光學(xué)產(chǎn)品在掌靜脈識(shí)別項(xiàng)目中的應(yīng)用

張晴雯

摘 要：在掌靜脈識(shí)別中，光學(xué)產(chǎn)品對(duì)掌靜脈的圖像質(zhì)量起著決定性作用。掌靜脈圖像的采集是基于近紅外光照射采集，在采集設(shè)備中，光源負(fù)責(zé)發(fā)出近紅外光;勻光透鏡負(fù)責(zé)使手掌獲得均勻的光照;透紅外濾光片負(fù)責(zé)濾去反射回?cái)z像鏡頭的可見光;塑膠鏡頭負(fù)責(zé)對(duì)手掌及其靜脈成像;紅外偏振片負(fù)責(zé)掌紋特征對(duì)圖像質(zhì)量的影響?；诖耍疚闹饕芯抗庠吹倪x擇，勻光透鏡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，塑膠鏡頭的選型及設(shè)計(jì)，以期為同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：光源;勻光透鏡;塑膠鏡頭;透紅外濾光片;紅外偏振片

中圖分類號(hào)：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0007-03

Abstract： In palmar vein recognition， optical products play a decisive role in the image quality of palmar vein. The acquisition of palmar vein image is based on near-infrared light. In the acquisition device， the light source is responsible for emitting near-infrared light; The uniform lens is responsible for making the palm get uniform light; The transparent infrared filter is responsible for filtering the visible light reflected back to the camera lens; The plastic lens is responsible for imaging the palm and its veins; The infrared polarizer is responsible for the influence of palmprint features on image quality. Based on this， this paper mainly studied the selection of light source， the design and implementation of uniform lens， and the selection and design of plastic lens， in order to provide reference for peers.

Keywords： light source;uniform lens;plastic lens;infrared transmission filter;infrared polarizer

生物識(shí)別具有廣泛性、穩(wěn)定性和唯一性，目前已成為身份識(shí)別的重要手段。而掌靜脈隱藏在表皮下，在可見光下無法拍攝，但可以在近紅外光（Near Infra-Red，NIR）下拍攝，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以被復(fù)制。另外，掌靜脈拍攝時(shí)需要將手掌伸平，而人手在自然狀態(tài)下處于半握拳狀態(tài)，因此無法竊取拍攝掌靜脈圖像。這使得掌靜脈成為一種安全性較好的生物特征。斷落的手掌或尸體因血液停止流動(dòng)將不能通過認(rèn)證，所以掌靜脈又可以作為“活體識(shí)別”的依據(jù)。掌靜脈的以上特點(diǎn)使掌靜脈識(shí)別具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而光學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用在掌靜脈識(shí)別中占有舉足輕重的地位。

1 光源的選擇

目前，大多數(shù)掌靜脈識(shí)別設(shè)備偏大，存在不夠美觀、重量較重和不利于攜帶等缺陷。為了使系統(tǒng)更加小型化，要從光源開始進(jìn)行縮減。

在近紅外光源的選擇上，由于發(fā)光二極管集成面光源的價(jià)格較為昂貴，而近紅外LED（Light-Emitting Diode）價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，因此，在本項(xiàng)目中，筆者選擇以近紅外LED陣列排布形式作為光源。

將近紅外LED陣列排布形式作為光源，波長(zhǎng)選擇是一個(gè)重要問題。在波長(zhǎng)選擇上，筆者通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，各文獻(xiàn)選擇的波長(zhǎng)不一，大致分為5種：760 nm、850 nm、890 nm、940 nm和960 nm。也有文獻(xiàn)或者實(shí)驗(yàn)選擇上述5種波長(zhǎng)中的兩種組合起來作為光源[1]。對(duì)于波長(zhǎng)的選擇，筆者先做了大量的試驗(yàn)，利用不同波長(zhǎng)的LED，在相同環(huán)境下對(duì)同一手掌進(jìn)行拍攝，選取多人進(jìn)行試驗(yàn)，以通過對(duì)比試驗(yàn)圖像選出最合適的波長(zhǎng)，但最終發(fā)現(xiàn)，只有760 nm的LED陣列拍攝的圖像較其他幾種波長(zhǎng)稍差，850 nm、890 nm、940 nm和960 nm的LED陣列拍攝出的圖像肉眼所見差別不大。在這種情況下，筆者不得不借助算法來確定哪種波長(zhǎng)較優(yōu)。算法團(tuán)隊(duì)對(duì)筆者之前的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從識(shí)別特征提取角度和特征匹配角度對(duì)掌靜脈圖像進(jìn)行識(shí)別性能比較。結(jié)果表明，從識(shí)別特征提取角度來看，850 nm優(yōu)于其他3種波長(zhǎng);從特征匹配的角度來看，940 nm優(yōu)于其他3種波長(zhǎng)。在算法研究中，特征提取和特征匹配同樣重要，因此，筆者選定850 nm波長(zhǎng)和940 nm波長(zhǎng)組合LED陣列作為光源。在LED排列方式的選擇上，采用最常見的二維雙線形陣列、矩形陣列和環(huán)形陣列進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)三種陣列上方的輻照度值進(jìn)行測(cè)量，在三種LED陣列分布的光源正上方5 cm處均勻地取25個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量光照強(qiáng)度。三種陣列的邊緣和中心[中心的坐標(biāo)為（0，0）]的輻照度比值見表1至表3。從表1可知，雙線形陣列的邊緣輻照度大于中心輻照度，而掌靜脈主要分布在手掌中心位置，需要中心輻照度大于邊緣輻照度，因此雙線形陣列的LED排列方式不合理。從表2可知，（-2，-2）、（-2，2）、（2，-2）、（2，2）等位置的輻照度與中心輻照度的比值為0.597、0.568、0.586、0.593。從表3可知，（-2，-2）、（-2，2）、（2，-2）、（2，2）等位置的輻照度與中心輻照度的比值為0.792、0.821、0.808、0.803，比值越大代表邊緣位置與中心位置的輻照度差異越小，光照更均勻?？梢?，環(huán)形陣列的邊緣與中心輻照度相差較小，因此環(huán)形陣列的LED排列方式光照更均勻。

在LED燈珠的選擇上，選用包含850 nm和940 nm兩種波長(zhǎng)的雙芯近紅外LED燈珠比單獨(dú)使用850 nm和940 nm的單芯近紅外LED燈珠使用數(shù)量更少，陣列面積更小，而縮小LED陣列面積意味著要使用光束角更大的近紅外LED燈珠[2-3]。

2 勻光透鏡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于近紅外LED是點(diǎn)光源，不可能給出完全均勻的面光源，因此，在掌靜脈識(shí)別設(shè)備中需要加入勻光裝置，使點(diǎn)光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠?。目前，多?shù)掌靜脈識(shí)別設(shè)備主要通過添加導(dǎo)光環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)勻光作用，這類導(dǎo)光環(huán)的高度往往在8～12 mm，而本項(xiàng)目掌靜脈門禁產(chǎn)品的厚度要求不超過30 mm，上述導(dǎo)光環(huán)的高度不利于系統(tǒng)小型化。為了縮小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，勻光裝置的大小也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，筆者參與設(shè)計(jì)了一款勻光透鏡。該款勻光透鏡采用多個(gè)棱鏡細(xì)密分布的形式取代傳統(tǒng)導(dǎo)光環(huán)的霧面作為出光面，同時(shí)出光面設(shè)置成約45°的斜面。光學(xué)模擬采用了8顆環(huán)形陣列排布的燈珠，共千萬條光線，模擬結(jié)果如圖1所示。采用此設(shè)計(jì)，在保證勻光性能的前提下，勻光透鏡的高度最終做到了2.8 mm。

通過改進(jìn)鏡頭和勻光裝置，整個(gè)掌靜脈識(shí)別系統(tǒng)的厚度縮減到13 mm，實(shí)現(xiàn)小型化[4]。

分別對(duì)未加勻光透鏡的光源與加上勻光透鏡的光源進(jìn)行配光模擬，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖上可以看出，勻光透鏡有明顯的均勻光強(qiáng)的作用。

3 塑膠鏡頭的選型及設(shè)計(jì)

在圖像傳感芯片的選擇上，出于成本考量，筆者選擇了價(jià)格便宜的COMS芯片，為了兼顧數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)，選擇了30萬像素的OV芯片。

在近紅外成像鏡頭的選擇上，目前多數(shù)靜脈識(shí)別設(shè)備采用全玻璃鏡頭，光學(xué)總長(zhǎng)在10 mm以上，更有甚者做到了15 mm以上，這大大增加了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大小和重量，不便于攜帶，也不美觀。因此，筆者決定采用全塑鏡頭。為了降低前期投入成本，筆者決定先從市面上已有模組產(chǎn)品入手。先聯(lián)系了近20家鏡頭模組廠，但大多全塑鏡頭模組產(chǎn)品視場(chǎng)角偏小，最大只有88.2°，不滿足近距離拍攝手掌的條件，最終決定開模定制近紅外成像鏡頭[5]。

筆者選擇采用3P全塑料鏡頭，光學(xué)總長(zhǎng)最終做到了5.36 mm，F(xiàn)OV（Field of View，視場(chǎng)角）為135°，光學(xué)畸變<20%，鏡頭MTF：100lp/mm@中心≥0.55，100lp/mm @0.7F ≥0.35;可以使手掌在距離系統(tǒng)50 mm處完成注冊(cè)和認(rèn)證。筆者負(fù)責(zé)鏡頭的芯片規(guī)格、外形尺寸、鏡頭結(jié)構(gòu)、鏡頭焦距、視場(chǎng)角、光學(xué)總長(zhǎng)等參數(shù)的規(guī)定，同時(shí)對(duì)鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審，以確保其能符合掌靜脈的實(shí)際應(yīng)用，在鏡頭試做以及量產(chǎn)過程中，檢測(cè)成像質(zhì)量。

4 透紅外濾光片

選用透紅外濾光片作為掌靜脈模塊的封裝，在保證美觀的同時(shí)可以避免可見光對(duì)成像的影響。濾光片規(guī)格為：Tave>90%@800～1 100 nm，Tave<1%@300～720 nm。

5 紅外偏振片

手掌紋路經(jīng)過近紅外光照射，也能通過鏡頭成像，因此對(duì)掌靜脈的成像造成干擾。在保證不影響掌靜脈成像的前提下，消除手掌紋路的反光成為需要克服的難點(diǎn)。

在查閱了多數(shù)國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)之后，筆者決定采用組合偏振片的形式消除手掌反光。在近紅外光源上方放置偏振片1，使照射到手掌的光為線偏振光，一部分線偏振光經(jīng)皮膚表面直接反射，直接反射的光偏振方向不變，另一部分光透過皮膚進(jìn)入皮下組織，被皮下組織和血管散射和吸收，其偏振方向會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。要想達(dá)到消除發(fā)光的目的，必須同時(shí)在攝像裝置中加裝一片與偏振片1的偏振方向呈正交的偏振片2，在皮膚表面直接反射的光線將無法透射過偏振片2，而被皮下組織和血管散射的紅外光能透過偏振片2。筆者選擇將此偏振片2放置在成像芯片上方，既不影響原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又能實(shí)現(xiàn)消除掌紋反光的目的。

6 結(jié)論

光學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用在掌靜脈識(shí)別中占有舉足輕重的地位，本研究主要圍繞光源、勻光裝置以及成像鏡頭對(duì)掌靜脈成像系統(tǒng)進(jìn)行提升。主要結(jié)論如下。

①選擇850 nm波長(zhǎng)和940 nm波長(zhǎng)組合的近紅外LED環(huán)形陣列作為近紅外成像的主動(dòng)光源，可以保證光源的光強(qiáng)分布比較均勻。

②采用多個(gè)棱鏡細(xì)密分布的形式取代傳統(tǒng)導(dǎo)光環(huán)的霧面作為出光面，同時(shí)出光面設(shè)置成約45°的斜面，可以實(shí)現(xiàn)勻光作用。

③采用3P全塑近紅外成像鏡頭，光學(xué)總長(zhǎng)最終做到了5.36 mm，F(xiàn)OV（視場(chǎng)角）為135°，可以使手掌在距離系統(tǒng)50 mm處完成注冊(cè)和認(rèn)證。

通過上述改進(jìn)，可以縮小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升掌靜脈成像質(zhì)量，同時(shí)使用透紅外濾光片和紅外偏振片可降低雜散光對(duì)靜脈成像的影響。

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