有高透明度,對(duì) 紅外光具有良好的透射率,利用亞克力的這種特性,可作為基于紅外線的光學(xué)指紋采集儀 的光學(xué)部件材料,如采集棱鏡和透鏡組。成像傳感器同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光敏感,為了避免可見(jiàn)光的干擾,需要對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行濾除, 可使用改性亞克力材料做光學(xué)部件,改性亞克力材料本身具備可見(jiàn)光濾除效應(yīng),是一種摻 雜了紅外透過(guò)可見(jiàn)光吸收物質(zhì)的特殊亞克力材料;當(dāng)使用普通亞克力材料做光學(xué)部件時(shí), 因普通亞克力材料不具備可見(jiàn)光濾除效應(yīng),用普通亞克力材料注塑而成的光學(xué)器件亦不具 備濾除可見(jiàn)光的效應(yīng),需要在采集儀上加裝紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收的濾片,放置在成像傳感 器和透鏡組之間,也可以放置在采集棱鏡和透鏡組之間。本實(shí)用新型提供了一種光學(xué)指紋采集儀,包括外殼、光源、采集棱鏡、透鏡組和成 像傳感器,其特征在于,所述采集棱鏡采用亞克力材料注塑而成,包括入射面,出射面和采集面;[0016]所述光源為紅外面光源,包括導(dǎo)光板和紅外發(fā)光二極管,所述紅外發(fā)光二極管發(fā) 出波長(zhǎng)范圍是0. 8 ii m至50 ii m的紅外光束;所述透鏡組是用多個(gè)亞克力材料注塑而成的透鏡組合而成,位于采集棱鏡出射面 一側(cè);所述光源發(fā)出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進(jìn)入,以大于采集面臨界角的入射 角到達(dá)采集面,在采集面上發(fā)生全反射后從采集棱鏡的出射面出射,經(jīng)過(guò)透鏡組匯聚到成 像傳感器。所述亞克力材料為普通亞克力材料,所述光學(xué)指紋采集儀還包括濾片,所述濾片 能夠使紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收,位于成像傳感器和透鏡組之間或采集棱鏡和透鏡組之間。所述亞克力材料為改性亞克力材料,所述改性亞克力材料能夠使紅外透過(guò)可見(jiàn)光 吸收。所述導(dǎo)光板包括光入射面和光出射面;所述導(dǎo)光板的光入射面與紅外發(fā)光二極管 緊貼,導(dǎo)光板的光出射面與采集棱鏡的入射面緊貼;所述紅外二極管發(fā)出的紅外光束從所 述導(dǎo)光板的光入射面進(jìn)入,經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板傳導(dǎo)并分散,在導(dǎo)光板的光出射面出射。所述紅外發(fā)光二極管的數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)。所述成像傳感器由半導(dǎo)體傳感器陣列構(gòu)成,所述半導(dǎo)體傳感器為金屬氧化物半導(dǎo) 體(CMOS)傳感器或電荷耦合器件(CCD)傳感器。本實(shí)用新型提供的一種光學(xué)指紋儀具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)首先根據(jù)受抑全內(nèi)反射的原理,采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光源,達(dá)到較高的透射深度, 從而使得接觸不佳的干手指脊線也能形成較大的倏逝波透射比,降低反射率,有效地解決 了干手指因?yàn)闊o(wú)法充分接觸采集面造成的采集效果差的問(wèn)題;其次,亞克力材料具有良好 的透射率,對(duì)紅外光線的吸收率低,利用亞克力材料制成的采集棱鏡和透鏡組能夠很好的 將紅外光源透射,避免了普通光學(xué)棱鏡對(duì)紅外強(qiáng)烈吸收的缺點(diǎn);第三,采集儀使用本身具有 紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收效應(yīng)的改性亞克力材料的光學(xué)元件,或在使用普通亞克力材料光學(xué)元 件的采集儀上加裝紅外透射可見(jiàn)光吸收的濾片,能夠有效防止因?yàn)榭梢?jiàn)光干擾導(dǎo)致成像因 光強(qiáng)衰減而模糊,而自然界近紅外光功率遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光,提高了成像的信噪比。
圖1是受抑全內(nèi)反射原理圖;圖2是受抑全內(nèi)反射中透射率和相對(duì)距離以及入射角的關(guān)系曲線圖;圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4是本發(fā)明的具體實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型為了提高干手指在光學(xué)指紋采集儀中的采集圖像效果,根據(jù)受抑全內(nèi) 反射原理,由于現(xiàn)有的光學(xué)指紋采集儀采用可見(jiàn)光作為光源,其波長(zhǎng)一般在380nm至780nm 之間,可以通過(guò)提高入射光的波長(zhǎng)\的方法來(lái)提高脊、谷透射率差異,從而使得接觸不佳 的干手指脊線也能形成較大的倏逝波透射比,降低反射率。紅外線的波長(zhǎng)范圍0. 8 y m至100 y m,而指紋識(shí)別技術(shù)要求指紋圖像分辨率約為500dpi,合每像素50 ym,常用金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器或電荷耦合器件(CXD)傳 感器的光譜靈敏范圍為0. 4 y m至1. 15 y m,遠(yuǎn)紅外專(zhuān)用(XD傳感器可達(dá)到幾十P m,選擇 0. 8 y m至50 y m的紅外光作為光源,能在指紋圖像和成像傳感器成本上得到較好的折中。大多數(shù)對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)率高的物質(zhì),如玻璃,對(duì)紅外透過(guò)率極低,當(dāng)紅外線經(jīng)過(guò)玻璃 元件的時(shí)候,會(huì)被強(qiáng)烈吸收。因此,以玻璃材質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)部件,不適用于基于紅外線的光 學(xué)指紋采集儀。亞克力(Acrylics),指純聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,具有高透明度,對(duì) 紅外光具有良好的透射率,利用亞克力的這種特性,可作為基于紅外線的光學(xué)指紋采集儀 的光學(xué)部件材料,如采集棱鏡和透鏡組。成像傳感器同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光敏感,為了避免可見(jiàn)光的干擾,需要對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行濾除, 可使用改性亞克力材料做光學(xué)部件,改性亞克力材料本身具備可見(jiàn)光濾除效應(yīng),是一種摻 雜了紅外透過(guò)可見(jiàn)光吸收物質(zhì)的特殊亞克力材料;當(dāng)使用普通亞克力材料做光學(xué)部件時(shí), 因普通亞克力材料不具備可見(jiàn)光濾除效應(yīng),需要在采集儀上加裝紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收的濾 片,放置在成像傳感器和透鏡組之間,也可以放置在采集棱鏡和透鏡組之間。下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例一如圖3所示,本實(shí)用新型提供的一種光學(xué)指紋采集儀,包括外殼1、光源2、采集棱 鏡3、透鏡組4、成像傳感器5和濾片6。光源2為紅外光源,由導(dǎo)光板21和紅外發(fā)光二極管22組成,導(dǎo)光板21包括光入 射面211和光出射面212,導(dǎo)光板21的光入射面211與紅外發(fā)光二極管22緊貼,導(dǎo)光板21 的光出射面212與采集棱鏡3的入射面31緊貼,紅外發(fā)光二極管22的數(shù)量可以是一個(gè)或 多個(gè),其發(fā)出波長(zhǎng)范圍在0. 8 y m至50 y m的紅外光束。采集棱鏡3采用普通亞克力材料注塑而成,包括入射面31,出射面32和采集面 33。透鏡組4為采用普通亞克力材料注塑而成的單個(gè)透鏡的組合,與成像傳感器5安 裝在一起,位于采集棱鏡3的出射面32 —側(cè)。成像傳感器5由半導(dǎo)體傳感器陣列構(gòu)成,半導(dǎo)體傳感器一般可選用電荷耦合器件 (CCD)傳感器或金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器,而CCD傳感器的光譜響應(yīng)相對(duì)于CMOS來(lái) 說(shuō)更廣范,因此本實(shí)施例中,選用CCD傳感器。由于普通亞克力材料不具備濾除可見(jiàn)光的效應(yīng),因此用普通亞克力材料注塑而成 的采集棱鏡和透鏡組亦不具備濾除可見(jiàn)光的效應(yīng),需要加裝紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收的濾片6, 可以安裝在采集棱鏡3的出射面32與透鏡組4之間,也可以安裝在透鏡組4和成像傳感器 5之間,出于加工成本的考慮,本實(shí)例中采用后者。其采集原理是,紅外二極管22發(fā)出的紅外光束從導(dǎo)光板21的光入射面211進(jìn)入, 經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板21傳導(dǎo)并分散,在導(dǎo)光板21的光出射面212出射并從采集棱鏡3的入射面31 進(jìn)入,以大于采集棱鏡3采集面33的全反射臨界角的位置到達(dá)采集棱鏡3的采集面32,被 采集的手指充分靠近采集面33,由于指紋谷線部分與采集面33不接觸,可視為其間距遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),不滿足發(fā)生受抑全內(nèi)反射的條件,透射率很小或?yàn)榱?,反射率很高,反?光線從采集棱鏡3的出射面32射出,經(jīng)過(guò)透鏡組4和濾片6在成像傳感器5上顯示為亮線; 指紋脊線處與采集棱鏡3的采集面33緊貼,能夠使其與采集面的距離達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),入射光線發(fā)生受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象,一部分光被手指耦合輸出,透射出采集面33,反射光因此衰 減,在成像傳感器5上顯示為暗線。實(shí)施例二 如圖4所示,本實(shí)用新型提供的一種光學(xué)指紋采集儀,包括外殼1、光源2、采集棱 鏡3、透鏡組4和成像傳感器5。光源2為紅外光源,由導(dǎo)光板21和紅外發(fā)光二極管22組成,導(dǎo)光板21包括光入 射面211和光出射面212,導(dǎo)光板21的光入射面211與紅外發(fā)光二極管22緊貼,導(dǎo)光板21 的光出射面212與采集棱鏡3的入射面31緊貼,紅外發(fā)光二極管22的數(shù)量可以是一個(gè)或 多個(gè),其發(fā)出波長(zhǎng)范圍在0. 8 y m至50 y m的紅外光束。改性亞克力材料本身具備可見(jiàn)光濾除效應(yīng),是一種摻雜了紅外透過(guò)可見(jiàn)光吸收物 質(zhì)的特殊亞克力材料。本實(shí)施例中采集棱鏡3采用改性亞克力材料注塑而成,包括入射面 31,出射面32和采集面33。透鏡組4是采用改性亞克力材料注塑而成的單個(gè)透鏡的組合, 與成像傳感器5安裝在一起,位于采集棱鏡3的出射面32 —側(cè)。成像傳感器5由半導(dǎo)體傳感器陣列構(gòu)成,半導(dǎo)體傳感器一般可選用電荷耦合器件 (CCD)傳感器或金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器,而CCD傳感器的光譜響應(yīng)相對(duì)于CMOS來(lái) 說(shuō)更廣范,因此本實(shí)施例中,選用CCD傳感器。其采集原理是,紅外二極管22發(fā)出的紅外光束從導(dǎo)光板21的光入射面211進(jìn)入, 經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板21傳導(dǎo)并分散,在導(dǎo)光板21的光出射面212出射并從采集棱鏡3的入射面31 進(jìn)入,以大于采集棱鏡3采集面33的全反射臨界角的位置到達(dá)采集棱鏡3的采集面32,被 采集的手指充分靠近采集面33,由于指紋谷線部分與采集面33不接觸,可視為其間距遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),不滿足發(fā)生受抑全內(nèi)反射的條件,透射率很小或?yàn)榱?,反射率很高,反?光線從采集棱鏡3的出射面32射出,經(jīng)透鏡組4匯聚到成像傳感器5上顯示為亮線;指紋 脊線處與采集棱鏡3的采集面33緊貼,能夠使其與采集面的距離達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí),入射光 線發(fā)生受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象,一部分光被手指耦合輸出,透射出采集面33,反射光因此衰減, 在成像傳感器5上顯示為暗線。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離權(quán)利要求書(shū)確定的本實(shí)用新型的精神和范圍的條件 下,還可以對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行各種各樣的修改。因此本實(shí)用新型的范圍并不僅限于以上的說(shuō) 明,而是由權(quán)利要求書(shū)的范圍來(lái)確定的。
權(quán)利要求一種光學(xué)指紋采集儀,包括外殼、光源、采集棱鏡、透鏡組和成像傳感器,其特征在于,所述采集棱鏡采用亞克力材料注塑而成,包括入射面,出射面和采集面;所述光源為紅外面光源,包括導(dǎo)光板和紅外發(fā)光二極管,所述紅外發(fā)光二極管發(fā)出波長(zhǎng)范圍是0.8μm至50μm的紅外光束;所述透鏡組是用多個(gè)亞克力材料注塑而成的透鏡組合而成,位于采集棱鏡出射面一側(cè);所述光源發(fā)出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進(jìn)入,以大于采集面臨界角的入射角到達(dá)采集面,在采集面上發(fā)生全反射后從采集棱鏡的出射面出射,經(jīng)過(guò)透鏡組匯聚到成像傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)指紋采集儀,其特征在于,所述亞克力材料為普通 亞克力材料,所述光學(xué)指紋采集儀還包括濾片,所述濾片能夠使紅外濾過(guò)可見(jiàn)光吸收,位于 成像傳感器和透鏡組之間或采集棱鏡和透鏡組之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)指紋采集儀,其特征在于,所述亞克力材料為改性 亞克力材料,所述改性亞克力材料能夠使紅外透過(guò)可見(jiàn)光吸收。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)指紋采集儀,其特征在于,所述導(dǎo)光板包括光入射 面和光出射面;所述導(dǎo)光板的光入射面與紅外發(fā)光二極管緊貼,導(dǎo)光板的光出射面與采集 棱鏡的入射面緊貼;所述紅外二極管發(fā)出的紅外光束從所述導(dǎo)光板的光入射面進(jìn)入,經(jīng)過(guò) 導(dǎo)光板傳導(dǎo)并分散,在導(dǎo)光板的光出射面出射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)指紋采集儀,其特征在于,所述紅外發(fā)光二極管的 數(shù)量可以是一個(gè)或多個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)指紋采集儀,其特征在于,所述成像傳感器由半導(dǎo) 體傳感器陣列構(gòu)成,所述半導(dǎo)體傳感器為金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器或電荷耦合器 件(CCD)傳感器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于紅外線受抑全內(nèi)反射原理進(jìn)行指紋圖像采集的光學(xué)指紋采集儀,包括外殼、光源、采集棱鏡、透鏡組和成像傳感器,其中采集棱鏡和透鏡組采用亞克力材料注塑而成,光源為紅外面光源,包括導(dǎo)光板和紅外發(fā)光二極管,紅外發(fā)光二極管發(fā)出波長(zhǎng)范圍是0.8μm至50μm的紅外光束,光源發(fā)出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進(jìn)入,以大于采集面臨界角的入射角到達(dá)采集面,在采集面上發(fā)生全反射后從采集棱鏡的出射面出射,經(jīng)過(guò)透鏡組匯聚到成像傳感器。本實(shí)用新型采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光源達(dá)到較高的透射深度,有效地解決了干手指因?yàn)闊o(wú)法充分接觸采集面造成的采集效果差的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G06K9/20GK201698455SQ201020247580
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者李揚(yáng)淵, 王卉芳 申請(qǐng)人:深圳百佳安生物識(shí)別技術(shù)有限公司