指掌纹成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及指掌纹图像获取技术领域，特别是指一种指掌纹成像系统。
【背景技术】
[0002]近几年，随着生物识别技术和互联网技术的迅速发展，指纹识别产品已经渗透到日常工作生活之中。其中，四手指采集仪和半掌指掌纹采集仪是出入境和刑侦领域应用的主流产品。随着安全级别的要求越来越高，对于采集器采集能力的要求也随之提高，包括图像质量和采集面积两方面。
[0003]针对图像质量方面的要求，现有光学式指纹采集仪，主要通过采用内部全反射实现高对比的指纹图像。如图1所示，为现有光学式指纹采集仪的原理示意图，其原理如下，此类仪器中棱镜通常是玻璃或者塑料，棱镜折射率叫大于空气折射率η 2。当照明光线以一定角度G1(大于临界角)从棱镜内部射向棱镜与空气的接触面(采集面)时，非接触部位(指纹谷)发生全内反射θ2，发生全内反射区域的光线被光学系统收集，从而形成亮的背景图像；而在指纹脊和棱镜表面接触的区域全内反射条件将破坏，只有极少部分的散射光线被成像系统收集，相比全反射形成的背景，脊的区域的图像非常暗，因此形成亮背景暗指纹的图像。
[0004]另一方面，采集面积扩大的要求给技术实现带来巨大的难度，因为设备体积的增长三次方于采集窗口尺寸的增加，成本也成倍增加。这是当前所有的指纹采集技术(光学、电子和超声波)所共同面临的难题。这一难题在全指掌纹采集设备的设计中尤为突出。现有的全指掌纹采集技术(光学)主要分为两种，一种是将光路简单的线性放大到全掌尺寸，这样做的缺点，设备体积巨大，使用不便，成本也高到让人难以接受，如果采用平面棱镜，采集整个指掌纹，需6x8英寸的采集窗口，而实现500ppi/1000ppi (像素密度)的图像，所需的图像传感器价格极高。如果采用线阵图像传感器，这部分费用有所降低，但制造与之配合的椎体/柱体棱镜也是非常昂贵的。另外一种方案是采用锥体或柱状棱镜以旋转扫描的方式采集指纹。美国专利US2006169159公开了一种此类的光学成像装置。该装置包含一个较大的固体环形棱镜。因此，这种技术方案虽然使成本有所降低，但椎体/柱体棱镜的成本也是比较昂贵的，此外，设备体积仍然很庞大。
【实用新型内容】
[0005]有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种指掌纹成像系统，满足对于图像采集器采集图像质量和采集面积的要求。同时，具备体积小，重量轻，成本适于大规模生产等特点。
[0006]基于上述目的本实用新型提供的一种指掌纹成像系统，包括依次设置的液体腔外壁、充满透明液体的液体腔、液体腔内壁、空腔，以及置于液体腔中的反射镜组，置于空腔或液体腔内的光源，置于空腔内的成像机构；其中，所述液体腔外壁的外表面为采集面，用于与待采集指掌纹的手掌相接触，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为透明材质；
[0007]光源、反射镜组与成像机构之间保持固定角度且三者之间的相对位置不变，并且三者能够同步移动且成像机构能够同步采集反射光；其中，所述成像系统中的光路为:所述光源发射出的光在与待采集指掌纹的手掌相接触的采集面上产生全反射光或者受抑全反射，再经反射镜组反射进入空腔后，由成像机构采集而形成指掌纹。
[0008]在一些实施方式中，所述成像机构包括透镜或透镜组，以及图像传感器；所述图像传感器为线阵图像传感器或面阵图像传感器。
[0009]在一些实施方式中，所述液体腔内所填充的透明液体为蒸馏水、油或别的液体，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为无色透明玻璃、石英或其他透明材料。
[0010]在一些实施方式中，所述光源采用单色LED或激光的线光源或线性排列的多个点光源。
[0011]在一些实施方式中，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为空心圆筒形状，液体腔内壁置于液体腔外壁中且二者共轴设置，二者之间形成液体腔，液体腔内壁内部形成为空腔；
[0012]液体腔内壁能够绕其中心轴线旋转，光源、成像机构以及反射镜组均与液体腔内壁固定连接并随着液体腔内壁的旋转而旋转。
[0013]在一些实施方式中，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜且二者的反射面相对；光源置于液体腔内；
[0014]所述第一反射镜靠近光源设置，其反射面朝向光源且与光源的光路呈一角度；所述第二反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度。
[0015]在一些实施方式中，所述反射镜组仅包括一个反射镜；所述反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；所述光源设置在空腔内部或设置在液体腔内；当光源设置在液体腔内时，光源的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出。
[0016]在一些实施方式中，所述液体腔外壁和液体腔内壁均为平板形状，液体腔内壁置于液体腔外壁下方且二者平行或者近似平行设置，二者之间形成液体腔，液体腔内壁下方形成为空腔；
[0017]光源能够在空腔内或液体腔内水平移动，成像机构能够在空腔内水平移动，反射镜组在液体腔内与光源和成像机构同步水平移动。
[0018]在一些实施方式中，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜且二者的反射面相对；光源置于液体腔内；
[0019]所述第一反射镜靠近光源设置，其反射面朝向光源且与光源的光路呈一角度；所述第二反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度。
[0020]在一些实施方式中，所述反射镜组仅包括一个反射镜；所述反射镜靠近成像机构设置，其反射面朝向成像机构且与成像机构的光路呈一角度；所述光源设置在空腔内部或设置在液体腔内；当光源设置在液体腔内时，光源的照射角度为倾斜角度或垂直角度射出。
[0021]从上面所述可以看出，本实用新型提供的指掌纹成像系统，采用在腔体内充入液体的液体棱镜，通过在液体中放置光学元件，从而保持成像光线以全反射角度入射/出射，进而获得高对比度的指纹图像。该光学元件通过与成像光路进行同步扫描，对所获得局部图像进行拼接，实现对整个采集面的图像采集。本实用新型优点在于体积小，重量轻，成本低，整体设计更符合人体工程学，具有更好的体验效果。
【附图说明】
[0022]图1为现有光学式指纹采集仪的原理示意图；
[0023]图2为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的结构示意图；
[0024]图3为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的部分结构放大示意图；
[0025]图3a为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的光路中角度关系示意图；
[0026]图3b为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的光路中光线形成的三角形示意图；
[0027]图3c为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的垂直入射到第一反射镜壳背景光路中角度关系不意图；
[0028]图4为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的暗背景光路替代方案结构示意图；
[0029]图4a为本实用新型提供的指掌纹成像系统第一个实施例的暗背景光路替代方案的光路中角度关系不意图；
[0030]图5为本实用新型提供的指掌纹成像系统第二个实施例的结构示意图；
[0031]图5a为本实用新型提供的指掌纹成像系统第二个实施例的光路中角度关系示意图；
[0032]图6为本实用新型提供的指掌纹成像系统第二个实施例的暗背景光路替代方案结构示意图；
[0033]图6a为本实用新型提供的指掌纹成像系统第二个实施例的暗背景光路替代方案的光路中角度关系不意图。
【具体实施方式】
[0034]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0035]本实用新型提供的指掌纹成像系统的实施例所利用的物理学原理是受抑全内反射(FTIR，frustrated Total Internal Reflect1n)，其基本原理如下:
[0036]入射光由光密介质Ii1射到光疏介质η 2的界面时，若入射角Θ I大于临界角Θ。，则全部入射光线被反射回原介质Ii1内的现象被称为全反射。虽然在普通的全反射条件下，光线全部回到入射介质之中，但是却有一相位的变化，即半波损失。而波矢量相位跃变也意味着矢量的复数域分解。通过理论计算，仍可以发现光线在复域的折射。理论计算过程如下:将入射光分解为S光和P光。以s光为例，设入射角为G1，折射角为θ2，在界面上，透射系数％= 2sin Θ 2cos Θ Jsin( Θ j+ Θ 2)，而全反射时,Ii1Sin Θ j= n2sin Θ 2，sin Θ 2>l，cos Θ 2为一个虚数，02亦为虚数，即光在复域内传播，而ts亦为复数。这种光称为倏逝波，仅仅是一种表面现象。随着深入折射介质，其幅值按指数衰减，在两个波长的距离外几乎可以忽略。可以预见，在经过一定的距离以后，不会再有新的光子从折射介质出来，通过能量守恒定律可知，普通全反射的能量将全部回到入射介质。
[0037]上述分析的条件