本發(fā)明涉及一種指紋采集技術(shù)，特別涉及一種指紋識(shí)別系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

指紋識(shí)別技術(shù)在生物識(shí)別領(lǐng)域占有重要的優(yōu)勢(shì)地位，這是因?yàn)橹讣y具有唯一性、穩(wěn)定性、可靠性、易采集且成本低等特點(diǎn)。目前，二維或者表皮指紋識(shí)別是當(dāng)今最為普遍的身份識(shí)別技術(shù)，但是有兩個(gè)主要缺陷：（1）10%左右的人的表皮指紋由于缺損無(wú)法識(shí)別；（2）二維指紋容易仿造，給現(xiàn)有的指紋識(shí)別系統(tǒng)帶來(lái)種種問(wèn)題。目前，還出現(xiàn)了三維指紋識(shí)別方法，三維指紋識(shí)別旨在通過(guò)對(duì)手指表皮下的真皮層指紋識(shí)別實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的身份識(shí)別。因真皮層指紋不存在上述表皮指紋的缺損和無(wú)法識(shí)別問(wèn)題，而且很難仿造。

而光學(xué)相干層析成像（OCT）是三維指紋識(shí)別的首選技術(shù)。OCT是一種新興的光學(xué)成像技術(shù)。它以非侵入性的方式、極高的速度形成高分辨率的生物組織剖面圖。這種技術(shù)自1991年問(wèn)世以來(lái)，為臨床診斷及醫(yī)療研究帶來(lái)了顯著的影響。一個(gè)典型的頻域OCT（Spectral domain OCT,SD-OCT）設(shè)備包括以下組成部分（參見(jiàn)圖1所示）：寬帶光源110；分光器件140；參考臂150；光譜儀170；樣品臂190。OCT通常有4個(gè)接口，分別連接寬帶光源110、參考臂150、光譜儀170、樣品臂190四個(gè)部分。寬帶光源110提供照明光；照明光被分光器件140分成兩個(gè)部分，一部分到達(dá)樣品臂190，另一部分到達(dá)參考臂150。到達(dá)樣品臂190的光被樣品背向散射后沿原路返回分光器件140；同樣，到達(dá)參考臂150的光經(jīng)過(guò)參考反射鏡反射后按原路返回分光器件140。回到分光器件140的兩束光在分光器件140上合束并發(fā)生干涉。分光器件140將干涉光束分成兩部分，其中一部分干涉光到達(dá)光譜儀170，光譜儀170接接收到干涉光后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。計(jì)算機(jī)（圖中未視出）從光譜儀170讀取包含光譜干涉信號(hào)的光譜儀輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)光譜域線性校正和反傅立葉變化后得到樣品的斷面圖像。

現(xiàn)有OCT設(shè)備造價(jià)昂貴（約合60-80萬(wàn)人名幣/臺(tái)），個(gè)人無(wú)法承擔(dān)設(shè)備費(fèi)用，嚴(yán)重阻礙了這種有效指紋識(shí)別技術(shù)的普及。在所有組件當(dāng)中，光源、光譜儀和圖像處理器最為昂貴；其余組件均可找到廉價(jià)的替代品。所以，降低OCT設(shè)備的關(guān)鍵在于用發(fā)明廉價(jià)的光源、光譜儀和圖像處理器。目前，已有OTC設(shè)備采取措施以降低OCT設(shè)備的成本。如一種便攜式光學(xué)相干層析成像儀（申請(qǐng)?zhí)?01510509005.1），采用了廉價(jià)的LED代替OCT光源、用手機(jī)照相機(jī)代替OCT光譜儀、用手機(jī)處理器代替OCT圖像處理器，從而實(shí)現(xiàn)低成本。然而，現(xiàn)有的線場(chǎng)OCT技術(shù)只能提供直線型的照明，在采集指紋的時(shí)候無(wú)法一次性有效采集拇指左右兩側(cè)有弧度的部分。為了采集兩側(cè)有弧度部分皮膚的指紋，手指必須在指紋采集平面上左右滾動(dòng)，非常的不方便，也影響采集準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉，采集方便且采集準(zhǔn)確度高的一種指紋識(shí)別系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種指紋識(shí)別系統(tǒng)，建立直角坐標(biāo)系，以平行于紙面為X軸、垂直于紙面為Y軸，光的傳播方向?yàn)閆軸，所述識(shí)別系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的LED光源、柱狀透鏡、狹縫、透鏡組及指紋采集板，其中，

柱狀透鏡，用于對(duì)所述LED光源所發(fā)出的光束進(jìn)行匯聚，在Y軸方向上形成直線型光照明場(chǎng)；

狹縫，位于所述直線型光照明場(chǎng)的焦域內(nèi)，所述狹縫的長(zhǎng)度方向落在Y軸上，所述狹縫在縫的長(zhǎng)度方向上彎曲呈弧形，所述狹縫用于將所述直線型光照明場(chǎng)衍射形成一弧線場(chǎng)光源；

透鏡組，所述弧線場(chǎng)光源經(jīng)所述透鏡組后形成共軛的弧線型光照明場(chǎng)；

指紋采集板，所述弧線型光照明場(chǎng)透過(guò)所述指紋采集板照射至待識(shí)別手指的內(nèi)部指紋上以采集樣品光。

優(yōu)選地，所述透鏡組包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第一透鏡與第二透鏡，所述柱狀透鏡在Z軸上相對(duì)于LED光源的位置為D，滿足D·tanθ/M= r，其中，θ為所述LED光源所發(fā)出的光束的發(fā)散角；M=f1/f2，f1為所述第一透鏡的焦距，f2為所述第二透鏡的焦距；r為待識(shí)別手指上拇指左右方向弧線所對(duì)應(yīng)的圓弧半徑。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述狹縫的縫的弧形半徑為R，滿足R=M·r。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述弧線型光照明場(chǎng)焦線的曲率半徑為r。

優(yōu)選地，所述指紋采集板為透明板或其上具有能夠供所述弧線型光照明場(chǎng)通過(guò)的窗口。

優(yōu)選地，所述指紋采集板在YZ平面內(nèi)呈弧形，所述指紋采集板的弧形輪廓與所述弧線型光照明場(chǎng)的焦線相平行。

優(yōu)選地，所述識(shí)別系統(tǒng)還包括參考臂、樣品臂、分光器及光譜儀，所述樣品光經(jīng)所述樣品臂反射后形成樣品光信號(hào)沿原入射光路到達(dá)所述分光器，并與被所述參考臂反射回的參考光信號(hào)發(fā)生干涉，重合后傳播至所述光譜儀中。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述光譜儀包括光柵以及采集光信號(hào)的智能設(shè)備，重合后的所述樣品光信號(hào)與所述參考光信號(hào)經(jīng)所述光柵后散射形成面光源，而后被所述智能設(shè)備全部采集。

更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述智能設(shè)備為手機(jī)或平板電腦。

更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述智能設(shè)備在X軸方向上的像素大小為S，所述狹縫的縫寬為d，所述S與d間為光學(xué)共軛關(guān)系。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的指紋識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)采用柱狀透鏡、帶弧形縫的狹縫、透鏡組及指紋采集板即可實(shí)現(xiàn)一次圖像曝光、采集，就可以完成對(duì)整個(gè)指紋的成像，與現(xiàn)有技術(shù)相比，省去了滾動(dòng)手指的麻煩以及由其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)所采用的部件相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)價(jià)格便宜，能夠滿足普通消費(fèi)者的消費(fèi)需求。

附圖說(shuō)明

附圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的SD-OCT設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明所述的一種指紋識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明所述的一種指紋識(shí)別系統(tǒng)中光譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4a為直線型光照明場(chǎng)的焦域與待識(shí)別手指指紋間的關(guān)系圖；

附圖4b為弧線型光照明場(chǎng)的焦域與待識(shí)別手指指紋間的關(guān)系圖；

附圖5a為采用直線型光照明場(chǎng)所采集的手指內(nèi)部指紋圖；

附圖5b為采用弧線型光照明場(chǎng)所采集的手指內(nèi)部指紋圖。

其中：110、寬帶光源；140、分光器件（分光器）；150、參考臂；170、光譜儀；190、樣品臂；

210、LED光源；211、柱狀透鏡；212、直線型光照明場(chǎng)；213、狹縫；214、第一透鏡；215、第二透鏡；216、弧線型光照明場(chǎng)；217、指紋采集板；218、手指；219；待識(shí)別手指的內(nèi)部指紋；

310、樣品光信號(hào)；311、參考光信號(hào)；312、光柵；313、智能設(shè)備（面陣（二維）相機(jī)）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。

參見(jiàn)圖2所示，一種指紋識(shí)別系統(tǒng)，建立直角坐標(biāo)系，以平行于紙面為X軸、垂直于紙面為Y軸，光的傳播方向?yàn)閆軸。

該識(shí)別系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的LED光源210、柱狀透鏡211、狹縫213、透鏡組及指紋采集板217，該識(shí)別系統(tǒng)還包括參考臂150、樣品臂、分光器140及光譜儀170。

該LED光源210輸出的光束通常為一個(gè)發(fā)散的光束，不同種類(lèi)的LED光源210有不同的發(fā)散角θ。本例中，各類(lèi)LED光源210及相對(duì)應(yīng)的發(fā)散角θ都適用。

該柱狀透鏡211用于對(duì)LED光源210所發(fā)出的光束進(jìn)行匯聚，并在Y軸方向上形成直線型光照明場(chǎng)212。該柱狀透鏡211的柱面中心通常沿Y軸方向延伸，并與該LED光源210所發(fā)出的光束軸線垂直相交。

這里，該直線型光照明場(chǎng)212的焦面是一個(gè)近似的平面，狹縫213位于該直線型光照明場(chǎng)212的焦域內(nèi)。該狹縫213的長(zhǎng)度方向落在Y軸上，該狹縫213在縫的長(zhǎng)度方向上彎曲成弧形。該直線型光照明場(chǎng)212在通過(guò)該弧形狹縫213時(shí)發(fā)生衍射，也就是說(shuō)該直線型光照明場(chǎng)212通過(guò)這里的弧形狹縫213后形成一個(gè)弧線場(chǎng)光源。該弧線場(chǎng)光源相對(duì)透鏡組共軛成像形成弧線型光照明場(chǎng)216。該弧線型光照明場(chǎng)216透過(guò)指紋采集板217照射至待識(shí)別手指218的內(nèi)部指紋219上以完成樣品光的采集，其中，手指218的指尖朝向X軸方向。

這里，透鏡組包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第一透鏡214與第二透鏡215。該透鏡組的主要功能是在指紋采集板217上待采集手指的內(nèi)部指紋219位置處產(chǎn)生一個(gè)放大的弧線型光照明場(chǎng)216。

這里，該指紋采集板217為透明板或其上具有能夠供弧線型光照明場(chǎng)216通過(guò)的窗口。光譜儀170每曝光一次，就可以采集到皮膚在窗口處的二維斷層圖。當(dāng)手指218在X軸方向沿指紋采集板217的平面滑動(dòng)時(shí)，光譜儀170即能連續(xù)快速曝光以采集到皮膚不同位置的斷層圖。當(dāng)整個(gè)手指218劃過(guò)弧線型光照明場(chǎng)216后，手指218皮膚的三維圖片就能采集完成，在三維數(shù)據(jù)中，就可以得到皮膚的外部指紋和內(nèi)部指紋219的三維圖。

這里，該柱狀透鏡211在Z軸上相對(duì)于LED光源210的位置為D，滿足D·tanθ/M= r，其中，θ為L(zhǎng)ED光源210所發(fā)出的光束的發(fā)散角；M=f1/f2，f1為第一透鏡214的焦距，f2為第二透鏡215的焦距；r為待識(shí)別手指218上拇指左右方向弧線所對(duì)應(yīng)的圓弧半徑。而狹縫213的縫的弧形半徑R滿足R=M·r。

這里，該弧線型光照明場(chǎng)216的焦線（弧線型光照明場(chǎng)216的焦平面沿與經(jīng)過(guò)光軸的YZ平面的交線）的曲率半徑為r。在指紋采集過(guò)程中，該弧線型光照明場(chǎng)216的焦線與待識(shí)別手指的內(nèi)部指紋219左右方向上的弧線重合，該弧線型光照明場(chǎng)216的焦域以該焦線為中心軸呈扇形分布。通常，指紋采集板217在YZ平面內(nèi)呈弧形，其YZ平面上的弧線輪廓與該弧線型光照明場(chǎng)216的焦線相平行。而采集到的樣品光在該弧線型光照明場(chǎng)216的焦域內(nèi)被樣品臂反射或背向散射后形成樣品光信號(hào)310沿原入射光路到達(dá)分光器140傳播至光譜儀170中。

本例中，該光譜儀170包括光柵312以及采集光信號(hào)的智能設(shè)備313，該智能設(shè)備313為手機(jī)或平板電腦，本例中，該智能設(shè)備313采用了面陣（二維）相機(jī)313。

該光譜儀170采集數(shù)據(jù)的具體過(guò)程如下：參見(jiàn)圖3所示，光線傳播方向?yàn)榈芽栕鴺?biāo)系的Z方向（相對(duì)坐標(biāo)系）。樣品光在弧線型光照明場(chǎng)216的焦域內(nèi)被樣品臂反射或者背向散射后成為樣品光信號(hào)310，樣品光信號(hào)310沿原來(lái)入射的光路到達(dá)分光器140，并在此處與參考臂150反射回來(lái)的參考光信號(hào)311發(fā)生干涉。樣品光信號(hào)310和參考光信號(hào)311重合后傳播到光譜儀170當(dāng)中的光柵312。該光柵312的散射方向位于X軸上，因此，樣品光信號(hào)310與參考光信號(hào)311通過(guò)光柵312后產(chǎn)生的不同譜線形成面光源，正好被面陣（二維）相機(jī)313全部采集到。

該面陣（二維）相機(jī)313采集到的二維圖像當(dāng)中沿著X軸的每一行（列）數(shù)據(jù)，代表這一行（列）像素所對(duì)應(yīng)樣品上的光學(xué)共軛點(diǎn)處的頻譜干涉信號(hào)；該行（列）當(dāng)中的不同像素對(duì)應(yīng)LED光源210當(dāng)中不同的譜線。二維相機(jī)通常會(huì)有沿著Y軸緊密排列的幾百到幾千行（列）像素，所對(duì)應(yīng)樣品上的光學(xué)共軛點(diǎn)也是連續(xù)的。由于頻譜干涉信號(hào)包含該點(diǎn)處所有深度信息，光譜儀170每曝光一次，就可以采集到皮膚的二維斷層圖。這一過(guò)程無(wú)需機(jī)械掃描。在一次曝光以后，面陣（二維）相機(jī)313采集到的頻譜干涉信號(hào)將通過(guò)處理器按照標(biāo)準(zhǔn)的OCT數(shù)據(jù)處理算法生成一幅皮膚的斷層圖像。

面陣相機(jī)在X方向上的像素大小為S，通常S與弧形狹縫213的縫寬d形成光學(xué)共軛關(guān)系。

現(xiàn)有技術(shù)中，直線型光照明場(chǎng)OCT的焦域無(wú)法覆蓋手指218的全部指紋，參見(jiàn)圖4a所示；而本例中的識(shí)別系統(tǒng)，采用了弧線型的狹縫213，該狹縫213能夠產(chǎn)生弧線型光照明場(chǎng)216，參見(jiàn)圖4b所示，其弧度正好與手指218指紋表面的弧度吻合；這樣只需要一次圖像曝光、采集，就可以完成對(duì)整個(gè)指紋的成像，省去了滾動(dòng)手指218的麻煩和由其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差。

這里，圖5a是用直線型光照明場(chǎng)OCT采集的內(nèi)部指紋219圖像，深色紋理為指紋。由于直線型光照明場(chǎng)無(wú)法有效覆蓋手指218兩側(cè)，這一部分的指紋無(wú)法有效采集；圖5b是用弧線型光照明場(chǎng)OCT采集的內(nèi)部指紋219圖像，由于弧線型光照明場(chǎng)216與指紋輪廓吻合，包括雙側(cè)指紋在內(nèi)的整個(gè)手指218指紋都能清晰采集。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。