CN105022880B - 用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，在给定工作物距WOD的条件下，系统级优化设计包括光学成像物镜，近红外光学滤光器和近红外照明光源，图像成像传感器及系统级光电信号产生及处理方法，依次包括以下步骤：1)定义系统级光电参数；2)定义原始的单位像素亮度值的系统级光电信号产生；3)定义虹膜区域像素亮度统计评估值；4)光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值在预设的亮度范围；5)像素亮度值进行原始信号GAMMA校正处理；6)基于虹膜区域像素亮度统计评估值的像素亮度值对比度自适应性控制处理并输出。该方法能完成系统级的虹膜成像装置设计，实现成像高质量虹膜图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，属光电领域。
背景技术
目前为止，所有的用于虹膜成像装置的公开文献和专利检索显示，都大致为描述虹膜成像装置的结构，部件及光学电学元件组成方法等内容。
本领域技术人员公知的，围绕对虹膜成像装置的实际设计，相对标称理论值为标准和基础，用于虹膜成像装置的光学元件参数，归因于实际制造光学材料选择，加工工艺等生产过程原因，理论值和实际值时有±5％的误差和不同设计变化,并且本领域技术人员熟知可以通过根据实际应用条件进行参数变化和补偿。
如以虹膜成像装置的近红外LED为列，其辐射波长随实际工作温度或工作电流提高而往长波长方向偏移，需要额外在设计时进行偏移补偿。归因于虹膜成像装置的光学总长TTL日益缩短的技术趋势，大角度主光线入射角CRA的采用，相对标称理论值为标准和基础，以目前薄膜系设计技术和实际镀膜工艺，如以普通玻璃为基质的透明光学材料进行反射镀膜形成的光学滤光器，往往因CRA大角度其滤波范围会往短波长方向偏移，需要额外在设计时进行长波长方向偏移补偿。
而以有色玻璃为基质的吸收光学材料进行反射镀膜形成的光学滤光器，即使CRA大角度其滤波范围也不会有明显波长方向偏移，因此不需要进行偏移补偿。
因此本领域技术人员应以虹膜成像装置的光学元件参数理论值为标准和基础，更进一步的如何系统级优化用于虹膜成像装置的光学元件参数范围优化组合及其相互配置关系，以实现相对照明，MTF，景深等性能优化成像效果，是本领域需要解决的重要内容。
截止目前，上述问题本领域技术人员通常采用光学或电学的局限性经验或实验手段来对虹膜成像装置进行光电设计，本发明人发现到目前为止没有任何一种在实际应用中在给定需求条件下，用于系统级的指导虹膜成像装置光电优化设计的方法，另一方面特别是如何获得虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者高对比度的高质量虹膜图像都需要一种系统级光电优化设计方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在客观给定需求条件下，提供一种用于系统级的指导虹膜成像装置光电优化设计的方法，完成系统级的虹膜成像装置设计，实现成像高质量虹膜图像。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，根据在给定工作物距WOD的条件下，系统级优化设计包括光学成像物镜，近红外光学滤光器和近红外照明光源，图像成像传感器及优化的系统级光电信号产生及处理方法，其所述的特征是：
1.定义系统级光电参数λ，FWHM，I，E,EFL，F，FOV，OE_TE，ADC_T，GAIN，SNR，ET
近红外光学滤光器的透射率峰值波长设置为近红外照明光源等效峰值波长λ，
近红外光学滤光器的半最大值全波FWHM大于等于近红外照明光源产生的光谱FWHM，
其中所述的等效峰值波长λ＝Σhiλi，Σhi＝1<1>，
hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数；λi为近红外照明光源光谱，波长范围750nm-880nm；
更进一步，图像成像传感器采用单色类型时，等效峰值波长λ选择为双波段或单波段，所述的双波段进一步包含750-810nm(典型值为780nm)和810-880nm(典型值为850nm)两个波段,FWHM>30nm，所述的单波段包含780-850nm(典型值为810nm),FWHM>30nm；
图像成像传感器采用彩色类型时，等效峰值波长λ选择为单波段，所述的单波段为810-880nm(典型值为850nm)，FWHM>30nm；
近红外照明光源的辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度)：
I＝E*WOD2 E<10mW/cm2<2>
其中：E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度；
光学成像物镜的等效焦距值EFL具有：
EFL＝WOD*β/(1+β) <3>
其中：WOD为给定的工作物距；
β为虹膜像方和物方空间分辨率比率
β＝SOP*POI/SOI <4>
其中所述的
SOP(size of pixel)为图像成像传感器单位像素的物理尺度；
POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度，
SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度；
光学成像物镜的光圈F值(或相对光学孔径倒数)具有：
F＝EFL/D <5>
0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ) <6>
其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径；
光学成像物镜的视场角FOV具有：
FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*EFL)) <7>
其中所述的DOI为图像成像传感器的对角线像素数量；
图像成像传感器具有光电量子转换效率OE_TE>1V/(mW/cm2*s)
图像成像传感器具有模数转换器ADC的转换分辨率ADC_T＝2NLSB/V，LSB为ADC分辨率最低有效位，N为ADC分辨率有效位数，N≥8；
图像成像传感器具有在模拟增益GAIN＝1.0时，信噪比SNR>38db；
优化的系统级光电信号产生及处理方法包括：
2.定义原始的单位像素亮度值Yraw的系统级光电信号产生
Yraw＝ET*GAIN*E*OE_TE*ADC_T<8>
其中所述的ET为图像成像传感器的曝光时间exposure time或积分时间integration time，保证控制ET<1/30秒；
其中所述的GAIN为图像成像传感器的模拟增益，模拟增益GAIN控制必须保证产生的信噪比SNR>36db；
其中所述的E为公式<2>中定义的在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源强度I控制的最大辐射率或辐射照度，保证控制E<10mW/cm2；
3.定义虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp
Ysp＝S(Yraw)
其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值等；
4.ET，GAIN，E光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp在预设的[Yll,Yhl]亮度范围
Yll≤Ysp≤Yhl
其中所述的Yll为虹膜区域像素亮度下限，Yhl为虹膜区域像素亮度上限；
所述的光电信号处理控制为根据步骤2中定义的公式<8>线性乘积控制关系，改变ET，GAIN，E光电信号实现原始的单位像素亮度值Yraw改变，使相应的虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp满足Yll≤Ysp≤Yhl的预设条件；
更进一步，ET，GAIN，E可以固定其中1项控制条件，调整另外2项控制条件，或可以固定其中2项控制条件，调整另外1项控制条件；
5.像素亮度值Yraw进行原始信号GAMMA校正处理，保持原始值，即保持GAMMA＝1.0线性关系
Ygamma＝GAMMA(Yraw)＝YrawGAMMA＝1.0＝Yraw；
6.基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的像素亮度值Yraw对比度自适应性控制处理并输出Yout
Yout＝Contrast*(Yraw-Ysp)+Ysp
1.0≤Contrast≤2.0
Yout＝2N-1 if Yout>2N-1；
Yout＝0 if Yout<0；
其中所述的Contrast为基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的对比度自适应性控制系数，N为ADC分辨率有效位数。
总结上述描述，本发明的实现了在实际应用中在客观给定需求条件下，用于系统级的指导虹膜成像装置光电优化设计的方法，同时系统级的优化设计保证虹膜成像装置获得虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者高对比度的高质量虹膜图像。
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为本发明虹膜成像装置系统级光电优化设计方法的步骤；
图2为本发明具体实施例1虹膜成像装置的组成构造图；
图3为本发明具体实施例2虹膜成像装置的组成构造图；
图4为本发明具体实施例1虹膜成像装置的光学成像物镜(ZEMAX)布局设计图；
图5为本发明具体实施例1虹膜成像装置的光学成像物镜(ZEMAX)相对视场亮度设计图；
图6为本发明具体实施例1虹膜成像装置的光学成像物镜(ZEMAX)视场衍射MTF设计图；
图7为本发明具体实施例1虹膜成像装置的光学成像物镜(ZEMAX)场曲和畸变设计图；
图8为本发明具体实施例1虹膜成像装置的光学成像物镜(ZEMAX)点扩散设计图；
图9是经过原始信号GAMMA＝0.45校正处理的图像；
图10是经过原始信号GAMMA＝1.0校正处理的图像；
图11是未经过对比度自适应性控制处理的图像；
图12是经过Contrast＝1.25对比度自适应性控制处理的图像。
具体实施方式
实施例1、
图2描述了具体实施例1中的虹膜成像装置的组成构造图，包括以下部件组成：
虹膜成像装置1,左眼2L,左眼虚像2L',右眼2R,右眼虚像2R'，近红外照明光源左侧LED 3L,近红外照明光源右侧LED 3R，近红外照明光源左侧透射窗口4L，近红外照明光源右侧透射窗口4R，近红外光学滤光器保护窗口5，近红外光学滤光器6，光学成像物镜7，图像成像传感器8，可选配安装的后焦近红外光学滤光器9，用于自动聚焦AF的光学成像物镜后焦调焦驱动器10。
虹膜成像装置1的近红外光学滤光器保护窗口5位于虹膜成像装置1最前外表面用于保护整个虹膜成像装置，保证在各种不同工作环境下使用。
虹膜成像装置1的近红外照明光源左侧LED 3L,近红外照明光源右侧LED 3R分别位于虹膜成像装置1的左右两侧，其外部分别被近红外照明光源左侧透射窗口4L，近红外照明光源右侧透射窗口4R覆盖用于控制近红外照明光源的发散(辐射)角度。
如图2所示，上述发散(辐射)角度为近红外照明光源LED分别与左右眼连线构成的夹角。具体地，以近红外照明光源左侧LED 3L为例，该发散角度为近红外照明光源LED 3L分别与左右眼(2L和2R)连线构成的夹角，即该夹角为∠2L3L2R；以近红外照明光源左侧LED3R为例，该发散角度为近红外照明光源LED 3R分别与左右眼(2L和2R)连线构成的夹角，即该夹角为∠2L3R2R。
如图2所示，所述近红外照明光源LED 3L和3R分别设置为其安装平面与所述虹膜成像装置的光学轴(即图2所示的穿过光学成像物镜7的虚线)之间具有一夹角。通过将所述近红外照明光源LED 3L和3R分别设置的这一夹角，从而产生将上述近红外照明光源LED的发散(辐射)角度分别倾斜照明左右眼(2L和2R)。
虹膜成像装置1的近红外光学滤光器6、光学成像物镜7、图像成像传感器8，依次同一光学轴中心安装，用于形成基本的近红外成像光路。
近红外光学滤光器6用于反射来自外部环境中左眼2L，右眼2R的可见光形成左眼虚像2L',右眼虚像2R'；透射来自近红外照明光源左侧LED 3L,近红外照明光源右侧LED 3R反射在左眼2L，右眼2R的近红外光形成有效的近红外成像光。
近红外光学滤光器6，作用一是滤除干扰成像的无效杂光进而仅透射有效的近红外光提高成像质量，作用二是通过形成的左眼虚像2L',右眼虚像2R'实现使用者在虹膜成像装置1的光学轴中心位置进行自主定位。
光学成像物镜7用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到图像成像传感器8的像方焦平面。
可选配安装的后焦近红外光学滤光器9，位于光学成像物镜7和图像成像传感器8之间的光路中心位置，用于进一步滤除干扰成像的无效杂光，提高用于成像目的的近红外光纯度。
用于自动聚焦AF的光学成像物镜后焦调焦驱动器10，位于近红外光学滤光器6和图像成像传感器8之间的光路中心位置，并且与光学成像物镜7集成密闭。用于自动聚焦AF的光学成像物镜后焦调焦驱动器10通过控制光学成像物镜7与图像成像传感器8之间的后焦位置实现像方焦平面位置调整的自动聚焦AF。用于自动聚焦AF的光学成像物镜后焦调焦驱动器10可由步进微电机，音圈电机或其它线性行程调节控制器构成。
首先根据具体实施例1的需求分析，光学成像物镜7和图像成像传感器8能同时成像左眼2L和右眼2R，必须采用500万像素(5Mpixels)分辨率，如此的500万像素(5Mpixels)分辨率的图像成像传感器8单位像素的物理尺度典型值为如2.2um，2560*1944像素，但鉴于目前技术如此小的单位像素的物理尺度使得其光电量子转换效率OE_TE和SNR相对较低，也即意味着需要增大通光量，考虑到成像眼睛虹膜这类型的小尺寸物体，进一步的影响是后焦调整对有工作物距WOD变化非常敏感，因此具体实施例1设计了光学成像物镜后焦调焦驱动器10用于执行自动聚焦AF。
接下来，在实际应用中在客观给定需求条件下，虹膜成像装置1根据在给定工作物距WOD如30cm(working object distance)的条件下，具体实施例1详细描述如何进行系统级光电优化设计。
1)、定义系统级光电参数λ，FWHM，I，EFL，F，FOV，OE_TE，ADC_T，GAIN，SNR，ET：
近红外光学滤光器6的透射率峰值波长设置为近红外照明光源左侧LED 3L、近红外照明光源右侧LED 3R(以下简称近红外照明光源3L,3R)等效峰值波长λ；
近红外光学滤光器6的半最大值全波FWHM(Full Wave at Half Maximum)大于等于近红外照明光源3L,3R产生的光谱FWHM，
其中所述的等效峰值波长λ＝Σhiλi，Σhi＝1 <1>
hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数，λi为近红外照明光源光谱，波长范围750nm-880nm；
备注说明：近红外照明光源光谱就是近红外照明光源3L,3R的波长范围；
更进一步，图像成像传感器8采用单色类型时，等效峰值波长λ选择为双波段或单波段，所述的双波段进一步包含750-810nm(典型值为780nm)和810-880nm(典型值为850nm)两个波段，FWHM>30nm，所述的单波段包含780-850nm(典型值为810nm)，FWHM>30nm；
图像成像传感器8采用彩色类型时，等效峰值波长λ选择为单波段，所述的单波段为810-880nm(典型值为850nm)，FWHM>30nm；
具体实施例1图像成像传感器8采用单色类型，双波段包含780nm，850nm，FWHM＝60nm，
等效峰值波长λ＝810nm，FWHM＝120nm。
具体实施例1近红外照明光源的辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度):
I＝E*WOD2E<10mW/cm2 <2>
其中：E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度；
(备注说明：E值只要满足E<10mW/cm2，进而根据<2>和给定的WOD推算而得)；
具体实施例1光学成像物镜7的等效焦距值EFL(Equivalent focal length)具有：
EFL＝WOD*β/(1+β) <3>
其中：WOD为给定的工作物距；
β为虹膜像方和物方空间分辨率比率
β＝SOP*POI/SOI <4>
其中所述的
SOP(size of pixel)为图像成像传感器8单位像素的物理尺度；
POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度，更近一步POI范围为160-320pixels；
SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度，更近一步SOI范围为9-13mm；
具体实施例1，SOP＝2.2um/pixel，POI＝220pixels，SOI＝11mm,
β＝0.044,EFL＝12.6mm。
具体实施例1光学成像物镜7的光圈F值(或相对光学孔径倒数)具有：
F＝EFL/D <5>
0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ) <6>
其中所述的D为光学成像物镜7的光瞳或通光孔径的直径；
具体实施例1选择接近下限光圈值F＝1.4,D＝9mm，如此设计的通光量能保证图像成像传感器8成像质量。
具体实施例1光学成像物镜7的视场角FOV(Field of View)具有：
FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*EFL)) <7>
其中所述的DOI为图像成像传感器8的对角线像素数量；
具体实施例1，DOI＝3227pixels，FOV≥32度(3.55mm半对角)。
如此λ，EFL，F，FOV要求设计的光学成像物镜7，具体实施例1通过ZEMAX光学模拟软件设计具体见图4～图8，包含布局设计图，相对视场亮度设计图，视场衍射MTF设计图，场曲和畸变设计图，点扩散设计图。
备注说明：根据λ，EFL，F，FOV要求设计的光学成像物镜7，用“ZEMAX设计”(一种光学模拟软件)能获得图4～图8，相应设计图的目的是验证上述参数的设计，能获得参数的设计是可行的结论性内容。
具体实施例1图像成像传感器8具有光电量子转换效率OE_TE＝1.4V/(mW/cm2*s)，
具体实施例1图像成像传感器8具有ADC转换分辨率ADC_T＝210LSB/V，LSB为ADC分辨率最低有效位，此时，N＝10，N为ADC分辨率有效位数；
具体实施例1图像成像传感器8具有在模拟增益GAIN＝1.0时，信噪比SNR>38db。
接着具体实施例1优化的系统级光电信号产生及处理方法包括如下内容：
2)、定义原始的单位像素亮度值Yraw的系统级光电信号产生
Yraw＝ET*GAIN*E*OE_TE*ADC_T <8>
其中所述的ET为图像成像传感器8的曝光时间exposure time或积分时间integration time，保证控制ET<1/60秒；
其中所述的GAIN为图像成像传感器8的模拟增益，模拟增益GAIN控制必须保证产生的信噪比SNR>36db；
其中所述的E为公式<2>中定义的在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源强度I控制的最大辐射率或辐射照度，保证控制E<10mW/cm2。
3)、定义虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp：
Ysp＝S(Yraw)
其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值等。
4)、ET，GAIN，E光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp在预设的[Yll,Yhl]亮度范围：
Yll≤Ysp≤Yhl
其中所述的Yll为虹膜区域像素亮度下限，Yhl为虹膜区域像素亮度上限；
备注说明：Yll、Yhl可以按实际需要任意设置上限，下限。典型值是：
Yll＝29LSB-24LSB＝496LSB Yhl＝29LSB+24LSB＝528LSB。
所述的光电信号处理控制为根据步骤2)中定义的公式<8>线性乘积控制关系，改变ET，GAIN，E光电信号实现原始的单位像素亮度值Yraw改变，使相应的虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp满足Yll≤Ysp≤Yhl的预设条件；
理论上，Yll＝Yhl条件时，Ysp可以获得恒定的虹膜区域像素亮度，但实际应用时考虑到如外部复杂成像条件，图像成像传感器不一致性，近红外照明光源受温度和电流等条件变化，易产生反馈振荡。因此设定上下限是合理的。
更进一步为了加速和简化光电信号处理控制，具体实施例1，ET，GAIN，E可以固定其中1项控制条件，调整另外2项控制条件，或可以固定其中2项控制条件，调整另外1项控制条件。
5)、像素亮度值Yraw进行原始信号GAMMA校正处理，保持原始值，即保持GAMMA＝1.0线性关系：
Ygamma＝GAMMA(Yraw)＝YrawGAMMA＝1.0＝Yraw
具体实施例1必须经过上述原始信号GAMMA＝1.0校正处理，原因是目前的图像成像传感器输出前在内部都默认对原始信号进行了GAMMA＝0.45的校正处理，本发明通过实验研究认为设计GAMMA＝1.0线性关系更能保证虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者具有高对比度和有利于进一步进行虹膜识别的亮度分布。
在相同的条件下，图9是经过原始信号GAMMA＝0.45校正处理的图像，图10是经过原始信号GAMMA＝1.0校正处理的图像，通过比较虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者对比度确认GAMMA＝1.0校正处理的图像明显优于GAMMA＝0.45校正处理的图像，并且亮度分布范围更宽即具有更大变化范围。
6)、基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的像素亮度值Yraw对比度自适应性控制处理并输出Yout
Yout＝Contrast*(Yraw-Ysp)+Ysp
1.0≤Contrast≤2.0
Yout＝210-1 if Yout>210-1；
Yout＝0 if Yout<0；
其中所述的Contrast为基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的对比度自适应性控制系数。
采用基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp作为对比度自适应性控制的基准能最本质上提高保证虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者具有高对比度和有利于进一步优化虹膜识别的亮度分布。
具体实施例1，Contrast＝1.25，经过上述信号处理后Yout最终可输出虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者高对比度的高质量虹膜图像。
在相同的条件下，图11是未经过对比度自适应性控制处理的图像，图12是经过Contrast＝1.25对比度自适应性控制处理的图像，通过比较虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者对比度确认经过Contrast＝1.25对比度自适应性控制处理的图像明显优于未经过对比度自适应性控制处理的图像。
实施例2、
图3描述了具体实施例2虹膜成像装置的组成构造图，它包括以下部件组成：
虹膜成像装置1,左眼2L,左眼虚像2L',右眼2R,右眼虚像2R'，近红外照明光源左侧LED 3L,近红外照明光源右侧LED 3R，近红外照明光源左侧透射窗口4L，近红外照明光源右侧透射窗口4R，近红外光学滤光器保护窗口5，近红外光学滤光器6，左眼虹膜光学成像物镜7L，右眼虹膜光学成像物镜7R，左眼虹膜图像成像传感器8L，右眼虹膜图像成像传感器8R。
虹膜成像装置1的近红外光学滤光器保护窗口5，位于虹膜成像装置1最前外表面用于保护整个虹膜成像装置，保证在各种不同工作环境下使用。
虹膜成像装置1的近红外照明光源左侧LED 3L,近红外照明光源右侧LED 3R分别位于虹膜成像装置1的左右两侧，其外部分别被近红外照明光源左侧透射窗口4L，近红外照明光源右侧透射窗口4R覆盖用于控制近红外照明光源的发散(辐射)角度。
如图3所示，上述发散(辐射)角度为近红外照明光源LED分别与左右眼连线构成的夹角。具体地，以近红外照明光源左侧LED 3L为例，该发散角度为近红外照明光源LED 3L分别与左右眼(2L和2R)连线构成的夹角，即该夹角为∠2L3L2R；以近红外照明光源左侧LED3R为例，该发散角度为近红外照明光源LED 3R分别与左右眼(2L和2R)连线构成的夹角，即该夹角为∠2L3R2R。
如图3所示，所述近红外照明光源LED 3L和3R分别设置为其安装平面与所述虹膜成像装置的光学轴(即图2所示的穿过光学成像物镜7L和7R的平行虚线)之间具有一夹角。通过将所述近红外照明光源LED 3L和3R分别设置的这一夹角，从而产生将上述近红外照明光源LED的发散(辐射)角度分别倾斜照明左右眼(2L和2R)。
虹膜成像装置1的近红外光学滤光器6，左眼虹膜光学成像物镜7L，左眼虹膜图像成像传感器8L，依次同一光学轴中心安装，用于形成基本的左眼虹膜近红外成像光路。
虹膜成像装置1的近红外光学滤光器6，右眼虹膜光学成像物镜7R，右眼虹膜图像成像传感器8R，依次同一光学轴中心安装，用于形成基本的右眼虹膜近红外成像光路。
近红外光学滤光器6用于反射来自外部环境中左眼2L，右眼2R的可见光形成左眼虚像2L',右眼虚像2R'，透射来自近红外照明光源左侧LED3L,近红外照明光源右侧LED 3R反射在左眼2L，右眼2R的近红外光形成有效的近红外成像光。
近红外光学滤光器6，作用一是滤除干扰成像的无效杂光进而仅透射有效的近红外光提高成像质量，作用二是通过形成的左眼虚像2L',右眼虚像2R'实现使用者在虹膜成像装置1的光学轴中心位置进行自主定位。
左眼虹膜光学成像物镜7L用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到左眼虹膜图像成像传感器8L的像方焦平面。
右眼虹膜光学成像物镜7R用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到右眼虹膜图像成像传感器8R的像方焦平面。
首先不同于具体实施例1的需求分析，具体实施例2中，左眼虹膜光学成像物镜7L和左眼虹膜图像成像传感器8L能成像左眼2L，右眼虹膜光学成像物镜7R和右眼虹膜图像成像传感器8R和右眼2R，由于采用2路成像光路设计，图像成像传感器8L，8R可选为0.3Mpixels 640*480像素，1Mpixels 1280*800像素，1.2Mpixels 1280*960像素,1.3Mpixels 1280*1024像素分辨率，如具体实施例2采用0.3Mpixels 640*480像素分辨率的图像成像传感器单位像素的物理尺度典型值为如6um，目前技术6um单位像素的物理尺度其光电量子转换效率OE_TE和SNR相对很高，因此具体实施例2的采用固定后焦的光学成像物镜设计。
接下来，在实际应用中在客观给定需求条件下，虹膜成像装置根据在给定工作物距WOD如20cm(working object distance)的条件下，具体实施例2详细描述如何进行系统级光电优化设计。
1)、定义系统级光电参数λ，FWHM，I，EFL，F，FOV，OE_TE，ADC_T，GAIN，SNR，ET
近红外光学滤光器6的透射率峰值波长设置为近红外照明光源3L,3R等效峰值波长λ，
近红外光学滤光器6的半最大值全波FWHM(Full Wave at Half Maximum)大于等于近红外照明光源3L,3R产生的光谱FWHM，
其中所述的等效峰值波长λ＝Σhiλi，Σhi＝1 <1>
hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数；λi为近红外照明光源光谱，波长范围750nm-880nm；
图像成像传感器8采用彩色类型，单波段850nm，FWHM＝60nm，
等效峰值波长λ＝850nm,FWHM＝60nm。
近红外照明光源的辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度):
I＝E*WOD2 E<10mW/cm2 <2>
其中：E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度；
具体实施例2光学成像物镜7的等效焦距值EFL(Equivalent focal length)具有：
EFL＝WOD*β/(1+β) <3>
其中：WOD为给定的工作物距；
β为虹膜像方和物方空间分辨率比率
β＝SOP*POI/SOI <4>
其中所述的
SOP(size of pixel)为图像成像传感器单位像素的物理尺度；
POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度，更近一步POI范围为160-320pixels；
SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度，更近一步SOI范围为9-13mm；
具体实施例2中，SOP＝6um/pixel，POI＝220pixels，SOI＝11mm,
β＝0.12,EFL＝21.4mm。
光学成像物镜7的光圈F值(或相对光学孔径倒数)具有：
F＝EFL/D <5>
0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ) <6>
其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径；
选择接近上限光圈值F＝10,D＝2.14mm，如此设计的通光量即能保证图像成像传感器8成像质量，又能扩大景深。
光学成像物镜7的视场角FOV(Field of View)具有：
FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*EFL)) <7>
其中所述的DOI为图像成像传感器的对角线像素数量；
DOI＝800pixels，，FOV≥13度(2.4mm半对角)。
图像成像传感器8具有光电量子转换效率OE_TE＝16V/(mW/cm2*s)；
图像成像传感器8具有ADC转换分辨率ADC_T＝212LSB/V，LSB为ADC分辨率最低有效位，N为ADC分辨率有效位数，N＝12；
图像成像传感器8具有在模拟增益GAIN＝1.0时，信噪比SNR>50db。
接着具体实施例2优化的系统级光电信号产生及处理方法包括：
2)、定义原始的单位像素亮度值Yraw的系统级光电信号产生
Yraw＝ET*GAIN*E*OE_TE*ADC_T <8>
其中所述的ET为图像成像传感器的曝光时间exposure time或积分时间integration time，保证控制ET<1/100秒；
其中所述的GAIN为图像成像传感器的模拟增益，模拟增益GAIN控制必须保证产生的信噪比SNR>38db；
其中所述的E为公式<2>中定义的在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源强度I控制的最大辐射率或辐射照度，保证控制E<10mW/cm2；
3)、定义虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp
Ysp＝S(Yraw)
其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值等；
4)、ET，GAIN，E光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp在预设的[Yll,Yhl]亮度范围
Yll≤Ysp≤Yhl
其中所述的Yll为虹膜区域像素亮度下限，Yhl为虹膜区域像素亮度上限；
所述的光电信号处理控制为根据步骤2中定义的公式<8>线性乘积控制关系，改变ET，GAIN，E光电信号实现原始的单位像素亮度值Yraw改变，使相应的虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp满足Yll≤Ysp≤Yhl的预设条件；
理论上，Yll＝Yhl条件时，Ysp可以获得恒定的虹膜区域像素亮度，但实际应用时考虑到如外部复杂成像条件，图像成像传感器不一致性，近红外照明光源受温度和电流等条件变化，易产生反馈振荡。因此设定上下限是合理的。
更进一步为了加速和简化光电信号处理控制，具体实施例2中，ET，GAIN，E可以固定其中1项控制条件，调整另外2项控制条件，或可以固定其中2项控制条件，调整另外1项控制条件；
5)、像素亮度值Yraw进行原始信号GAMMA校正处理，保持原始值，即保持GAMMA＝1.0线性关系
Ygamma＝GAMMA(Yraw)＝YrawGAMMA＝1.0＝Yraw
具体实施例2必须经过上述原始信号GAMMA＝1.0校正处理，原因是目前的图像成像传感器输出前在内部都默认对原始信号进行了GAMMA＝0.45的校正处理，本发明人通过实验研究认为设计GAMMA＝1.0线性关系更能保证虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者具有高对比度和有利于进一步优化虹膜识别的亮度分布。
6)、基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的像素亮度值Yraw对比度自适应性控制处理并输出Yout
Yout＝Contrast*(Yraw-Ysp)+Ysp
1.0≤Contrast≤2.0
Yout＝212-1 if Yout>212-1；
Yout＝0 if Yout<0；
其中所述的Contrast为基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的对比度自适应性控制系数。
采用基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp作为对比度自适应性控制的基准能最本质上提高保证虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者具有高对比度和有利于进一步优化虹膜识别的亮度分布。
具体实施例2，Contrast＝1.5，经过上述信号处理后Yout最终可输出虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者高对比度的高质量虹膜图像。
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。
Claims (13)
1.一种优化设计的虹膜成像装置，其特征是，所述虹膜成像装置包括以下部件：
近红外照明光源LED，所述近红外照明光源具有等效峰值波长λ；其中所述的等效峰值波长λ＝∑hiλi，∑hi＝1，其中hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数，λi为近红外照明光源光谱；
近红外照明光源透射窗口，外部覆盖近红外照明光源LED，用于控制近红外照明光源LED的发散角度；
近红外光学滤光器保护窗口，位于虹膜成像装置最前外表面，用于保护整个虹膜成像装置；
近红外光学滤光器，用于滤除干扰成像的无效杂光进而仅透射有效的近红外光提高成像质量，所述近红外光学滤光器的半最大值全波FWHM大于等于近红外照明光源产生的光谱的半最大值全波FWHM；
图像成像传感器；
光学成像物镜，用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到图像成像传感器的像方焦平面。
2.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是:所述的发散角度为近红外照明光源LED分别与左右眼连线构成的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是所述近红外照明光源LED设置为其安装平面与所述虹膜成像装置的光学轴之间具有一夹角。
4.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是:
所述光学成像物镜的等效焦距值EFL具有：
EFL＝WOD*β/(1+β)
其中，β为虹膜像方和物方空间分辨率比率，且β＝SOP*POI/SOI，其中所述的SOP为图像成像传感器单位像素的物理尺度；POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度；SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度，WOD为工作物距离。
5.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述光学成像物镜的光圈F值或相对光学孔径倒数具有：
F＝EFL/D
0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ)
其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径，EFL为所述光学成像物镜的等效焦距值，SOP为所述图像成像传感器单位像素的物理尺度，λ为所述近红外照明光源的等效峰值波长。
6.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述光学成像物镜的视场角FOV具有：
FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*EFL))
其中所述的DOI为图像成像传感器的对角线像素数量，EFL为所述光学成像物镜的等效焦距值，SOP为所述图像成像传感器单位像素的物理尺度。
7.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述近红外照明光源的等效峰值波长λ选择为双波段，所述的双波段包含750-810nm和810-880nm两个波段,FWHM>30nm。
8.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述近红外照明光源的等效峰值波长λ选择为单波段，所述的单波段包含810-880nm，FWHM>30nm，或，所述的单波段包含780-850nm，FWHM>30nm。
9.根据权利要求1或7-8其中任一所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述近红外光学滤光器的透射率峰值波长设置为近红外照明光源等效峰值波长λ。
10.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述近红外照明光源的辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度)：
I＝E*WOD2E<10mW/cm2
其中所述的E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度。
11.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述虹膜成像装置控制图像成像传感器曝光时间或积分时间，图像成像传感器模拟增益，近红外照明光源辐射强度的光电信号处理，实现虹膜区域像素亮度统计评估值在预设的亮度范围。
12.根据权利要求11所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述图像成像传感器的曝光时间或积分时间ET，保证控制ET<1/30秒；
所述的图像成像传感器的模拟增益GAIN，保证控制GAIN产生的信噪比SNR>36db；
所述的近红外照明光源辐射强度I,在给定的工作物距处接受的最大辐射率或辐射照度E，保证控制E<10mW/cm2。
13.根据权利要求11所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：
所述虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp，
Ysp＝S(Yraw)
其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值；
其中所述的Yraw为原始的单位像素亮度值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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Correction item: Applicant Correct: Kweiyang Ke An Science and Technology Ltd. False: GUIYANG GUI'AN TECHNOLOGY CO., LTD. Number: 44 Volume: 31 |
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| CI02 | Correction of invention patent application |
Correction item: Applicant Correct: Kweiyang Ke An Science and Technology Ltd. False: GUIYANG GUI'AN TECHNOLOGY CO., LTD. Number: 44 Page: The title page Volume: 31 |
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| ERR | Gazette correction | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170210 Address after: 215634 Jiangsu Suzhou Free Trade Zone emerging industry incubation center A building 413A room Patentee after: SUZHOU SIYUAN KEAN INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 550007 Guiyang high tech Development Zone in the west of the R & D base, building 14, floor 3, Guizhou Patentee before: Kweiyang Ke An Science and Technology Ltd. |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ni Weimin Inventor after: Chen Ping Inventor before: Shen Hongquan |