專利名稱：浸水指掌紋采集裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學儀器技術領域，涉及一種指掌紋采集儀，特別涉及一種浸水指掌紋采集裝置。
背景技術：
人的指掌紋質量和采集環境對指掌紋儀的采集工作均有很大的影響，例如干手指、濕手指、臟手等情況。潮濕、陰冷的采集環境，都對指掌紋采集技術做出了很高的要求， 特別是在某些特殊的環境下，采集指掌紋時，經常要面對剛剛洗過的或者被水淋過的手指進行采集，在這種情況下指掌紋儀采集的圖像通常是模糊的，紋路對比度很差。現在也有一些方法來解決浸水手指指掌紋圖像模糊、紋路對比度差的問題，如降低照明亮度和通過電子學圖像處理增強對比度的方法。但是這兩種方法只能緩解紋路對比度差的問題，都無法從根本上解決問題，特別是使用電子學圖像處理來增強對比的方法會造成圖像的細節損失，從而降低了指掌紋儀的分辨率。
發明內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種在不影響分辨率的前提下提高浸水指掌紋圖像采集清晰度的浸水指掌紋采集裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型的浸水指掌紋采集裝置包括光源，棱鏡，接收系統；所述接收系統包括鏡頭和圖像接收器；棱鏡包括光入射面、圖像輸出面、采集面；光源發出的光線通過光入射面進入棱鏡照射在掌紋與棱鏡接觸的采集面發生散射，散射的部分光線通過圖像輸出面出射，經鏡頭成像在圖像接收器上；進入鏡頭并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡中傳播并與采集面相交的軌跡線L1,與采集面法線L2之間的夾角A大于光從玻璃介質出射到水中的臨界角B1，并且小于光從玻璃介質出射到手指皮膚和油脂混合介質的臨界角B2。本實用新型由于進入鏡頭并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡中傳播并與采集面相交的軌跡線L1，與采集面法線“之間的夾角A大于光從玻璃介質出射到水中的臨界角B1，并且小于光從玻璃介質出射到手指皮膚和油脂混合介質的臨界角化，根據全反射的原理，光線經過有水的采集面發生全反射，由此可以避免掉水發生散射的光線與指掌紋圖像混合； 在不造成圖像細節損失，從而降低指掌紋儀分辨率的前提下，有效地解決了在非常濕潤、浸水的情況下手指、手掌成像模糊的問題。所述光源為貼片單色LED，其中心波長為0. 53 μ m ；棱鏡是一個ZF5材料的直角棱鏡，采集面為直角棱鏡的斜面，光入射面和圖像輸出面分別為直角棱鏡的兩個直角面，且采集面與圖像輸出面夾角為52. 1° 56. 6° ；光入射面與鏡頭的光軸平行，圖像輸出面與鏡頭的光軸垂直。所述光源為貼片單色LED，中心波長為0. 53 μ m ；棱鏡是一個LAK8材料的直角梯形棱鏡，該直角梯形棱鏡包括光入射面、采集面、圖像輸出面和內反射面；光入射面為直角梯形棱鏡的上底面，采集面為直角梯形棱鏡的下底面，內反射面為直角梯形棱鏡的斜面，圖像輸出面直角梯形棱鏡的直角面；采集面與內反射面的夾角是73. 75度；光入射面和采集面平行于鏡頭的光軸，圖像輸出面垂直于鏡頭的光軸。本實用新型還包括背景面；背景面通過采集面全反射，再由圖像輸出面出射，經鏡頭成像在圖像接收器上，成為掌紋圖像的背景。所述背景面為黑色。本實用新型在棱鏡上增加了一個黑色背景面，背景與掌紋共同構成一幅黑色背景、白色掌紋紋路的掌紋圖像。由于背景面是黑色，能夠起到消光作用，其成像的灰度是不變的，而掌紋紋路的散射光能量會隨著光源的亮度提高而增大，因而通過調整光源的亮度可以使掌紋紋路成像的灰度變高，能夠有效提高掌紋圖像的對比度。對于輸出一個8位的 BMP圖像來說，圖像灰度等級為256級，黑色背景的灰度可以無限接近于0，而掌紋紋路圖像可以無限接近255，因此理論上對比度可以做到無窮大，但是一般背景灰度可以調節到1 5，而掌紋紋路灰度調節到250 255，所以背景和指紋紋路的反差很容易做到1 50。所述光源為貼片單色LED，其中心波長為0. 53 μ m ；棱鏡是一個ZF5材料的將直角棱鏡的直角切掉得到的梯形棱鏡，光入射面為梯形棱鏡的上底面，采集面為梯形棱鏡的下底面，背景面和圖像輸出面分別為直角棱鏡的兩個直角面，采集面與圖像輸出面夾角為 52.1° 56. 6° ；背景面與鏡頭的光軸平行，圖像輸出面與鏡頭的光軸垂直。所述光源為貼片單色LED，中心波長為0. 53 μ m,棱鏡為LAK8材料的梯形棱鏡；光入射面為梯形棱鏡的上底面，采集面為梯形棱鏡的下底面，背景面和圖像輸出面分別為梯形棱鏡的兩個斜面；采集面與圖像輸出面的夾角是63. 3度，采集面與背景面的夾角為36. 7 度；背景面平行于鏡頭的光軸。所述的鏡頭為雙遠心鏡頭。由于接收系統采用雙遠心鏡頭，圖像輸出面出射的光線經鏡頭變為平行光，不僅可以有效矯正光學系統中傾斜物面成像的梯形投影畸變，而且能夠保證采集面各個位置都能有效的進行浸水手指指紋圖像采集。本實用新型還可以包括折返光路；由圖像輸出面出射的光線經折返光路折返后， 入射到接收系統。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本實用新型的浸水指掌紋采集裝置實施例1結構示意圖。圖2是本實用新型的浸水指掌紋采集裝置實施例2結構示意圖。圖3是本實用新型的浸水指掌紋采集裝置實施例3結構示意圖。圖4是本實用新型的浸水指掌紋采集裝置實施例4結構示意圖。圖5是本實用新型的浸水指掌紋采集裝置實施例5結構示意圖。
具體實施方式
根據全反射定律sin(I)*n = sin(I，)*n， (1)[0025]I為入射角，η為入射方向介質折射率，I’為折射角，η’為折射方向介質折射率。 當發生全反射的時候，I’ = 90，則臨界角 I = arcsin(n，/n). (2)根據臨界角公式( 可得到光從玻璃介質出射到水中的臨界角B1和光從玻璃介質出射到手指皮膚和油脂混合介質的臨界角B2 B1 = arcsin(n 水/n 棱鏡)(3)化=arcsin(n手指/n 棱鏡)(4)為水的折射率；為棱鏡的折射率；Iif^為手指皮膚、優質混合物的的折射率。為了指掌紋儀在采集指掌紋的時候能夠屏蔽掉水，而又使人的手指能夠成像，本實用新型鏡頭與棱鏡之間的結構關系滿足式(5)B1 < A < B2 (5)其中A為進入鏡頭并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡中傳播并與采集面相交的軌跡線L1,與采集面法線L2之間的夾角。實施例1如圖1所示，本實用新型的浸水指掌紋采集裝置包括光源1，棱鏡2，接收系統4 ； 所述接收系統4包括鏡頭4. 1和圖像接收器4. 3 ；棱鏡2包括光入射面2. 1、圖像輸出面 2. 4、采集面2. 3。所述光源1為單色背光源，中心波長為0.53 μ m。棱鏡2是一個直角棱鏡，采集面2. 3為直角棱鏡的斜面；光入射面2. 1和圖像輸出面2. 4分別為直角棱鏡的兩個直角面；光入射面2. 1 (光入射面同時也是背景面)與鏡頭4. 1的光軸平行，且圖像輸出面 2. 4.與鏡頭4. 1的光軸垂直，A即為鏡頭4. 1的光軸與采集面法線L2之間的夾角。棱鏡2 材料為ZF5，它在波長為0. 53 μ m時的折射率為1. 749，手指皮膚和油脂混合介質的折射率為1. 46 μ m 1. 55 μ m ；水的折射率為1. 33 μ m,由于手在沾水后，手指皮膚上的油脂必定有一部分混合在水中，故水的折射率為變量，大致為1. 33 μ m 1. 38 μ m ；由公式(3)、(4)、(5) 可計算得到52. 1° ZA Z 56.6°，則采集面2. 3與圖像輸出面2. 4夾角可以為52. 1° 56.6°之間的任一角度值。鏡頭4. 1采用倍率為-0. 1855的雙遠心鏡頭。圖像接收器4. 3采用MT9M001型 CMOS。實施例2如圖2所示，本實用新型的浸水指掌紋采集裝置包括光源1，棱鏡2，接收系統4 ； 所述接收系統4包括鏡頭4. 1和圖像接收器4. 3 ；棱鏡2包括光入射面2. 1、背景面2. 2、圖像輸出面2. 4、采集面2. 3。所述光源1為貼片單色LED陣列，中心波長為0.53 μ m。棱鏡2 是一個將直角棱鏡的直角切掉的梯形棱鏡，光入射面2. 1為梯形棱鏡的上底面，采集面2. 3 為梯形棱鏡的斜面。背景面2. 2和圖像輸出面2. 4分別為梯形棱鏡的兩個斜面；黑色的背景面2. 2 (涂黑漆面)與鏡頭4. 1的光軸平行，圖像輸出面2. 4.與鏡頭4. 1的光軸垂直，A 即為鏡頭4. 1的光軸與采集面法線L2之間的夾角。棱鏡2材料為ZF5，它在波長為0. 53 μ m 是的折射率為1. 749，手指皮膚和油脂混合介質的折射率為1. 46 μ m 1. 55 μ m ；水的折射率大致為1. 33μπι 1. 38μπι。由公式(5)可計算得到52. 1° ZA Z 56. 6°，則采集面2. 3 與圖像輸出面2. 4夾角可以為52. 1° 56. 6°之間的任一角度值。[0039]鏡頭4. 1采用倍率為-0. 1855的雙遠心鏡頭。圖像接收器4. 3采用MT9M001型 CMOS。黑色的背景面2. 2通過采集面發生全反射，鏡頭4. 1將黑色的背景面2. 2成像于 COMS上，此時圖像顯示為黑色底面；單色光源散射，當手掌按捺采集面2. 3時，光線在掌紋與采集面2. 3接觸部分發生散射，看不到背景面2. 2的像，在屏幕上顯示為亮條紋，與黑色底面形成鮮明對比。根據全反射的原理，光線經過有水的采集面也發生全反射，由此可以避免掉水發生散射的光線與指掌紋圖像混合，解決了浸水后的手指、手掌成像模糊的問題。由于圖像接收器4. 3成黑色背景像，故光強變化不會引起黑色底面灰度的變化，可通過調節光源的亮度提高背景與指紋紋路之間的對比度。實施例3如圖3所示，棱鏡2材料為LAK8，它在波長為0. 53 μ m時的折射率為1. 72，手指皮膚和油脂混合介質的折射率為1.46μπι 1.55μπι;水的折射率大致為1.33μπι 1. 38 μ m，光源1為貼片單色LED，中心波長為0. 53 μ m ；4. 1是鏡頭，4. 3是圖像接收器，棱鏡 2是一個梯形棱鏡，光入射面2. 1是和采集面2. 3分別為梯形棱鏡的上底面和下底面，圖像輸出面2. 4和背景面2. 2分別為梯形棱鏡的兩個斜面，背景面2. 4與鏡頭4. 1的光軸平行。 A是進入鏡頭4. 1并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡2中傳播的軌跡線L1與采集面法線L2之間的夾角。采集面2. 3與圖像輸出面2. 4的夾角是63. 3度，采集面2. 3與背景面2. 2的夾角為36.7度。鏡頭4. 1是一個倍率為-0. 165的鏡頭，圖像接收器4. 1使用的是MT9M001型 CMOS。工作時，進入鏡頭并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡2中傳播的軌跡線L1與采集面法線L2之間的夾角A為57.5度，背景面2. 2經過采集面2. 3全反射后與指紋圖像同時以5. 8 度的入射角經過圖像輸出面2. 4出射，出射角為10度，然后通過鏡頭4. 1成像在圖像接收器4. 3上。實施例4如圖4所示，棱鏡2的結構與實施例5相同，鏡頭4. 1和圖像接收器4.與實施例3 也相同，只是在棱鏡2圖像輸出面2. 4與鏡頭4. 1之間的光路中加了一片反射鏡3. 1折轉光路，目的在于當鏡頭4. 1與棱鏡2之間的距離比較長的時候，可以縮小整個設備的體積。實施例5如圖5所示，棱鏡2材料為LAK8，它在波長為0. 53 μ m時的折射率為1. 72，手指皮膚和油脂混合介質的折射率為1.46μπι 1.55μπι;水的折射率大致為1.33μπι 1. 38 μ m，光源1為貼片單色LED，中心波長為0. 53 μ m ；4. 1是鏡頭，4. 3是圖像接收器。棱鏡2是一個直角梯形棱鏡，光入射面2. 1和采集面2. 3分別為直角梯形棱鏡的上底面和下底面，內反射面2. 5是直角梯形棱鏡的斜面，圖像輸出面2. 4是直角梯形棱鏡的直角面。光入射面2. 1同時也是背景面。采集面2. 3與內反射面2. 5的夾角是73. 75度，內反射面2. 5 與光入射面2. 1的夾角是106. 25度，圖像輸出面2. 4與采集面2. 3、光入射面2. 1分別垂直相交。光線L1經內反射面2. 5反射后由圖像輸出面2. 4出射，然后進入鏡頭4. 1并與鏡頭 4. 1的光軸重合，L1與采集面4. 3的法線L2之間的夾角為A。鏡頭4. 1是一個倍率為-0. 165 的鏡頭，圖像接收器4.3使用的是肌911001型01 )3。工作時，A為57. 5度，背景面(光入射面2. 1)的圖像先通過圖像輸出面2. 4全反射，然后經過采集面2. 3全反射與指紋圖像共同被內反射面2. 5反射，垂直于圖像輸出面2. 4出射，經過鏡頭4. 1成像在圖像接收器4. 3上。本實用新型即時采集即時成像，黑色背景和指紋紋路的灰度反差大，分辨率高，不僅解決了浸水后的手指、手掌成像模糊的問題，也解決了亮背景情況下散射對成像質量的影響問題。上述實施例僅僅是本實用新型優選的技術方案，并不構成對本實用新型保護范圍的限制。因而凡是在本實用新型權利要求1技術方案基礎上作出的任何簡單變形，都在本實用新型意圖保護范圍之內。
權利要求1.一種浸水指掌紋采集裝置，其特征在于包括光源(1)，棱鏡O)，接收系統(4)；所述接收系統(4)包括鏡頭(4. 1)和圖像接收器(4. 3)；棱鏡( 包括光入射面(2. 1)、圖像輸出面O. 4)、采集面(2.3)；光源(1)發出的光線通過光入射面(2. 1)進入棱鏡(2)照射在掌紋與棱鏡接觸的采集面(2. 3)發生散射，散射的部分光線通過圖像輸出面(2. 4)出射，經鏡頭(4. 1)成像在圖像接收器(4. 3)上；進入鏡頭(4. 1)并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡 (2)中傳播并與采集面(2. 3)相交的軌跡線L1,與采集面法線L2之間的夾角A大于光從玻璃介質出射到水中的臨界角B1，并且小于光從玻璃介質出射到手指皮膚和油脂混合介質的臨界角B2。
2.根據權利要求1所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述光源(1)為貼片單色 LED，其中心波長為0. 53 μ m;棱鏡(2)是一個ZF5材料的直角棱鏡，采集面(2. 3)為直角棱鏡的斜面，光入射面(2. 1)和圖像輸出面(2.4)分別為直角棱鏡的兩個直角面，且采集面 (2. 3)與圖像輸出面(2. 4)夾角為52. 1° 56. 6° ；光入射面(2. 1)與鏡頭(4. 1)光軸平行，圖像輸出面(2.4)與鏡頭(4. 1)的光軸垂直。
3.根據權利要求1所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述光源(1)為貼片單色 LED,中心波長為0. 53 μ m ；棱鏡( 是一個LAK8材料的直角梯形棱鏡，該直角梯形棱鏡包括光入射面(2. 1)、采集面(2. 3)、圖像輸出面(2. 4)和內反射面(2. 5)；光入射面(2. 1)為直角梯形棱鏡的上底面，采集面(2. 3)為直角梯形棱鏡的下底面，內反射面(2. 5)為直角梯形棱鏡的斜面，圖像輸出面(2. 4)直角梯形棱鏡的直角面；采集面(2. 3)與內反射面(2. 5) 的夾角是73. 75度；光入射面(2. 1)和采集面(2. 3)平行于鏡頭(4. 1)的光軸，圖像輸出面 (2.4)垂直于鏡頭(4. 1)的光軸。
4.根據權利要求1所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述棱鏡( 還包括背景面(2. ；背景面(2. 通過采集面(2. 全反射，再由圖像輸出面(2.4)出射，經鏡頭 (4. 1)成像在圖像接收器(4. 3)上，成為掌紋圖像的背景。
5.根據權利要求4所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述背景面(2.2)為黑色。
6.根據權利要求5所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述光源(1)為貼片單色LED，其中心波長為0. 53μπι;棱鏡( 是一個ZF5材料的將直角棱鏡的直角切掉得到的梯形棱鏡，光入射面(2. 1)為梯形棱鏡的上底面，采集面(2. 3)為梯形棱鏡的下底面，背景面(2. 2)和圖像輸出面(2.4)分別為直角棱鏡的兩個直角面，采集面(2. 3)與圖像輸出面 (2. 4)夾角為52. 1° 56. 6° ；背景面(2. 2)與鏡頭(4. 1)的光軸平行，圖像輸出面(2. 4) 與鏡頭(4. 1)的光軸垂直。
7.根據權利要求5所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述光源(1)為貼片單色 LED，中心波長為0. 53 μ m，棱鏡O)為LAK8材料的梯形棱鏡；光入射面(2. 1)為梯形棱鏡的上底面，采集面(2. 3)為梯形棱鏡的下底面，背景面(2. 2)和圖像輸出面(2. 4)分別為梯形棱鏡的兩個斜面；采集面(2. 與圖像輸出面(2.4)的夾角是63. 3度，采集面(2.3)與背景面(2. 2)的夾角為36. 7度；背景面(2. 2)平行于鏡頭(4. 1)的光軸。
8.根據權利要求1所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于所述的鏡頭(4.1)為雙遠心鏡頭。
9.根據權利要求1所述的浸水指掌紋采集裝置，其特征在于還包括折返光路；由圖像輸出面(2.4)出射的光線經折返光路折返后，入射到接收系統G)。
專利摘要本實用新型涉及一種浸水指掌紋采集裝置，該裝置包括光源，棱鏡，接收系統；所述接收系統包括鏡頭和圖像接收器；棱鏡包括光入射面、圖像輸出面、采集面；光源發出的光線通過光入射面進入棱鏡照射在掌紋與棱鏡接觸的采集面發生散射，散射的部分光線通過圖像輸出面出射，經鏡頭成像在圖像接收器上；進入鏡頭并與鏡頭光軸重合的光線在棱鏡中傳播并與采集面相交的軌跡線L1，與采集面法線L2之間的夾角A大于光從玻璃介質出射到水中的臨界角B1，并且小于光從玻璃介質出射到手指皮膚和油脂混合介質的臨界角B2。本實用新型在不造成圖像細節損失的前提下，有效地解決了在非常濕潤、浸水的情況下手指、手掌成像模糊的問題。
文檔編號G06K9/00GK202306586SQ201120425388
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者王堯, 韓正臣, 黃瑋 申請人:長春方圓光電技術有限責任公司