一种指掌纹图像采集装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种指掌纹图像采集装置，包括LED背光源、采集棱镜、第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集器本体；采集棱镜为等腰直角棱镜，设置在采集器本体的采集窗口处，反第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上；由棱镜图像输出面出射的光线，经第一反射镜反射后变为第二反射镜的入射光线，该入射光线经由第二反射镜反射后变为出射光线，被成像镜头接收，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上。本发明专利技术支持半掌（即除手指外的手掌部分）采集、左右四指及双拇指模式平面指纹采集、单指滚动采集，大大提高了采集精度和效率；同时通过复杂的光路设计，保证了采集装置对环境光的抗干扰能力达到近乎100%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种指掌纹图像采集方法，同时还公开了与该方法相适应的指掌纹采集装置，属于指掌纹采集装置

技术介绍
近年来，指纹识别在认证领域扮演着越来越重要的角色，指纹识别可以用于开机登录身份确认，远程网络数据库的访问权限及身份的确认，银行储蓄防冒领及通存通兑的加密方法，保险行业中投保人的身份确认，期货证券提款人的身份确认，医疗卫生系统中医疗保险人的身份确认等等。获取准确的以及分辨率好的图像就显得尤为重要，如果指纹信息不好，被误识别，那么通过现场比对，就会出现冒充等欺诈行为，造成损失。目前，市场上指纹采集装置采集的指纹质量受环境光影响很大，在阳光直射条件下甚至无法采集指纹。
技术实现思路
本专利技术提供一种指掌纹图像采集装置，大大提高了对环境光的抗干扰能力，克服了现有同类型采集装置无法在强光照射下正常工作的缺陷。本专利技术所述的一种指掌纹图像采集装置，主要由LED背光源、采集棱镜、第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集器本体构成；采集棱镜为等腰直角棱镜，设置在采集器本体的采集窗口处，包括光入射面、采集面、图像输出面，采集棱镜的斜面作为采集面，位于指纹采集窗口处，靠近采集者一侧的直角面为光入射面，另一侧直角面为图像输出面，采集面与图像输出面的夹角为45°~50°；LED背光源位于采集棱镜入射面一侧，为系统提供照明光；镜头光轴与棱镜光入射面平行，并通过采集面中心，第一反射镜距离图像输出面约162mm，并与光轴夹角55.5°，第二反射镜距离第一反射镜128mm，并与光轴夹角67.5°，成像镜头安装在距采集棱镜输出面380~280mm距离处，第一反射镜和第二反射镜表面为镀铝介质高反膜，中心波长525nm，反射率大于93%；第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上；由棱镜图像输出面出射的光线，经第一反射镜反射后变为第二反射镜的入射光线，该入射光线经由第二反射镜反射后变为出射光线，被成像镜头接收，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上。CMOS光电转换器主要由USB控制芯片、可编程逻辑器件CPLD、彩色CMOS芯片和缓存芯片FIFO构成；USB通过IO端口将RESET_BAR_IN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC信号和SLWR信号与CPLD的IO端口连接，USB的数据端口DATA_USB也连接着CPLD的IO端口；USB控制芯片通过I2C端口与彩色CMOS芯片连接，USB控制芯片通过I2C端口对彩色CMOS芯片进行配置；CPLD芯片通过输出端口将RESET_BAR信号和EXTCLK信号传输给彩色CMOS芯片，对彩色CMOS进行复位；将行信号LV、场信号FV、数据同步时钟信号PCLK和图像数据DATA_SENSOR与CPLD的输入端口连接；CPLD通过IO端口与FIFO的WRST信号、WE信号、WCK信号、RRST信号、RE信号、RCK信号、ORDY信号、IN_USB数据、OUT_BUS数据连接，将彩色CMOS传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中进行暂存；将FIFO中存储的图像数据通过OUT_BUS端口传输给CPLD，CPLD再通过DATA_USB端口将图像数据传输给USB控制芯片。当采集仪上电之后，LED背光源亮，表示光源已经正常工作；根据手型指示标识，用户需要将相应的掌纹、左手四指、右手四指、双拇指、各个指位的单指放在采集面上进行图像采集；按压在采集面上的指纹信号经过光路进入彩色CMOS芯片，在CMOS光电转换器上，首先对USB控制芯片进行配置，使它工作在批量传输模式；接下来USB控制芯片通过IO提供给CPLD、外置FIFO、彩色CMOS芯片工作时所需要的信号；然后USB控制芯片通过I2C接口对彩色CMOS芯片寄存器进行设置，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，彩色CMOS芯片开始工作；CPLD通过彩色CMOS芯片提供的信号将彩色CMOS芯片的图像数据输入到外置FIFO中进行缓存，再通过USB控制芯片提供的状态信号及外置FIFO提供的状态信号将外置FIFO中的图像数据传输给上位机，经过上位机软件的拼接、调整等相关处理显示完整的指纹图像。本专利技术通过对采集棱镜、工作距离进行设计，使得进入采集棱镜的临界环境光光线经采集面和图像输出面折转后，不被镜头有效通光孔径所接收，因此避免了环境光对指纹成像的影响。具体的设计方法如下：根据折射定律：sin(I)*n=sin(I’)*n’（1）I为入射角，n为入射介质折射率，I’为出射角，n’为出射介质折射率。临界环境光线由空气进入棱镜的入射角近似等于90°，即I1=90°，根据公式（1）可得到环境光线经采集面后的折射角I1’，I1’=arcsin（n空气/n棱镜）（2）临界环境光线通过采集面后继续在棱镜中传播，在图像输出面发生第二次折转，对应光出射角为I2’，根据折射定律有：sin(I1’-α)*n棱镜=n空气*sin(I2’)（3）式（3）中α为采集面与图像输出面的夹角，本专利技术中α可以为45°~50°之间的任何一个角度。将式（2）带入式（3）可以得到临界环境光在图像输出面的出射角I2’,I2’=arcsin（sin(arcsin（n空气/n棱镜）-α)）/n空气（4）本专利技术α角取值范围45°~50°，对应I2’为8.9°~11.9°。环境光越强，采集到的指纹对比度就越差，为了避免环境光对指纹成像的影响，应使按照I2’出射的环境光线不被镜头有效通光口径所接收，对应成像镜头安装位置距棱镜输出面不小于380~280mm处。由于从其它任意方向射入棱镜的环境光线，在图像输出面的折射角均大于I2’（8.9°~11.9°），因此保证了成像镜头接收不到所有环境光。LED背光源为可见光单色LED面光源，中心波长525nm，LED背光源发出的光线通过光入射面照射到采集面上，基于光的全反射原理，指纹嵴线和谷线形成较强的对比度，相应图像由图像输出面输出，并经第一反射镜和第二反射镜两次折转后进入成像镜头，最后成像在CMOS光电转换器上。整个成像系统引入两片反射镜对光线进行两次反射，实现了对结构空间的充分利用，大大减小了产品的体积。本专利技术积极效果在于：可以避免环境光对指纹成像的影响，使采集装置获得高质量的指纹图像；该采集装置支持半掌（即除手指外的手掌部分）采集、左右四指及双拇指模式平面指纹采集、单指滚动采集，大大提高了采集精度和效率，同时也提高了指纹识别的精度；采用了CPLD配合高速FIFO的方案，达到了USB接口的最高传输速率。附图说明图1为本专利技术光学系统原理图；图2为本专利技术的电路原理图；图中，1、LED背光源；2、采集棱镜；3、第一反射镜；4、第二反射镜；5、成像镜头；6、CMOS光电转换器；7、USB数据线；8、采集器本体。具体实施方式如图1所示，由LED背光源1、采集棱镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、成像镜头5、CMOS光电转换器6、USB数据线7、采集器本体8组成指掌纹图像采集装置。其中，LED背光源1固定在采集棱镜1的直角边光入射面，为系统提供照明，同时充当指掌纹图像背景；第一反射镜3和第二反射镜4依照使光机系统折转后体积最小的原则进行安本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种指掌纹图像采集装置，其特征在于：由LED背光源、采集棱镜、第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集器本体构成；采集棱镜为等腰直角棱镜，设置在采集器本体的采集窗口处，包括光入射面、采集面、图像输出面，采集棱镜的斜面作为采集面，位于指纹采集窗口处，靠近采集者一侧的直角面为光入射面，另一侧直角面为图像输出面，采集面与图像输出面的夹角为45°~50°；LED背光源位于采集棱镜入射面一侧，为系统提供照明光；镜头光轴与棱镜光入射面平行，并通过采集面中心，第一反射镜距离图像输出面约162mm，并与光轴夹角55.5°，第二反射镜距离第一反射镜128mm，并与光轴夹角67.5°，成像镜头安装在距采集棱镜输出面380~280 mm距离处，第一反射镜和第二反射镜表面为镀铝介质高反膜，中心波长525 nm，反射率大于93%；反第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上；由棱镜图像输出面出射的光线，经第一反射镜反射后变为第二反射镜的入射光线，该入射光线经由第二反射镜反射后变为出射光线，被成像镜头接收，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上；CMOS光电转换器主要由USB控制芯片、可编程逻辑器件CPLD、彩色CMOS芯片和缓存芯片FIFO构成；USB通过IO端口将RESET_BAR_IN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC信号和SLWR信号与CPLD的IO端口连接，USB的数据端口DATA_USB也连接着CPLD的IO端口；USB控制芯片通过I2C端口与彩色CMOS芯片连接，USB控制芯片通过I2C端口对彩色CMOS芯片进行配置；CPLD芯片通过输出端口将RESET_BAR信号和EXTCLK信号传输给彩色CMOS芯片，对彩色CMOS进行复位；将行信号LV、场信号FV、数据同步时钟信号PCLK和图像数据DATA_SENSOR与CPLD的输入端口连接；CPLD通过IO端口与FIFO的WRST信号、WE信号、WCK信号、RRST信号、RE信号、RCK信号、ORDY信号、IN_USB数据、OUT_BUS数据连接，将彩色CMOS传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中进行暂存；将FIFO中存储的图像数据通过OUT_BUS端口传输给CPLD，CPLD再通过DATA_USB端口将图像数据传输给USB控制芯片。...

【技术特征摘要】
1.一种指掌纹图像采集装置，其特征在于：由LED背光源、采集棱镜、第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集器本体构成；采集棱镜为等腰直角棱镜，设置在采集器本体的采集窗口处，包括光入射面、采集面、图像输出面，采集棱镜的斜面作为采集面，位于指纹采集窗口处，靠近采集者一侧的直角面为光入射面，另一侧直角面为图像输出面，采集面与图像输出面的夹角为45°~50°；LED背光源位于采集棱镜入射面一侧，为系统提供照明光；镜头光轴与棱镜光入射面平行，并通过采集面中心，第一反射镜距离图像输出面约162mm，并与光轴夹角55.5°，第二反射镜距离第一反射镜128mm，并与光轴夹角67.5°，成像镜头安装在距采集棱镜输出面380~280mm距离处，第一反射镜和第二反射镜表面为镀铝介质高反膜，中心波长525nm，反射率大于93%；反第一反射镜、第二反射镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上；由棱镜图像输出面出射的光线，经第一反射镜反射后变为第二反射镜的入射光线，该入射光线经由第二反射镜反射后变为出射光线，被成像镜头接收，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上；C...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，王佳楠，刘旭东，孟凡清，朱德彬，张立平，王岩，佟庆强，
申请(专利权)人：长春鸿达光电子与生物统计识别技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22