專利名稱：用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)的制作方法
用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于精密光學儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高精度活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于光學成像原理的光學指紋采集儀在當今指紋識別系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它利用光的全反射定律將指紋凹凸不齊的紋理成像為明暗相間的條紋，如中國專利公報公開的“一種活體指掌紋采集方法及裝置”(申請?zhí)?00510109314. 6，
公開日2007. 04. 18)；然而，一些利用導電硅膠等其他材質(zhì)制作的假指紋的出現(xiàn)，使指紋識別系統(tǒng)可靠性大大降低，其方法是分析用戶的手指指紋紋理仿制出一個相同的假指紋；上述指紋采集儀不能將活體指紋與仿制指紋膜分辨開來，兩者成像相同，如果不法分子仿制他人指模進行違法犯罪活動，將會給受害人帶來不可估量的損失。為了避免假指紋的泛濫，目前已出現(xiàn)增加電容式檢測模塊進行活體指紋識別的系統(tǒng)，通過檢測手指與感應(yīng)電極形成電容量識別活體手指。
中國專利公報公開了“一種能夠識別活體手指的光學指紋采集儀”(申請?zhí)?201010273584. 1，
公開日2011. 01. 09)。該采集儀由指紋采集模塊和活體手指檢測模塊組成；其中活體手指檢測模塊通過檢測手指與感應(yīng)電極形成的電容量來識別活體手指。這種采集儀具有一定的缺陷和不足其一；單純電容式檢測模塊受溫度、濕度、環(huán)境電場影響較大，從而產(chǎn)生誤動作影響活體手指識別的能力，其二 ；在一定條件下利用類似導電硅膠材料做出的假指紋也同樣可以得到指紋系統(tǒng)的識別，同樣也不具備高精度活體指紋識別的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠精確識別活體指紋的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)包括指紋采集模塊和活體手指檢測模塊；所述指紋采集模塊包括棱鏡、光源、鏡頭、圖像傳感器、圖像存儲與處理裝置；活體手指檢測模塊包括感應(yīng)端、頻率發(fā)生裝置和頻率接收檢測裝置； 感應(yīng)端由粘接于棱鏡采集面上的矩陣式網(wǎng)狀導電層和附著在矩陣式網(wǎng)狀導電層表面的透明絕緣層構(gòu)成；當被測物接觸透明絕緣層時，被測物表面與矩陣式網(wǎng)狀導電層之間形成耦合電容C，該耦合電容C與頻率發(fā)生裝置共同作用使頻率發(fā)生裝置輸出周期信號；頻率接收檢測裝置接收該周期信號并檢測其頻率F，若F與頻率接收檢測裝置內(nèi)部預(yù)設(shè)的基準頻率 FO'匹配，則頻率接收檢測裝置向圖像存儲與處理裝置輸出控制信號，使指紋采集模塊處于工作狀態(tài)；若F與F0’不匹配，則指紋采集模塊處于非工作狀態(tài)。
當活體手指接觸透明絕緣層時，手指會吸收矩陣式網(wǎng)狀導電層網(wǎng)狀矩陣各交點處的部分電流，使得矩陣點之間密度增大，手指表面與感應(yīng)端之間形成一個耦合電容C;使頻率發(fā)生裝置2. 2產(chǎn)生諧振，諧振頻率FO與頻率接收檢測裝置內(nèi)部預(yù)設(shè)的基準頻率F0’匹配。此時，頻率接收檢測裝置向圖像存儲與處理裝置輸出控制信號，允許系統(tǒng)通過指紋采集模塊進行指紋采集工作。當其他被測物接觸透明絕緣層時，由于矩陣式網(wǎng)狀導電層的交點密度與活體手指直接接觸感應(yīng)端時不同，所吸收的電流和產(chǎn)生的電容C會存在差異性的變化，與頻率發(fā)生裝置組合后，頻率發(fā)生裝置產(chǎn)生的周期信號的頻率F與F0’不匹配，故不會被頻率接收檢測裝置所識別，此時指紋采集模塊處于非工作狀態(tài)。
單一電容式活體手指識別系統(tǒng)，通過在一定條件下利用類似導電硅膠材料做出的假指紋的方法同樣可以得到指紋系統(tǒng)的識別，存在一定弊端；本發(fā)明采用電容與電感共同作用識別活體手指，能夠識別以上作假方式，同時可完全避免由人體或環(huán)境因素差異引起的誤動作，具備精確的活體識別能力。


圖1是本發(fā)明的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a、2b、2c、2d是頻率發(fā)生裝置的電路圖。
圖3是活體指紋與假指紋識別的頻率曲線圖。
圖4是活體手指觸摸感應(yīng)端時感應(yīng)端矩陣式網(wǎng)狀導電層的形態(tài)示意圖。
圖5是利用導電硅膠假指紋套觸摸感應(yīng)端時感應(yīng)端矩陣式網(wǎng)狀導電層的形態(tài)示意圖。
圖6是其他導電物體觸摸感應(yīng)端時感應(yīng)端矩陣式網(wǎng)狀導電層的形態(tài)示意圖。
圖7是無任何物體觸摸感應(yīng)端時感應(yīng)端矩陣式網(wǎng)狀導電層的形態(tài)示意圖。
圖8是矩陣式網(wǎng)狀導電層矩陣面示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)包括指紋采集模塊和活體手指檢測模塊；所述指紋采集模塊包括棱鏡1. 1、光源1. 2、鏡頭1. 3、圖像傳感器 1. 4、圖像存儲與處理裝置1. 5 ；所述活體手指檢測模塊包括感應(yīng)端2. 1、頻率發(fā)生裝置2. 2 和頻率接收檢測裝置2.3。
所述棱鏡1. 1，材料為K9玻璃，包括一光入射面、一圖像采集面1. 11及一圖像輸出面；所述光源1. 2與采集棱鏡1. 1的光入射面緊鄰，且與主控板相連接；圖像傳感器1. 4通過主控板與圖像存儲與處理裝置1. 5相連接，為CMOS傳感器或CXD傳感器；現(xiàn)有技術(shù)的指紋儀中，圖像存儲與處理裝置一般采用FPGA、DSP、RAM、USB等芯片來處理圖像數(shù)據(jù)。
所述圖像存儲與處理裝置1. 5、頻率發(fā)生裝置2. 2及頻率接收檢測裝置2. 3包含于一塊主控板內(nèi)。
所述感應(yīng)端2. 1包括透明的矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13和透明絕緣層2. 12 ；矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13與棱鏡1. 1的采集面1. 11通過光學膠嚴密膠粘；矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13 與棱鏡的折射率大致相等；透明絕緣層2. 12附著在矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13上表面，與棱鏡材料相同，為Imm厚K9保護玻璃，工作時與手指接觸；矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13通過主控板與頻率發(fā)生裝置2. 2相連接。
所述矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13與手機矩陣式觸摸屏結(jié)構(gòu)類似，也可以采用參數(shù)相符的手機矩陣式觸摸屏作為所述矩陣式網(wǎng)狀導電層。
所述頻率發(fā)生裝置2. 2為LC諧振電路，所述矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的引線連接到LC諧振電路中電容與電感的調(diào)節(jié)端。LC諧振電路的輸出連接到頻率接收檢測裝置2. 3。
頻率發(fā)生裝置2. 2可以采用如圖加所示的電路結(jié)構(gòu)，由電容C11和電感L11構(gòu)成， 矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的引線連接到電容C11和電感L11的調(diào)節(jié)端。諧振電路的輸出Uf連接到頻率接收檢測裝置2. 3的模擬輸入，或通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到頻率接收檢測裝置 2. 3的數(shù)字輸入。
頻率發(fā)生裝置2. 2可以采用如圖2b所示的電路結(jié)構(gòu)，由電容C21和電感L21構(gòu)成， 矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的引線連接到電容C21和電感L21的調(diào)節(jié)端。諧振電路的輸出Uf連接到頻率接收檢測裝置2. 3的輸入，或通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到頻率接收檢測裝置2. 3 的數(shù)字輸入。
頻率發(fā)生裝置2. 2可以采用如圖2C所示的電路結(jié)構(gòu)，由電容C31、電感L21和電感 ‘構(gòu)成，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的引線連接到電容Q1和電感L32的調(diào)節(jié)端。諧振電路的輸出Uf連接到頻率接收檢測裝置2. 3的輸入，或通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到頻率接收檢測裝置2. 3的數(shù)字輸入。
頻率發(fā)生裝置2. 2可以采用如圖2d所示的電路結(jié)構(gòu)，由電容C41、C42及電感L41構(gòu)成，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的引線連接到電容C42和電感L41的調(diào)節(jié)端。諧振電路的輸出 Uf連接到頻率接收檢測裝置2. 3的輸入，或通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到頻率接收檢測裝置 2. 3的數(shù)字輸入。
頻率接收檢測裝置2. 3可以采用單片機、FPGA或DDS等電路。
頻率接收檢測裝置2. 3通過主控板連接到圖像存儲與處理裝置1. 5的USB 口。
具體工作原理當活體手指接觸感應(yīng)端2. 1時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度增大并形成一定值的耦合電容C，該耦合電容C與頻率發(fā)生裝置2. 2組合產(chǎn)生了諧振，諧振頻率為FO ；頻率接收檢測裝置2. 3檢測到F0，-3KHz ^ FO ^ +3KHz，則發(fā)出指令使指紋采集模塊開始工作。當戴有假指紋的手指按壓在采集面1. 11上時，因為假指紋使得活體手指與矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13之間的距離增加，且矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度增幅比活體手指直接接觸感應(yīng)端2. 1時要小，所產(chǎn)生的耦合電容c與頻率發(fā)生裝置2. 2組合，使頻率發(fā)生裝置2. 2輸出周期信號，該周期信號頻率為F，F(xiàn) < FO' -3KHz或？ > FO' +3KHz, 則頻率接收檢測裝置2. 3認為不屬于活體指紋，便不發(fā)送控制信號，此時光學指紋采集模塊處于非工作狀態(tài)。
對于單一電容式活體手指識別系統(tǒng)，在一定條件下利用類似導電硅膠材料做出的假指紋，系統(tǒng)無法分別該假指紋與活體指紋間的區(qū)別，存在一定弊端。本發(fā)明采用電容與電感共同作用識別活體手指，能夠識別以上作假方式，更加精確。因此，基于電感與電容復(fù)合式傳感器對活體手指進行判定是一種更加安全可靠的檢測手段。
電容C與電感L組合時產(chǎn)生的諧振頻率F為
F = 1/(2X3. 14(LXC) "0. 5)
由上述公式可知，諧振頻率F范圍由電容C和電感L所界定，當電容C與電感L組合相當時會產(chǎn)生一個特定的諧振頻率F。所產(chǎn)生的頻率信號被頻率接收檢測裝置2. 3所接收并分析，得到正確的頻率信號后則被頻率接收檢測裝置2. 3識別為純活體手指。
無觸摸時，耦合電容C的值處在原始狀態(tài)，與頻率發(fā)生裝置2. 2組合后不產(chǎn)生與基準頻率F0’相匹配的諧振頻率F0，故也不會被頻率接收檢測裝置2. 3所識別。利用其他物體觸摸感應(yīng)端或?qū)щ姽枘z假指紋觸摸感應(yīng)端上絕緣層時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度與活體手指直接接觸感應(yīng)端2. 1時不同，且所吸收的電流和產(chǎn)生的電容C會存在差異性的變化，與頻率發(fā)生裝置2. 2組合后也同樣不會產(chǎn)生與基準頻率F0’相匹配的諧振頻率 F0，故也不會被頻率接收檢測裝置2. 3所識別。
矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13矩陣點面積S與矩陣點密度P、導電層與絕緣層之間的厚度δ產(chǎn)生的耦合電容C為
C = SX P / δ
由上述公式可知，耦合電容C的大小由矩陣點面積S、矩陣點密度P和導電層與絕緣層之間的厚度δ所界定。當純活體手指觸摸感應(yīng)端2.1時，手指將矩陣式網(wǎng)狀導電層 2. 13矩陣點之間的密度增大，此時產(chǎn)生了一個一定值的耦合電容C。當無任何導電體觸摸感應(yīng)端2. 1時，即不產(chǎn)生電容。當利用其他物體或?qū)щ姽枘z假指紋觸摸感應(yīng)端2. 1時，將產(chǎn)生一個與電感L不匹配的電容Ccl。
電容Ccl與電感L組合時產(chǎn)生的諧振頻率Fl為
Fl = 1/(2X3. H(LXCcl) "0. 5)
由上述公式可知，諧振頻率Fl不在規(guī)定的頻率內(nèi)，且不被頻率接收檢測裝置2. 3 所識別。由于頻率發(fā)生裝置2. 2設(shè)定為需接收到符合活體響應(yīng)的諧振頻率F才能發(fā)出信號被頻率接收檢測裝置2. 3識別，活體手指與假手指觸摸矩陣感應(yīng)端時存在密度與距離的差異，所產(chǎn)生的電容不同其頻率也就不同。
詳細解析如圖3 7所示，當純活體手指觸摸感應(yīng)端時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13 的交點密度增大如圖4所示，諧振電容值為CcO，諧振頻率為F0，被頻率接收檢測裝置2. 3 識別為活體指紋。公式如下
FO = 1/(2X3. 14(LXCcO) "0. 5)
當利用導電硅膠制作的假指紋觸摸感應(yīng)端2. 1時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度增幅比活體手指直接接觸感應(yīng)端2. 1時要小如圖5所示，諧振電容值為Ccl，頻率發(fā)生裝置2. 2輸出的信號頻率為F1，被頻率接收檢測裝置2. 3識別為假指紋。公式如下
Fl = 1/(2X3. H(LXCcl) "0. 5)
當利用其他導電物體觸摸感應(yīng)端時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度不變(如圖6所示)，諧振電容值為Cc2，頻率發(fā)生裝置2. 2輸出的諧振頻率為F2，被頻率接收檢測裝置2. 3識別為假指紋或不識別。公式如下
F2 = 1/(2X3. 14(LXCc2) "0. 5)
當無任何物體觸摸感應(yīng)端時，矩陣式網(wǎng)狀導電層2. 13的交點密度不變(如圖7所示)，諧振電容值為Cc3其諧振頻率為F3，不被主控板所識別。公式如下
F3 = 1/(2X3. 14(LXCc3) "0. 5)
綜上所述利用電感與電容復(fù)合式矩陣式網(wǎng)狀導電層多點檢測的方式，可使每個人的活體手指與感應(yīng)端之間都能產(chǎn)生同樣大小的耦合電容，如圖3所示，矩陣點與矩陣點之間的距離在l_5mm之間，絕緣層厚度范圍在0. 5_3mm，此方法可完全避免由人體或環(huán)境因素差異引起的誤動作，同樣也具備了精確活體的識別能力，彌補了單一電容式活體檢測指紋儀的缺陷。
本發(fā)明是基于電感與電容復(fù)合式多點感測技術(shù)來實現(xiàn)活體識別，所述的諧振頻率變化及其他參數(shù)是可以進行靈活調(diào)整的，以便于相互匹配并達到精確識別活體指紋進行光學指紋采集的要求。
本發(fā)明基于電感與電容復(fù)合式多點感測技術(shù)來實現(xiàn)活體識別工作時導電的手指與絕緣體層上表面接觸，矩陣式網(wǎng)狀導電層與絕緣層下表面接觸，三者形成具有一定大小的耦合電容。耦合電容與頻率發(fā)生裝置內(nèi)部的電感共同作用產(chǎn)生諧振，最后通過頻率接收檢測裝置識別活體手指。由于生物體是導電體，手指觸摸感應(yīng)端時會吸收部分電流并產(chǎn)生一定值的耦合電容，同時耦合電容與頻率發(fā)生裝置共同作用產(chǎn)生諧振；不同介質(zhì)觸摸感應(yīng)端時產(chǎn)生的電容大小與諧振頻率各不相同。
本發(fā)明在不脫離權(quán)利要求書確定的精神和范圍的條件下，還可以對以上內(nèi)容進行各種各樣的修改。因此本發(fā)明的范圍并不僅限于以上的說明，而是由權(quán)利要求書的范圍來確定的。
權(quán)利要求
1.一種用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，包括指紋采集模塊和活體手指檢測模塊；所述指紋采集模塊包括棱鏡(1. 1)、光源(1. 2)、鏡頭(1. 3)、圖像傳感器(1. 4)、圖像存儲與處理裝置(1. ；其特征在于活體手指檢測模塊包括感應(yīng)端(2. 1)、頻率發(fā)生裝置 (2. 2)和頻率接收檢測裝置(2. 3)；感應(yīng)端(2. 1)由粘接于棱鏡采集面(1. 11)上的矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)和附著在矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)表面的透明絕緣層(2. 12)構(gòu)成；當被測物接觸透明絕緣層(2. 12時，被測物表面與矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)之間形成耦合電容C，該耦合電容C與頻率發(fā)生裝置(2. 2)共同作用使頻率發(fā)生裝置(2. 2)輸出周期信號； 頻率接收檢測裝置(2. 3)接收該周期信號并檢測其頻率F，若F與頻率接收檢測裝置(2. 3) 內(nèi)部預(yù)設(shè)的基準頻率F0’匹配，則頻率接收檢測裝置0.3)向圖像存儲與處理裝置(1.5) 輸出控制信號，使指紋采集模塊處于工作狀態(tài)；若F與F0’不匹配，則指紋采集模塊處于非工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，其特征在于所述矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)與棱鏡(1. 1)的折射率相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，其特征在于所述透明絕緣層(2. 12)材料為K9玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，其特征在于所述頻率發(fā)生裝置(2. 2)為LC諧振電路，矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)的引線連接到LC諧振電路中電容與電感的調(diào)節(jié)端；LC諧振電路的輸出連接到頻率接收檢測裝置(2. 3)的模擬輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，其特征在于所述頻率發(fā)生裝置(2. 2)為LC諧振電路，矩陣式網(wǎng)狀導電層(2. 13)的引線連接到LC諧振電路中電容與電感的調(diào)節(jié)端；LC諧振電路的輸出通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到頻率接收檢測裝置(2. 的數(shù)字輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于活體手指識別的光學指紋采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的活體手指檢測模塊包括感應(yīng)端、頻率發(fā)生裝置和頻率接收檢測裝置；感應(yīng)端由粘接于棱鏡采集面上的矩陣式網(wǎng)狀導電層和附著在矩陣式網(wǎng)狀導電層表面的透明絕緣層構(gòu)成；當被測物接觸透明絕緣層時，被測物表面與矩陣式網(wǎng)狀導電層之間形成的耦合電容與頻率發(fā)生裝置共同作用使頻率發(fā)生裝置輸出周期信號；若該周期信號的頻率F與頻率接收檢測裝置內(nèi)部預(yù)設(shè)的基準頻率F0’匹配，則頻率接收檢測裝置輸出控制信號使指紋采集模塊處于工作狀態(tài)；若F與F0’不匹配，則指紋采集模塊處于非工作狀態(tài)。本發(fā)明能夠識別作假方式，同時可避免由人體或環(huán)境因素差異引起的誤動作，具備精確的活體識別能力。
文檔編號G01R27/26GK102496014SQ20111040135
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉健飛, 閆天財, 韓正臣, 黃瑋 申請人:長春方圓光電技術(shù)有限責任公司