一种具有抗环境光干扰三角棱镜及指纹采集设备的制作方法

本发明公开一种具有抗环境光干扰三角棱镜，是对现有光学式指纹采集设备的采集棱镜的改进，同时，本发明进一步提供了含有该三角棱镜的指纹采集设备，属于活体指纹采集装置技术领域。

背景技术：

目前，国内外市场上存在多种光学式单指指纹采集及比对设备。该类指纹采集设备设计原理基本均利用光学全反射原理进行设计，即光线由光密介质向光疏介质传输，当光线与两介质交界面法线夹角大于全反射临界角时，即入射角＞arcsin（n1/n2），光线在光密介质中发生全发射。

对于传统光学全反射式指纹采集设备，基本分为亮背景、暗背景两种设计方案，其中，亮背景设计方案指纹采集设备，由光源发出的光经过棱镜全反射后通过成像镜头成实像，被CCD接收。当指纹按捺于棱镜采集面时，指纹脊破坏该面的光全反射条件，形成明暗相间的指纹图像；暗背景设计方案指纹采集设备，当指纹按捺于棱镜采集面时，照明光源发出的光，在指纹脊于采集面接触的位置发生散射，成像镜头接收来自指纹脊的散射光，形成指纹图像。然而此两种方案采集设备，基本都存在易受环境光干扰，从而导致指纹图像对比对下降，降低指纹图像质量等劣势。参见图1、图2所示，具体表现为：

来自采集设备外部环境光，通过上述两种路径，均可以入射到CCD接收面，从而干扰来自照明光源的指纹成像光线，造成指纹图像迷糊，对比度下降，一定程度上影响了指纹质量。因大气中包含各种波长的光，所以采用在设备中放置滤色片等滤光元件，无法从根本上屏蔽来着设备外部的环境光，所以，光学式指纹采集器在室外的应用受到了一定的限制。对此考虑发明一款抗环境光干扰的指纹采集器，是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明公开一种具有抗环境光干扰三角棱镜及指纹采集设备，解决了现有指纹采集设备易受环境光干扰，从而导致指纹图像对比对下降，降低指纹图像质量等劣势问题。

本发明所述的一种全反射式抗环境光干扰三角棱镜，其特征在于：

三角棱镜本体包括指纹采集面、吸光面、出射面、入光面；指纹采集面与吸光面组成的夹角为55度，指纹采集面与出射面组成的夹角为60度；入光面与吸光面夹角为50度，距离采集面12mm；指纹采集面为手指放置位置，吸光面上涂有黑色消光漆。

本发明所述的全反射式抗环境光干扰三角棱镜制成的指纹采集设备；其特征在于：包括全反射式抗环境光干扰三角棱镜、红色高亮LED光源、电路主板、后盖、密封塞、数据线、摄像模组、端盖、壳体、密封垫圈；红色高亮LED光源作为系统的照明装置固定在全反射式抗环境光干扰三角棱镜的下方；摄像模组固定于棱镜右侧，光轴与棱镜中心重合；摄像模组通过FFC线与电路主板连接，电路主板通过信号线与外界通信连接。

本发明所述的全反射式抗环境光干扰三角棱镜的制造材料选用1.67的高折射率光学玻璃，其具体抗环境光实现方式如下：

1. 环境光自棱镜外侧指纹采集面的法线下方入射，经由棱镜折射后，透射光线自棱镜右侧出射面出射。取环境光的入射角A的最大值Amax=90度，由折射定律sinI₁ /sinI₂=n1/n2，计算得出B=41.17°。图中阴影部分为环境光所覆盖的区域，如将成像物镜4放置于棱镜右侧、透射环境光覆盖区域上方，环境光将无法射入物镜表面，从而不能对指纹图像产生影响，达到采集设备抗环境光干扰的效果（参见图4）。

2. 环境光自棱镜外侧指纹采集面法线上方入射，经棱镜采集面折射后的折射光线打到吸光面，折射光线被其吸收，环境光将无法射入物镜表面，从而不能对指纹图像产生影响，达到采集设备抗环境光干扰的效果（参见图5）。

3.指纹成像原理具体为，照明面光源放置于入光面外侧，对入光面进行垂直照射。入射光经入光面透射，对指纹采集面进行照明，入射光被按捺于指纹采集面的指纹脊散射，散射光经出射面折射，折射后的光线被成像物镜接收，形成指纹实像，实像被CCD7接收，上传DSP进行处理。成像物镜与CCD7构成摄像模组，参见图6。

主板：设计采用DSP与CMOS传感器来完成指纹图像采集，并可以通过USB免驱连接到PC上，PC默认为视频设备。CMOS传感器方面采用200万像素传感器，最大输出图像分辨率可达1600*1200。DSP应用标准UVC协议免驱动直接连接USB接口上，支持现行各流行操作系统的连接，便于客户应用与开发。

本发明积极效果在于：

提供了一种新型的全反射式抗环境光干扰三角棱镜，解决了传统指纹采集设备易受环境光干扰，从而导致指纹图像对比对下降，降低指纹图像质量等劣势问题。是对现有市场上传统的光学式三角棱镜设计方案的一个升级，提升该类产品对环境光的抗干扰能力，大大拓展了光学式指纹采集器的应用环境。

附图说明

图1为环境光直接参与成像图；

图2为环境光二次反射成像；

图3为本发明全反射式抗环境光干扰三角棱镜结构示意图；

图4为避免环境光成像示意图；

图5为避免环境光二次成像示意图；

图6为本发明指纹采集设备的光学成像原理图；

图7为本发明指纹采集设备结构原理图。

图中，1、红色高亮LED光源；2、电路主板；3、后盖；4、密封塞；5、数据线；6、摄像模组；7、端盖；8、壳体；9、全反射式抗环境光干扰三角棱镜；10、密封垫圈；9.1、指纹采集面；9.2、吸光面；9.3、出射面；9.4、入光面。

具体实施方式

通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例1

全反射式抗环境光干扰三角棱镜的制备：

参照图3所示，全反射式抗环境光干扰三角棱镜的本体选用1.67的高折射率光学玻璃制成，本体包括指纹采集面 9.1、吸光面9.2、出射面9.3、入光面9.4，其中，指纹采集面9.1与吸光面9.2组成的夹角为45°，指纹采集面9.1与出射面9.3组成的夹角为50°；入光面9.4与吸光面9.2夹角为50°，距离采集面9.1为12mm；指纹采集面9.1为手指放置位置，吸光面9.2上涂有黑色消光漆。

实施例2

参照图3，选用1.67的高折射率光学玻璃制成全反射式抗环境光干扰三角棱镜的本体，本体包括指纹采集面 9.1、吸光面9.2、出射面9.3、入光面9.4，其中，指纹采集面9.1与吸光面9.2组成的夹角为50°，指纹采集面9.1与出射面9.3组成的夹角为55°；入光面9.4与吸光面9.2夹角为55°，距离采集面9.1为16mm；指纹采集面9.1为手指放置位置，吸光面9.2上涂有黑色消光漆；指纹采集面9.1为手指放置位置，吸光面9.2上涂有黑色消光漆。

实施例3

参照图3，选用1.67的高折射率光学玻璃制成全反射式抗环境光干扰三角棱镜的本体，本体包括指纹采集面 9.1、吸光面9.2、出射面9.3、入光面9.4，其中，指纹采集面9.1与吸光面9.2组成的夹角为55°，指纹采集面9.1与出射面9.3组成的夹角为60°；入光面9.4与吸光面9.2夹角为60°，距离采集面9.1为18mm；指纹采集面9.1为手指放置位置，吸光面9.2上涂有黑色消光漆；指纹采集面9.1为手指放置位置，吸光面9.2上涂有黑色消光漆。

实施例4

指纹采集设备组成参照图7，本发明由1、红色高亮LED光源；2、电路主板；

3、后盖；4、密封塞；5、数据线；6、摄像模组；7、端盖；8、壳体；9、全反射式抗

环境光干扰三角棱镜；10、密封垫圈；结构关系：壳体8的前下部设有全反射式抗

环境光干扰三角棱9（选用实施例1或实施例2、实施例3），

其中，红色高亮LED光源1作为系统的照明装置固定在全反射式抗环境光干扰三角棱镜9的下方；摄像模组6固定于全反射式抗环境光干扰三角棱镜9右侧，光轴与全反射式抗环境光干扰三角棱镜9的中心重合；摄像模组6通过FFC线与电路主板2连接，电路主板2通过数据线5与外界通信连接。

当指纹采集仪通过USB数据线与电脑连接之后，绿色高亮LED光源1亮起，表示光源已经正常工作；将手指按捺在指纹采集面 9.1上，指纹信号经过光路进入CMOS传感器，在电路主板2上，首先对DSP主控芯片进行配置，使它进行USB免驱设备模式；然后DSP主控芯片通过I2C接口对SENSOR寄存器进行设置，包括对采集窗口大小、采集窗口起点、曝光时间、增益等信息的设置，设置完毕，SENSOR开始工作；通过SENSOR提供的信号将SENSOR的图像数据输入到DSP的FIFO中进行缓存，再利用UCV协议通过USB将图像数据传输给上位机，经过上位机软件的调整等相关处理显示完整的指纹图像。

实施例4

检测试验

通过对实施例1 实施例2 实施例3的验证，解决了传统指纹采集设备易受环境光干扰，从而导致指纹图像对比对下降，降低指纹图像质量等劣势问题。

传统全反射棱镜制成指纹采集仪在10Klux外界光照射下采集的指纹图像件图8：图中，指纹脊、谷对比度下降，指纹图像模糊。

本发明抗环境光干扰全反射棱镜制成指纹采集仪在10Klux外界光照射下采集的指纹图像如图9所示，图中，指纹脊、谷对比度高，指纹图像清晰。

结论：本发明提供的抗环境光干扰全反射棱镜制成指纹采集仪解决了传统指纹采集设备易受环境光干扰，从而导致指纹图像对比对下降，降低指纹图像质量等劣势问题。