一款成像優(yōu)良的手機(jī)虹膜識(shí)別鏡頭設(shè)計(jì)

　　在當(dāng)今信息交互頻繁的時(shí)代中，相較于純密 碼、PIN碼等保護(hù)方式，生物識(shí)別技術(shù)因其特有的 優(yōu)越性已然成為主流，其中虹膜識(shí)別技術(shù)因人體 虹膜的特征具有唯一性、高防偽、長(zhǎng)期穩(wěn)定、非接 觸、極高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。早期，虹膜識(shí)別存在 識(shí)別精度低、采集設(shè)備體積大等弊端，隨著近年來CMOS圖像傳感器集成能力的提高以及制造成本 的下降，虹膜識(shí)別技術(shù)得以應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備終 端。在1993年，英國(guó)劍橋大學(xué)的John Daugman教 授實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性能較好的虹膜識(shí)別系統(tǒng)，并且創(chuàng)立 了至今在虹膜識(shí)別算法中仍在使用的DAUGMAN 核心算法，其基本原理是利用微積分法找到梯 度變化最大處確定虹膜邊界。加拿大約克大學(xué)的Richard Wildes在1996年設(shè)計(jì)出基于Wildes算法的虹膜識(shí)別系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，2009年中科院自動(dòng)化 研究所設(shè)計(jì)了虹膜分割定位算法以及虹膜特征提 取算法，并且算法在精度和速度上都優(yōu)于先前的 方法［5］，基于這兩種算法，設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)距離的虹膜識(shí) 別系統(tǒng)，在精度上與近距離識(shí)別系統(tǒng)相近。

　　近幾年，虹膜識(shí)別功能逐步成為手機(jī)安全的標(biāo) 準(zhǔn)配置，國(guó)內(nèi)主流為中科虹霸。主要參數(shù)為：支持 2 M、5 M、8 M傳感器，識(shí)別距離20 cm～40 cm，自 主研發(fā)的算法錯(cuò)誤接受率小于百萬分之一，典型 產(chǎn)品為國(guó)美K1、U1。國(guó)外主流為三星手機(jī)，實(shí)際 應(yīng)用鏡頭像素為200萬或300萬，典型產(chǎn)品為三星 S8、S9。虹膜識(shí)別技術(shù)的重要技術(shù)之一是虹膜圖 像的獲取，而虹膜圖像的質(zhì)量由成像系統(tǒng)的成像 質(zhì)量決定，從而影響識(shí)別的準(zhǔn)確率和算法。

　　基于對(duì)目前市場(chǎng)上已有的虹膜識(shí)別鏡頭的性 能、優(yōu)缺點(diǎn)等情況的了解，使用ZEMAX軟件設(shè)計(jì) 一款成像優(yōu)良的手機(jī)虹膜識(shí)別鏡頭。該設(shè)計(jì)鏡頭 分辨率等性能可滿足市場(chǎng)商用鏡頭要求，且具有 體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)。

　　1 設(shè)計(jì)要求

　　1.1 傳感芯片匹配

　　現(xiàn)階段使用的圖像傳感器，一種是廣泛使用的CCD（charge couple device）電荷藕合元件；另一種 是CMOS（complementary metal oxide semiconductor） 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件。由于CMOS有著集 成性好、體積小、功耗低且價(jià)格低廉等特點(diǎn)［7］，能 夠大規(guī)模量產(chǎn)，并且在圖像質(zhì)量上已接近CCD傳 感器。綜合考慮，本設(shè)計(jì)應(yīng)用豪威科技公司的 OmniVision_OV2281型號(hào)COMS傳感器，該芯片是OmniVision公司專為虹膜識(shí)別鏡頭設(shè)計(jì)，有效分辨率為1920×1080 pixel，像素尺寸為1.12 μm， 經(jīng)計(jì)算其奈奎斯特頻率為446 lp/mm。

　　1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

　　根據(jù)實(shí)際要求和優(yōu)化方向綜合考慮，設(shè)計(jì)參數(shù) 如表1所示。

　　1.3 鏡片材料的選擇

　　虹膜識(shí)別鏡頭工作在紅外光區(qū)域，需要對(duì)850 nm 波段左右的紅外光有良好的透光率。作為手機(jī)前置鏡頭，要求體積足夠小，質(zhì)量輕。光學(xué)塑料擁有 質(zhì)量輕、成本低、量產(chǎn)型好等特點(diǎn)，因而經(jīng)過參數(shù)篩選本設(shè)計(jì)使用ZEONEX 480R光學(xué)塑料，該材料對(duì)400 nm～900 nm波段具有優(yōu)良的透過率，折射率與阿貝數(shù)較為合理，制造成本較低，適合大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

　　2 初始結(jié)構(gòu)的選擇及優(yōu)化

　　2.1 選擇初始結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)而言，初始結(jié)構(gòu)的選擇尤為重 要，理想的初始結(jié)構(gòu)是光學(xué)設(shè)計(jì)成功的一半。選擇初始結(jié)構(gòu)一般有兩種方法：一是基于像差理論求出光學(xué)參數(shù)；二是選取專利庫中結(jié)構(gòu)相近的設(shè)計(jì)，利用縮放功能得到初步的結(jié)構(gòu)［8］。本設(shè)計(jì)選擇了后者，采用專利結(jié)構(gòu)縮放法。通過查閱文獻(xiàn)，選 取專利號(hào)為US 9134508B2中一個(gè)結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中F數(shù)為2.8，鏡頭總長(zhǎng)為3.45mm。

　　圖1.初始結(jié)構(gòu)

　　2.2 優(yōu)化過程

　　首先使用默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)初始結(jié)構(gòu)的鏡片厚 度比以及像差進(jìn)行修正，針對(duì)大小像差不同情況，應(yīng)用不同的默認(rèn)函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)使用了各種操作數(shù)進(jìn)行具體的限制優(yōu)化，主要優(yōu)化條件如下：1） 使用EFFL限制焦距，使用TOTR操作數(shù)限 制總長(zhǎng)小于4 mm。

　　。..。..

　　4 結(jié)論

　　基于ZEMAX軟件，設(shè)計(jì)了一款手機(jī)虹膜識(shí)別鏡 頭。該鏡頭采用豪威科技公司OmniVision_OV2281 傳感器，由3片非球面光學(xué)塑料鏡片組成，具體設(shè) 計(jì)參數(shù)包括：F數(shù)為2.3，全視場(chǎng)角為34°，工作距離 在280 mm～350 mm等，鏡頭總長(zhǎng)僅3 mm。ZMEAX 軟件對(duì)像質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在1/2奈奎斯特頻率 220 lp/mm處MTF值均大于0.39，光學(xué)畸變小于2%，相對(duì)照度高達(dá)92%，達(dá)到了虹膜識(shí)別鏡頭的各 項(xiàng)光學(xué)性能指標(biāo)。公差分析結(jié)果顯示，MTF值穩(wěn) 定、波動(dòng)小，表明該設(shè)計(jì)鏡頭可進(jìn)行實(shí)際加工制 造。本設(shè)計(jì)鏡頭性能指標(biāo)可達(dá)到視場(chǎng)商用鏡頭的 各項(xiàng)性能，且具有長(zhǎng)度短、質(zhì)量輕，易于加工、成本 低等優(yōu)點(diǎn)。