[发明专利]内指纹快速成像和生物识别系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于生物识别技术，特别是涉及一种内指纹快速成像和生物识别系统和方法，利用手指的内指纹进行生物身份识别。

背景技术

世界交流越来越频繁广泛，同时恐怖和犯罪活动也愈演愈烈，因而生物识别技术近年需求增长迅速，对快速准确的身份验证提出了更高要求。

由于传统指纹识别方法，容易以复制指纹而欺骗通过，以及手指表面弄脏、太湿或者磨损则失效，安全性和鲁棒性受到质疑，受到各个国家安全和执法部门的驱动，面部识别、声纹识别、唇纹识别、虹膜结构和视网膜静脉识别等技术不断发展，但这些技术要么可靠性存在争议，要么使用及其不方便、体积庞大、成本太高。

根据Holder E.H.等人的研究成果[The fingerprint sourcebook(U.S.Department.of Justice,Office of Justice Programs,National Institute of Justice,Washington,DC,2011)]，在手指内部220-550μm的皮肤层，具有表面(外部)指纹相同的拓扑特征,Robinson L.O.,Laub J.H.,National Institute of J.,。这些内部层，充当“主模板”导致外部指纹按照它的形状生长，因此，皮下指纹不受环境影响和磨损，难以仿制，用于身份识别更准确。另外，手指内部的汗腺和微血管结构也和指纹有跟随形状。我们定义内指纹为皮下指纹，和对应层面的汗腺和毛细血管等组织结构，它具有终生不变性，可以用于准确而高度鲁棒的生物身份识别。当前的指纹识别技术中，光学、电容、热图、压感等指纹提取方式都无法获得内指纹。而超声方法因探测器尺寸过大、响应速度慢、处理系统庞大也无法应用。2006年美国休斯敦大学Larin KV[IEEE Photonics Technol.Lett.19(20),1634–1636(2007)]提出用扫频层析成像获得内指纹，但是传统层析成像技术对二维正面图像提取需要点对点扫描，并最终从三维指纹结构中重构(z方向必须首先成像)正面图像，数据量太高(1G以上)，提取速度过慢(10秒以上)。

全场光学相干层析术1998年由，Beaurepaire E和Boccara A C等人发明，其原理阐述在“Full-field optical coherence microscopy”，Optics Letters,1998,23(4):244-246。为高速内指纹成像提供了可行性解决方案。

全场光学相干层析系统无扫描可一次性获得二维图像，相对于传统光学层析点扫描成像方式，特别是只需要一幅垂轴(面对面)图像的工业检测需求，成像速度和分辨率有数量级的提高。主要优势包括：(1)提取图像速度快。采取非相干光照明全视场，一次获得多通道二维图像，利用光源的空域非相干性抑制横向串扰；(2)轴向分辨率和横向分辨率解耦合。其横向分辨率决定于成像物镜的数值孔径，而纵向分辨率决定于光源性质，即光谱宽度，光谱越宽，轴向分辨率越高，采取白光卤钨灯照明基本达到1微米以下轴向分辨率。全场光学相干层析术主要用于高分辨生物应用领域，如对皮肤、脑组织、肠胃壁、乳房肿瘤、组织培养过程等成像。系统具有具有非接触无损检测能力，可以无扫描一次性提取活体组织二维图像。

将全场光学相干层析系统用于活体身体组织内部成像，其重要指标之一是它的横向分辨率(δ_x，δ_y)，

这里λ_c为光源的中心波长(对应光谱宽度的中心，或者是光谱分布不均匀情况下对应光功率峰值位置的波长)，NA为光学系统的数值孔径。根据生物识别对象和特性，横向分辨率的要求会有所变化，对于指纹识别一般小于10μm较好。

全场光学相干层析系统不同于传统光学系统的特点是，横向和纵向分辨率解耦合，其轴向分辨率与光学系统参数无关，仅由光源特性决定，其轴向分辨率δ_z有，

这里L_c为光源相干长度，n′为人体组织的折射率。光源的相干长度为

其中λ_c为光源的中心波长，Δλ为光源的光谱宽度。采取卤钨灯照明时，λ_c＝750nm，δ_z可以达到0.8μm以下，对生物身份识别的应用完全可以满足需要。