超薄指紋采集儀光學(xué)設(shè)計

李澤政 張勇盛 張博 周路

摘要：本文針對市面上的單指指紋采集模塊體積較大，高度方向較厚的缺點，設(shè)計了一款基于梯形棱鏡的單指指紋采集儀，通過增加反射面的反射次數(shù)有效降低了棱鏡厚度和光路長度，從而有縮小了采集儀外形尺寸。通過Zemax軟件仿真設(shè)計了單片成像透鏡，系統(tǒng)成像分辨率達到500DPI以上，鏡頭MTF曲線在特征頻率97pl/mm處對應(yīng)值大于0.3，具有很高的成像解析度。相關(guān)研究對指紋采集儀的嵌入式應(yīng)用推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：指紋采集儀;光學(xué)式;梯形畸變

0 引言

指紋識別技術(shù)是利用指紋紋理上的特征點來進行身份識別。因指紋具有防偽性、唯一性加之終身不變性，使其成為確認個人身份的重要生物特征，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于公安系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等等[1-4]。市面上傳統(tǒng)的指紋采集儀通常是采用等腰直角棱鏡或三角棱鏡作為采集棱鏡，由于只進行了一次光反射，所以光路較長，而且由于棱鏡在高方向的大小限制，采集儀通常無法做的很小，限制了其在許多嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用。

本項目擬設(shè)計一種全新的指紋采集儀，采用梯形棱鏡取代傳統(tǒng)三角棱鏡，由于梯形棱鏡在高方向可以做的很薄而且采用特殊設(shè)計增加了一次光反射次數(shù)，從而大大減小了采集儀的外形尺寸。相關(guān)研究成果對推廣光學(xué)式采集儀在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用具有重要意義。

1 指紋采集儀設(shè)計

單指指紋采集儀光學(xué)設(shè)計要求是采集面有效采集尺寸不低于13 mm*18.3mm，分辨率500dpi。CMOS傳感器像元尺寸越大，成像質(zhì)量也越高，但相應(yīng)成本也會越高，因此CMOS的選擇應(yīng)綜合考慮多方面因素。本設(shè)計圖像傳感器采用MT9M001C傳感器，像元尺寸5.2μm。圖2是超薄指紋采集儀光路圖，其中指紋采集面經(jīng)過了梯形棱鏡兩個反射面的展開。棱鏡材料則采用常見的K9玻璃。

2 指紋采集儀光學(xué)仿真結(jié)果

設(shè)計經(jīng)驗要求光學(xué)系統(tǒng)在特征頻率1/2d（lp/mm）處的MTF值接近0.3，其中d為像元尺寸，從而保證鏡頭有很高的解析力，因此本設(shè)計要求鏡頭MTF曲線在特征頻率97pl/mm處對應(yīng)值大于0.3。本設(shè)計中的成像透鏡采用單片非球面透鏡，最大程度校正幾何像差。圖3是采用Zemax軟件仿真得到的成像系統(tǒng)MTF曲線圖，可以看出物面所有視場對應(yīng)的MTF值在特征頻率97pl/mm處均大于0.3，具有很高的解析度，完全滿足指紋圖像采集標(biāo)準(zhǔn)。

3 總結(jié)

本文基于梯形棱鏡設(shè)計了一款超薄指紋采集系統(tǒng)，其中光學(xué)模塊部分在高度方向的最大值僅為10mm。成像透鏡采用單片式非球面，MTF值在97pl/mm處均大于0.3，系統(tǒng)分辨率大于500dpi，完全滿足指紋采集要求。相關(guān)產(chǎn)品可以滿足于嵌入式設(shè)備及常規(guī)指紋采集儀等多種應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1] 周路， 遲耀丹， 郭亮. 物方遠心雙指指紋采集光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 激光與光電子學(xué)進展， 2016， 53， 102201.

[2] 黃瑋， 韓正臣. 多指指紋采集儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程， 2006， 14（6）： 955-958.

[3] 黃瑋. 系統(tǒng)無畸變指紋采集儀的光學(xué)設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程， 2007， 15（5）： 646-65.

[4] 李澤政， 張勇盛， 張博， 周路. 光學(xué)式指紋采集儀設(shè)計淺析[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2018， 12.

作者簡介：李澤政，男，現(xiàn)就讀于吉林建筑大學(xué)電氣與計算機學(xué)院。