專利名稱：用于生物識別的非接觸式光學成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于生物識別的非接觸式光學成像系統。
背景技術：
在今天這個電子信息時代，人們對于加強安全與正確的身份識別有著非常大的需求。例如，對經由互聯網在供貨商的網站上進行購物的購買者的身份識別，對其他金融交易參與者的身份識別，以及對于在任何必須要處理和傳輸敏感數據的地點和在訪問控制中的身份識別，都包括在可靠的身份識別需求之內。正在發展中的生物測定學領域為這種可靠的身份識別需求提供了一個科學的答案。生物識別技術測量并突出標記某個人身上的一些唯一的特征，然后利用這些特征去識別這個人。
目前已經存在有許多生物識別設備，包括指紋讀取器，掌形讀取器，虹膜成像儀，視網膜攝像儀，語音辨識器，人臉辨識設備。更復雜一些的設備還有指甲突脊辨識設備以及耳垂血管圖案攝像儀。在這些生物識別設備中，最有前途，最成熟和最常用的設備可能就是指紋讀取器。
所有這些生物識別設備都各有其所長與不足之處。任何生物識別設備的重要特性包括用戶舒適度，使用戶愿意使用；低誤拒絕率；低誤接受率；成本；尺寸；操作速度；以及在各種工作環境下的耐用性。綜合考慮這些特性，指紋讀取器表現出很好的整體性能，特別是在用戶接受度上。
目前的指紋讀取器有兩種基本類型，一種是(1)直讀感應器，一種是(2)光學感應器。除了少數幾種特殊的光學讀取器，所有的直讀感應器與絕大部分光學讀取器，都要求使用者將其指尖部位緊緊地按在一個“平板”上，使其被讀取。對于直讀器來說，這個平板就是感應器自身的表面。這種設備必須要取得手指表面的接觸印紋，其依據的原理在于，指紋的較高的突脊相對于凹溝來說，會接觸到感應器，或者更靠近感應器的表面。該技術目前有多種變化形式。
另一方面，現有的絕大多數光讀器都有一個棱鏡或者其他玻璃(或者也可能是塑料)表面，使用者將他們的手指放在這個表面上，并且通過這個表面，其指紋的圖像被攝取。這種設備依據平板表面處由于與手指表面突脊的接觸而造成的反射率的變化，從而形成了指紋中突脊的高對比度圖像。反射率的變化是由于平板與空氣之間的表面處的折射指數的差異與不連續所造成的。
當手指(或者任何其折射指數略高于空氣的物體)以與平板表面緊密的接觸(也可以包括濕潤)的方式被放置時，在放置處的反射率就會減小。原則上，僅指紋的高點(突脊)會與平板表面發生緊密接觸，因而突脊會比凹溝顯得更深暗。平板表面的照明措施是為了最大化這一效果。
接觸式光學生物識別設備有其固有的缺點，包括手指的潤濕性或油性引起的指紋圖案的較大變化，手指的壓力變化引起的圖案變化，干燥或過于潤濕的手指造成的指紋圖案不清或部分區域無圖案，殘留物造成的對比度損失，以及上一次使用而遺留在平板上的隱約的指印。另外，由于這些隱約的指印有被使用者盜用的可能性，因此，身份被竊取的安全風險也是存在。由于都需要將手指放置于平板上，光讀器的許多缺點也同樣存在于直讀感應器。而且，直讀感應器的其他問題還包括易破損(當某個物體落到必須很薄的平板上時容易破碎)，靜電放電造成的損壞，以及成本高。
發明內容
本發明是一種新式光讀技術。其主要的物理反差機制，基于從物體表面的直接鏡面反射，而非內部反射。這就賦予了本發明的非接觸式生物測定圖像獲取的獨特優勢，避免了目前的接觸式光學和直接讀取技術的大部分問題。此外，本發明獨特的基于低成本與成熟的光學圖像感應器，因此在價格與分辨率上具有市場競爭力。該技術還不受靜電放電的影響，手指的潮濕或干燥對其無干擾，手指的壓力大小不會引起指紋圖案的變化。事實上，該技術的主要優點之一就是無需壓力即可獲得清晰的指紋圖像。
本發明的優選實施例要求使用者將手指放在儀器外殼開口處來提取指紋，但是，使用在無菌或者其他特殊環境下的另外的實施例也允許采用一種完全的非接觸模式。本發明另一個顯著優點是，它可使用指尖以外的其它皮膚表面的突脊來進行身份識別，譬如關節或手肘。這在一些特殊情況下很有用，譬如使用者沒有手指或不能使用手指。
總之，本發明是一種對一個物體的特征、突脊、以及高度變化進行成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性來最大化這些特征、突脊、和高度變化的反差。本發明包括一個光源(例如發光二極管)，一個用于定位成像物體的裝置(例如一個物理托持架或位置檢測器)，一個光源光束波陣面定形裝置(例如鏡子或透鏡)，通過它來照亮物體，從而在物體的整個表面上形成強烈的鏡面反射，一個利用反射光聚焦物體圖像的裝置(例如透鏡或鏡子)，以及一個圖像感應器，放置在使從對象反射的光能在該感應器上創建圖像的位置(例如CCD或CMOS圖像感應器)。
圖1是本發明用于指紋成像的一個實施例的透視圖；圖2是本發明用于指紋成像的一個實施例的方框示意圖；圖3是本發明用于指紋成像的一個實施例的截面圖；圖4是本發明用于指紋成像的一個實施例的示意圖；
圖5顯示了利用本發明獲取的指紋圖像例圖。
具體實施例方式
本發明對表面特征，譬如，手指或其它生物識別對象的獨特突脊，進行高質量、高對比度、均勻和一致的成像。讀取器依據的基本物理原理是用鏡面反射光來最大化特征、突脊和高度變化的反差。可選的，本發明使用一個偏光鏡對來自物體表面的鏡面反射進行過濾和增強。可選的，本發明還可以包括預處理裝置，用于調節圖像的亮度、對比度、和放大率。
本發明的優選實施例中包括(1)一個光源，即一個不帶透鏡的綠色發光二極管或LED；(2)一個空間濾光器，包括第一級與第二級，第一級具有一個對準光源的光圈，用以定義光源的有效尺寸，第二級具有一個與第一級光圈同心的光圈，用以定義光源光束的錐形角度；(3)一個球凹面鏡，放置在從空間濾光器發生的光路上，以便俘獲全部的錐形光束；(4)一個物體托持架，放置的位置可以保持物體相對于鏡面反射光45度角成像，使從物體反射出來的光的鏡面分量成為部分線性偏振，并保持物體恰好處于反射鏡的源像點之內，從而使該物體被鏡面反射錐形光束完全照明，該位置并進一步被定位于使源像點與光源并置，并進一步被定位于使其位于空間濾光器的出射錐形光束之外；(5)一個偏振濾光鏡，位于物體反射光束路徑上，其取向僅讓反射光中的s-分量通過；(6)一個透鏡，放置在可以使從偏振濾光鏡出來的光通過該透鏡的位置上；(7)一個小孔徑光圈，放置在可以使從透鏡出來的光通過該光圈的位置上，以獲得較大的景深；(8)一個圖像感應器，放置在可以使從該孔徑光圈出來的光照在該感應器的位置上，而且該位置還可以使圖像通過透鏡聚焦在該感應器的表面，并且與來自該孔徑光圈的光的光軸大約成30度角，以校正由于物體與透鏡軸的大角度而造成的圖像變形。
圖1至圖4描述了本發明的實施例，圖5顯示了本發明實施例輸出的樣圖。
圖1是本發明作為指紋讀取器的一個實施例的透視圖。該指紋讀取器的內部工作結構被容納于機殼(36)內。使用時，使用者沿鉸鏈(34)向后翹起機蓋(32)，暴露出手指光圈板(12)，使用者的手指放置其上以獲取圖像。
圖2是在圖1中進行了外部描述的優選實施例的截面圖，顯示了該成像器的內部結構。首先，實施例中的內部機構被安裝在機殼(36)中。一個LED或其它燈泡(16)作為發光光源，最好是綠色波長。光束通過決定發射光錐形角度的兩級空間濾光器(18)。(該兩級空間濾光器放置的角度位置使在光圈(11)處被成像的物體免受LED(16)光的直射。)光束然后被送到凹面反射鏡(14)，該凹面鏡所處的位置使其能捕獲光錐中的所有光量。從凹面反射鏡(14)出來的光通過手指光圈板(12)的反射，充分照亮了放置在手指光圈板(12)上的開口或手指光圈(11)上的手指，以至攔截并反射了來自凹面鏡(14)的錐形光束。(使用者將機蓋(32)繞鉸鏈(34)旋轉提起來接近手指光圈(11)。)手指光圈板(12)被放置的位置可以保持手指大約成45度角，接近于布魯斯特(Brewster)角，使光的鏡面分量被部分地線性偏振。
經手指反射后，光束穿過偏光器(24)，通過的僅為光的s-分量。光束然后通過成像鏡(26)和孔徑光圈(28)。圖像感應器(30)的放置位置使其能接受從孔徑光圈(28)出來的光束，并且恰好讓光通過成像鏡(26)聚焦在其表面，同時相對于穿過孔徑光圈的光軸成30°角，以校正因手指與成像鏡(26)光軸的大角度而造成的圖像變形。
圖3為本發明實施例的概念性的方框示意圖，顯示了光束從光源(16)經由反射鏡(14)，然后通過手指光圈(11)的光路。然后光束照射到手指(8)上，并且反射進入安裝在預處理電路板(42)上的相機裝置(44)，該電路板通過連接器(46)提供外接輸出，以對信號作進一步處理或使用。
圖4為本發明優選實施例的概念性示意圖。LED或其它光源(16)提供光束，最好是綠色波長。該光束直接通過一個兩級型的空間濾光器(18)。該兩級型空間濾光器(18)由第一光圈(20)與第二光圈(22)組成，第一光圈對準光源以決定光源的有效尺寸，第二光圈與第一級的光圈同心。第一光圈(20)與第二光圈(22)共同定義了光源發射光束的錐形角度。然后該光束被送到一個凹面反射鏡(14)，其所處位置使其能完全捕捉整個光束。從凹面鏡(14)反射出來的光束通過手指光圈板(12)上的一個開口或手指光圈(11)聚焦在原像點(10)。被成像的指尖放在手指光圈板(12)上的開口(11)，對凹面反射鏡(14)投來的錐形光束進行攔截和反射。手指光圈板(12)放置的位置使手指成約45度角，與布魯斯特角接近，使光的鏡面分量部分地線性偏振。原像點(10)與LED(16)并列排置。
經指尖反射后，光束穿過偏光器(24)，其僅使光的s-分量通過。光束然后通過成像透鏡(26)和孔徑光圈(28)。圖像感應器(30)的放置位置使其能接受從孔徑光圈(28)出來的光束，并且恰好讓光通過成像透鏡(26)聚焦在其表面，同時相對于來自孔徑光圈(28)的光軸成30°角，以糾正因手指與成像透鏡(26)光軸的大角度而造成的圖像變形。
圖5顯示本發明實施例生成的結果。手指照片(38)為圖像感應器捕捉的圖像，指圖(40)是經預處理后的手指圖像。
在該優選實施例中，本發明使用了特殊的綠色LED用于照明，提供了高亮度與短波長以實現手指表面下的低穿透率。透鏡經拋磨去除以形成一個類似點光源。在其他實施例中，其他波長的光源也可以等同的使用。
定形照明用于增強反射光的鏡面分量，減少不需要的散射光，最大化LED輸出到手指表面的光量，并確保物體的整個表面被照亮。在該優選實施例中，用一個凹面反射鏡來收集LED發出的光并將其約束成一定的形狀。在其它實施例中，亦可使用凹面鏡之外的其它裝置來收集和定形光束，下面將對此進行更詳細的描述。
在優選實施例中，用直接置于照像(成像)鏡前面的偏振濾光器來進一步增強表面特征的對差。偏光器的取向僅讓反射光中的s-分量通過，其從表面發生鏡面反射時自然地成為偏振光。為最大程度地發揮該效應，照明光的角度被設定成與布魯斯特角相近。在其它實施例中，亦可使用不同于偏振濾光器的其它裝置來增強反射光中的鏡面分量，下面將對此進行更詳細的描述。
在優選實施例中，照明光以大角度照射在表面上，以增強凹溝“陰影”的鏡面反射效果和反射后的偏振。相機相對于手指的視角也很大。
相機的大視角產生景深問題和圖像變形。在優選實施例中，采用兩個主要的設計特點來處理這些問題。第一，一個低光圈成像鏡提供高景深。第二，將圖像感應器偏斜以糾正某些圖像變形，也就是說相機透鏡架相對于相機芯片是傾斜的。譬如，在一個實施例中，成像鏡光軸與相機(感應器)平面的法線成30度角。
最后，在優選實施例中，用特別設計的數字預處理算法來對圖像進行處理，通過增強手指表面圖像的對比度、均勻和連貫性來進行這最后的處理機制。這是利用軟件算法對相機所獲得的原始圖像進行“平整”和非線性處理“兩元化”來實現的。
該程序可以固件形式被安裝在嵌入或專用的處理器中，或以軟件形式安裝在主控計算機中(本地或遠程)。該數字處理器有兩個功能第一是“平整”圖像。為使每幅圖像的明亮度和對比度一致，必須對圖像進行平整；在原始圖像中，一些區域會比其它區域亮(通常中央比周圍亮)，并且手指表面的突脊與凹溝之間的對比度在一副原始圖像內也不均勻。此外，人手指的原始圖像中有局部亮度和對比度的變化外，也有總體亮度和對比度的變動，這是由于手指放置、手指情況、和LED亮度有差異以及不同閱讀器的照明條件不同，。平整處理能消除這些變化。平整處理對優化本發明的性價比是非常重要的，因為它能糾正使用廉價光學組件引起的一些不一致情形而造成的原始數據的異常。
數字處理器的第二個功能是非線性處理。非線性處理增強和統一(使其在數值上恒定并均勻一致)了圖像的對比度。一種用于指紋圖像的非線性處理的較好形式是“兩元化”。兩元化在本質上是一個閾值運算，它檢驗圖像中的每一個像點，然后用兩個新數值中的一個代替其當前值，從而產生一個兩元圖像(就是說，它的所有的組成點為兩個數值之一，譬如，+1或-1)。其它能產生連續圖像的非線性處理(非兩元化)也可被采用，譬如，將原始圖像亮度值映射為亮度的數次冪或反切值。總之，該技術需要檢驗原始圖像中的每一個像點及其周圍鄰近像點，從而決定該像點的新數值，進行該處理的原因在于原始圖像的亮度和對比度都是不均勻的。
本發明的優選實施例包括一個人體工程設計的機殼，機殼上有一個特殊形狀的開口，其尺寸可以接受一般的手指按面；一個重力驅動的蓋子，遮蓋住開口，用于防止灰塵及異物落入機殼妨礙讀取器的工作；一個不帶透鏡的改進的高亮度LED，起到類似一個點光源的作用；一個凹面鏡，收集和定形從LED發出的光，并將其送到手指表面；一個基于數字圖像感應器的芯片，該感應器具有特定角度的透鏡架；一個價格低廉的小孔徑透鏡，將手指圖像聚焦在感應芯片上；一個線性偏振濾光器，位于透鏡正前方，用于濾除從手指表面發出的各種散射與非鏡面反射光。
本發明的優選實施例被設計用于獲取高質量的指紋圖，而無需使用平板裝置——使用者的手指不用與讀取器感應表面接觸。這樣就避免了與壓力敏感性(由于手指在平板上的壓力不同引起圖像不一致)、由于遺留在平板上的油污殘留物造成的隱約指印污染或對比度損失、各種靜電放電問題(直讀式半導體芯片感應器的常見問題)等有關的問題。它還減少了由于手指的干燥或潮濕引起的指紋圖像質量的變化和問題。此外，由于本發明的無接觸操作，因此可以制造一些使用在無菌環境中的特殊的設備樣式，用以滿足在絕對無接觸的情況下獲取指紋的要求，還可以制造一些特殊型號，用于通過使用除了手指以外的其它身體表面(例如，指關節、肘，以及腳趾)進行生物識別。對于使用者可能是截肢者，無明顯手指表面特征的人，或者因為某些原因不能使用他們的手的人(例如雙肢截癱或四肢截癱者)的使用場合下，這些樣式是有用的。
為降低成本和減小儀器的總尺寸，以上優選實施例包含了一些必要的妥協折衷措施。為得到更好的效果，某些部位可使用較昂貴的部件，特別是光學元件。雖然在優選實施例中使用了球形反射鏡，其它形狀的模鑄反射鏡，如橢圓形或拋物面形反射鏡也可被采用，光源、鏡面及物體的相對位置也可以調整為其他的物理配置。同樣，也可采用更昂貴和更高質量的透鏡，包括非球形鏡，可以得到更佳的成像效果，但價格會更高。
上述優選實施例中的許多部件都有其它效果等同的裝置可供替代。這些可用等效裝置替代的部件至少包括定形、定位、偏振和預處理部件。
照明光束(或光的波陣面)定形部件的等效方式包括，但不限于，單面凹鏡(如優選實施例中所示)；一系列反射鏡；通過一個或多個透鏡折射；通過一個或多個定形棱鏡折射；通過透射模式全息光學元件透射；通過反射模式全息光學元件反射；經由單光纖或光纖陣列使光通過，每根光纖的輸出端位于可以貢獻一份所需要的照明的位置；經由光纖面板(光纖陣列被捆束或融镕在一起作為單個光學元件，但每根光纖仍作為光通道單獨工作)使光通過，其形狀經過拼合以提供所需的照明；光源陣列，對每個光源定位以獲得所需的照明；或以上辦法的組合，譬如，反射表面、透鏡、棱鏡、全息光學元件或光纖陣列的組合，所有的元件都經定位或定形以產生所需的照明光的波前。
用于成像的物體定位部件的等效方式包括，但不限于，針對物體放置處使用一個托持架，托持架的形狀要限定物體在空間中相對于成像系統的取向(如優選實施例中所示)；一個或一組光檢測器，當物體處在正確的位置和取向時，其進光被物體所阻擋或反射，從而產生一個信號來啟動成像工作；一個提供用戶位置反饋的光檢測器，如音頻、視頻或觸覺反饋，來引導物體定位；電容感應器；聲波或超聲波感應器；氣流或氣壓感應器；物體固定器，可以通過機械或其它原理依序自定位入成像儀器中；一個機械手臂或傳動裝置，能抓持物體并將其放到成像位置；一個初級圖像感應器(相機)，通過程序獲取和分析成像，或檢測自動增益控制信號，或通過其它由圖像感應器產生的信號，來檢測物體的位置和取向；或一個或一組次級圖像感應器，與初級圖像感應器一起使用。
偏光器的等效方式包括，但不限于，線性偏振濾光器，如雙色片偏光器；延遲板，如波片，一般為1/4或1/2波片，但可以是任何所需要的推遲；偏振光束分光器；偏振鏡；用旋光材料制成的旋轉板，當光通過旋轉板時，它能旋轉進射光的偏振態；雙折射晶體或用雙折射材料制成的光學晶體，如格蘭-湯姆遜(Glan-Thompson)、格蘭-泰勒(Glan-Taylor)、或沃拉思頓(Wollaston)棱鏡；或任何以上方式的組合。
通過統一圖像亮度來對圖像進行平整處理的等效方式包括，但不限于，過濾每個圖像低空間頻率并且根據過濾圖像對原始圖像的亮度變化進行統一；用兩維函數核對圖像進行卷積，并且根據各點的卷積值對圖像的每個像素進行閾值處理；或測量并儲存一個對于圖像視域的照明差異的兩維陣列(圖像)，然后用這個兩維陣列對圖像進行統一化。
統一和增強圖像對比度對圖像進行非線性處理的等效方式包括，但不限于，用兩維函數核對圖像進行卷積，并且根據各點的卷積值對圖像的每個像素進行閾值處理；用兩維函數核對圖像進行卷積，并且根據各點的卷積值對每個像素應用非線性增益函數(倍增因子)；在亮度被統一后，對整個圖像應用非線性增益函數；或根據窗口內的像素直方圖，對圖像應用移動窗口技術并且調整窗口內中心像素的數值。
統一圖像放大的等效方式包括，但不限于，應用表面映射技術；應用形態變換技術；或將放大倍數作為圖像位置函數測量并存儲，并利用插值法將像素重新映射至新的位置。
優選實施例的運作如下當使用者將手指放在機殼的開口上時，啟動圖像拍攝。LED完全啟亮，在短的預定的延時后，相機拍攝一個單幅圖像。然后該“原始”圖像被送到計算機主機進行預處理，或用單板處理器(如數字信號處理(DSP)芯片)在讀取器內部進行預處理，該處理器具有一個儲存在本地存儲器上的處理程序。然后預處理后的圖像被送到計算機主機作進一步的用戶身份識別處理(生成模板或用戶識別碼)，此步驟亦可用本發明上的單板處理器來完成。在所有的情況下，如有安全上的必要，可將信息加密，然后從本發明設備發送至主機。一旦模板或唯一的用戶識別碼產生后，可通過運行于本地或遠程主計算機中的數據庫程序對其進行取存和傳輸控制。
優選實施例的照明系統包括一個高亮度綠光LED(有市售)，具有平坦光學面，譬如無透鏡或移去其塑料透鏡；一個兩級型空間濾光器(兩個相隔特定距離的同心光圈)，控制LED發出的照明光束；一個凹面鏡，收集、重定形LED光并將其轉向到手指表面。LED無透鏡，或透鏡被移除，譬如通過拋磨，這樣LED可最大可能地像點光源一般工作，以除去因透鏡精密的外形變化而造成的光束形狀不一致性，這種無透鏡的LED可以廉價的大規模生產。
從LED發出的光通過兩級空間濾光器后，充滿凹面反射鏡口。反射鏡將光束成形聚焦在一個焦點上，其由反射鏡的曲率確定，并使得該焦點被設計為稍稍超越被成像手指的表面。也就是說，照明手指的光被聚集在一起，形成錐形光束。幾何上的安排使指頭表面稍稍在錐形光束的最高點或者說焦點前攔截該錐形光束，這樣暴露在本發明的光圈中的整個手指面可被照明。
聚集到手指上的光束的收斂速度和入射角度被優化，使其在整個視域(暴露的手指)中產生最多的鏡面反射分量，從而在手指表面的突脊反射與凹溝反射間形成高度的反差。光束的收斂速度由反射鏡的曲面半徑和LED與反射鏡間的距離決定。照明入射角度由LED和反射鏡相對彼此和相對手指的角度決定。
兩級空間濾光器控制LED發射光的錐形束大小。這對最大化指紋圖像的反差很重要，因為除了用于充滿鏡面并照明手指所必需的光之外，所有其余的光都被它遮蔽了。這些其余的光會在讀取器內造成散射問題，最終會在手指表面上以不同角度反射，這會降低所需要的對比度，或者會直接進入相機，產生不良的背景信號。LED的角度和位置和空間濾光器的大小，都必須適當地設定，以保證LED發出的光線不會直接射在手指上，因為對手指的直接照明會同樣降低手指區域的對比度。
兩級空間濾光器由一個直徑比LED源尺寸稍大的小光圈，以及第二個距該小光圈不遠的同心大光圈組成。該第一光圈緊貼在LED面上以限定光源的有效尺寸，第二光圈限定了發射光的錐形角。第二光圈的直徑和其距第一光圈的距離是限定所需要的錐形角度的一對參數。
在本發明的優選實施例中，LED被放在機殼內手指頭位置的鄰近處。凹面鏡反射光的焦點(也是LED光源在空中的成像點)位于非常靠近手指的位置，僅稍稍超出手指面。這種幾何配置不僅可以生成幾乎最佳的照明以獲得良好對差，而且使光源和它的像在空中并列排置。這就意味著球形反射鏡幾乎是最好的選擇，這樣還可以減小生產反射鏡的成本，因為球形鏡容易設計、規范和制造。
然而，本發明的其它實施例可以移動LED和反射鏡的位置，用以例如減小儀器尺寸或改變其形狀。這種變化是可以實現的，只要將反射鏡的形狀調整為橢圓形或其它更復雜的形狀，以獲取適當的照明，最大化對比度。
在優選實施例中，手指光圈與相機透鏡的光軸成+45°度角，照明錐形光束的光軸與手指光圈面的法線成約+45°度角(與相機透鏡的光軸成約+90°度角)。這個幾何構形增強了產生對差效果的鏡面反射。由于入射和反射的高角度，光的鏡面分量偏振化。在本發明的優選實施例中，通過在相機透鏡上放置偏振濾光器，使僅反射光的s-分量得以通過，這一措施更加增強了指紋表面特征的對差。
由于成像物體與相機透鏡的光軸成較大的角度，一般情況下，會發生景深和圖像失真的問題。為了簡單而廉價的糾正這些問題，相機感應芯片的平面被傾斜到與成像鏡的光軸成30°角。此外，相機的透鏡架帶有一小光圈以將透鏡“縮小光圈”。這兩個特性增大了景深并補償了失真，因此可以僅使用一個廉價的塑料單透鏡。小光圈引起的低集光性由高亮度的LED來補償。這是為優化性價比而做的又一次折衷，因為高亮LED光源比起特殊的糾正光學元件要便宜得多。但是，在其它實施例中，如果成本不是重要因素，也可使用特別模鑄的非球形或非對稱成像透鏡來進一步提高整體工作性能。
雖然在幾個優選實施例中對本發明作了較詳細的描述，但是本發明可能亦適用其它實施方式。因此，所附的權利要求之概念和范圍不應受限于優選實施例中的描述。此外，本領域的技術人員應知道在不改變本發明的概念下，一些等效結構可以用于優選實施例中的部件。因此，再次重申，下面記載的權利要求包括了那些等效結構。
權利要求
1.一種將物體的特征、突脊與高度變化成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性最大化這些特征、突脊與高度變化的對比度，該系統包括a.一個光源；b.一個定位所述成像物體的裝置；c.一個所述光源光束波陣面定形裝置，用于照明所述物體以形成強烈的鏡面反射；d.一個利用所述反射光聚焦所述物體圖像的裝置；以及e.一個圖像感應器，位于可以使從所述物體反射的所述光在其上創建圖像的位置。
2.一種將物體的特征、突脊與高度變化成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性增強這些特征、突脊與高度變化的對比度，該系統包括a.一個光源；b.一個檢驗所述成像物體位置裝置；c.一個所述光源光束波陣面定形裝置，用于照明所述物體以形成強烈的鏡面反射；d.一個利用所述反射光聚焦所述物體圖像的裝置；以及e.一個圖像感應器，位于可以使從所述物體反射的所述光在其上創建圖像的位置。
3.一種將物體的特征、突脊與高度變化成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性增強這些特征、突脊與高度變化的對比度，該系統包括a.一個光源，發射波陣面被定形的光，用于照明所述物體以形成強烈的鏡面反射；b.一個定位所述成像物體的裝置；c.一個利用所述反射光聚焦所述物體圖像的裝置；以及d.一個圖像感應器，位于可以使從所述物體反射的所述光在其上創建圖像的位置。
4.一種將物體的特征、突脊與高度變化成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性增強這些特征、突脊與高度變化的對比度，該系統包括a.一個光源，發射波陣面被定形的光，用于照明所述物體以形成強烈的鏡面反射；b.一個檢驗所述成像物體位置裝置；c.一個利用所述反射光聚焦所述物體圖像的裝置；以及d.一個圖像感應器，位于可以使從所述物體反射的所述光在其上創建圖像的位置。
5.如權利要求1或2所述的光學系統，其中所述照明光的波陣面定形裝置是一個凹面鏡。
6.如權利要求5所述的光學系統，其中所述凹面鏡是球形的。
7.如權利要求1或2所述的光學系統，其中所述照明光的波陣面定形裝置是一個透鏡。
8.如權利要求1或2所述的光學系統，其中所述照明光的波陣面定形裝置是一個全息光學元件。
9.如權利要求3或4所述的光學系統，其中所述光源進一步包括一個單光發射器陣列，經排列以定形所述波陣面照明所述物體。
10.如權利要求1或3所述的光學系統，其中所述定位物體的裝置是一個托持架。
11.如權利要求2或4所述的光學系統，其中所述檢驗物體位置的裝置是一個光電檢測器。
12.如權利要求1或3所述的光學系統，進一步包括a.定位物體的裝置，使照明所述物體的所述光以足夠將反射光的鏡面分量部分線性偏振的角度照射到所述物體；以及b.一個偏光濾光器，位于從所述物體反射的所述光束路徑上，其取向使得僅所述偏振光的s-分量得以通過到達所述圖像感應器。
13.如權利要求2或4所述的光學系統，進一步包括a.檢驗所述物體位置的裝置，該位置使照明所述物體的所述光以足夠將所述反射光的鏡面分量部分線性偏振的角度照射到所述物體；以及b.一個偏光濾光器，位于從所述物體反射的所述光束路徑上，其取向使得僅所述偏振光的s-分量得以通過到達所述圖像感應器。
14.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，進一步包括一個第一偏光濾光器，置于所述光源與所述物體的之間。
15.如權利要求14所述的光學系統，進一步包括一個第二偏振濾光器，置于所述物體與所述圖像感應器之間，其位置應使所述物體反射光經由它通過，并到達所述圖像感應器，所述第二偏振濾光器選取的取向應使所述反射光的所述鏡面分量最大限度的通過。
16.如權利要求15所述的光學系統，其中所述的每一個偏振濾光器都僅由偏光器組成。
17.如權利要求15所述的光學系統，其中所述的每一個偏振濾光器都僅由波片組成。
18.如權利要求15所述的光學系統，其中所述的每一個偏振濾光器都由一個偏光器與一個波片共同組成。
19.如權利要求15所述的光學系統，其中所述的第二偏振濾光器是線性濾光器。
20.如權利要求14所述的光學系統，其中所述的第一偏振濾光器是線性濾光器。
21.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，其中所述的聚焦圖像的裝置是一個透鏡，位于所述物體與所述圖像感應器之間，將所述光聚焦到所述圖像感應器上。
22.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，其中所述的光源是一個發光二極管或LED。
23.如權利要求22所述的光學系統，其中所述的發光二極管或LED沒有透鏡。
24.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，進一步包括一個空間濾光器，包括a.具有一個光圈的第一級，所述光圈相對所述光源放置，用于限定所述光源的有效尺寸，以及b.具有一個光圈的第二級，所述第二級的所述光圈與所述第一級的所述光圈同心放置，用于限定所述光源光束的錐形角度。
25.如權利要求24所述的光學系統，其中所述的定形裝置是一個鏡子，位于所述光源光束經由所述空間濾光器而發出的光路上，用于俘獲全部的所述錐形光束。
26.如權利要求1或3所述的光學系統，其中所述物體被放置的位置要使入射光以一個角度從該物體上被反射。
27.如權利要求26所述的光學系統，其中所述物體被放置的位置要使所述入射光以一個角度從所述物體上被反射，所述角度接近于布魯斯特角度，以使所述光的所述鏡面分量部分偏振。
28.如權利要求1或3所述的光學系統，其中所述物體放置的位置要使從所述鏡子出來的光以大約45度角從所述物體反射。
29.如權利要求1或3所述的光學系統，a.其中所述的照明光的波陣面定形裝置是一個凹面鏡；并且b.其中所述的物體被放置的位置要使所述成像物體的表面被所述鏡子的反射錐形光束完全照明。
30.如權利要求29所述的光學系統，其中所述的物體放置位置進一步要使所述焦點與所述光源并列排置，并使該物體位于從所述空間濾光器發出的所述錐形光束的外部。
31.如權利要求30所述的光學系統，其中所述鏡子是球形的。
32.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，其中所述的聚焦圖像的裝置是一個透鏡，位于所述物體與所述圖像感應器之間，用于將所述圖像聚焦到所述圖像感應器上。
33.如權利要求32所述的光學系統，進一步包括一個小孔徑光圈，位于能使從所述透鏡出來的所述光通過的位置，用于獲得大景深。
34.如權利要求26所述的光學系統，其中所述的圖像感應器相對于所述物體與所述圖像感應器之間的所述軸線來說是傾斜的，用于校正由于所述物體相對于該同一軸線的角度所造成的所述圖像失真。
35.如權利要求28所述的光學系統，其中所述的圖像感應器傾斜大約30度角。
36.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，進一步包括一個通過統一化所述圖像亮度來平整所述圖像的處理裝置。
37.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，進一步包括一個所述圖像的非線性處理裝置，用于增加并統一所述圖像的對比度。
38.如權利要求1、2、3或4所述的光學系統，進一步包括一個統一所述圖像放大率的裝置。
全文摘要
一種將物體的特征、突脊與高度變化成像的光學系統，利用光的鏡面反射特性最大化這些特征、突脊與高度變化的對比度。該系統提供了一種適用于生物識別的非接觸式的物體成像方式，例如指紋成像。該系統通過對波陣面適當的定形，從而獲得了強烈的鏡面反射。可選的，該系統還可以包括一個用于濾光的偏光器，以增強物體表面的鏡面反射。可選的，該系統也可以包括預處理裝置，用于調整圖像亮度，對比度以及放大率。
文檔編號G06K9/00GK1695154SQ03824644
公開日2005年11月9日 申請日期2003年8月25日 優先權日2002年8月30日
發明者瓦利德·S·海戴德 申請人:深遠研發公司