Design of 5 mega-pixel imaging lens for iris recognition
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摘要: 随着虹膜识别技术的深入研究，虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。针对目前虹膜识别镜头体积和质量较大，使用Zemax光学设计软体设计一款三片式非球面结构紧凑的500万像素虹膜识别镜头。该镜头工作距离是170 mm ~250 mm，F#为3，镜头总长为4.43 mm，光学畸变小于2%，TV畸变小于0.5%，相对照度最低大于0.6。匹配使用APTINA公司一款0.635 cm(1/4英寸)CMOS, 奈奎斯特频率为357 lp/mm, 在1/2奈奎斯特频率处MTF均大于0.2，总像素可达到500万像素。最后对镜头进行了像质评价和容差分析，结果表明，该镜头满足各项光学指标要求。Abstract: With deep research, iris recognition technology is expected to be widely used in field of mobile payment. In view of big volume and quality of current iris recognition lens, Zemax optical design software is used to design compact 5 mega-pixel iris recognition lens composed of three-piece non-spherical structure. Lens working distance is 170 mm ~ 250 mm, F number is 3, total length of lens is 4.43 mm, optical distortion is less than 2%, TV distortion is less than 0.5%, relative illumination is less than 0.6. Matching 1/4" CMOS made by APTINA, Nyquist frequency of 357 lp / mm, at 1/2 Nyquist frequency, MTF are greater than 0.2, total pixel can reach 5 mega-pixel. Image quality evaluation and tolerance are analyzed. Results show that lens meet optical requirements.
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Keywords:
- optical design /
- asphere /
- imaging lens of iris /
- TV distortion
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引言
随着互联网时代的发展和移动设备的普及，移动支付、手机安全和隐私保护成为人们广泛关注的焦点，小型化移动终端对身份识别也提出了新的要求。基于人体生物特征的虹膜识别技术由于具有天然的唯一性、稳定性和便携性，以及系统体积的不断减小，虹膜技术逐渐被运用于手机上的身份识别[1]。
近年来虹膜识别技术在获取虹膜图像的成像装置以及通过图像处理和模式识别算法从虹膜图像中提取区分性特征方面都有了显著进展。一方面虹膜成像装置工作距离越做越远，成像范围越来越大，质量体积越来越小。从单独的虹膜识别设备发展到如今集成在笔记本、手机等智能移动终端虹膜识别技术。另一方面，虹膜识别算法在不断地优化与创新，Daugman利用Gabor滤波器提取虹膜图像的相位信息，用Hamming距离作为测度进行匹配。Boles提出基于小波的过零检侧方法，采用相同数目的过零点，依据相关性进行匹配。目前商用虹膜识别系统主要以Daugman算法为基础，特点是该算法能够获得很高的识别率。这些发展奠定了虹膜识别技术从固定设备到移动互联的基础[2-3]。
AOptix、EyeLock、富士通、中科虹霸公司陆续推出带有虹膜识别功能的采集模块，手机和平板电脑。针对移动终端虹膜识别镜头使用特点，本文设计了一款500万像素轻薄化的虹膜识别镜头，并对其进行像质评价与容差分析。
1 设计思想
1.1 系统参数的确定
由于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器与电荷耦合器件(CCD)相比具有体积小、集成度高、功耗低、性价比高等优点，本镜头采用APTINA公司生产的一款0.635 cm(1/4″)CMOS传感器，像元大小是1.4 μm，有效像素为2 592 (H)× 1 944(V)，总像素可达到500万pixel，奈奎斯特频率为357 lp/mm，主光线角最大角度为25.0°。
为了提高虹膜识别系统后期虹膜图像的识别率，图像采集系统使用的镜头需要设定合适参量：1)镜头的分辨率要与虹膜图像能够被识别的分辨率相匹配。2)根据通过图像采集系统采集到虹膜图像要求清晰可见，在总长减小前提下，镜头需要有较大的景深范围。结合一般拍照场合的照明情况，为了保证一定的光通量[4]，将镜头的光圈定为3。鉴于正常眼在正常照明下最舒适和最习惯的明视距离为250 mm以及智能移动设备的使用习惯，将镜头的对准距离设为200 mm。人眼的大小范围大约在长度23 mm~35 mm，宽度8 mm~18 mm之间，长度上两边是眼角，对识别无影响，因此长度上在两边各减去1/6，得15.3 mm~23.3 mm，则人眼平均长度为19.55 mm。参照虹膜图像库中图像的几种分辨率，通过以上参数联立横向放大率与物像成像公式可得对应像素的焦距, 如表 1中焦距一栏。
镜头的景深满足：
$$ \mathit{\Delta = }\frac{{2FZ'{{f'}^2}{p^2}}}{{{{f'}^4} - {{\left( {FpZ'} \right)}^2}}} $$ (1) $$ {p_1} = \frac{{p{{f'}^2}}}{{{{f'}^2} - FpZ'}} $$ (2) $$ {p_2} = \frac{{p{{f'}^2}}}{{{{f'}^2} + FpZ'}} $$ (3) $$ \mathit{\Delta = }{\mathit{p}_1} - {p_2} $$ (4) 式中：F是镜头的光圈；Z′是允许的弥散斑直径；f是镜头焦距；p1、p、p2分别是远景距离、对准距离和近景距离；Δ1、Δ、Δ2分别是远景深、景深和近景深。从(1)式可知，当弥散斑大小Z′规定后，小口径、短焦距、长工作距离可获得大景深。根据所使用的CMOS，3倍像元大小作为允许的弥散斑直径，即Z′=3×1.4 μm=0.004 2 mm，可得景深、近景距离和远景距离与焦距的关系分别如图 1和图 2所示。由图可知，当F=3, Z′=0.004 2 mm，f′>2 mm时，景深、远景距离随着焦距增大而减小，近景距离随着焦距的增大而增大。不同像素的近景距离、远景距离和景深，如表 1后3栏所示。
表 1 3种方案的对比Table 1. Comparison of three schemes像素尺寸/pixel 虹膜区域/mm×mm 焦距/mm 远景距离/mm 近景距离/mm 景深/mm 200×150 0.280×0.210 2.28 388.17 134.70 253.47 320×280 0.448×0.392 4.48 228.72 177.69 51.03 640×480 0.896×0.247 8.76 206.79 193.64 13.15 因此，对比表 1几种方案，综合考虑虹膜分辨率、景深大小，选取第二组方案。确定镜头焦距为4.48 mm，目标工作距离在178 mm~228 mm内可以清晰成像。基于结构要求，总长在保证像质良好的前提下越短越好，满足不大于4.5 mm的要求。在1/4和1/2奈奎斯特频率处考察镜头的调制传递函数，总体设计指标如表 2所示。由于虹膜只能反射红外光，本镜头主要针对波长为850 nm的红外光源进行设计。
表 2 设计参数Table 2. Design parametersF# 传感器 尺寸/cm 焦距 /mm 后截距/mm 总长/mm 相对照度/% 主光线角/(°) 光学畸变/% 电视畸变/% 传递函数/(lp/mm) 90 180 3 0.635(1/4″) 4.48 > 0.7 < 4.5 > 40 ≤25 < 2 < 0.5 > 0.5 0.2 1.2 材料的选取
目前镜片的材料主要有玻璃和光学塑料。玻璃的光学性能稳定，随温度变化影响小，缺点是加工耗时，质量大。光学塑料具有质量轻、成本低、量产性好等优点，缺点是光学性能受外界温度变化影响大。本设计用于手机等智能移动终端，对短小轻薄化有特别要求，而对温度变化影响要求不高，因此使用光学塑料。又因本设计针对主波长为850 nm的红外光源，镜头本身色差小，所以3片镜片的材料相同，均使用了聚碳酸酯(POLYCARB)，具有优异的冲击性和透明性及优良的力学性能和电绝缘材料性，使用温度范围广，尺寸稳定性高。
1.3 光学结构的选取
光学结构的选取是光学设计过程中十分重要的一部分，是设计灵魂的体现[5]。通常情况下根据光学设计指标，可以采用选取接近合适的专利结构、经验构造初始结构及高斯求解分配光焦度等方法得到优化设计的起始结构。然而对于现有的3片非球面镜头，找到参数接近，结构短小的专利还是比较困难的，要么是因为光学设计指标不满足，要么是因为非球面的阶数太高，无法方便快捷地降阶。又因为设计使用的镜片片数较少，因此可以采用经验构造初始结构和高斯求解分配光焦度的方法，本文采用了前者。当然，后者对于片数较少结构也不失为一种行之有效的方法，但不是太适用于片数较多且结构复杂的系统。为了使得TTL/EFL尽可能小(即total length/effective focal length小)，尝试着选取正-负-正的球面摄远结构形式，经初步优化得到图 3所示的正-正-负的球面初始结构，MTF(调制传递函数)如图 4所示[6-8]。
2 优化与评价
对初始结构进行外形结构的基本限制与优化，并结合各种像质评价图表进行分析，以此为依据不断地添加操作数如EFFL, TTL等，平衡各种像差，直到得到令人满意的结果。最终优化得到的结构外形、调制传递函数分别如图 5~图 7所示。从图 5可以看出，系统为正-负-负的形式，结构较为紧凑美观，镜片间距也适中，方便机械结构设计。从图 6~图 7可知，最大视场子午方向调制传递函数在90 lp/mm处为0.57，其他视场的传递函数都在0.57以上，非常贴近衍射极限位置。传递函数曲线在180 lp/mm处的最低值为0.217，传递函数均能满足设计要求。良好的传递函数对实际量产时MTF的变化提供了下降空间，对产品优良率会有所帮助[9]。
在手机镜头设计中通常会有一个光学畸变、电视畸变的参数要求，本系统也是如此。光学畸变在现有光学设计辅助软件如CODEV/Zemax/OSLO都有相应的分析功能，唯独电视畸变目前尚未被添加进去，需要用户自行扩展编程实现。电视畸变，又名为TV Distortion，它与sensor像面长宽比及光学畸变有关。采用如下公式计算电视畸变：
$$ {D_{TV}} = \frac{{\mathit{\Delta h}}}{{2h}} \times 100\% $$ 以桶形畸变为例，各变量具体含义如图 8所示。通过Zemax宏命令编程，实现了电视畸变在Zemax软件上直观图形显示，并且可获得具体相关数值。
系统的场曲与光学畸变、电视畸变分别如图 9和图 10所示。从图 9可能出，场曲较小，在0.05 mm以内，主波长光学畸变最大值为1.95%。从图 10可看出，电视畸变最大值为0.46%，在半视场角25.08°处。照度由轴上到轴外逐渐变小，在最外视场角相对照度最小值为0.66。主光线角如图 11所示，0.85°视场内主光线角小于25°。主光线角最大值在全视场处为25.82°，由于是最外视场，所以成像质量影响较小。理论上该镜头的工作距离在170 mm~250 mm范围内，以上指标均满足设计要求。
3 容差分析
一款光学镜头的设计除了优化像质使其达到光学指标外，还需要进行敏感度分析，能够实现量产化，使经济效益最大化。
由于Zemax光学辅助设计软体具有良好的可视化容差分析功能，选其进行容差敏感性分析。结合企业实际加工水平、工艺经验和镜头像质敏感度，设非球面半径变化为2 μm，镜片厚度和空气变化5 μm，倾斜变化0.25°，偏心变化2 μm等，进行90 lp/mm处MTF蒙特卡罗敏感度分析。得到10个最敏感的容差项目和变化的MTF传递函数图，分别如图 12和图 13所示。根据分析结果可知该设计第一片镜片的中心厚和偏心，第一片前表面的面型在加工时需要特别注意。模拟的产品良性率如表 3所示。在蒙特卡罗分布模拟下，90 lp/mm处传递函数值大致在0.5左右，可以满足设计要求。从蒙特卡罗良性率数据可知，在大量样本前提下有90%样本的MTF传递函数值在0.535以上，80%样本的MTF传递函数值在0.546以上，表明该设计具有较好的良性率[10]。
表 3 蒙特卡罗分析模拟的产品良性率Table 3. Simulated product benign rate of Monte Carlo analysis良性率/% MTF 90 >0.535 338 03 80 >0.546 580 99 50 >0.573 092 32 20 >0.612 171 86 10 >0.619 254 30 4 结论
从以上优化结果以及像质评价图表和容差分析结果可知，这款三片式的非球面红膜识别镜头基本符合光学设计指标要求。像方F#为3.00，实际工作F#为3.18，理论工作距离为170 mm ~250 mm，光学总长为4.43 mm, 焦距与光学总长比大于1，光学畸变小于2%，TV畸变小于0.5%，像高为2.25 mm，像面主光线角度小于26°。同时具有杂散光影响小，加工工艺较好的特点，可以达到小批量试制条件，为实现量产提供了理论性指导。
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表 1 3种方案的对比
Table 1 Comparison of three schemes
像素尺寸/pixel 虹膜区域/mm×mm 焦距/mm 远景距离/mm 近景距离/mm 景深/mm 200×150 0.280×0.210 2.28 388.17 134.70 253.47 320×280 0.448×0.392 4.48 228.72 177.69 51.03 640×480 0.896×0.247 8.76 206.79 193.64 13.15 
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表 2 设计参数
Table 2 Design parameters
F# 传感器 尺寸/cm 焦距 /mm 后截距/mm 总长/mm 相对照度/% 主光线角/(°) 光学畸变/% 电视畸变/% 传递函数/(lp/mm) 90 180 3 0.635(1/4″) 4.48 > 0.7 < 4.5 > 40 ≤25 < 2 < 0.5 > 0.5 0.2
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表 3 蒙特卡罗分析模拟的产品良性率
Table 3 Simulated product benign rate of Monte Carlo analysis
良性率/% MTF 90 >0.535 338 03 80 >0.546 580 99 50 >0.573 092 32 20 >0.612 171 86 10 >0.619 254 30
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[1] 刘雅丽, 王敏, 黄木旺.高精度虹膜识别光学镜头的研制[J].应用光学, 2012, 33(3):575-579. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201203025 Liu Yali, Wang Min, Huang Muwang. Iris identification optical lens with high precision[J]. Journal of Applied Optics, 2012, 33(3):575-579. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201203025
[2] 沈沉.红膜识别技术的研究[D].杭州: 浙江大学, 2004: 1-26. Shen Chen. Study of iris recognition[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004: 1-26.
[3] 韩民, 彭玉华, 张顺利, 等.基于经验模态分解的虹膜识别[J].光学学报, 2010, 30(2): 364-368. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GXXB201002013.htm Han Min, Peng Yuhua, Zhang Shunli, et al. Iris recognition based on empirical mode decomposition[J]. 2010, 30(2): 364-368. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GXXB201002013.htm
[4] 李晓彤, 岑兆丰.几何光学像差光学设计[M].杭州:浙江大学出版社, 2007:186-192. http://book.ixueshu.com/book/4270262fc6e90c69.html Li Xiaotong, Cen Zhaofeng. Geometrical optics, aberrations and Optical design[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2007:186-192. http://book.ixueshu.com/book/4270262fc6e90c69.html
[5] Laikin M. Lens design[M]. Boca Raton: Taylor & Francis Group CRC Press, 2007:1-40. http://book.ixueshu.com/book/4270262fc6e90c69.html
[6] 黄航星, 金伟民, 鲁丁.一款超薄非球面手机镜头设计[J].应用光学, 2010, 31(3):366-368. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201003005 Huang Hangxing, Jin Weiming, Lu Ding. Thin aspheric lens for mobile phone[J]. Journal of Applied Optics, 2010, 31(3):366-368. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201003005
[7] 林峰.对称型光学系统在小型化超短景深动物皮层组织观察系统的应用[J].光子学报, 2009, 38(11):2886-2889. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb200911031 Lin Feng. Application of the symmetric optical system to the miniaturized, ultra-shallow depth of field system for the animal brain's cortex[J]. Acta Optica Sinica, 2009, 38(11):2886-2889. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb200911031
[8] 张继艳, 黄元庆, 熊飞兵, 等.短焦距超广角镜头的光学设计[J].激光与光电子学进展, 2013, 50(10):102202. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ccgxjmjxxyxb201701014 Zhang Jiyan, Huang Yuanqing, Xiong Feibing, et al. Optical lens design with short-focus and ultra-wide FOV[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(10): 102202. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ccgxjmjxxyxb201701014
[9] 尹志东, 向阳, 高健, 等. 1300W像素手机镜头设计[J].激光与光电子学进展, 2014, 51(1): 012202. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GDGC201802005.htm Yin Zhidong, Xiang Yang, Gao Jian, et al. Optical design of a 1300 Megapiexl mobile phone camera lens optics design[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(1): 012202. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GDGC201802005.htm
[10] 于艇, 迟名晨, 李艳红, 等. 1300万像素折衍混合式手机镜头设计[J].长春理工大学学报, 2015, 38(6):5-10. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ccgxjmjxxyxb201506002 Yu Ting, Chi Mingchen, Li Yanhong, et al. The design of hybrid diffraction-refraction 13 mega-pixel mobile phone lens[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 2015, 38(6):5-10. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ccgxjmjxxyxb201506002
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期刊类型引用(3)
1. 韦贵妹，张凯，夏雄平. 小尺寸虹膜识别镜头的设计与性能分析. 激光与光电子学进展. 2024(17): 318-324 . 
百度学术
2. 黄峰，邓玉澎. 手机虹膜识别镜头设计. 应用光学. 2020(01): 37-42 . 本站查看
3. 于雪莲，郭冰梅，李秀芳，沈涛. 基于虹膜识别的小畸变手机镜头设计. 激光与光电子学进展. 2020(01): 228-233 . 百度学术
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