CN112987269A - 一种基于微透镜阵列的穿戴式眼纹(巩膜血管)成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微透镜阵列的穿戴式眼纹(巩膜血管)成像装置。装置由主透镜、孔径光阑、微透镜阵列、成像探测器和外部封装组成。主透镜位于系统的前端，孔径光阑紧贴主透镜放置，微透镜阵列位于主透镜后方，成像探测器位于微透镜阵列的后焦面上。通过主透镜和微透镜阵列，眼纹在成像探测器上形成多孔径图像阵列。图像阵列的每一个子图像包含眼睛巩膜一个小区域的眼纹信息。与传统的光学成像方式相比，本发明能够在近距离实现眼纹的清晰成像，可广泛应用于身份识别和视线跟踪等技术领域。

Description

一种基于微透镜阵列的穿戴式眼纹(巩膜血管)成像装置

技术领域

本发明涉及光学成像系统设计领域，尤其是眼纹(巩膜血管)的近距成像。

背景技术

眼睛是人类获取外界信息的重要器官，在人际交流和人机交互中也发挥着极为重要的作用。因此，基于眼部特征的身份识别和视线跟踪等技术也就成为了当前信息技术和人工智能领域研究的热点。相关的眼部特征采集与检测装置也备受关注，特别是对相应的可穿戴式装备的需求日益快速增长。

当前已有的眼部特征采集与检测装置，主要是对眼睛的瞳孔、虹膜、眼底等特征进行采集和检测。瞳孔、虹膜的位置和形态往往会受外部环境和人体状态的影响，难以实现位置的高精度检测；而对眼底的检测通常需要专门的设备，很难实现便携式实时检测。

眼纹是人眼巩膜上纵横交错的血管组织，是特别稳定的生物特征，在生物识别和视线跟踪等方面具有非常好的应用前景。相比于传统的基于瞳孔和虹膜等生物特征的方法来说，眼纹具有更高的可靠性，不会随着外界环境和个人情绪而改变，在自然光和红外光条件下都可以方便地采集，非常有利于人的身份识别和视线跟踪的应用。

目前已有的眼纹采集方法，通常是将相机放置在眼睛前方或侧前方的一定距离上，对眼部进行成像。眼睛、光学元件和探测器之间需要满足特定的物像关系，才能获得清晰的眼纹图像。要实现穿戴式眼纹成像装置的设计，需要满足以下几个特点：

1)由于穿戴式眼纹成像装置与眼部的距离非常小，通常只有20mm～30mm左右，要求成像装置要有非常小的成像物距；

2)由于眼睛本身是一个球体，眼睛不同区域到光学系统入瞳的距离有较大的差异，要实现大范围的眼纹成像，要求成像装置有较大的景深；

3)为了满足对眼纹的检测与定位需要，要求成像装置具有较高的空间分辨能力，能够获得眼纹的清晰图像。

采用传统的光学成像方法，很难在近距离条件下获得眼纹的清晰图像，难以实现眼纹成像装置的穿戴式设计。因此，需要设计一种新的眼纹成像成像装置，以解决近距离、大景深的眼纹成像问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可穿戴的眼纹(巩膜血管)成像装置。该装置能够实现眼纹的近距离清晰成像，可以广泛应用于基于眼纹的身份识别和视线跟踪等任务。

为实现上述发明目的，本发明由主透镜、孔径光阑、微透镜阵列、成像探测器和外部封装组成，主透镜位于系统的前端，孔径光阑紧贴主透镜放置，微透镜阵列位于主透镜后方，成像探测器位于微透镜阵列的后焦面上，如图1所示。眼纹成像装置整体安装于眼镜边框(或类似装置)上，便于穿戴，如图2所示。眼纹、主透镜、微透镜阵列和成像探测器之间满足物像关系，通过主透镜和微透镜阵列，眼纹在探测器上形成多孔径图像阵列。主透镜的前焦距约等于巩膜到主透镜的距离，由眼纹发出的光线经主透镜汇聚后形成平行光束，并在位于微透镜阵列后焦面上的成像探测器上，形成清晰的多孔径眼纹图像阵列。图像阵列的每一个子图像由主透镜和微透镜阵列的一个子透镜成像产生，对应于整个眼睛巩膜的一个小区域。每一个子图像都具有眼纹分辨能力，含有部分清晰的眼纹，相邻子孔径图像对应的巩膜区域之间保持一定范围的重复。通过选择孔径光阑的尺寸可以使得多孔径图像阵列的子图像之间不存在重叠现象，如图9所示。

附图说明

图1基于微透镜阵列的眼纹成像装置结构示意图

图2眼部结构与眼纹成像装置安装示意图

图3成像系统的结构与参数

图4成像系统光路图

图5多孔径成像示意图

图6成像系统的视场

图7成像系统的空间分辨力

图8成像系统的景深

图9眼纹成像结果图

具体实施方式

以下结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

在本发明的一个实施例中，成像装置由主透镜、孔径光阑、微透镜阵列、成像探测器和外部封装组成，如图1所示。成像系统的结构与参数如图3所示，主透镜位于系统的最前端；孔径光阑紧贴主透镜后方放置；微透镜阵列位于光阑后方；成像探测器位于微透镜阵列的后焦面上。系统光路图如图4所示。

正常成人的眼睛长约30mm、高约15mm，眼睛外侧的眼纹区域长约为10mm、高约10mm，虹膜直径约10mm，眼纹宽度约0.3mm～0.5mm，眼纹成像装置安放在眼角外侧，如图2所示。为保证成像装置能够对眼纹清晰成像，并保证成像范围能够包含绝大部分眼纹，设置主透镜的焦距为f1＝25mm，主透镜与眼睛的距离z1＝f1＝25mm，由眼纹发出的光线经主透镜汇聚形成平行光束；孔径光阑紧贴主透镜放置，孔径光阑的大小为D＝2mm；微透镜阵列的子孔径大小为d＝250μm，焦距为f2＝1.163mm，为保证子孔径的成像互不影响，主透镜到微透镜阵列的距离为z2＝10mm；成像探测器的分辨率为xn×yn＝2580×1940像素，像元大小为a×a＝2.2μm×2.2μm，有效探测面积S＝W×H＝5.676mm×4.268mm，探测面到微透镜阵列的距离z3＝f2＝1.163mm。

利用该装置能够完整成像的子孔径个数为M×N＝22×17＝374个，每个子图像的高度h＝D×z3/z2≈233μm，略小于微透镜阵列子孔径的大小，保证了相邻子图像之间不会产生重叠现象，如图5所示。对眼纹成像的结果如图9所示，图像阵列的每一个子图像对应于眼睛巩膜的一个小区域，含有部分清晰的眼纹，相邻子孔径图像对应的巩膜区域保持一定范围的重复，相邻子孔径图像之间互不重叠。

该装置的视场大小由巩膜到主透镜的距离z1、主透镜焦距f1、孔径光阑大小D、子孔径焦距z2、子孔径大小d、微透镜阵列到主透镜的距离z3确定，如图6所示。每个子孔径图像对应的视场为fov＝α×β≈6.9°×6.9°，对应到物空间的成像范围约为5.0mm×5.0mm；系统的总有效视场为所有能够完整成像的子孔径对应的视场之和FOV＝A×B≈37.0°×30.4°，对应到物空间的成像范围约为18.8mm×15.6mm。考虑到眼睛外侧的眼纹区域大小约为10mm×10mm，利用该装置完全能够满足对眼纹的成像需求。

该装置的空间分辨力由巩膜到主透镜的距离z1、主透镜焦距f1、子孔径焦距f2、微透镜阵列到主透镜的距离z3、成像探测器的像元大小a确定，如图7所示。成像探测器探测单元的边长为a＝2.2μm，对应的物元边长为L0≈0.0473mm，即单位像素能够对物空间0.0473mm宽度内容成像。实际眼纹的宽度约0.3mm～0.5mm，对于应成像探测器上约6～11个像素，因此该装置能够实现眼纹的精确成像。

对于光学成像系统，远点在成像探测器前方成理想像，近点在成像探测器后方成理想像。二者均在成像探测器上成一个弥散像斑，当弥散像斑直径不大于单位像元尺寸的时候，仍可以成清晰像，由此可以计算得到成像系统的景深Δ＝Δ1+Δ2，如图8所示。对于远点，可以计算得到z4＝r×z3/(a+r)≈1.153mm；对于近点，可以计算得到z5＝r×z3/(r-a)≈1.173mm。根据成像关系，可以计算得到系统的景深Δ≈9.458mm。针对实际眼纹成像范围，9.458mm的景深完全能够满足眼纹清晰成像的要求。

最后应说明的是：上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和精神的情况下，其依然可以对上述实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于微透镜阵列的穿戴式眼纹(巩膜血管)成像装置，其特征在于：装置由主透镜、孔径光阑、微透镜阵列、成像探测器和外部封装组成，主透镜位于系统的前端，孔径光阑紧贴主透镜放置，微透镜阵列位于主透镜后方，成像探测器的探测面位于微透镜阵列的后焦面上。通过主透镜和微透镜阵列，眼纹在成像探测器上形成多孔径图像阵列。通过对孔径光阑尺寸的选择，多孔径图像阵列的子图像之间不存在重叠现象。

2.如权利要求1所述的基于微透镜阵列的穿戴式眼纹成像装置，其特征在于：装置整体安装于眼镜边框(或类似装置)上，眼纹、主透镜、微透镜阵列和成像探测器之间满足物像关系，能够实现眼纹的近距离清晰成像。

3.如权利要求1所述的主透镜，其特征在于：主透镜的前焦距约等于主透镜与眼球表面的距离，眼纹发出的光线经过主透镜汇聚后形成平行光束。

4.如权利要求1所述的多孔径图像阵列，其特征在于：图像阵列的每一个子图像都由权利要求1所述的微透镜阵列的一个子透镜成像产生，对应于整个眼睛巩膜的一个小区域；每一个子图像都具有眼纹分辨能力，含有部分清晰的眼纹；相邻子孔径图像之间保持一定范围的重复。

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