一款成像优良的手机虹膜识别镜头设计

　　在当今信息交互频繁的时代中，相较于纯密 码、PIN码等保护方式，生物识别技术因其特有的 优越性已然成为主流，其中虹膜识别技术因人体 虹膜的特征具有唯一性、高防伪、长期稳定、非接 触、极高的可靠性等优点。早期，虹膜识别存在 识别精度低、采集设备体积大等弊端，随着近年来CMOS图像传感器集成能力的提高以及制造成本 的下降，虹膜识别技术得以应用于移动设备终 端。在1993年，英国剑桥大学的John Daugman教 授实现了一个性能较好的虹膜识别系统，并且创立 了至今在虹膜识别算法中仍在使用的DAUGMAN 核心算法，其基本原理是利用微积分法找到梯 度变化最大处确定虹膜边界。加拿大约克大学的Richard Wildes在1996年设计出基于Wildes算法的虹膜识别系统。在国内，2009年中科院自动化 研究所设计了虹膜分割定位算法以及虹膜特征提 取算法，并且算法在精度和速度上都优于先前的 方法［5］，基于这两种算法，设计出远距离的虹膜识 别系统，在精度上与近距离识别系统相近。

　　近几年，虹膜识别功能逐步成为手机安全的标 准配置，国内主流为中科虹霸。主要参数为：支持 2 M、5 M、8 M传感器，识别距离20 cm～40 cm，自 主研发的算法错误接受率小于百万分之一，典型 产品为国美K1、U1。国外主流为三星手机，实际 应用镜头像素为200万或300万，典型产品为三星 S8、S9。虹膜识别技术的重要技术之一是虹膜图 像的获取，而虹膜图像的质量由成像系统的成像 质量决定，从而影响识别的准确率和算法。

　　基于对目前市场上已有的虹膜识别镜头的性 能、优缺点等情况的了解，使用ZEMAX软件设计 一款成像优良的手机虹膜识别镜头。该设计镜头 分辨率等性能可满足市场商用镜头要求，且具有 体积小、质量轻、成本低等优势。

　　1 设计要求

　　1.1 传感芯片匹配

　　现阶段使用的图像传感器，一种是广泛使用的CCD（charge couple device）电荷藕合元件；另一种 是CMOS（complementary metal oxide semiconductor） 互补金属氧化物半导体器件。由于CMOS有着集 成性好、体积小、功耗低且价格低廉等特点［7］，能 够大规模量产，并且在图像质量上已接近CCD传 感器。综合考虑，本设计应用豪威科技公司的 OmniVision_OV2281型号COMS传感器，该芯片是OmniVision公司专为虹膜识别镜头设计，有效分辨率为1920×1080 pixel，像素尺寸为1.12 μm， 经计算其奈奎斯特频率为446 lp/mm。

　　1.2 设计参数

　　根据实际要求和优化方向综合考虑，设计参数 如表1所示。

 

 

　　1.3 镜片材料的选择

　　虹膜识别镜头工作在红外光区域，需要对850 nm 波段左右的红外光有良好的透光率。作为手机前置镜头，要求体积足够小，质量轻。光学塑料拥有 质量轻、成本低、量产型好等特点，因而经过参数筛选本设计使用ZEONEX 480R光学塑料，该材料对400 nm～900 nm波段具有优良的透过率，折射率与阿贝数较为合理，制造成本较低，适合大批量生产应用。

　　2 初始结构的选择及优化

　　2.1 选择初始结构

　　对于光学设计而言，初始结构的选择尤为重 要，理想的初始结构是光学设计成功的一半。选择初始结构一般有两种方法：一是基于像差理论求出光学参数；二是选取专利库中结构相近的设计，利用缩放功能得到初步的结构［8］。本设计选择了后者，采用专利结构缩放法。通过查阅文献，选 取专利号为US 9134508B2中一个结构作为初始结构，如图1所示。其中F数为2.8，镜头总长为3.45mm。

 

 

　　图1.初始结构

　　2.2 优化过程

　　首先使用默认评价函数对初始结构的镜片厚 度比以及像差进行修正，针对大小像差不同情况，应用不同的默认函数进行设置。本设计使用了各种操作数进行具体的限制优化，主要优化条件如下：1） 使用EFFL限制焦距，使用TOTR操作数限 制总长小于4 mm。

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　　4 结论

　　基于ZEMAX软件，设计了一款手机虹膜识别镜 头。该镜头采用豪威科技公司OmniVision_OV2281 传感器，由3片非球面光学塑料镜片组成，具体设 计参数包括：F数为2.3，全视场角为34°，工作距离 在280 mm～350 mm等，镜头总长仅3 mm。ZMEAX 软件对像质评价结果显示，在1/2奈奎斯特频率 220 lp/mm处MTF值均大于0.39，光学畸变小于2%，相对照度高达92%，达到了虹膜识别镜头的各 项光学性能指标。公差分析结果显示，MTF值稳 定、波动小，表明该设计镜头可进行实际加工制 造。本设计镜头性能指标可达到视场商用镜头的 各项性能，且具有长度短、质量轻，易于加工、成本 低等优点。