高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于成像虹膜图像的光电系统，属光电领域。

背景技术

高用户使用体验度即用户使用时按照自然的移动速度，戴眼镜，无限制严格使用工作范 围，使用速度快。

高用户使用体验度是虹膜识别系统被现实广泛采用的最大障碍，本发明聚焦在虹膜图像 成像系统设计。

目前，现实应用中的虹膜识别系统，用户使用体验度的还存在很大挑战，如虹膜识别电 子护照通关最典型应用场景，面临以下几个用户使用体验度问题：

1、能够在用户以自主每秒1米（m/s）的移动速度中识别，用户可能在步行中识别；

2、用户识别时使用环境光照度要求满足从室内完全黑暗0Lux到室外太阳直射100， 000Lux；

3、解决大比例用户佩戴的眼镜反光影响识别，包括近视凹镜，远视凸镜，隐形眼镜，偏 光镜等；

4、提高识别时3D（XYZ轴）的工作范围，包括更远的识别距离和更宽的距离（Z轴）范 围，能够在1米-2米（Z轴）范围，更进一步5米到10米（Z轴）范围识别，水平X轴识别范围 至少50cm，垂直Y轴识别范围至少30cm；

5、识别系统具备高可靠高稳定性，无传统的机械传动机构，如跟踪用户位置的云台电 机，聚焦电机等；

6、获取亮度均衡的高质量图像。

解决以上问题是目前技术面临的最大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统，其能 实现成像高质量虹膜图像。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统， 包括近红外LED照明光源（1L，1R）--左侧近红外LED照明光源1L和右侧近红外LED照明光 源1R，固定焦距的自动聚焦光学成像透镜，前焦近红外光学滤光器，和/或后焦近红外光学滤 光器，图像成像传感器；

近红外LED照明光源（1L，1R）--左侧近红外LED照明光源1L和右侧近红外LED照明光 源1R被配置为：

位于成像光轴的左右两侧；

由LED电流驱动器（1L’，1R’）--左侧LED电流驱动器1L’和右侧LED电流驱动器1R’ 驱动输出短时间周期T最高辐射强度I的光；

左侧LED电流驱动器1L’连接左侧近红外LED照明光源1L用于驱动左侧LED输出短时间 周期T最高辐射强度I的光；

右侧LED电流驱动器1R’连接右侧近红外LED照明光源1R用于驱动右侧LED输出短时间 周期T最高辐射强度I的光；

近红外LED照明光源（1L，1R）与图像成像传感器被组合配置为：

1）.近红外LED照明光源（1L，1R）产生的最高辐射强度I短时间周期T时序等于图像成 像传感器（7）帧像素全局触发曝光（积分）的周期时序；

2）.近红外LED照明光源（1L，1R）采用与图像成像传感器分时循环切换进行直接照明 和交叉照明成像左右虹膜；

近红外LED照明光源（1L，1R）与固定焦距的自动聚焦光学成像透镜被组合配置为：

近红外LED照明光源（1L，1R）的半峰值辐射或发散角度FWHM大于等于固定焦距的自 动聚焦光学成像透镜的成像视场角FOV；

保证成像视场亮度均衡性ρ=Iedge/Icenter*100%≥50%，

Iedge为成像视场边缘亮度,Icenter为成像视场中心亮度；

近红外LED照明光源（1L，1R）与近红外光学滤光器被组合配置为：

近红外光学滤光器的半峰值透射波长FWHM大于等于近红外LED照明光源的半峰值辐射 波长FWHM；

所述近红外光学滤光器包括前焦近红外光学滤光器4，和/或后焦近红外光学滤光器6；

固定焦距的自动聚焦光学成像透镜5被配置为：液体透镜、EDOF相位波前编码透镜、WLA 晶圆级透镜阵列中的任意一种。

备注说明：前焦近红外光学滤光器4和后焦近红外光学滤光器6，在本发明中可择一使用， 也可2者均使用。

在本发明中，实现了分时形成，左侧近红外LED照明光源与左侧虹膜直接照明成像以及 与右侧虹膜交叉照明成像，右侧近红外LED照明光源与左侧虹膜交叉照明成像以及与右侧虹 膜直接照明成像，然后按次序进行循环切换直至获取高质量虹膜图像。

作为的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的改进：

用于直接照明成像的LED照明光源的发射角度φd应该满足：5.7-11.25度；

用于交叉照明成像的LED照明光源的发射角度φc应该满足：11.25-35度；

发射角度φd，φc定义为近红外LED照明光源中心到左右虹膜中心的连线与成像光轴的 角度。

如图3所示，表示用于直接照明成像的照明光源的发射角度φd，表示用于交叉照明成像 的照明光源的发射角度φc，发射角度φ是φd和φc的统称。发射角度φ就是指近红外LED照 明光源中心到左右虹膜中心的连线与成像光轴的角度。

作为本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的进一步改进：

所述的分时循环切换进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜包括以下步骤：

（1）关闭右侧近红外LED照明光源1R，开启左侧近红外LED照明光源1L；

（2）图像成像传感器同时成像输出左侧虹膜直接照明成像图像Ia和右侧虹膜交叉照明成 像图像Ib；

（3）关闭左侧近红外LED照明光源1L，开启右侧近红外LED照明光源1R；

（4）图像成像传感器（7）同时成像输出右侧虹膜直接照明成像图像Id和左侧虹膜交叉照 明成像图像Ic；

（5）判断左右虹膜图像质量，满足质量要求关闭左右两侧近红外LED照明光源（1L、1R）， 不满足质量要求则返回（1）按流程次序直至满足质量要求。

满足质量要求就是指满足在佩戴各类眼镜的使用环境下虹膜图像上不出现镜面反射，不 严重影响虹膜图像质量被用于识别。所说的判断规则本专业领域一般通过检测图像中虹膜区 域的镜面反射点，即满量程（最大值）的像素值的数量占比来统计。

作为本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的进一步改进：

近红外LED照明光源（1L、1R）最高辐射强度I（mW/sr，毫瓦每球面度）应该满足：

I=E*WD²/cos²φE<10mW/cm²WD表示成像系统的工作物距；

E定义为工作物距WD处接受的照明光源的最大辐射照度，E要求小于眼睛LED照明辐射安 全国际标准（IEC62471：2006Photobiological safety of lamps and lamp systems）上限，本标 准限制了LED照明辐射可能对视网膜，水晶体和角膜的引起的热辐射生物安全效应；

所述的近红外LED照明光源（1L、1R）产生的辐射的短时间周期T（ms，毫秒）应该满 足：

T≤3.33ms。

作为本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的进一步改进：

所述的固定焦距的自动聚焦光学成像透镜的固定焦距FEL被配置为：

EFL=WD*β；

其中：WD表示成像系统的工作物距；

β为光学成像系统的放大倍率；

β=SOP*ROP；

SOP为图像成像传感器单位像素的物理尺度；

ROP为虹膜图像像素分辨率。

作为本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的进一步改进：

所述的固定焦距的自动聚焦光学成像透镜的光学空间分辨率（optical spatial resolution）被 配置为：

在物方平面应该满足：60%调制传递函数(MTF=0.6)时≥5线对每毫米（lp/mm）。

作为本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统的进一步改进：

所述的图像成像传感器被配置为：至少超高清（UHD8K*4K）像素分辨率，即大于等于 8192像素*4320像素。

本发明的高用户使用体验度的虹膜图像光电成像系统，实现了以下高用户使用体验度的 效果：

1、能够在用户以自主每秒1米（m/s）的移动速度中识别。

2、用户识别时使用环境光照度要求满足从室内完全黑暗0Lux到室外太阳直射100， 000Lux。

3、解决了大比例用户佩戴的眼镜反光影响识别，包括近视凹镜，远视凸镜，隐形眼镜， 偏光镜等。

4、提高了识别时3D（XYZ轴）的工作范围，包括更远的识别距离和更宽的距离（Z轴） 范围，能够在1米-2米（Z轴）范围，更进一步5米到10米（Z轴）范围识别，水平X轴识别范 围至少50cm，垂直Y轴识别范围至少30cm。

5、识别系统具备高可靠高稳定性，无传统的机械传动机构，如跟踪用户位置的云台电 机，聚焦电机等。

6、获取亮度均衡的高质量图像。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明具体实施例1虹膜图像光电成像系统总体原理图。

图2为本发明具体实施例1红外LED照明光源产生的最高辐射强度短时间周期时序与成像 传感器帧像素全局触发曝光（积分）的周期时序原理图；

图3为本发明具体实施例1近红外LED照明光源与图像成像传感器分时循环切换进行直 接照明和交叉照明成像左右虹膜原理图。

具体实施方式

实施例1、

图1描述了具体实施例1的虹膜图像光电成像系统总体原理，虹膜图像光电成像系统包括 以下部分组成：

成像光轴0，左侧近红外LED照明光源1L，右侧近红外LED照明光源1R，左侧LED电流驱 动器1L’，右侧LED电流驱动器1R’，成像视场2，透射保护光学窗口3，前焦近红外光学滤光 器4，固定焦距的自动聚焦光学成像透镜5，后焦近红外光学滤光器6，图像成像传感器7，密 闭模组外壳8。密闭模组外壳8用于使光学成像系统整体封闭于模组外壳内。

具体为：

左侧近红外LED照明光源1L，右侧近红外LED照明光源1R，位于成像光轴0的左右两侧， 左侧LED电流驱动器1L’连接左侧近红外LED照明光源1L用于驱动左侧LED输出短时间周期 T最高辐射强度I的光，右侧LED电流驱动器1R’连接右侧近红外LED照明光源1R用于驱动右 侧LED输出短时间周期T最高辐射强度I的光。

密闭模组外壳8内依次安装有透射保护光学窗口3，前焦近红外光学滤光器4，固定焦距的 自动聚焦光学成像透镜5，后焦近红外光学滤光器6，图像成像传感器7，其按照从前往后相对 位置安装在同一成像光轴0上。

近红外LED照明光源（即，左侧近红外LED照明光源1L，右侧近红外LED照明光源1R） 辐射的近红外光和外围环境光在物方虹膜反射后，进入前焦近红外光学滤光器4过滤提取成像 范围的波长，再进入固定焦距的光学成像透镜5，所述的固定焦距的光学成像透镜5被配置为 自动聚焦AF光学成像透镜或固定聚焦光学成像透镜；从而实现光学聚焦到位于像方的图像成 像传感器7使图像光信号转换图像电信号输出，后焦近红外光学滤光器6进一步提高成像的波 长的信噪比。

备注说明：外围环境光就指上文提到的，用户识别时使用环境光照度要求满足从室内完 全黑暗0Lux到室外太阳直射100，000Lux所说的自然光。

物方虹膜是指图1中的位于成像视场2中的左右虹膜，其在成像光轴0的物体方向上所以称 物方虹膜。

使用环境中不同光照度的非成像的干扰杂散光的严重影响虹膜图像质量；光照度越大影 响虹膜图像质量越大。使用者不同移动速度引起的运动模糊严重影响虹膜图像质量，移动速 度越大影响虹膜图像质量越大。

使用者佩戴各类眼镜的使用环境下虹膜图像上出现镜面反射，严重影响虹膜图像质量。

为克服以上问题本发明采用以下的设计：

前焦近红外光学滤光器4，和后焦近红外光学滤光器6组合如此设计使成像波长与非成像 的干扰杂散光的信噪比SNR（SNR:signal-to-noise ratio）满足：≥60dB（1000:1）。

备注说明：前焦近红外光学滤光器4，和后焦近红外光学滤光器6可以按照成像波长与非 成像的干扰杂散光的信噪比SNR（SNR:signal-to-noise ratio）满足：≥60dB（1000:1）这个需 求，通过普通光学镀膜技术组合设计得到，而这种光学镀膜技术可以是普通工程技术人员就 直接获得的。

近红外LED照明光源（1L，1R）被配置为：位于的成像光轴0的左右两侧；分别由LED 电流驱动器（1L’，1R’）驱动输出短时间周期T最高强度辐射I光。

近红外LED照明光源（1L，1R）与图像成像传感器7被组合配置为：

1、近红外LED照明光源（1L，1R）产生的最高辐射强度I短时间周期T时序等于图像成像 传感器7帧像素全局触发曝光（积分）的周期时序。

图2进一步解释了本发明具体实施例1近红外LED照明光源（1L，1R）产生的最高辐射强 度短时间周期时序与图像成像传感器7帧像素全局触发曝光（积分）的周期时序原理图。

本发明的图像成像传感器7帧像素全局触发曝光（积分）的方法，采用了仅在成像波长范 围内和最高辐射强度短时间周期内对图像成像传感器7所有帧像素同时进行触发曝光（积分）。

即使如电子滚动快门（ERS）其不同行的曝光周期时序是不一致的，但满足在成像波长范 围内和最高辐射强度短时间周期内所有帧像素同时进行全局触发曝光的条件下，最高辐射强 度短时间周期内与最高辐射强度短时间周期外的曝光（积分）光子信号累积量之比远大于 1000:1，这样对于一般成像传感器ADC最有效分辨率仅为8位或10位，可以忽略不计。

因此本方法适用于各类型图像成像传感器，如全局快门（global shutter），电子滚动快门 （ERS）或全局释放快门GRS等，各种各类型图像成像传感器，

采用近红外LED照明光源（1L，1R）产生的最高辐射强度短时间周期与图像成像传感器7 帧像素全局触发曝光（积分）的周期时序匹配的方法，这也是本发明重大优点特性。

近红外LED照明光源（1L，1R）最高辐射强度I（mW/sr，毫瓦每球面度）应该满足：

I=E*WD²/cos²φE<10mW/cm²WD表示成像系统的工作物距。

E定义为工作物距WD处接受的照明光源的最大辐射照度（mW/cm²，毫瓦每平方厘米）， E要求小于眼睛LED照明辐射安全国际标准（IEC62471：2006Photobiological safety of lamps  and lamp systems）上限，本标准限制了LED照明辐射可能对视网膜，水晶体和角膜的引起的 热辐射生物安全效应。

发射角度φ是指近红外LED照明光源（1L，1R）中心到左右虹膜中心的连线与成像光轴0 的角度。如图3所示，即表示用于直接照明成像的照明光源的发射角度φd和表示用于交叉照 明成像的照明光源的发射角度φc，发射角度φ是φd和φc的统称。

近红外LED照明光源（1L，1R）产生的辐射的短时间周期T（ms，毫秒）应该满足：T≤ 3.33ms。

由于是采用短时间周期辐射方法，按照国际标准其在连续1秒内产生10次辐射也只有不 到10*（3.33ms/1s）=1/30的等效效辐射，所以其等效的辐射远小于国际标准上限。

如此设计能提高至少10倍的成像波长与非成像的干扰杂散光的信噪比SNR （SNR:signal-to-noise ratio）满足：≥80dB（10000:1）。

如此设计使虹膜图像成像的使用环境光照度要求满足从室内完全黑暗0Lux到室外太阳直 射100，000Lux。

更重要的短时间周期的帧像素全局触发曝光（积分）能完全消除1m/s的运动模糊，使虹膜 图像成像的移动速度要求满足从步行移动速度1m/s到完全静止的移动速度0cm/s。这也是本发 明最大优点特性。

2、近红外LED照明光源（1L，1R）采用与图像成像传感器7分时循环切换进行直接照明 和交叉照明成像左右虹膜。以用于避免佩戴各类眼镜的使用环境下虹膜图像上出现镜面反射 严重影响虹膜图像质量。

图3进一步解释本发明具体实施例1近红外LED照明光源（1L，1R）与图像成像传感器7分 时循环切换进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜。

1L表示左侧近红外LED照明光源；1R表示右侧近红外LED照明光源；

2L表示左虹膜；2R表示右虹膜；

3L表示左虹膜成像光轴；3R表示右虹膜成像光轴；

φd表示用于直接照明成像的照明光源的发射角度；φc表示用于交叉照明成像的照明光源 的发射角度；WD表示成像系统的工作物距。

其中：

用于直接照明成像的照明光源的发射角度φd应该满足：5.7-11.25度。

用于交叉照明成像的照明光源的发射角度φc应该满足：11.25-35度。

发射角度φd和φc定义为近红外LED照明光源（1L，1R）中心到虹膜中心（2L，2R）的 连线与成像光轴（3L，3R）的角度。

具体的解释，分时形成左侧近红外LED照明光源1L与左侧虹膜2L直接照明成像Ia以及与右 侧虹膜2R交叉照明成像Ib，右侧近红外LED照明光源1R与左侧虹膜2L交叉照明成像Ic以及与 右侧虹膜2R直接照明成像Id，由于图像成像传感器7能同时成像输出左右两侧虹膜图像（2L， 2R）,所以分时形成的一侧近红外LED照明光源能同时产生左右两侧虹膜的直接照明成像图 像和交叉照明成像图像，然后按次序进行循环切换,即IaIb->IcId->IaIb->IcId…直至获取高质量 虹膜图像。

具体流程是：

（1）关闭右侧近红外LED照明光源1R，开启左侧近红外LED照明光源1L；

（2）图像成像传感器7同时成像输出左侧虹膜2L直接照明成像图像Ia和右侧虹膜2R交叉 照明成像图像Ib；

（3）关闭左侧近红外LED照明光源1L，开启右侧近红外LED照明光源1R；

（4）图像成像传感器7同时成像输出右侧虹膜2R直接照明成像图像Id和左侧虹膜2L交叉 照明成像图像Ic；

（5）判断虹膜图像质量，满足质量要求关闭左右两侧近红外LED照明光源（1L，1R）， 不满足质量要求则返回（1）按流程次序进行分时循环切换直至满足质量要求。

满足质量要求就是指满足在佩戴各类眼镜的使用环境下虹膜图像上不出现镜面反射，不 严重影响虹膜图像质量被用于识别。所说的判断规则本专业领域一般通过检测图像中虹膜区 域的镜面反射点，即满量程（最大值）的像素值的数量占比来统计。

为实现获取亮度均衡的高质量虹膜成像图像，近红外LED照明光源（1L，1R）与自动聚 焦光学成像透镜5被配置为：

近红外LED照明光源（1L，1R）的半峰值辐射或发散角度FWHM大于等于自动聚焦光学 成像透镜5的成像视场角FOV；如图1中所示的近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度 θ。

备注说明：成像视场角FOV就是图1中标注的成像视场2，水平X轴范围W，垂直Y轴范围 H的区域。

保证成像视场亮度均衡性ρ=Iedge/Icenter*100%≥50%；

其中：

Iedge为成像视场边缘亮度；

Icenter为成像视场中心亮度。

近红外LED照明光源（1L，1R）与近红外光学滤光器被配置为：

近红外光学滤光器的半峰值透射波长FWHM大于等于近红外LED照明光源（1L，1R）的 半峰值辐射波长FWHM。如此设计可以获得最大限度的成像波长利用率。

备注说明：上述近红外光学滤光器包括前焦近红外光学滤光器4和后焦近红外光学滤光器 6。

自动聚焦光学成像透镜（固定焦距的自动聚焦光学成像透镜5）的固定焦距FEL被配置为：

EFL=WD*β；

其中：WD表示成像系统的工作物距；

β为光学成像系统的放大倍率；

β=SOP*ROP

SOP为图像成像传感器单位像素的物理尺度，如2um/pixel；

ROP为虹膜图像像素分辨率，如15pixels/mm；

满足识别距离如1米，采用FEL=30mm，

更进一步远达的10米，采用FEL=300mm。

自动聚焦光学成像透镜的光学空间分辨率（optical spatial resolution）被配置为：

在物方平面应该满足：60%调制传递函数时(MTF=0.6)≥5线对每毫米（lp/mm）。

图像成像传感器7被配置为：

至少超高清（UHD8K*4K）像素分辨率，即大于等于8192像素*4320像素；

按照15像素每毫米（pixels/mm）的虹膜图像像素分辨率要求能形成：

水平X轴识别范围W至少55cm，垂直Y轴识别范围H至少30cm。

自动聚焦（AF）的光学成像透镜5除传统的微步进电机，VCM音圈，MEMS，实现AF， 但这些技术的在海量频率使用中，如每天超过1万人次使用，存在非常大的不可靠性，而且自 动聚焦执行控制过程非常缓慢。

更优选的可采用以下自动聚焦技术实现：液体透镜，EDOF，WLA晶圆级透镜阵列。

液体透镜技术通过控制2种等密度液体间的电压来改变液体界面形状形成的屈光度来实 现AF，该技术还有个优点就是具有开环控制而且其物距与控制电压是线性固定关系的，不同 于闭环反馈控制，该特性使得自动聚焦执行控制过程非常快速，1次对焦就能在焦点位置附近。 液体透镜通过附加设计在传统固定焦距光学成像透镜的光瞳位置以获得最好的成像质量最小 化波前误差。

EDOF相位波前编码透镜扩展景深技术通过在传统固定焦距光学成像透镜的光瞳位置附 加非球面相位编码光学元件实现对入射光的波前相位编码以获得相位固定的光物理成像，再 由图像成像传感器输出后通过固定解码算法软件重建原始图像，实现AF。

WLA晶圆级透镜阵列技术通过透镜阵列能获得光全息的振幅和相位，再由图像成像传感 器输出后通过固定算法软件重建原始图像，实现AF，甚至3维图像。

后2种无任何聚焦调整控制要求和控制过程，仅需通过固定软件算法重建原始图像，因此 对于高速大人流量高速通过率是最理想的。

本发明描述的具体实施例内容和技术特征，可以在相同或等同理解的范围内被实施。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。