批准登记号：9512019Y0964
推荐单位：成都市科技局
批准登记日期：2019-12-31
研究起始日期：2016-09
研究终止日期：2018-12
成果密级：非密
成果属性：原始性创新
关键词：
成果体现形式：新产品
成果所处阶段：成熟应用阶段
成果水平：国内领先
合作形式：独立研究
学科分类号：
中图分类号：
战略性新兴产业：
所属高新技术领域：
成果应用行业：制造业
成果简介：一、项目简介
该成果LED虹膜照明光学模组，主要由晶片、菲涅尔透镜、支架和基版封装组成。通过非对称全内反射结构或者齿形偏光结构聚光并且偏光，减少传统虹膜识别装置识别存在的杂散光，发射出高强度，高效率、亮度均匀的红外光，大幅提高虹膜识别精度；开发后期采用较小光束角的红外LED光源，通过齿形偏光结构进行偏光，实现人眼虹膜精准识别，该光学模组结构简单，使用方便，应用灵活，有体积小、功耗低、指向性好等特点。该成果主要应用于手机、人脸识别、门禁等需要进行LED虹膜识别取得均匀光照的照明相关领域的产品。
二、研究内容
（1）光学设计
1）光源波长的确定：
经验数据表明，虹膜扫描系统有各种不同的波长，取决于眼睛的颜色。一般来说，根据人类虹膜的颜色，两种波长看起来是合适的。对于蓝绿色的眼睛来说，红外是一种很好的照明波长，而可见光可能要优于虹膜细节的丰富程度。然而，对于深色的虹膜颜色(全球大多数眼睛)，可见波长根本不适合；810nm是最适合虹膜扫描的波长，是所有眼睛颜色的最佳选择。此外，角膜的镜面反射在810nm处也较低。为了简化和优化整个系统，一个单独的高功率810nm照明模块最适合所有可能的眼睛颜色，以揭示丰富的人类虹膜结构。
2）发光角度的确定：
为了获得最佳的信号质量，并避免从眼睛表面的直接反射，整个光学系统的设计，5°到10°范围内的稍微倾斜的照明模组是比较有利的。以往的模组没有倾斜或者采用机械倾斜的方式，导致整个系统体积较大，为了减小体积，我们就需要直接通过光学模组内部面型结构实现偏光；在一定的工作距离20-50cm，根据人眼照射区域20-30cm，光线角度分布范围在20-30度左右最佳；
3）聚光和偏光方式的确定：
红外光源发出红外光，波长范围在810nm±10nm，在红外光发射装置内部，经过凸透镜或者菲涅尔透镜搭配反射杯或者其他光学结构进行聚光，采用偏光透镜进行偏光，用来排除和滤除光束中的直射光线，使光线能于正轨之透光轴投入眼睛视觉影像，使视野清晰自然。
（2）结构设计，
开发前期：采用TIR一体式结构如下，此种方式结构简单，对装配精度要求较高；
开发中期：对结构进行改进，采用一体式菲涅尔结构,结构更简单，更易加工；
开发遇到的技术问题：
a透镜外观存在发黄的问题；
b透镜存在缩水的问题、表面有划伤现象；
c焊接温度测试，最高温度263.3℃通过，只能基本符其耐温要求；
根据市场情况，后期采用外挂结构，不需考虑回流焊耐温的问题，透镜结构更加简化，以小角度红外LED做为光源，在外透镜的入光面添加菲涅尔锯齿结构，实现偏光；
在开发的过程中，根据实际测量结果，持续做改善调整，包括结构、光学、模具、材料。
(3)模具设计
根据项目透镜特点，进行注塑模具的设计，实现：
1)可拆分，以达到该项目装配简单，受限小；
2)设计满足内部增压补缩结构，解决产品胶位厚导致的成型缺陷。
三、技术指标
LED虹膜识透镜
（1）产品功能尺寸公差≤0.03mm
（2）产品粗糙度Ra=1nm
（3）产品面型精度PV=1um
（4）半光强角度：20±5度偏光8度
四、创新点
1.通过菲涅尔透镜聚光实现高强度均匀的出射光。
将晶片，涅菲尔透镜，支架和基片封装在一起形成一个LED，晶片发出的红外光通过涅菲尔透镜进行聚光。
2.通过透镜的非旋转对称结构实现偏光效果。
采用在红外光发射装置的光束发射端设置偏光透镜的方式实现红外光的整体偏光效果，本技术所述偏光结构为棱状凸起结构，与偏光透镜一体，通过限定了形状的直角锯齿加工成的直角形平行排列的锯齿状凸起结构，最大限度地减小偏光透镜在对光束进行偏折产生的机械误差；减少传统虹膜识别装置识别存在的杂散光，以提高采集图像的清晰度，大幅提高对虹膜的识别率，且结构简单的同时，降低了造价成本；本技术方案中的偏光透镜是独立的，可根据不同的手机种类更换与之相匹配的偏光透镜，有效的解决了产品的兼容性问题。
成果公报内容：一、项目简介
该成果LED虹膜照明光学模组，主要由晶片、菲涅尔透镜、支架和基版封装组成。通过非对称全内反射结构或者齿形偏光结构聚光并且偏光，减少传统虹膜识别装置识别存在的杂散光，发射出高强度，高效率、亮度均匀的红外光，大幅提高虹膜识别精度；开发后期采用较小光束角的红外LED光源，通过齿形偏光结构进行偏光，实现人眼虹膜精准识别，该光学模组结构简单，使用方便，应用灵活，有体积小、功耗低、指向性好等特点。该成果主要应用于手机、人脸识别、门禁等需要进行LED虹膜识别取得均匀光照的照明相关领域的产品。
二、研究内容
（1）光学设计
1）光源波长的确定：
经验数据表明，虹膜扫描系统有各种不同的波长，取决于眼睛的颜色。一般来说，根据人类虹膜的颜色，两种波长看起来是合适的。对于蓝绿色的眼睛来说，红外是一种很好的照明波长，而可见光可能要优于虹膜细节的丰富程度。然而，对于深色的虹膜颜色(全球大多数眼睛)，可见波长根本不适合；810nm是最适合虹膜扫描的波长，是所有眼睛颜色的最佳选择。此外，角膜的镜面反射在810nm处也较低。为了简化和优化整个系统，一个单独的高功率810nm照明模块最适合所有可能的眼睛颜色，以揭示丰富的人类虹膜结构。
2）发光角度的确定：
为了获得最佳的信号质量，并避免从眼睛表面的直接反射，整个光学系统的设计，5°到10°范围内的稍微倾斜的照明模组是比较有利的。以往的模组没有倾斜或者采用机械倾斜的方式，导致整个系统体积较大，为了减小体积，我们就需要直接通过光学模组内部面型结构实现偏光；在一定的工作距离20-50cm，根据人眼照射区域20-30cm，光线角度分布范围在20-30度左右最佳；
3）聚光和偏光方式的确定：
红外光源发出红外光，波长范围在810nm±10nm，在红外光发射装置内部，经过凸透镜或者菲涅尔透镜搭配反射杯或者其他光学结构进行聚光，采用偏光透镜进行偏光，用来排除和滤除光束中的直射光线，使光线能于正轨之透光轴投入眼睛视觉影像，使视野清晰自然。
（2）结构设计，
开发前期：采用TIR一体式结构如下，此种方式结构简单，对装配精度要求较高；
开发中期：对结构进行改进，采用一体式菲涅尔结构,结构更简单，更易加工；
开发遇到的技术问题：
a透镜外观存在发黄的问题；
b透镜存在缩水的问题、表面有划伤现象；
c焊接温度测试，最高温度263.3℃通过，只能基本符其耐温要求；
根据市场情况，后期采用外挂结构，不需考虑回流焊耐温的问题，透镜结构更加简化，以小角度红外LED做为光源，在外透镜的入光面添加菲涅尔锯齿结构，实现偏光；
在开发的过程中，根据实际测量结果，持续做改善调整，包括结构、光学、模具、材料。
(3)模具设计
根据项目透镜特点，进行注塑模具的设计，实现：
1)可拆分，以达到该项目装配简单，受限小；
2)设计满足内部增压补缩结构，解决产品胶位厚导致的成型缺陷。
三、技术指标
LED虹膜识透镜
（1）产品功能尺寸公差≤0.03mm
（2）产品粗糙度Ra=1nm
（3）产品面型精度PV=1um
（4）半光强角度：20±5度偏光8度
四、创新点
1.通过菲涅尔透镜聚光实现高强度均匀的出射光。
将晶片，涅菲尔透镜，支架和基片封装在一起形成一个LED，晶片发出的红外光通过涅菲尔透镜进行聚光。
2.通过透镜的非旋转对称结构实现偏光效果。
采用在红外光发射装置的光束发射端设置偏光透镜的方式实现红外光的整体偏光效果，本技术所述偏光结构为棱状凸起结构，与偏光透镜一体，通过限定了形状的直角锯齿加工成的直角形平行排列的锯齿状凸起结构，最大限度地减小偏光透镜在对光束进行偏折产生的机械误差；减少传统虹膜识别装置识别存在的杂散光，以提高采集图像的清晰度，大幅提高对虹膜的识别率，且结构简单的同时，降低了造价成本；本技术方案中的偏光透镜是独立的，可根据不同的手机种类更换与之相匹配的偏光透镜，有效的解决了产品的兼容性问题。
