CN1141664C - 基于波导全息技术的指纹图像传感器及其采集指纹图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电图像传感器领域，包括：半导体激光器线阵通过微透镜线阵发出的准直相干光照明，光波导利用全反射机理构成封闭光路***；使用波导全息光栅元件将入射光束耦合出波导基底，利用全反射机理获取指纹图像，并对出射光束进行波前重构；使用光纤簇作光传输与成像元件，利用CMOS成像芯片采集指纹图像，并以数字视频格式传输给计算机。其核心光学元件波导全息光栅使用Ar⁺激光用干涉条纹曝光方法制备。

Description

基于波导全息技术的指纹图像传感器及其采集指纹图像的方法

技术领域    本发明属于光电图像传感器领域，特别涉及用于探测人体指纹表面形貌的波导全息微光学元件的制备及应用。

背景技术    指纹识别技术是一项广泛应用的高可靠性身份识别技术。使用指纹图像传感器获取高分辨率、高对比度、低畸变的指纹图像是实现准确的指纹识别的前提。目前广泛应用的指纹采集设备多为全反射棱镜式光电指纹图像传感器，一般体积、重量、功耗较大，制造成本高。因此发展一种新型的高性能、低成本的集成化微型光电指纹图像传感器日益受到国内外专家的重视。

目前，指纹图像传感器主要有光电式、电容阵列式、热敏阵列式等几种。其中发展最完善、应用最广泛的全反射棱镜式光电指纹图像传感器工作原理如图1、图2所示，描述如下：

由照明用扩展光源1发出的经准直后的平行入射光束2从全反射棱镜3的直角边入射棱镜内。被采手指4按于棱镜斜边。其中指纹沟部位5不与棱镜表面接触，入射光束2在此发生全反射；指纹脊6部位接触棱镜表面，破坏全反射条件，入射光束2将被散射。由此，入射光束2就被指纹图样调制形成携有指纹图像的出射光束7，进入图像获取***8，经过进一步处理后可得到指纹的图像。

在上述的方法中，由于各光学元件分立，并采用开放式空间光路，结构复杂体积较大，并易受背景光噪声干扰。

发明内容    本发明目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种基于波导全息技术的指纹图像传感器，使用波导全息光学元件，采取微型集成化封闭式光路设计，使其具有体积小，不易受背景光噪声干扰，制备成本低，适于大批量生产的特点。

本发明提出一种基于波导全息技术的指纹图像传感器，其特征在于，包括

一边倾斜形成重构光入射角的光学波导板和紧贴在其上表面的波导全息片，该光学波导倾斜的一端安装有半导体激光器线阵和微透镜阵列，该半导体激光器的工作波长与所说的光学波导板的重构光入射角相匹配，该波导板的下表面与光纤簇的大端紧密贴，该光纤簇的小端与CMOS成像芯片紧密贴，该CMOS成像芯片安装在信号调理及接口电路板上。

本发明所说的波导全息片由厚1.8～2.5mm的光学玻璃底板和位于其一侧表面的制作在厚5～15μm的卤化银感光乳剂层上的全息光栅两部分组成。

根据全息衍射光栅理论和波导全息理论，选取波导全息片上的感光乳剂层的折射率稍小于光学波导板，因此制作出的全息光栅形成体全息结构。

所说的半导体激光器线阵的工作波长为650nm红光，光学波导板的重构光入射角为70°。

本发明还提出一种指纹图像传感器采集指纹图像的方法，其特征在于，由一边经倾斜形成重构光入射角的光学波导板和紧贴在其上表面的波导全息片，半导体激光器线阵，CMOS成像芯片及信号调理及接口电路板所组成的指纹图像传感器，采集指纹图像具体包括以下步骤：

1)指纹图像传感器与上位计算机联机，待采集指纹的手指平压于波导全息片上方；

2)指纹图像传感器点亮照明光源，发出入射光束通过基底光学平板玻璃进入波导全息片，按照全反射采集指纹图像的原理，出射光束携有指纹图像，并在通过波导全息光栅时，发生衍射并导致波前重构；

3)波前重构后的出射光束通过光纤簇会聚成像于CMOS成像芯片上；

4)计算机控制CMOS成像芯片以快照方式获取指纹图像；

5)指纹图像传感器通过传输电缆将数字格式的指纹传输给计算机。

本发明获得指纹图像的原理是：半导体激光器光源发出中心波长位于红光范围内的入射光束经斜劈的基底光学平板玻璃一端以与入射光中心波长相匹配的入射角入射。入射光束通过基底光学平板玻璃进入波导全息片，并在其上表面发生全反射。出射光束将被指纹作幅度调制，携有指纹图像。出射光束在通过波导全息片下表面的全息光栅层时，将发生衍射并导致波前重构，从而改变传播方向，向正下方进入光纤簇，并会聚成像于CMOS成像芯片的光敏单元阵列上，光强信号经调理与接口电路调理后以数字视频格式送往计算机或其它中央控制器。

本发明的特点包括：

1、使用光学波导，利用全反射机理形成封闭光路；

2、使用半导体激光器线阵和微透镜线阵形成准直相干光束照明；

3、使用波导全息光栅元件将入射光束耦合出波导，形成全反射获取指纹图像，并对出射光束波前重构；

本发明的优点在于：

1、采用封闭式光路设计，可有效屏蔽环境杂光引入的噪声；

2、有效集成使用集成光学和光纤光学元件，***紧凑体积小；

3、核心波导全息元件制备成本低，适于大批量生产。

附图说明

图1是目前全反射棱镜式光电指纹图像传感器工作原理。

图2是使用全反射方法提取指纹图像的原理。

图3是本发明的波导全息集成化指纹图象传感器***装置图。

图4是本发明的波导全息元件的工作原理。

图5是波导全息元件的制备装置图。

具体实施方式  本发明的一种基于波导全息技术的指纹图像传感器的实施例结合附图详细说明如下：

本发明提出的指纹图像传感器结构实施例如图3、图4所示：

该指纹图像传感器的核心光学元件是一边经70°斜劈的光学波导11和紧贴在其上表面的波导全息片12。波导全息片12与光学波导11之间用折射率匹配由13保证二者的紧密贴合。光学波导被斜劈的一端安装有半导体激光器线阵(中心波长650nm)9，运用微透镜线阵对激光束准直形成照明光束。波导板的下表面与光纤簇16的大端紧密贴和安装，光纤簇的小端与CMOS成像芯片17紧密贴和安装。CMOS成像芯片安装在信号调理及接口电路板上18。本发明的核心光学元件是波导全息片12，由厚2mm的光学玻璃底板和位于其下表面的厚6μm的全息光栅层两部分组成。根据全息衍射光栅理论和波导全息理论，该元件上全息光栅形成体全息结构，即选取感光乳剂的折射率稍小于波导片。在工作波长为650nm红光，重构光入射角为70°，物光入射角0°的情况下，全息光栅15的条纹间距为：

对应全息光栅15的空间频率为 $f=\frac{1}{d}\≈1800m{m}^{-1}---\left(2\right)$

为得到高对比度和高分辨率的指纹图像，应使入射光束10通过全息光栅15的透射率和出射光束14通过全息光栅15的衍射率相近，故对应的全息光栅15的衍射效率应为0.4～0.6。

本发明中核心光学元件波导全息片12的制备方法实施例如图5所示。本方法使用一面涂有均匀感光乳剂涂层的商用全息干板19(乳剂层厚度6μm)对波导全息干涉图样进行曝光制作。使用波长为λ’＝514nm的Ar⁺激光器20作光源。为满足(1)中的参数d，则制作波导全息片时，物光和参考光的夹角应为：

Ar⁺激光器20的光束首先通过一个由显微物镜21和针孔22组成的针孔滤波器滤去高频噪声，然后通过球面凸透镜23形成准直光束24，由分束器25分成物光26和参考光27两束，经平面镜调整至夹角为53.9°，并使用柱面镜29调整使物光和参考光光斑覆盖面积大致重合。全息干板19充分曝光后，经显影、定影、烘干后可得到符合参数要求的振幅式波导全息片。

为得到高对比度和高分辨率的指纹图像，在后期制作中需要对全息光栅进行漂白处理形成相全息光栅，以提高全息光栅的衍射效率。

用本发明的方法提取人体指纹可用中心波长650nm红光发光二极管线阵作光源，光纤簇可使用Edmund Scientific Co.公司产品Part No.52362，CMOS成像芯片及其附属信号调理电路使用OmniVision公司OV7710黑白CMOS图像传感芯片及其信号接口处理板，以USB(通用串行总线)与计算机联机。被测手指平按于波导全息片上表面，由计算机给出提取指纹指令，CMOS图像传感芯片可通过信号接口处理板及USB总线以每秒15帧采样速率向计算机传输获取的指纹图象，当计算机给出停止采集指令时可停止采集。本发明在使用两端面积比为3∶1的光纤簇作成像***，使用光敏单元数大于640×480，数字量化深度大于8bit的面阵CMOS成像芯片时，可以得到分辨率大于600dpi，对比度优于250∶1，畸变率小于1％的指纹图像。

Claims (5)

1、一种基于波导全息技术的指纹图像传感器，其特征在于，包括：一边经倾斜形成重构光入射角的光学波导板和紧贴在其上表面的波导全息片，该光学波导倾斜的一端安装有半导体激光器线阵，该半导体激光器的工作波长与所说的光学波导板的重构光入射角相匹配，该波导板的下表面与光纤簇的大端紧密贴，该光纤簇的小端与CMOS成像芯片紧密贴，该CMOS成像芯片安装在信号调理及接口电路板上。

2、如权利要求1所述的指纹图像传感器，其特征在于，所说的波导全息片由厚1.8～2.5mm的光学玻璃底板和位于其一侧表面的制作在厚5～15μm的感光乳剂层上的全息光栅两部分组成。

3、如权利要求1所述的指纹图像传感器，其特征在于，选取波导全息片上的感光乳剂层的折射率稍小于光学波导板，因此制作出的全息光栅形成体全息结构。

4、如权利要求1所述的指纹图像传感器，其特征在于，所说的半导体激光器线阵的工作波长位于红光范围内，光学波导板的重构光入射角与之相匹配

5、一种指纹图像传感器采集指纹图像的方法，其特征在于，由一边经倾斜形成重构光入射角的光学波导板和紧贴在其上表面的波导全息片，半导体激光器线阵，CMOS成像芯片及信号调理及接口电路板所组成的指纹图像传感器，采集指纹图像具体包括以下步骤：

1)指纹图像传感器与上位计算机联机，待采集指纹的手指平压于波导全息片上方；

2)指纹图像传感器点亮照明光源，发出入射光束通过基底光学平板玻璃进入波导全息片，按照全反射采集指纹图像的原理，出射光束携有指纹图像，并在通过波导全息光栅时，发生衍射并导致波前重构；

3)波前重构后的出射光束通过光纤簇会聚成像于CMOS成像芯片上；

4)计算机控制CMOS成像芯片以快照方式获取指纹图像；

5)指纹图像传感器通过传输电缆将数字格式的指纹传输给计算机。

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