超薄指紋采集儀光學設計

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軟件仿真設計了單片成像透鏡，系統成像分辨率達到500DPI以上，鏡頭MTF曲線在特征頻率97pl/mm處對應值大于0.3，具有很高的成像解析度。相關研究對指紋采集儀的嵌入式應用推廣具有重要意義。

關鍵詞：指紋采集儀;光學式;梯形畸變

0 引言

指紋識別技術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，該技術已被廣泛應用于公安系統、門禁系統、考勤系統等等[1-4]。市面上傳統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備中的應用。

本項目擬設計一種全新的指紋采集儀，采用梯形棱鏡取代傳統三角棱鏡，由于梯形棱鏡在高方向可以做的很薄而且采用特殊設計增加了一次光反射次數，從而大大減小了采集儀的外形尺寸。相關研究成果對推廣光學式采集儀在嵌入式設備中的應用具有重要意義。

1 指紋采集儀設計

單指指紋采集儀光學設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，成像質量也越高，但相應成本也會越高，因此CMOS的選擇應綜合考慮多方面因素。本設計圖像傳感器采用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 指紋采集儀光學仿真結果

設計經驗要求光學系統在特征頻率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，因此本設計要求鏡頭MTF曲線在特征頻率97pl/mm處對應值大于0.3。本設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MTF曲線圖，可以看出物面所有視場對應的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準。

3 總結

本文基于梯形棱鏡設計了一款超薄指紋采集系統，其中光學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，系統分辨率大于500dpi，完全滿足指紋采集要求。相關產品可以滿足于嵌入式設備及常規指紋采集儀等多種應用需求。

參考文獻：

[1] 周路， 遲耀丹， 郭亮. 物方遠心雙指指紋采集光學系統設計[J]. 激光與光電子學進展， 2016， 53， 102201.

[2] 黃瑋， 韓正臣. 多指指紋采集儀的光學系統設計[J]. 光學精密工程， 2006， 14（6）： 955-958.

[3] 黃瑋. 系統無畸變指紋采集儀的光學設計[J]. 光學精密工程， 2007， 15（5）： 646-65.

[4] 李澤政， 張勇盛， 張博， 周路. 光學式指紋采集儀設計淺析[J]. 科學技術創新， 2018， 12.

作者簡介：李澤政，男，現就讀于吉林建筑大學電氣與計算機學院。