CN113625539A - 基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，包括手表主体和表带；手表主体的下表面和/或表带的内侧设有用于静脉成像的超透镜光学组件和红外光源。本发明采用基于超透镜的光学成像组件可以很大程度减小光学成像组件的尺寸，尤其是厚度，从而能够将光学成像组件集成到表带中以及手表主体上，以获得手腕正面、背面以及手掌背面的静脉生物特征图像，从而可以识别和确定佩戴者的身份；且无需佩戴者任何操纵，穿戴设备可以实时地对手部静脉生物特征进行成像、提取、匹配、识别等，从而提高穿戴设备的智能性、安全性、便捷性，这些特点使得其在无感门禁通行、无感支付、设备防丢窃、健康监控等领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于生物特征识别中智能穿戴设备技术领域，具体涉及一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备。
背景技术
现代社会电子设备越来越智能化，对于可穿戴电子设备而言，具备身份识别功能往往成为其智能化的重要特征之一。现有的可穿戴电子设备身份认证是通过密码验证或者语音识别来实现的，存在的问题包括：需要必要的行为动作，比如输入密码或者输入语音，使用起来不够便捷；安全性以及可靠性都比较低；无法做到实时身份验证等。
以静脉作为生物特征的身份识别技术具有众多优异的特点包括：需要流动的血液因而为天然活体；静脉为内部特征因而安全性高防伪性强；静脉特征具有独特性和永久性等[CN207742680U]。可穿戴电子设备与静脉识别技术相结合，可以实现实时、安全、便捷的身份认证，在无感门禁通行、无感支付、设备防丢窃、健康监控等领域具有广泛的应用。
然而，现有的静脉成像装置体积比较大，尤其是成像镜头的尺寸较厚，难以适配到小巧轻便的穿戴设备中[CN205411150U,CN304753854S,CN304751881S]。而近年来兴起的超透镜具有大视场角、小像差以及超薄厚度的优点[CN109196387A]，非常适合集成到穿戴设备中，来解决目前穿戴设备静脉成像存在的难题。
此外，目前智能手表的光学传感器位于手表底部[US-10817594-B2]，只能对手腕背面进行探测和成像，然而，手腕背面的静脉分布非常少，因而特征也少，相似度大，很难将其用于身份识别。而手掌背面以及手腕正面的静脉分布多，特征丰富，非常适合用于身份识别，但是现有穿戴设备的技术还无法对这些部位的静脉进行成像，或者需要非常复杂的结构才能获取这些部位的静脉[CN210244212U]。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，即将超透镜成像系统集成到可穿戴电子设备中，从而在佩戴的状态下，实时对手部(包括手腕背面和腹面、手掌背面等)静脉进行成像、提取特征、特征匹配、身份认证等。
一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，包括手表主体和表带；
所述手表主体的下表面和/或所述表带的内侧设有用于静脉成像的超透镜光学组件和红外光源。
上述技术方案中，手表主体的下表面(紧靠手腕的一侧)设置的超透镜光学组件能为手腕背面(与手掌背面同侧)的生物特征进行成像；表带内侧(紧靠手腕的一侧)设置的超透镜光学组件用于为手腕正面(与手掌正面同侧)的生物特性进行成像；与超透镜光学组件配套的红外光源用于为超透镜光学组件提供红外光。超透镜光学组件和红外光源共同组成了生物特征采集组件。
并通过设置在手表主体内的主控芯片能获取各个部位的静脉生物特性图像，并进行特征提取和匹配，从而判断或确定佩戴人的身份。
所述的生物特征，包括但不限于手腕背面静脉特征，手腕正面静脉特征，手掌背面静脉特征，相应各部位的皮肤纹路特征以及皮下组织的分布特征等。其中，静脉血管分布最多也就是特征最多部位主要是手腕正面和手掌背面。
本发明的智能穿戴电子设备，利用超透镜厚度薄的特性，采用超透镜光学组件作为静脉成像设备，有效缩小了成像设备的厚度尺寸，使其能嵌入表带和手表主体的同时，不影响智能穿戴电子设备的外观和穿戴体验；实现了对手部多处部位生物特性的成像，获取丰富的静脉特征信息，从而极大地提高身份识别的准确率，降低误识率，增加识别的安全性和可靠性。
作为优选，每个所述超透镜光学组件至少配备两个红外光源，两个红外光源对称设于所述超透镜光学组件的两侧。
作为优选，为了更加全面的捕捉手腕背面的生物特征，提高识别的准确率，设于所述手表主体下表面的超透镜光学组件的尺寸可以选择大于设于表带内测的超透镜光学组件的尺寸。
上述设于手表主体下表面的超透镜光学组件可以是任何形状的结构，如圆形、方形等。
作为优选，所述表带内测设有多个超透镜光学组件，多个超透镜光学组件沿所述表带长度方向间隔设置。采用该技术方案，以对手腕正面不同位置进行静脉成像，获取更加全面、准确的成像结果。
作为优选，所述手表主体未连接表带的一侧或两侧设有超透镜光学组件和红外光源生物特征采集组件。
上述技术方案中，设置的两个超透镜光学组件分别用于对手掌背面和手腕背面远离手掌的一侧进行静脉成像。
作为优选，所述超透镜光学组件包括超透镜、红外滤光片和成像元件，所述超透镜和红外滤光片设于所述成像元件的同一侧。
上述技术方案中，可以按照超透镜、红外滤光片和成像元件的顺序将三者依次设置；也可以按照红外滤光片、照超透镜和成像元件的顺序将三者依次设置。
作为优选，所述超透镜包括衬底和设于所述衬底上的纳米结构，所述纳米结构靠近所述成像元件一侧设置。
上述技术方案中，衬底的材料，可以是高透的衬底材料或者高反的衬底材料，例如玻璃、ITO、金属膜等。纳米结构的材料通常为高折射率的介质材料，如硅，二氧化钛等；纳米结构的材料也可以为二氧化硅等折射率不是很高的材料，此时对纳米结构的尺寸要求更高，比如需要更高的深宽比。纳米结构由规整排布的多个相同形状的纳米单元组成，纳米单元的形状可以为柱形、方形、鳍形、空心柱形、空心方形、以及不同形状的复合体等。纳米结构可以为单层或者多层。
通过改变纳米结构的尺寸(比如纳米柱的直径，纳米块的长宽等)或者姿态(比如纳米鳍的旋转角)，可以改变纳米结构对光的散射特性，比如使经过的光获得不同的相位以及强度，建立一个不同尺度或者姿势下纳米结构对光散射特性的数据库。根据透镜工作的原理，光经过平面的不同位置时，能够获得不同的相位，纳米结构产生的相位φ在平面不同位置(x,y)需满足如下条件：
其中λ为超透镜设计的工作波长，与光源波长保持一致，f为超透镜设计的焦距。根据该公式可以计算出不同平面位置经过的光所需要的相位，然后在数据库中查找满足条件的纳米结构以及相应的尺寸和姿势，从而获得符合条件的超透镜。
作为优选，所述成像元件为成像CCD或CMOS。
作为优选，所述红外光源的中心波长为800～900nm。进一步优选为850nm附近，血液中的血红蛋白在该波长附近具有较高的吸收，能够使成像结构更加清晰。
作为优选，所述红外光源为连续或脉冲的红外LED灯或激光二极管。
作为优选，所述手表主体的上表面设有用于交互和显示图像的微型显示器。采用该技术方案使得智能穿戴电子设备具有更好的操作性，并便于观察，使用方便。
作为具有优选，一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，包括手表主体和表带；
其中，手表主体部分分为上表面，下表面以及不与表带连接的侧面；手表主体的上表面设置微型显示器，用于交互以及包括显示简单的生物特征图像等；手表主体的两个侧面以及下表面都设有红外光源以及超透镜光学组件，每个超透镜光学组件至少配备两个红外光源，该两个红外光源对称设于对应的超透镜光学组件的两侧；红外光源用于对手腕背面以及手掌背面照明，超透镜光学组件用于对手腕背面以及手掌背面的静脉生物特征进行成像；
表带内侧设有多个红外光源以及多个超透镜光学组件，并以间隔方式排布，红外光源用于对手腕正面均匀照明，超透镜光学组件用于对手腕正面多个部位的静脉生物特征成像；
手表主体的内部设有主控芯片，用于将获得的手部各个位置的静脉生物特征图像进行特征提取以及匹配，从而判断或者确定佩戴人的身份。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用基于超透镜的光学成像组件可以很大程度减小光学成像组件的尺寸，尤其是厚度，从而能够将光学成像组件集成到表带中以及手表主体上，以获得手腕正面、背面以及手掌背面的静脉生物特征图像，通过提取这些部位丰富的生物特征从而可以识别和确定佩戴者的身份；且无需佩戴者任何操纵，穿戴设备可以实时地对手部静脉生物特征进行成像、提取、匹配、识别等，从而提高穿戴设备的智能性、安全性、便捷性，这些特点使得其在无感门禁通行、无感支付、设备防丢窃、健康监控等领域具有重要意义。
附图说明
图1a为本发明实施例的结构示意图；
图1b为图1a的另一角度结构示意图；
图2为本发明实施例对手部的静脉成像区域图；
图3中：A为手腕背面的静脉近红外成像照片；B为手腕正面的静脉近红外成像照片；C为手掌背面的静脉近红外成像照片；D为主控芯片对手腕背面的静脉图像的特征提取图；E为主控芯片对手腕正面的静脉图像的特征提取图；F为主控芯片对手掌背面的静脉图像的特征提取图；
图4为本发明实施例中超透镜光学组件的爆炸结构示意图；
图5中：A～F分别为不同形状的纳米单元结构示意图。
图中：
1.手表主体、2.表带、3.超透镜光学组件、4.红外光源、5.微型显示器、6.超透镜光学组件、7.手腕、8.手腕背面静脉成像区域、9.手腕正面静脉成像区域、10.手掌背面静脉成像区域、11.手腕背面后方静脉成像区域、12.成像物面、13.衬底、14.纳米结构、15.超透镜、16.成像元件。
具体实施方式
下面以以下实施例结合附图来详细、清晰、完整地说明本发明，但本发明并不仅限于此。
在本实施例的说明中，“上表面”、“下表面”、“内侧”、“侧面”、“背面”、“正面”等指示方位或者位置关系的术语，仅是为了方便描述本发明，不是表明所指器件必须按照特定方位布置和执行，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，为本实施例智能穿戴电子设备的结构示意图，手表主体1上表面设置微型显示器5，手表主体1的两侧各有一套由红外光源4和超透镜光学组件3组成的生物特征采集组件，手表主体1侧面的红外光源4发出的红外光照射到手腕背面后方11或者手掌背面10，部分光被静脉吸收，部分光被散射和反射，然后被超透镜光学组件3收集并成像，从而获得手腕背面后方11的静脉图像或手掌背面10的静脉图像(如图3中C所示)。
手表主体1的下表面包含红外光源4和超透镜光学组件6，与手表主体侧面的超透镜光学组件3具有小尺寸光圈不同，主体下表面的超透镜光学组件6具有更大尺寸的光圈，超透镜光学组件6获得的手腕背面8的静脉图像如图3中A所示。表带2的内侧安装多个红外光源4和超透镜光学组件3，红外光源4与超透镜光学组件3交替间隔排列，每个超透镜光学组件3的两侧分别配置由一个红外光源4，使红外光能够更均匀地照亮手腕正面，而采用多个超透镜光学组件3可以获得手腕正面更大区域的静脉分布图像(如图3中B所示)。手表主体内的主控芯片对获取的静脉图像进行特征提取(如图3中D-F)和匹配，从而识别和确定佩戴者的身份。
如图4所示，为本实施例中超透镜光学组件6的爆炸结构示意图，超透镜光学组件6由成像元件16、超透镜15和红外滤光片(图中未示出)组成；超透镜光学组件3与超透镜光学组件6结构相同。超透镜15由衬底13和纳米结构14组成，其中衬底13起到支撑纳米结构14的作用。若作为透射式透镜，衬底13需具有很高的光透射率；若反射式透镜，则衬底13需具有很高的光反射率。组成超透镜15的纳米结构13的纳米单元的形状可以有多种设计方案，包括柱形(如图5中A所示)，方形(如图5中B所示)，鳍形(如图5中C所示)，空心柱形(如图5中D所示)，空心方形(如图5中E所示)，以及多种结构的复合体(如图5中F所示)等。通过改变纳米结构的尺寸(比如纳米柱的直径，纳米块的长宽等)或者姿态(比如纳米鳍的旋转角)，可以改变纳米结构对光的散射特性，比如使经过的光获得不同的相位以及强度，建立一个不同尺度或者姿势下纳米结构对光散射特性的数据库。根据透镜工作的原理，光经过平面的不同位置时，能够获得不同的相位，纳米结构产生的相位φ在平面不同位置(x,y)需满足如下条件：
其中，λ为超透镜设计的工作波长，与光源波长保持一致；f为超透镜设计的焦距。根据该公式可以计算出不同平面位置经过的光所需要的相位，然后在数据库中查找满足条件的纳米结构以及相应的尺寸和姿势，从而获得符合条件的超透镜15。超透镜15的成像物面12为被检测面，如手腕背面8或者手腕正面9或者手掌背面10或者手腕背面后方11，而成像元件16则为CCD或者CMOS。
以上所述仅为本发明的较佳方案举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，包括手表主体和表带；
其特征在于，所述手表主体的下表面和/或所述表带的内侧设有用于静脉成像的超透镜光学组件和红外光源。
2.根据权利要求1所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述表带内测设有多个超透镜光学组件，多个超透镜光学组件沿所述表带长度方向间隔设置。
3.根据权利要求1所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述手表主体未连接表带的一侧或两侧设有超透镜光学组件和红外光源。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述超透镜光学组件包括超透镜、红外滤光片和成像元件，所述超透镜和红外滤光片设于所述成像元件的同一侧。
5.根据权利要求4所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述超透镜包括衬底和设于所述衬底上的纳米结构，所述纳米结构靠近所述成像元件一侧设置。
6.根据权利要求4所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述成像元件为成像CCD或CMOS。
7.根据权利要求1或3所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述红外光源的中心波长为800～900nm。
8.根据权利要求1或3所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述红外光源为连续或脉冲的红外LED灯或激光二极管。
9.根据权利要求1所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述手表主体的上表面设有用于交互和显示图像的微型显示器。
10.根据权利要求1～9任一项所述的基于超透镜静脉成像生物身份识别智能穿戴电子设备，其特征在于，所述手表主体的内部设有主控芯片，用于将获得的手部各个位置的生物特征图像进行特征提取以及匹配，从而判断或者确定佩戴人的身份。
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