[发明专利]用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法

权利要求书

1.用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，其特征是：在给定工作物距WOD的条件下，系统级优化设计包括光学成像物镜，近红外光学滤光器和近红外照明光源，图像成像传感器及系统级光电信号产生及处理方法，依次包括以下步骤：

1）、定义系统级光电参数λ，FWHM，I，E, EFL，F，FOV，OE_TE，ADC_T，GAIN， SNR， ET

近红外光学滤光器的透射率峰值波长设置为近红外照明光源等效峰值波长λ，

近红外光学滤光器的半最大值全波FWHM大于等于近红外照明光源产生的光谱FWHM，

其中所述的等效峰值波长λ=∑h_iλ_i，∑h_i=1 <1>     ，

 h_i为近红外照明光源光谱的辐射强度归一化系数，λ_i为近红外照明光源光谱，波长范围750nm-880nm；

近红外照明光源的辐射强度I（mW/sr，毫瓦每球面度）：

I=E*WOD²   E<10mW/cm²                      <2>

其中所述的E为在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源的最大辐射率或辐射照度；

光学成像物镜的等效焦距值EFL具有：

EFL=WOD*β/(1+β)        <3>

其中：WOD为给定的工作物距；

β为虹膜像方和物方空间分辨率比率

β=SOP*POI/SOI           <4>

其中所述的

SOP为图像成像传感器单位像素的物理尺度；

POI为预设的虹膜直径在像方空间分辨率的像素尺度，

SOI为预设的虹膜平均直径在物方空间分辨率的物理尺度；

光学成像物镜的光圈F值或相对光学孔径倒数具有：

F=EFL/D                            <5>

0.5*SOP/(1.22*λ)≤F≤2.0*SOP/(1.22*λ)      <6>

其中所述的D为光学成像物镜的光瞳或通光孔径的直径；

光学成像物镜的视场角FOV具有：

FOV≥2*arctan(（DOI*SOP)/(2*EFL))         <7>

其中所述的DOI为图像成像传感器的对角线像素数量；

图像成像传感器具有光电量子转换效率OE_TE>1V/ (mW/cm²*s)；

图像成像传感器具有ADC转换分辨率ADC_T=2^NLSB/V，其中所述的LSB为ADC分辨率最低有效位， N为ADC分辨率有效位数，N≥8；

图像成像传感器具有在模拟增益GAIN=1.0时，信噪比SNR>38db；

2）、定义原始的单位像素亮度值Yraw的系统级光电信号产生

Yraw=ET * GAIN * E * OE_TE * ADC_T                        <8>

其中所述的ET为图像成像传感器的曝光时间exposure time或积分时间integration time，必须保证控制ET<1/30s秒；

其中所述的GAIN为图像成像传感器的模拟增益，模拟增益GAIN控制必须保证产生的信噪比SNR>36db；

其中所述的E为公式<2>中定义的在给定的工作物距WOD处接受的近红外照明光源I控制的最大辐射率或辐射照度，必须保证控制E<10mW/cm² ；

3）、定义虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp

Ysp=S(Yraw)

其中所述的S为虹膜区域像素亮度统计评估函数，所述像素亮度统计评估函数采用的方法包括：像素亮度直方图统计，像素亮度频谱统计，像素亮度平均值，像素亮度加权平均值，像素亮度中值等；

4）、ET，GAIN，E光电信号处理控制，实现虹膜区域像素亮度统计评估值 Ysp在预设的[Yll,Yhl]亮度范围：

Yll≤Ysp≤Yhl

其中所述的Yll为虹膜区域像素亮度下限，Yhl为虹膜区域像素亮度上限；

所述的光电信号处理控制为根据步骤2中定义的公式<8>线性乘积控制关系，改变ET，GAIN，E光电信号实现原始的单位像素亮度值Yraw改变，使相应的虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp满足Yll≤Ysp≤Yhl的预设条件；

5）、像素亮度值Yraw进行原始信号GAMMA校正处理，保持原始值，即保持GAMMA=1.0线性关系

Ygamma=GAMMA（Yraw）=Yraw ^GAMMA=1.0=Yraw

6）、基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的像素亮度值Yraw对比度自适应性控制处理并输出Yout

Yout=Contrast*(Yraw-Ysp)+Ysp

1.0≤Contrast≤2.0

Yout=2^N-1   if Yout>2^N-1；

Yout=0      if Yout<0；

其中所述的Contrast为基于虹膜区域像素亮度统计评估值Ysp的对比度自适应性控制系数，N为ADC分辨率有效位数。

2.根据权利要求1所述用于虹膜成像装置的系统级光电优化设计方法，其特征是：

图像成像传感器采用单色类型时，等效峰值波长λ选择为双波段或单波段，所述的双波段包含750-810nm和810-880nm两个波段, FWHM>30nm，所述的单波段包含780-850nm, FWHM>30nm；

图像成像传感器采用彩色类型时，等效峰值波长λ选择为单波段，所述的单波段为810-880nm，FWHM>30nm。