专利名称：四指指纹图像采集仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种四指指纹图像采集仪，属于指纹采集装置技术领域。
背景技术：
在常规的四连指指纹采集仪的光学系统中，一般是采用等腰直角棱镜作为指纹采 集棱镜，采用黑白CMOS电子器件作为传感器，由于等腰直角棱镜的体积及黑白CMOS外型尺 寸都很大，所以采集仪的本体也就变得很大；另外，由于采集四连指指纹图像的数据量远远 大于采集单指图像的数据量，所以多数厂家采用FPGA配合双片SDRSDRAM或单片DDR SDRAM 的连接方案，甚至还在前面基础之上增加了一片CPLD放在FPGA和Sensor之间，用来管理 Sensor的时序，最终导致市场上的四连指指纹采集仪体积都比较大，价格也很昂贵，制约了 四指指纹采集仪的推广使用。
发明内容本实用新型提供一种四指指纹图像采集仪，克服了现有同类型指纹采集仪体积 大、分量重、成本高的缺欠。 本实用新型四指指纹采集仪包括以下部分组成由红外LED光源、采集棱镜、反射 镜、分光镜、成像镜头、CMOS光电转换器、USB数据线及采集仪本体构成，其特征在于采集 棱镜设置在采集仪本体的采集窗口处，采集棱镜为上下表面平行的六面体，上表面小为指 纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面大为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，与上 表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角40度，采集棱镜2的下表面约为3毫米处装置有红 外LED光源，反射镜距离采集棱镜下表面约为25毫米，并且与水平方向夹角50度，反射镜、 分光镜、成像镜头、CM0S光电转换器顺序排列位于系统光轴上，反射镜设在采集棱镜与成像 镜头之间，将采集棱镜出射的光线反射到成像镜头上，CMOS光电转换器设置在成像镜头的 像面上。 反射镜表面镀分光膜，波长为400-700nm的可见光透射，透过率大于85% ;同时红 外光反射，反射率大于98%。 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10端口将RESE乙BARJN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC 信号和SLWR信号与CPLD的10端口连接，USB的数据端口 DATA_USB也连接着CPLD的10端 □; 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10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，红外LED光源指示标识亮，表示光源已经正常工作；当标识亮 时，用户需要将左手四指放在采集面上进行图像采集；当标识亮时，用户需要将双拇指放在 采集面的中心位置进行图像采集；当标识亮时，用户需要将右手四指放在采集面上进行图 像采集；按奈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10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四指指纹图像。 该采集仪同时能采集四个手指，大大提高了采集效率，同时也提高了指纹识别的 精度；本实用新型在采集棱镜的下表面丝印指示标识，通过其下的蓝光LED及柔光膜实现 操作状态指示。指示效果美观、大方，深埋在玻璃下部，具有高科技的神秘感。 本实用新型积极效果在于利用红外光源照射，实现了在彩色CMOS芯片上获得高 质量的黑白图像。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。 本实用新型的采集棱镜采用上下光学面平行的特点，在采集棱镜内发生2次反 射，第一次是在镀内反射膜面发生反射，第二次是光线在棱镜内部发生全反射。2次反射有 效的减小了仪器的体积，反射镜表面镀分光膜，波长为400-700nm的可见光透射，透过率大 于85%;同时红外光反射，反射率大于98%。在采集棱镜底部丝印操作指示等状态标识，通 过其下的蓝光LED及柔光膜实现操作状态指示。指示效果美观、大方，深埋在玻璃下部，具 有高科技的神秘感。本实用新型的巧妙之处在于通过红外选择性反射镜及分光镜去除了 指示灯的蓝光对于成像光路的影响，具有生产容易、成本低廉、效果神奇的优势； 红外选择性反射镜，应用了目前顶级的多层镀膜技术，镀膜层数多达50层，将红 外光反射率提高到98%的同时，可见光的透过率仍然高于95%。这在光学领域是一大技术 突破，此技术应用在四指采集仪里，使得仪器对环境光的抗干扰能力在同类产品中尤为突 出。 镜头前端增加红外透过、可见光反射的分光镜，保证了光路对红外光充分利用的 同时，又将可见光波段的杂散光进行滤除，与红外选择性反射镜的组合使用，更进一步的降 低了环境光对采集仪的干扰。
图1为本实用新型光学系统原理图； 图2为本实用新型的采集棱镜主视图； 图3为本实用新型的采集棱镜左视图； 图4为本实用新型的采集棱镜俯视图 图5为本实用新型的电路原理图；[0021] 图6为本实用新型印在采集棱镜底部的指示标识丝印示意图； 图中，1、红外LED光源；2、采集棱镜；3、反射镜；4、分光镜；5、成像镜头；6、CM0S光 电转换器；7、USB数据线；8、采集仪本体；9、红外LED光源指示标识；10、采集左手四指的指 示标识；11、采集双拇指的指示标识；12、采集右四指的指示标识。
具体实施方式实施例1 根据图l所示，由红外LED光源(1)、采集棱镜(2)、反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜 头(5)、 CMOS光电转换器(6)、 USB数据线(7)、采集仪本体(8)组成四指指纹图像采集仪。 其中，红外LED光源(1)作为系统的照明装置固定在采集棱镜(2)的下表面为3毫米处；反 射镜(3)固定在采集棱镜(2)下表面为25毫米位置上，反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头 (5)、 CMOS光电转换器(6)的中心位于系统光轴上，分光镜(4)固定在成像镜头(5)前面， 起到滤除环境光作用。红外LED光源(1)、反射镜(3)和分光镜(4)结合应用，使光学系统 在最大程度上避免了环境光的影响。 参见图2、3、4所示，采集棱镜(2)为上下表面平行的六面体，上表面小为指纹采集 面位于指纹采集窗口处，左侧为镀银反射面，与上表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角 40度，在采集棱镜(2)下表面丝印了四个指示标识，如图6所示，红外LED光源电路板的相 应位置有蓝色LED给指示标识照明。 如图5所示，本实用新型电路主要由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。其中USB控制芯片主要实现对彩色CMOS芯片的配置，并 将图像数据传输给计算机；可编程逻辑器件CPLD主要控制图像数据完整的传输；彩色CMOS 芯片主要实现图像的采集；缓存芯片FIFO主要实现图像数据的暂时存储。 USB通过10端口将RESE乙BARJN信号、START信号、IFCLK信号、INT1信号、FLAGC 信号和SLWR信号与CPLD的10端口连接，USB的数据端口 DATA_USB也连接着CPLD的10端 口 。其中RESET_BAR_IN信号是彩色CMOS芯片正常工作之前的复位信号，START信号是启 动CPLD工作的开始信号，IFCLK信号是USB芯片给出的时钟信号，INT1信号是USB的外部 中断信号，FLAGC信号是USB给出的状态标志信号，根据这个状态标志信号CPLD控制着数 据的传输，SLWR是USB芯片数据传输的使能信号，当USB允许的情况，CPLD将SLWR信号使 能，并将图像数据通过DATA_USB端口传输给USB控制芯片。 USB控制芯片通过12C端口与彩色CM0S芯片连接，USB控制芯片通过12C端口对 彩色CMOS芯片进行配置，包括对采集窗口大小、采集窗口起始点、曝光时间、增益等信息的设置。 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， 其中RESET_BAR信号是USB给出的彩色CMOS芯片复位信号，之所以通过CPLD芯片，是因为 USB输出的RESET_BAR_IN信号电压是3. 3V，而彩色CMOS芯片的工作信号电压是1. 8V，所以 通过CPLD芯片将3. 3V的RESET_BAR_IN信号降为1. 8V的RESET_BAR信号对彩色CMOS芯 片进行复位；EXTCLK信号是彩色CMOS芯片的输入时钟信号，是CPLD通过对IFCLK信号降 压得来的。当彩色CMOS芯片正常工作时，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。[0030] CPLD通过10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、OU乙BUS数据连接。其中WRST信号和RRST信号是CPLD 传输给FIFO芯片的写地址复位信号和读地址复位信号；WE信号是FIFO的写使能信号，当 WE信号有效时，CPLD控制着将彩色CMOS芯片传输过来的图像数据IN_USB写入到FIFO中 进行暂存；WCK是FIFO的写时钟信号，每写入到FIFO中的数据都是同步于WCK的；RE信号 是FIFO的读使能信号，RCK是FIFO的读时钟信号，ORDY是FIFO给出的状态信号，当条件 允许时，CPLD将RE信号使能，并将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。
权利要求一种四连指指纹采集仪，由红外LED光源(1)、采集棱镜(2)、反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)、USB数据线(7)及采集仪本体(8)构成，其特征在于采集棱镜(2)设置在采集仪本体(8)的采集窗口处，采集棱镜(2)为上下表面平行的六面体，上表面小为指纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面大为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，与上表面夹角70度，右侧斜面与下表面夹角40度，采集棱镜(2)的下表面装置有红外LED光源(1)，反射镜(3)设在采集棱镜(2)下表面位置上，并且与水平方向夹角50度，反射镜(3)、分光镜(4)、成像镜头(5)、CMOS光电转换器(6)顺序排列位于系统光轴上，反射镜(3)设在采集棱镜(2)与成像镜头(5)之间，将采集棱镜(2)出射的光线反射到成像镜头(5)上，CMOS光电转换器(6)设置在成像镜头(5)的像面上。
2. 根据权利要求l所述的采集仪，其特征在于反射镜(3)表面镀分光膜，波长为 400-700nm的可见光透射，透过率大于85% ;同时红外光反射，反射率大于98%。
3. 根据权利要求1或2所述的采集仪，其特征在于CMOS光电转换器(6)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10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10端口连接，USB的数据端口 DATA_USB与CPLD的10端口连接；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10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。
专利摘要本实用新型提供一种四指指纹图像采集仪，采集棱镜设置在采集仪本体的采集窗口处，采集棱镜为上下表面平行的六面体，上表面为指纹采集面，位于指纹采集窗口处，下表面为采集指示灯丝印面，左侧为镀银反射面，采集棱镜的下表面装置有红外LED光源，反射镜、分光镜、成像镜头、CMOS光电转换器顺序排列位于系统光轴上，反射镜设在采集棱镜与成像镜头之间，将采集棱镜出射的光线反射到成像镜头上，CMOS光电转换器设置在成像镜头的像面上。本实用新型利用红外光源照射，实现了在彩色CMOS芯片上获得高质量的黑白图像；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。同时能采集四个手指，大大提高了采集效率，同时也提高了指纹识别的精度。
文档编号G06K9/20GK201527662SQ20092009401
公开日2010年7月14日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者刘湖, 孟凡清, 张立平, 朱德彬, 王莉, 胡绘珠 申请人:长春鸿达光电子与生物统计识别技术有限公司