CN105917357B - 具有带通滤波器和可变光源的灵敏生物识别相机 - Google Patents

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Abstract

一种用于身份认证装置的用户的系统和方法。生物识别相机系统包括：光源，具有可变的照明波长输出；以及相机，包括成像传感器和用于过滤成像传感器处接收的环境照明的带通滤波器。用户的光学图像(例如虹膜的图像)由来自光源的照明生成，由带通滤波器过滤并且在成像传感器处被接收。可利用图像确定用户的身份认证状态。

Description

具有带通滤波器和可变光源的灵敏生物识别相机
本申请要求于2014年2月12日提交的名称为“具有滤波器和可变光源的虹膜识别相机”的第61/939,172号美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及识别装置的用户。更具体地，本公开的实施例涉及身份认证移动装置的用户。
背景技术
已经提出了很多通过生物测定学(biometrics)来识别用户的方法。比较有前景的技术之一是虹膜识别技术。存在用于捕捉虹膜图像的各种相机系统。生物识别(biometric)相机系统的挑战之一是在环境光下操作(例如，能够在全光照下捕捉虹膜图像)使成像传感器处具有足够的区别以确定人的身份。明亮的环境光，尤其在近红外(NIR)区域中，会充满图像传感器，并还会产生难以捕捉连续的虹膜图像的阴影。
发明内容
本公开的示例性实施例包括一种用于身份认证装置的用户的生物识别相机系统。相机系统包括：光源，具有可变的照明波长输出；以及相机，包括成像传感器和带通滤波器，带通滤波器用于过滤成像传感器处接收的环境照明。用户的光学图像(例如虹膜的图像)由来自光源的照明生成，由带通滤波器过滤并在成像传感器处被接收。可利用图像确定用户的身份认证状态。
根据本公开的一方面，用于移动装置的生物识别相机系统包括光源，所述光源放置在移动装置上并构造为在图像捕捉期间以受控的波长对人照明。系统包括放置在移动装置上的生物识别相机，生物识别相机包括成像透镜和带通滤波器，带通滤波器沿成像透镜的焦轴放置并可操作为过滤环境光及透射受控的波长的照明。生物识别相机还包括成像传感器，所述成像传感器沿成像透镜的焦轴放置使得带通滤波器在成像透镜和成像传感器之间。成像传感器构造为将人的光学图像转变为用于生成人的视频图像的电子信号。生物识别相机还包括处理器，所述处理器构造为接收人的视频图像并确定人的身份认证状态。
在系统的实施例中，人的图像包括人的虹膜，身份认证状态通过虹膜与存储在虹膜数据库中的预登记的图像的匹配来确定。根据实施例，带通滤波器包括至少两个彼此相对放置的分布布拉格反射器(DBR)以定义照明透射带。根据另一个实施例，受控的波长和透射带包括在近红外(NIR)光谱中的波长。根据实施例，光源包括构造为在受控的波长范围内发射照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。根据实施例，生物识别相机还包括设置在成像透镜和成像传感器之间的可见光滤波器。根据另一个实施例，成像传感器构造为以时变方式激活成像传感器的成像元件的子集，根据虹膜的光学图像在成像传感器上的确定位置进行激活。
根据本公开的另一方面，捕捉人的用于生物识别身份认证的图像的方法包括：在图像捕捉期间用光源对人照明，光源与包括带通滤波器和图像传感器的相机系统相邻。相机系统和光源安置在移动装置内。所述方法包括在图像捕捉期间利用带通滤波器过滤环境照明，并在图像捕捉期间在图像传感器处接收人的反射的照明。所述方法包括生成与人的反射的照明对应的电子信号，并处理电子信号以生成人的图像。所述方法包括基于人的图像确定人的身份认证状态。
在所述方法的实施例中，人的图像包括人的虹膜，身份认证状态是以人的虹膜与存储在虹膜数据库中的预登记的虹膜图像匹配为基础的。根据实施例，成像传感器的与虹膜的位置对应的区域由最初捕捉的一系列图像确定。根据又一个实施例，光源的发射功率是可变的，最初捕捉的一系列图像是在光源的低发射功率下捕捉的。根据又一个实施例，利用虹膜的位置设定由光源发射的受控的波长的值，使得受控的波长与滤波配合使成像传感器在成像传感器的与虹膜的位置对应的区域接收虹膜的反射照明。根据另一个实施例，虹膜的确定位置用于在图像捕捉期间激活图像传感器的子集。根据实施例，光源发射具有受控的波长和受控的角度的照明，受控的波长与带通滤波器的接收带对应。
根据本公开的另一方面，可操作为生物识别用户身份认证的移动装置包括：处理器；存储器，存储虹膜数据库并有效地结合到处理器；以及照明源，构造为发射具有受控的波长的照明，照明可操作为对对象的虹膜进行照明。所述装置包括相机，所述相机包括：成像透镜；带通滤波器，沿成像透镜的焦轴放置，以在图像捕捉期间抑制在受控的波长外的环境照明；以及成像传感器，沿成像透镜的焦轴放置，使得带通滤波器放置在成像透镜和成像传感器之间。装置的成像传感器构造为将虹膜的光学图像转换为用于生成虹膜的视频图像的电子信号，处理器构造为接收虹膜的视频图像并尝试将虹膜的视频图像与存储在虹膜数据库中的预登记的图像进行匹配，其中，如果确定匹配，则对象被身份认证。
在所述装置的实施例中，带通滤波器包括至少两个分布布拉格反射器(DBR)。根据实施例，所述装置包括RGB前置摄像头，处理器构造为基于利用RGB前置摄像头捕捉到的环境图像确定虹膜的位置。根据实施例，光源包括发光二极管(LED)的阵列，阵列的LED独立可寻址。根据另一个实施例，阵列的内部包括可操作为发射第一波长的LED，阵列的剩余部分包括可操作为发射第二波长的LED，其中，第一波长比第二波长长。根据另一个实施例，阵列的LED设置为相对于阵列的顶表面用变化的角度发射照明。
附图说明
包含于本说明书中并形成本说明书一部分的附图示出了发明的实施例，并连同描述一起用于解释发明的原理：
图1是示出了根据本公开的实施例的移动装置生物识别相机系统的示例性实施例的框图。
图2是示出了根据本公开的示例性实施例的移动装置的生物识别相机的组件的框图。
图3A、3B和3C是示出根据本公开的示例性实施例使用具有变化的波长照明的生物识别相机拍摄的图像的图。
图4是根据本公开的示例性实施例使用生物识别相机拍摄的虹膜图像的图。
图5是示出了根据本公开的示例性实施例的确定装置的用户的身份认证状态的示例性过程的流程图。
图6A是根据本公开的示例性实施例的照明目标的单独LED的图。
图6B是根据本公开的示例性实施例的照明目标的LED阵列的图。
图7是示出了根据本公开的示例性实施例的制造LED阵列的示例性方法的过程图。
图8示出了根据本公开的示例性实施例的完成封装的LED阵列的平面图。
图9、图10和图11在平面图中描述了根据本公开的示例性实施例的完成封装的LED阵列的不同实施例。
具体实施方式
在此描述了一种系统和一种方法，所述系统和方法提供了一种可在诸如智能手机或平板电脑的移动装置中实现并且在保持用户安全操作的同时能够降低功耗并提高用于认证用户的生物识别成像特异性的生物识别相机系统。
现在将详细描述几个实施例。虽然将结合可选的实施例描述主题，但是将理解的是，其不意图将所要求保护的主题限于这些实施例。相反，所要求保护的主题意图覆盖可包括在由所附权利要求定义的所要求保护的主题的精神和范围内的替换、修改和等同物。
此外，在下面的具体实施方式中，为了提供对要求保护的主题的彻底理解，阐述众多具体细节。然而，本领域的技术人员将理解的是，可在没有这些具体细节或其等同物的情况下实践实施例。在其他情形下，没有详细描述公知的方法、程序、组件和电路，以免不必要地模糊主题的方面和特征。
除非在此另有指示或者与上下文清楚地矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其在权利要求的上下文中)的术语“一个”、“一种”、“所述”、以及“该”的使用将被解释为涵盖单数和复数。除非另有指示，否则术语“包括”、“具有”和“包含”将被解释为开放式术语(即，表示“包含，但不限于”)。
在此使用的术语“组件”或“模块”表示(但不限于)执行特定任务的软件或硬件组件，诸如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。组件或模块可方便地被配置为驻留在可寻址的存储介质中，并且被配置为执行一个或多个处理器。因此，作为示例，组件和模块可包括：组件(诸如，软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件)、进程、功能、属性、程序、子程序、程序代码段、驱动器、固件、微代码、电路、数据、数据库、数据结构、表、阵列以及变量。针对组件以及组件或模块提供的功能可被组合成更少的组件以及组件或模块，或者进一步地被分离成额外的组件以及组件或模块。
在可以对计算机存储器执行的操作的进程、步骤、逻辑块、处理和其他符号表示的方面描述了具体实施方式的一些部分。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员使用的将其工作内容最有效地传达给本领域其他技术人员的方法。进程、计算机执行步骤、逻辑块和程序等在此并且通常设想为通向期望结果的步骤或指令的自洽顺序。这些步骤需要物理量的物理处理。通常，尽管不是必须的，但是这些量采用能够在计算机系统中被存储、传输、结合、比较和另外控制的电子信号或磁信号的形式。主要为了通用使用的原因，将这些信号指代为比特、值、元素、符号、特性、项、数字等等，有时被证明是方便的。
但是，应当注意的是，所有这些术语和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的便利标记。除非通过下面的讨论另外具体地陈述清楚，否则明白的是，使用诸如“访问”、“写入”、“包括”、“存储”、“发送”、“遍历”、“关联”、“识别”等术语的讨论始终涉及计算机系统或类似的电子计算装置的动作和处理，其将表示计算机系统的寄存器和存储器中的物理(电子)量的数据操作或改变为类似表示计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、发送或显示装置中的物理量的其他数据。
现在参照图1，描述了示出移动装置生物识别相机系统的示例性实施例的框图。移动装置100具有包括存储器112、至少一个处理器114、输入输出装置(I/O)116、RGB前置摄像头122和显示器110的组件。
存储器112、处理器114、I/O 116、前置摄像头122和显示器110可通过一条或更多条系统总线(未示出)结合在一起。存储器112可包括一个或更多个具有不同存储器类型(例如包括RAM、ROM、缓存、虚拟存储器和闪速存储器)的存储器。处理器114可包括具有单核或更多核的单个处理器或具有单核或更多核的多个处理器。I/O 116为输入信息和输出信息的组件集。包括I/O 116的示例组件可包括麦克风、扬声器和用于在网络上通信的无线网络接口控制器(或类似组件)。处理器114可执行管理硬件资源并执行基本任务的操作系统(OS)。OS的示例可包括塞班TM、黑莓OSTM、iSOTM、微软TM和安卓TM。在一个实施例中，显示器110可与移动装置100集成，同时在另一个实施例中显示器110可在移动装置100外部。
在一个实施例中，移动装置100可包括任意类型的移动装置形状因数，包括但不限于：例如，移动或智能手机；平板电脑；笔记本或便携式计算机；电视机和可穿戴计算机。在一个实施例中，移动装置100可用位于移动装置100的同一侧的显示器110和前置摄像头122实现，使得在用户拿着装置以观看显示器110时，前置摄像头122对准用户。在移动装置100包括便携式电脑或笔记本电脑的实施例中，前置摄像头通常安置在便携式电脑的盖内。
根据示例性实施例，移动装置100配置有生物识别相机系统。生物识别相机系统可用于，例如，捕捉用于用户识别和身份认证的人类虹膜的图像。在一个实施例中，生物识别相机系统可包括近红外(NIR)光源124、生物识别相机126、虹膜识别组件118和虹膜数据库120。在一个实施例中，虹膜识别组件118和虹膜数据库120为存储在存储器112中并由处理器114执行的软件组件。
如所示出的，在一个实施例中，生物识别相机126位于移动装置100的一角中(尽管其他位置是可以的)，NIR光源124可位于相对的一角中，使NIR光源124在移动装置100的机身内从生物识别相机126偏移。在一个实施例中，NIR光源124可使用微发光二极管(LED)或激光二极管实现。光源124可坐落成垂直于生物识别相机126的平面，或者在一些实施例中，NIR光源124可形成角度。例如，光源124可向上呈微小角度以在用户正常拿着移动装置100时指向位于距移动装置100期望距离的用户的眼睛。可选地，光源124可朝向生物识别相机126呈微小角度，以在生物识别相机126处更明亮地反射被照明的眼睛。
在操作时，NIR光源124在通过生物识别相机126捕捉用户的虹膜的图像期间照明移动装置100的用户(例如，使用近红外光)。从生物识别相机126输出的视频图像可由确定用户的身份认证状态的虹膜识别组件118接收。例如，用户的身份认证状态通过尝试将虹膜图像与存储在虹膜数据库120中的预登记的图像进行匹配来确定。如果找到匹配，则用户能够被认证。尽管可以使用不同的滤波或特征提取技术，但虹膜识别组件118可包括加博(Gabor)滤波器的使用以提取虹膜的特征。对给定的虹膜是独一无二的虹膜特征可以被量化以转换为二进制形式，在此之后，汉明距离可用作在不同的二进制虹膜特征之间比较(例如，与来自虹膜数据库120的虹膜比较)的分类器。其他虹膜匹配技术与本公开的精神和范围一致。
环境光为捕捉具有足够细节的用户(例如，虹膜)图像以执行与预登记的图像的图像匹配带来难度。环境光可使成像传感器饱和并覆盖信号(例如，来自用户(诸如虹膜)的反射照明)。因此，根据本公开的实施例，带通滤波器用于限制到达图像传感器的光的带宽(例如，光谱)。
现在参照图2，描述根据本公开的实施例的相机126的框图。根据实施例，相机126可操作为用作虹膜识别相机。相机126可包括构造为将入射光沿透镜焦轴聚焦到图像传感器206上的成像透镜(或透镜系统)200。通过增加带通滤波器202，环境光显著地减少。可选择地，在一些实施例中，可增加可见光滤波器204以增加环境光抑制，可见光滤波器204用于大体上阻挡可见光同时允许IR光通过。
带通滤波器202可为干涉滤波器，并可包括例如，以堆叠的构造放置的分布布拉格反射器(DBR)。尽管DBR在单独使用时可作为窄带宽反射器，但是在以紧密靠近(例如，在相对于透射波长的特定距离)的堆叠构造布置时，DBR可用作对波带外具有高抑制度的窄带宽透射滤波器。根据实施例，带通滤波器202包括诸如砷化镓(GaAs)的材料，尽管能够使用其他材料。用作带通滤波器的DBR可通过GaAs的沉积制造，也可通过其他类似材料(例如，砷化铟镓(InGaAs)和其他)的沉积制造。根据实施例，具有不同折射率的GaAs的掺杂版本可制造DBR的需要结构。最简单形式的带通滤波器202具有相对窄的带通(例如，透射带)，大约几纳米(nm)。然而，通过利用两个DBR之间的不同的折射率或者通过改变DBR的层的厚度，带宽可调谐成基本比此带宽宽(例如，几十nm至几百nm)。
在图像感测应用中，滤波器的带宽通常具有适中的宽度(例如，几十nm)。为了在滤波器之间产生适当的干涉，诸如这些描述的滤波器通过控制彼此邻近的层的厚度起作用。在入射光束的角度是除垂直于滤波器表面之外的其他角度时，导致光束的中心波长的改变。该改变遵循等式：
其中，λc为改变后的中心波长，λ0是垂直入射时的中心波长，n*是基础滤波器材料的有效折射率。由于GaAs具有高n*(n*≈3.3)，因此改变效果不大。因此，由GaAs构成的滤波器可被设计为具有窄带宽，并因此抑制大量的环境光。如果期望更大的改变效果，由于入射角度远离垂直于滤波器的表面，可选择具有较低折射率的材料(或材料的组合)。
对于设计为使虹膜成像的相机，在视场和图像传感器分辨率之间的存在设计折衷。相机优选具有足够宽的视场使得相机不需要精确指向虹膜以对虹膜成像。然而，视场不应太宽使得图像传感器上的虹膜图像过小而不能提供用于通过虹膜识别系统识别的足够细节。在一个实施例中，λ0为840nm的波长，相机的视场为30°(半角)，采用GaAs滤波器，从图像的中心至图像的边缘中心波长λc可以改变10nm那么多。如果滤波器的带宽被制作地更宽(例如，通过使用利用不同于GaAs的材料的滤波器)，则能够通过更多的光，然而，也会进入更多的环境光。在为滤波器选择不同的材料(例如，具有更低折射率的材料)的情况下，由于给定的角度远离垂直于表面，中心波长的改变更大。
在实施例中，带通滤波器202被构造为窄的(例如，若干nm)以限制进入成像传感器206的光的数量。在一个实施例中，光源124可以为均匀地照明视场的光锥。光源124被构造为对于视场内的角度具有足够的照明带宽以覆盖带通滤波器202的接收波长(例如，透射带)。减少的环境光提高了图像传感器206的图像感测，并可以通过抑制对场景中不能穿过带通滤波器的部分进行照明来获得进一步省电。
根据实施例，光源124构造为具有与带通滤波器202的窄带宽对应的窄的带宽(例如，大约10nm，或几十nm)。这用于在仍充分地照明虹膜的同时降低相机系统的全部能量需求。此外，在成像传感器206接收的光也受到限制。光源124的实施例具有固定的照明输出波长，由于照明的透射对带通滤波器202的波长依赖，导致仅图像的一部分被照明。
通过采用可调节的光源124，图像的可由传感器检测的部分可被转换至图像传感器的不同区域。在具体实施例中，光源124为垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL可以以不同方式制作为可调谐的，包括加热装置(用于小波长改变)和改变VCSEL的腔长(以引起波长上的更大改变)的微电子机械系统(MEMS)装置。尽管VCSEL的输出可以具有角度依赖性，但是可通过使VCSEL的输出首先发送通过扩束器来使角度依赖性最小化，使得输出照明覆盖整个视场。尤其对于虹膜成像应用，这种设置能够将对眼睛进行照明所需要的光的强度限制在安全级别。
在一个实施例中，VCSEL被选择为具有830nm-840nm的可调带宽，VCSEL输出在此波带内的设定的波长，并具有+/-1nm的带宽(例如，840nm+/-1nm的中心波长)。图3A示出了由设置在具有在840nm的中心通带的滤波器(例如，滤波器202)后的图像传感器(例如，图像传感器206)捕捉的示意性的图像300。在图3A中，VCSEL设置为840nm的波长。图像的区域310从滤波器透射以被图像传感器捕捉。尽管整个视场被VCSEL照明，但仅一部分由图像传感器检测；视场的剩余部分主要由滤波器的角度依赖性而截止。具体地，所述部分充分靠近与接收入射照明的滤波器202垂直的轴。
现在参照图3B，描述了来自具有调制为比中心通带短的波长(例如，调制为835nm)的波长的VCSEL的图像300。具体的，区域320示出了视场的由例如840nm的中心通带和835nm的可调照明波长进行成像的部分。当然，这些数字仅是示例性的；能够选择很多其他波长和带宽范围以具有相似的效果。
图3C示出了根据本公开的实施例的捕捉到的用于处理的虹膜图像的示意图。在此，通过VCSEL的波长对虹膜340照明使得图像300捕捉该波长的区域环330，区域330包括虹膜。可以以多种方式确定被选择以用于成像的具体波长。在一个实施例中，VCSEL可扫描其输出波长的范围，可分析处于选择的波长的图像以找到为眼睛提供最佳照明的波长。在具体实施例中，虹膜可通过数个本领域公知的方法被识别，对于用于进一步成像的最佳波长，可选择具有最多细节的图像。在另一个能够减少成像处理的实施例中，测量眼睛的角膜的镜面反射(specular reflection)，并确定与最大反射对应的波长。一旦用选择的光的波长对虹膜进行照明，可获取在该波长的用于虹膜识别的图像。
确定测量虹膜的有利波长的另一个方法为通过结合生物识别相机126的信息与附加相机的信息。根据本公开的实施例包括前置摄像头122和生物识别相机126。前置摄像头122可具有比生物识别相机126更宽的视场。前置摄像头122可用于确定也在生物识别相机126的视场中的虹膜的位置。利用此位置和相机的相对位置的知识(例如，安置在移动装置的一面上的相机之间的距离)，能够为生物识别相机计算虹膜的位置。为捕捉虹膜，然后可选择适当的波长以对应于此位置，即，为了使虹膜在成像传感器的确定位置成像，光源的输出波长被控制为在带通滤波器的透射带中。
在一些实施例中，获取虹膜的多个图像并对其进行结合以提供更多用于分析的细节。在具体实施例中，滤波器的带宽和VCSEL被制造为充分窄，使得在中心VCSEL输出波长捕捉仅虹膜的一部分(例如，环区域330可比虹膜的宽度窄)。可选择地，虹膜能够更靠近相机，因此在图像上更大，具有类似的结果。在这些实施例中，来自VCSEL的照明波长能够在图像获得期间扫描以在一个或几个图像捕捉中捕捉整个虹膜。在另一个实施例中，滤波器能够使用折射率低于GaAs的折射率的材料构造。在这样的实施例中，波长随角度的改变更明显，有效的减小了给定波长带的捕捉环(例如，捕捉环330)的尺寸，同时还减小了对环境光的敏感性。在这种情况下，能够选择光源的带宽以匹配滤波器的接收带，使在低功率下捕捉相似图像质量的图像。
现在参照图4，描述了本公开的能够进一步提高环境光抑制的实施例。在此实施例中，仅捕捉了与眼睛位置340对应的一部分(例如，眼区450)而不是获得整个图像传感器帧300。与读出整个图像帧300相比，仅读出眼区450能够被更快地处理。这可通过例如使用滚动快门的行列快门(row-column shutter)变形完成。在不能使用行列快门的具体实施例中，能够仅读出对应于眼区450的水平线。随着环境光抑制的提高，与读出整个图像传感器相比，读出时间仍减少。在一个实施例中，VCSEL的时序能够与图像传感器的滚动快门同步以仅在虹膜340的反射在图像传感器处成像时激活光源124(例如，光源124调节为在环330处捕捉)。以这种方式，能够使用更明亮的光级来提高图像质量，同时仍然维持眼镜安全。在具体的实施例中，VCSEL的时序同步能够与行列快门或类似技术配合使用。
现在参照图5，流程图500描述了根据本公开的实施例的一种用于确定人的身份认证状态的方法的示例。流程图500可实施为以非临时性计算机可读存储介质的形式存在的计算机可执行指令。
在框502中，在图像捕捉期间用光源对人进行照明。光源(例如，光源124)可为可调光源，即，具有可在输出波长范围内选择输出波长的光源。
在框504中，在图像捕捉期间，用带通滤波器滤除环境光。带通滤波器(例如，带通滤波器202)可通过例如堆叠的DBR形成，其中堆叠的DBR之间的距离确定带通滤波器的透射带。根据本公开的实施例，光源的输出波长选择为对应于带通滤波器的透射带。
在框506中，图像传感器接收反射的照明，反射的照明来自在框502被照明的人。根据本公开的实施例，图像传感器(例如，图像传感器206)可仅读出接收来自人的虹膜的反射的照明的区域。根据实施例，虹膜的光学图像位于图像传感器上的区域由初始图像或一系列图像确定。可使用另外的相机(例如，RGB相机122)捕捉初始图像。可选地或附加地，可利用低功率设置的光源来拍摄初始图像。光源可在输出波长的范围内被调节，虹膜的光学图像的在成像传感器上的位置可被确定。
在框508中，生成对应于框506中的反射的照明的电子信号。电子信号可由图像传感器(例如，图像传感器206)生成，并发送至处理器(例如，处理器114)。
在框510中，处理电子信号(例如，通过处理器114)以生成在框502中被照明的人的图像。
在框512中，基于在框510生成的图像，确定人的身份认证状态。身份认证状态可根据虹膜识别(例如，虹膜识别118)处理确定。例如，人的图像可为虹膜图像，虹膜可与存储在预登记的虹膜数据库(例如，虹膜数据库120)中的一组虹膜图像匹配。根据实施例，如果本虹膜图像与来自登记的数据库的虹膜图像之间匹配，则此人被授权使用装置(或者装置上操作的程序或功能)。
尽管可调谐的VCSEL提供了方便的光源以实现涵盖生物识别相机126的视场，但是其他照明源也是可以的。例如，单个LED能够用于照明用于虹膜识别的视场(包括脸)。现参照图6A，实施例描述了能够用作光源的单个LED 612，其中照明的波长在空间上扩散开。照明的空间扩散由场600描述。照明可通过例如利用棱镜的折射或者通过衍射元件(例如，通过透射衍射光栅)在空间上扩散。实际上在单个LED 612作为光源的应用可能是浪费的，例如，在用户的虹膜没出现的场景。此外，宽波长光谱照明的LED对不能通过带通滤波器的照明的波长(即，抑制波长)来说是浪费的。
在实施例中，LED 612的阵列610可用于照明场景。现参照图6B，LED612的阵列610可用来覆盖成像传感器的整个视场。在此，LED 612可布置在阵列610中使得从每个LED发射的每个光锥的中心角变化。根据一些实施例，LED 612被选择为具有相对窄的光立体角605，并放置使得即使来自相邻LED的光叠置，也仅最小限度地叠置。根据其他实施例，一些数量的叠置被构造成用于在特别点或成像传感器上的兴趣点附加选择性照明。图6B中仅为一维阵列，实际上采用二维阵列以覆盖本公开的系统的视场的立体角。在一个实施例中，LED612彼此结合使得全部同时激活(例如，导通或关闭)。在一些实施例中，LED 612能够单独可寻址，并基于个体激活或去激活。在一些实施例中，LED 612仅能够导通和关闭，但在其他实施例中，每个LED 612可关闭或独立于阵列610中的其他LED设定为特别的亮度级。
根据一些实施例，LED阵列610能够由独立封装的LED生成。然而，在移动装置中，空间通常非常珍贵。一种获得小型化的方法是使用圆片级工艺生成LED阵列610。在一个示例性实施例中，LED阵列610由图7中示出的工艺生成。在工艺700中，在步骤701中首先在载体晶片上填充LED(电连接未示出)。根据实施例，载体晶片可包括硅通孔(TSV)。
在步骤702中，形成金刚石打磨的主晶片(diamond turned master wafer)。金刚石打磨的主晶片随晶片的不同LED的焦轴指向角的变化而形成。从金刚石打磨的主晶片，在步骤703中生成成型亚主(molding sub master)。在步骤703中从所述亚主可以生成重复的冲压和/或成型工具。根据本公开的实施例，主晶片成型为使得以其形式为模型的透镜将来自不同LED的光指向不同的方向，并具有期望的照明扩散角。如果合适的亚主已经预先产生，则步骤702和步骤703可省略。
在步骤704中，从亚主生成重复的反射器晶片并且重复的反射器晶片被涂覆以用于反射。在步骤705中，将重复的镜面反射器晶片结合到LED载体晶片。在步骤706中，如果需要，使密封剂和/或透镜材料成型以使LED透镜的上表面成形。步骤707示出了切割后的完成阵列，其中，每个LED处于具有透镜的微型杯状反射器中。如所示出的，完成的透镜阵列模具对阵列的不同LED具有变化的光束指向方向。
图8以正视图和平面图两者描述了根据本公开的实施例的完成的LED阵列800。阵列800包括独立可寻址并可受控的具有倾斜的光束角805以控制场景中目标的照明的LED。如描述的，阵列800的LED设置在角805使得来自LED的照明覆盖相机(例如，生物识别相机126)的视场。每个独立的LED的输出角由其微型镜面反射杯810的形状确定。LED可通过具有附带的LED控制逻辑的CMOS硅815制造为可寻址的。LED阵列800可包括背面重新分布层(RDL)和锡球互连820，也可包括其他形式的互连。
根据实施例，所有的LED具有相同的输出波长分布。对于虹膜识别应用，LED可选择为具有宽的波长带宽使得LED照明能够在视场中全角穿过相机滤波器(例如，带通滤波器202)。能够选择全部照明场以与生物识别相机126匹配，但是在具体实施例中，反而可选择照明场以与前置摄像头122的更宽的视场匹配。以这种方式，LED阵列800能够用于多种目的。在这两种情况下，由于阵列800中的LED是独立可寻址的，因此可实现节电。例如，相机能够通过使用前置摄像头122或通过用处于低等级的整个LED阵列800对整个视场进行照明来确定虹膜的位置。然后，仅与照明虹膜的光学位置对应的一个或几个LED导通(例如，在高能量连续或者闪光)，生物识别相机可用于使识别用户的虹膜成像。
图9描述了具有优化为在图像捕捉期间节约能源的LED阵列900的实施例。在阵列900中，在阵列中心(例如，在区域905中)的LED被构造为发射一种波长的光，然而阵列的其他LED(例如，在周围)被构造为发射另一波长的光。区域905的中心LED 902可构造为具有例如840nm的中心波长，外部LED 904为具有830nm的中心波长。放大的图像915和920分别描绘了内部区域的LED 902和外部区域的LED 904。可使用从设计为空间上与相机的带通滤波器的透射带匹配的波长中选择的其他波长。
以与图8中示出的阵列800类似的方式，根据本公开的实施例，仅需导通一个或几个LED以捕捉图像(例如，虹膜图像)。由于仅对给定的角度处需要的波长指向特定的方向，因此提高了功率效率，并因此照明需要较少的能量。此外，生物识别相机图像传感器处仍保持相似数量的光。虽然图9的实施例仅描绘了两个单独颜色的LED(例如，902和904)，但在其他实施例中，LED阵列900包括三种或更多种颜色的LED。在从中心朝向阵列的边缘测量时这种LED阵列使波长变化表现得更颗粒状。通常，在LED阵列900中的每个位置处构造特定的LED颜色，使得来自特定LED的照明的波长与允许以相机的视场角通过相机滤波器的中心波长基本匹配。
现在参照图10，本公开的实施例包括具有LED微型杯的阵列1000，其中，每个微型杯包括两个LED元件。放大的图像1015描绘了具有第一LED元件1008和第二LED元件1010的LED微型杯。在一个实施例中，两个LED元件1008和1010能够具有中心波长为850nm的一个元件和中心波长为650nm的另一个元件，每个LED元件独立可寻址。独立元件可为具体的成像目的被激活。例如，在测量棕色眼睛时，与650nm相比，在850nm获得的虹膜图像具有更多的细节。相反，在测量蓝色眼睛时，使用650nm照明生成更好的图像。根据实施例，光学带通滤波器(例如，带通滤波器202)可从相机成像路径中移除以允许两种波长在相机处被测量。这样做，更多的环境光在图像传感器被感测。在具体实施例中，滤波器被构造为有缺口的带通滤波器，其中缺口滤波器的通过波长与设置在LED阵列1000中的LED的多个波长对应。根据实施例，在整个阵列1000中每个微型杯中的两个LED元件1008和1010的波长始终相等。根据另一个实施例，在整个LED阵列1000中两个LED元件1008和1010中的每个的波长可选择为变化(例如以与阵列900相似的方式)。
现在参照图11，描绘了LED阵列1100的每个微型杯包括多达四个独立可寻址的LED元件1108-1114的实施例。放大的图像1115描绘了具有第一LED元件1108、第二LED元件1110、第三LED元件1112和第四LED元件1114的LED微型杯。四个LED元件1108-1114可被选择为跨越可见光谱和NIR光谱的部分。尽管阵列1100可用于附加的虹膜识别模式，但具有变化的颜色和输出功率的可寻址角度阵列也可用于其他照明目的，例如，氛围或其他照明(例如，为了使用前置摄像头122)。比四个LED元件更多或更少的其他布置与本公开的精神和范围一致。例如，每个微型杯中仅具有绿、蓝和NIR LED元件的LED阵列1100能够用于虹膜识别，其中，NIR LED元件用于棕色眼睛，绿色LED元件和蓝色LED元件用于蓝色眼睛。LED波长和捕捉的虹膜颜色的其他组合是可能的。
已经公开了用于生物识别相机的方法和系统。已经依照示出的实施例描述了本发明，并可对实施例进行改变，在本发明的精神和范围内可进行任何变化。本公开的方面可以以包括程序指令的计算机可读介质来呈现以实施由计算机或计算装置(例如，手机和平板设备等)体现的各种操作。所述介质还可单独或组合包括程序指令、数据文件、数据结构等。所述介质和程序指令可出于本公开的示例性实施例的目的而被专门设计或配置，或者它们可以是计算机软件领域的普通技术人员所公知并可用的。计算机可读介质的示例包括磁介质(例如，硬盘、软盘和磁带)、光学介质(例如，CD ROM盘和DVD)、磁性光学介质(例如，光盘)以及可被专门配置为存储并执行程序指令的硬件装置(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等)。本公开的方面也可实现为以载波呈现并包括由计算机可读取并在网络传播的程序的数据信号。程序指令的示例包括(例如，由编译器产生的)机器代码和包含可使用解释器由计算机执行的更高级代码的文件。描述的硬件装置可被配置为用作一个或多个软件模块以执行本公开的上述示例实施例的操作。
因此描述了本公开的实施例。虽然以具体的实施例描述了本公开，但是应理解的是本公开不应被解释为由这些实施例限制，而应根据下面的权利要求解释。因此，在不脱离在所附的权利要求的精神和范围的情况下，可由本领域普通技术人员进行许多修改。

Claims (18)

1.一种用于移动装置的生物识别相机系统，包括：
光源，设置在移动装置上并构造为在图像捕捉期间以受控的波长对人照明；
生物识别相机，设置在移动装置上，所述生物识别相机包括：
成像透镜；
带通滤波器，沿成像透镜的焦轴设置，并可操作为过滤环境光并传输受控的波长的照明；
成像传感器，沿成像透镜的焦轴设置使得带通滤波器设置在成像透镜和成像传感器之间，成像传感器构造为将人的光学图像转变为用于生成人的视频图像的电子信号；以及
处理器，构造为接收人的视频图像并确定人的身份认证状态，
其中，人的图像包括人的虹膜，
其中，成像传感器的与虹膜的位置对应的区域由最初捕捉的一系列图像确定，
其中，所述光源被构造为利用虹膜的位置来设定发射的受控的波长的值，使得受控的波长与滤波配合使成像传感器在成像传感器的与虹膜的位置对应的区域接收虹膜的反射照明。
2.根据权利要求1所述的生物识别相机系统，其中，通过使虹膜与存储在虹膜数据库中的预登记的图像匹配来确定身份认证状态。
3.根据权利要求1所述的生物识别相机系统，其中，带通滤波器包括至少两个彼此相对放置的分布布拉格反射器(DBR)以定义照明透射带。
4.根据权利要求3所述的生物识别相机系统，其中，受控的波长和透射带包括在近红外(NIR)光谱中的波长。
5.根据权利要求1所述的生物识别相机系统，其中，光源包括构造为在受控的波长范围内发射照明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
6.根据权利要求1所述的生物识别相机系统，其中，生物识别相机还包括设置在成像透镜和成像传感器之间的可见光滤波器。
7.根据权利要求2所述的生物识别相机系统，其中，成像传感器被构造为以时变的方式激活成像传感器的成像元件的子集，根据虹膜的光学图像在成像传感器上的确定位置进行激活。
8.一种捕捉人的用于生物识别身份认证的图像的方法，所述方法包括：
在图像捕捉期间用光源对人照明，光源与包括带通滤波器和图像传感器的相机系统相邻，相机系统和光源安置在移动装置内；
在图像捕捉期间利用带通滤波器过滤环境照明；
在图像捕捉期间在图像传感器处接收人的反射的照明；
生成与人的反射的照明对应的电子信号；
处理电子信号以生成人的图像；
根据人的图像确定人的身份认证状态，
其中，人的图像包括人的虹膜，
其中，成像传感器的与虹膜的位置对应的区域由最初捕捉的一系列图像确定，
其中，利用虹膜的位置来设定由光源发射的受控的波长的值，使得受控的波长与滤波配合使成像传感器在成像传感器的与虹膜的位置对应的区域接收虹膜的反射照明。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，身份认证状态是以人的虹膜与存储在虹膜数据库中的预登记的虹膜图像匹配为基础的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，光源的发射功率是可变的，其中，最初捕捉的一系列图像在光源的低发射功率下被捕捉。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，虹膜的确定位置用于在图像捕捉期间激活图像传感器的子集。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，光源发射具有受控的波长和受控的角度的照明，受控的波长与带通滤波器的接受带对应。
13.一种可操作为生物识别用户身份认证的移动装置，所述移动装置包括：
处理器；
存储器，存储虹膜数据库并有效地结合到处理器；
照明源，构造为发射具有受控的波长的照明，照明可操作为对对象的虹膜进行照明；以及
相机，包括：
成像透镜；
带通滤波器，沿成像透镜的焦轴设置，以在图像捕捉期间抑制在受控的波长外的环境照明；以及
成像传感器，沿成像透镜的焦轴设置，使得带通滤波器设置在成像透镜和成像传感器之间；
其中，成像传感器构造为将虹膜的光学图像转换成用于生成虹膜的视频图像的电子信号，处理器构造为接收虹膜的视频图像并尝试将虹膜的视频图像与存储在虹膜数据库中的预登记的图像进行匹配，其中，如果确定匹配，则对象被身份认证，
其中，成像传感器的与虹膜的位置对应的区域由最初捕捉的一系列图像确定，
其中，所述照明源被构造为利用虹膜的位置来设定发射的受控的波长的值，使得受控的波长与滤波配合使成像传感器在成像传感器的与虹膜的位置对应的区域接收虹膜的反射照明。
14.根据权利要求13所述的移动装置，其中，带通滤波器包括至少两个分布布拉格反射器(DBR)。
15.根据权利要求13所述的移动装置，还包括RGB前置摄像头，其中，处理器构造为基于利用RGB前置摄像头捕捉的环境图像确定虹膜的位置。
16.根据权利要求13所述的移动装置，其中，照明源包括发光二极管(LED)的阵列，其中，阵列中的LED独立可寻址。
17.根据权利要求16所述的移动装置，其中，阵列的内部包括可操作为发射第一波长的LED，其中，阵列的剩余部分包括可操作为发射第二波长的LED，其中，第一波长比第二波长长。
18.根据权利要求16所述的移动装置，其中，阵列的LED设置为相对于阵列的顶表面以变化的角度发射照明。
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