本實(shí)用新型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)帶來種種問題。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法識(shí)別問題,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年問世以來,為臨床診斷及醫(yī)療研究帶來了顯著的影響。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)過參考反射鏡反射后按原路返回分光器件140?;氐椒止馄骷?40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60-80萬人名幣/臺(tái)),個(gè)人無法承擔(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:
本實(shí)用新型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,本實(shí)用新型采用的技術(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,本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型的指紋識(shí)別系統(tǒng),通過采用柱狀透鏡、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為本實(shí)用新型所述的一種指紋識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
附圖3為本實(shí)用新型所述的一種指紋識(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)施例來對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。
參見圖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,不同種類的LED光源210有不同的發(fā)散角θ。本例中,各類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在通過該弧形狹縫213時(shí)發(fā)生衍射,也就是說該直線型光照明場(chǎng)212通過這里的弧形狹縫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)過光軸的YZ平面的交線)的曲率半徑為r。在指紋采集過程中,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)的具體過程如下:參見圖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。這一過程無需機(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的焦域無法覆蓋手指218的全部指紋,參見圖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)無法有效覆蓋手指218兩側(cè),這一部分的指紋無法有效采集;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)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn),其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施,并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾,都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。