張晴雯

摘 要：在掌靜脈識別中，光學產(chǎn)品對掌靜脈的圖像質(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，在采集設備中，光源負責發(fā)出近紅外光;勻光透鏡負責使手掌獲得均勻的光照;透紅外濾光片負責濾去反射回攝像鏡頭的可見光;塑膠鏡頭負責對手掌及其靜脈成像;紅外偏振片負責掌紋特征對圖像質(zhì)量的影響?；诖?，本文主要研究光源的選擇，勻光透鏡的設計實現(xiàn)，塑膠鏡頭的選型及設計，以期為同行提供借鑒。

關鍵詞：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：TP391.41文獻標識碼：A文章編號：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

生物識別具有廣泛性、穩(wěn)定性和唯一性，目前已成為身份識別的重要手段。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，其結構復雜難以被復制。另外，掌靜脈拍攝時需要將手掌伸平，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將不能通過認證，所以掌靜脈又可以作為“活體識別”的依據(jù)。掌靜脈的以上特點使掌靜脈識別具有獨特優(yōu)勢，而光學產(chǎn)品的應用在掌靜脈識別中占有舉足輕重的地位。

1 光源的選擇

目前，大多數(shù)掌靜脈識別設備偏大，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格較為昂貴，而近紅外LED（Light-Emitting Diode）價格便宜，應用廣泛，因此，在本項目中，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，波長選擇是一個重要問題。在波長選擇上，筆者通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，各文獻選擇的波長不一，大致分為5種：760 nm、850 nm、890 nm、940 nm和960 nm。也有文獻或者實驗選擇上述5種波長中的兩種組合起來作為光源[1]。對于波長的選擇，筆者先做了大量的試驗，利用不同波長的LED，在相同環(huán)境下對同一手掌進行拍攝，選取多人進行試驗，以通過對比試驗圖像選出最合適的波長，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較優(yōu)。算法團隊對筆者之前的圖像數(shù)據(jù)進行處理，從識別特征提取角度和特征匹配角度對掌靜脈圖像進行識別性能比較。結果表明，從識別特征提取角度來看，850 nm優(yōu)于其他3種波長;從特征匹配的角度來看，940 nm優(yōu)于其他3種波長。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波長和940 nm波長組合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)形陣列進行對比，分別對三種陣列上方的輻照度值進行測量，在三種LED陣列分布的光源正上方5 cm處均勻地取25個測試點，測量光照強度。三種陣列的邊緣和中心[中心的坐標為（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兩種波長的雙芯近紅外LED燈珠比單獨使用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 勻光透鏡的設計實現(xiàn)

由于近紅外LED是點光源，不可能給出完全均勻的面光源，因此，在掌靜脈識別設備中需要加入勻光裝置，使點光源轉變?yōu)槊婀庠础Ｄ壳?，多?shù)掌靜脈識別設備主要通過添加導光環(huán)的方式實現(xiàn)勻光作用，這類導光環(huán)的高度往往在8～12 mm，而本項目掌靜脈門禁產(chǎn)品的厚度要求不超過30 mm，上述導光環(huán)的高度不利于系統(tǒng)小型化。為了縮小系統(tǒng)結構，勻光裝置的大小也應控制在一定范圍內(nèi)，筆者參與設計了一款勻光透鏡。該款勻光透鏡采用多個棱鏡細密分布的形式取代傳統(tǒng)導光環(huán)的霧面作為出光面，同時出光面設置成約45°的斜面。光學模擬采用了8顆環(huán)形陣列排布的燈珠，共千萬條光線，模擬結果如圖1所示。采用此設計，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。

通過改進鏡頭和勻光裝置，整個掌靜脈識別系統(tǒng)的厚度縮減到13 mm，實現(xiàn)小型化[4]。

分別對未加勻光透鏡的光源與加上勻光透鏡的光源進行配光模擬，結果如圖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的作用。

3 塑膠鏡頭的選型及設計

在圖像傳感芯片的選擇上，出于成本考量，筆者選擇了價格便宜的COMS芯片，為了兼顧數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，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)靜脈識別設備采用全玻璃鏡頭，光學總長在10 mm以上，更有甚者做到了15 mm以上，這大大增加了整個系統(tǒng)結構的大小和重量，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，光學總長最終做到了5.36 mm，F(xiàn)OV（Field of View，視場角）為135°，光學畸變<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處完成注冊和認證。筆者負責鏡頭的芯片規(guī)格、外形尺寸、鏡頭結構、鏡頭焦距、視場角、光學總長等參數(shù)的規(guī)定，同時對鏡頭的光學設計進行評審，以確保其能符合掌靜脈的實際應用，在鏡頭試做以及量產(chǎn)過程中，檢測成像質(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，在保證美觀的同時可以避免可見光對成像的影響。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。

在查閱了多數(shù)國內(nèi)外的文獻之后，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入皮下組織，被皮下組織和血管散射和吸收，其偏振方向會發(fā)生一定的偏轉。要想達到消除發(fā)光的目的，必須同時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)結構，又能實現(xiàn)消除掌紋反光的目的。

6 結論

光學產(chǎn)品的應用在掌靜脈識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掌靜脈成像系統(tǒng)進行提升。主要結論如下。

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

②采用多個棱鏡細密分布的形式取代傳統(tǒng)導光環(huán)的霧面作為出光面，同時出光面設置成約45°的斜面，可以實現(xiàn)勻光作用。

③采用3P全塑近紅外成像鏡頭，光學總長最終做到了5.36 mm，F(xiàn)OV（視場角）為135°，可以使手掌在距離系統(tǒng)50 mm處完成注冊和認證。

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

參考文獻：

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[3]苑瑋琦，董康.非接觸式掌紋圖像采集裝置的研究[J].微型機與應用，2010（1）：16-19.

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[5]林森，吳微，苑瑋琦.采用紋理近鄰模式的掌靜脈生物特征識別研究[J].儀器儀表學報，2015（10）：2330-2338.