光学产品在掌静脉识别项目中的应用

张晴雯

摘 要：在掌静脉识别中，光学产品对掌静脉的图像质量起着决定性作用。掌静脉图像的采集是基于近红外光照射采集，在采集设备中，光源负责发出近红外光;匀光透镜负责使手掌获得均匀的光照;透红外滤光片负责滤去反射回摄像镜头的可见光;塑胶镜头负责对手掌及其静脉成像;红外偏振片负责掌纹特征对图像质量的影响。基于此，本文主要研究光源的选择，匀光透镜的设计实现，塑胶镜头的选型及设计，以期为同行提供借鉴。

关键词：光源;匀光透镜;塑胶镜头;透红外滤光片;红外偏振片

中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：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

生物識别具有广泛性、稳定性和唯一性，目前已成为身份识别的重要手段。而掌静脉隐藏在表皮下，在可见光下无法拍摄，但可以在近红外光（Near Infra-Red，NIR）下拍摄，其结构复杂难以被复制。另外，掌静脉拍摄时需要将手掌伸平，而人手在自然状态下处于半握拳状态，因此无法窃取拍摄掌静脉图像。这使得掌静脉成为一种安全性较好的生物特征。断落的手掌或尸体因血液停止流动将不能通过认证，所以掌静脉又可以作为“活体识别”的依据。掌静脉的以上特点使掌静脉识别具有独特优势，而光学产品的应用在掌静脉识别中占有举足轻重的地位。

1 光源的选择

目前，大多数掌静脉识别设备偏大，存在不够美观、重量较重和不利于携带等缺陷。为了使系统更加小型化，要从光源开始进行缩减。

在近红外光源的选择上，由于发光二极管集成面光源的价格较为昂贵，而近红外LED（Light-Emitting Diode）价格便宜，应用广泛，因此，在本项目中，笔者选择以近红外LED阵列排布形式作为光源。

将近红外LED阵列排布形式作为光源，波长选择是一个重要问题。在波长选择上，笔者通过查阅文献发现，各文献选择的波长不一，大致分为5种：760 nm、850 nm、890 nm、940 nm和960 nm。也有文献或者实验选择上述5种波长中的两种组合起来作为光源[1]。对于波长的选择，笔者先做了大量的试验，利用不同波长的LED，在相同环境下对同一手掌进行拍摄，选取多人进行试验，以通过对比试验图像选出最合适的波长，但最终发现，只有760 nm的LED阵列拍摄的图像较其他几种波长稍差，850 nm、890 nm、940 nm和960 nm的LED阵列拍摄出的图像肉眼所见差别不大。在这种情况下，笔者不得不借助算法来确定哪种波长较优。算法团队对笔者之前的图像数据进行处理，从识别特征提取角度和特征匹配角度对掌静脉图像进行识别性能比较。结果表明，从识别特征提取角度来看，850 nm优于其他3种波长;从特征匹配的角度来看，940 nm优于其他3种波长。在算法研究中，特征提取和特征匹配同样重要，因此，笔者选定850 nm波长和940 nm波长组合LED阵列作为光源。在LED排列方式的选择上，采用最常见的二维双线形阵列、矩形阵列和环形阵列进行对比，分别对三种阵列上方的辐照度值进行测量，在三种LED阵列分布的光源正上方5 cm处均匀地取25个测试点，测量光照强度。三种阵列的边缘和中心[中心的坐标为（0，0）]的辐照度比值见表1至表3。从表1可知，双线形阵列的边缘辐照度大于中心辐照度，而掌静脉主要分布在手掌中心位置，需要中心辐照度大于边缘辐照度，因此双线形阵列的LED排列方式不合理。从表2可知，（-2，-2）、（-2，2）、（2，-2）、（2，2）等位置的辐照度与中心辐照度的比值为0.597、0.568、0.586、0.593。从表3可知，（-2，-2）、（-2，2）、（2，-2）、（2，2）等位置的辐照度与中心辐照度的比值为0.792、0.821、0.808、0.803，比值越大代表边缘位置与中心位置的辐照度差异越小，光照更均匀。可见，环形阵列的边缘与中心辐照度相差较小，因此环形阵列的LED排列方式光照更均匀。

在LED灯珠的选择上，选用包含850 nm和940 nm两种波长的双芯近红外LED灯珠比单独使用850 nm和940 nm的单芯近红外LED灯珠使用数量更少，阵列面积更小，而缩小LED阵列面积意味着要使用光束角更大的近红外LED灯珠[2-3]。

2 匀光透镜的设计实现

由于近红外LED是点光源，不可能给出完全均匀的面光源，因此，在掌静脉识别设备中需要加入匀光装置，使点光源转变为面光源。目前，多数掌静脉识别设备主要通过添加导光环的方式实现匀光作用，这类导光环的高度往往在8～12 mm，而本项目掌静脉门禁产品的厚度要求不超过30 mm，上述导光环的高度不利于系统小型化。为了缩小系统结构，匀光装置的大小也应控制在一定范围内，笔者参与设计了一款匀光透镜。该款匀光透镜采用多个棱镜细密分布的形式取代传统导光环的雾面作为出光面，同时出光面设置成约45°的斜面。光学模拟采用了8颗环形阵列排布的灯珠，共千万条光线，模拟结果如图1所示。采用此设计，在保证匀光性能的前提下，匀光透镜的高度最终做到了2.8 mm。

通过改进镜头和匀光装置，整个掌静脉识别系统的厚度缩减到13 mm，实现小型化[4]。

分别对未加匀光透镜的光源与加上匀光透镜的光源进行配光模拟，结果如图2和图3所示。从图上可以看出，匀光透镜有明显的均匀光强的作用。

3 塑胶镜头的选型及设计

在图像传感芯片的选择上，出于成本考量，笔者选择了价格便宜的COMS芯片，为了兼顾数据的传输与存储，选择了30万像素的OV芯片。

在近红外成像镜头的选择上，目前多数静脉识别设备采用全玻璃镜头，光学总长在10 mm以上，更有甚者做到了15 mm以上，这大大增加了整个系统结构的大小和重量，不便于携带，也不美观。因此，笔者决定采用全塑镜头。为了降低前期投入成本，笔者决定先从市面上已有模组产品入手。先联系了近20家镜头模组厂，但大多全塑镜头模组产品视场角偏小，最大只有88.2°，不满足近距离拍摄手掌的条件，最终决定开模定制近红外成像镜头[5]。

笔者选择采用3P全塑料镜头，光学总长最终做到了5.36 mm，FOV（Field of View，视场角）为135°，光学畸变<20%，镜头MTF：100lp/mm@中心≥0.55，100lp/mm @0.7F ≥0.35;可以使手掌在距离系统50 mm处完成注册和认证。笔者负责镜头的芯片规格、外形尺寸、镜头结构、镜头焦距、视场角、光学总长等参数的规定，同时对镜头的光学设计进行评审，以确保其能符合掌静脉的实际应用，在镜头试做以及量产过程中，检测成像质量。

4 透红外滤光片

选用透红外滤光片作为掌静脉模块的封装，在保证美观的同时可以避免可见光对成像的影响。滤光片规格为：Tave>90%@800～1 100 nm，Tave<1%@300～720 nm。

5 红外偏振片

手掌纹路经过近红外光照射，也能通过镜头成像，因此对掌静脉的成像造成干扰。在保证不影响掌静脉成像的前提下，消除手掌纹路的反光成为需要克服的难点。

在查阅了多数国内外的文献之后，笔者决定采用组合偏振片的形式消除手掌反光。在近红外光源上方放置偏振片1，使照射到手掌的光为线偏振光，一部分线偏振光经皮肤表面直接反射，直接反射的光偏振方向不变，另一部分光透过皮肤进入皮下组织，被皮下组织和血管散射和吸收，其偏振方向会发生一定的偏转。要想达到消除发光的目的，必须同时在摄像装置中加装一片与偏振片1的偏振方向呈正交的偏振片2，在皮肤表面直接反射的光线将无法透射过偏振片2，而被皮下组织和血管散射的红外光能透过偏振片2。笔者选择将此偏振片2放置在成像芯片上方，既不影响原系统结构，又能实现消除掌纹反光的目的。

6 结论

光学产品的应用在掌静脉识别中占有举足轻重的地位，本研究主要围绕光源、匀光装置以及成像镜头对掌静脉成像系统进行提升。主要结论如下。

①选择850 nm波长和940 nm波长组合的近红外LED环形阵列作为近红外成像的主动光源，可以保证光源的光强分布比较均匀。

②采用多个棱镜细密分布的形式取代传统导光环的雾面作为出光面，同时出光面设置成约45°的斜面，可以实现匀光作用。

③采用3P全塑近红外成像镜头，光学总长最终做到了5.36 mm，FOV（視场角）为135°，可以使手掌在距离系统50 mm处完成注册和认证。

通过上述改进，可以缩小系统结构，提升掌静脉成像质量，同时使用透红外滤光片和红外偏振片可降低杂散光对静脉成像的影响。

参考文献：

[1]丁轶峰，陈轶斌.掌静脉融合识别技术及其在泛地铁环境中的应用[M].上海：上海科学技术出版社，2017：20-24.

[2]张泽兰，曾莉娅.一种表层血管显示方法和仪器：CN102415886A[P].2012-04-18.

[3]苑玮琦，董康.非接触式掌纹图像采集装置的研究[J].微型机与应用，2010（1）：16-19.

[4]匡鹿婷.近红外手背静脉识别装置[J].科技传播，2016（13）：183-184.

[5]林森，吴微，苑玮琦.采用纹理近邻模式的掌静脉生物特征识别研究[J].仪器仪表学报，2015（10）：2330-2338.