用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，在给定工作物距WOD的条件下，系统级优化设计包括光学成像物镜，近红外光学滤光器和近红外照明光源，图像成像传感器及系统级光电信号产生及处理方法，依次包括以下步骤：1)定义系统级光电参数；2)定义原始的单位像素亮度值的系统级光电信号产生；3)定义虹膜区域像素亮度统计评估值；4)光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值在预设的亮度范围；5)像素亮度值进行原始信号GAMMA校正处理；6)基于虹膜区域像素亮度统计评估值的像素亮度值对比度自适应性控制处理并输出。该方法能完成系统级的虹膜成像装置设计，实现成像高质量虹膜图像。

【技术实现步骤摘要】
用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法
本专利技术涉及一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，属光电领域。
技术介绍
目前为止，所有的用于虹膜成像装置的公开文献和专利检索显示，都大致为描述虹膜成像装置的结构，部件及光学电学元件组成方法等内容。本领域技术人员公知的，围绕对虹膜成像装置的实际设计，相对标称理论值为标准和基础，用于虹膜成像装置的光学元件参数，归因于实际制造光学材料选择，加工工艺等生产过程原因，理论值和实际值时有±5％的误差和不同设计变化,并且本领域技术人员熟知可以通过根据实际应用条件进行参数变化和补偿。如以虹膜成像装置的近红外LED为列，其辐射波长随实际工作温度或工作电流提高而往长波长方向偏移，需要额外在设计时进行偏移补偿。归因于虹膜成像装置的光学总长TTL日益缩短的技术趋势，大角度主光线入射角CRA的采用，相对标称理论值为标准和基础，以目前薄膜系设计技术和实际镀膜工艺，如以普通玻璃为基质的透明光学材料进行反射镀膜形成的光学滤光器，往往因CRA大角度其滤波范围会往短波长方向偏移，需要额外在设计时进行长波长方向偏移补偿。而以有色玻璃为基质的吸收光学材料进行反射镀膜形成的光学滤光器，即使CRA大角度其滤波范围也不会有明显波长方向偏移，因此不需要进行偏移补偿。因此本领域技术人员应以虹膜成像装置的光学元件参数理论值为标准和基础，更进一步的如何系统级优化用于虹膜成像装置的光学元件参数范围优化组合及其相互配置关系，以实现相对照明，MTF，景深等性能优化成像效果，是本领域需要解决的重要内容。截止目前，上述问题本领域技术人员通常采用光学或电学的局限性经验或实验手段来对虹膜成像装置进行光电设计，本专利技术人发现到目前为止没有任何一种在实际应用中在给定需求条件下，用于系统级的指导虹膜成像装置光电优化设计的方法，另一方面特别是如何获得虹膜与巩膜，虹膜与瞳孔，虹膜纹理三者高对比度的高质量虹膜图像都需要一种系统级光电优化设计方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在客观给定需求条件下，提供一种用于系统级的指导虹膜成像装置光电优化设计的方法，完成系统级的虹膜成像装置设计，实现成像高质量虹膜图像。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，根据在给定工作物距WOD的条件下，系统级优化设计包括光学成像物镜，近红外光学滤光器和近红外照明光源，图像成像传感器及优化的系统级光电信号产生及处理方法，其所述的特征是：1.定义系统级光电参数λ，FWHM，I，E,EFL，F，FOV，OE_TE，ADC_T，GAIN，SNR，ET近红外光学滤光器的透射率峰值波长设置为近红外照明光源等效峰值波长λ，近红外光学滤光器的半最大值全波FWHM大于等于近红外照明光源产生的光谱FWHM，其中所述的等效峰值波长λ＝Σhiλi，Σhi＝1<1>，hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数；λi为近红外照明光源光谱，波长范围750nm-880nm；更进一步，图像成像传感器采用单色类型时，等效峰值波长λ选择为双波段或单波段，所述的双波段进一步包含750-810nm(典型值为780nm)和810-880nm(典型值为850nm)两个波段,FWHM>30nm，所述的单波段包含780-850nm(典型值为810nm),FWHM>30nm；图像成像传感器采用彩色类型时，等效峰值波长λ选择为单波段，所述的单波段为810-880nm(典型值为850nm)，FWHM>30nm；近红外照明光源的辐射强度I(mW/sr，毫瓦每球面度)：I＝E*WOD2E<10mW/cm2<2>其中：E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度；光学成像物镜的等效焦距值EFL具有：EFL＝WOD*β/(1+β)<3>其中：WOD为给定的工作物距；β为虹膜像方和物方空间分辨率比率β＝SOP*POI/SOI<4>其中所述的SOP(sizeofpixel)为图像成像传感器单位像素的物理尺度；POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度，SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度；光学成像物镜的光圈F值(或相对光学孔径倒数)具有：F＝EFL/D<5>0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ)<6>其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径；光学成像物镜的视场角FOV具有：FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*EFL))<7>其中所述的DOI为图像成像传感器的对角线像素数量；图像成像传感器具有光电量子转换效率OE_TE>1V/(mW/cm2*s)图像成像传感器具有模数转换器ADC的转换分辨率ADC_T＝2NLSB/V，LSB为ADC分辨率最低有效位，N为ADC分辨率有效位数，N≥8；图像成像传感器具有在模拟增益GAIN＝1.0时，信噪比SNR>38db；优化的系统级光电信号产生及处理方法包括：2.定义原始的单位像素亮度值Yraw的系统级光电信号产生Yraw＝ET*GAIN*E*OE_TE*ADC_T<8>其中所述的ET为图像成像传感器的曝光时间exposuretime或积分时间integrationtime，保证控制ET<1/30秒；其中所述的GAIN为图像成像传感器的模拟增益，模拟增益GAIN控制必须保证产生的信噪比SNR>36db；其中所述的E为公式<2>中定义的在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源强度I控制的最大辐射率或辐射照度，保证控制E<10mW/cm2；3.定义虹膜区域像素亮度统计评估值YspYsp＝S(Yraw)其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值等；4.ET，GAIN，E光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp在预设的[Yll,Yhl]亮度范围Yll≤Ysp≤Yhl其中所述的Yll为虹膜区域像素亮度下限，Yhl为虹膜区域像素亮度上限；所述的光电信号处理控制为根据步骤2中定义的公式<8>线性乘积控制关系，改变ET，GAIN，E光电信号实现原始的单位像素亮度值Yraw改变，使相应的虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp满足Yll≤Ysp≤Yhl的预设条件；更进一步，ET，GAIN，E可以固定其中1项控制条件，调整另外2项控制条件，或可以固定其中2项控制条件，调整另外1项控制条件；5.像素亮度值Yraw进行原始信号GAMMA校正处理，保持原始值，即保持GAMMA＝1.0线性关系Ygamma＝GAMMA(Yraw)＝YrawGAMMA＝1.0＝Yraw；6.基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的像素亮度值Yraw对比度自适应性控制处理并输出YoutYout＝Contrast*(Yraw-Ysp)+Ysp1.0≤Contrast≤2.0Yout＝2N-1ifYout>2N-1；Yout＝0ifYout<0；其中所述的Contras本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优化设计的虹膜成像装置，其特征是，所述虹膜成像装置包括以下部件：近红外照明光源LED；近红外照明光源透射窗口，外部覆盖近红外照明光源LED，用于控制近红外照明光源LED的发散角度；近红外光学滤光器保护窗口，位于虹膜成像装置最前外表面，用于保护整个虹膜成像装置；近红外光学滤光器，用于滤除干扰成像的无效杂光进而仅透射有效的近红外光提高成像质量；图像成像传感器；光学成像物镜，用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到图像成像传感器的像方焦平面。

【技术特征摘要】
1.一种优化设计的虹膜成像装置，其特征是，所述虹膜成像装置包括以下部件：近红外照明光源LED，所述近红外照明光源具有等效峰值波长λ；其中所述的等效峰值波长λ＝∑hiλi，∑hi＝1，其中hi为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数，λi为近红外照明光源光谱；近红外照明光源透射窗口，外部覆盖近红外照明光源LED，用于控制近红外照明光源LED的发散角度；近红外光学滤光器保护窗口，位于虹膜成像装置最前外表面，用于保护整个虹膜成像装置；近红外光学滤光器，用于滤除干扰成像的无效杂光进而仅透射有效的近红外光提高成像质量，所述近红外光学滤光器的半最大值全波FWHM大于等于近红外照明光源产生的光谱的半最大值全波FWHM；图像成像传感器；光学成像物镜，用于对有效近红外成像光形成物理折射汇聚光学焦点到图像成像传感器的像方焦平面。2.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是:所述的发散角度为近红外照明光源LED分别与左右眼连线构成的夹角。3.根据权利要求1或2所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是所述近红外照明光源LED设置为其安装平面与所述虹膜成像装置的光学轴之间具有一夹角。4.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是:所述光学成像物镜的等效焦距值EFL具有：EFL＝WOD*β/(1+β)其中，β为虹膜像方和物方空间分辨率比率，且β＝SOP*POI/SOI，其中所述的SOP为图像成像传感器单位像素的物理尺度；POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度；SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度，WOD为工作物距离。5.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：所述光学成像物镜的光圈F值或相对光学孔径倒数具有：F＝EFL/D0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ)其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径，EFL为所述光学成像物镜的等效焦距值，SOP为所述图像成像传感器单位像素的物理尺度，λ为所述近红外照明光源的等效峰值波长。6.根据权利要求1所述的优化设计的虹膜成像装置，其特征是：所述光学成像物镜的视场角FOV具有：FOV≥2*arctan((DOI*SOP)/(2*E...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洪泉，
申请(专利权)人：贵阳科贵安科技有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52