指纹传感器

指纹传感器的工作原理和使用方法
指纹已在人的身份识别和身份确定等领域得到广泛应用。

如,指纹数字签名、指纹考勤、指纹U盘、指纹移动硬盘、指纹门锁、指纹鼠标等,通过指纹来识别身份;在医院里,可通过使用指纹进行病历档案等的管理;指纹IC卡、指纹ID系统等[1]。

其中,实时指纹传感器是指纹应用技术的核心技术之一,它直接决定着指纹识别技术的水平以及相关产品性能的高低。

目前,国内相关产品的核心部件几乎都来自国外,因此,研制出高质量、低成本的实时指纹传感器具有十分重要意义。

指纹传感器技术目前主要有三种:光学全反射指纹传感器技术、超声波扫描指纹传感器技术和晶体电容指纹传感器技术。

其中,基于光学全反射指纹传感器技术虽然成像能力一般,但因其具有耐用性好、成本低、可靠性高和性能稳定等优点,就国外指纹识别技术所使用的现状而言光学全反射指纹传感器器技术仍是指纹取像系统的首选技术。

目前,在面向生物体认证(人体认证)的指纹传感器中,传统型光学传感器仍占有优势;基于超声波扫描技术的超声波扫描指纹传感器,成像能力好,但成本极高,不适应普通使用;基于晶体传感器指纹取像技术的晶体电容指纹取像系统,由于容易损坏且易受静电影响、成像可靠性不高,甚至对汗多或稍脏的手指不能成像,使用范围受到局限。

核心部件是电荷耦合设备（CCD），这与数码相机和摄像机中使用的光传感器系统是相同的。

CCD 只不过是一组光敏二极管（称为光敏器件），这种器件在光子的作用下可以产生电信号。

每个光敏器件记录一个像素，即一个代表射中该点的光束的微小圆点。

明暗像素共同构成了扫描场景（例如一个手指）的图像。

通常，在扫描仪系统中有一个模数转换器，用来处理模拟电子信号以产生该图像的数字表现形式。

扫描仪配有光源，通常为一组发光二极管，用来照亮手指的嵴纹。

当你将手指放在玻璃板上时，扫描过程就开始了，CCD相机便将指纹照片拍摄下来。

实际上CCD系统产生的是手指的倒像，较暗的区域代表较多反射光线（手指的嵴纹），较亮的区域代表较少的反射光线。

在比较指纹与存储数据之前，处理器要确保CCD拍摄到了清晰的图像。

它会检查像素暗度的平均值或者一个小样本的整体值，如果图像整体太暗或太亮，该次扫描便会被放弃。

于是扫描仪调整曝光时间以允许更多或者更少的光线进入，再扫描一次。

如果暗度合适，扫描仪系统会继续检查图像的清晰度（指纹扫描的锐度）。

处理器将查看在图像上沿垂直和水平方向移动的若干直线。

如果与嵴纹垂直的线由非常暗的像素和非常亮的像素交互组成，那么
就意味着指纹图像有很好的清晰度。

在处理器发现图像清晰并且曝光正确的情况下，它会继续将捕获的指纹与文件上的指纹进行比较。

光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术,光学指纹采集设备始于1971年,目前,传统的方法是利用棱镜的全反射来获得指纹像,利用该方法存在严重的像差,且像在某个方向上被压缩1/ 2。

在1996年,美国的Bahuguna R D等人把全息和全反射技术相结合研究出了一种新型的棱镜指纹传感器[3],很好地解决了传统光学指纹取像的严重问题,从而避免使用复杂的精密光学校正系统和校正处理软件,但其制作不便,且要求极高。

本文作者在此基础上,充分利用激光全息技术从根本上改善光学指纹取像的光路和方法,研制出新型全息光栅实时指纹传感器,以满足国内外市场的需求。

传统光学指纹传感器的典型光路图如图1所示。

其原理[2]是利用光的全反射增强对比度,以获取高清晰度指纹像。

具体过程为:当光线照到压有指纹的玻璃表面时,其反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。

若光线经玻璃照射到谷的地方,则在玻璃与空气的界面发生全反射,光线被反射到CCD;若射到脊的的地方光线不发生全反射,而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方,这样,就在CCD上形成了指纹的图像。

显然,利用该原理主要的存在2个缺点: 1)指纹图像存在着严重的像差和失真(畸变)。

主要是因为指纹图像与主光轴成45°的角度,通过成像系统后指纹像被压缩45°,即有一个投影系数cos 45°=1/ 2; 2)指纹图像模糊,其成像能力有限。

由于照在手指表面的漫射光入射角不同,致使同一点发出的反射光线到达CCD的光程有微小的光程差,从而造成图像的成像模糊,如图1所示,由于经反射后的像与透镜在光轴成45°,因此,其像平面与CCD的轴线不垂直,CCD所获得的指纹像的清晰度受到很大影响,成像能力受到极大限制。

全息棱镜指纹传感，1996年,美国的Bahuguna R D等人研究出了一种新型的棱镜指纹传感器[3]。

研究者很好地解决了传统光学全反射指纹传感器技术中的像差等问题,避免了使用复杂的精密光学校正系统和校正处理软件,使成像能力得到了很大提高,甚至可以看清指
纹脊腺孔的水平。

其原理如图2所示,利用全息光栅将使得指纹像的法线与透镜、CCD摄像机的光轴重合,从而消除指纹像的失真。

但是,利用该原理其光栅的制作环境和技巧要求很高,在三棱镜和全息光栅之间在制作和使用时均需要耦合剂。

其制作全息光栅的原理如图3所示,将全息干版和三棱镜贴在一起,并在其间使用异丙醇作为耦合剂。

通过两相干光如图3所示方向入射,在全息干版上就会形成干涉,从而制成所需的全息光栅。

在实际操作时,既要保证二者之间无气泡,又要保证二者之间的耦合剂均匀,同时,感光时间不能太长(由于在全息干版和三棱镜之间使用的异丙醇与酒精一样具有很强的挥发性),因此,在制作时,比较难于做出满足要求的、较为理想的全息光栅。

另外,在使用时还必须用一种与异丙醇折射率相同的粘合剂,且全息干版和三棱镜之间必须吻合得很好。

因此,要到达理想的效果,要求实验条件和技巧甚高,在实际中,要制作出满足
要求的全息光栅有相当的难度。

在上述新型棱镜指纹取像系统的基础上,通过大量的理论和实验论证,本文作者设计出一种新型全息光栅指纹传感器,其光路原理如图4所示。

用单色平行光以45°夹角照射到全息光栅上压有指纹的全息光栅背后的玻璃表面时,其反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分,反射光线再次通过光栅后,从垂直于光栅的平面射出,射出的光携带着指纹信息即指纹像,且指纹像的法线与透镜、CCD摄像机的光轴重
合,从而消除指纹像的失真。

利用该方法不但解决了传统光学全反射指纹传感器技术中的像差、图像压缩等问题,其成像对比度高,且像面与光轴垂直,因此,具有很好的成像能力,通过凸透镜放大后完全可以看清指纹脊上的腺孔,如图5所示,利用钠光灯所获得的图(未经任何处理)可以非常清楚地观察到指纹脊上的腺孔,这完全达到科研预期效果。

另外,在全息光栅的制作上,也比新型棱镜指纹取像系统中的光栅简单、方便,成本大大降低,同时,也无需使用三棱镜。

新型全息光栅指纹传感器去掉了棱镜,在光栅的制作上也更简单、方便,无需耦合剂等,直接用两互成一定角度的两相干光就可制成。

在实验中,使用的是氦氖激光制成的全息光栅,本文作者正在利用不同波长的激光制作不同角度的全息光栅以及利用不同种类的全息干版进行对比实验,期望利用高亮度的发光二极管(如1, 2W的红光、绿光等)和小功率的半导体激光二极管以及低强度的光源能达到较好的效果
附：
电容指纹传感器技术
该传感器由一个或多个包含一组微小单元的半导体芯片组成。

每个单元包括两个覆盖有绝缘层的导体板。

这些单元很小——比手指上一个嵴纹的宽度还要小。

传感器和积分器相连，积分器是在倒相运算放大器附近的一个电路。

倒相放大器是一个复杂的半导体设备，由许多晶体管、电阻器和电容器组成。

像任何一种放大器一样，倒相放大器也是根据一个电流的起伏来改变另一个电流的。

具体来说，倒相放大器改变供给电压。

这些改变基于两个输入端（即倒相输入端和非倒相输入
端）的相对电压。

非倒相输入端接地，倒相输入端与基准电压源和反馈回路相连。

同样，与放大器输出端相连的反馈回路也有两个导体板。

您可能已经意识到，这两个导体板形成一个基本电容器，即一个可以存储电荷的电子元件。

手指的表面充当第三个电容板，这个电容板被细胞单元结构中的绝缘层所分离；而在指纹波谷的情况下，则充当一袋空气。

改变电容板之间的距离（通过手指远离或靠近导体板实现）会改变电容器的总容量（存储电荷的能力）。

由于这种特性，在嵴纹的情况下，单元中的电容器要比在波谷时有更大的容量。

要扫描手指，处理器首先关闭每个单元的复位开关，复位开关短接每个放大器的输入和输出以“平衡”积分电路。

当开关再次打开时，处理器将给积分电路一个固定的电输出，电容器就会充电。

反馈回路的电容器容量会影响放大器输入的电压，从而影响放大器的输出。

因为手指的距离会改变容量，所以手指嵴纹与手指波谷将产生不同的电压。

扫描仪处理器读取此输出电压并确定其是嵴纹还是波谷的特征。

通过读传感器阵列中的每一个单元，处理器可以整理出指纹的整体图像，这与光学扫描仪捕获的图像相似。

电容扫描仪的主要优点是，它需要真实的指纹类型形状，而不是组成指纹视觉印象的明暗模式。

这使得这个系统更难被骗。

此外，由于它们使用半导体芯片而不是CCD元件，因此电容扫描仪往往比光学扫描仪体积更小。