一种远距离大视场虹膜光学成像的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种远距离大视场虹膜光学成像的装置，包括：虹膜光学跟踪系统，包括3D深度成像单元和方向轴旋转单元；虹膜变焦聚焦光学成像系统，包括光学变焦聚焦透镜组，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜成像的焦距和聚焦位置调整；LED照明光源辐射系统，包括辐射强度立体角和/或辐射强度方向角，用于根据3D物理空间点坐标执行响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的组合控制；图像处理和驱动控制，实现各系统单元间的驱动和反馈控制。本发明专利技术提供的一种远距离大视场虹膜光学成像的装置及方法，同时实现大范围时视场角和辐射照度恒定。

A device and method of iris optical imaging in long distance and large field of view

【技术实现步骤摘要】
一种远距离大视场虹膜光学成像的装置及方法
本专利技术涉及光学成像
，特别涉及一种远距离大视场虹膜光学成像的装置及方法。
技术介绍
已知用于虹膜成像装置存在以下缺陷，在远工作距离和大工作视场场景下获得图像的成像时间超过1-3s，用户无法在如此长时间内保持一致相对静止，归因于图像虹膜直径要求>200pixel的大放大倍率要求，导致即使非常轻微移动都能造成超过虹膜成像系统视场需要重新调整视场，变焦聚焦，照明。此外，传统测距包括软件映射虹膜直径或双眼距离，因为归因于人群中变化差异大于20％导致误差过大而无法提供精确工作距离信息直接影响整体性能，同样红外，超声，tof等物理测距在远工作距离和大工作视场场景下也误差过大无法提供精确工作距离信息，同时已知技术存在景深，图像亮度，图像相对照度，照明光源辐射强度，眼睛虹膜受辐射照度等图像质量在远工作距离和大工作视场场景下也无法保证一致性，甚至相差数倍，传统的照明光源采用随工作距离平方反比变化调节，非恒定光源辐射强度(比如工作距离2-3倍范围，视场角变化2-3倍，辐射强度变化4-9倍)，导致无法同时满足大范围时视场角和辐射照度恒定的要求。因此，针对现有技术中的在远工作距离和大工作视场场景下上述技术问题，需要一种远距离大视场虹膜光学成像的装置及方法。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种远距离大视场虹膜光学成像的装置，所述装置包括：虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，图像处理和驱动控制系统；所述虹膜光学跟踪系统包括3D深度成像单元，用于执行3D物理空间点坐标获取，和方向轴旋转单元，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜变焦聚焦光学成像系统的物方成像区域调整；所述的虹膜变焦聚焦光学成像系统包括光学变焦聚焦透镜组，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜成像的焦距和聚焦位置调整；所述LED照明光源辐射系统包括辐射强度立体角和/或辐射强度方向角，用于根据3D物理空间点坐标执行响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的组合控制；所述的图像显示反馈系统包括显示屏用于实时显示当前图像和/或状态信息；所述的图像处理和驱动控制系统连接虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，并实现各系统单元间的驱动和反馈控制。优选地，所述3D深度成像单元包括采用3DTOF深度成像或结构光深度成像，或双目立体视觉成像。优选地，所述方向轴旋转单元包括执行垂直和/或水平方向旋转轴的旋转角度。优选地，所述LED照明光源辐射系统的辐射强度方向角度，满足关系：ψ＝arctan(D/R)，其中，定义在LED照明光源辐射系统的辐射强度峰值方向对应的中心线和虹膜变焦聚焦光学成像系统的光轴间夹角，D为LED照明光源辐射系统的光学中心和虹膜变焦聚焦光学成像系统光学中心的距离，R为虹膜变焦聚焦光学成像系统的工作半径。优选地，所述LED照明光源辐射系统的辐射强度立体角，满足关系：Ω(ω)＝4π*sin2(ω)单位球面度sr，其中，ω＝arctan((PXiris2+PYiris2)1/2/2*PSiris/((1+β)*EFLiris))＝arctan((PXiris2+PYiris2)1/2/2*PSiris/(β*R))，ω为虹膜变焦聚焦光学成像系统的半视场角，PXiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的X水平方向像素分辨率，PYiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的Y垂直方向像素分辨率，EFLiris为焦距位置，β＝PR*PSiris，PR为虹膜物理直径像方分辨率，PSiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的图像成像传感器的像素单位分辨率，R为为虹膜变焦聚焦光学成像系统的工作半径。优选地，所述LED照明光源辐射系统和虹膜焦距聚焦光学成像系统被配置为：在滤光片的结合下同步脉冲外触发或同步脉冲内触发方式的全局像素曝光(积分)和照明辐射的组合成像模式，其中：所述的组合成像模式的同步脉冲曝光(积分)时间和同步脉冲照明辐射时间Tpulse<m/(PR*speed)，speed为预定控制的运动速度，单位m/s，PR为虹膜物理直径像方分辨率，m为预定控制的运动模糊图像像素尺度，单位pixel；所述的组合成像模式的同步脉冲曝光(积分)频率和同步脉冲照明辐射频率Fpulse，所述同步脉冲照明辐射频率Fpulse＝[10，30]Hz，所述LED照明光源辐射系统产生同步脉冲照明辐射在虹膜表面的受辐射照度Tpulse*Fpulse*Eiris(ω)<10mw/cm2/s，Eiris(ω)为虹膜表面上受辐射照度。本专利技术的另一个方面在于提供一种远距离大视场虹膜光学成像的方法，所述方法包括：图像处理和驱动控制系统执行虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统之间的驱动和反馈控制过程：a、反馈控制虹膜光学跟踪系统，通过虹膜光学跟踪系统的3D深度成像单元获取虹膜关键点3D坐标，转换相对坐标为3D物理空间点，反馈控制方向轴旋转单元调整角度，实现实时同步虹膜光学成像跟踪；b、反馈控制虹膜变焦聚焦光学成像系统，根据3D物理空间点坐标，实现实时同步光学变焦聚焦透镜组的焦距和聚焦位置的反馈控制；c、反馈控制LED照明光源辐射系统，根据3D物理空间点坐标，实现实时同步响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的LED照明光源辐射强度方向角度和/或LED照明光源辐射强度立体角的反馈控制；d、反馈控制图像显示反馈系统实时显示当前图像和/或状态信息；所述图像显示反馈系统实现实时同步显示当前图像为3D深度成像单元成像的红外图像，RGB可见光单元成像图像或虹膜变焦聚焦光学成像图像。优选地，反馈控制虹膜成像跟踪系统，包括:a1、根据预定的工作视场范围FOV，定义3D深度成像单元的视场角FOVface和有效成像焦距EFLface：EFLface＝[(PXface2+PYface2)1/2*PSface/2]/tan(FOVface/2)PXface为3D深度成像单元的X水平方向像素分辨率；PYface为3D深度成像单元的Y垂直方向像素分辨率；PSface为3D深度成像单元的像素单位分辨率；FOVface为3D深度成像单元的视场角度，FOVface＝FOV；EFLface为3D深度成像单元的有效成像焦距。a2、定义3D深度成像单元控制获取虹膜关键点：a21、获取3D深度成像单元的亮度(红外灰度阶)图像Ii(x,y)和深度距离图像Iz(x,y)；a22、在亮度图像Ii(x,y)中检测人脸区域，在人脸区域进一步定位左右眼中心坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远距离大视场虹膜光学成像的装置，其特征在于，所述装置包括：/n虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，图像处理和驱动控制系统；/n所述虹膜光学跟踪系统包括3D深度成像单元，用于执行3D物理空间点坐标获取，/n和方向轴旋转单元，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜变焦聚焦光学成像系统的物方成像区域调整；/n所述的虹膜变焦聚焦光学成像系统包括光学变焦聚焦透镜组，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜成像的焦距和聚焦位置调整；/n所述LED照明光源辐射系统包括辐射强度立体角和/或辐射强度方向角，用于根据3D物理空间点坐标执行响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的组合控制；/n所述的图像显示反馈系统包括显示屏用于实时显示当前图像和/或状态信息；/n所述的图像处理和驱动控制系统连接虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，并实现各系统单元间的驱动和反馈控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种远距离大视场虹膜光学成像的装置，其特征在于，所述装置包括：
虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，图像处理和驱动控制系统；
所述虹膜光学跟踪系统包括3D深度成像单元，用于执行3D物理空间点坐标获取，
和方向轴旋转单元，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜变焦聚焦光学成像系统的物方成像区域调整；
所述的虹膜变焦聚焦光学成像系统包括光学变焦聚焦透镜组，用于根据3D物理空间点坐标执行虹膜成像的焦距和聚焦位置调整；
所述LED照明光源辐射系统包括辐射强度立体角和/或辐射强度方向角，用于根据3D物理空间点坐标执行响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的组合控制；
所述的图像显示反馈系统包括显示屏用于实时显示当前图像和/或状态信息；
所述的图像处理和驱动控制系统连接虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统，并实现各系统单元间的驱动和反馈控制。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述3D深度成像单元包括采用3DTOF深度成像或结构光深度成像，或双目立体视觉成像。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述方向轴旋转单元包括执行垂直和/或水平方向旋转轴的旋转角度。


4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED照明光源辐射系统的辐射强度方向角度，满足关系：ψ＝arctan(D/R)，其中，
定义在LED照明光源辐射系统的辐射强度峰值方向对应的中心线和虹膜变焦聚焦光学成像系统的光轴间夹角，D为LED照明光源辐射系统的光学中心和虹膜变焦聚焦光学成像系统光学中心的距离，R为虹膜变焦聚焦光学成像系统的工作半径。


5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED照明光源辐射系统的辐射强度立体角，满足关系：Ω(ω)＝4π*sin2(ω)单位球面度sr，其中，
ω＝arctan((PXiris2+PYiris2)1/2/2*PSiris/((1+β)*EFLiris))
＝arctan((PXiris2+PYiris2)1/2/2*PSiris/(β*R))，ω为虹膜变焦聚焦光学成像系统的半视场角，
PXiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的X水平方向像素分辨率，
PYiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的Y垂直方向像素分辨率，
EFLiris为焦距位置，
β＝PR*PSiris，PR为虹膜物理直径像方分辨率，
PSiris为虹膜变焦聚焦光学成像系统的图像成像传感器的像素单位分辨率，
R为为虹膜变焦聚焦光学成像系统的工作半径。


6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED照明光源辐射系统和虹膜焦距聚焦光学成像系统被配置为：
在滤光片的结合下同步脉冲外触发或同步脉冲内触发方式的全局像素曝光(积分)和照明辐射的组合成像模式，其中：
所述的组合成像模式的同步脉冲曝光(积分)时间和同步脉冲照明辐射时间Tpulse<m/(PR*speed)，
speed为预定控制的运动速度，单位m/s，
PR为虹膜物理直径像方分辨率，
m为预定控制的运动模糊图像像素尺度，单位pixel；
所述的组合成像模式的同步脉冲曝光(积分)频率和同步脉冲照明辐射频率Fpulse，所述同步脉冲照明辐射频率Fpulse＝[10，30]Hz，
所述LED照明光源辐射系统产生同步脉冲照明辐射在虹膜表面的受辐射照度Tpulse*Fpulse*Eiris(ω)<10mw/cm2/s，
Eiris(ω)为虹膜表面上受辐射照度。


7.一种远距离大视场虹膜光学成像的方法，其特征在于，所述方法包括：
图像处理和驱动控制系统执行虹膜光学跟踪系统，虹膜变焦聚焦光学成像系统，LED照明光源辐射系统，图像显示反馈系统之间的驱动和反馈控制过程：
a、反馈控制虹膜光学跟踪系统，通过虹膜光学跟踪系统的3D深度成像单元获取虹膜关键点3D坐标，转换相对坐标为3D物理空间点，反馈控制方向轴旋转单元调整角度，实现实时同步虹膜光学成像跟踪；
b、反馈控制虹膜变焦聚焦光学成像系统，根据3D物理空间点坐标，实现实时同步光学变焦聚焦透镜组的焦距和聚焦位置的反馈控制；
c、反馈控制LED照明光源辐射系统，根据3D物理空间点坐标，实现实时同步响应于不同工作半径/距离对应的虹膜变焦聚焦光学成像系统的视场角之间匹配关系的LED照明光源辐射强度方向角度和/或LED照明光源辐射强度立体角的反馈控制；
d、反馈控制图像显示反馈系统实时显示当前图像和/或状态信息；
所述图像显示反馈系统实现实时同步显示当前图像为3D深度成像单元成像的红外图像，RGB可见光单元成像图像或虹膜变焦聚焦光学成像图像。


8.根据权利要求7所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪蔚民，
申请(专利权)人：苏州思源科安信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32