可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪

摘要

本发明涉及一种可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪，该指掌纹仪包括光源，棱镜，接收系统；所述接收系统包括镜头和图像接收器；棱镜包括光入射面、图像输出面、采集面；光源发出的光线通过光入射面进入棱镜照射在掌纹与棱镜接触的采集面发生散射，散射的部分光线通过图像输出面出射，经镜头成像在图像接收器上；进入镜头并与镜头光轴重合的光线在棱镜中传播并与采集面相交的轨迹线L

说明书

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种指掌纹采集仪，特别涉及一种可 用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪。

背景技术

人的指掌纹质量和采集环境对指掌纹仪的采集工作均有很大的影响，例如 干手指、湿手指、脏手等情况。潮湿、阴冷的采集环境，都对指掌纹采集技术 做出了很高的要求，特别是在某些特殊的环境下，采集指掌纹时，经常要面对 刚刚洗过的或者被水淋过的手指进行采集，在这种情况下指掌纹仪采集的图像 通常是模糊的，纹路对比度很差。

现在也有一些方法来解决浸水手指指掌纹图像模糊、纹路对比度差的问题， 如降低照明亮度和通过电子学图像处理增强对比度的方法。但是这两种方法只 能缓解纹路对比度差的问题，都无法从根本上解决问题，特别是使用电子学图 像处理来增强对比的方法会造成图像的细节损失，从而降低了指掌纹仪的分辨 率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在不影响分辨率的前提下提高浸水指 掌纹图像采集清晰度的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪。

为了解决上述技术问题，本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪包括 光源，棱镜，接收系统；所述接收系统包括镜头和图像接收器；棱镜包括光入 射面、图像输出面、采集面；光源发出的光线通过光入射面进入棱镜照射在掌 纹与棱镜接触的采集面发生散射，散射的部分光线通过图像输出面出射，经镜 头成像在图像接收器上；进入镜头并与镜头光轴重合的光线在棱镜中传播并与 采集面相交的轨迹线L₁，与采集面法线L₂之间的夹角A大于光从玻璃介质出射 到水中的临界角B₁，并且小于光从玻璃介质出射到手指皮肤和油脂混合介质的 临界角B₂。

本发明由于进入镜头并与镜头光轴重合的光线在棱镜中传播并与采集面相 交的轨迹线L₁，与采集面法线L₂之间的夹角A大于光从玻璃介质出射到水中的 临界角B₁，并且小于光从玻璃介质出射到手指皮肤和油脂混合介质的临界角B₂， 根据全反射的原理，光线经过有水的采集面发生全反射，由此可以避免掉水发 生散射的光线与指掌纹图像混合；在不造成图像细节损失，从而降低指掌纹仪 分辨率的前提下，有效地解决了在非常湿润、浸水的情况下手指、手掌成像模 糊的问题。

所述光源为贴片单色LED，其中心波长为0.53μm；棱镜是一个ZF5材料的 直角棱镜，采集面为直角棱镜的斜面，光入射面和图像输出面分别为直角棱镜 的两个直角面，且采集面与图像输出面夹角为52.1°～56.6°；光入射面与镜 头的光轴平行，图像输出面与镜头的光轴垂直。

所述光源为贴片单色LED，中心波长为0.53μm；棱镜是一个LAK8材料的 直角梯形棱镜，该直角梯形棱镜包括光入射面、采集面、图像输出面和内反射 面；光入射面为直角梯形棱镜的上底面，采集面为直角梯形棱镜的下底面，内 反射面为直角梯形棱镜的斜面，图像输出面直角梯形棱镜的直角面；采集面与 内反射面的夹角是73.75度；光入射面和采集面平行于镜头的光轴，图像输出面 垂直于镜头的光轴。

本发明还包括背景面；背景面通过采集面全反射，再由图像输出面出射， 经镜头成像在图像接收器上，成为掌纹图像的背景。

所述背景面为黑色。

本发明在棱镜上增加了一个黑色背景面，背景与掌纹共同构成一幅黑色背 景、白色掌纹纹路的掌纹图像。由于背景面是黑色，能够起到消光作用，其成 像的灰度是不变的，而掌纹纹路的散射光能量会随着光源的亮度提高而增大， 因而通过调整光源的亮度可以使掌纹纹路成像的灰度变高，能够有效提高掌纹 图像的对比度。对于输出一个8位的BMP图像来说，图像灰度等级为256级， 黑色背景的灰度可以无限接近于0，而掌纹纹路图像可以无限接近255，因此理 论上对比度可以做到无穷大，但是一般背景灰度可以调节到1～5，而掌纹纹路灰 度调节到250～255，所以背景和指纹纹路的反差很容易做到1∶50。

所述光源为贴片单色LED，其中心波长为0.53μm；棱镜是一个ZF5材料的 将直角棱镜的直角切掉得到的梯形棱镜，光入射面为梯形棱镜的上底面，采集 面为梯形棱镜的下底面，背景面和图像输出面分别为直角棱镜的两个直角面， 采集面与图像输出面夹角为52.1°～56.6°；背景面与镜头的光轴平行，图像输 出面与镜头的光轴垂直。

所述光源为贴片单色LED，中心波长为0.53μm，棱镜为LAK8材料的梯形 棱镜；光入射面为梯形棱镜的上底面，采集面为梯形棱镜的下底面，背景面和 图像输出面分别为梯形棱镜的两个斜面；采集面与图像输出面的夹角是63.3度， 采集面与背景面的夹角为36.7度；背景面平行于镜头的光轴。

所述的镜头为双远心镜头。

由于接收系统采用双远心镜头，图像输出面出射的光线经镜头变为平行光， 不仅可以有效矫正光学系统中倾斜物面成像的梯形投影畸变，而且能够保证采 集面各个位置都能有效的进行浸水手指指纹图像采集。

本发明还可以包括折返光路；由图像输出面出射的光线经折返光路折返后， 入射到接收系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪实施例1结构示意图。

图2是本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪实施例2结构示意图。

图3是本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪实施例3结构示意图。

图4是本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪实施例4结构示意图。

图5是本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪实施例5结构示意图。

具体实施方式

根据全反射定律：

sin(I)*n＝sin(I’)*n’       (1)

I为入射角，n为入射方向介质折射率，I’为折射角，n’为折射方向介质折射率。 当发生全反射的时候，I’＝90，则

临界角I＝arcsin(n’/n).      (2)

根据临界角公式(2)可得到光从玻璃介质出射到水中的临界角B₁和光从玻璃 介质出射到手指皮肤和油脂混合介质的临界角B₂：

B₁＝arcsin(n_水/n_棱镜)    (3)

B₂＝arcsin(n_手指/n_棱镜)  (4)

n_水为水的折射率；n_棱镜为棱镜的折射率；n_手指为手指皮肤、优质混合物的的 折射率。

为了指掌纹仪在采集指掌纹的时候能够屏蔽掉水，而又使人的手指能够成 像，本发明镜头与棱镜之间的结构关系满足式(5)：

B₁＜A＜B₂    (5)

其中A为进入镜头并与镜头光轴重合的光线在棱镜中传播并与采集面相交 的轨迹线L₁，与采集面法线L₂之间的夹角。

实施例1

如图1所示，本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪包括光源1，棱镜 2，接收系统4；所述接收系统4包括镜头4.1和图像接收器4.3；棱镜2包括 光入射面2.1、图像输出面2.4、采集面2.3。所述光源1为单色背光源，中心波 长为0.53μm。棱镜2是一个直角棱镜，采集面2.3为直角棱镜的斜面；光入射 面2.1和图像输出面2.4分别为直角棱镜的两个直角面；光入射面2.1(光入射 面同时也是背景面)与镜头4.1的光轴平行，且图像输出面2.4.与镜头4.1的光 轴垂直，A即为镜头4.1的光轴与采集面法线L₂之间的夹角。棱镜2材料为ZF5， 它在波长为0.53μm时的折射率为1.749，手指皮肤和油脂混合介质的折射率为 1.46μm～1.55μm；水的折射率为1.33μm，由于手在沾水后，手指皮肤上的油 脂必定有一部分混合在水中，故水的折射率为变量，大致为1.33μm～1.38μm； 由公式(3)、(4)、(5)可计算得到52.1°∠A∠56.6°，则采集面2.3与图像输 出面2.4夹角可以为52.1°～56.6°之间的任一角度值。

镜头4.1采用倍率为-0.1855的双远心镜头。图像接收器4.3采用MT9M001 型CMOS。

实施例2

如图2所示，本发明的可用于浸水指掌纹采集的指掌纹仪包括光源1，棱镜 2，接收系统4；所述接收系统4包括镜头4.1和图像接收器4.3；棱镜2包括 光入射面2.1、背景面2.2、图像输出面2.4、采集面2.3。所述光源1为贴片单 色LED阵列，中心波长为0.53μm。棱镜2是一个将直角棱镜的直角切掉的梯 形棱镜，光入射面2.1为梯形棱镜的上底面，采集面2.3为梯形棱镜的斜面。背 景面2.2和图像输出面2.4分别为梯形棱镜的两个斜面；黑色的背景面2.2(涂 黑漆面)与镜头4.1的光轴平行，图像输出面2.4.与镜头4.1的光轴垂直，A即 为镜头4.1的光轴与采集面法线L₂之间的夹角。棱镜2材料为ZF5，它在波长为 0.53μm是的折射率为1.749，手指皮肤和油脂混合介质的折射率为1.46μ m～1.55μm；水的折射率大致为1.33μm～1.38μm。由公式(5)可计算得到52.1 °∠A∠56.6°，则采集面2.3与图像输出面2.4夹角可以为52.1°～56.6°之 间的任一角度值。

镜头4.1采用倍率为-0.1855的双远心镜头。图像接收器4.3采用MT9M001 型CMOS。

黑色的背景面2.2通过采集面发生全反射，镜头4.1将黑色的背景面2.2成 像于COMS上，此时图像显示为黑色底面；单色光源散射，当手掌按捺采集面 2.3时，光线在掌纹与采集面2.3接触部分发生散射，看不到背景面2.2的像， 在屏幕上显示为亮条纹，与黑色底面形成鲜明对比。根据全反射的原理，光线 经过有水的采集面也发生全反射，由此可以避免掉水发生散射的光线与指掌纹 图像混合，解决了浸水后的手指、手掌成像模糊的问题。由于图像接收器4.3成 黑色背景像，故光强变化不会引起黑色底面灰度的变化，可通过调节光源的亮 度提高背景与指纹纹路之间的对比度。

实施例3

如图3所示，棱镜2材料为LAK8，它在波长为0.53μm时的折射率为1.72， 手指皮肤和油脂混合介质的折射率为1.46μm～1.55μm；水的折射率大致为1.33 μm～1.38μm，光源1为贴片单色LED，中心波长为0.53μm；4.1是镜头，4.3 是图像接收器，棱镜2是一个梯形棱镜，光入射面2.1是和采集面2.3分别为梯 形棱镜的上底面和下底面，图像输出面2.4和背景面2.2分别为梯形棱镜的两个 斜面，背景面2.4与镜头4.1的光轴平行。A是进入镜头4.1并与镜头光轴重合 的光线在棱镜2中传播的轨迹线L₁与采集面法线L₂之间的夹角。采集面2.3与 图像输出面2.4的夹角是63.3度，采集面2.3与背景面2.2的夹角为36.7度。镜 头4.1是一个倍率为-0.165的镜头，图像接收器4.1使用的是MT9M001型CMOS。 工作时，进入镜头并与镜头光轴重合的光线在棱镜2中传播的轨迹线L₁与采集 面法线L₂之间的夹角A为57.5度，背景面2.2经过采集面2.3全反射后与指纹 图像同时以5.8度的入射角经过图像输出面2.4出射，出射角为10度，然后通 过镜头4.1成像在图像接收器4.3上。

实施例4

如图4所示，棱镜2的结构与实施例5相同，镜头4.1和图像接收器4.与实 施例3也相同，只是在棱镜2图像输出面2.4与镜头4.1之间的光路中加了一片 反射镜3.1折转光路，目的在于当镜头4.1与棱镜2之间的距离比较长的时候， 可以缩小整个设备的体积。

实施例5

如图5所示，棱镜2材料为LAK8，它在波长为0.53μm时的折射率为1.72， 手指皮肤和油脂混合介质的折射率为1.46μm～1.55μm；水的折射率大致为1.33 μm～1.38μm，光源1为贴片单色LED，中心波长为0.53μm；4.1是镜头，4.3 是图像接收器。棱镜2是一个直角梯形棱镜，光入射面2.1和采集面2.3分别为 直角梯形棱镜的上底面和下底面，内反射面2.5是直角梯形棱镜的斜面，图像输 出面2.4是直角梯形棱镜的直角面。光入射面2.1同时也是背景面。采集面2.3 与内反射面2.5的夹角是73.75度，内反射面2.5与光入射面2.1的夹角是106.25 度，图像输出面2.4与采集面2.3、光入射面2.1分别垂直相交。光线L₁经内反 射面2.5反射后由图像输出面2.4出射，然后进入镜头4.1并与镜头4.1的光轴 重合，L₁与采集面4.3的法线L₂之间的夹角为A。镜头4.1是一个倍率为-0.165 的镜头，图像接收器4.3使用的是MT9M001型CMOS。工作时，A为57.5度， 背景面(光入射面2.1)的图像先通过图像输出面2.4全反射，然后经过采集面 2.3全反射与指纹图像共同被内反射面2.5反射，垂直于图像输出面2.4出射， 经过镜头4.1成像在图像接收器4.3上。

本发明即时采集即时成像，黑色背景和指纹纹路的灰度反差大，分辨率高， 不仅解决了浸水后的手指、手掌成像模糊的问题，也解决了亮背景情况下散射 对成像质量的影响问题。

上述实施例仅仅是本发明优选的技术方案，并不构成对本发明保护范围的 限制。因而凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形，都 在本发明意图保护范围之内。