超薄指纹采集仪光学设计

李泽政 张勇盛 张博 周路

摘要：本文针对市面上的单指指纹采集模块体积较大，高度方向较厚的缺点，设计了一款基于梯形棱镜的单指指纹采集仪，通过增加反射面的反射次数有效降低了棱镜厚度和光路长度，从而有缩小了采集仪外形尺寸。通过Zemax软件仿真设计了单片成像透镜，系统成像分辨率达到500DPI以上，镜头MTF曲线在特征频率97pl/mm处对应值大于0.3，具有很高的成像解析度。相关研究对指纹采集仪的嵌入式应用推广具有重要意义。

关键词：指纹采集仪;光学式;梯形畸变

0 引言

指纹识别技术是利用指纹纹理上的特征点来进行身份识别。因指纹具有防伪性、唯一性加之终身不变性，使其成为确认个人身份的重要生物特征，该技术已被广泛应用于公安系统、门禁系统、考勤系统等等[1-4]。市面上传统的指纹采集仪通常是采用等腰直角棱镜或三角棱镜作为采集棱镜，由于只进行了一次光反射，所以光路较长，而且由于棱镜在高方向的大小限制，采集仪通常无法做的很小，限制了其在许多嵌入式设备中的应用。

本项目拟设计一种全新的指纹采集仪，采用梯形棱镜取代传统三角棱镜，由于梯形棱镜在高方向可以做的很薄而且采用特殊设计增加了一次光反射次数，从而大大减小了采集仪的外形尺寸。相关研究成果对推广光学式采集仪在嵌入式设备中的应用具有重要意义。

1 指纹采集仪设计

单指指纹采集仪光学设计要求是采集面有效采集尺寸不低于13 mm*18.3mm，分辨率500dpi。CMOS传感器像元尺寸越大，成像质量也越高，但相应成本也会越高，因此CMOS的选择应综合考虑多方面因素。本设计图像传感器采用MT9M001C传感器，像元尺寸5.2μm。图2是超薄指纹采集仪光路图，其中指纹采集面经过了梯形棱镜两个反射面的展开。棱镜材料则采用常见的K9玻璃。

2 指纹采集仪光学仿真结果

设计经验要求光学系统在特征频率1/2d（lp/mm）处的MTF值接近0.3，其中d为像元尺寸，从而保证镜头有很高的解析力，因此本设计要求镜头MTF曲线在特征频率97pl/mm处对应值大于0.3。本设计中的成像透镜采用单片非球面透镜，最大程度校正几何像差。图3是采用Zemax软件仿真得到的成像系统MTF曲線图，可以看出物面所有视场对应的MTF值在特征频率97pl/mm处均大于0.3，具有很高的解析度，完全满足指纹图像采集标准。

3 总结

本文基于梯形棱镜设计了一款超薄指纹采集系统，其中光学模块部分在高度方向的最大值仅为10mm。成像透镜采用单片式非球面，MTF值在97pl/mm处均大于0.3，系统分辨率大于500dpi，完全满足指纹采集要求。相关产品可以满足于嵌入式设备及常规指纹采集仪等多种应用需求。

参考文献：

[1] 周路， 迟耀丹， 郭亮. 物方远心双指指纹采集光学系统设计[J]. 激光与光电子学进展， 2016， 53， 102201.

[2] 黄玮， 韩正臣. 多指指纹采集仪的光学系统设计[J]. 光学精密工程， 2006， 14（6）： 955-958.

[3] 黄玮. 系统无畸变指纹采集仪的光学设计[J]. 光学精密工程， 2007， 15（5）： 646-65.

[4] 李泽政， 张勇盛， 张博， 周路. 光学式指纹采集仪设计浅析[J]. 科学技术创新， 2018， 12.

作者简介：李泽政，男，现就读于吉林建筑大学电气与计算机学院。