CN105678228B - 用于安全身份认证的虹膜识别光学成像模组及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，包括近红外LED照明光源、固定焦距的光学成像透镜、后焦近红外光学滤光器、图像成像传感器，其特征是：配置安全芯片；近红外LED照明光源设置为位于成像光轴的两侧或左右任一侧；近红外LED照明光源设置为与所述图像成像传感器进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜；其中：所述近红外LED照明光源进行直接照明时，发射角度应该满足：5.7‑11.25度；所述近红外LED照明光源进行交叉照明成像时，发射角度应该满足：11.25‑35度；发射角度定义为近红外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；所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度θ保证成像视场亮度均衡性ρ≥50％。

Description

用于安全身份认证的虹膜识别光学成像模组及使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组及其使用方法，属于光机电领域。

背景技术

移动终端包括智能手机、平板MID、便携设备等的广泛采用是个信息技术发展的必然趋势。目前，现实应用中的移动终端在移动安全支付，账户安全登陆，网上银行等实际应用存在重大安全身份认证这个最重要的应用障碍。生物识别是解决移动终端安全身份认证的非常有效的方法，虹膜识别系统是最精确的和生物特征最为稳定的，但应用于移动终端还存在很大问题：

1、用户通常是手持的，而且需要在移动行进中识别，存在非常大不可预测的运动模糊。

2、用户识别时使用场景是无法预测的，其使用环境光照度从室内完全黑暗0Lux到室外太阳直射100，000Lux都有可能。

3、用户大比例存在佩戴的眼镜反光影响识别。

4、移动终端是电池供电的，其对虹膜识别图像光学成像模组的光源功耗要求非常高。

5、虹膜识别光学成像模组的小型化。

6、需要一套安全的身份认证流程实现。

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用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组及其使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，包括近红外LED照明光源(1L、1R)、固定焦距的光学成像透镜、后焦近红外光学滤光器、图像成像传感器，还包括：

配置安全芯片(9)；

近红外LED照明光源(1L、1R)被配置为：

位于成像光轴的左右两侧或任一侧；

LED是SMT封装并由LED电流驱动器(1L’、1R’)驱动输出短时间周期T最高辐射强度I的光；

备注说明：所述LED属于近红外LED照明光源(1L、1R)中的一个部件；

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；

备注说明：即分时形成，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，和/或，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；

近红外LED照明光源(1L、1R)与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 大于等于光学成像透镜的成像视场角FOV；

备注说明：

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；

所述成像视场角FOV为成像视场(如图1所述)中水平X轴范围W、垂直Y轴范围H的区域；

近红外LED照明光源(1L、1R)与后焦近红外光学滤光器(6) 被组合配置为：

后焦近红外光学滤光器(6)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；

光学成像透镜被配置为：固定聚焦透镜、液晶驱动透镜、VCM 音圈驱动透镜、MEMS驱动透镜、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：

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(0)的左右两侧或任一侧；

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。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的改进：

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φ定义为近红外LED照明光源(1L、1R)中心到左右虹膜中心的连线与成像光轴的角度；所述发射角度φ是φd和φc的统称。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

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。

备注说明：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。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的近红外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/cm2,WD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 lampsystems)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。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的光学成像透镜的固定焦距EFL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。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的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≥4线对每毫米(lp/mm)。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的虹膜识别光学成像模组配置光学反射器，用于垂直变换光路。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的图像成像传感器被配置为：至少HD高清像素分辨率， 1920像素*1080像素。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的图像成像传感器被配置为：至少500万像素分辨率，2592 像素*1944像素。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的虹膜识别光学成像模组配置使用状态引导。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的使用状态引导包括语音、指示灯、液晶屏。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的指示灯和/或液晶屏的亮度被设计为根据虹膜识别算法实时获得的瞳孔与虹膜直径比列变化动态调整。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的虹膜识别光学成像模组配置透射保护光学窗口，其光学成像区域外的颜色和外观被设计为具有明显视觉反差的特性；用户在使用时能凝视透射保护光学窗口内的虹膜识别光学成像系统形成直视的注视点而非斜视点。

作为本发明的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组的进一步改进：

所述的透射保护光学窗口，可由移动终端外表面替代，其整体覆盖于移动智能手机前表面，其使用材料包括高透射率的PMMA、PC、或钢化玻璃。

本发明还同时提供了一种利用上述用于移动终端的虹膜识别光学成像模组进行安全身份认证的方法，包括以下步骤：

1)、安全芯片连接获取图像成像传感器输出的数字化虹膜图像；

2)、安全芯片进行虹膜识别算法执行提取虹膜特征信息；

备注说明：虹膜识别算法属于公知技术；虹膜特征信息就是虹膜识别算法产生的区别虹膜纹理的数据，不同算法产生的不同的特征信息；

3)、安全芯片通过虹膜特征信息生成虹膜特征模板；

4)、虹膜特征模板采用密码学体系存储在安全芯片内做为私钥，并保证从不被导出和访问；

5)、虹膜特征模板的身份认证比对都在安全芯片内部进行，确保移动终端在身份认证整个过程安全不被外部攻击。

总结上述描述，本发明的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、虹膜识别光学成像模组的光源功耗消耗低。

5、虹膜识别光学成像模组的小型化。

6、安全的身份认证流程。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，包括近红外LED照明光源、固定焦距的光学成像透镜、后焦近红外光学滤光器、图像成像传感器，其特征是：

配置安全芯片；所述近红外LED照明光源设置为位于成像光轴的左右两侧或任一侧；所述近红外LED照明光源设置为与所述图像成像传感器进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜；其中：所述近红外LED照明光源进行直接照明成像时，发射角度φd满足：5.7-11.25 度；所述近红外LED照明光源进行交叉照明成像时，发射角度φc 满足：11.25-35度；其中，所述发射角度φ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；所述发射角度φ是φd和φc的统称；所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度θ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。

优选地，所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度 FWHM大于等于所述光学成像透镜的成像视场角FOV；

所述成像视场角FOV为成像视场(2)中水平X轴范围W、垂直Y轴范围H的区域。

优选地，所述图像成像传感器与所述光学成像透镜被组合配置为：

所述图像成像传感器单位像素的物理尺度SOP被配置为1或 2um/pixel(微米/像素)，所述光学成像透镜的固定焦距EFL被配置为3 或6mm。

优选地，所述的虹膜识别光学成像模组配置透射保护光学窗口，其光学成像区域外的颜色和外观被设计为具有明显视觉反差的特性，使得用户在使用时能凝视透射保护光学窗口内的虹膜识别光学成像系统形成直视的注视点而非斜视点。

优选地，所述的透射保护光学窗口整体覆盖于移动终端前表面，其使用材料包括高透射率的PMMA、PC、或钢化玻璃。优选地，所述移动终端还包括引导用户使用的液晶屏，所述液晶屏连接所述安全芯片。

优选地，在靠近所述透射保护光学窗口的所述液晶屏区域显示图像和文字信息。

优选地，所述近红外LED照明光源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帧像素全局触发曝光的周期时序；采用短时间周期辐射在1秒内产生辐射次数的等效辐射量，以实现光源功耗低。

优选地，所述后焦近红外光学滤光器的半峰值透射波长FWHM 大于等于所述近红外LED照明光源的半峰值辐射波长FWHM。

优选地，所述光学成像透镜选自固定聚焦透镜、液晶驱动透镜、 VCM音圈驱动透镜、MEMS驱动透镜、EDOF相位波前编码透镜、 WLA晶圆级

透镜阵列中的任意一种或几种。

优选地，所述近红外LED照明光源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，其中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，开启左侧近红外LED照明光源；

(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，开启右侧近红外LED照明光源；

(4)图像成像传感器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，不满足质量要求则返回按流程次序直至满足质量要求。

优选地，所述的图像成像传感器设置为至少HD高清像素分辨率， 1920像素*1080像素。

优选地，所述的图像成像传感器设置为至少500万像素分辨率， 2592像素*1944像素。

优选地，所述的虹膜识别光学成像模组配置使用状态引导。

优选地，所述的使用状态引导包括语音、指示灯、液晶屏。

优选地，所述的指示灯和/或液晶屏的亮度被设计为根据虹膜识别算法实时获得的瞳孔与虹膜直径比列变化动态调整。

优选地，所述的近红外LED照明光源最高辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度)应该满足：I＝E*WD2/cos2φ，E<10mW/cm2

WD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(IEC 62471：2006Photobiological safety of lamps and lampsystems)上限；

所述的近红外LED照明光源产生的辐射的短时间周期T(ms，毫秒)满足：T≤3.33ms。

优选地，所述的光学成像透镜的固定焦距EFL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。

优选地，所述的光学成像透镜的光学空间分辨率(optical spatialresolution)被配置为：在物方平面应该满足：60％调制传递函数 (MTF＝0.6)时≥4线对每毫米(lp/mm)。

优选地，所述的虹膜识别光学成像模组配置光学反射器，用于垂直变换光路。

根据本发明的另一个方面，提出了一种用于移动终端的虹膜识别光学成像模组进行安全身份认证的方法，其特征是包括以下步骤：

(1)通过安全芯片连接获取图像成像传感器输出的数字化虹膜图像；

(2)通过安全芯片进行虹膜识别算法执行提取虹膜特征信息；

(3)利用通过安全芯片基于虹膜特征信息生成虹膜特征模板；

(4)采用密码学体系将所生成的虹膜特征模板存储在安全芯片内做为私钥；

其中，所述虹膜特征模板的身份认证比对都在安全芯片内部进行。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明具体实施例1虹膜识别光学成像模组总体原理图。

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。

图4为本发明具体实施例1虹膜识别光学成像模组安装在移动智能手机示意图。

图5为本发明具体实施例1简化的虹膜识别光学成像模组总体原理图。

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。

实施例1

图1描述了具体实施例1虹膜识别光学成像模组总体原理，虹膜识别光学成像模组包括以下部分组成：

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，光学反射器4，固定焦距的光学成像透镜5，后焦近红外光学滤光器6，图像成像传感器7，模组密闭外壳8，安全芯片9。

模组密闭外壳8用于光学成像系统整体于封闭在模组外壳内。

透射保护光学窗口3也可由移动终端外表面替代。

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。

安全芯片9用于连接图像成像传感器7获取输出的数字化虹膜图像。

密闭模组外壳8内依次安装有透射保护光学窗口3，光学反射器 4，固定焦距的光学成像透镜5，后焦近红外光学滤光器6，图像成像传感器7，其按照上述顺序相对位置依次安装在同一成像光轴0上。

近红外 LED 照明光源辐射的近红外光和外围环境光在物方虹膜 反射后，进入光学反射器4，用于90度垂直变换光路，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；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过滤用于成像的波长，使成像波长与非成像的背景干扰杂散光的信噪比SNR(SNR:signal-to-noise ratio)满足：≥60dB (1000:1)。

备注说明：外围环境光就指：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。

移动终端如智能手机要求虹膜识别系统图像成像模组的厚度仅为5mm以内，很不幸的如此厚度根本无法实现光学成像透镜5焦距超过4mm，即使采用非常小像素尺寸的图像传感器如1.4um/pixel(微米/像素)，也仅能使用户使用距离在15cm左右，但用户习惯使用距离一般在20cm以上，而且采用传统FSI(前光入射)工艺制程技术制造的小像素尺寸的图像传感器产生的光敏感度和信噪比非常低，严重影响虹膜识别系统的图像成像质量。

本发明具体实施例1配置了光学反射器4，用于90度垂直变换光路实现重要的特性，把光学成像模组的部件放置位置移位，从厚度方向转换为水平方向，水平方向一般可供部件放置的空间多达数厘米，因此如此的设计突破了移动终端对光学成像模组的厚度的限制，能进一步实现相对较大体积的光学成像透镜的固定焦距，用户使用距离在 20cm以上，而且使用相对大像素尺寸的图像成像传感器7产生相对大的光敏感度和信噪比，提高虹膜识别系统的光学成像质量。

特别说明尽管本发明通过设计光学反射器4实现光路变换，但其他光路变换方法也应被等同理解。

随图像成像传感器7技术的不断进步，目前采用BSI(背光入射) 工艺制程技术的小像素尺寸的图像成像传感器也基本能满足虹膜识别系统的光学成像质量，本发明即使不采用反射器进行光路变换也应被等同理解，作为一种本发明的简化的，图5为本发明具体实施例1 虹膜识别光学成像模组简化的总体原理图，其去除对反射器的要求。

具体说明如下：

因为影响厚度限制的主要原因是固定焦距的光学成像透镜5的厚度。

根据下文公式光学成像透镜5的固定焦距EFL为：

EFL＝WD*β；

其中：WD表示成像系统的工作物距，即使用距离；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7单位像素的物理尺度；

ROP为虹膜图像像素分辨率，如15pixels/mm；

假设识别的使用距离为20cm，采用大像素尺寸的图像成像传感器如2um/pixel(微米/像素)；

则光学成像透镜5的固定焦距EFL＝6mm，即厚度超过6mm。移动终端如智能手机要求虹膜识别系统图像成像模组的厚度仅为5mm 以内，光学成像透镜固定焦距不超过4mm，是无法实现，才采用图1 的方案使用光学反射器4进行90度垂直变换光路。

图5可以去除对反射器的要求从而进行简化的原因为，采用小像素尺寸的图像成像传感器如1um/pixel(微米/像素)，同样识别的使用距离为20cm，按照上述公式其光学成像透镜5的固定焦距EFL＝3mm，即厚度3mm。其厚度是满足移动终端要求的虹膜识别系统图像成像模组的厚度不超过5mm。

使用环境中不同光照度的非成像的干扰杂散光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：

近红外LED照明光源(1L，1R)被配置为：位于成像光轴0的左右两侧；LED是SMT封装并由LED电流驱动器(1L’，1R’)驱动输出短时间周期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帧像素全局触发曝光(积分)的周期时序；

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 safetyof 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就是指近红外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。在图3中也有具体标示，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。

备注说明：

上述公式中φ是根据直接照明成像或交叉照明成像来确定是φd 或φc。

当发射角度φ为直接照明成像的发射角度φd时应该满足： 5.7-11.25度，

当发射角度φ为交叉照明成像的发射角度φd时应该满足： 11.25-35度。

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；

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的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的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，这也是本发明重要优点特性。

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的等效辐射量，所以其等效的辐射远小于国际标准上限。

同样如此设计的虹膜识别光学成像模组其光源功耗消耗低，与传统连续辐射光源相比只有1/30的等效辐射量。

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)。

如此设计使虹膜识别光学成像模组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。

这也是本发明另一重要优点特性。

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。

即，发射角度φd表示用于直接照明成像的照明光源的发射角度；

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。

具体的解释如下：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。

备注说明：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。

具体实施列1描述采用左右两侧近红外LED照明光源(1L，1R) 方法，但考虑到移动设备的小型化体积限制，所以只采用设置左或右一侧近红外LED照明光源也是可行的。

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)与光学成像透镜5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 大于等于光学成像透镜5的成像视场角FOV；成像视场2即光学成像透镜5的成像视场角所形成的区域。

备注说明：

成像视场角FOV即为图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。

如图1中所示的近红外LED照明光源(1L，1R)的半峰值辐射或发散角度θ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)与后焦近红外光学滤光器6被配置为：

后焦近红外光学滤光器6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。

固定焦距的光学成像透镜5的固定焦距EFL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(微米 /像素)；ROP为虹膜图像像素分辨率，如15pixels/mm；

如识别距离20cm采用EFL＝6mm。

固定焦距的光学成像透镜5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)≥4线对每毫米(lp/mm)；

所述的固定焦距的光学成像透镜5被配置为：固定聚焦透镜，液晶驱动透镜，VCM音圈驱动透镜，MEMS驱动透镜，EDOF波前编码透镜，WLA晶圆级透镜阵列中任意一种。

液晶驱动透镜，VCM音圈驱动透镜，MEMS驱动透镜，EDOF 相位波前编码透镜，WLA晶圆级透镜阵列被配置用于实现光学成像透镜的自动聚焦AF。

图像成像传感器7被配置为：

至少HD高清像素分辨率，即1920像素*1080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12.8cm，垂直Y轴识别范围H至少 7.2cm。

更进一步为扩展识别范围图像成像传感器7被配置为：

至少500万像素分辨率，2592像素*1944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17.4cm，垂直Y轴识别范围H至少 13.0cm。

具体实施列1的虹膜识别光学成像模组安装在移动智能手机，用户在使用时外部构成图如示意图4。

图4告知了如下内容：移动智能手机包括虹膜识别光学成像模组的透射保护光学窗口3，指示灯11，近红外LED照明光源(1L，1R)，液晶屏10(LCD)。图4为外部构成图，所以未显示其内部的光学成像模组构成(内部构成参考图1或图5)。

所述的虹膜识别光学成像模组的透射保护光学窗口3，覆盖于移动智能手机前表面，指示灯11和移动智能手机液晶屏10(LCD)连接安全芯片9(图中未显示)，通过安全芯片9的控制用于实现使用状态引导，如指示灯11发光指示，液晶屏10显示图像和文字信息。

为进一步优化提高用户使用时人机界面，语音和指示灯11用于使用状态引导，如显示蓝色指示用户合适范围，红色指示识别失败，绿色指示识别成功。

更进一步的虹膜识别光学成像模组的透射保护光学窗口3，其光学成像区域外的颜色和外观被设计为具有明显视觉反差的特性，目的是为用户在使用时能凝视透射保护光学窗口3内的虹膜识别光学成像系统形成直视的注视点而非斜视点，即用户的眼睛与成像光轴保持在同一轴线，

避免了用户在使用时无目标盲目的观察形成斜视成像进而影响图像质量。

透射保护光学窗口3，也可由移动终端外表面替代。其整体覆盖于移动智能手机前表面，其使用材料包括高透射率的PMMA，PC，或钢化玻璃等。

更进一步的智能手机自带的液晶屏10(LCD)的上部分，实时显示用户虹膜成像图像以更进一步的引导用户使用，包括显示操作状态，特别说明，在接近虹膜识别光学成像模组透射保护光学窗口3的液晶屏10的上部分位置显示，是为减少在短距离使用时用户观察液晶屏导致眼睛与成像轴的斜视，当然等同理解的虹膜识别光学成像模组也可以倾斜安装。

在实际使用环境中，光照度从室内完全黑0Lux到室外太阳直射 100，000Lux，如此大变化的场景通常导致虹膜瞳孔的大范围变化，如室外瞳孔会缩小减少入射光，黑暗的场景会放大瞳孔增加入射光，进而影响虹膜识别率。为克服这个问题具体实施列1的指示灯11和液晶屏12的亮度被设计为根据虹膜识别算法实时获得的瞳孔与虹膜直径比列变化动态调整，比如瞳孔与虹膜直径比列过大就意味瞳孔放大，指示灯11和液晶屏12的亮度需要增大，反之瞳孔与虹膜直径比列过小就意味瞳孔缩小，指示灯11和液晶屏12的亮度需要减小。

具体实施列1的所有器件和元件按照目前智能手机所采用的体积封装，如微型化的BGA封装的安全芯片9和图像成像传感器7，光学元件可以通过微型化的注塑工艺等专业领域通用技术实现小型化。

实施例2、

本发明的虹膜识别光学成像模组进行安全身份认证的方法，包括以下步骤：

1.安全芯片9用于连接获取图像成像传感器7输出的数字化虹膜图像。

2.安全芯片9用进行虹膜识别算法执行提取虹膜特征信息。虑到安全芯片9计算能力不足，部分耗费计算量的过程如图像预处理和虹膜定位，可放置到主处理器完成，主处理器仅输出图像预处理后的虹膜定位坐标信息返回安全芯片9，这过程是安全的，即使定位坐标被截获其也不能关联到虹膜特征信息。

3.安全芯片9通过虹膜特征信息生成虹膜特征模板，由于生成过程仅由安全芯片控制，所以是安全的。

4.虹膜特征模板采用密码学体系存储在安全芯片内做为私钥，并保证从不被导出和访问。该密码学体系包括PKI加密体系和HASH 散列算法等，用来保证特征模板数据本身安全。

5.虹膜特征模板的身份认证比对都在安全芯片9内部进行，确保移动终端在身份认证整个过程安全不被外部攻击。

安全芯片9可以是独立芯片也可以是集成在应用主处理器中，如移动终端普遍使用的ARM架构芯片，其包括主处理器ARM cortex-A 内核，还集成用于安全应用的独立的TrustZone的安全认证处理器来实现安全芯片功能和主处理器的应用隔离交互，能实现本发明的安全身份认证方法。

备注说明：上述过程是个软件处理过程不涉及虹膜识别光学成像模组的光学构成，但这个认证过程作为实现用于移动终端安全身份认证的整体目的不可或缺，安全芯片9用于连接获取图像成像传感器7 输出的数字化虹膜图像，然后安全芯片9在获得图像后按照安全身份认证的方法步骤进行软件处理。其中虹膜识别算法，密码学体系属于已知技术。

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，如图像成像传感器类型，光学成像透镜类型，光路变换也应被等同理解的。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。

以上只是本发明较佳的实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (20)

1.用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，包括近红外LED照明光源、固定焦距的光学成像透镜、后焦近红外光学滤光器、图像成像传感器，

配置安全芯片；

所述近红外LED照明光源设置为位于成像光轴的左右两侧或任一侧；

所述近红外LED照明光源设置为与所述图像成像传感器进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜；

其特征在于：

所述近红外LED照明光源进行直接照明成像时，发射角度满足：5.7-11.25度；

所述近红外LED照明光源进行交叉照明成像时，发射角度满足：11.25-35度；

其中，所述发射角度定义为近红外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；所述发射角度是和的统称；

所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度θ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。

2.一种用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，包括近红外LED照明光源、固定焦距的光学成像透镜、后焦近红外光学滤光器、图像成像传感器，

配置安全芯片；

所述近红外LED照明光源设置为位于成像光轴的左右两侧或任一侧；

所述近红外LED照明光源设置为与所述图像成像传感器进行直接照明和交叉照明成像左右虹膜；

其特征在于：

所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度FWHM大于等于所述光学成像透镜的成像视场角FOV；

所述成像视场角FOV为成像视场中水平X轴范围W、垂直Y轴范围H的区域；

所述近红外LED照明光源的半峰值辐射或发散角度θ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。

3.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：

所述近红外LED照明光源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帧像素全局触发曝光的周期时序；

所述近红外LED照明光源产生在连续1秒内的辐射次数的等效辐射量；

所述的近红外LED照明光源最高辐射强度I应该满足：E<10mW/cm²；

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上限；

所述的近红外LED照明光源产生的辐射的短时间周期T，单位ms，毫秒，满足：T≤3.33ms。

4.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述图像成像传感器与所述光学成像透镜被组合配置为：

所述图像成像传感器单位像素的物理尺度SOP被配置为1或2微米/像素，所述光学成像透镜的固定焦距EFL被配置为3或6mm。

5.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述虹膜识别光学成像模组配置透射保护光学窗口，其光学成像区域外的颜色和外观被设计为具有明显视觉反差的特性，使得用户在使用时能凝视透射保护光学窗口内的虹膜识别光学成像系统形成直视的注视点而非斜视点。

6.根据权利要求5所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：

所述透射保护光学窗口整体覆盖于移动终端前表面，其使用材料包括高透射率的PMMA、PC、或钢化玻璃。

7.根据权利要求6所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述移动终端还包括引导用户使用的液晶屏，所述液晶屏连接所述安全芯片。

8.根据权利要求7所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：在靠近所述透射保护光学窗口的所述液晶屏区域显示图像和文字信息。

9.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：当所述近红外LED照明光源设置为位于成像光轴的左右两侧时，所述近红外LED照明光源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，其中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，开启左侧近红外LED照明光源；

(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，开启右侧近红外LED照明光源；

(4)图像成像传感器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，不满足质量要求则返回按流程次序直至满足质量要求。

10.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述后焦近红外光学滤光器的半峰值透射波长FWHM大于等于所述近红外LED照明光源的半峰值辐射波长FWHM。

11.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述光学成像透镜选自固定聚焦透镜、液晶驱动透镜、VCM音圈驱动透镜、MEMS驱动透镜、EDOF相位波前编码透镜、WLA晶圆级透镜阵列中的任意一种或几种。

12.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的图像成像传感器设置为至少HD高清像素分辨率，1920像素*1080像素。

13.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的图像成像传感器设置为至少500万像素分辨率，2592像素*1944像素。

14.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的虹膜识别光学成像模组配置使用状态引导。

15.根据权利要求14所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的使用状态引导包括语音、指示灯、液晶屏。

16.根据权利要求15所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的指示灯和/或液晶屏的亮度被设计为根据虹膜识别算法实时获得的瞳孔与虹膜直径比例变化动态调整。

17.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的光学成像透镜的固定焦距EFL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。

18.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的光学成像透镜的光学空间分辨率被配置为：在物方平面应该满足：60％调制传递函数时≥4线对每毫米。

19.根据权利要求1或2所述的用于移动终端安全身份认证的虹膜识别光学成像模组，其特征是：所述的虹膜识别光学成像模组配置光学反射器，用于垂直变换光路。

20.利用如权利要求1～19任一所述的用于移动终端的虹膜识别光学成像模组进行安全身份认证的方法，其特征是包括以下步骤：

(1)通过安全芯片连接获取图像成像传感器输出的数字化虹膜图像；

(2)通过安全芯片进行虹膜识别算法执行提取虹膜特征信息；

(3)利用通过安全芯片基于虹膜特征信息生成虹膜特征模板；

(4)采用密码学体系将所生成的虹膜特征模板存储在安全芯片内做为私钥；

其中，所述虹膜特征模板的身份认证比对都在安全芯片内部进行。