手機虹膜識別鏡頭設計

摘要：隨著近年來圖像傳感器的快速商用化以及生物識別算法的發展，虹膜識別功能得以應用 於移動終端設備。獲取虹膜圖像是虹膜識別的關鍵一步，運用ZEMAX光學設計軟體設計了一款適用於手機的虹膜識別鏡頭。該鏡頭採用豪威科技公司OmniVision_OV2281傳感器，採用三片式 非球面光學塑料設計，F數為2.3，全視場角為34°，在1/2奈奎斯特頻率220lp/mm處MTF值均大於0.39，且系統總長僅3mm。根據ZEMAX像質評價方法以及公差分析結果可知，該鏡頭各項光學指標優良，具有像質好、體積小，質量輕、價格低、容易加工等特點。

關鍵詞：光學設計；虹膜識別；ZEMAX；光學塑料；非球面鏡頭

引言

在當今信息交互頻繁的時代中，相較於純密 碼、PIN碼等保護方式，生物識別技術因其特有的 優越性已然成為主流，其中虹膜識別技術因人體 虹膜的特徵具有唯一性、高防偽、長期穩定、非接 觸、極高的可靠性等優點。早期，虹膜識別存在 識別精度低、採集設備體積大等弊端，隨著近年來CMOS圖像傳感器集成能力的提高以及製造成本 的下降，虹膜識別技術得以應用於行動裝置終 端。在1993年，英國劍橋大學的John Daugman教 授實現了一個性能較好的虹膜識別系統，並且創立 了至今在虹膜識別算法中仍在使用的DAUGMAN 核心算法，其基本原理是利用微積分法找到梯 度變化最大處確定虹膜邊界。加拿大約克大學的Richard Wildes在1996年設計出基於Wildes算法的虹膜識別系統。在國內，2009年中科院自動化 研究所設計了虹膜分割定位算法以及虹膜特徵提 取算法，並且算法在精度和速度上都優於先前的 方法[5]，基於這兩種算法，設計出遠距離的虹膜識 別系統，在精度上與近距離識別系統相近。

近幾年，虹膜識別功能逐步成為手機安全的標 準配置，國內主流為中科虹霸。主要參數為：支持 2 M、5 M、8 M傳感器，識別距離20 cm～40 cm，自 主研發的算法錯誤接受率小於百萬分之一，典型 產品為國美K1、U1。國外主流為三星手機，實際 應用鏡頭像素為200萬或300萬，典型產品為三星 S8、S9。虹膜識別技術的重要技術之一是虹膜圖 像的獲取，而虹膜圖像的質量由成像系統的成像 質量決定，從而影響識別的準確率和算法。

基於對目前市場上已有的虹膜識別鏡頭的性 能、優缺點等情況的了解，使用ZEMAX軟體設計 一款成像優良的手機虹膜識別鏡頭。該設計鏡頭 解析度等性能可滿足市場商用鏡頭要求，且具有 體積小、質量輕、成本低等優勢。

1 設計要求

1.1 傳感晶片匹配

現階段使用的圖像傳感器，一種是廣泛使用的CCD(charge couple device)電荷藕合元件；另一種 是CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 互補金屬氧化物半導體器件。由於CMOS有著集 成性好、體積小、功耗低且價格低廉等特點[7]，能 夠大規模量產，並且在圖像質量上已接近CCD傳 感器。綜合考慮，本設計應用豪威科技公司的 OmniVision_OV2281型號COMS傳感器，該晶片是OmniVision公司專為虹膜識別鏡頭設計，有效解析度為1920×1080 pixel，像素尺寸為1.12 μm， 經計算其奈奎斯特頻率為446 lp/mm。

1.2 設計參數

根據實際要求和優化方向綜合考慮，設計參數 如表1所示。

1.3 鏡片材料的選擇

虹膜識別鏡頭工作在紅外光區域，需要對850 nm 波段左右的紅外光有良好的透光率。作為手機前置鏡頭，要求體積足夠小，質量輕。光學塑料擁有 質量輕、成本低、量產型好等特點，因而經過參數篩選本設計使用ZEONEX 480R光學塑料，該材料對400 nm～900 nm波段具有優良的透過率，折射率與阿貝數較為合理，製造成本較低，適合大批量生產應用。

2 初始結構的選擇及優化

2.1 選擇初始結構

對於光學設計而言，初始結構的選擇尤為重 要，理想的初始結構是光學設計成功的一半。選擇初始結構一般有兩種方法：一是基於像差理論求出光學參數；二是選取專利庫中結構相近的設計，利用縮放功能得到初步的結構[8]。本設計選擇了後者，採用專利結構縮放法。通過查閱文獻，選 取專利號為US 9134508B2中一個結構作為初始結構，如圖1所示。其中F數為2.8，鏡頭總長為3.45mm。

圖1.初始結構

2.2 優化過程

首先使用默認評價函數對初始結構的鏡片厚 度比以及像差進行修正，針對大小像差不同情況，應用不同的默認函數進行設置。本設計使用了各種操作數進行具體的限制優化，主要優化條件如下：1) 使用EFFL限制焦距，使用TOTR操作數限 制總長小於4 mm。

......

4 結論

基於ZEMAX軟體，設計了一款手機虹膜識別鏡 頭。該鏡頭採用豪威科技公司OmniVision_OV2281 傳感器，由3片非球面光學塑料鏡片組成，具體設 計參數包括：F數為2.3，全視場角為34°，工作距離 在280 mm～350 mm等，鏡頭總長僅3 mm。ZMEAX 軟體對像質評價結果顯示，在1/2奈奎斯特頻率 220 lp/mm處MTF值均大於0.39，光學畸變小於2%，相對照度高達92%，達到了虹膜識別鏡頭的各 項光學性能指標。公差分析結果顯示，MTF值穩 定、波動小，表明該設計鏡頭可進行實際加工制 造。本設計鏡頭性能指標可達到視場商用鏡頭的 各項性能，且具有長度短、質量輕，易於加工、成本 低等優點。