CN101681021B

CN101681021B - 大景深成像系统和虹膜识别系统

Info

Publication number: CN101681021B
Application number: CN2008800156737A
Authority: CN
Inventors: G·马修
Original assignee: Global Bionic Optics Pty Ltd
Current assignee: Global Bionic Optics Pty Ltd
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2010524073A; EP1978394A1; US8594388B2; EP2140301A2; US20100110275A1; JP5153862B2; WO2008122888A2; WO2008122888A3; CN101681021A; HK1209193A1

Abstract

公开了一种扩展景深(DOF)成像系统(10)，由于其光学系统(20)具有选定量的球面像差，因此该成像系统具有对应的扩展焦深(DOF’)。该成像系统具有适于处理原始图像并执行对比度增强以形成处理过的图像的图像处理单元(54)。图像处理包括利用增益函数(G)和离焦量来恢复离焦的调制传递函数(MTF)。该成像系统可以包括照射要成像的物体、以便确定光学系统与物体之间距离(DH)的照明系统(60)，其中距离DH用于MTF的恢复。还公开了基于增强DOF成像系统的虹膜识别(I-R)系统。还公开了用在DOF成像系统中的光学系统实施方式，该光学系统可以提供选定量的球面像差-并由此提供DOF中选定的增加-而不会增加其它像差对图像形成的不利影响。

Description

大景深成像系统和虹膜识别系统

优先权要求

本申请要求于2007年4月6日提交的欧洲专利申请No.EP07300936.7的优先权权益，该申请在此引入作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及成像系统，具体地涉及大景深成像系统，更具体地地涉及大景深虹膜识别系统。

背景技术

人类有多个唯一的物理特征，例如指纹、虹膜图案和声音，对这些特征的测量使得能够将人相互区别开。测量这种特征的科学称为“生物测量学”。

对人虹膜图案进行测量用以执行生物测量识别(“鉴别”)称为“虹膜识别”。虹膜识别涉及拍摄人虹膜的图像，然后利用图案识别技术来创建眼睛“指纹”的等价物。但是，与指纹不同，虹膜图像是以比指纹更不突出的方式获得的，因为它们不需要与对象的物理接触。

关于虹膜识别系统的早期工作在如下文献中得到了描述：2004年1月的IEEE transactions 0n Circuits and Systems for VideoTechnology 14(1)上第21-33页的由John G.Daugman所写的文章“How iris recognition works”、题为“Biometric personalidentification system based on iris analysis”的授予Daugman的美国专利No.5,291,560以及题为“Iris recognition system”的授予Flom等人的美国专利No.4,641,349，这些文章与专利在此引入作为参考。

虹膜识别要求以相当高的分辨率对一个或两个虹膜成像，使得可以捕捉到尽可能多的虹膜细节。成像还必须在相当大的景深上执行，这是因为虹膜是三维的，而且还因为在对象眼睛相对于捕捉其虹膜图像的光学系统的精确位置需要一些宽容度。光学系统还必须具有足以不仅捕捉整个虹膜而且还捕捉眼睛周围的一部分脸的视场(FOV)，以便执行必要的图像处理。

许多虹膜识别系统的主要缺陷是大景深、足够大的FOV及高分辨率的光学系统需求是有些矛盾的。例如，高分辨率成像系统需要相对大的数值孔径(NA)(即，低F/#)，而大景深需要相对低的NA(或者高F/#)。相对高的NA还降低了光学系统的聚光能力，使得需要更长时间的曝光来捕捉虹膜图像。这又需要对象更长时间地保持固定不动以及其眼睛不移动(或者不眨眼)，以便虹膜图像不被模糊或者遮挡。

已经采用多种不同的方法来克服由光学设计造成的挑战，包括利用波前编码和相当复杂的光学系统。但是，仍然存在对具有简单但鲁棒的光学系统的虹膜识别系统的需求，其中该光学系统在很大的环境与条件变动范围内提供必需的光学成像性能。

发明内容

本发明的一方面是用于在大景深(DOF)中捕捉人的一个或两个虹膜的图像的虹膜识别(I-R)系统。该I-R系统包括照明系统，该照明系统适于i)以成像波长λ_IM照射人的脸部区域，其中脸部区域包括一个或两个眼睛以及至少人的前额部分，及ii)在前额部分形成斑点。该I-R系统还包括光学系统，该光学系统在大景深DOF内具有物平面，在对应大的焦深DOF’内具有像平面。图像传感器布置在像平面处。该光学系统在成像波长λ_IM具有一定量的球面像差(SA)，使得与衍射受限的光学系统相比，景深DOF增加50％到500％之间的一个量。该光学系统配置成当脸部区域放到景深DOF中时，在图像传感器上形成脸部区域的图像。脸部区域的图像包括前额斑点的图像。该I-R系统还包括电连接到图像传感器和照明系统的控制器。该控制器适于控制并协调照明系统与图像传感器的操作。它还适于对脸部区域的图像执行图像处理，以便基于利用从前额斑点获得的前额距离信息形成的增强调制传递函数(MTF)来形成一个或两个虹膜的增强图像。

本发明的另一方面是形成人的至少一个虹膜的增强图像的方法。该方法包括形成人的包括人的至少一个眼睛和人的前额部分的脸部区域的原始图像。该原始图像是利用如下光学系统形成的，即该光学系统具有一定量的球面像差，使得与衍射受限的光学系统相比，上述光学系统的DOF增加50％到500％之间的一个量。该方法还包括利用图像传感器来电捕捉该原始图像，以便形成数字化的原始图像，该原始图像具有对应的原始调制传递函数(MTF)。然后，该方法包括基于人相对于光学系统的位置在数字化的原始图像中确定离焦量。该方法还包括通过用一个取决于离焦量的增益函数乘以原始MTF来从原始MTF形成增强MTF。该方法还包括将增强MTF应用到数字化的原始图像，来获得增强的图像。

本发明的另一方面是用于形成对象的增强对比度图像的增强DOF成像系统。该系统包括在成像波长λ_IM具有一定量的球面像差(SA)的光学系统，使得与衍射受限的光学系统相比，DOF增加50％到500％之间的一个量。该光学系统配置成当对象在DOF中且在离开该光学系统的位置时，在像平面处形成对象的图像。该成像系统还包括位于像平面处且适于形成表示作为原始图像的图像的电信号的图像传感器。该成像系统还包括电连接到图像传感器且具有图像处理能力的控制器，其中控制器适于接收电信号并对原始图像执行图像处理，以便利用基于所述对象距离形成的增强调制传递函数(MTF)来形成增强的图像。

应当理解，以上的总体描述及以下的具体描述给出了本发明的实施方式，并且旨在为理解本发明所请求保护的本质与特征提供概述或框架。附图被包括进来以提供对本发明的进一步理解，并并入到本说明书中且构成其一部分。附图例示了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是根据本发明的虹膜识别(I-R)系统的一般性实施方式的示意图；

图2是显示左右虹膜、左右瞳孔及左右巩膜的人眼特写图像，其中“左”和“右”在这里是关于人取得的；

图3A是由曲线a至g指示的、用于改变离焦量的衍射受限调制传递函数(MTF)的图表；

图3B是用于理想成像光学系统的通过焦点的光强度分布图表，其中虚线椭圆指示焦深；

图4A是针对具有0.75λ球面像差的成像光学系统用于改变离焦量的调制传递函数(MTF)的图表，为了比较还示出了零焦距衍射受限MTF，如由曲线a至h所指示的；

图4B是与图4A相同类型的光强度图表，只是对于图4A的MTF，图4B例示了由于球面像差的存在而与图3B的衍射受限情况相比时焦深(虚线)是如何扩展的；

图4C是针对NA＝0.0063在物空间中以每毫米3线对(lp/mm)的通焦(through-focus)MTF的图表；

图5A-5D是对具有0.7λ球面像差的光学系统的针对各种图像高度的光程差(OPD)的图表；

图6A是图1中I-R系统的光学系统的示例实施方式的示意图，其中该光学系统包括提供增强景深的单个透镜元件；

图6B是图1中I-R系统的光学系统的示例实施方式的示意图，其中该光学系统包括基于双高斯布局的多个元件；

图6C是图1中I-R系统的光学系统的示例实施方式的示意图，其中该光学系统采用前面两元件负透镜组和后面五元件正透镜组；

图7A-7C是针对在表2A中列出并在图6B中示出的光学系统用于红、蓝和绿波长光的OPD图表；

图7D是针对在表3A中列出并在图6B中示出的光学系统的调制传递函数(MTF)图表；

图8A-8C是针对在表3B中列出并在图6C中示出的光学系统用于红、蓝和绿波长光的OPD图表；

图8D是针对在表3中列出并在图6C中示出的光学系统的调制传递函数(MTF)图表；

图9是图1中I-R系统的照明系统的示例实施方式的示意图；

图10A、图10B和图11是类似于图1所示的I-R系统的示意图，其示出了照明区域及用于测量前额距离D_H的多个关键几何参数；

图12是用于校准作为斑点高度h的函数的前额距离D_H的距离测量结果的屏幕前视图；

图13是作为前额距离D_H函数的激光点图像高度h’的图表；

图14是图1中I-R系统的控制器的示例实施方式的示意图；

图15是针对图1中I-R系统的光学系统而言用于各种离焦位置的测量(原始)MTF的图表；

图16是与原始MTF进行比较的用于从图像处理获得的增强MTF中增益的各种离焦位置的图表；

图17是针对各种离焦位置的在执行图像处理之后获得的典型“输出”或增强MTF的图表；

图18是强度I对边缘图像位置的图表，示出了由图像中阻尼振荡(ringing)造成的过调量(overshoot)Δos；

图19是在最佳聚焦处的原始MTF和增强(输出)MTF的图表，以说明通过图像处理对图像分辨率的恢复；

图20是用于执行眼睛位置分析的斑点从眼睛的反射的照片；

图21是本发明I-R系统所拍摄的脸部区域的图像，其中该图像示出了与标准眼睛模板的显著相关峰值，其中该模板用于执行眼睛的定位；

图22是相关函数对距离的图表，说明了眼睛反射如何显现为分别对应于来自右眼和左眼的反射的峰值PR和PL；

图23是左眼的图像，示出了由于眼睛运动造成的图像模糊，还示出了眼睛反射的运动；

图24是用于一系列眼睛图像的眼睛反射图像的像素位置的图表，示出了在眼睛运动期间眼睛反射如何沿可测量的路径运动；及

图25是相关幅值对图像个数的图表，示出了当一个或两个眼睛眨动时相关性如何改变。

具体实施方式

现在具体参考本发明的优选实施方式，其中优选实施方式的示例在附图中例示。在任何可能的时候，贯穿所有附图，相同或相似的标号都用于指代相同或相似的部分。在本发明的范围内，可以对以下示例进行各种修改和变化，而且不同示例的各方面可以以不同方式混合，以实现更多的示例。因此，本发明的真正范围应当从本公开的整体来理解，考虑但不限于在此所述的实施方式。

本发明致力于增强DOF成像系统。首先讨论基于本发明的增强DOF成像系统的一般性虹膜识别系统，随后是构成该I-R系统的各种部件以及构成本发明的对应方法与处理的更具体描述。

一般性的虹膜识别系统

图1是根据本发明的虹膜识别(“I-R”)系统10的一般性实施方式的示意图。I-R系统10包括光轴A1，沿该光轴A1布置有成像光学系统20、物空间OS中的物平面OP和像空间IS中的像平面IP，其中成像光学系统20具有横向放大倍数M_L和轴向放大倍数M_A＝(M_L)²。光学系统20在物空间OS中具有景深DOF，在该景深上物体可以被成像并保持聚焦。类似地，光学系统20在像空间IS中具有对应的焦深DOF’，在该焦深上物体的像保持聚焦。因此，物平面OS和像平面IS分别是物体与对应的像的理想化位置，并且通常对应于最佳物体位置和“最佳聚焦(best focus)”位置。实际上，这些平面可以落在其对应的景深DOF和焦深DOF’中的任何地方。景深DOF和焦深DOF’是由光学系统20的属性定义的，以下更完整地讨论它们在本发明I-R系统中的相互关系与重要性。

I-R系统10还包括图像传感器30，图像传感器30具有布置在光学系统的像平面IP处的光敏表面32(例如，电荷耦合器阵列)，从而与光学系统20形成光学联系。

人35位于物空间OS中，且包括眼睛34的一部分脸(“脸部”44)充当光学系统20的“物体”。图2是人35的眼睛34L和34R的特写图像，示出了左虹膜36L和右虹膜36R、左瞳孔38L和右瞳孔38R及左巩膜40L和右巩膜40R。应当指出，在这里“左”和“右”是关于人35来取的。

人35所处的位置使得其左眼34L和右眼34R位于光学系统20的景深DOF中(例如，在物平面OP处)。人的前额42与光学系统20的距离为D_H。距离D_H在这里称为“前额距离”，并用于确定眼睛34关于光学系统20的正确位置，如以下所讨论的。光学系统20配置成形成脸部44的图像44’，其中脸部图像44’包括眼睛34L和34R尤其是其虹膜36L和36R的图像。为了以下所讨论的原因，图像44’还包括人的前额或者其一部分。

I-R系统10还包括控制器50，例如适于(例如，通过例如在计算机可读或机器可读介质中包含的软件的指令)控制I-R系统的各种部件操作的计算机或类似的机器。以下讨论控制器50的例子。

控制器50包括图像处理单元54。图像处理单元54电耦接到图像传感器30，并适于接收和处理来自图像传感器的原始图像信号SRI并从其形成处理过的图像信号SPI。

I-R系统10还包括电耦接到控制器单元50的照明系统60。照明系统60配置成提供沿光轴A2的第一照明光束68，该光束以对应的照明区域48照射脸部44。照明系统还配置成提供沿轴A3的第二照明光束70，该光束在人的前额42上形成诸如斑点80的标记。照明系统60是通过照明控制信号S1被控制器50控制的。

I-R系统10还包括可操作连接到控制器50的数据库单元90。数据库单元90包括充当计算机可读介质的存储器单元92，该存储器单元92适于接收处理过的图像信号SPI并存储由处理过的图像信号所代表的虹膜36L和36R的处理过的数字图像。存储器单元(“存储器”)92可以是任何可以在其上面存储数据的计算机可读介质，包括但不限于RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM、盘、软盘、硬盘、CD-ROM、DVD等。在示例实施方式中，数据库单元90包括在控制器50中。因此，数据库单元90包含可以用于与其它虹膜图像进行比较以便执行人员鉴别的虹膜图像库。

在I-R系统10的总体操作中，人35首先在物空间OP中正确定位，使得他们的眼睛34在光学系统20的景深DOF中。然后，控制器50向照明系统60发送照明控制信号S1，该信号使得照明系统生成照明光束68。照明光束以照明区域48照射脸部区域44。控制器50还发送控制信号S30，来激活图像传感器30达给定的曝光时间，使得在光学系统20中形成的脸部图像44’被光敏表面32捕捉。图像传感器30数字化“原始”图像44’，并创建代表该原始捕捉图像的电子原始图像信号SRI。图像信号SRI被提供给控制器50，尤其是提供给控制器50中的图像处理单元54。在示例实施方式中，图像传感器30从图像44’的包括斑点80的部分形成单独的电子斑点信号SS，使得该斑点信号可以独立于图像信号SI进行处理。

然后，图像处理单元54数字化地处理原始图像信号SRI，以形成包含在电子处理过的图像信号SPI中的对应处理过的图像。图像处理单元54还从原始图像信号SRI提取斑点信号SS(或者使用从图像传感器30发送的斑点信号SS)来通过三角测量确定距离D_H，如以下所讨论的。图像处理单元54使用距离D_H来数字化地处理(例如，过滤、压缩等)原始图像信号SRI，来形成前面提到的处理过的图像信号SPI，该信号SPI数字化地代表虹膜36L和36R的增强图像。然后，可以单独使用或者一起使用这些图像，来执行虹膜识别。

然后，控制器50用于访问数据库单元90中所存储的处理过的虹膜图像，并将它们与存储的其它虹膜图像或者最近获得的处理过的虹膜图像进行比较，以便执行人员识别。

光学系统

如以上所讨论的，成像光学系统20在物空间OS中具有景深DOF，并在像空间IS中具有焦深DOF’，其中DOF和DOF’是由光学系统的特定设计定义的。用于传统光学成像系统的景深DOF和焦深DOF’可以通过测量经过焦点的点扩散函数(PSF)的演变来确定，并且可以通过指定分辨率R中一定量的损失来建立，其中一定量的分辨率损失对于给定应用被认为是可以接受的。“最小模糊圈(circle ofleast confusion)”常常被视为定义焦深DOF’限制的参数。

在本发明中，景深DOF和焦深DOF’是通过使光学系统20具有一定量的球面像差(SA)来扩展的。在示例实施方式中，0.2λ_IM≤SA≤5λ_IM，其中λ_IM是成像波长。与衍射受限的光学系统相比，在示例实施方式中，光学系统中在成像波长λ_IM处的球面像差的量使得景深DOF或者焦深DOF’增加50％到500％之间的一个量。通过添加选定量的球面像差，景深DOF的增加量可以得到控制。以下所阐述的示例光学系统设计配置成能够添加选定量的球面像差-并由此造成景深DOF的选定量增加-而不会增加其它像差对图像形成的不利影响。

由于景深DOF和焦深DOF’是由光学系统20的轴向放大倍数M_A和横向放大倍数M_L通过关系式DOF’＝(M_A)DOF＝(M_L)²DOF关联的，因此为了方便起见，称I-R系统10具有“扩展的景深”。本领域技术人员将认识到这种表达还暗示I-R系统也具有“扩展的焦深”。因此，依赖讨论的环境，以下使用景深DOF或者焦深DOF’。

通过检查经过焦点的图像的分辨率R和对比度C，调制传递函数(MTF)还可以与PSF一起用于表征焦深DOF’。在这里，“调制”或“对比度”C＝(I_MAX-I_MIN)/(I_MAX+I_MIN)，是对具有特定空间频率的一组正弦线-空间对的图像测量的，其中I_MAX和I_MIN分别是最大和最小图像强度。最佳聚焦定义为MTF最大化而PSF最窄的图像位置。当光学系统没有像差(即，是衍射受限的)时，基于MTF的最佳聚焦与基于PSF的最佳聚焦一致。然而，当光学系统中存在像差时，基于MTF和PSF的最佳聚焦位置可以不同。

传统的透镜设计原理提倡以试图消除所有像差或者至少平衡像差以最小化其影响的方式设计光学系统，使得光学系统整体上是基本没有像差的。

但是，在本发明中，光学系统20是要设计成具有作为主导像差的球面像差，而且可选地也具有少量色像差。图3A是用于没有像差的F/8透镜的MTF的图表(曲线a至g)，而图4A是用于具有0.75波球面像差的F 5.6透镜的MTF的图表(曲线a至h)。图3B是用于图3A中F/8透镜的衍射受限情况的经过焦点的强度图表，而图4B是用于具有图4A中的透镜球面像差的F/5.6透镜的经过焦点的强度图表。图5A-5D是对具有0.7λ球面像差的光学系统的针对各种图像高度(分别为0mm、20mm、30mm和60mm)的光程差(OPD)的图表。

通过从基频f₀＝0到截止频率f_C降低MTF总的级别，球面像差降低了图像对比度。与理想(即，衍射受限)MTF相比，截止频率f_C没有显著减小，因此几乎所有最初的空间-频率谱都是可用的。因此，虽然具有降低的对比度，但空间-频率信息在图像中仍然可用。然后，降低的对比度通过由图像处理单元54执行的数字滤波恢复，如以下所描述的。就高空间频率在更大范围的离焦上保持可用而言，球面像差增加了焦深DOF’。数字滤波在增强的焦深DOF’上恢复了对比度和良好质量的图像，由此有效地增强了光学系统20的成像性能。

就波前误差W(ρ)＝ρ⁴而言，球面像差是“平均的(even)”像差，其中ρ是瞳孔坐标。因此，球面像差呈现出旋转对称的波前误差，使得相位为零。这意味着所得的光学传递函数(OTF)(该函数是PSF的傅立叶变换)是旋转对称的实数函数。通过考虑在倾斜边缘上取得的一维MTF测量，可以获得作为OTF量级的MTF，其中球面像差是主导像差。这种测量提供了通过数字信号处理恢复二维图像所需的所有信息。而且，相位在任何离焦位置处都是零，这允许数字图像处理增强MTF，而不需要考虑傅立叶(即，空间-频率)空间中OTF的相位分量(即，相位传递函数即PFT)。

如可以从图4A看到的，因为当存在球面像差时离焦的图像侧(如从“最佳聚焦”平面所测量的)在MTF中没有零，所以没有对比度的倒置。这使得在该扩展的焦深DOF’中形成并检测的图像不需要考虑有害阻尼振荡、过调量或其它图像人工因素就可以恢复。

在示例实施方式中，光学系统20具有一定量的球面像差SA，其中0.2λ≤SA≤5λ，优选地是0.2λ≤SA≤0.9λ，更优选地是0.2λ≤SA≤0.75λ。SA＝0.75λ的球面像差量给出了显著的DOF增强，而没有在一个离焦侧形成MTF中的零。超过0.75λ之后，从最佳聚焦起在离焦的两侧都出现零。对于衍射受限光学系统，焦深DOF’是由关系式DOF’＝±λ/(NA²)给出的，其中NA是光学系统的数值孔径。在示例实施方式中，光学系统20具有在大约0.0625到0.125之间(即，F/8到F/4，其中F/#＝NA/2)的NA，并且在λ＝800nm的中心波长和Δλ的带宽下操作，这提供了20mm的衍射受限焦深DOF’。0.75λ球面像差的引入将焦深DOF’增加到100mm，这在衍射受限的景深DOF的基础上增加了大约五倍。图4C绘出了物空间中以3lp/mm的通焦MTF。

单透镜示例光学系统

图6A是根据本发明的光学系统20的第一示例实施方式的示意性侧视图。光学系统20包括沿光轴A1布置的单透镜元件100。透镜元件100具有前(即，物侧)表面102和后(即，像侧)表面104、及中心(轴向)厚度TH。孔径光阑AS沿光轴A1布置，离透镜前表面102的距离为D_AS，并限定了具有径向坐标ρ的光瞳P。当分别从物空间和像空间观看时，光瞳P还限定了光学系统的入瞳和出瞳。在一个示例实施方式中，透镜元件100是表面102为平面的平凸透镜。还有在示例实施方式中，表面104是非球面。透镜元件100在像平面IP处形成图像IM。

以下表1阐述了用于基于单透镜100的光学系统20的示例设计。

这种用于透镜100的简单、单元件设计在F/6.6下提供了与执行虹膜识别的必需实践工作条件良好匹配的必需球面像差。用于透镜100的其它选项包括作为材料的塑料、在F/4至F/8范围之内的F/#。光学系统20的单元件设计的优点在于它使系统非常紧凑，使得整个I-R系统10可以做得紧凑。

孔径光阑SA与光瞳P的距离D_E是最小化彗差的距离。透镜100的像散是大约λ/10，从而不会显著地影响图像的质量。单元件设计没有对色像差进行完全校正，这是有利的，因为当与相对大的成像带宽Δλ_IM一起使用时，通过消除MTF中可能出现的一些零，有些色像差可以用于进一步增加景深DOF。除此之外，色像差是通过使用阿贝数V＞60来限制的，从而不会由于在相对大视场的场边缘引入横向颜色而减小MTF。轴向色像差可以通过对玻璃的选择而设置成不同的值。标准光学玻璃具有20至64范围内的阿贝数。

尽管轴向色像差增加了景深DOF，但MTF级减小了。这又需要增加数字处理中的MTF放大倍数，这会增加SNPD(谱噪声功率密度)。因此，阿贝数优选地选择成实现减小MTF与增加景深DOF之间的良好折中。在一个示例实施方式中，玻璃材料选择成使得景深DOF中的附加增加(即，对由球面像差所提供的增加的附加)直达20％，而同时平均MTF级的减小不超过大约25％。

当使用具有相对宽近IR光谱带宽的成像波长λ_IM时，例如Δλ_IM＝155nm(例如，从735nm至890nm)，熔融石英(阿贝数为67.8)是良好的玻璃选择。在示例实施方式中，像空间中可接受的轴向色像差的量是大约0.34mm。当使用窄带成像光谱Δλ_IM例如来自具有大约50nm FWHM的近IR光谱带宽Δλ_IM的单LED阵列时，轴向色像差更小，因此可以使用更色散的玻璃。在表1的透镜100中，色像差在场边缘是10μm。

为了设置最佳聚焦平面，需要考虑场曲。表1中所给出的透镜100具有物空间中60mm或者像空间中的-20mm的场曲。但是，由于场曲仅仅是离焦的一种形式，因此由这个量的场曲给出的不利影响可以通过由于球面像差存在而造成的焦深DOF’中的增益来克服。

表1的透镜100具有物空间中的分辨率R＝120μm，这比为执行虹膜识别而分辨虹膜36图案中细节所需的要多。

双高斯类型示例光学系统

图6B是根据本发明的光学系统20的第二示例实施方式的示意性侧视图。图6B的光学系统20基于双高斯设计，并且包括从物侧至像侧标为L1至L5的五个透镜元件。透镜L1和L2是相对的凹凸透镜，透镜L1的凸面在物侧，而透镜L2的凸面在像侧。透镜L1是弱正的，而透镜L2是弱负的。在一种实施方式中，透镜L1和L2的组合形成具有整体弱负光焦度的前透镜组，而在另一种例子实施方式中，这种前透镜组没有光焦度，即，是无焦的。

透镜L3和L4分别是平凸正透镜和平凹负透镜，这两个透镜的平面表面接触从而形成双合透镜。透镜L5是其凸面在物侧的平凸透镜。

以下的表2A和2B列出了用于图6B的光学系统20的具有最小球面像差(表2A)和0.75波的相对大球面像差(表2B)的示例透镜设计规定，其中球面像差是通过调整透镜L2的表面曲率而有意引入到透镜中的。在表2A和表2B及以下的其它表中，“S#”是表面号，“SRF”是表面描述，“C”是单位为mm的曲率，“R”是单位为mm的半径，“TH”是单位为mm的厚度，“Glass”是玻璃类型，而“D”是单位为mm的直径。

表2B中所给出的光学设计包括由于调整了仅一个透镜，即透镜L2的表面曲率(见带下划线的值)而造成的0.75波的球面像差。这个示例说明了“传统的”光学设计如何可以修改为具有增加系统焦深DOF’的球面像差。在本示例实施方式中，焦深DOF’的增加是相同透镜的衍射受限版本的大约4倍。

负-正透镜示例实施方式

图6C是根据本发明的光学系统20的第二示例实施方式的示意性侧视图。光学系统20包括第一负透镜组G1和第二正透镜组，其中第一负透镜组G1包括两个透镜元件L1和L2，而第二正透镜组包括五个透镜元件L3、L4、L5、L6和L7。孔径光阑AS位于透镜元件L4和L5之间且与元件L5紧邻。

表3A给出了用于图6C的光学系统20的具有最小球面像差的示例透镜设计规定，而表3B给出了用于图6C的光学系统20的具有故意引入到设计中的0.75波的球面像差的示例透镜设计规定。

表3B中所给出的设计的0.75波的球面像差是由透镜L3、L4和L5造成的(见表3A和3B中带下划线的值)。

图7A、7B和7C是用于图3A中所给出的“无球面像差”透镜设计的针对蓝、绿和红成像波长λ_IM(分别为486nm、587nm和656nm)的光程差(OPD)图表(弧矢和切向平面)。该光程差图表示出了一些残留的像差，主要是二次色像差和彗差。但是，这些像差是相当小的，如在图7D所示的透镜MTF图表中所给出的，其中图7D的图表示出了当接近衍射受限MTF时的MTF。

图8A、8B和8C是类似于图7A、7B和7C、但用于表3B中所给出的“球面像差”透镜设计的OPD图表。图8D是图3B中所给出的透镜设计的MTF图表。

照明系统和前额距离测量

如以上所讨论的，I-R系统10包括照明系统60，该照明系统60配置成以对应的照射区域48照射脸部区域44，并在前额42上形成用于测量前额距离D_H的斑点80。图9是照明系统60的示例实施方式的示意图，其中照明系统60包括全部沿光轴A2顺序布置的光源200、散射器210及准直透镜220。在一个示例实施方式中，光源200包括发射光的发光二极管(LED)阵列，光的中心在照明波长λ_I且波带为Δλ_I。示例LED阵列的大小为8mm×8mm。

在示例实施方式中，Δλ_I～200nm，即波长在700nm和900nm之间。优选的照明波长是λ_I＝810nm，这使得照明光束68更不可见，并因此更少对人35造成干扰。λ_I＝810nm的照明波长对于蓝色和棕色眼睛的成像也特别好。而且，在700nm到900nm的照明波带Δλ_I上敏感的高分辨率图像传感器30是可以获得的。相对大的照明带宽也减轻了散斑的影响。使用近IR波长作为照明波长λ_I的另一个原因是这种波长不会造成瞳孔扩张。

在示例实施方式中，准直透镜220是工作在F/1下且具有50mm焦距的菲涅耳透镜。在另一种示例实施方式中，散射器210是配置成具有大约3°均质角分布的全息散射器。

在操作中，光源200的LED阵列由准直透镜220成像到包括人35的眼睛34的脸部区域44上，以便在其上形成照明区域48。但是，照明区域240通过散射器210的动作而平滑，使得由光学系统20在图像传感器30处形成的脸部区域图像44’具有用于图像处理的足够高的质量。

在示例实施方式中，照明系统60在照明区域48中提供了大约10mW/cm²的平均辐照度，这提供了大约20ms的用于捕捉脸部区域图像44’的曝光时间。在一个示例实施方式中，LED阵列电流是5A的20ms恒定脉冲。这允许在脸部区域44上以F/6.6、20ms的曝光时间有良好的信噪比(S/N)。

在一个示例实施方式中，脸部区域44和准直透镜220隔开距离D_F，D_F的范围是从大约500mm到大约700mm，且脸部照明区域48的大小是大约120mm×120mm。而且，如图10的I-R系统10的简化示意图中所例示的，在光轴A2和光轴A1之间测量的照明光束68的平均入射角θ₂是大约7°。通过避免造成例如由于来自眼睛视网膜的反向光散射产生的所谓“红眼”效果的有害成像效果，照明区域48被形成为使得它不会干扰脸部区域图像44’。在照明区域48中照明的均匀性还避免了可能成像在视网膜上的危险的辐照峰值。照明区域48的辐照程度对于眼睛34是安全的，而且在一个示例实施方式中是大约10mW/cm²。

光源200被来自控制器50的信号S200触发。在一个示例实施方式中，信号S200响应于从图像传感器30到控制器50的通用输出(GPO)信号S_GPO而被触发，该信号设置来自照明系统60的脸部照明与通过光学系统20捕捉脸部图像44’的图像传感器的曝光时间之间的同步。

照明系统60还包括沿光轴A3布置并生成基本准直激光束282的红外线(IR)或者近IR激光源280，其中激光束282在前额42上形成前面提到的斑点80。在一个示例实施方式中，光轴A3关于光轴A1和A2倾斜，并布置成使得激光束282从下朝上照亮人的前额42，而不是从上朝下照到前额上。

图11是类似于图10的示意图，其例示了用于利用激光源200计算距离D_H的主要几何参数。因为激光束282(及这个光轴A3)关于光轴A1形成角度α，所以斑点80的高度h随着距激光源280的像侧距离增加而改变。高度h的变化可以作为距离D_H的函数仔细地测量。此外，高度h可以通过测量由光学系统20在图像传感器30上形成的其图像高度h’来测量。斑点高度h及其图像高度h’的关系是h＝(M_L)h’，其中M_L是前面提到的光学系统20的横向放大倍数。因此，测量图像传感器30处的图像高度h’并知道光学系统的横向放大倍数M_L就提供了斑点的图像高度h’。

现在参考图12，在一个示例实施方式中，白屏292用于确定斑点80在各种轴向距离D_H的斑点高度h(及对应的图像高度h’)。这种处理用于确定精确到大约1mm的距离D_H，或者对于典型距离D_H＝600mm是大约0.2％。这种校准操作的结果在图13中示出，图13绘出了图像高度h’(以像素为单位)对(头)距离D_H。这通过三角测量确定了h、h’和前额距离D_H之间的关系。在一个示例实施方式中，这种校准作为数据表或查找表存储在控制器50中，并在I-R系统10的操作期间被(例如，图像处理器54)访问。采用线性插值来针对高度h确定落在测量值之间的距离D_H。

图像传感器

在一个示例实施方式中，图像传感器30是或者包括高清晰度CCD照相机或CMOS照相机。在优选实施方式中，光敏表面32由3000×2208个像素组成，具有3.5微米的像素大小。对于具有这种小像素尺寸的CMOS照相机，整个容量减小到21,000个电子，这转换成在饱和程度有最小43.2dB的散射噪声。

示例图像传感器30是或者包括来自Pixelink PL-A781的由IEEE1394火线链接到控制器50的3000×2208像素的照相机，而且应用由DLL中Pixelink库提供的API来控制照相机并获得图像。在一个示例实施方式中，图像传感器30适于提供前面提到的GPO S_GPO，其中S_GPO用于使得照明系统60的用以照射脸部区域44的动作与图像传感器30对脸部区域图像44’的图像捕捉同步。

控制器

如以上所讨论的，控制器50配置成控制I-R系统10的操作，并包括适于接收和处理来自图像传感器30的原始数字图像的图像处理单元54。示例控制器在图14中示意性地例示出。在示例实施方式中，控制器50是或者包括具有处理器的计算机，并包括诸如微软WINDOWS或LINUX的操作系统。

在一个示例实施方式中，图像处理器54是或者包括能够执行一系列软件指令的任何处理器或设备，并包括但不限于通用或专用微处理器、有限状态机、控制器、计算机、中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器。在一个示例实施方式中，处理器是Intel的XEON或者PENTIUM处理器，或者AMD TURION，或由AMD公司、Intel公司或其它半导体处理器制造商制造的其它此类的处理器。

控制器50还优选地包括可操作耦接到图像处理器54的存储器单元(“存储器”)310。如在此所使用的，术语“存储器”指其上可以存储可由图像传感器54执行的一系列指令的任何处理器可读介质，包括但不限于RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM、盘、软盘、硬盘、CD-ROM、DVD等。在一个示例实施方式中，控制器50包括适于容纳诸如CD-ROM、DVE、记忆棒或类似的存储介质的可拆卸处理器可读介质316的盘驱动器320。

本发明包括操作I-R系统10的虹膜识别方法可以在机器可读介质(例如，存储器310)中的各种实施方式中实现，其中机器可读介质包括用于使控制器50执行方法以及用于操作I-R系统的控制操作的机器可读指令(例如，计算机程序和/或软件模块)。在一个示例实施方式中，计算机程序运行在存储器310之外的图像处理器54上，并且可以通过以下方式从永久存储器传送到主存储器：当存储在可拆卸介质316上时，通过盘驱动器320，或者当存储在控制器50之外时，通过网络连接或调制解调器连接，或者通过其它类型的可以被读取并使用的计算机或机器可读介质。

计算机程序和/或软件模块可以包括执行本发明各种方法并控制I-R系统10中各种部件的操作与功能的多个模块或对象。用于编码的计算机编程语言的类型可以在程序性代码类型语言到面向对象语言之间变化。依赖程序员的期望，文件或对象不需要与所述模块或方法步骤有一对一的对应关系。此外，该方法与装置可以包括软件、硬件和固件的组合。固件可以下载到图像处理器54中，用于实现本发明的各种示例实施方式。

控制器50还可选地包括可以用于利用多种文字数字和图形表示显示信息的显示器330。例如，显示器330对于显示处理过的虹膜图形和用于报告基于比较虹膜图像的鉴别结果是有用的。控制器50还可选地包括诸如键盘的数据输入设备332，该设备允许I-R系统10的用户将信息(例如，I-R系统测量的人的名字)输入到控制器50并手动控制I-R系统操作。

图像处理

图像处理器54适于从图像传感器30接收包含原始脸部区域图像44’的电信号SRI，并处理该原始图像以形成具有更高对比度的处理过的图像。这是通过以作为平滑函数恢复MTF的方式对原始图像进行滤波实现的，其中该平滑函数持续地减小空间频率f并优选地避免过调量、阻尼振荡和其它图像人工因素。

在试图使信号尖锐(例如，增强数字光学图像中的对比度)的任何滤波处理中，噪声放大常常是个问题。因此，在本发明中应用考虑噪声功率谱的优化增益函数(类似于Wiener过滤器)，以便减少对比度增强处理过程中的噪声放大。

应用到“原始”MTF上以形成“增强”MTF的增益函数依赖于距离D_H。MTF对距离D_H是校准处理所需的，其中MTF是在预期的景深范围中通过使用采样离焦步骤δ_F≤(1/8)(λ/(NA²)来测量，以避免任何采样过少并由此避免用于MTF的通焦信息的损失。

图15绘出了当在-50mm和+50mm离焦极限之间与最佳聚焦处有10mm的不同离焦距离δ_F测量时的测量或“原始”MTF。对于通过离焦的每个步骤，数字滤波功能用于根据所测量的MTF对处理过的图像恢复最佳MTF。这种滤波器的使用需要知道离焦的量，这是利用多种可用方式中的任何一种测量的。在离焦步骤δ_F之间使用的滤波器是相邻聚焦步骤的线性插值。

图16绘出了原始MTF和利用以上所述滤波处理获得的恢复后的(增强)MTF的示例。用于不同聚焦距离的原始MTF图例示了由于离焦而出现的MTF色散。

MTF恢复

以上提到的用于恢复或增强原始MTF的MTF增益函数是三维函数G(u，v，d)，其中u是沿X轴的空间频率，v是沿Y轴的空间频率，而d是在允许扩展的景深DOF中物体的距离(因此，d对应于前额距离D_H)。PSF和MTF的旋转对称性导致增益函数的简化定义，即：

G’(ω，d)，其中ω²＝u²+v²

旋转对称性还使得G’(ω，d)是实数函数，而不是通常情况下的复数函数。

“增强的”或“恢复的”OTF’定义为：

OTF’(u，v，d)＝G(u，v，d)OTF(u，v，d)

其中OTF是透镜对于非相干光的光学传递函数，OTF’是包括数字处理的成像系统的等效OTF，而G是以上提到的MTF增益函数。基于最初或未恢复MTF的恢复后或“输出”或“增强”MTF(即，MTF’)的关系由以下给出：

MTF’(ω，d)＝G’(ω，d)MTF(ω，d)

后数字处理优化成在工作景深DOF的范围内的任何距离处传递相同的MTF。这提供了独立于前额距离D_H的恒定的图像质量，只要D_H在光学系统20的景深DOF中就行。因为光学系统20由于球面像差的存在而具有扩展的景深DOF，所以I-R系统10可以容许头位置的相对大的变化，并仍然能够捕捉用于执行虹膜识别的合适的图像。这导致I-R系统10具有更高的可靠性和降低的识别误差概率。当在扩展的景深DOF中的任何距离处提供相同的图像质量时，恒定的MTF通焦还提供了很大的优点。当这种系统既用于数据库单元90中的图像数据、又用于识别目的时，这个优点更明显。这种方法还允许为虹膜识别提供标准化的图像质量。

图16绘出了利用以上所述处理获得的典型输出MTF通焦增益。输出MTF’是原始MTF与增益函数的乘积。图17绘出了用于不同聚焦位置的典型输出MTF’。输出MTF’的形状尽可能地接近超高斯函数，即：

{MTF}^{'} (ω, d) = \exp (- {(\frac{ω}{ω_{c}})}^{2 n})

其中n是超高斯阶数，ω_c是截止频率，该频率被设置为最高频率，其中在扩展景深的整个范围上原始MTF高于5％。

如果n＝1，则输出MTF’是高斯的。这提供了没有任何过调量阻尼振荡的PSF、LSF(线扩散函数)和ESF(边缘扩散函数)。如果n＞1，则输出MTF’是超高斯的。对于n的更高值，高空间频率中的对比度也高，但阻尼振荡和过调量的出现也增加了。好的折中是n＝2，其中输出MTF’在中低空间频率处良好地增强了，而阻尼振荡和过调量限定到3％，这对于包括本虹膜识别应用的大多数生物测量应用是可以接受的。

实际的输出MTF’尽可能地接近超高斯，并且由涉及品质函数M的优化处理来确定，其中M定义为：

M = A_{0} \cdot {&Integral;}_{0}^{Fc} ({MTF}^{'} (ω, d) - \exp {(- {(\frac{ω}{ω_{c}})}^{2 n})}^{2}) dω + A_{1} \cdot {&Integral; G}^{'} {(ω, d)}^{2} dω + A_{2} \cdot Δ {os}^{2}

品质函数M是通过利用例如牛顿优化算法来最小化的。具有系数A0的第一项最小化来自超高斯输出MTF’的偏差。具有系数A1的第二项控制功率噪声放大。具有系数A2的第三项控制过调量放大。

控制功率噪声放大是很重要的。在为了实现输出MTF’而使关于原始MTF的增益更高的距离处，可以确定关于图像的MTF级与信噪比之间的良好折中，同时在高空间频率处控制输出MTF’的斜度避免了显著的过调量。品质函数M中的第三项是关于边缘扩散的相关过调量，这在图18中得到例示，其中过调量由Δos给出。

图19是原始MTF与利用上述处理形成的输出MTF’的图。输出MTF’具有避免过调量和其它成像人工因素的平滑形状。所应用的数字滤波器增益被优化或增强，以获得最大化的输出MTF’，同时控制关于噪声的增益。

在一个示例实施方式中，为了校准，通过利用与在图像捕捉过程中所使用的相同频谱的具有均匀非相干背光的倾斜边缘，在重叠扩展景深DOF的不同采样距离处测量原始MTF。

图像捕捉

用于利用I-R系统10捕捉图像44’的示例处理如下。首先，对距离D_H的测量如上所述执行。这涉及控制器50激活激光280，以在人35的前额42上形成激光点80。如果没有检测到激光点80，则假定没有人位于景深DOF中，因此没有捕捉到虹膜图像。重复距离测量，直到检测到人的头部。

一旦检测到激光点80，如果前额距离D_H在由I-R系统的焦深DOF所定义的允许范围内，则继续虹膜测量处理。否则，人需要重新放置其头部的位置，且重新测量前额距离D_H。一旦人的头部正确放置了，则如上所述，通过激活照明单元60以形成照明区域48来捕捉脸部区域图像44’。激活照明单元60的定时和图像传感器30的激活是通过来自控制器50的电信号S200和来自图像传感器30的信号S_PGO来协调的，从而获得正确的曝光。然后，光敏表面32接收图像44’并将其转换成由电信号SRI表示的以上提到的原始数字电子图像。这种信号被提供给控制器50中的图像处理单元54用于后续的图像处理，以便如上所述，形成在由电信号SPI表示的数字电子图像中体现的处理过的图像。

眼睛的位置

眼睛34L和34R的位置需要精确地确定，以便加速数字成像处理。与必须处理整个图像44’相反，精确的眼睛位置允许确定可以应用数字处理的两个感兴趣的区域即可。减少需要图像处理的像素量简化了图像处理并加速了图像处理计算。

确定两个眼睛的位置不需要获得多兆像素图像44’所需的精细采样。为此，图像44’的分辨率可以降低(例如，8倍)，以产生375×276像素的捕捉图像。在一个示例实施方式中，图像传感器30能够在低分辨率和高分辨率图像捕捉模式之间切换。眼睛的跟踪是通过利用标准平均模板来定位图像的相关函数的两个峰值P1和P2来执行的。这个模板是32×32的矩阵，其再现照明光束在瞳孔角落和阴暗区域上反射的明亮的镜像峰值。这种模板与所有眼睛都匹配得很好，而不论眼睛是什么颜色。

图20是示出来自眼睛34的反射400的图，而图21是与标准眼睛模板相关的脸部区域图像44’，其示出了来自左眼和右眼的反射400(两个白色的点)。图22是相关图，其中确定两个眼睛位置的两个峰值P1和P2很好地与背景区分开了。用于图像处理的两个感兴趣区域可以减小到两个512×512像素的裁减图像，每个原始图像的中心都位于两个相关的峰值位置P1和P2。

眼睛运动的监视

除了确定人的两个眼睛的相应位置之外，还有必要监视任何一个或两个眼睛是否有任何运动，例如在图像获取处理过程中眨眼或移动眼睛。为了监视眼睛的运动，在图像传感器30中利用两个小的感兴趣区域(例如，512×512像素)来拍摄顺序图像(“眼睛运动图像”)。所拍的顺序眼睛运动图像的个数可以是例如在1或2秒内每个眼睛7至10个。

如果在拍摄捕捉图像44’的同时在眼睛运动图像中检测到眨眼，则取消特定的虹膜测量。如果在眼睛运动图像中检测到眼睛运动，且该运动大于与图像模糊关联的容许阈值(这对应于MTF降级)，则取消基于捕捉图像44’的特定虹膜测量。

另一方面，如果没有检测到模糊运动(或者次阈值运动)，也没有检测到眨眼，则虹膜测量处理关于捕捉到的图像44’前进。

通过对顺序图像取平均的图像噪声减小

有两个与图像获取和图像处理过程关联的不同噪声源。第一个噪声源称为“固定模式噪声”，或者简称为FP噪声。FP噪声是在虹膜成像的操作条件下通过图像传感器30的特定校准来减小的。在一个示例实施方式中，这种噪声是通过固定模式噪声的多级映射来减小的。每个像素由校准表，例如具有校正值的查找表，来校正。这需要每个图像传感器的独立校准和校准文件中的校准数据存储。例如通过成像纯白色图像(例如，来自积分球)并测量图像中的变化，对给定的图像传感器执行固定模式噪声的映射。

另一个噪声源是散射噪声，这是随机噪声。散射噪声是在电子设备中由与电子移动关联的泊松统计产生的。当通过光电效应将光子转换成电子时，散射噪声产生。

成像脸部区域44以形成脸部区域图像44’需要高清晰度的图像传感器30。如以上所讨论的，在一个示例实施方式中，图像传感器30是或者包括具有3000×2208像素且像素大小为3.5μm的CMOS或CCD照相机。对于具有这么小的像素尺寸的CMOS照相机，整个容量减小到21,000个电子，且在饱和程度下相关的最小散射噪声是大约43.2dB。

本发明I-R系统的一个重要方面包括降低噪声从而提高MTF质量的方法，这导致更好的虹膜图案图像和更好的虹膜识别能力。散射噪声的随机本质使得对N个捕捉到图像取平均成为降低噪声(即，提高SNR)的唯一可行方法。噪声的减小(即，SNR的增加)与N^1/2成比例。

只要被平均的图像是固定的物体或场景，对N个捕捉到的图像取平均就是一种合适的噪声减小方法。但是，当物体移动时，这种平均是有问题的，就象在本虹膜识别应用中。幸运的是，移动的眼睛的轨迹可以跟踪并精确地测量。于是，用于降低噪声的平均处理可以通过在平均原始图像44’之前考虑并补偿任何眼睛运动来使用。图23示出了显示眼睛移动(如由图像中和反射400移动中的模糊所指示的)的图像44’的一部分。通过跟踪一系列眼睛图像中反射400的位置，图24绘出了图23中所示眼睛运动的轨迹。

本发明的图像平均处理使用在相同感兴趣区域的顺序图像之间的相关函数。相关的二维图像移位通过相关峰值的位置来确定。相关的感兴趣区域减小到瞳孔和虹膜区域，以避免由于眼睑运动而造成的任何干扰。相关函数在傅立叶域中处理，以通过使用快速傅立叶变换(FFT)算法来加速处理。所提供的相关函数是以与初始图像相同的采样间隔采样的。相关最大值的检测精确到一个像素的大小。

这种测量技术的改进是使用中心位于与最大相关峰值关联的像素的3×3个核心像素。子像素位置是通过拟合到二维抛物线函数以建立最大值来确定的。然后确定(X，Y)图像移位。图像在其移位后的位置处重新采样。如果所测量的(X，Y)移位的小数部分不等于0，则执行双线性插值。因为在比尼奎斯特频率更高的频率图像中没有信号，所以也有可能使用香农插值。在测量的相关中考虑(X，Y)移位，在重新采样后所有图像累加。

眨眼与图像平均

如以上所讨论的，眨眼、眼睛旋转和眼睛移动形式的眼睛运动会不利地影响图像获取处理并且会不利地影响图像处理器生成良好的处理过的虹膜图像的能力。

除了与眼睛运动关联的平移，对于相邻获取的图像，相关函数峰值具有几乎恒定的幅值。另一方面，对顺序图像组，眨眼是作为相关幅值函数中的负脉冲检测的。图25绘出了用于所获取图像的相关幅值对图像个数。眨眼是由图像6和10之间出现的相关幅值中的骤降指示的。

如果有多于两个图像受眨眼影响，则抛弃整个获取。如果只有两个图像受影响，则可以对没有受眨眼影响的那些图像执行平均处理。

眼睛旋转和图像平均

对顺序图像组，眼睛旋转在相关幅值函数中产生负的变化。原点是有眼睛旋转的虹膜图像的明显平移，其中因为旋转轴接近角膜的曲率中心，所以镜像反射位置的移动少于眼睛的旋转。

因此，当出现这种情况时，最好抛弃所有图像并重新开始图像获取处理。

模糊运动和图像平均

当图像之间眼睛移动的距离相当大时，眼睛旋转会产生模糊。在一个示例实施方式中，关于眼睛运动的允许容限是基于20ms的曝光时间。MTF降低是由运动速度V和曝光时间T的Sinc函数给出的，即：

{MTF}_{Blur_attenuation} = \frac{\sin (πVT)}{πVT}

这个表达式可以用于设置关于由于眼睛旋转造成的MTF模糊的阈值。

一般性的大景深成像

为了说明，以上主要关于I-R系统描述了本发明。但是，如果要使用传统的成像系统，则它还可以应用到需要成像可以改变位置的物体或者具有物体的一部分可以离焦而另一部分可以聚焦的此类轴向深度的多种其它成像应用，例如用于手机照相机和图像扫描。

因此，对本领域技术人员来说，很显然在不背离本发明主旨与范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖落在所附权利要求及其等价物的范围内的本发明的修改和变化。

Claims

1.一种用于在大景深(DOF)上捕捉人的一个或两个虹膜的图像的虹膜识别(I-R)系统，包括：

照明系统，适于i)以成像波长λ_IM照射人的脸部区域，其中脸部区域包括一个或两个眼睛和人的至少前额部分，及ii)在前额部分上形成斑点；

光学系统，该光学系统具有位于所述大景深DOF中的物平面和位于对应的大焦深DOF’中的像平面，其中在所述像平面处布置有图像传感器，该光学系绕在成像波长λ_IM处具有一定量的球面像差(SA)，使得与衍射受限的光学系统相比，景深DOF增加50％至500％之间的一个量，该光学系统配置成当脸部区域放到景深DOF中时，在所述图像传感器上形成脸部区域的图像，其中所述脸部区域图像包括前额斑点的图像；及

电连接到所述图像传感器和所述照明系统的控制器，该控制器适于控制和协调所述照明系统与所述图像传感器的操作，还适于对脸部区域图像执行图像处理，以基于增强调制传递函数MTF形成一个或两个虹膜的增强图像，其中MTF是利用从前额斑点获得的前额距离信息形成的，

其中，球面像差SA的量满足0.2λ_IM≤SA≤0.9λ_IM。

2.如权利要求1所述的虹膜识别系统，其中球面像差SA的量满足0.2λ_IM≤SA≤0.75λ_IM。

3.如权利要求1所述的虹膜识别系统，其中图像传感器适于形成代表在图像传感器上形成的原始脸部图像的电信号SRI。

4.如权利要求3所述的虹膜识别系统，其中控制器包括图像处理单元，该图像处理单元适于接收和处理所述电信号SRI，以形成一个或两个虹膜的具有比原始图像对比度更高对比度的增强图像。

5.如权利要求4所述的虹膜识别系统，还包括电连接到图像处理器的数据库单元，该数据库单元适于可检索地在计算机可读介质上存储至少一个增强对比度图像。

6.如权利要求1所述的虹膜识别系统，其中照明系统包括适于照射脸部区域的第一光源和适于形成前额斑点的第二光源。

7.如权利要求1所述的虹膜识别系统，其中光学系统包括单个光学元件和布置在该单个光学元件的像侧的使得彗差最小的位置处的孔径光阑。

8.一种形成人的至少一个虹膜的增强图像的方法，包括：

利用具有一定量的球面像差的光学系统形成人的脸部区域的原始图像，所述脸部区域包括人的至少一个眼睛和人的前额部分，其中与衍射受限的光学系统相比，所述球面像差使得光学系统的景深(DOF)增加了50％至500％之间的一个量，其中，球面像差SA的量满足0.2λ_IM≤SA≤0.9λ_IM；

利用图像传感器电捕捉所述原始图像，以形成数字化的原始图像，该原始图像具有对应的原始调制传递函数MTF；

基于人关于光学系统的位置，确定所述数字化的原始图像中的离焦量；

通过用增益函数乘以原始MTF来从原始MTF形成增强MTF，其中增强的MTF是离焦量的函数；及

将增强的MTF应用到所述数字化的原始图像，以获得增强的图像。

9.如权利要求8所述的方法，其中光学系统包括单个光学元件和位于该单个光学元件的像侧的使得彗差最小的位置处的孔径光阑。

10.如权利要求8所述的方法，包括通过以下操作来确定离焦量：形成在人前额部分上形成的斑点，并基于原始图像中该斑点的位置来确定离焦量。

11.如权利要求8所述的方法，还包括捕捉N个原始图像，并分析所述原始图像，以确定一个或两个眼睛是否有眼睛运动和/或眨眼。

12.如权利要求11所述的方法，包括跟踪所述眼睛运动并考虑所述眼睛运动，以识别所述图像传感器用于形成增强图像的区域。

13.如权利要求8所述的方法，包括：

测量人与光学系统之间的距离；及

其中形成增强的MTF包括根据所测量的距离对原始MTF应用二维线性数字滤波器。

14.一种增强景深(DOF)成像系统，包括：

光学系统，该光学系统在成像波长λ_IM处具有一定量的球面像差

(SA)，使得与衍射受限的光学系统相比，景深DOF增加50％至500％之间的一个量，该光学系统配置成当物体位于DOF中且在离开光学系统的一距离处时，在像平面处形成物体的图像；

图像传感器，位于像平面处，并适于形成代表作为原始图像的图像的电信号；以及

电连接到图像传感器的控制器，该控制器适于接收所述电信号且对所述原始图像执行图像处理，以利用基于所述物体距离形成的增强调制传递函数(MTF)形成增强图像，

其中，球面像差SA的量满足0.2λ_IM≤SA≤0.9λ_IM。

15.如权利要求14所述的系统，其中光学系统包括单个光学元件和位于该单个光学元件的像侧的使得彗差最小的位置处的孔径光阑。