CN103152517A - 用于移动虹膜识别设备的成像模组及移动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于移动虹膜识别设备的成像模组以及包含这种成像模组的移动设备，所述成像模组包括镜座，以及依次镶嵌在所述镜座上的图像采集传感器、一片或两片滤光片、镜头组、以及与所述图像采集传感器相连的连接器，所述连接器用来传送通过所述镜头组和所述图像采集传感器采集到的虹膜图像数据，并接收来自所述移动虹膜识别设备发出的控制信号。根据本发明的成像模组和包含这种成像模组的移动设备可以解决在小型化的移动平台上实现虹膜识别技术。

Description

用于移动虹膜识别设备的成像模组及移动设备

技术领域

本发明涉及生物识别技术中的虹膜识别终端技术，尤其涉及一种用于移动设备的虹膜成像装置及包含这种虹膜成像装置的移动设备。

背景技术

虹膜是眼睛的一个组成部分，是瞳孔和巩膜之间的环状组织，每只眼睛的虹膜图案各不相同，且终身不变。虹膜识别具有唯一性高、稳定性强、非侵犯性等优点，已被成功地应用于机场、海关、银行，监狱等场合的身份鉴定。

目前移动设备(诸如手机、平板电脑、笔记本电脑等)的个人信息安全和网络交互信息安全问题越发突出。为了解决这一问题，已经在移动设备上集成了多种用于身份识别的装置。例如，移动设备已经成功集成了人脸识别或指纹识别装置用于身份识别。然而，这些身份识别装置各有各的缺点。以人脸识别装置为例，由于人脸识别技术的识别正确率低，因此只能局限于用于开机辅助身份确认，而不能独立解决更高级别的信息安全问题，如网络交易密码替代等。指纹识别技术的缺点在于，当集成在移动终端上时需要添加额外的指纹采集硬件模块，不仅破坏了移动终端的外观美观度，增大了移动终端的体积，而且增加了移动设备的成本。此外，由于人的指纹容易伪造，因此不利用应用在更高级别的信息安全问题上。另外，指纹作为暴露在人体表面的特征，也容易受到外界影响而破损，例如受到外伤，因此无法作为一种有效且稳定的身份识别方法。

相比人脸识别和指纹识别技术，虹膜识别具有唯一性高、稳定性强、非侵犯性等优点。然而，传统的虹膜识别设备受到光学采集模块尺寸的影响，设备体积比较大，不利于系统集成，特别是无法集成到目前的超薄移动设备如手机、平板电脑、移动电脑上。虽然已有研究对移动平台虹膜系统和应用领域做了应用层、概念性的描述，但没有提出移动设备的虹膜获取装置和实现方法，因此无法在小型化的移动平台上实现虹膜识别技术。

为了解决在小型化的移动平台上实现虹膜识别技术，本发明给出了一种新颖的用于移动设备的虹膜成像装置和控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于移动虹膜识别设备的成像模组，所述成像模组包括镜座，以及依次镶嵌在所述镜座上的图像采集传感器、一片或两片滤光片、镜头组、以及与所述图像采集传感器相连的连接器，所述连接器用来传送通过所述镜头组和所述图像采集传感器采集到的虹膜图像数据，并接收来自所述移动虹膜识别设备发出的控制信号。

优选地，所述图像采集传感器是CMOS或CCD传感器。

优选地，所述成像模组兼容可见光和近红外拍摄。

优选地，当采用两片滤光片时，所述成像模组还包括双滤光片切换器用于在近红外虹膜拍摄和可见光拍摄时分别在所述两片滤光片之间切换。

优选地，所述两片滤光片的切换采用手动式切换或非手动式切换。

优选地，当采用一片滤光片时，所述滤光片为可见光近红外光通滤光片或允许可见光和虹膜应用红外波段光波通过的双通滤光片。

优选地，所述成像模组还包括嵌入在所述镜座中的马达。

优选地，所述成像模组选自定焦摄像模组、两档变焦摄像模组、自动对焦摄像模组或光学变焦摄像模组中的任意一种。

优选地，所述连接器为柔性电路或直接集成在所述图像采集传感器的底部。

优选地，所述镜头材质选自树脂镜片和玻璃镜片中的至少一种，所述树脂镜片采用模压、非球面技术成型。

根据本发明的另一方面，还提供了一种包含至少一个上所述的成像模组的移动设备，所述移动设备包括控制系统、输入和显示模块、图像采集模块和照明模块。

优选地，所述成像模组设置在所述移动设备的前方作为前置摄像头或背后作为后置摄像头。

优选地，所述移动设备还包括至少一个近红外LED。

根据本发明的成像模组和包含这种成像模组的移动设备可以解决在小型化的移动平台上实现虹膜识别技术。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1a和图1b示意性示出根据本发明一个实施例的用于虹膜采集的成像模组结构。

图2示意性示出根据本发明又一个实施例的用于虹膜采集的成像模组结构。

图3所示为根据本发明的成像模组在移动设备上的实现方式。

图4所示为根据本发明的另一成像模组在移动设备上的实现方式。

图5为根据本发明的成像模组集成在移动设备上时的一种系统结构示意图。

图6为根据本发明的成像模组集成在移动设备上时的另一种系统结构示意图。

图7示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的一种系统工作流程图。

图8示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的另一种系统工作流程图。

图9示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的又一种系统工作流程图。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

现有的虹膜识别成像装置因受摄像头的光学总长的影响，不能将产品做到很薄很小，不利于集成在诸如手机、平板电脑等轻薄型、小型化的移动产品上。为了解决上述问题，本次发明技术提供一种可集成于手机、笔记本电脑、平板电脑等超薄移动设备的虹膜成像装置及其控制方法。

图1a和图1b示意性示出根据本发明一个实施例的用于虹膜采集的成像模组结构。图1a是根据本发明的虹膜成像模组的侧视图结构，图1b是该虹膜成像模组从镜头组方向俯视角度得到的主视图结构。如图1a所示，根据本发明的成像模组100包括镜座103，以及以图1a中自下而上的方向依次镶嵌在所述镜座103上的图像采集传感器101(例如CMOS或CCD传感器)、双滤光片切换器106、以及镜头组102。

在图像采集传感器101上方设置双滤光片切换器106，双滤光片切换器106通过胶粘或其它固定方式固定在镜座上，从而使成像模组的结构紧凑，双滤光片切换器106包含两片滤光片，红外光通滤光片108和可见光通滤光片107，因此，根据本发明的成像模组100可兼容可见光和优选为800nm-900nm范围内的近红外拍摄。在采集虹膜图像的时候，通过双滤光片切换器106将红外光通滤光片108切换至镜头组102和图像采集传感器101之间，仅允许近红外光被采集到。而在日常拍摄的情况下，通过双滤光片切换器106将可见光通滤光片107切换至镜头组102和图像采集传感器101之间，仅允许可见光被采集到。

滤光片的切换可以采用手动式切换或非手动(电动)切换的方式。对于非手动切换方式，切换动力源(如马达)可以设置在双滤光片切换器106的内部。在手动切换方式下，可以在双滤光片切换器106上设置一机械式切换开关，镶嵌在所述成像模组所集成的移动设备的外壳上，用户可以通过拨动该机械式切换开关来在虹膜图像采集和普通拍摄之间进行自由切换。

镜头组102位于镜座103的最上端，被镜座材质包围。本发明的成像模组100的类型可以选自定焦摄像模组、两档变焦摄像模组、自动对焦摄像模组或光学变焦摄像模组中的任意一种。如果根据本发明的成像模组采用定焦模式，则镜头组102固定在镜座103上，不需要安装进行对焦用的马达。对于需要自动对焦或光学变焦的成像模组，例如高分辨率的摄像头时，需要在成像模组中安装马达105。马达105嵌入在所述镜座103中，而镜头组102是固定在马达105中。马达105可采用本领域通用的小型变焦马达，例如步进马达(Step motor)、音圈马达(VCM)或压电马达，优选采用音圈马达。

在如图1a和1b所示的成像模组实施例中，图像采集传感器101位于镜座103的最下端，以镶嵌的方式置入在镜座103底部。图像采集传感器101与连接器104相连，用于通过连接器104传送通过镜头组102和图像采集传感器101采集到的虹膜图像数据，并接收来自移动虹膜识别设备的中央处理器经连接器104发出的控制信号，如控制镜头组102对焦的信号。为了实现成像模组的小型化，如图1a和1b的连接器采取柔性电路形式来实现，柔性电路末端可以采用ZIF形式或BTB板对板形式的连接器，图1a和1b所示意连接器为BTB方式。可替换地，也可由有多种其他连接方式，如硬板模式，即将连接器直接集成在图像采集传感器101的底部，通过直插式管脚或表贴式直接将所述成像模组焊接在移动设备的主板中。成像模组100通过FTB、BTB、SOCKET等常用接口与移动装置进行通信。此外，在变焦模式下的成像模组中，马达105的驱动电路也连到连接器104上进行通信。类似地，在双滤光片切换器106的非手动切换模式下，两个滤光片的切换动力源的控制信号也通过连接器104进行传输。

根据本发明的成像模组具有微型化的结构，以便可以集成到移动计算设备中，例如集成到手机、平板电脑、笔记本电脑中等。所使用的镜头组102的材质可以为选自树脂镜片和玻璃镜片中的至少一种，例如可以全部采用树脂镜片，或是采用树脂镜片与玻璃镜片的组合。树脂镜片采用模压、非球面技术成型，从而使使镜头的数目少，体积小，等效焦距范围在2-15mm，从而使得成像模组的厚度在4-20mm之间。用于实现变焦用的马达105设置为镶嵌在镜座103中，马达的厚度尺寸一般为3-7mm。红外光通滤光片108和可见光滤光片107的滤波片厚度范围为0.1mm-5mm。图像采集传感器101采用胶粘的方式和镜座103连接在一起。因此使得本次发明的成像模组体积很小，利于集成在手机上。

图2示意性示出根据本发明另一实施例的用于虹膜采集的成像模组结构。图2所示的成像模组的结构和图1的结构相似，不同之处在于，将图1所示的双滤光片切换器106由一片滤光片206来代替。根据本实施例的成像模组200包括镜座203，以及以图2中自下而上的方向依次镶嵌在所述镜座103上的图像采集传感器101(例如CMOS或CCD传感器)、滤光片206、以及镜头组202。滤光片206镶嵌在镜座上，通过胶粘或其它固定方式使结构紧凑。滤光片206例如可以以下面两种类型的方式实现。一种实现方式是可见光近红外光通滤光片(远红外截止低通滤波片)，如400nm-900nm通滤光片，这种滤光片可以使波段从400nm-900nm光波长通过，既可以用于实现近红外波长下的虹膜图像采集，也可以实现可见光下的普通影像拍摄。另一种实现方式是允许可见光和虹膜应用红外波段光波通过的双通滤光片，该种滤光片允许400nm-700nm光波通过和近红外光波(例如，优选800nm-900nm)同时通过。

图1和图2所示的两种实施方案可以针对成像质量、制造成本等不同的需求应用于不同的场合。图1所示的切换式滤波由于可以在虹膜拍摄和可见光拍摄时分别切换至不同的滤光片，因此更适用于虹膜成像质量和/或可见光成像质量分别要求较高的场合，例如安全级别要求较高的场合。在不同的滤光片下由于可以过滤掉不需要的光线，因此真彩色成像质量比较好，不偏色。双滤光片切换器可以做到1-3mm的厚度，也很容易集成在成像模组上。若是在通过马达实现的自动切换的场合下，需要将马达安装在不影响滤波模块的厚度的合理位置上，例如可以安装在模组边缘。制造工艺相对更复杂比较难，成本也较手动切换的成像模组高，适用于对成本要求不高而对成像质量、使用便捷度要求较高的场合。

采用图2所示的双滤光片的成像模组由于在虹膜成像时无法过滤可见光，会使虹膜图像的对比度降低，而在可见光拍摄时由于也无法过滤近红外光，因此进行可见光彩色拍照时，如果附近有850nm的红外光，红外光进入摄像头，会使彩色图像轻度偏色。因此成像质量相对于图1所示的方案略差。但由于双滤光片的厚度可以控制在0.3mm左右，因此可以制作更为轻薄的成像模组，且成本低，工艺简单，对于在移动设备小型化方面要求较高的场合更为适用。

图3和图4所示为根据本发明的成像模组在移动设备上的实现方式。图3示出了单摄像头虹膜采集装置在移动设备上实现的结构示意图。如图3所示，摄像头根据不同分辨率和功能可用于移动设备的前置摄像头或后置摄像头。以手机为例，将根据本发明的成像模组应用在手机上作为前置摄像头301时，由于根据本发明的成像模组集合了近红外的虹膜拍摄功能和普通的可见光范围内的摄像功能，因此只要在成像模组旁设置一近红外LED 302即可实现虹膜拍摄。LED 302是照射模块，可以和成像模组组装在一起作为一整体结构，也可以结构分开，通过移动设备的中央处理器发出控制指令来控制红外LED 302的照明。类似地，也可以将根据本发明的成像模组应用在手机背后作为后置摄像头303，类似地，在成像模组旁边设置近红外LED 304即可实现虹膜拍摄。而虹膜拍摄的触发可通过用户触发按键307或点击触摸屏306中的软件来实现。为了达到更优的可见光拍摄效果，优选地在设置闪光灯305。

图4示出了双摄像头虹膜采集装置在移动设备上实现的结构示意图。相比于图3所示的对虹膜采集和摄像功能要求不高的普通移动设备，虹膜采集可利用图3所示的单摄像头方式实现，但对于特殊领域或特殊需求的虹膜识别设备，也可由两个根据本发明的成像模组来实现虹膜采集。图4以平板电脑为例，将两个摄像头都设计在屏幕正面，可实现下述多种应用功能。

功能一：基于双摄像头辅助对焦功能的虹膜识别移动设备。如图4所示，主摄像头401用来采集虹膜图像，副摄像头402用来实现用户距离粗定位，可根据人脸、眼睛等信息定位出用户到设备的距离，为主摄像头进行光学变焦和提示用户调整距离提供判断信息。主摄像头401和副摄像头402均可采用根据本发明的图1或图2所示的摄像头，主摄像头401采用分辨率高(如500万-1600万像素)的摄像头，副摄像头402采用分辨率低(如130万-300万像素)的摄像头。

在使用基于多摄像头的虹膜识别系统进行虹膜识别时，启用两个摄像头进行虹膜拍摄，一个摄像头为低分辨率或广角摄像头，用于识别距离粗定位，可以根据拍摄的人脸信息或眼睛尺寸判断用户和摄像头的距离，并为提示用户调整距离等交互式操作提供信息，或为光学变焦提供参考数据。第二个摄像头为高分辨率摄像头，用于虹膜图像的采集，两个摄像头由同一个控制系统控制，每个摄像头的控制方式均和前文所述单摄像头虹膜识别设备类似。

近红外LED 403可用单颗或多颗。多颗近红外LED可以图4所示的方式各自均匀分布在设备正面的两侧，也根据实际需求采用其他排列方式。如图4所示，移动设备的正面边框四周分别有6颗近红外LED403。虹膜拍摄的触发可通过用户点击触摸屏406中的软件来实现。移动设备也包括相应的按键405，方便用户进行交互操作。多颗近红外LED可以从不同角度照射虹膜，照射强度更为均匀，使得采集的虹膜质量更好，适用于对虹膜质量要求更高的场合。如果控制多颗近红外LED进行轮询亮，可以有效解决了戴眼镜人员在虹膜识别过程中由于眼镜反射光斑存在而使用不方便的情况，提高了产品易用性。

功能二：多模态身份认证移动设备。基于双摄像头可以实现主摄像头401用于虹膜拍摄，副摄像头402用于人脸拍摄，集人脸和虹膜识别的多模态生物识别移动设备。在该实现方式下，主摄像头401是高分辨率(如500万-1600万像素)的摄像头，用于虹膜识别，副摄像头是低分辨率(如130万-300万像素)的摄像头，用于人脸识别，从而实现更准确的身份识别功能。识别的结果可以在显示屏406上显示。

另外一种基于多摄像头的多模态生物识别系统使用时，控制系统控制两个摄像头，一个摄像头进行人脸拍摄，用于人脸认证和虹膜认证，另外一个摄像头可以用于其他生物特征的识别，例如指纹或掌纹的拍摄，用于指纹识别的摄像头根据识别距离选好摄像头分辨率。通过设定辅助光照类型、方向和方式，可以保证摄像头拍摄出高对比度的指纹纹理信息。

图5为根据本发明的成像模组集成在移动设备上时的一种系统结构示意图。移动设备500包括控制系统501、输入和显示模块502、图像采集模块503和照明模块504。由于是在移动平台上集成的，因此控制系统501通常可以采用移动设备的主CPU，图像采集模块503采集虹膜图像，照明模块504照射虹膜，输入和显示模块502显示虹膜信息及进行用户交互操作。图1和图2中所示的根据本发明的成像模组包含在图像采集模块503中。

图6为根据本发明的成像模组集成在移动设备上时的另一种系统结构示意图。和图5的系统结构相比增加了一个测距模块605。测距模块605可以辅助确定人机相对位置，提示用户调整合适的识别距离进行识别。移动虹膜识别系统600包括控制系统601、输入和显示模块602、图像采集模块602、照明模块604和测距模块605。由于是在移动平台上集成的，因此控制系统601通常可以采用移动设备的主CPU，图像采集模块603采集虹膜图像，照明模块604照射虹膜，控制测距模块605进行用户距离判断，输入和显示模块602显示虹膜信息及进行用户交互操作。图1和图2中所示的根据本发明的成像模组包含在图像采集模块503中。

图7示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的系统工作流程图。图7示出的是基于固定拍摄距离的移动虹膜识别控制系统的流程图。首先，在步骤701中，用户按键或触摸屏触发虹膜识别应用；然后在步骤702中，移动设备的CPU启动近红外照明LED，启动定焦摄像头。如果是两档变焦摄像头则驱动为微距模式；如果是自动对焦摄像头或光学变焦摄像头则启动为指定物距拍摄模式，启动测距模块；在步骤703中，采集图像，实时在显示屏上显示；在步骤704中，对采集的虹膜图像进行质量判断、对距离传感器的反馈信息进行处理；如果虹膜尺寸不合格，或清晰度不够或者距离不合适，则进入到步骤705通过声音和显示屏提示用户调整距离和位置，然后返回到步骤703继续采集图像并显示图像；如果虹膜图像合适，则直接进入到步骤706，在步骤706中，将采集的质量合格的虹膜图像进行注册或识别应用；在步骤707中，CPU关闭近红外LED灯板、摄像头和测距模块707。整个过程结束。

图8示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的另一系统工作流程图。图8是基于自动对焦摄像头的移动虹膜识别控制系统流程图。首先，在步骤801，用户按键或触摸屏触发虹膜识别应用；在步骤802，CPU启动近红外照明LED，启动自动对焦摄像头为指定物距拍摄模式，启动测距模块；在步骤803，采集图像并实时在显示屏上显示；然后，在步骤804对采集虹膜的图像进行质量判断，如果清晰度不合格，则调整马达改变对焦距离，并返回到步骤803继续采集图像并显示；如果虹膜图像清晰合适，则进入到步骤805对采集的虹膜图像进行尺寸判断；如果虹膜尺寸不合格，则进入步骤806启动声音和显示屏提示用户调整距离和位置，然后返回到步骤803继续采集图像并显示；如果虹膜尺寸合适清晰度也合适，将进入到步骤807将采集的质量合格的虹膜图像进行注册或识别应用；最后，在步骤808，CPU关闭近红外LED灯板、摄像头和测距模块808。整个过程结束。

图9示出了应用根据本发明的虹膜成像模组的移动虹膜识别系统的又一系统工作流程图。图9是基于光学变焦摄像头的移动虹膜识别控制系统流程图。首先，在步骤901，用户按键或触摸屏触发虹膜识别应用；在步骤902，CPU启动近红外照明LED，启动自动对焦摄像头为指定物距拍摄模式，启动测距模块；在步骤903，采集图像并实时在显示屏上显示；在步骤904，对采集虹膜的图像进行质量判断，如果清晰度不合格则调整马达改变对焦距离，返回到步骤903继续采集图像并显示；如果虹膜图像清晰合适，则在步骤905中对采集虹膜的图像进行尺寸判断，如果虹膜尺寸不合格，则进入步骤906判断光学变焦是否达极限值，如果光学变焦未达到极限，则在步骤907中调整马达进行光学变焦，如果光学变焦已经达到极限，则进入步骤908采用声音和显示屏提示用户调整距离和位置，返回到步骤903继续采集图像并判断；如果在步骤905中判断出虹膜图像尺寸合适清晰度合适，则进入到步骤909将采集的质量合格的虹膜图像进行注册或识别应用909，最后在步骤910中，CPU关闭近红外LED灯板、摄像头和测距模块910。整个过程结束。

根据本发明的虹膜成像模组以及集成该虹膜成像模组的移动虹膜识别系统，可以实现将产品做到很薄很小，从而方便地集成在诸如手机、平板电脑等轻薄型、小型化的移动产品上。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是显而易见的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种用于移动虹膜识别设备的成像模组，所述成像模组包括镜座，以及依次镶嵌在所述镜座上的图像采集传感器、一片或两片滤光片、镜头组、以及与所述图像采集传感器相连的连接器，所述连接器用来传送通过所述镜头组和所述图像采集传感器采集到的虹膜图像数据，并接收来自所述移动虹膜识别设备发出的控制信号。

2.如权利要求1所述的成像模组，其中所述图像采集传感器是CMOS或CCD传感器。

3.如权利要求1所述的成像模组，其中所述成像模组兼容可见光和近红外拍摄。

4.如权利要求1所述的成像模组，其中当采用两片滤光片时，所述成像模组还包括双滤光片切换器用于在近红外虹膜拍摄和可见光拍摄时分别在所述两片滤光片之间切换。

5.如权利要求4所述的成像模组，其中所述两片滤光片的切换采用手动式切换或非手动式切换。

6.如权利要求4所述的成像模组，其中当采用一片滤光片时，所述滤光片为可见光近红外光通滤光片或允许可见光和虹膜应用红外波段光波通过的双通滤光片。

7.如权利要求1所述的成像模组，其中所述成像模组还包括嵌入在所述镜座中的马达。

8.如权利要求1所述的成像模组，其中所述成像模组选自定焦摄像模组、两档变焦摄像模组、自动对焦摄像模组或光学变焦摄像模组中的任意一种。

9.如权利要求1所述的成像模组，其中所述连接器为柔性电路或直接集成在所述图像采集传感器的底部。

10.如权利要求1所述的成像模组，其中所述镜头材质选自树脂镜片和玻璃镜片中的至少一种，所述树脂镜片采用模压、非球面技术成型。

11.一种包含至少一个如权利要求1所述的成像模组的移动设备，所述移动设备包括控制系统、输入和显示模块、图像采集模块和照明模块。

12.如权利要求11所述的移动设备，其中所述成像模组设置在所述移动设备的前方作为前置摄像头或背后作为后置摄像头。

13.如权利要求11所述的移动设备，所述移动设备还包括至少一个近红外LED。

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