专利名称：生物识别传感器及生物识别系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用生物特征进行身份识别技术领域，特别地，涉及一种生物识别传感器及生物识别系统。
背景技术：
近年来，基于生物特征的身份识别技术越来越受到人们的重视。基于生物特征的身份识别技术简称生物识别技术。所谓生物识别技术是指利用人体或其他生物体本身所固有的物理特征，例如指纹、掌纹、虹膜、人脸等，或者行为特征，例如声音、手写签名、步态等，通过图像处理、模式识别等方法来鉴别生物体身份的技术。与传统的基于密码或ID卡的身份识别方式相比，具有随身携带性强、不易遗忘、难以伪造、安全性、可靠性和有效性更强等优点。以人体身份识别为例，现有技术公开号为CN 101196987A的专利申请公开了一
种在线掌纹、手掌静脉图像身份识别方法及其专用采集仪。该技术采用人体的掌纹和手掌静脉生物特征作为身份识别的手段。掌纹和手掌静脉信息数据的获取是该项生物识别技术的基础，现有技术采用的掌纹和手掌静脉图像获取的设备包括用以形成暗室结构的仪器箱体、数码摄像机、近红外光源、可见光源、散光片、 仪器支架、仪器外壳和手掌箱体。数据采集过程包括注册信息采集过程和身份识别过程。其中，注册信息采集过程为将手掌放置在由手掌箱体和仪器箱体组成的暗箱上，用数码相机获取可见光源照射下的掌纹图像和红外光照射下的手掌静脉图像，将反映同一生物体的不同生物特征的两幅图像作为注册信息。身份识别过程为现场采集人体的掌纹和手掌静脉图像，然后利用模式识别技术与已注册的两幅图像对比，通过验证二者的关联性实现生物体的身份验证。虽然采用上述掌纹和手掌静脉进行人体身份识别具有更高的安全性和正确识别率，但是现有技术存在以下缺点1、图像采集过程采用接触方式，很容易引起细菌交叉感染，生物体的安全卫生无法保障；2、掌纹图像和手掌静脉图像非同步获取，需要不断切换光源，降低了图像采集效率；3、由于需要实现可见光源和红外光源的切换，所以数据采集设备还需增加光源转换设备，增加了数据采集设备的复杂性，提高了设备的生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物识别传感器和生物识别系统，能够采用非接触方式同时采集到反映生物体表面纹理特征的可见光图像和反映生物体表皮下静脉特征的红外静脉图像，用于生物体身份验证。为了解决上述问题，一方面提供了一种生物识别传感器，包括发射可见光及近红外光的主动光源、单个成像镜头、分光部件、红外图像采集装置和可见光图像采集装置；上述分光部件位于上述成像镜头的后方，上述红外图像采集装置和可见光图像采集装置均位于上述分光部件的后方；其中，上述主动光源，用于照射上述成像镜头上方或前方的图像采集区域；上述成像镜头，用于接收从上述图像采集区域的生物体反射的光波；上述分光部件，用于将从上述成像镜头透射的光波分成一路可见光和一路近红外光；上述红外图像采集装置，用于采集经上述分光部件分光后、出射的近红外光波，以形成反映上述生物体静脉特征的红外静脉图像；上述可见光图像采集装置，用于采集经上述分光部件分光后、出射的可见光波，以形成反映上述生物体外表纹理特征的体表纹理图像。优选的，上述分光部件具体为中间镀有特定光学薄膜层的分光棱镜，上述特定光学薄膜层透射可见光、反射近红外光，或者反射可见光、透射近红外光。优选的，上述分光部件具体为两表面分别镀有红外滤光薄膜和可见光滤光薄膜的分光棱镜。优选的，上述分光部件具体为分光棱镜、近红外带通滤波片、可见光带通滤波片的组合；其中，上述近红外带通滤波片置于上述分光棱镜与上述红外图像采集装置之间；上述可见光带通滤波片置于上述分光棱镜与上述可见光图像采集装置之间。优选的，上述分光部件具体为分光片、近红外带通滤波片、可见光带通滤波片的组合；其中，上述近红外带通滤波片置于上述分光片与上述红外图像采集装置之间；上述可见光带通滤波片置于上述分光片与上述可见光图像采集装置之间。优选的，上述生物识别传感器还包括红外接近感应器，与上述主动光源、图像采集装置连接，当上述生物体进入距上述成像镜头预设距离的图像采集区域时，触发上述主动光源和\或上述图像采集装置工作。优选的，上述生物识别传感器还进一步包括导光环，设置于上述主动光源的上方。优选的，上述预设距离具体为5 10公分。优选的，上述近红外光的波长范围为760nm 940nm。另一方面，本发明还提供了一种生物识别系统，包括任一上述生物识别传感器， 用于采集生物体的红外静脉图像和体表纹理图像；数据传输控制器，与上述生物识别传感器连接，用于将上述生物体的体表纹理图像和红外静脉图像发送至数据处理装置；数据处理装置，与上述数据传输控制器连接，用于将上述生物体的体表纹理图像和红外静脉图像进行预处理和特征提取，与预先保存的样本进行特征对比，实现身份识别。与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有以下优点或有益效果使用本发明提供的生物传感器进行生物特征图像采集时，当生物体进入预设的图像采集区域，主动光源同时发射可见光和近红外光照射于生物体，生物体的反射光或透射光通过单只成像镜头成像，分光部件将透过成像镜头的光波分成一路可见光波和一路近红外光波，分别用于生物体表面纹理特征的图像信息采集和生物体静脉特征的红外图像采集。可见，本发明提供的生物识别传感器不仅实现了非接触式图像采集，而且利用分光部件，通过单一成像镜头即可实现生物体表面纹理可见光图像的采集和生物体静脉特征红外图像的采集，简化了图像采集装置的结构，并且可以同时获得两幅生物体特征图像，有效提高了生物识别的效率。
图1是本发明生物识别传感器实施例的结构示意图；图2是本发明生物识别传感器实施例二的结构示意图；图3是本发明生物识别传感器分光部件实施例一的示意图；图4是本发明生物识别传感器分光部件实施例二的示意图；图5是本发明生物识别传感器分光部件实施例三的示意图；图6是本发明生物识别传感器分光部件实施例四的示意图；图7是本发明生物识别系统实施例的示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。参照图1，示出了本发明生物识别传感器实施例的结构示意图，包括主动光源1、 单个成像镜头2、分光部件3、红外图像采集装置4、可见光图像采集装置5。其中，主动光源 1置于成像镜头2的下方，用于提供均勻照射图像采集区域的光波。分光部件3位于成像镜头1的下方，红外图像采集装置4和可见光图像采集装置5均位于分光部件3的后方。为了更好地采集图像，可将红外图像采集装置和可见光图像采集装置感光元件的中心位置分别与分光部件的两出射面的中心位置严格对应。其中，主动光源1发射波长为760nm IOOOnm的近红外光波和波长为390nm 760nm的可见光波，照射位于成像镜头前方或者上方的图像采集区域，当生物体进入图像采集区域时，作用于生物体，例如人体手掌等。主动光源1具体可以是间隔排列的近红外发光元件和可见光发光元件的组合，如环形排列的发射近红外光的LED灯和发射白光的LED灯的阵列。主动光源1可以具体为发射波段为390nm IOOOnm光波的发光元件等。其中，主动光源1发射的可见光波，主要用于为生物体表面的纹理提供稳定的光照条件。照射于生物体表面的可见光反射后进入成像镜头，以形成反映生物体外表纹理特征的体表纹理图像。主动光源1发射的近红外光波，主要用于为生物体皮下静脉提供稳定的光照条件。照射于生物体皮下静脉的近红外光反射后进入成像镜头，以形成反映生物体静脉特征的红外静脉图像。其中，生物体皮下静脉红外成像的原理是医学研究表明，波长在760nm IOOOnm 的近红外光谱区的光波对人体组织有较强的穿透能力。人体静脉血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白对760nm IOOOnm波长范围内光波的吸收率相对较高，而人体组织中的水对这个波长范围内光波的吸收率相对较低。所以，在近红外光源的照射下，人体静脉部分会因为对光线有较多的吸收，反射出光线较少而呈暗色，同时人体其它组织细胞由于水的反射而呈亮色，这样就可以得到反映生物体皮下静脉特征的红外静脉图像。依据上述皮下静脉红外成像原理并经过大量实验验证，发射850nm 940nm，尤其是890nm的红外LED阵列作为红外光源，可以取得比较清晰的红外静脉图像。
成像镜头2用于接收生物体的反射光，形成缩小或放大的光束，以形成缩小或者放大的图像。以掌纹和静脉图像采集为例，一般经过成像镜头的光波形成缩小的光束，以形成缩小的反映手掌纹理特征的可见光图像和反映手掌静脉特征的红外图像。分光部件3，用于将透过单个成像镜头2的光波分成一路近红外光波和一路可见光波。其中，近红外光波主要承载着生物体皮下静脉的信息。可见光波主要承载着生物体表面纹理的信息。红外光图像采集装置4，用于感应从分光部件3出射的近红外光波，形成反映生物体静脉特征的红外静脉图像。可见光图像采集装置5，用于感应从分光部件3出射的可见光波，形成反映生物体外表纹理特征的体表纹理图像。上述图像采集装置可以为CCD感应器(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)， 也可以是CMOS感应器(Complementary Metal-Oxide kmiconductor，互补金属氧化物半导体传感器)。下面以采集人体手掌特征为例，说明上述生物识别传感器实施例的工作过程Si、人手伸入到图像采集区域，即距离成像镜头3 —定距离的上方或者前方位置。S2、主动光源1发射近红外光波和可见光波，同时照射人手。S3、人手反射的近红外光波和可见光波进入成像镜头2。S4、从成像镜头2出射的光波入射到分光部件3中，被分光部件3分成一路近红外光波和一路可见光波。S5、从分光部件3出射的近红外光波作用于红外图像采集装置4，形成手掌静脉图像。S6、从分光部件3出射的可见光波作用于可见光图像采集装置5，形成手掌纹理图像。从上述生物传感器的工作过程可知，因为有分光部件3的分光作用，利用一只成像镜头2就可以同时实现手掌纹理信息和手掌静脉信息这两个不相关生物信息的采集，避免两幅图像采用不同的光学镜头采集或者采用一个光学镜头不断切换光源进行采集，有效简化了生物传感器的结构，节约了图像采集时间，提高了图像采集效率。另外，由于本生物识别传感器采用非接触式图像采集，避免了不同生物体遗留细菌的交叉感染，有效保证了生物体的卫生安全。参照图2，示出了本发明生物识别传感器实施例二的结构示意图，与实施一相比， 还包括一个设置于主动光源1上方的导光环6，用于使主动光源1发射的灯光均勻化。在另一实施例中，还设置有红外接近感应器7，与主动光源1、图像采集装置4和5 连接，当生物体进入距成像镜头2预设距离的图像采集区域时，触发主动光源1和\或图像采集装置4和5工作。上述图像采集区域的预设距离可以但不限于设置为距离成像镜头上方5 10公分的区域。当生物体进入图像采集区域时，由于人体反射红外光波，所以可以触发红外接近感应器7的开关。红外接近传感器7可以但不限于采用红外反射式对管组成的接近传感器，当生物体例如手掌靠近镜头上方时，系统启动开始图像采集和识别，通过该接近传感器可以使系统在不工作时保持低功耗状态，既节约用电又保证部分器件的使用寿命，同时避免可见光光源过亮带来的眼部不适等问题。下面结合分光部件的具体实施例说明分光部件的
具体实施例方式分光部件实施例一参照图3，示出了本发明生物识别传感器分光部件实施例一的示意图，如图3-a所示，分光部件具体为一个中间层镀有特定光学薄膜c的分光棱镜3-1，其中，中间层的镀膜c 可以透射可见光、反射红外光线。当然，上述中间镀膜c也可以是透射近红外光、反射可见光的光学薄膜。参见图3-b所示的分光棱镜的分光示意图，分光棱镜3-1的分光过程为从成像镜头2出射的可见光和红外光λ 1+λ2(其中，λ 代表近红外光波，λ2代表可见光波)，一同从分光棱镜3-1的入射面进入，受中间镀膜层c的作用，使可见光波段的光波λ 2透射， 近红外波段的光波λ 反射。需要说明的是，透射光波λ 2仅携带生物体表面纹理特征，反射光波λ 1仅携带生物体皮下静脉信息。红外光图像采集装置4接收反射光波λ 1，采集到生物体红外静脉图像；可见光图像采集装置5接收透射光波λ 2，采集到生物体表面纹理图像。分光部件实施例二、参见图4，示出了本发明生物识别传感器分光部件实施例二的示意图，如图4_a所示，分光部件具体为一表面镀有可见光带通滤波薄膜a，另一表面镀有近红外带通滤波薄膜 b的分光棱镜3-2。参见图4-b所示的分光棱镜3-2的分光示意图，分光棱镜3-2的分光过程为从成像镜头2出射的可见光和红外光λ 1+λ 2 (其中，λ 1代表近红外光波，λ 2代表可见光波)， 一同从分光棱镜3-2的入射面进入，被分成一路反射光和一路透射光。其中，透射光在出射面被可见光带通滤光薄膜a过滤，形成仅包含可见光波段λ2的出射光。反射光在出射面被近红外带通滤光薄膜b过滤，形成仅包含近红外波段λ 1的出射光。上述透射光波λ 2 仅携带了生物体表面纹理特征，反射光波λ 1仅携带了生物体皮下静脉信息。红外光图像采集装置4接收反射光波λ 1，采集到生物体红外静脉图像；可见光图像采集装置5接收透射光波λ 2，采集到生物体表面纹理图像。分光部件实施例三、参见图5，示出了本发明生物识别传感器分光部件实施例三的示意图，如图5_a所示，分光部件也可以是由一个普通分光棱镜3-3、一个近红外带通滤波片8-1、一个可见光带通滤波片8-2组成的组合部件。其中，近红外带通滤波片8-1置于分光棱镜3-3与红外图像采集装置4之间；可见光带通滤波片8-2置于分光棱镜3-3与可见光图像采集装置5 之间。参见图5_b所示的分光部件的示意图，其分光过程与分光部件实施例二的分光过程类似，本实施例相当于上述实施例二中的两种镀膜由两个独立的带通滤波片8-1、8-2代替。其中，近红外带通滤波片8-1置于分光棱镜3-3的反射面和红外光图像采集装置4之间。可见光带通滤波片8-2置于分光棱镜3-3的透射面和可见光图像采集装置5之间。具体分光过程为从成像镜头2出射的可见光和红外光λ 1+λ 2(其中，λ 1代表近红外光波，λ 2代表可见光波)，一同从分光棱镜3-3的入射面进入，被分成一路反射光和一路透射光。此处，经过分光棱镜3-3分出的两束光仍然是同时包含可见光波λ 2和近红外光波λ 1的光波。从分光棱镜3-3透射的光波经过可见光带通滤波片8-2滤波之后，出射的光波为仅携帯了生物体表面纹理特征的可见光波λ 2。分光棱镜3-3反射的光波经过近红外光带通滤波片8-1滤波之后，出射的光波为仅携帯了生物体皮下静脉信息的近红外光波λ 1。红外光图像采集装置4接收反射光波λ 1，采集到生物体红外静脉图像；可见光图像采集装置5接收透射光波λ 2，采集到生物体表面纹理图像。分光部件实施例四、參见图6，示出了本发明生物识别传感器分光部件实施例四的示意图，如图6-a所示，分光部件也可以是由ー个分光片3-4、一个近红外带通滤波片8-1、一个可见光带通滤波片8-2組成的組合部件。其中，近红外带通滤波片8-1置于分光片的反射面与红外图像采集装置4之间；可见光带通滤波片8-2置于分光片3-4的透射面与可见光图像采集装置 5之间。本实施例四与实施例三的结构近似，只是将分光棱镜3-3用ー个镀有半透半反膜的全波段分光片3-4代替。其分光过程与实施例三相似，參见图6-b所示，此处不再赘述。除此之外，本发明也可采用其它光学元件例如两个成某种夹角的反射镜、近红外带通滤波片和可见光带通滤波片组成分光部件，本发明对其实现形式不作限制。由上述分光部件的实现方式可知，本发明提供的生物识别传感器结构简单、实现方便，可以有效降低生物识别传感器的生产成本。相应的，本发明还提供了ー种生物识别系统，參照图7所示的生物识别系统的结构示意图，该生物识别系统包括上述任一实施例所述的生物识别传感器71，用于采集生物体的红外静脉图像和体
表纹理图像。数据传输装置72，与上述生物识别传感器71连接，用于将生物体的体表纹理图像和红外静脉图像发送至数据处理装置73 ；数据处理装置73，与数据传输装置72连接，用于将生物体的体表纹理图像和红外静脉图像进行预处理和特征提取，与预先保存的样本进行特征对比，实现身份识別。其中，生物识别传感器71主要用于采集身份识别所需要的原始图像，包括注册阶段的原始图像即样本的采集，也包括身份验证阶段生物体原始图像的适时采集。上述生物识别系统采用非接触式采集方式，具有安全卫生、使用方便，以及快速准确的特点。该系统通过非接触式图像采集的方式获取人体手掌的生物特征，具有非入侵性， 对人体的健康没有损害，适用于门禁、考勤、通关、PC机登录、网络身份认证等场所。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相參见即可。对于系统实施例而言，由于其包括装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处參见装置实施例的部分说明即可。以上对本发明所提供的ー种生物识别传感器，以及ー种生物识别系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种生物识别传感器，其特征在于，包括发射可见光及近红外光的主动光源、单个成像镜头、分光部件、红外图像采集装置和可见光图像采集装置；所述分光部件位于所述成像镜头的后方，所述红外图像采集装置和可见光图像采集装置均位于所述分光部件的后方；其中，所述主动光源，用于照射所述成像镜头上方或前方的图像采集区域；所述成像镜头，用于接收从所述图像采集区域的生物体反射的光波；所述分光部件，用于将从所述成像镜头透射的光波分成一路可见光和一路近红外光；所述红外图像采集装置，用于采集经所述分光部件分光后、出射的近红外光波，以形成反映所述生物体静脉特征的红外静脉图像；所述可见光图像采集装置，用于采集经所述分光部件分光后、出射的可见光波，以形成反映所述生物体外表纹理特征的体表纹理图像。
2.根据要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，所述分光部件具体为中间镀有特定光学薄膜层的分光棱镜，所述特定光学薄膜层透射可见光、反射近红外光，或者反射可见光、透射近红外光。
3.根据要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，所述分光部件具体为两表面分别镀有红外滤光薄膜和可见光滤光薄膜的分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，所述分光部件具体为分光棱镜、近红外带通滤波片、可见光带通滤波片的组合；其中，所述近红外带通滤波片置于所述分光棱镜与所述红外图像采集装置之间；所述可见光带通滤波片置于所述分光棱镜与所述可见光图像采集装置之间。
5.根据权利要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，所述分光部件具体为分光片、 近红外带通滤波片、可见光带通滤波片的组合；其中，所述近红外带通滤波片置于所述分光片与所述红外图像采集装置之间；所述可见光带通滤波片置于所述分光片与所述可见光图像采集装置之间。
6.根据权利要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，还包括红外接近感应器，与所述主动光源、图像采集装置连接，当所述生物体进入距所述成像镜头预设距离的图像采集区域时，触发所述主动光源和\或所述图像采集装置工作。
7.根据权利要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，还包括导光环，设置于所述主动光源的上方。
8.根据权利要求6所述的生物识别传感器，其特征在于，所述预设距离具体为5 10 公分。
9.根据权利要求1所述的生物识别传感器，其特征在于，所述近红外光的波长范围为 760nm 940nmo
10.一种生物识别系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的生物识别传感器，用于采集生物体的红外静脉图像和体表纹理图像；数据传输控制器，与所述生物识别传感器连接，用于将所述生物体的体表纹理图像和红外静脉图像发送至数据处理装置；数据处理装置，与所述数据传输控制器连接，用于将所述生物体的体表纹理图像和红外静脉图像进行预处理和特征提取，与预先保存的样本进行特征对比，实现身份识别。
全文摘要
本发明提供了一种生物识别传感器及生物识别系统，其中生物识传感器包括发射可见光及近红外光的主动光源、单个成像镜头、分光部件、红外图像采集装置和可见光图像采集装置；所述分光部件位于所述成像镜头的后方，所述红外图像采集装置和可见光图像采集装置均位于所述分光部件的后方；其中，所述分光部件，用于将从所述成像镜头透射的光波分成一路可见光和一路近红外光。本发明提供的生物识别传感器不仅实现了非接触式图像采集，而且利用分光部件简化了图像采集装置的结构，有效提高了生物识别的精度和效率。
文档编号G06K9/20GK102567707SQ20101060704
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者曲寒冰, 李彬, 李松, 梁建霞, 王世界 申请人:北京北科慧识科技股份有限公司