CN106603940A - 全局像元虹膜识别图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全局像元虹膜识别图像传感器，其像素阵列包括135*m行、240*m列的有效像素，其中m＝1～4，所述全局像元虹膜识别图像传感器采用全局曝光方式使所述像素阵列的全部像素同时开始和结束曝光，再进行读出工作，无需改变现有的虹膜识别算法，同时无需脸部或眼部的位置与全局像元虹膜识别图像传感器保持相对静止，可以实现脸部或眼部移动时的高速虹膜识别。

Description

全局像元虹膜识别图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种全局像元虹膜识别图像传感器。

背景技术

虹膜是瞳孔周围的环状颜色组织，即位于黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，其包含有很多相互交错的斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等的细节特征，虹膜在胎儿发育阶段形成后，在整个生命历程中将是保持不变的，因此虹膜特征的唯一性，决定了身份识别的唯一性。虹膜识别技术就是基于眼睛中的虹膜进行身份识别的技术，虹膜识别具有安全性优势：(1)虹膜的纹理信息要远高于指纹的纹理信息，理论上准确性更高，指纹识别误识率为十万分之一，而虹膜识别的误识率可以达到千万分之一；(2)干扰因素更少，指纹识别可能受伤痕、油腻、污渍等因素影响，而虹膜识别无需物理接触，影响因素风少；(3)安全性更高，虹膜识别具有多个可测特征，远多于其他的生物识别技术，具有高度的独特性和稳定性，应用的安全性远高于其他。目前虹膜识别可以应用于安防设备、手机解锁以及有高度保密需求的场所。

一个自动虹膜识别系统包含硬件和软件两大模块：虹膜图像获取装置(即硬件模块)和虹膜识别算法模块(即软件模块)，分别对应于图像获取和模式匹配这两个基本问题。值得注意的是，东亚人为黑色虹膜，黑色虹膜由于纹理少、表面色素多及光线原因导致不稳定性强等因素，是虹膜识别理论中最难识别的，黑色虹膜在可见光下是不能看到的，因此黑色虹膜的识别需红外补光，红外线在700nm～900nm的范围。

目前，手机领域应用上的虹膜识别图像传感器均复用手机前置摄像头，这意味着虹膜识别传感器是滚筒曝光图像传感器，其像素阵列是1080p(即1920*1080)的200万像素阵列规模。这是因为要完成虹膜识别，必须对在虹膜区域有160*160以上的分辨率，而当利用前置摄像头拍摄时，前置摄像头离脸部通常工作距离在20cm～30cm，此时从前置摄像头拍摄采集的图像中截取虹膜区域图像，该虹膜区域图像的像素基本在(160～200)*(160～200)左右，正好满足虹膜区域最低分辨率要求。

但是利用滚筒曝光图像传感器复用为虹膜识别传感器时存在以下缺陷：为了拍摄清晰稳定的虹膜图像，要求拍摄时，脸部(或眼部)位置与前置摄像头保持相对静止，这显然是非常不便利的，由此限制了虹膜识别的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全局像元虹膜识别图像传感器，无需脸部或眼部的位置与虹膜识别图像传感器保持相对静止，能够实现在脸部或眼部移动时的高速虹膜识别。

为了实现上述目的，本发明提供一种全局像元虹膜识别图像传感器，一种全局像元虹膜识别图像传感器，所述全局像元虹膜识别图像传感器的像素阵列包括135*m行、240*m列的有效像素，其中m＝1～4，且所述全局像元虹膜识别图像传感器采用全局曝光方式使所述像素阵列的全部像素同时开始和结束曝光，再进行读出工作。

进一步的，所述像素阵列的每个像素的尺寸为3.45μm～6μm，为8管全局像元结构；所述像素阵列的总尺寸为2.112mm*1.188mm。

进一步的，所述全局像元虹膜识别图像传感器的帧率为60fps，且所述全局像元虹膜识别图像传感器的奇数帧的图像信息被投射在手机屏幕上，帧率为30fps，偶数帧的图像信息被传输给虹膜识别算法模块使用，帧率为30fps。

进一步的，当m＝2，即所述有效像素为270行*480列时，且当所述全局像元虹膜识别图像传感器的镜头距离眼部5cm～40cm拍摄时，所述眼部的区域在所述全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场内的占比为13×1.14。

进一步的，所述全局像元虹膜识别图像传感器除像素阵列以外，还包括读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块和控制电路模块；所述像素阵列的每列像素对应所述读出电路模块的一个读出电路链路，每个所述读出电路链路由可编程增益放大器和模数转换器组成；所述通道选择模块选择所述读出电路模块相应的读出电路链路的信号传输至所述接口电路模块；所述控制电路模块主要由行方向传输控制电路和数字电路组成，所述行方向传输控制电路连接所述像素阵列，按行将所述像素阵列的信号依次输出至所述读出电路模块，所述数字电路分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块和接口电路模块提供时序控制信号和功能控制指令。

进一步的，所述读出电路模块共有240*m个可编程增益放大器和240*m个模数转换器，其中m＝1～4，每个所述可编程增益放大器的放大倍数为0.5～64倍，所述模数转换器输出的信号是10bit的数字信号。

进一步的，所述接口电路采用MIPI结构、CSI-2协议标准。

进一步的，所述通道选择模块包括连接所述读出电路模块的数字信号放大器和连接所述数字信号放大器的通道选择器。

进一步的，所述全局像元虹膜识别图像传感器还包括分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块以及控制电路模块提供基准信号的辅助电路，所述辅助电路主要包括基准时钟电路、基准电压电路、基准脉冲电路以及上电复位电路。

进一步的，所述全局像元虹膜识别图像传感器还包括分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块以及控制电路模块提供相应的输入/输出信号的IO接口。

与现有技术相比，本发明的全局像元虹膜识别图像传感器具有以下有益效果：

1、采用全局曝光方式，可以应用在眼部移动时的高速虹膜识别中；

2、采用较小的135*m行、240*m列的有效像素阵列(如135行*240列、270行*480列、405行*720列或540行*960列)实现较低的图像分辨率，以替代现有的1920*1080高分辨率传感器，利用(m/8)*(m/8)缩小倍率，方便复用原有的1920*1080虹膜识别算法，即无需改变现有的虹膜识别算法；

3、由于采用全局曝光方式以及135m*240m(m＝1～4)有效像素阵列，因此当眼部区域出现在本发明的全局像元虹膜识别图像传感器的视场范围内时，该全局像元虹膜识别图像传感器就能够获得符合虹膜识别的最低分辨率要求的虹膜区域图像，无需脸部或眼部的位置与全局像元虹膜识别图像传感器保持相对静止，可以实现脸部或眼部移动时的高速虹膜识别。

附图说明

图1是本发明具体实施例的全局像元虹膜识别图像传感器的系统架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

本发明提供一种全局像元虹膜识别图像传感器，采用270行、480列的像素排列组成的像素阵列，并采用全局曝光方式使所述像素阵列的全部像素同时开始和结束曝光，再进行读出工作。

请参考图1，本实施例中，所述全局像元虹膜识别图像传感器包括480*270像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4、控制电路模块5、辅助电路以及多个IO接口。所述像素阵列1的每列像素对应所述读出电路模块2的一个读出电路链路；所述通道选择模块3选择所述读出电路模块2相应的读出电路链路的信号传输至所述接口电路模块4；所述控制电路模块5主要由行方向传输控制电路和数字电路组成，所述行方向传输控制电路连接所述像素阵列，按行将所述像素阵列1的信号依次输出至所述读出电路模块2，所述数字电路分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3和接口电路模块4提供时序控制信号和功能控制指令；辅助电路分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4以及控制电路模块5提供基准信号；IO接口分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4、控制电路模块5以及辅助电路提供相应的输入信号，并将像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4、控制电路模块5以及辅助电路的输出信号进行相应的输出。

下面结合图1对本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器的各个部分进行详细的说明。

(1)像素阵列(pixel array)

所述像素阵列1一共包含有135*m行、240*m列有效像素，m＝1～4，实现240m*135m分辨率，因为240m*135m分辨率正好是1920*1080分辨率的m/8*m/8缩小倍率，这样方便复用现有技术中原有的1920*1080虹膜识别算法，优选的，所述像素阵列1包含270行*480列有效像素，采用全局曝光方式，即所述像素阵列的全部像素先同时开始和结束曝光，再进行读出工作。其中，每个像素的尺寸为3.45μm～6μm，优选为4.4μm，采用8T(管)全局像元架构，即每个像素由8个晶体管驱动，每个像素可以为光电二极管，能够采集入射光线的原始信息，将采集的目标图像光信号转换成电信号，即光电模拟信号。优选地，所述像素阵列1的总尺寸为2.112mm*1.188mm，即标准的1/7.3inch(英寸)手机前置摄像头尺寸，从而可以使得本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器应用于手机。由于本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器的分辨率较低，因此当其应用手机时需要注意以下两点：

(i)、本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器的分辨率240m*135m是虹膜识别最低分辨率160*160的1.5m*0.7m倍，因此，本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器的摄像头模组中的镜头需要采用长焦距、小光圈镜头，使得当镜头距离眼部5cm～40cm的工作距离进行拍摄时，眼部区域在全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场内的占比为

例如当m＝2时，像素阵列1的有效像素为270行*480列，对应的全局像元虹膜识别图像传感器的分辨率480*270是虹膜识别最低分辨率160*160的3*1.4倍，当该全局像元虹膜识别图像传感器的长焦距、小光圈镜头距离眼部20cm～30cm的工作距离进行拍摄时，眼部区域在该全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场内的占比为

(ii)、在拍摄时，为了准确将眼部区域捕捉在全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场范围内，需要将全局像元虹膜识别图像传感器捕捉的图像实时投射到手机屏幕上，具体来说：全局像元虹膜识别图像传感器的帧率为60fps，这对于全局图像传感器来说是容易达到的帧率：

第1、3、5……奇数帧的图像信息被投射在手机屏幕上，帧率为30fps；

第2、4、6……偶数帧的图像信息被传输给虹膜识别算法使用，帧率为30fps。

(2)读出电路模块

像素阵列1的每列像素对应读出电路模块2的一个读出电路链路，每个读出电路链路由可编程增益放大器(PGA)及其连接的模数转换器(ADC)组成，其中PGA的作用是将每列像素输出的光电模拟信号进行放大，放大增益为0.5～64倍，优选1倍或4倍；ADC的作用是将放大后的光电模拟信号进行模数转换，成为10bit的数字信号。本实施例的读出电路模块2一共有240*m个PGA和240*m个ADC，m＝1～4，即PGA的数量和ADC的数量均等于有效像素的列数。当像素阵列1的光电模拟信号被读出电路模块2相应的读出电路链路的PGA模拟放大且被ADC进行模数转换后，每列像素对应的数字信号都随时待命，准备传输出来，此时一共有240*m个10bit的数字信号等待被传输。

(3)通道选择模块

本实施例的通道选择模块3包括连接所述读出电路模块2的数字信号放大器Digital Gain和连接所述数字信号放大器的通道选择器(Column Selector，CSEL)。读出电路模块2的240*m个10bit的数字信号在传输前，每个数字信号都被数字信号放大器DigitalGain进行数字放大，数字放大的倍数为1～8倍，优选2倍。此时，240*m个已经被放大的10bit数字信号等待被传输，CSEL将逐个挑选这些被放大的10bit数字信号传输至接口电路模块4，具体地，CSEL在第1个时间段t内将第1列像素对应的被放大的10bit数字信号传输给接口电路模块4，在第2个时间段t内将第2列像素对应的被放大的10bit数字信号传输给接口电路模块4，……，在第240*m个时间段t内将第240*m列像素对应的被放大的10bit数字信号传输给接口电路模块4。也就是说，CSEL需要240*m个t时间将240*m个已经被放大的10bit数字信号传输出来。

(4)接口电路模块

为满足手机应用，本实施例的接口电路模块4采用MIPI结构。MIPI(MobileIndustry Processor Interface，移动产业处理器接口)是由ARM、Nokia、ST、TI等公司成立的一个联盟，目的是把手机内部的接口如摄像头接口、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI联盟下面有不同的工作组(WorkGroup)，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。本实施例的接口电路模块4采用MIPI CSI-2协议标准，接口电路模块4内部主要分为控制单元和物理层单元组成，控制单元和物理层单元(PHY)受到CSI-2协议层的管理，其中控制单元接收全局像元虹膜识别图像传感器的控制电路模块5发送过来的数字控制信号，并且按照CSI-2协议的要求进行排序打包，交给物理层单元以通过相应的IO接口传输到全局像元虹膜识别图像传感器外部。

(5)控制电路模块

控制电路模块5主要由行方向传输控制电路(ROW Decoder,RDC)和数字电路(Digital)组成。

ROW Decoder主要控制像素阵列1的光电模拟信号按行方向传输，即在第1个时间段T内，将像素阵列1第1行的所有像素的光电模拟信号传递给右侧的读出电路模块2的PGA，此时，第1行240*m个像素的光电模拟信号分别同时传递给右侧的240*m个PGA；在第2个时间段T内，将像素阵列1第2行的像素的光电模拟信号传递给右侧的读出电路模块2的PGA，此时，第2行240*m个像素的光电模拟信号分别同时传递给右侧的240*m个PGA；以此类推，也就是说，需要135*m个T时间后，全局像元虹膜识别图像传感器的一帧图像被读取完毕。

数字电路Digital主要负责为其他各个模块提供时序控制信号和功能控制指令，具体的：

(i)、时序控制信号包括：像素时序控制、上电顺序，PGA时序控制、ADC时序控制、Digital Gain时序控制、CSEL时序控制等。

(ii)、功能控制指令包括：曝光时间、隔行读出、跳行读出、高动态范围模式等。

(6)辅助电路

辅助电路主要包括：

(i)基准时钟电路，由PLL(Phase Locked Loop，锁相回路或锁相环)模块组成，用于分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4以及控制电路模块5提供基准时钟信号。

(ii)基准电压电路，由Band Gap(BG，带隙基准电压源)组成，用于分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4以及控制电路模块5提供基准电压信号。

(iii)基准脉冲电路，由RAMP(斜坡信号发生器)、Analog Driver(模拟驱动器)组成，用于分别为像素阵列1、读出电路模块2、通道选择模块3、接口电路模块4以及控制电路模块5提供基准脉冲信号。其中RAMP用于产生所需要的基准脉冲波形，Analog Driver用于提升该基准脉冲波形的驱动能力，使其至少可以驱动240*m个ADC。

(iv)上电复位电路(Power On Reset，POR)，用于当全局像元虹膜识别图像传感器在1.2V上电后或者其1.2V电源存在跳变时，对数字电路Digital进行复位。

(7)IO接口

本实施例的IO接口包括VDDH(高压供电接口)、VSSH(公共接地端电压接口)、PixelVDD(像素阵列的工作电压接口)、Pixel VSS(像素阵列的公共连接接口)、Power IO(全局像元虹膜识别图像传感器的电源接口)、PGA_AVDD(PGA的工作电压接口)、PGA_AVSS(PGA的公共连接接口)、ADC_AVDD(ADC的工作电压接口)、ADC_AVSS(ADC的公共连接接口)、RDC_AVDD(RDC的工作电压接口)、RDC_AVSS(RDC的公共连接接口)、VDDC(Digital的工作电压接口)、VSSC(Digital的公共连接接口)、SPI IO(串行总线接口)、芯片控制总接口(Chip_ControlIO)以及其他测试接口(other test IO)等各种IO接口。

采用上述设计方案的全局像元虹膜识别图像传感器，并配合长焦距、小光圈镜头，可以准确将移动的眼部捕捉在图像视场范围内，可以实现高速虹膜识别，以m＝2，即像素阵列1包含270行*480列的有效像素为例，全局像元虹膜识别图像传感器具体过程如下：

首先，当需要拍摄进入全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场的眼部区域图像时，基于控制电路模块5的像素时序控制信号以及辅助电路的相应基准信号，像素阵列1的480列*270行有效像素全部同时开始和结束曝光；

其次，基于控制电路模块5的PGA时序控制、ADC时序控制信号以及辅助电路的相应基准信号，控制电路模块5的行方向传输控制电路按行依次将像素阵列1的光电模拟信号输出至读出电路模块2，读出电路模块2的相应的PGA对其接收的光电模拟信号进行放大，连接该PGA的ADC将放大的光电模拟信号转换为10bit数字信号，此时每行有效像素对应有480个10bit数字信号等待传输；

接着，基于控制电路模块5的Digital Gain时序控制、CSEL时序控制以及辅助电路的相应基准信号，Digital Gain将从ADC接收的10bit数字信号进行放大，CSEL将逐个挑选这些被放大的10bit数字信号传输至接口电路模块4；

然后，接口电路模块4将接收的信号按照图像帧数相应的传输至显示屏幕或者虹膜识别算法，具体地，将第1、3、5……奇数帧的图像信号传输至显示屏幕上，帧率为30fps；将第2、4、6……偶数帧的图像信号传输给虹膜识别算法使用，帧率为30fps。

本实施例的全局像元虹膜识别图像传感器可以装载到笔记本电脑、平板电脑、个人数字助理(PDA)、手机等中的任意一种该终端设备中，搭载该全局像元虹膜识别图像传感器的摄像头模组可以设置在这些终端设备的显示屏幕前上方，以便采集使用者的眼部区域图像，进而传递给虹膜识别算法模块，进行虹膜识别。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述全局像元虹膜识别图像传感器的像素阵列包括135*m行、240*m列的有效像素，其中m＝1～4，且所述全局像元虹膜识别图像传感器采用全局曝光方式使所述像素阵列的全部像素同时开始和结束曝光，再进行读出工作。

2.如权利要求1所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述像素阵列的每个像素的尺寸为3.45μm～6μm，为8管全局像元结构；所述像素阵列的总尺寸为2.112mm*1.188mm。

3.如权利要求1所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述全局像元虹膜识别图像传感器的帧率为60fps，且所述全局像元虹膜识别图像传感器的奇数帧的图像信息被投射在手机屏幕上，帧率为30fps，偶数帧的图像信息被传输给虹膜识别算法模块使用，帧率为30fps。

4.如权利要求1所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，当m＝2，即所述有效像素为270行*480列时，且当所述全局像元虹膜识别图像传感器的镜头距离眼部5cm～40cm拍摄时，所述眼部的区域在所述全局像元虹膜识别图像传感器的图像视场内的占比为

5.如权利要求1所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述全局像元虹膜识别图像传感器除像素阵列以外，还包括读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块和控制电路模块；所述像素阵列的每列像素对应所述读出电路模块的一个读出电路链路，每个所述读出电路链路由可编程增益放大器和模数转换器组成；所述通道选择模块选择所述读出电路模块相应的读出电路链路的信号传输至所述接口电路模块；所述控制电路模块主要由行方向传输控制电路和数字电路组成，所述行方向传输控制电路连接所述像素阵列，按行将所述像素阵列的信号依次输出至所述读出电路模块，所述数字电路分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块和接口电路模块提供时序控制信号和功能控制指令。

6.如权利要求5所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述读出电路模块共有240*m个可编程增益放大器和240*m个模数转换器，其中m＝1～4，每个所述可编程增益放大器的放大倍数为0.5～64倍，所述模数转换器输出的信号是10bit的数字信号。

7.如权利要求5所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述接口电路采用MIPI结构、CSI-2协议标准。

8.如权利要求5所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述通道选择模块包括连接所述读出电路模块的数字信号放大器和连接所述数字信号放大器的通道选择器。

9.如权利要求5所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述全局像元虹膜识别图像传感器还包括分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块以及控制电路模块提供基准信号的辅助电路，所述辅助电路主要包括基准时钟电路、基准电压电路、基准脉冲电路以及上电复位电路。

10.如权利要求5所述的全局像元虹膜识别图像传感器，其特征在于，所述全局像元虹膜识别图像传感器还包括分别为像素阵列、读出电路模块、通道选择模块、接口电路模块以及控制电路模块提供相应的输入/输出信号的IO接口。