專利名稱：用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
申請?zhí)枮?00610087604. X的《面部/虹膜組合光學(xué)成像的裝置及方法》是申請人 早期申請的專利。在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)其還存在著以下不足之處虹膜圖像成像裝置光 學(xué)系統(tǒng)與電機(jī)機(jī)械控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，制造工藝要求和成本都很高，降低了實際大規(guī)模應(yīng) 用時的可靠性，裝置體積也過大。另一重要問題是獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像所需要的時 間，特別在實際大規(guī)模應(yīng)用時由于用戶使用時間短和不能保持超過1秒以上時間的相對靜 止，因此有部分用戶(特別是初次使用)不能被一次快速完成，獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像 存在反復(fù)操作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝 置及其控制方法，本發(fā)明主要改進(jìn)用于虹膜識別的虹膜圖像成像裝置光學(xué)系統(tǒng)與電機(jī)機(jī)械 控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，可靠性，降低制造成本，減小裝置體積；另一重要改進(jìn)問題是獲取高質(zhì) 量的虹膜紋理圖像所需要的時間，特別在實際大規(guī)模應(yīng)用時由于用戶使用時間短和不能保 持長時間相對靜止，因此獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像所需要時間要保證在0. 1秒(100ms) 內(nèi)快速完成。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像 裝置及其控制方法，它包括以下技術(shù)特征與內(nèi)容 —種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，包括由自動聚焦成像光路系統(tǒng) (AFoptical imaging system)，照明系統(tǒng)，距離測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成；
自動聚焦成像光路系統(tǒng)由 中心波長750-850nm的光學(xué)帶通濾光片(Bandpass Filter),
液態(tài)光學(xué)透鏡(Liquid Lens)， 固定焦足巨光學(xué)成亍象透f竟(Fixed Focal Length imaging lens)， 百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器(Mega Pixels CMOS image sensor)組成， 且各中心依次排列在主光學(xué)軸上，并集成在密封的模組結(jié)構(gòu)內(nèi)； 照明系統(tǒng)由 至少兩組中心波長750-850nm的LED光源組成，并對稱設(shè)置在主光學(xué)軸的兩側(cè)，分 別組合成像左右虹膜，形成至少四種組合照明成像角度。 距離測量系統(tǒng)由紅外線距離測量傳感器或超聲波距離測量傳感器組成； 控制系統(tǒng)由 驅(qū)動板和圖像處理主板組成， 驅(qū)動板連接自動聚焦成像光路系統(tǒng)，照明系統(tǒng)及距離測量系統(tǒng)用于執(zhí)行驅(qū)動，
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圖像處理主板連接驅(qū)動板用于實現(xiàn)自動聚焦過程控制。
自動聚焦虹膜圖像成像裝置 自動聚焦成像光路系統(tǒng)具有在物平面，最小單位像素空間分辨率為20pixel/mm， 最小光學(xué)空間分辨率在調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等于60%的調(diào)制度即對比度時為101p/mm，光 學(xué)畸變小于O. 1%。
自動聚焦虹膜圖像成像裝置 百萬像素級分辨率CMOS圖像傳感器至少為5百萬像素級分辨率，用于獲取包括 雙眼的在內(nèi)的整個面部細(xì)節(jié)分辨率圖像，曝光時間小于1/300秒，即圖像幀積分時間小于 3. 33ms毫秒。 本發(fā)明的用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，自動聚焦成像光路系統(tǒng)中
的液態(tài)光學(xué)透鏡和百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器分別與驅(qū)動板相連；照明系統(tǒng)中
的LED光源與驅(qū)動板相連；距離測量系統(tǒng)中的紅外線距離測量傳感器或超聲波距離測量
傳感器與驅(qū)動板相連。在本發(fā)明中，圖像處理主板本身不與自動聚焦成像光路系統(tǒng)的任何
具體部件相連，它是通過連接驅(qū)動板以實現(xiàn)間接對自動聚焦成像光路系統(tǒng)中的液態(tài)光學(xué)透
鏡、百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器部件的自動聚焦過程控制。 控制系統(tǒng)采用的自動聚焦過程控制方法，包括以下步驟 (1).距離測量系統(tǒng)檢測當(dāng)前用戶與裝置的物距及運(yùn)動速度信息； (2).檢測該物距和運(yùn)動速度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，如果是執(zhí)行下一步驟，如果否
執(zhí)行上一步驟； (3).啟動照明系統(tǒng)； (4).設(shè)置CMOS圖像傳感器低分辨率的預(yù)覽模式；
(5).對自動聚焦成像光路系統(tǒng)執(zhí)行自動聚焦搜索； 定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF，物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍 中心，在聚焦位置局部搜索范圍內(nèi)，指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/ 驅(qū)動電壓關(guān)系值，輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置，以低分辨率搜索步長 采樣各聚焦位置圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，獲得各圖像中焦點(diǎn)質(zhì)量評估值最大值 所對應(yīng)的聚焦位置為中心，再次以該聚焦位置為新的局部聚焦位置搜索范圍，以高分辨率 搜索步長采樣，循環(huán)上述步驟，終止于搜索采樣步長為D0F，完成自動聚焦，聚焦位置位于焦 點(diǎn)位置； (6).設(shè)置CMOS圖像傳感器全分辨率的輸出模式；
(7).獲得高質(zhì)量的虹膜紋理圖像進(jìn)行虹膜識別處理。
所述自動聚焦虹膜圖像成像裝置，其特征是
自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF定義
DOF " 4/ (1. 22* A ) *UPS2/MAG2 其中UPS為CMOS圖像傳感器的單位像素尺寸，A為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的中 心波長，MAG為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的光學(xué)放大倍率。
所述自動聚焦虹膜圖像成像裝置，其特征是
簡化的自動聚焦搜索方法，包括以下步驟
(1)定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF ;
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定義物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍中心PositionCenter ; 定義聚焦位置局部搜索范圍[PositionCenter-4*D0F， PositionCenter+4*D0F]; 定義搜索采樣步長為高分辨率DOF (分辨率±D0F/2); (2)在局部搜索范圍內(nèi)[PositionCenter-4*D0F， PositionCenter+4*D0F]，按采 樣步長D0F，確定9個聚焦位置； (3)在指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動電壓關(guān)系值， 輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置； (4)分別獲得9個聚焦位置的圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，選取圖像焦點(diǎn)質(zhì) 量評估值的最大值對應(yīng)的聚焦位置(分辨率±D0F/2)為焦點(diǎn)位置，完成自動聚焦。
總結(jié)上述描述，本發(fā)明的用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置具有無電機(jī) 機(jī)械活動部件，控制簡單，可靠性高，制造成本低，裝置體積小，同時保證在0. 1秒速度內(nèi)快 速獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為本發(fā)明具體實施例1成像裝置的具體部件組成構(gòu)造圖；
圖2為本發(fā)明具體實施例1成像裝置的自動聚焦過程控制流程圖；
圖3為本發(fā)明具體實施例1成像裝置的自動聚焦方法流程圖；
圖4為本發(fā)明具體實施例1成像裝置的自動聚焦方法的簡化流程圖。
具體實施例方式
實施例1、圖1描述了具體實施例1的自動聚焦虹膜圖像成像裝置100的具體部件 組成構(gòu)造圖，它包括以下部件組成 控制系統(tǒng)l，照明系統(tǒng)2，圖像處理主板3，主處理器4，內(nèi)存5，存儲器6，驅(qū)動板接 口 7，驅(qū)動板8，自動聚焦成像光路系統(tǒng)9，百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器10，固定焦 距光學(xué)成像透鏡ll，液態(tài)光學(xué)透鏡12，光學(xué)帶通濾光片13，距離測量系統(tǒng)14，光電指示器 15，語音提示器16，連接線17，紅外透射光學(xué)塑料18L/18R，左眼19L，左眼虛像19L'，右眼 19R，右眼虛像19R'，左側(cè)LED光源20，右側(cè)LED光源21，左側(cè)LED光源與左眼照明成像角 度20L，左側(cè)LED光源與右眼照明成像角度20R，右側(cè)LED光源與左眼照明成像角度21L，右 側(cè)LED光源與右眼照明成像角度21R，液態(tài)光學(xué)透鏡電壓正極引線22L，液態(tài)光學(xué)透鏡電壓 負(fù)極引線22R，主光學(xué)軸23。 上述自動聚焦成像光路系統(tǒng)9由中心波長750-850nm的光學(xué)帶通濾光片13，液態(tài) 光學(xué)透鏡12，固定焦距光學(xué)成像透鏡11，百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器10組成，并 且各中心依次排列在主光學(xué)軸23上。自動聚焦成像光路系統(tǒng)9集成在密封的模組結(jié)構(gòu)內(nèi)。
上述照明系統(tǒng)2由中心波長750-850nm的左側(cè)LED光源20和右側(cè)LED光源21組 成，并對稱設(shè)置在主光學(xué)軸23的兩側(cè)，分別組合成像左右眼虹膜19L19R，形成至少四種組 合照明成像角度20L20R21L21R。 上述距離測量系統(tǒng)14由紅外線距離測量傳感器或超聲波距離測量傳感器組成。
上述控制系統(tǒng)1由驅(qū)動板8和圖像處理主板3組成。
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上述圖像處理主板3由主處理器4，內(nèi)存5，存儲器6，驅(qū)動板接口 7組成。內(nèi)存5， 存儲器6，驅(qū)動板接口 7分別與主處理器4相連。 驅(qū)動板8用于執(zhí)行自動聚焦成像光路系統(tǒng)9，照明系統(tǒng)2，距離測量系統(tǒng)14的驅(qū) 動，圖像處理主板3通過連接線17連接驅(qū)動板8到驅(qū)動板接口 7實現(xiàn)自動聚焦過程控制。
上述照明系統(tǒng)2采用的中心波長750-850nm的左側(cè)LED光源20和右側(cè)LED光 源21，用于分別照明左眼19L和右眼19R的眼睛虹膜，相匹配的750-850nm光學(xué)帶通濾光 片13反射外部環(huán)境的可見光用于左眼虛像19L'和右眼虛像19R'的視覺反饋定位，透射 750-850nm近紅外光用于液態(tài)光學(xué)透鏡12和固定焦距光學(xué)成像透鏡11的組合光學(xué)聚焦，最 后物理成像在CMOS圖像傳感器10。 更進(jìn)一步，上述光學(xué)帶通濾光片13前表面可附加安裝光學(xué)級PC或PMMA透光板， 具有保護(hù)光學(xué)帶通濾光片13，提高在各種應(yīng)用環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和使用壽命。
上述自動聚焦成像光路系統(tǒng)9具有在物平面，單位像素空間分辨率(pixel resolution)大于20pixel/mm，光學(xué)空間分辨率(optical resolution)在調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)等于60%的調(diào)制度即對比度時大于101p/mm，光學(xué)畸變小于0. 1%，使虹膜圖像質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)高于IS0/IEC19794-6 :2005的規(guī)定。 自動聚焦成像光路系統(tǒng)9集成在密封的模組結(jié)構(gòu)內(nèi)，以提高在各種應(yīng)用環(huán)境下的 穩(wěn)定性和使用壽命，同時密封的模組化結(jié)構(gòu)有利于批量制造時誤差控制和提高精確度。
為保證獲得使虹膜圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高于IS0/IEC 19794-6 :2005的規(guī)定，百萬像素 級分辨率的CMOS圖像傳感器10至少為5百萬像素級分辨率，用于獲取包括雙眼的在內(nèi)的 整個面部細(xì)節(jié)分辨率圖像，為進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，減少運(yùn)動模糊，設(shè)置CMOS圖像傳感器 10的曝光時間< 1/300秒，即圖像幀積分時間小于3. 33ms毫秒。上述百萬像素級分辨率的 CMOS圖像傳感器10可選用如Micron (Aptina)的MT9P031I12STM單色類型，具有2592*1944 像素，2. 2um單位像素尺寸。 液態(tài)光學(xué)透鏡12由水和油兩種液態(tài)介質(zhì)構(gòu)成，并通過驅(qū)動板8的液態(tài)光學(xué)透鏡電 壓正極引線22L和液態(tài)光學(xué)透鏡電壓負(fù)極引線22R施加于介質(zhì)上的電壓的電荷張力使兩種 液態(tài)介質(zhì)的界面形變，獲得不同的光學(xué)屈光度，實現(xiàn)聚焦位置調(diào)節(jié)。 液態(tài)光學(xué)透鏡12和固定焦距光學(xué)成像透鏡11組合形成用于成像虹膜紋理圖像的 自動聚焦成像關(guān)鍵光學(xué)部件，與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，音圈電機(jī)和超聲波電機(jī)驅(qū)動的鏡頭相比 具有無活動部件，高可靠性，使用壽命長，重復(fù)性好，精確度高，無噪音，快速反應(yīng)時間，光學(xué) 質(zhì)量高，成本低。上述液態(tài)光學(xué)透鏡12可選用如VARI0PTIC的ARCTIC 314類型。
上述主處理器4可選為如TI TMS320DM6446/67或TMS320DM64X系列處理器，內(nèi)存 5為DDR2內(nèi)存，存儲器6為N0R/NAND flash閃存，存儲器6存儲用于自動聚焦的液態(tài)光學(xué) 透鏡12的驅(qū)動電壓與聚焦位置的關(guān)系值快速查找表(Lookup-Table)，根據(jù)指定的聚焦位 置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動電壓關(guān)系值。 由于用戶在使用成像裝置時存在相對于主光學(xué)軸23來說不同的眼睛位置傾斜角 度，不同的成像角度會影響到成像的虹膜圖像質(zhì)量，另外特別是在用戶帶眼鏡使用的情況 下，虹膜圖像質(zhì)量會受到強(qiáng)烈的鏡面反射干擾。為了改進(jìn)虹膜成像質(zhì)量，本發(fā)明采用至少兩 組LED光源，并對稱設(shè)置在主光學(xué)軸的兩側(cè)，分別組合成像左右眼虹膜，形成至少四種組合 照明成像角度，保證左右眼虹膜都能獲取高質(zhì)量的紋理圖像。
上述圖1中來自左側(cè)LED光源20，分別照明左眼19L和右眼19R，分別獲得左側(cè)
LED光源與左眼照明成像角度20L，左側(cè)LED光源與右眼照明成像角度20R。 上述圖1中來自右側(cè)LED光源21，分別照明左眼19L和右眼19R，分別獲得右側(cè)
LED光源與左眼照明成像角度21L，右側(cè)LED光源與右眼照明成像角度21R。 盡管本具體實施例以左右兩側(cè)LED光源為例，但相對于主光學(xué)軸23來說其它不同
數(shù)量不同幾何位置的照明光源與左右眼睛虹膜分別組合形成照明成像角度應(yīng)被等同理解。
紅外透射光學(xué)塑料18L/18R由PC或PMMA樹脂原料混合能吸收可見光高透射700nm以上紅
外光的色料組成，中心波長750-850nm的左側(cè)LED光源20和右側(cè)LED光源21能高透射，而
視覺上呈現(xiàn)黑色，因此保證用戶看不到裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)而達(dá)到視覺上美觀效果。 光電指示器15用于指示裝置當(dāng)前狀態(tài)，如至少指示用戶所處位置的距離是否合
適，虹膜識別成功或失敗，語音提示器16也能進(jìn)一步改進(jìn)用戶和裝置的人機(jī)接口，如語音
指示用戶應(yīng)該靠近或離遠(yuǎn)，睜大眼睛等。 圖像處理主板3也可由USB接口連接計算機(jī)等效替代，自動聚焦和虹膜識別計算 由計算機(jī)實現(xiàn)。 上述內(nèi)容詳細(xì)描述本發(fā)明具體實施例1構(gòu)成自動聚焦虹膜圖像成像裝置的各部 件功能，作用和特征。 以下詳細(xì)描述本發(fā)明具體實施例1虹膜圖像成像裝置的控制系統(tǒng)1采用的自動聚 焦過程控制方法，該控制方法實現(xiàn)獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像。如圖2所示為本發(fā)明具體 實施例1成像裝置的自動聚焦過程控制流程圖。
控制系統(tǒng)1的自動聚焦過程控制方法包括以下步驟 1).圖像處理主板3通過驅(qū)動板8獲取由距離測量系統(tǒng)14檢測到的當(dāng)前用戶與裝 置的物距及運(yùn)動速度信息。 2).圖像處理主板3檢測該物距和運(yùn)動速度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，如果是執(zhí)行下 一步驟，如果否執(zhí)行上一步驟，并通過語音指示器16和/或光電指示器15指示用戶。
3).圖像處理主板3通過驅(qū)動板8啟動照明系統(tǒng)2。 4).圖像處理主板3通過驅(qū)動板8設(shè)置百萬像素級的CMOS圖像傳感器10低分辨 率的預(yù)覽模式； 低分辨率的預(yù)覽模式使圖像幀采集速度> 30fps (幀每秒)，典型的如60fps，以更 大程度上提高自動聚焦速度。 5).圖像處理主板3通過驅(qū)動板8對自動聚焦成像光路系統(tǒng)9執(zhí)行自動聚焦。
6).圖像處理主板3通過驅(qū)動板8設(shè)置百萬像素級CMOS圖像傳感器10全分辨率 的輸出模式。 7).獲得高質(zhì)量的虹膜紋理圖像用于圖像處理主板3進(jìn)行虹膜識別處理。
在實際應(yīng)用中，由距離測量系統(tǒng)14檢測到的當(dāng)前用戶與裝置的物距信息常受到 噪聲干擾，如頭發(fā)或鼻翼，修飾物等，故不能被用于執(zhí)行精確的開環(huán)反饋控制的自動聚焦。
傳統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的自動聚焦方法，其被設(shè)計用于遠(yuǎn)景和相應(yīng)的小光學(xué)放大倍率 的場景應(yīng)用，盡管采用模糊到精確的迭代搜索方法使自動聚焦速度提高，但受限于閉環(huán)反 饋控制的振蕩( 一般5次以上)，每幀圖像采集時間和處理時間，液態(tài)光學(xué)透鏡本身建立時 間(settling time)等限制，在理想環(huán)境下(合適的光強(qiáng)，物體靜止)自動聚焦時間一般地說在1秒左右。更進(jìn)一步的，特別是在獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像的應(yīng)用環(huán)境下，需求很大 的光學(xué)放大倍率(如0. 044-0. 104倍)和近攝距成像(如25-50CM)，用戶輕微的運(yùn)動都能 使該自動聚焦過程受到干擾影響。 需改進(jìn)問題是減少獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像所需要的時間，特別在實際大規(guī)模 應(yīng)用時由于用戶使用時間短和不能保持長時間相對靜止，因此獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像 所需要時間要保證在0. 1秒(100ms)內(nèi)快速完成。 本發(fā)明的自動聚焦方法利用特別設(shè)計定義的自動聚焦成像光路系統(tǒng)9的景深 (d印th of field)控制來實現(xiàn)聚焦位置搜索準(zhǔn)確的定位焦點(diǎn)位置，在預(yù)定的自動聚焦成像 光路系統(tǒng)9的景深范圍內(nèi)都能保證獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像成像。
自動聚焦成像光路系統(tǒng)9的景深存在以下近似的幾何關(guān)系
DOF " 2*F#*C0C*(1+MAG)/MAG2
其中 F#為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的等效光圈； COC為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的最大容許模糊圓(maximum permissible circle ofconfusiorO ; MAG為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的光學(xué)放大倍率。 更進(jìn)一步的，本發(fā)明特別設(shè)計定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)9的最小光學(xué)分辨率為
CMOS圖像傳感器的單位像素尺寸UPS (unit pixel size)，最大容許模糊圓C0C為圖像傳感
器的單位像素尺寸的2倍 C0C = 2*UPS F# = UPS/(1. 22* A *(1+MAG)) 最后自動聚焦成像光路系統(tǒng)(9)的景深存在以下簡化近似的幾何關(guān)系
DOF " 4/ (1. 22* A ) *UPS2/MAG2 舉例說明，本發(fā)明具體實施例1自動聚焦成像光路系統(tǒng)9，在光學(xué)放大倍率 =0.044， CMOS圖像傳感器的單位像素尺寸UPS = 2.2um，中心波長A = 800nm時， DOF " lOmrn。 根據(jù)本發(fā)明特別設(shè)計定義的自動聚焦成像光路系統(tǒng)的光學(xué)景深范圍，當(dāng)聚焦位置 搜索分辨率為±D0F/2時聚焦位置準(zhǔn)確地定位焦點(diǎn)位置，即光學(xué)景深范圍內(nèi)。
本發(fā)明的具體實施例1自動聚焦方法，如圖3為本發(fā)明具體實施例1成像裝置的 自動聚焦方法流程圖，該方法描述具體為 定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF，物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍 中心，在聚焦位置局部搜索范圍內(nèi)，指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/ 驅(qū)動電壓關(guān)系值，輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置，以低分辨率搜索步長 采樣各聚焦位置圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，獲得各圖像中焦點(diǎn)質(zhì)量評估值最大值 所對應(yīng)的聚焦位置為中心，再次以該聚焦位置為新的局部聚焦位置搜索范圍，以高分辨率 搜索步長采樣，循環(huán)上述步驟，終止于搜索采樣步長為D0F，完成自動聚焦，聚焦位置位于焦 點(diǎn)位置。 (1)定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF ; 定義物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍中心PositionCenter ;
定義搜索采樣步長為N*D0F(分辨率±N*D0F/2); 定義聚焦位置局部搜索范圍[PositionCenter-S*N*DOF， PositionCenter+S承N承DOF]; (2)在局部搜索范圍內(nèi)[PositionCenter-S*N*DOF， PositionCenter+S*N*DOF]， 按采樣步長，DOF，確定(2S+1)個聚焦位置； (3)在指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動電壓關(guān)系值， 輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置； (4)分別獲得(2S+1)個聚焦位置的圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，選取圖像 焦點(diǎn)質(zhì)量評估值的最大值； (5)重定義圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值的最大值對應(yīng)的聚焦位置為新局部搜索范圍中心 PositionCenter j 重定義N = N/2， S = S/2 ; (6)循環(huán)步驟(2-5)，終止條件為搜索采樣步長等于D0F(分辨率±D0F/2);
(7)圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值的最大值對應(yīng)的聚焦位置為焦點(diǎn)位置，完成自動聚焦。
更進(jìn)一步的，上述自動聚焦方法的優(yōu)點(diǎn)是搜索步驟能控制在2-3個循環(huán)以內(nèi)，聚 焦位置搜索次數(shù)10次以內(nèi)，保證實現(xiàn)聚焦位置準(zhǔn)確的定位成像光路系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。本發(fā) 明的具體實施例1可選取N = 2， S = 2，搜索步驟能控制在2個循環(huán)，聚焦位置搜索次數(shù)8 次。 根據(jù)具體實施例1自動聚焦方法，作為一種簡單的變換，實現(xiàn)更有效快速的一次 性自動聚焦搜索，無需反復(fù)循環(huán)搜索。如圖4為本發(fā)明具體實施例l成像裝置的自動聚焦 方法的簡化流程圖，詳細(xì)的舉例說明，包括以下步驟
(1)定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF ; 定義物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍中心PositionCenter ; 定義聚焦位置局部搜索范圍[PositionCenter-4*D0F， PositionCenter+4*D0F]; 定義搜索采樣步長為高分辨率D0F(分辨率±D0F/2); (2)在局部搜索范圍內(nèi)[PositionCenter-4*D0F， PositionCenter+4*D0F]，按采 樣步長D0F，確定9個聚焦位置； (3)在指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動電壓關(guān)系值， 輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置； (4)分別獲得9個聚焦位置的圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，選取圖像焦點(diǎn)質(zhì) 量評估值的最大值對應(yīng)的聚焦位置(分辨率±D0F/2)為焦點(diǎn)位置，完成自動聚焦。
上述簡化的自動聚焦方法，搜索步驟能控制在1個循環(huán)，聚焦位置搜索次數(shù)9次， 保證實現(xiàn)聚焦位置準(zhǔn)確的定位成像光路系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。 本發(fā)明的方法本質(zhì)性的利用了物距信息和特別設(shè)計定義的自動聚焦成像光路系 統(tǒng)的景深組合控制來實現(xiàn)聚焦位置搜索準(zhǔn)確的定位焦點(diǎn)位置，具有綜合開環(huán)反饋控制和閉 環(huán)反饋控制的自動聚焦方法的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明的自動聚焦方法具有聚焦位置準(zhǔn)確地焦點(diǎn)位置定位，分辨率為士D0F/2，保 證焦點(diǎn)位置位于自動聚焦成像光路系統(tǒng)定義的光學(xué)景深范圍內(nèi)，具有光學(xué)原理上的高可靠 性，高穩(wěn)定性，高精確度的特征。同時完成自動聚焦所需的搜索步驟能控制在2-3個循環(huán)以
10內(nèi)，聚焦位置搜索次數(shù)10次以內(nèi)，搜索性能被最優(yōu)化，使自動聚焦速度達(dá)到最大化，能保證在0. 1秒(100ms)內(nèi)快速完成獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像。 本發(fā)明描述的具體實施例內(nèi)容和技術(shù)特征，可以在相同或等同理解的范圍內(nèi)相互組合，修改及增減等操作以進(jìn)行具體實施例實施，如采用光路等價變換，步驟等價替換，光學(xué)參數(shù)等價變化，光學(xué)元件等價替代，具體結(jié)構(gòu)等價更改，或安裝位置等價變形等。
權(quán)利要求
一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，包括自動聚焦成像光路系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、距離測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，其特征是自動聚焦成像光路系統(tǒng)包括中心波長750-850nm的光學(xué)帶通濾光片、液態(tài)光學(xué)透鏡、固定焦距光學(xué)成像透鏡和百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器；所述光學(xué)帶通濾光片、液態(tài)光學(xué)透鏡、固定焦距光學(xué)成像透鏡和CMOS圖像傳感器的中心依次排列在主光學(xué)軸上，并集成在密封的模組結(jié)構(gòu)內(nèi)；照明系統(tǒng)包括至少兩組中心波長750-850nm的LED光源，所述LED光源對稱設(shè)置在主光學(xué)軸的兩側(cè)，分別組合成像左右虹膜，形成至少四種組合照明成像角度；距離測量系統(tǒng)包括紅外線距離測量傳感器或超聲波距離測量傳感器；控制系統(tǒng)包括相互連接的驅(qū)動板和圖像處理主板，驅(qū)動板連接自動聚焦成像光路系統(tǒng)，照明系統(tǒng)及距離測量系統(tǒng)用于執(zhí)行驅(qū)動，圖像處理主板連接驅(qū)動板用于實現(xiàn)自動聚焦過程控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，其特征是自動 聚焦成像光路系統(tǒng)中的液態(tài)光學(xué)透鏡和百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器分別與驅(qū)動 板相連；照明系統(tǒng)中的LED光源與驅(qū)動板相連；距離測量系統(tǒng)中的紅外線距離測量傳感器 或超聲波距離測量傳感器與驅(qū)動板相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，其特征是 自動聚焦成像光路系統(tǒng)具有在物平面，最小單位像素空間分辨率為20pixel/mm，最小光學(xué)空間分辨率在調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等于60%的調(diào)制度，即對比度時為101p/mm，光學(xué)畸 變小于O. 1%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，其特征是百萬 像素級分辨率的CMOS圖像傳感器至少為5百萬像素級分辨率，用于獲取包括雙眼在內(nèi)的整 個面部細(xì)節(jié)分辨率圖像，曝光時間小于1/300秒，即圖像幀積分時間小于3. 33ms毫秒。
5. 利用權(quán)利要求1 4中任意一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置所進(jìn)行 的控制方法，其特征是自動聚焦過程控制方法包括以下步驟(1) 、距離測量系統(tǒng)檢測當(dāng)前用戶與裝置的物距及運(yùn)動速度信息；(2) 、檢測該物距和運(yùn)動速度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，如果結(jié)論為是，則執(zhí)行步驟(3);如 果結(jié)論為否，則返回步驟(1);(3) 、啟動照明系統(tǒng)；(4) 、設(shè)置CMOS圖像傳感器低分辨率的預(yù)覽模式；(5) 、對自動聚焦成像光路系統(tǒng)執(zhí)行自動聚焦搜索；定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深DOF，物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍中心， 在聚焦位置局部搜索范圍內(nèi)，指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動 電壓關(guān)系值，輸出電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置，以低分辨率搜索步長采樣 各聚焦位置圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，獲得各圖像中焦點(diǎn)質(zhì)量評估值最大值所對 應(yīng)的聚焦位置為中心；再次以該聚焦位置為新的局部聚焦位置搜索范圍，以高分辨率搜索 步長采樣，循環(huán)上述步驟，終止于搜索采樣步長為D0F，完成自動聚焦，聚焦位置位于焦點(diǎn)位 置；(6) 、設(shè)置CMOS圖像傳感器全分辨率的輸出模式；(7)、獲得高質(zhì)量的虹膜紋理圖像進(jìn)行虹膜識別處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征是 自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深D0F定義D0F " 4/ (1. 22* A ) *UPS2/MAG2式中UPS為CM0S圖像傳感器的單位像素尺寸，A為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的中心波 長，MAG為自動聚焦成像光路系統(tǒng)的光學(xué)放大倍率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征是簡化的自動聚焦搜索方法，包括以下步驟(1) 、定義自動聚焦成像光路系統(tǒng)的景深D0F ;定義物距所對應(yīng)的聚焦位置為局部搜索范圍中心PositionCenter ; 定義聚焦位置局部搜索范圍[PositionCenter-4*D0 F， PositionCenter+4*D0F]; 定義搜索采樣步長為高分辨率DOF(分辨率±D0F/2);(2) 、在局部搜索范圍內(nèi)[PositionCenter-4*D0F， PositionCenter+4*D0F]，按采樣步 長D0F，確定9個聚焦位置；(3) 、在指定的聚焦位置通過查表法快速得到對應(yīng)的聚焦位置/驅(qū)動電壓關(guān)系值，輸出 電壓驅(qū)動液態(tài)光學(xué)透鏡到達(dá)對應(yīng)的聚焦位置；(4) 、分別獲得9個聚焦位置的圖像，計算各圖像焦點(diǎn)質(zhì)量評估值，選取圖像焦點(diǎn)質(zhì)量 評估值的最大值對應(yīng)的聚焦位置(分辨率±D0F/2)為焦點(diǎn)位置，完成自動聚焦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置，包括自動聚焦成像光路系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、距離測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；自動聚焦成像光路系統(tǒng)包括中心波長750-850nm的光學(xué)帶通濾光片、液態(tài)光學(xué)透鏡、固定焦距光學(xué)成像透鏡和百萬像素級分辨率的CMOS圖像傳感器；照明系統(tǒng)包括至少兩組中心波長750-850nm的LED光源；距離測量系統(tǒng)包括紅外線距離測量傳感器或超聲波距離測量傳感器；控制系統(tǒng)包括相互連接的驅(qū)動板和圖像處理主板。本發(fā)明還同時公開了一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置所進(jìn)行的控制方法。本發(fā)明可在0.1秒速度內(nèi)快速獲取高質(zhì)量的虹膜紋理圖像。
文檔編號G02B7/36GK101770573SQ20101003977
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者金城 申請人:沈洪泉