光學指紋采集儀的制作方法

專利名稱：光學指紋采集儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學指紋采集儀領域，尤其涉及一種基于紅外線受抑全內反射原 理進行指紋圖像采集的光學指紋采集儀。
背景技術：
光學指紋采集儀在指紋識別系統中廣泛應用，利用光線在界面上因手指接觸時脊 線谷線差異造成的光學差異形成圖像并采集。如圖1所示，現有折射率分別為 和叫的第1、第2介質，nQ>ni。當波長為入 的光線以大于全反射角的方向9 ^從第1介質向第2介質入射時，發生全反射，此時以折射 率為n2的第3介質充分靠近rv n2 >叫，第3介質與第1介質之間的距離為d，則光線的一 部分輻射場可以被耦合輸出，造成反射波的減弱，這種現象稱為受抑全內反射(Frustrated Total Internal Reflection,簡寫FTIR)，該輻射波稱為表面波或倏逝波，倏逝波的輻射強 度隨入射深度呈指數規律變化 透射率T可定義為倏逝波輻射強度與入射光輻射強度之比，因此由公式(1)可知， 透射率T與是倏逝波的輻射強度I成正比，即
(2),由公式⑵知，透射率T是相對間隙4、材料折射率 、叫及入射角e^的函數。其
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相對關系由圖2所示，材料折射率一定的情況下，透射率T隨著相對間隙#和增加而減少，
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并且入射角e^大的光線所得到的透射率T小。光學指紋采集儀由外殼、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，空氣為折射率^的第2介質，光線以大于全反射臨界角的位置 到達采集棱鏡的采集面，手指充分靠近采集面，此時，手指可視為折射率n3的第3介質，指 紋谷線部分與采集面不接觸，可視為其間距d遠遠大于波長數量級，不滿足將倏逝波耦合 輸出的條件，此時透射率很小或為零，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達到波長數量級，此時，入射光線發 生受抑全內反射現象，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。當脊、谷透射率的差異相差很多的時候，亮紋和暗紋 形成鮮明的對比，才能采集到脊、谷分明的清晰的指紋圖像。現有的光學指紋采集儀很難對干的手指采集到清晰的指紋圖像，造成了這種產品對干手指識別率低(拒真率高)的問題，手指越干，這個問題越突出。其原因在于，透射率 T隨著相對距離#的減小而增大，因此，當波長為\的可見光以大于全反射角的方向e^入
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射時，脊線越貼近采集面，相對距離#越小，則透射率T越大，被手指吸收的光線越多，相應
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的反射光線的量就越少，而谷線處無受抑全反射現象，透射率T很小或為零，因此脊、谷透 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，脊、谷透射率的 差異越小，采集效果越差。當手指較干時，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，相對距離4增加，則透射率減小，反射光并未因此衰減，被成像
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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 減小圖像變形帶來的變形校正成本，光源的入射角會盡可能的小，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，通過降低入射角％的方式并不能夠很好的達 到提高采集圖像效果的目的。

發明內容
基于上述技術背景，為了提高干手指在光學指紋采集儀中的采集圖像效果，根據 受抑全內反射原理，由于現有的光學指紋采集儀采用可見光作為光源，其波長一般在380nm 至780nm之間，可以通過提高入射光的波長\的方法來提高脊、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。紅外線的波長范圍0. 8 i! m至100 i! m，而指紋識別技術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，遠紅外專用(XD傳感器光譜靈敏范圍可達到幾十 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。大多數對可見光透過率高的物質，如玻璃，對紅外透過率極低，當紅外線經過玻璃 元件的時候，會被強烈吸收。因此，以玻璃材質構成的光學部件，不適用于基于紅外線的光 學指紋采集儀。亞克力(Acrylics)，指純聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，具有高透明度，對 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指紋采集儀 的光學部件材料，如采集棱鏡和透鏡組。成像傳感器同時對可見光敏感，為了避免可見光的干擾，需要對可見光進行濾除， 可使用改性亞克力材料做光學部件，改性亞克力材料本身具備可見光濾除效應，是一種摻 雜了紅外透過可見光吸收物質的特殊亞克力材料；當使用普通亞克力材料做光學部件時， 因普通亞克力材料不具備可見光濾除效應，用普通亞克力材料注塑而成的光學器件亦不具 備濾除可見光的效應，需要在采集儀上加裝紅外濾過可見光吸收的濾片，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。本發明提供了一種光學指紋采集儀，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，包括導光板和紅外發光二極管，所述紅外發光二極管發 出波長范圍是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；所述光源發出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進入，以大于采集面臨界角的入射 角到達采集面，在采集面上發生全反射后從采集棱鏡的出射面出射，經過透鏡組匯聚到成 像傳感器。所述亞克力材料為普通亞克力材料，所述光學指紋采集儀還包括濾片，所述濾片 能夠使紅外濾過可見光吸收，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可見光 吸收。所述導光板包括光入射面和光出射面；所述導光板的光入射面與紅外發光二極管 緊貼，導光板的光出射面與采集棱鏡的入射面緊貼；所述紅外二極管發出的紅外光束從所 述導光板的光入射面進入，經過導光板傳導并分散，在導光板的光出射面出射。所述紅外發光二極管的數量可以是一個或多個。所述成像傳感器由半導體傳感器陣列構成，所述半導體傳感器為金屬氧化物半導 體(CMOS)傳感器或電荷耦合器件(CCD)傳感器。本發明提供的一種光學指紋儀具有如下幾點優勢首先根據受抑全內反射的原理，采用波長較長的紅外光源，達到較高的透射深度， 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 了干手指因為無法充分接觸采集面造成的采集效果差的問題；其次，亞克力材料具有良好 的透射率，對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，避免了普通光學棱鏡對紅外強烈吸收的缺點；第三，采集儀使用本身具有 紅外濾過可見光吸收效應的改性亞克力材料的光學元件，或在使用普通亞克力材料光學元 件的采集儀上加裝紅外透射可見光吸收的濾片，能夠有效防止因為可見光干擾導致成像因 光強衰減而模糊，而自然界近紅外光功率遠低于可見光，提高了成像的信噪比。


圖1是受抑全內反射原理圖；圖2是受抑全內反射中透射率和相對距離以及入射角的關系曲線圖；圖3是本發明的具體實施例一的結構示意圖；圖4是本發明的具體實施例二的結構示意圖。
具體實施例方式本發明為了提高干手指在光學指紋采集儀中的采集圖像效果，根據受抑全內反射 原理，由于現有的光學指紋采集儀采用可見光作為光源，其波長一般在380nm至780nm之 間，可以通過提高入射光的波長、的方法來提高脊、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。紅外線的波長范圍0. 8 y m至100 y m，而指紋識別技術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，遠紅外專用(XD傳感器可達到幾十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。大多數對可見光透過率高的物質，如玻璃，對紅外透過率極低，當紅外線經過玻璃 元件的時候，會被強烈吸收。因此，以玻璃材質構成的光學部件，不適用于基于紅外線的光 學指紋采集儀。亞克力(Acrylics)，指純聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，具有高透明度，對 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指紋采集儀 的光學部件材料，如采集棱鏡和透鏡組。成像傳感器同時對可見光敏感，為了避免可見光的干擾，需要對可見光進行濾除， 可使用改性亞克力材料做光學部件，改性亞克力材料本身具備可見光濾除效應，是一種摻 雜了紅外透過可見光吸收物質的特殊亞克力材料；當使用普通亞克力材料做光學部件時， 因普通亞克力材料不具備可見光濾除效應，需要在采集儀上加裝紅外濾過可見光吸收的濾 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。下面通過具體實施例對本發明做進一步說明。實施例一如圖3所示，本發明提供的一種光學指紋采集儀，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，由導光板21和紅外發光二極管22組成，導光板21包括光入 射面211和光出射面212，導光板21的光入射面211與紅外發光二極管22緊貼，導光板21 的光出射面212與采集棱鏡3的入射面31緊貼，紅外發光二極管22的數量可以是一個或 多個，其發出波長范圍在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。成像傳感器5由半導體傳感器陣列構成，半導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體(CMOS)傳感器，而CCD傳感器的光譜響應相對于CMOS來 說更廣范，因此本實施例中，選用CCD傳感器。由于普通亞克力材料不具備濾除可見光的效應，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光的效應，需要加裝紅外濾過可見光吸收的濾片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，本實例中采用后者。其采集原理是，紅外二極管22發出的紅外光束從導光板21的光入射面211進入， 經過導光板21傳導并分散，在導光板21的光出射面212出射并從采集棱鏡3的入射面31 進入，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，可視為其間距遠遠 大于波長數量級，不滿足發生受抑全內反射的條件，透射率很小或為零，反射率很高，反射 光線從采集棱鏡3的出射面32射出，經過透鏡組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到波長數量級，入射光線發生受抑全內反射現象，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。實施例二 如圖4所示，本發明提供的一種光學指紋采集儀，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，由導光板21和紅外發光二極管22組成，導光板21包括光入 射面211和光出射面212，導光板21的光入射面211與紅外發光二極管22緊貼，導光板21 的光出射面212與采集棱鏡3的入射面31緊貼，紅外發光二極管22的數量可以是一個或 多個，其發出波長范圍在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光濾除效應，是一種摻雜了紅外透過可見光吸收物 質的特殊亞克力材料。本實施例中采集棱鏡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。成像傳感器5由半導體傳感器陣列構成，半導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體(CMOS)傳感器，而CCD傳感器的光譜響應相對于CMOS來 說更廣范，因此本實施例中，選用CCD傳感器。其采集原理是，紅外二極管22發出的紅外光束從導光板21的光入射面211進入， 經過導光板21傳導并分散，在導光板21的光出射面212出射并從采集棱鏡3的入射面31 進入，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，可視為其間距遠遠 大于波長數量級，不滿足發生受抑全內反射的條件，透射率很小或為零，反射率很高，反射 光線從采集棱鏡3的出射面32射出，經透鏡組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到波長數量級，入射光 線發生受抑全內反射現象，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。本領域的技術人員在不脫離權利要求書確定的本發明的精神和范圍的條件下，還 可以對以上內容進行各種各樣的修改。因此本發明的范圍并不僅限于以上的說明，而是由 權利要求書的范圍來確定的。
權利要求
一種光學指紋采集儀，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，包括導光板和紅外發光二極管，所述紅外發光二極管發出波長范圍是0.8μm至50μm的紅外光束；所述透鏡組是用多個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；所述光源發出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進入，以大于采集面臨界角的入射角到達采集面，在采集面上發生全反射后從采集棱鏡的出射面出射，經過透鏡組匯聚到成像傳感器。
2.根據權利要求1所述的一種光學指紋采集儀，其特征在于，所述亞克力材料為普通 亞克力材料，所述光學指紋采集儀還包括濾片，所述濾片能夠使紅外濾過可見光吸收，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.根據權利要求1所述的一種光學指紋采集儀，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可見光吸收。
4.根據權利要求1所述的一種光學指紋采集儀，其特征在于，所述導光板包括光入射 面和光出射面；所述導光板的光入射面與紅外發光二極管緊貼，導光板的光出射面與采集 棱鏡的入射面緊貼；所述紅外二極管發出的紅外光束從所述導光板的光入射面進入，經過 導光板傳導并分散，在導光板的光出射面出射。
5.根據權利要求1所述的一種光學指紋采集儀，其特征在于，所述紅外發光二極管的 數量可以是一個或多個。
6.根據權利要求1所述的一種光學指紋采集儀，其特征在于，所述成像傳感器由半導 體傳感器陣列構成，所述半導體傳感器為金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器或電荷耦合器 件(CCD)傳感器。
全文摘要
本發明提供了一種基于紅外線受抑全內反射原理進行指紋圖像采集的光學指紋采集儀，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，包括導光板和紅外發光二極管，紅外發光二極管發出波長范圍是0.8μm至50μm的紅外光束，光源發出的紅外光線從采集棱鏡的入射面進入，以大于采集面臨界角的入射角到達采集面，在采集面上發生全反射后從采集棱鏡的出射面出射，經過透鏡組匯聚到成像傳感器。本發明采用波長較長的紅外光源達到較高的透射深度，有效地解決了干手指因為無法充分接觸采集面造成的采集效果差的問題。
文檔編號G06K9/20GK101894258SQ20101021794
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者李揚淵, 王卉芳 申請人:深圳百佳安生物識別技術有限公司