CN101051347A - 眼睛图像采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种眼睛图像采集装置，包括：外置壳体，用于固结装置的其它部分；眼睛图像采集部件，用于采集使用者的眼睛图像；反射镜，用于将使用者眼睛引导入眼睛图像采集部件的视场范围；照明部件，用于为使用者提供合适的照明；测距部件，用于测量使用者眼睛的位置；眼睛图像采集控制部件，用于判断使用者眼睛是否进入沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围，并控制眼睛图像采集部件和照明部件工作；其中，反射镜位于外置壳体正面的外表面，测距部件位于反射镜的上或下、左、右方，照明部件位于反射镜的下方，眼睛图像采集部件位于反射镜的后方，眼睛图像采集控制部件位于外置壳体内。本装置使用过程简单、使用范围广、使用方便精确。

Description

眼睛图像采集装置
技术领域
本发明涉及一种光学成像装置，特别是涉及一种眼睛图像采集装置。
背景技术
要采集到完整、清晰的人眼图像，需限制使用者眼睛相对采集装置上下、左右、前后三维六个方向的自由度，因此传统眼睛图像采集装置必须给出多种提示信息，且上述信息很难量化，要由使用者根据经验自行判断位置是否合适。这样就造成眼睛难于精确定位，使用者要通过装置提供的一些复杂提示，调整自己的位置，使自己的眼睛落入采集装置的采集范围。因而，其存在的主要问题是使用者必须经过培训才能正确使用采集装置，没有经验的使用者使用时间过长或无法取得清晰的图像。
例如有些传统眼睛图像采集装置要求使用者在观察自己眼睛反射像与某一开口部分或标记相对位置重合的同时还要用左右眼观察设备内的两个光源，通过同时观察上述两种提示信息来自行判断位置是否合适。但由于上述传统眼睛图像采集装置未能给出精确、量化的提示信息，且使用者的位置是否合适由使用者自行判断，而由使用者眼睛瞳距差异及内、外斜视等情况而产生的使用误差无法消除。因此不能完全保证图像采集过程的准确性与使用方便性。同时，由于可见光对眼睛的刺激作用，光线强时眼睛瞳孔收缩，反之瞳孔扩张，上述瞳孔的变化会改变眼睛虹膜纹理的形状，从而影响眼睛虹膜的识别结果。传统的眼睛图像采集装置也未能解决这一问题。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是提供一种使用过程简单、使用范围广、使用方便精确的眼睛图像采集装置，该装置采集到的眼睛图像具有较高的质量。
本发明具体是这样实现的：
一种眼睛图像采集装置，包括：一个外置壳体，用于固结装置的其它部分；一个眼睛图像采集部件，用于采集使用者的眼睛图像；一个反射镜，用于将使用者眼睛引导入眼睛图像采集部件的视场范围；一个照明部件，用于为使用者提供合适的照明；该装置还包括如下部分：一个测距部件，用于测量使用者眼睛的位置；一个眼睛图像采集控制部件，用于判断使用者眼睛是否进入沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围，并控制眼睛图像采集部件和照明部件工作；其中，反射镜位于外置壳体正面的外表面，测距部件位于反射镜的上或下、左、右方，照明部件位于反射镜的下方，眼睛图像采集部件位于反射镜的后方，眼睛图像采集控制部件位于外置壳体内。
按上述方案，所述测距部件的选择或开发遵循如下原则：测距精度小于等于1厘米；输出连续的信号；对人体无伤害。
按上述方案，所述眼睛图像采集控制部件包括一个信号转换单元和一个测距数据判断与图像采集控制单元。
按上述方案，所述信号转换单元为一A/D转换元件，其将测距部件传来的电信号转换成一组实时测距数据，通过数据总线传递给测距数据判断与图像采集控制单元。
按上述方案，所述测距数据判断与图像采集控制单元主要由一单片机与外围控制电路组成，其收到实时测距数据后，即与事先设置的一组标准距离数据进行比较，如果实时的测距数据并未落入标准距离数据范围内则继续重复上述比较过程，直至实时测距数据落入标准测距数据范围内时，即时启动眼睛图像采集部件与照明部件工作。
按上述方案，还包括一个位置声音提示部件，当实时测距数据落入标准测距数据范围内时，测距数据判断与图像采集控制单元控制该位置声音提示部件发出特定声音，提示使用者。
按上述方案，所述眼睛图像采集部件包括一个图像光电转换传感器和一个成像物镜。
按上述方案，当图像光电转换传感器有效成像面积的长为d宽为h、成像物镜垂轴放大率为β、眼睛至反射镜的距离为L、眼睛至成像物镜入瞳的距离为LP时，反射镜外形尺寸长度：D＝2*β*(LP-L)*d/LP；反射镜外形尺寸宽度：H＝2*β*(LP-L)*h/LP。
按上述方案，所述反射镜为反射可见光，透过红外光。
按上述方案，在反射镜附近有一个发光元件，用于刺激使用者瞳孔，使瞳孔缩放运动相对稳定，该发光元件的中心线通过光瞳中心，波长范围在400nm-700nm之间，由设备控制其工作一段时间后关闭或一直工作并将其与眼睛图像采集部件的透过波段范围的中心值的波长差异限定在400nm。
由于采用了上述装置，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
使用者只要保证左或右眼睛反射像是完整的即可，无需再将眼睛反射像调整到与某一部分或标记对准，降低了使用过程的复杂性，排除了视力差异造成的使用误差，扩大了使用者的范围。
由测距部件与眼睛图像采集控制部件自行判断且完成眼睛图像采集过程，量化了使用者与本装置沿眼睛图像采集部件光轴方向的距离，排除了瞳距差异和内、外斜视所造成的使用误差，确保了采集到眼睛图像的质量。
由于使用者是否进入沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围内，由本装置自己判断决定。改变了传统人眼图像采集装置依靠使用者根据自己经验判断位置合适的状态，提高了使用方便性与精确性。
本发明采用了发光元件，用于刺激使用者瞳孔，使瞳孔缩放运动相对稳定，从而解决了可见光对人眼的刺激问题。
附图说明
图1是本发明的装置外观图；
图2是本发明的元件组成及工作原理图；
图3是本发明中反射镜外形尺寸计算原理图；
图4是本发明的测距部件与眼睛图像采集控制部件的工作流程图；
图5是本发明的标准测距数据与沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最远点关系图；
图6是本发明的标准测距数据与沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最近点关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施过程作进一步的说明。
1、装置组成及位置关系
本装置包括一个外置壳体，该装置还包括如下部分：眼睛图像采集部件，用以采集使用者眼睛图像；定位部件，将使用者眼睛导入眼睛图像采集部件的视场范围，并测量使用者眼睛与眼睛图像采集部件的距离。定位部件又包含一反射镜；一测距部件；一眼睛图像采集控制部件，用以判断使用者眼睛是否进入沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围；一照明部件，用以为使用者提供合适的照明。定位部件的上述四个部件固结在所述的外置壳体内，其中，测距部件与眼睛图像采集控制部件可为分离元件，也可结合在一起。
眼睛图像采集部件包括一个图像光电转换传感器和一个专用成像物镜，图像光电转换传感器为通用部件，如CCD、CMOS等。选用时应注意光谱响应曲线峰值应在近红外区域，即700nm--1000nm之间，另外其分辨率应高于眼睛虹膜纹理的细节分辨率，即最小不少于25万像素。专用物镜的成像中心波长应与图像光电转换传感器的光谱响应曲线峰值相匹配。专用成像物镜按照数学模型要求确定其垂轴放大率，其数值孔径所决定的景深应大于测距部件所控制的沿物镜光轴的采集范围，其成像弥散圆应小于图像光电转换传感器一个像素点面积。
眼睛图像采集部件的主要功能为专用物镜将照明部件照射到眼睛虹膜上的光线收集汇聚到图像光电转换传感器上，由图像光电转换传感器将光信号转变为电信号形成模拟或数字图像。在上述过程中眼睛图像采集部件应确保如下几点：
(1)将眼睛虹膜图像无损失的放大，使眼睛虹膜图像细节纹理特征显现出来；
(2)滤除可见光干扰，使眼睛角膜反射的其他可见光影像不能成像。
反射镜位于本装置正面的外表面，其外形尺寸长为D，宽为H，眼睛图像采集部件中图像光电转换传感器有效成像面积的长为d，宽为h。眼睛图像采集部件的成像物镜垂轴放大率为β。L为眼睛至反射镜距离。LP为眼睛至成像物镜入瞳的距离。其中：D＝2*β*(LP-L)*d/LP，H＝2*β*(LP-L)*h/LP，如图3所示。该反射镜为反射可见光，透过红外光。
测距部件位于反射镜的上或下、左、右方，眼睛图像采集部件位于反射镜的后方。
眼睛图像采集控制部件位于外置壳体内，包括一个信号转换单元和一个测距数据判断与图像采集控制单元。信号转换单元也可与测距部件或测距数据判断与图像采集控制单元结合为一体。其中，信号转换单元为一A/D转换元件，其将测距部件传来的电信号转换成一组实时测距数据，通过数据总线传递给测距数据判断与图像采集控制单元。测距数据判断与图像采集控制单元主要由一单片机与外围控制电路组成，其收到实时测距数据后，即与事先设置的一组标准距离数据进行比较，如果实时的测距数据并未落入标准距离数据范围内则继续重复上述比较过程，直至实时测距数据落入标准测距数据范围内。
2、装置部件的参数选择
眼睛图像采集部件的成像物镜可采用定焦镜头或自动(变焦、聚焦)镜头。但自动镜头的成本高，生产装配工艺复杂，所以本装置眼睛图像采集部件的成像物镜主要采用定焦镜头。
因受到眼睛图像大小、清晰度等因素，沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围不会很大。因此测距部件的选择或开发应遵循如下原则：
(1)测距精度小于等于1厘米；
(2)输出连续的信号；
(3)对人体无伤害。
我们现采用的几种光学测距部件如下：
  厂商/设计者 名称 发生器   波长(nm)   测量范围(cm) 接收器 输出   频率(Hz)   反映时间(ms)   电源电压(V)   额定功耗(mA)
  sharp   GP2D05   IR LED   10-80   PSD   开关量   25   4.5-5.5   33
  GP2D02   IR LED   10-80   PSD   D   25   4.5-5.5   33
  GP2D120   IR LED   4-30   PSD   A   25   4.5-5.5   33
  GP2D15   IR LED   10-80   PSD   开关量   25   4.5-5.5   33
  GP2D12   IR LED   10-80   PSD   A   25   4.5-5.5   33
  GP2Y0A02YK   IR LED   20-150   PSD   A   25   4.5-5.5   33
  GP2Y3A001K0F   IR LED   4-30   PSD   A   50   4.5-5.5   33
  GP2Y3A002K0F   IR LED   20-150   PSD   A   50   4.5-5.5   33
  GP2Y3A003K0F   IR LED   40-300   PSD   A   50   4.5-5.5   33
Idec   SA1D   IR LED   880   20-50   PSD   A/D   Max200   5或50   12-24   -
SA1L   IRorred LED 5-20 max3.5
MX1C   Laser Diode(5mW) 670 60-160 PSD A/D Max200 5或50 12-24
Baumerelectric OADM Laser Diode 675   5-25Or10-50 CCD A/D ＜10 10-28
NAiS UZD35 IR LED 10-200 A max500 2   10-30
leuze ODS 96  IR LEDorLaser   880(LED)660(Laser)   10-60or20-200 CCD A/D 10-100 ＜100 18-30
 LAMI(Lamon)  Laser Diode(3mW)   632   5-80   TSL1301   5
测距部件除光学外，还包括：超声波、激光、电磁波等几大类。虽然测距信号不同，但均能满足测距功能。
3、工作原理
当使用者面对本装置正面时，通过观察反射镜中自己左或右眼睛的反射像将眼睛引导入眼睛图像采集部件的视场范围。在使用者靠近本装置正面的过程中测距部件主动发出一测距信号(近红外光线)，当这一信号遇到使用者面部时，即反射回测距部件的接收单元。使用者与测距部件的距离不同，会引起反射回的测距信号落在测距部件接收单元的位置不同，接收单元根据返回信号的不同位置，向眼睛图像采集控制部件输出不同的距离探测电信号。上述测距过程不间断的重复，使测距部件输出连续不断的距离探测电信号，传递给眼睛图像采集控制部件。眼睛图像采集控制部件中的信号转换单元将距离探测电信号转换成一组测距数据，眼睛图像采集控制部件中的测距数据判断与图像采集控制单元对上述测距数据进行判断，当实时测距数据落入标准测距数据范围内时，表明眼睛进入了沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围，测距数据判断与图像采集控制单元通过开关或电信号给出使用者一特定声音或灯光提示信号并即时启动眼睛图像采集部件与照明部件工作，完成眼睛图像采集过程。本发明的测距部件与眼睛图像采集控制部件的工作流程如图4所示。
关于可见光对人眼刺激问题：
我们采用辅助可见光刺激人眼的方法解决此问题，但应考虑避免该刺激光线在眼睛虹膜或眼镜上出现反射像。具体方案有两种描述如下：
方法一：在反射镜附近加装一发光元件(发光二极管或灯)，其中心线应通过光瞳中心。波长范围在400nm-700nm之间均可，该发光元件由主控芯片(单片机、DSP、ARM等微处理器)控制，其工作流程为在图像采集前先工作一段时间，待人眼瞳孔缩放动作稳定后，关闭该发光元件，并在关闭发光元件的同时开始采集人眼图像。这样既可避免刺激光线在眼睛虹膜或眼镜上出现反射像，又可使人眼的瞳孔缩放运动相对稳定，从而提高识别率。
方法二：在反射镜附近加装一发光元件(发光二极管或灯)，其中心线应通过光瞳中心。波长范围在400nm-700nm之间且应与眼睛图像采集部件的透过波段范围的中心值相差400nm。该发光元件可一直工作，以随时刺激使用者瞳孔，使人眼的瞳孔缩放运动相对稳定，但因波长差异，该光线无法进入眼睛图像采集部件，因此在眼睛虹膜或眼镜上出现的反射像不会影响识别率。
4、具体实施例
下面是本发明的一个具体的实施实例，有关附图中的附图标记含义如下：
01——装置外置壳体
02——装置正面的外表面
03——反射镜
04——测距部件
05——照明部件
06——发光元件
07——眼睛图像采集控制部件
08——眼睛图像采集部件光轴
09——眼睛图像采集部件
10——眼睛图像采集控制部件中信号转换单元
11——眼睛图像采集控制部件中测距数据判断与图像采集控制单元
12——测距部件主动发出的测距信号
13——反射回的测距信号
14——距离探测电信号
15——实时测距数据
16——眼睛图像采集部件中的图像光电转换传感器
17——眼睛图像采集部件中的成像物镜
18——沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最远点
19——沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最近点
20——沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围
21——沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最远点最远点测距数值
22——沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围的最近点最近点测距数值
23——位置声音提示部件
24——位置声音提示部件控制信号
H——反射镜宽
h——眼睛图像采集部件中图像光电转换传感器有效成像面积宽
D——反射镜长
d——眼睛图像采集部件中图像光电转换传感器有效成像面积长
L——眼睛至反射镜距离
LP——眼睛至成像物镜入瞳的距离
如图1中所示，反射镜03位于装置外置壳体01正面的外表面02上，测距部件04位于反射镜03的上方。照明部件05位于反射镜03的下方，发光元件06位于反射镜03附近。当使用者接近采集装置正面的外表面02时，会看到反射镜中自己的反射像，使用者调整头部位置，使自己的左或右眼的反射像完整的出现在反射镜中。此时使用者前后移动头部，待听到一特定声音后停止运动。
如图2所示，上述过程中测距部件04始终在发出一测距信号12，该信号可以是光波、超声波、激光或电磁波，不同的测距部件所发出的信号种类不同，但测距功能相同。当该测距信号12遇到物体后，即反射回测距部件的接收单元。光学测距部件的接收单元通常为PSD或CCD。其工作原理均为利用三角测距法，根据发出的测距信号12与接收的反射测距信号13之间的距离差，判断被测目标的位置。因此测距部件04会根据接收到的反射测距信号13在接收单元上的不同位置给出不同的距离探测电信号14。距离探测电信号14可以是电信号、开关量或数字信号等形式。
眼睛图像采集控制部件07是本装置的主要功能部件，使用者是否进入采集范围，以及眼睛图像采集过程均由该部件完成。该部件主要由一信号转换单元10、测距数据判断与图像采集控制单元11及一些外围电路组成。距离探测电信号14通过导线传递到眼睛图像采集控制部件07中的信号转换单元10。信号转换单元10将距离探测电信号14转换为一组实时测距数据15提供给测距数据判断与图像采集控制单元11。
测距数据判断与图像采集控制单元11主要由一单片机与外围控制电路组成，其内部存储一组标准距离数据，如图5、图6所示。这组数据由最远点测距数值21与最近点测距数值22组成，上述最远点与最近点是沿眼睛图像采集部件光轴08方向的采集范围两端点18、19相对于反射镜03的距离。当测距数据判断与图像采集控制单元11收到实时测距数据后，即与事先设置的上述标准距离数据进行比较，如果实时的测距数据并未落入标准距离数据范围内则继续重复上述比较过程，直至实时测距数据落入标准测距数据范围内。
当实时测距数据落入标准测距数据范围内时，测距数据判断与图像采集控制单元11发出位置声音提示部件控制信号24(该控制信号24为开关或电信号)控制位置声音提示部件23(蜂鸣器或语音芯片)工作，给出使用者提示信号(特定声音)并即时通过外围控制电路启动眼睛图像采集部件09与照明部件05工作，完成眼睛图像采集过程。

Claims (10)

1、一种眼睛图像采集装置，包括：
一个外置壳体，用于固结装置的其它部分；
一个眼睛图像采集部件，用于采集使用者的眼睛图像；
一个反射镜，用于将使用者眼睛引导入眼睛图像采集部件的视场范围；
一个照明部件，用于为使用者提供合适的照明；
其特征在于，该装置还包括如下部分：
一个测距部件，用于测量使用者眼睛的位置；
一个眼睛图像采集控制部件，用于判断使用者眼睛是否进入沿眼睛图像采集部件光轴方向的采集范围，并控制眼睛图像采集部件和照明部件工作；
其中，反射镜位于外置壳体正面的外表面，测距部件位于反射镜的上或下、左、右方，照明部件位于反射镜的下方，眼睛图像采集部件位于反射镜的后方，眼睛图像采集控制部件位于外置壳体内。
2、如权利要求1所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述测距部件的选择或开发遵循如下原则：
测距精度小于等于1厘米；
输出连续的信号；
对人体无伤害。
3、如权利要求1或2所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述眼睛图像采集控制部件包括一个信号转换单元和一个测距数据判断与图像采集控制单元。
4、如权利要求3所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述信号转换单元为一A/D转换元件，其将测距部件传来的电信号转换成一组实时测距数据，通过数据总线传递给测距数据判断与图像采集控制单元。
5、如权利要求4所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述测距数据判断与图像采集控制单元主要由一单片机与外围控制电路组成，其收到实时测距数据后，即与事先设置的一组标准距离数据进行比较，如果实时的测距数据并未落入标准距离数据范围内则继续重复上述比较过程，直至实时测距数据落入标准测距数据范围内时，即时启动眼睛图像采集部件与照明部件工作。
6、如权利要求5所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，还包括一个位置声音提示部件，当实时测距数据落入标准测距数据范围内时，测距数据判断与图像采集控制单元控制该位置声音提示部件发出特定声音，提示使用者。
7、如权利要求1所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述眼睛图像采集部件包括一个图像光电转换传感器和一个成像物镜。
8、如权利要求7所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，当图像光电转换传感器有效成像面积的长为d宽为h、成像物镜垂轴放大率为β、眼睛至反射镜的距离为L、眼睛至成像物镜入瞳的距离为LP时，反射镜外形尺寸长度：D＝2*β*(LP-L)*d/LP；反射镜外形尺寸宽度：H＝2*β*(LP-L)*h/LP。
9、如权利要求1所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，所述反射镜为反射可见光，透过红外光。
10、如权利要求1所述的眼睛图像采集装置，其特征在于，在反射镜附近有一个发光元件，用于刺激使用者瞳孔，使瞳孔缩放运动相对稳定，该发光元件的中心线通过光瞳中心，波长范围在400nm-700nm之间，由设备控制其工作一段时间后关闭或一直工作并将其与眼睛图像采集部件的透过波段范围的中心值的波长差异限定在400nm。
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