面向多光谱掌纹图像采集系统的光学薄膜滤光片设计

　　摘要设计了一组应用于多光谱掌纹图像采集系统的光学薄膜滤光片。根据手掌皮肤在可见、近红外光谱波段反射率不同的特点，研究了掌纹识别滤光片的光谱特性参数及膜系设计。为提高系统获得的掌纹图像质量，采取了四通道滤光片设计方案，光谱特性参数要求为：中心波长为蓝光λ1=470nm、绿光λ2=520nm、红光λ3=630nm、近红外光λ4=880nm;各通道带宽均为10nm，透射率大于90%，平均截止背景深度大于OD6。根据实验显示，设计结果满足系统的使用要求。

　　关键词多光谱掌纹图像采集;滤光片;光谱特性参数;膜系设计

　　引言随着光电传感技术的快速发展，对于人体特征有效信息(虹膜、DNA、掌纹信息等)的提取要求越来越高。在生物识别图像采集系统中通过光学薄膜滤光片对生物体征信息光谱进行分光与滤波后，经过传感器接收并转换成数字图像信号传输到系统进行后续的特征提取、特征比对等[1]。

　　多光谱掌纹识别是一种将多种信息特征进行融合的新型技术，目前法国Le2l实验室和日本本田研究院的最新研究成果表明，该项技术的识别精度可以达到99.9%以上。多通道光学薄膜滤光片式多光谱图像采集技术，相比于传统的光栅色散、棱镜分光和干涉分光技术，具有系统结构紧凑，结构简单和低成本的优势[2]。对于多通道光学薄膜滤光片的设计结构主要有以下几种类型[3]。

　　1、基于F-P标准具模型的多通道薄膜滤光片，其特点是膜层数少，结构简单，可用全介质薄膜来代替标准具的金属反射膜，减少了膜层的吸收，能延长滤光片的使用寿命。

　　2、金属掩膜或光刻胶掩膜方法的多通道薄膜滤光片，这种方法是在基片上制作出所需要的某种可分离的掩膜再进行镀制，这种模型结构是随着信号通道数量的增加也会增加掩膜套刻的次数，也就意味着在制备的过程中成品率较低。如若可以在正面同时镀制多个信号通道且在反面镀制多层膜堆来控制正面的某一通道的状态，这样就可以解决多次嵌套的掩膜带来的生产率和成品率的问题。

　　3、基于线性渐变滤光片式多通道光学薄膜滤光片，其工作机理是系统中的阵列探测器的若干列像元一一对应于线性滤光片的光谱带，通过扫描的方式获取目标所携带信息。本文为实现对掌纹表层、纹路及掌静脉脉络三种可识别信息的分时获取，采用旋转滤光片轮式四通道光学薄膜滤光片进行双面膜系设计，A面采用F-P标准具模型设计主膜系，B面采用干涉截止膜系交替叠加的设计方法对噪声区域进行截止。这种结构可极大程度增加系统对目标特征的可区分度，使系统具有更高的识别精度。

　　2光谱性能指标的确定

　　滤光片的作用是对光谱信息进行有效透射，滤除杂散光，使摄像机(传感器)得到更多有效的信息，进而提高掌纹图像的采集质量，减少掌纹识别系统后续算法的处理。掌纹图像采集设备选取了一种环形光源[4]，采用单色LED有序组合排列照射到匀光板，保证光线均匀的照射到手掌，全面的获取掌纹信息。在可见光区域630nm、520nm、470nm三种光可获得清晰地掌纹表层、纹路信息[5]。在波长为700-1000nm可获得掌静脉图像，并验证波长为880nm的图像更清晰[6]。故系统选用波长为880nm、630nm、520nm、470nm四种典型的LED光源进行照射。

　　3膜系设计

　　本文提出一种干涉截止膜系交替叠加的设计方法，采用双面膜系设计，A面结构采用FP模型，其基本结构可表示为Air/(HL)x2mH(LH)xL(HL)x2mH(LH)x…/Sub。其中H、L分别为高、低折射率材料，x为反射膜堆的叠加次数，2mH为间隔层，Sub为基底材料。B面结构采用干涉截止膜系交替叠加的方式进行组合。

　　3.1F-P模型的基础理论

　　在F-P滤光片中，利用史密斯方法的核心思想将膜系中被选定的膜层分离，使整个组合的膜系可以分离成两个有效的界面表示。

　　4可行性分析

　　A面52层、B面97层，并且各层膜的厚度均在20nm-120nm之间，采用离子源辅助电子枪蒸发的方法镀制均可满足。在镀制过程中，本文打算采取一种高精度膜厚光学监控的方法，针对监控波长的选择所引起的误差进行模拟，并利用石英晶体振荡法对膜层材料的蒸发速率进行监控。根据以往实验结果[19-20]，对于所选取的材料TiO2蒸发速率控制在约为0.3nm/s并保证真空室内的氧气流量，SiO2蒸发速率约控制在0.7nm/s，保证均匀平稳蒸发，降低对膜层厚度的监控误差，保证各膜层均匀，光谱性能指标的控制误差在2nm以内，在透射率方面可能会由于误差的累积，导致波纹变大，透射率降低，但可保证在90%以上满足应用要求。

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　　5总结

　　本文通过对掌纹识别技术的充分研究，并针对图像采集系统设计了一种滤光轮式四通道光学薄膜滤光片。提出一种基于干涉截止膜系交替叠加的设计方法，以520nm滤光片为例，采用双面膜系设计结构，总膜层数149层。最终的设计结果T520nm约为90.7%，通带半宽度10.8nm，截止深度OD>6，另三通道滤光片均满足设计指标。未来工作将会做出实际产品应用到市场，研究四通道滤光片在掌纹识别设备中的光谱串扰程度，进一步提高滤光片的光学性能：减少波间串扰、提高透射率等，为掌纹图像采集的系统中得到更高质量的图像。

　　参考文献：

　　[1]CuiJR.TheResearchonrecognitionandfusionmethodsbasedonmultispecitraland2D/3Dpalmprint[D].HarbinInstituteoftechnology,2015.崔金荣.基于多光谱和2D/3D掌纹的识别与融合方法研究[D].

　　[2]ChenJ.DevelopmentofMicrostructureNarrowbandFilter.[D].Xi'anUniversitytechnology 2017.陈佳.微结构滤光片的研制[D].西安工业大学,2017.

　　[3]JinB.Design,faricationandmeasurementofmultichannelthinfilmfilters[D].ZhejiangUniversity,2005.金波.多通道薄膜滤光片的设计、制备与测试[D].浙江大学,2005.

　　[4]YuanWQ,YangB.Researchonimageacquisitionlightsourceofnoncontacthandimagingsystem[J].Laserandinfrared,2014,44(7):783-787.苑玮琦,杨冰.非接触手成像系统图像采集光源的研究[J].激光与红外,2014,44(07):783-787.

　　作者：于志强1，费书国1,2***，赵帅锋2，郭志帅1,2