基于VCSEL的生物特征识别设备制造技术

本发明专利技术描述了一种具有显著改善的信噪比的对对象进行生物特征识别的设备（1）和方法（100）。该设备包括：光学图像传感器元件（11），至少对红外光谱敏感，以在具有附加红外光条件（ILC）的情况下在环境光条件（ALC）下拍摄对象（2）的至少一张图片（112），红外光源（12），为红外光条件（ILC）提供附加红外光（IR），以及处理单元（13），提供从图片（112）获取的用于生物特征识别的图像或图像代码（131），其中，红外光源（12）发射窄红外光光谱，该红外光光谱具有在925 nm至955 nm之间的峰值波长（121）并且具有小于5 nm的半峰全宽，并且其中，红外带通滤光器（14）被布置在对象（2）和光学图像传感器元件（11）的传感器阵列之间的光路径（LP）中，该红外带通滤光器（14）具有至少覆盖红外光源（12）的峰值波长（121）的在925 nm和955 nm之间的透射窗（141）。

Biometric equipment based on VCSEL

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于VCSEL的生物特征识别设备
本专利技术涉及具有显著改善的信噪比的对对象进行生物特征识别的设备以及使用这种设备进行生物特征识别的方法。
技术介绍
面部辨别、虹膜扫描和驾驶员监测系统是生物特征识别的自动化方法，生物特征识别在面部的视频图像上使用数学模式辨别技术，面部的复杂模式是独特、稳定的，并且可以从一定距离处看到。常见的生物特征识别系统（诸如面部辨别、虹膜扫描和驾驶员监测系统）使用具有微弱近红外LED光照的摄像机技术来获取细节丰富且无阴影的图像。通过数学和统计算法从这些模式编码的数字模板允许对个体的识别或检测驾驶员状态。生物特征识别需要在各种环境条件下工作。在室外条件下，太阳在对象上产生大量的红外（IR）光照。通常，与相机同步的主动IR光照器被放置在对象的前面。在具有和不具有IR光照的情况下拍摄对象的图片，并且随后相减，来生成该对象的无阴影图像。用于面部辨别、虹膜扫描和驾驶员监测系统的相机系统接收主动IR和太阳光照两者。每第两张图片（帧）仅使用主动IR光照进行照射。具有和不具有主动IR光照的情况下的图片（帧）可以彼此相减，以在经相减的IR图像上生成具有较低噪声的无阴影图像。为了改善信噪比，使用了IR带通滤光器。IR-LED的峰值波长根据环境温度（-40至85C）而变化约36nm。可以使用IR带通滤光器来滤除IR-LED光谱范围之外的太阳光照的光谱内容，以便提高相机传感器处的信噪比。然而，考虑到IR-LED的峰值波长的可能的热偏移的带通滤光器的宽度太宽以至于不能提供IR图像的所需的低信噪比。因此，需要一种系统，该系统能够实现由相机拍摄的用于生物特征识别的图像的信噪比的显著改善。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种系统，该系统为由相机拍摄的用于生物特征识别的图像提供在室外条件下显著改善的信噪比。本专利技术由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。根据第一方面，一种用于对象的生物特征识别的设备，该设备包括：光学图像传感器元件，其至少对红外光谱敏感，以在具有附加红外光条件的情况下在环境光条件下拍摄对象的至少一张图片，红外光源，为红外光条件提供附加红外光，以及处理单元，提供从图片获取的用于生物特征识别的图像或图像代码，其中，红外光源发射窄红外光光谱，该红外光光谱具有在925nm至955nm之间的峰值波长并且具有小于5nm的半峰全宽，并且其中，红外带通滤光器被布置在对象和光学图像传感器元件的传感器阵列之间的光路径中，该红外带通滤光器具有至少覆盖红外光源的峰值波长的在925nm和955nm之间的透射窗。术语“红外光源”表示在5nm或更小的窄发射带内发射光的任何合适的固态光发射器。这种合适的发射器可以是边缘发射激光器或所谓的VCSEL。由主动IR和太阳所产生的光照的比率对于在经相减的IR图像上生成尽可能低的噪声至关重要。由于因大气中存在水而导致太阳光谱中的红外吸收，因此太阳光谱中存在具有低红外强度的925nm和955nm之间的波长范围（水吸收深度）。为了提高图像的信噪比，红外光源的峰值波长应位于925nm至955nm的波长范围内。此外，带通滤光器的透射窗被适配为适合红外光源的峰值波长和水吸收深度范围。为了进一步提高信噪比，其他波长、特别是来自环境光（太阳光谱）的红外光的含量被滤除。环境光中的红外含量越低，并且来自红外光源的红外光水平越高，则获取的图像的信噪比越高。在一个或多个附加图像处理步骤之后，可以从拍摄的图片中获取图像。通过选择水吸收深度范围内的最佳峰值波长，结合使用红外带通滤光器，该红外带通滤光器具有位于水吸收深度内的红外光源的峰值波长附近的窄透射窗，实现了高信噪比。术语“光学图像传感器元件”表示接收来自对象的光并将光的局部测量的强度转换成对象的图片的单元。光学图像传感器元件包括合适的传感器阵列，用于以由传感器阵列确定的特殊分辨率来测量光强度。光学图像传感器元件可以包括诸如透镜、反射镜等的光学束整形元件。带通滤光器可以布置在光学图像传感器元件的远处或上面，或者布置在光学图像传感器元件内的合适位置处。为了从图片或从图像提供图像代码，算法处理图像并收集特征，这些特征作为参考图像代码而被存储。对于虹膜扫描，在将若干个数学步骤函数应用于所获取的图像之后，生成作为图像代码的虹膜代码，以与从参考图像获取的对应参考图像代码进行比较。因此，根据本专利技术的设备为针对生物特征识别而拍摄的图像提供了室外条件下显著改善的信噪比，从而导致基于生物特征的更安全和可靠的对象识别。在实施例中，根据本专利技术的设备中的光源的峰值波长在-40℃和+80℃之间的温度范围内在室温下的峰值波长附近具有小于±9nm的波长偏移。提供指定的窄发射光谱的红外光源，即使在热引起的峰值波长偏移的情况下，也能够将整个光谱保持在925nm和955nm之间的指定波长范围内，从而能够实现根据本专利技术的设备的大的温度工作窗。在实施例中，在室温下，红外光源的峰值波长在930nm和950nm之间。940nm的波长处于环境光光谱范围的中间，在该波长处水吸收大，从而导致环境光中的特别低的红外含量。对于较高的温度，峰值波长偏移至较长的波长，对于较低的温度，偏移至较短的波长。由于水吸收深度，红外光源的最佳红外峰值波长约为940nm。术语大约表示在指定峰值波长附近的±2nm的范围。在实施例中，红外光源的发射光谱具有小于1nm的半峰全宽。对于这样的窄光谱，可以针对所需的工作温度范围将投射窗设计得更窄，而不会损失红外光源的红外光强度，即使是对于高或低的工作温度。从红外光源发射的红外光的峰值波长将随温度而偏移。在工作温度范围内，完整的红外光源发射光谱应在透射窗内，以便提供通过透射滤光器到达光学传感器元件的红外光的最大强度。在实施例中，红外光源是VCSEL。术语“VCSEL”表示垂直腔表面发射激光器，其中与常规的边缘发射半导体激光器相反，激光束是从VCSEL的顶表面垂直发射的。VCSEL在几nm或更短（比如小于1nm）的非常窄的发射带内发射光。存在各种各样的VCSEL，它们提供具有从650至2000nm范围内的峰值波长的激光束。通过选择水吸收深度范围内的最佳峰值波长，并结合使用红外带通滤光器，该红外带通滤光器具有位于水吸收深度内的VCSEL的峰值波长附近的窄透射窗，可以进一步改善信噪比。根据本专利技术的VCSEL可以具有比如2.0*1.6*1.1mm至5.0*5.0*2.mm的引线框架或陶瓷封装的尺寸。VCSEL管芯被组装在封装中。在存在的漫射器板对发射的红外光束进行整形的情况下，该板被胶粘到封装的上面。在实施例中，以高于电流操纵杆的电流阈值的电流来操作VCSEL。电流操纵杆影响VCSEL的发射光谱的半峰全宽，其中，在以低于电流阈值的电流操作VCSEL的情况下，半峰全宽显著增加。在实施例中，带通滤光器的透射窗的宽度小于30nm，优选小于15nm。这种带通滤光器的透射窗的中心可以与太阳（环境）光谱的最小红外强度匹配，其中窄透射窗仅覆盖太阳光谱的最小强度的直接邻域中的波长，从而减少了太阳红外光量，并且因此减少了用于生物特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对象（2）的生物特征识别的设备（1），所述设备（1）包括：光学图像传感器元件（11），至少对红外光谱敏感，以在具有附加红外光条件（ILC）的情况下在环境光条件（ALC）下拍摄所述对象（2）的至少一张图片（112），红外光源（12），为所述红外光条件（ILC）提供附加红外光（IR），以及处理单元（13），提供从所述图片（112）获取的用于所述生物特征识别的图像或图像代码（131），其中，所述红外光源（12）发射窄红外光光谱，所述红外光光谱具有在925 nm至955 nm之间的峰值波长（121）并且具有小于5 nm的半峰全宽，并且其中，红外带通滤光器（14）被布置在所述对象（2）和所述光学图像传感器元件（11）的传感器阵列之间的光路径（LP）中，所述红外带通滤光器（14）具有至少覆盖所述红外光源（12）的峰值波长（121）的在925 nm和955 nm之间的透射窗（141）。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171023 EP 17197702.81.一种用于对象（2）的生物特征识别的设备（1），所述设备（1）包括：光学图像传感器元件（11），至少对红外光谱敏感，以在具有附加红外光条件（ILC）的情况下在环境光条件（ALC）下拍摄所述对象（2）的至少一张图片（112），红外光源（12），为所述红外光条件（ILC）提供附加红外光（IR），以及处理单元（13），提供从所述图片（112）获取的用于所述生物特征识别的图像或图像代码（131），其中，所述红外光源（12）发射窄红外光光谱，所述红外光光谱具有在925nm至955nm之间的峰值波长（121）并且具有小于5nm的半峰全宽，并且其中，红外带通滤光器（14）被布置在所述对象（2）和所述光学图像传感器元件（11）的传感器阵列之间的光路径（LP）中，所述红外带通滤光器（14）具有至少覆盖所述红外光源（12）的峰值波长（121）的在925nm和955nm之间的透射窗（141）。


2.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述红外光源（12）的峰值波长（121）在-40℃和+80℃之间的温度范围内在室温下的峰值波长（121）附近具有小于±9nm的波长偏移（122）。


3.根据权利要求1或2所述的设备（1），其中，所述红外光源（12）的峰值波长（121）在室温下在930nm和950nm之间，优选地在室温下大约在940nm。


4.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1），其中，所述红外光源（12）的发射光谱（123）具有小于1nm的半峰全宽（FWHM）。


5.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1），其中，所述红外光源（12）是VCSEL。


6.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1），其中，所述带通滤光器（14）的所述透射窗（141）具有小于30nm、优选地小于15nm的宽度（TW）。


7.根据权利要求6所述的设备（1），其中，所述红外带通滤光器（14）被适配为使少于2％的全部环境光（AL）通过。


8.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1），还包括漫射器单元（15），所述漫射器单元（15）布置在所述红外光源（12）与所述对象（2）之间的光路径（LP）内，朝向所述对象（2）提供具有在20°和100°之间的束角度（BA）的光束（124）。


9.根据权利要求8所述的设备（1），其中，所述漫射器单元（15）布置在所述红外光源（12）的上面。


10.根据前述权利要求中任一项所述的设备（1），其中，所述设备（1）包括或至少连接到存储参考图像或参考图像代码（161）的图像数据库（16），以便通过将所获取的图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：E范克萨利，R恩格伦，
申请(专利权)人：亮锐控股有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL