Оптическое устройство для сканирования кожного рисунка
Изобретение относится к области биометрической идентификации личности. Устройство содержит осветитель, сенсорный оптический элемент с углом полного внутреннего отражения на границе стекло-вода, оптическую линзовую систему, фотоприемник. Осветитель имеет матрицу источников света. Каждый элемент из матрицы источников света создает плоский пучок света. Источник света содержит призму в виде клина. Призма формирует однородный суммарный поток света. Одна из поверхностей клина имеет растровую поверхность. Сенсорный оптический элемент может иметь выпуклую, плоскую или вогнутую рабочую поверхность. Оптическая система содержит компенсирующую призму в виде клина. Оптическая линзовая система состоит из двух положительных линзовых компонентов. Линзовые компоненты образуют афокальную дуальную телецентрическую оптическую систему. Первый линзовый компонент состоит из двух плосковыпуклых линз, второй линзовый компонент состоит из двух менисков и двух выпукло-вогнутых линз. Техническим результатом является: 1) получение высококачественных отпечатков ладоней и т.п. с малыми искажениями и высокой разрешающей способностью; 2) уменьшение габаритов устройства; 3) универсальность устройства. 16 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к области биометрической идентификации личностей, более конкретно к способам и устройствам сканирования рисунка кожных линий пальцев, ладоней, стопы и т.п., а также к области оптических сканирующих систем, более конкретно к специальным структурам, системам оптической проекции, использующим в общем случае призму с углом полного внутреннего отражения с плоскими гранями, цилиндрическую, коническую и т.д.
В настоящее время все шире используются бескрасковые способы получения отпечатков пальцев с непосредственным вводом в электронную базу данных с использованием ЭВМ, и к устройствам сканирования предъявляются все более возрастающие требования по качеству получаемого изображения при меньших габаритах.
Качество оптического изображения объекта определяется его размерами, разрешающей способностью, величиной геометрических искажений (дисторсией), разномасштабностью по полю изображения, частотно-контрастными характеристиками, светосилой.
Отпечатки пальцев, ладоней и т.п. используются в основном в криминалистике и системах доступа к важным объектам. Более качественные отпечатки повышают достоверность идентификации личности и надежность систем доступа.
Меньшие габариты устройства позволяют более широко и мобильно использовать известные способы биометрической идентификации личностей.
В зависимости от конкретного применения устройства снятия отпечатков могут быть по крайней мере 4-х типов: ладонные сканеры, сканеры для снятия контрольных отпечатков (4 пальца), сканеры для прокатки одного пальца, сканеры для сняти отпечатка пальца без прокатки.
Широкая область применения позволяет говорить об актуальности унификации технических решений.
В настоящее время самое высокое качество изображения отпечатков пальцев, ладоней и т.п. получают оптическими устройствами, имеющими осветитель, сенсорный оптический элемент в виде призмы с полным внутренним отражением, линзовую систему и фотоприемник в виде линейной матрицы ПЗС.
При этом объект по рабочей поверхности призмы сканируется строкой, которая оптически сопряжена с линейной матрицей ПЗС и которая перемещается фронтально либо в направлении вдоль плоскости угла полного внутреннего отражения, либо в поперечном направлении к плоскости этого угла.
Первое называется продольным сканированием, второе называется поперечным сканированием.
Известно устройство (пат. №05189132 JP, классы: G 06 T 7/00, А 61 В 5/117, G 06 T 1/00, номер публикации 07-098764, дата публикации 11.04.1995, дата приоритета 30.06.1993), в котором используется продольное сканирование путем линейных перемещений сканирующего зеркала, линзовой системы и линейной матрицы ПЗС, связанных соотношением, обеспечивающим постоянство оптического пути в призме и в воздухе.
Имеется дополнительный оптический канал для следящего управления при сканировании отпечатков.
При увеличении размеров рабочего поля требуется увеличивать фокусное расстояние линзовой системы и существенно увеличивать размеры призмы по толщине.
Недостатком данного устройства является то, что сканирование производится при существенно изменяющейся толщине стекла призмы и сложность механического привода, который должен обеспечивать соотношение перемещений зеркала, линзовой системы и линейной матрицы ПЗС для постоянства оптического пути.
При изменяющейся толщине стекла могут изменяться дисторсия изображения и частотно-контрастные характеристики оптического канала, что может быть скомпенсировано усложнением линзовой системы.
Универсальность устройства ограничена.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство (пат. №5548394 US, классы: 356/71, G 06 K 009/20, 20 августа 1996, заявители; Giles at al), в котором используется поперечное сканирование путем поворота сканирующего зеркала, при этом размеры поля сканирования определяются размерами первого оптического линзового компонента.
Оптическая линзовая система удовлетворяет условиям: Scheimpflug (Smith, Warren J. "Modem Optical Engeneering: the design of optical systems / Warren J. Smith.-2 nd ed", стр.52-53) - условие углового сопряжения плоскостей объекта и изображения, условию телецентричности входных и выходных лучей (дуальная телецентричность), а также удовлетворяет условию исправления дисторсии и масштаба изображения в 2-х направлениях вдоль и поперек направления сканирования при естественной анаморфотности изображения.
Имеется дополнительный оптический канал для следящего управления при сканировании.
Сканирование производится при постоянной толщине стекла призмы.
Осветитель конденсорного типа создает направленный параллельный пучок света.
Недостатками данного устройства являются ограничение размеров поля сканирования в двух направлениях размерами первого линзового компонента, увеличенные габариты устройства вследствие исправления дисторсии в двух направлениях по всему полю, что требует увеличения фокусных расстояний оптических компонентов, осветитель, имеющий большие габариты, создающий направленный пучок света и имеющий недостаточно высокую эффективность.
Универсальность применения устройства ограничена. Техническим результатом настоящего изобретения является:
1) получение высококачественных отпечатков ладоней, контрольных оттисков, прокатки пальцев и т.п. с малыми искажениями и высокой разрешающей способностью в соответствии с современными требованиями по качеству дактилоскопической информации;
2) уменьшение габаритов устройства в сравнении с аналогами;
3) универсальность устройства, позволяющая широко унифицировать компоненты, при широкой гамме устройств с различным применением и способами сканирования.
Для достижения технического результата в оптическом устройстве для сканирования кожного рисунка, содержащем осветитель, имеющий матрицу источников света, оптическую систему, имеющую сенсорный оптический элемент с углом полного внутреннего отражения на границе стекло-вода и оптическую линзовую систему, формирующую оптический пучок, определяющий оптическое изображение кожного отпечатка, обладающую свойством дуальной телецентричности и анаморфотности изображения, удовлетворяющую условию углового сопряжения плоскостей объекта и изображения, фотоприемник, каждый элемент из матрицы источников света создает плоский пучок света, например, с помощью бифокальной линзы, в источник света введена призма с двухкратным внутренним отражением, формирующая суммарный от матрицы источников света однородный направленный в заданном рабочем для линзовой системы направлении поток света, имеющая вид клина, одна из поверхностей клина имеет растровую поверхность, сенсорный оптический элемент может иметь выпуклую, плоскую или вогнутую рабочую поверхность и предназначен для сканирования относительным перемещением в виде линейного перемещения или вращения, причем осветитель может быть связан при относительном перемещении как с сенсорным оптическим элементом, так и с компенсирующей призмой, линзовой системой и фотоприемником; оптическая система непосредственно за сенсорным оптическим элементом содержит компенсирующую призму в виде клина, угол которого является дополняющим углом, при котором выходная грань призмы перпендикулярна оптической оси линзовой системы; оптическая линзовая система состоит из двух положительных линзовых компонентов, образующих афокальную дуальную телецентрическую оптическую систему, первый линзовый компонент состоит из двух плоско-выпуклых линз, первая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта, второй линзовый компонент состоит последовательно из двух менисков и двух выпукло-вогнутых линз, первый мениск обращен выпуклостью в сторону пространства объекта, второй мениск обращен выпуклостью в сторону пространства изображения, первая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта.
Кроме того, в оптическом устройстве для сканирования кожного рисунка каждая бифокальная линза матрицы источников света имеет входную для светового пучка сферическую поверхность, направленную вогнутостью в сторону источника света, и выходную цилиндрическую поверхность, обращенную выпуклостью в сторону объекта.
Помимо этого, осветитель также содержит дополнительную призму, имеющую входную для светового пучка грань и внутреннюю отражающую грань, создающую вместе с клиновой призмой пятикратное внутреннее отражение светового потока.
В другом случае, осветитель содержит дополнительную призму в виде клина, имеющую входную для светового потока грань, создающую вместе с клиновой призмой четырехкратное внутреннее отражение светового потока.
Возможен также вариант, когда в осветителе дополнительная призма имеет входную цилиндрическую поверхность.
Кроме того, в осветителе растровая поверхность выполнена в виде набора большого числа узких наклоненных зеркальных граней, так, что растровая поверхность имеет пилообразный профиль в сечении.
Также, в осветителе растровая поверхность клиновой призмы может быть выполнена в виде направленной или ненаправленной шероховатой поверхности.
Допускается, что в осветителе клиновая призма может иметь две шероховатые поверхности с направленной или ненаправленной шероховатостью.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде цилиндра и предназначен для сканирования рисунка кожных линий вращением его относительно собственной оси.
Для лучшей компоновки компенсирующая призма выполнена с наклонной отражающей гранью, создающей однократное внутреннее отражение для рабочего светового пучка.
Также, оно содержит дополнительное зеркало между двумя линзовыми компонентами для преломления оптической оси.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде призмы с плоской рабочей поверхностью и предназначен для сканирования путем линейного перемещения линзового блока и фотоприемника вдоль рабочей плоскости призмы.
В этом случае оно содержит дополнительный оптический канал, содержащий линзовую систему, например, объектив и фотоприемник, предназначенный для управления сканированием, например, при прокатке пальцев.
С целью уменьшения размеров оно содержит дополнительно первое и второе зеркала между первым и вторым линзовыми компонентами и третье зеркало между линзовой системой и фотоприемником.
С этой же целью дополнительный оптический канал содержит три зеркала и две склеенные прямоугольные призмы, причем в случае совмещения дополнительного оптического канала с линзовой системой первое из зеркал может быть полупрозрачным.
Кроме того, сенсорный оптический элемент выполнен в виде усеченного конуса с вогнутой конической рабочей поверхностью и предназначен для сканирования вращением компенсирующей призмы, линзового узла и фотоприемника относительно оси конического сенсорного оптического элемента.
В этом случае оно содержит дополнительно два зеркала: первое - после первого линзового компонента и второе - после второго линзового компонента.
На фиг.1 показан главный вид оптического устройства в обобщенном виде.
На фиг.2 показан осветитель, имеющий клиновую призму 20, растровую поверхность 22, формирующую выходной световой поток с углом наклона α3 больше 90°, матрицу источников света 25 с линзами 24.
На фиг.3 показан аналогичный осветитель, имеющий дополнительную призму 21 и зеркальные поверхности 29, создающие пятикратное внутреннее отражение светового потока, что позволяет уменьшить размер осветителя по длине.
На фиг.4 а) и фиг.4 б) показан в двух проекциях источник света светодиод с линзой, имеющей сферическую поверхность 26 и цилиндрическую поверхность 27, создающие плоский световой пучок с углом расходимости по толщине β1 и углом раствора пучка β2.
На фиг.5 показан осветитель с клиновой призмой, имеющей шероховатую поверхность 23 для освещения преимущественно сенсорного оптического элемента в виде цилиндра.
На фиг.6 показана смоделированная специальной программой трассировка световых лучей в осветителе фиг.3 и сенсорном оптическом элементе в виде призмы с полным внутренним отражением от матрицы из 84 светодиодов, расположенных в четыре ряда по 21 штуке в каждом ряду, при этом плоский детектор расположен за выходной гранью призмы.
На фиг.7 показана картина освещенности в плоскости детектора, следы от 400000 лучей.
На фиг.8 показана схема оптического устройства с оптическим сенсорным элементом в виде цилиндра 30.
На фиг.9 а) показан график частотно-контрастных характеристик линзового узла для различных точек изображения, попадающих на линейный фотоприемник в тангенциальном (Т) и сагиттальном (S) направлениях.
На фиг.9 б) показана диаграмма рассеяния точек в плоскости изображения с расчетным радиусом рассеяния точки в микронах.
На фиг.9 в) показан график дисторсии в плоскости изображения для тангенциальных (Т) и сагиттальных (S) лучей.
На фиг.10 а) и фиг.10 б) показано в двух проекциях оптическое устройство для сканирования кожного рисунка ладоней, отпечатков пальцев и т.п. с оптическим сенсорным элементом в виде призмы 2 с плоской рабочей поверхностью 18.
На фиг.11 показано оптическое устройство для сканирования кожного рисунка пальцев по конической вогнутой рабочей поверхности без прокатки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве, фиг.1, имеющем осветитель 1, призму 2, компенсирующую призму 3, оптическую линзовую систему 4, состоящую из двух групп линз 5 и 6, линейный матричный фотоприемник 7, сканирование производится относительным перемещением в поперечном направлении призмы 2 относительно компенсирующей призмы 3, оптической линзовой системы 4, линейного матричного фотоприемника 7, образующих единый узел 8.
Возможны варианты, в которых узел 8 является неподвижным, перемещается призма 2, либо призма 2 является неподвижной, перемещается узел 8.
Относительное перемещение призмы 2 и оптического узла 8 возможно как в виде поступательного перемещения, так и вращения относительно выбранной оси.
В данном устройстве размеры рабочего поля сканирования определяются в продольном направлении только высотой первой группы линз 5 и соответственно продольным размером призмы, а в поперечном направлении - только поперечным размером призмы и не зависит от параметров оптического линзового узла.
Осветитель может быть связан с призмой и освещать всю рабочую поверхность призмы, либо может быть связан с оптическим узлом и, перемещаясь с ним, освещать зону строки сканирования.
Компенсирующая призма 3 выделяется в отдельный элемент в случаях, когда сканирование производится относительным вращением и необходима для компенсации рефрактивных искажений, которые создают дополнительные трудно исключаемые искажения (аберрации) в плоскости изображения.
Если компенсирующая призма из того же стекла, что и призма, то выходная грань компенсирующей призмы должна быть перпендикулярна оптической оси линзового узла.
Если компенсирующая призма из другого стекла, чем призма, то выходная грань компенсирующей призмы должна быть под углом к оптической оси линзового узла.
Этот угол должен соответствовать углу минимальных искажений волнового фронта для всей оптической системы в целом.
Если сканирование производится линейным поперечным перемещением строки сканирования, то компенсирующая призма 3 либо является составной частью призмы 2, либо может использоваться для оптимизации формы и размеров призмы 2.
Осветитель 1, фиг.2, состоит из призмы 20 в виде клина, имеющего растровую поверхность 22, и матричного источника света, каждый элемент которого состоит из линзы 24 и источника света 25, например светодиода.
Растровая зеркальная поверхность 22 с внутренним отражением образована набором из большого числа чередующихся граней в виде узких поперечных полос, наклоненных под углом, обеспечивающим заданный угол наклона α3 выходного светового пучка.
Угол α3 соответствует углу α1 падающего на рабочую поверхность 8 призмы 2 исходного светового пучка.
Линза 24, фиг.4а, является бифокальной линзой и имеет входную сферическую поверхность 26 и выходную цилиндрическую поверхность 27, создающие плоский световой пучок с поперечным углом расходимости β1 и продольным углом раскрытия β2.
Угол расходимости β1 должен согласовываться с входным апертурным углом линзового узла 4.
Осветитель, имеющий уменьшенные компоновочные габариты по длине, показан на фиг.3, отличающийся тем, что дополнительно имеет призму 21 с входной цилиндрической поверхностью 28 и три зеркальные поверхности 29.
Осветитель для вращающейся цилиндрической призмы показан на фиг.5, отличающийся тем, что растровая поверхность в данном случае не требуется, вместо нее рассеивающая поверхность 23.
Призма в виде клина с углом α1 требуется для более полного ввода светового потока под углом α1 в торец вращающейся призмы.
Особенности конструкции осветителя, в частности использование растра, связаны с компоновочными габаритами всего устройства, требование для угла α3, который должен быть больше 90 градусов, при этом должен формироваться однородный световой поток по всему полю и осветитель должен обладать высоким КПД.
Осветитель, фиг.3, практически не имеет рассеянного и поглощенного света, его теоретический выходной коэффициент полезного действия составляет около 88% (без учета потерь при отражении на зеркальных поверхностях 29), что подтверждается результатами трехмерного моделирования трассировки лучей, приведенных на фиг.6, и расчетом на однородность освещенности рабочего поля, фиг.7, где выходная энергия согласно расчету, приходящаяся на все рабочее поле детектора, 37,7 Ватта против исходно заданной энергии излучения источника 42 Ватта.
Высокое значение КПД, направленность светового потока и отсутствие рассеянного света позволяют получить достаточную освещенность светочувствительной фотоприемной матрицы и исключить паразитную фоновую засветку от объекта сканирования во время работы, что в итоге прямым образом влияет на формирование высококачественного изображения дактилоскопических отпечатков.
Линзовая система устройства рассчитывалась для получения высококачественного изображения от линейной матрицы ПЗС, которое зависит от совокупного соответствия уровня ее освещенности, частотно-контрастных характеристик линзовой системы, чувствительности матрицы ПЗС, количества чувствительных элементов ПЗС и их размеров.
Расчетные частотно-контрастные характеристики, фиг.9а, линзовой системы заявляемого устройства имеют предел около 300 лин/мм, максимальная пространственная рабочая частота, соответствующая 1000 dpi, около 70 лин/мм при уровне контраста не менее 20%.
Размер стандартного чувствительного элемента матрицы ПЗС - 7×7 мкм, что соответствует на фиг.9б диаграмме рассеяния точек.
Первая группа линз 5 состоит из двух плоско-выпуклых линз 9 и 10, обращенных выпуклостями друг к другу.
Вторая группа линз 6 состоит из четырех линз 11-14, первые две линзы из которых 11 и 12 являются менисками с выпуклостями, обращенными друг от друга наружу, вторые две линзы 13 и 14 являются положительными выпукло-вогнутыми линзами, расположенными по ходу луча: первая выпуклостью в сторону изображения, вторая выпуклостью в сторону предмета.
Диафрагма 15 помещается между двумя менисками 11 и 12.
Первая группа линз 5 и вторая группа линз 6 образуют афокальную оптическую систему с заданным масштабом преобразования и телецентрическим ходом входных и выходных лучей.
Мениски 11 и 12 используются для коррекции ошибок волнового фронта.
Для такой оптической схемы объект находится как бы на бесконечности и при этом на изображении наблюдается его ортогональная проекция в преобразованном масштабе.
Дополнительный световой канал с линзовой системой 16 и матричным фотоприемником 17 может быть размещен, как показано на фиг.1, требующийся для адаптивного управления сканированием, например, при прокатке отпечатков пальцев.
При этом площадь объекта, захватываемая дополнительным световым каналом, может быть существенно меньше, чем вся рабочая поверхность призмы, но достаточная для управления прокаткой.
Однако в случае полупрозрачного зеркала 56, фиг.10, дополнительный оптический канал может быть совмещен с основным оптическим каналом линзовой системы 4.
Угол наклона α1 оптической оси основной линзовой системы 4 выбирается из условий полного внутреннего отражения на границе стекло-воздух, полного внутреннего отражения на границе стекло-вода, полного внутреннего отражения на границе стекло-кожа пальца.
Для выбранного стекла призмы БК-4 (Nc=1.5276), воды чистой (Nc=1.3316), воды морской (Nc=1.33953), кожи пальца (Nc=1.440), угол наклона основной линзовой системы α1=63.5°.
Угол наклона α2 дополнительного светового канала может определяться из условия полного внутреннего отражения на границе стекло-воздух, α2>40.89°, то есть из условия: 40.89°<α2<α1=63.5°.
Выбор угла наклона α1=63.5° позволяет исключить влияние влаги ладоней, пальцев и т.п. на качество отсканированных отпечатков.
Меньшее значение угла α1 имеет преимущество.
На рабочую поверхность призмы 2 может наноситься мягкое оптическое покрытие с коэффициентом оптического преломления большем, чем у кожи пальца, для улучшения качества изображения. Наличие мягкого оптического покрытия на рабочей поверхности призмы не сказывается на параметрах оптической схемы.
Оптический узел 8 создан и рассчитан, как афокальная анаморфотная система, удовлетворяющая условиям углового сопряжения объекта и изображения при заданном масштабе преобразования и телецентричности для входных и выходных лучей, а также условию исправления дисторсии в одном вертикальном направлении вдоль строки сканирования.
При этом фокусное расстояние первого линзового компонента удовлетворяет условию:
F1≥L/2·(cosα1/tgβ),
где β - полуугол сходимости лучей после первой группы линз;
L - продольный размер рабочего поля призмы.
Угол β выбран эмпирически, как максимальный, при котором расчеты дают надежный качественный результат, около 13°, то есть β≤13°.
Больший угол имеет преимущество, поскольку уменьшает габариты.
Фокусное расстояние второго линзового компонента:
F2=m1·F1,
где m1 - поперечный масштаб изображения.
Оптимальное и максимальное значение фокусного расстояния F0 всей оптической системы определяется из оптимизационных расчетов всей оптической схемы, исходя из таких характеристик, как дисторсия изображения, энергетический кружок рассеяния точки, функции частотно-контрастных характеристик для разных точек поля изображения.
Степень телецентричности входных и выходных лучей, градиент масштаба изображения зависят от величины фокусного расстояния F0.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, стремящемся к бесконечности, выполняется условие постоянства масштабов изображения продольного и поперечного.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, лежащем в области положительных значений, имеет место положительная перспектива.
При фокусном расстоянии всей оптической системы, лежащем в области отрицательных значений, имеет место отрицательная перспектива.
Положительная или отрицательная перспектива приводят к тому, что наклонный объект в виде квадрата изображается трапецией с большим основанием либо вверху, либо внизу.
Выбор и контроль фокусного расстояния F0 всей оптической системы может использоваться для компенсации искажений изображения, полученного при сканировании отпечатков пальцев на конических рабочих поверхностях призм.
Одно из применений предлагаемого устройства - реализация ладонного сканера по способу (RU 2168206 C1, классы: G 06 K 9/00, А 61 В 5/117, дата публикации 27.05.2001, приоритет 30.06.2000), в котором имеется призма в виде вращающегося относительно своей оси цилиндра, предназначенного для сканирования отпечатков ладоней, фиг.8.
В этом устройстве компенсирующая призма 32 выполнена с вертикальной отражающей гранью 33, которая поворачивает оптическую ось на 90°, вертикальное зеркало 35 за первым линзовым компонентом поворачивает оптическую ось еще на 90°.
Фокусное расстояние первого линзового компонента из двух линз 144 мм, фокусное расстояние второго линзового компонента из четырех линз 68 мм, общее фокусное расстояние от 1500 мм до 2800 мм, светосила рассчитывалась на значение 3.5, размер изображения 36 мм, угол наклона линейной матрицы 30°.
Устройство, фиг.8, имеет небольшие габариты и позволяет получать высококачественные отпечатки ладоней при дисторсии изображения не более 1% и разрешающей способности 1000 dpi. Качественные оптические характеристики устройства приведены на фиг.9: а) - Частотно-контрастные характеристики; б) - Диаграммы рассеяния точек; в) - График дисторсии.
В табл. 1 даны конструктивные данные оптической схемы устройства.
Второе применение предлагаемого устройства - ладонный сканер, фиг.10, с неподвижной призмой 51 и подвижным линзовым блоком 52, имеющим дополнительно три зеркала: два зеркала 53 и 54 после первой группы линз и зеркало 55 после второй группы линз.
Дополнительный оптический канал располагается снизу от основного оптического канала при меньшем угле наклона оптической оси и имеет три зеркала 56, 57, 58, призму 59, склеенную из двух прямоугольных призм, линзовый объектив 16 и матричный фотоприемник 17.
Устройство, фиг.10, имеет одинаковые оптические параметры с устройством на фиг.8.
Третье применение - сканер для сканирования отпечатков пальцев по вогнутой конической поверхности призмы, фиг.11.
Коническая призма 61 неподвижно закреплена, оптический линзовый узел 62 с компенсирующей призмой 3, линейным матричным фотоприемником 7 и осветителем 65 вращаются вокруг общей оси 66 на заданный угол, ось вращения является осью рабочей конической поверхности призмы 61.
Фокусное расстояние оптической системы устройства, фиг.11, лежит в области положительных значений F0=107 мм, что создает прямую перспективу 6% на сторону при создании развертки изображения, которая частично компенсирует трапецеидальную развертку изображения объекта, приводя ее к виду, близкому к прямоугольному.
Фокусное расстояние первого линзового компонента F1=68 мм, второго - F2=35,2 мм, продольный размер объекта L=70 мм, размер изображения 19 мм.
Для лучшей компоновки конструкции оптический линзовый узел 62 имеет дополнительно зеркало 67 за первым линзовым компонентом и зеркало 68 за вторым линзовым компонентом.
| Таблица 1 | |||||
| Номер поверхн. | Радиус поверхн. | Толщ. | Показатель преломл. | Дисперсия | Сорт стекла |
| Объект | Плоск. | 150 | 1,530272 | 60,26 | БК4 |
| 1 | Плоск. | 40 | |||
| 2 | Плоск. | 8,5 | 1,806276 | 25,35 | ТФ10 |
| 3 | -185,13 | 0,2 | |||
| 4 | 300,6 | 6 | 1,806276 | 25,35 | ТФ10 |
| 5 | Плоск. | 103,8 | |||
| 6 | 17,378 | 7,07 | 1,612682 | 58,14 | ТК16 |
| 7 | 13,6 | 15,04 | |||
| Диафр. | Плоск. | 6,47 | |||
| 9 | -16,368 | 6,86 | 1,612682 | 58,14 | ТК16 |
| 10 | -18,97 | 55,7 | |||
| 11 | -644,2 | 7 | 1,806276 | 25,35 | ТФ10 |
| 12 | -88,12 | 0,1 | |||
| 13 | 86,1 | 8,25 | 1,806276 | 25,35 | ТФ10 |
| 14 | 322,8 | 72,8 | |||
| Изображ. | Плоск. |
1. Оптическое устройство для сканирования кожного рисунка, содержащее осветитель, имеющий матрицу источников света, оптическую систему, имеющую сенсорный оптический элемент с углом полного внутреннего отражения на границе стекло-вода и оптическую линзовую систему, формирующую оптический пучок, определяющий оптическое изображение кожного отпечатка, обладающую свойством дуальной телецентричности и анаморфотности изображения, удовлетворяющую условию углового сопряжения плоскостей объекта и изображения, фотоприемник, отличающееся тем, что оптическая система непосредственно за сенсорным оптическим элементом содержит компенсирующую призму в виде клина, при этом выходная грань компенсирующей призмы перпендикулярна оптической оси линзовой системы; каждый элемент из матрицы источников света создает плоский пучок света, например, с помощью бифокальной линзы, в осветитель введена призма с двухкратным внутренним отражением, формирующая суммарный от матрицы источников света однородный направленный в заданном рабочем для линзовой системы направлении поток света, имеющая вид клина, одна из поверхностей клина имеет растровую поверхность, сенсорный оптический элемент может иметь выпуклую, плоскую или вогнутую рабочую поверхность и предназначен для сканирования при вращении или линейном перемещении относительно компенсирующей призмы, оптической линзовой системы и фотоприемника, причем осветитель связан при относительном перемещении либо с сенсорным оптическим элементом, либо с компенсирующей призмой, линзовой системой и фотоприемником; оптическая линзовая система состоит из двух положительных линзовых компонентов, образующих афокальную дуальную телецентрическую оптическую систему, первый линзовый компонент состоит из двух плоско-выпуклых линз, первая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта, второй линзовый компонент состоит последовательно из двух менисков и двух выпукло-вогнутых линз, первый мениск обращен выпуклостью в сторону пространства объекта, второй мениск обращен выпуклостью в сторону пространства изображения, первая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства изображения, вторая выпукло-вогнутая линза обращена выпуклостью в сторону пространства объекта.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая бифокальная линза матрицы источников света имеет входную для светового пучка сферическую поверхность, направленную вогнутостью в сторону источника света, и выходную цилиндрическую поверхность, обращенную выпуклостью в сторону объекта.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осветитель содержит дополнительную призму, имеющую входную для светового пучка грань и внутреннюю отражающую грань, создающую вместе с призмой с двукратным внутренним отражением пятикратное внутреннее отражение светового потока.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осветитель содержит дополнительную призму в виде клина, имеющую входную для светового потока грань, создающую вместе с призмой с двукратным внутренним отражением четырехкратное внутреннее отражение светового потока.
5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что в осветителе дополнительная призма имеет входную цилиндрическую поверхность.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в осветителе растровая поверхность выполнена в виде набора большого числа узких наклоненных зеркальных граней так, что растровая поверхность имеет пилообразный профиль в сечении.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в осветителе растровая поверхность призмы с двукратным внутренним отражением может быть выполнена в виде направленной или ненаправленной шероховатой поверхности.
8. Устройство по п.1 или 7, отличающееся тем, что в осветителе призма с двукратным внутренним отражением может иметь две шероховатые поверхности с направленной или ненаправленной шероховатостью.
9. Устройство по п.1, или 2, или 7, или 8, отличающееся тем, что сенсорный оптический элемент выполнен в виде цилиндра и предназначен для сканирования рисунка кожных линий вращением его относительно собственной оси.
10. Устройство по п.1 или 9, отличающееся тем, что компенсирующая призма выполнена с наклонной отражающей гранью, создающей однократное внутреннее отражение для рабочего светового пучка.
11. Устройство по п.1, или 9, или 10, отличающееся тем, что оно содержит дополнительное зеркало между двумя линзовыми компонентами для преломления оптической оси.
12. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что сенсорный оптический элемент выполнен в виде призмы с плоской рабочей поверхностью и предназначен для сканирования путем линейного перемещения линзового блока и фотоприемника вдоль рабочей плоскости призмы.
13. Устройство по п.1 или 12, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный оптический канал, содержащий линзовую систему, например объектив и фотоприемник, предназначенный для управления сканированием, например, при прокатке пальцев.
14. Устройство по п.1, или 12, или 13, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно первое и второе зеркала между первым и вторым линзовыми компонентами и третье зеркало между линзовой системой и фотоприемником.
15. Устройство по любому из пп.1 или 12-14, отличающееся тем, что дополнительный оптический канал содержит три зеркала и две склеенные прямоугольные призмы, причем в случае совмещения дополнительного оптического канала с линзовой системой первое из зеркал может быть полупрозрачным.
16. Устройство по любому из пп.1-8, или 2, или 3, или 4, или 6, или 7, отличающееся тем, что сенсорный оптический элемент выполнен в виде усеченного конуса с вогнутой конической рабочей поверхностью и предназначен для сканирования вращением компенсирующей призмы, линзового узла и фотоприемника относительно оси конического сенсорного оптического элемента.
17. Устройство по п.1 или 16, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно два зеркала: первое после первого линзового компонента и второе после второго линзового компонента.
