眼睛和面部视野对准引导装置的制作方法

发明人

k·史蒂文斯

y·西

联邦政府赞助的研究和开发：无

附件：无

优先权

本专利要求于2015年6月27日提交的标题为“field-of-viewocularandfacialalignmentguides(眼睛和面部视野对准引导装置)”的美国专利申请序列号14/752,939的优先权。

相关领域包括生物测定，并且更具体地包括面部扫描和识别。

附图说明

图1是虹膜扫描过程的示例的流程图。

图2a至图2d表示虹膜渐晕的示例。

图3a至图3g是平面光源的示例的概念性图解。

图4a至图4h概念性地展示了可以在对准目标发生器的一些实施例中使用的光束成形元件的示例。

图5a至图5b概念性地展示了环形孔径以及包括环形孔径的对准目标发生器的示例。

图6a至图6c概念性地展示了包括一个或多个滤色器的对准目标发生器的示例，所述一个或多个滤色器取决于眼睛的位置和角度来改变平面光源的颜色。

图7a至图7b概念性地展示了包括光束阻挡器的对准目标发生器的示例，所述对准目标发生器被两个或更多个会聚波导穿透。

图8概念性地展示了反射镜倾斜的对准目标发生器。

具体实施方式

生物测定标识方法目前对阻挠和制止欺诈和身份盗用并使私人便携式电子装置对财产小偷而言没那么贵重越来越感兴趣。具有标识生物测定特性的期望性质，虹膜扫描在唯一性、通用性、持久性、性能和(困难的)规避上以及在可收回性和可接受性的中间范围上得分非常高。虹膜扫描可能对扫描仪与用户身体之间的距离或角度的不一致性敏感。渐晕(在此，正被测量的物体的一部分被扫描仪中的孔径或被外部物体阻挡)可能是特别麻烦的假错误源。这种敏感性及所产生的对用户提出的“站着不动并凝视”要求可能是保持可接受性得分低的影响因素。

为了本文中的目的，以下术语将具有以下意义：

“用户”：生物测定设备正在标识的人。针对本文献的目的，使用生物测定设备来标识其他人的人将被称为“操作者”。

“平面光源”：可以指直接光源(比如led阵列)、或间接光源(比如被照亮的漫射器或反射镜)，其中，光从基本上平坦的表面(例如，最适半径＞1m；均方根粗糙度＜1mm)出射。

“扫描”：可以指用于对用户的眼睛或面部进行生物测定的任何数据捕获方法。

“光学表面”：被制备(例如，被成形、抛光或图案化)用于光进入和/或出射的表面(例如，在大多数透镜和滤光器中，前部和后部而非边缘；在大多数棱镜中，非平行边中的两条或更多条边而非两条平行边)。并非所有的光学表面是光滑的或规律地图案化的；例如，漫射器可以具有带有受控制的随机粗糙度的光学表面。

“母设备”：包括生物测定扫描仪的设备；这可以是专用生物测定系统(例如，在只限雇员进入的门处)或用于其他目的但配备有生物测定扫描仪以限制对其进行访问的受保护设备。计算机或智能手机、高端机器工具、以及家庭或公司安全装置是非限制性示例。

图1是虹膜扫描过程的示例的流程图。其他过程可能涉及更多或更少的步骤、或一些不同的步骤，也可以是等效物，因为它们可能对用户眼睛的定位或角度类似地敏感。

可以在步骤100处通过用户推动按钮、触摸屏幕、扫描卡或标签、或被检测到在检测区内靠近并停止来开始所述过程。可替代地，官方操作者比如测试代理人或边界防护者可以在让用户移动到检测区中之后开始所述过程。

在步骤102中捕获用户虹膜的图像，或等效地来自光斑扫描的数据流或某个其他原始数据集合。在一些系统中，在步骤104处可以对所述图像(或其他原始数据)进行预处理。例如，所述预处理可以包括：将颜色分开以创建一张或多张单色图像：将虹膜数据与附近特征诸如巩膜、瞳孔、或眼睑的测量结果分开；或访问来自诸如快速傅里叶变换(fft)或圆形霍夫变换等变换的空间频谱。

步骤106处的图像分割通常包括边缘检测并且可以使用诸如梯度振幅、伽马修正、非极大值抑制、或滞后阈值法等方式。在步骤108处，对所提取的数据集进行归一化从而简化与所存储记录的对比。在步骤112处，对虹膜的“签名(signature)”(包括其最独特的特征)进行编码。能够以低频或中低频对所述特征中将一个个体虹膜与另一个区分开的许多特征(如果不是大多数的话)进行编码。因此，可以几乎没有风险地从数据移除高频噪声。步骤105，可以可选地在图像捕获102、预处理104、分割106、归一化108、或编码112之后的其各个方位完成检测并移除噪声。虹膜测量结果中噪声可能是由于用户的睫毛或测量场中血管的存在而产生的，并且潜在地被设备和工艺的瑕疵引入的。

在步骤114处，将经编码的签名图案与所存储的样本进行比较，例如，通过计算所存储的样本中的新样本之间的汉明距离、或通过某种其他合适的算法。最终，在步骤116处，比较计算产生了“匹配或不匹配”结果。

步骤101，眼睛与仪器的对准仍旧在多个层面上具有挑战性。在扫描仪中包括仅用于预扫描对准过程的专用相机取决于扫描仪配置及其使用环境可能较昂贵、庞大、或易碎。尤其在自服务情形下，负担得起的、坚固的、且容易的等待以在进行扫描之前将眼睛预对准具有缓解用户对复杂或高度受限过程的厌恶的潜力。

图2a至图2d表示虹膜渐晕的示例。

图2a中的虹膜处于其最少渐晕的自然位置。眼睛相当地居中并且其光轴基本上平行于扫描仪光轴，并且头部直接面向扫描仪。虚线圈201标记了虹膜与巩膜之间的外虹膜边界。类似地，虚线圈203标记了虹膜与瞳孔之间的内虹膜边界。即使在这个最优位置，虹膜的区域204因上眼睑和睫毛而发生渐晕，使得虹膜特征中的一些不易见到。在某些情况下，如果用户涂了睫毛膏、困倦、或遭受过敏、结膜炎或类似的眼睛发炎，则区域204可能会被放大。

在图2b中，虹膜仍然在眼睛中居中并且眼睛的光轴仍然平行于扫描仪的光轴，但在进行扫描时，眼睛在扫描仪场中偏离中心。虹膜的区域214因上眼睑和睫毛而发生渐晕。另外，扫描边界外部的区域216因图像捕获场的边缘而发生渐晕并且因此不可读。

在图2c中，眼睛朝侧面掉转视线，并且虹膜在眼睛的角落里。虹膜的区域224因上眼睑和睫毛而发生渐晕。虹膜的区域234因下眼睑和睫毛而发生渐晕。另外，虹膜因由眼睛的光轴与扫描仪的光轴之间的非垂直角度导致的透视缩短而发生失真。虹膜的右边缘沿着线228而非221，这使虹膜特征的纵横比发生失真。

在图2d中，眼睛掉转视线直接进入扫描仪但头部被部分地转向离开扫描仪，再次将虹膜置于眼睛的角落里。虹膜的区域244因上眼睑和睫毛而发生渐晕。虹膜的区域254因下眼睑和睫毛而发生渐晕。透视缩短将虹膜边缘置于线238而非线231处。

在图2b、图2c和图2d中，眼睛或头部与扫描仪的未对准导致比图2a的最优对准更多缺失或失真的虹膜特征。如果足够的区别特征缺失或失真，则错误匹配或不匹配的几率增加。

图3a至图3g是平面光源的示例的概念性图解。所述示例是非限制性的；这些以外的其他类型的平面光源可以与对准目标发生器的实施例一起使用。

图3a是发射光310的平面光源302的示意性符号。此符号在稍后的附图中可以表示其他所展示的平面光源中的任何一个或任何合适的已知替代物。

图3b表示通过导电叉齿318和照明平面漫射器316被供电的发光二极管(led)314。led314可以以点光源的方式发光，但在其发射光被平面漫射器316散射时，平面漫射器316的前表面表现为平面光源。虽然展示了经封装的led314和单独安装的漫射器316以易于理解，但是在一些实施例中，这些部件中的任何一个或全部可以是集成在芯片上的薄膜部件。另外，在一些实施例中，反射性漫射器可以代替所展示的透射性平面漫射器316。

图3c表示通过导电叉齿318被供电的led阵列324。单独的点源led被充分接近地放置在一起，使得人眼将其看作是平面(或线性)光源。展示了经封装的led阵列324以易于理解，但在一些实施例中，led阵列324可替代性地可以与其他扫描仪部件一起被集成在芯片上。

图3d表示通过导电叉齿338和照明光导阵列336被供电的led334。led334基本上可以表现得像点光源，但在其光被光导阵列336捕获并重定形时，光导阵列336的前表面表现为平面光源。光导阵列336可以是集成光学光导的阵列或光纤的刚性或柔性束。光导阵列336可以较短或较长。光导阵列336中的光导可以是阶跃折射率、梯度折射率、单模、多模或反射性管。虽然展示了经封装的led334和单独安装的光导阵列336以易于理解，但是在一些实施例中，这些部件中的任何一个或全部可以是集成在芯片上的薄膜部件。

图3e表示了通过导电叉齿348和照明边缘发射型光纤346被供电的led344。led344基本上可以表现得像点光源，但在其光被边缘发射型光纤346捕获并重定形时，边缘发射型光纤346的具有线圈或其他平面形成的前表面表现为平面光源。虽然展示了经封装的led334和经耦合的边缘发射型光纤346以易于理解，但是在一些实施例中，这些部件中的任何一个或全部可以是集成在芯片上的薄膜部件。

另一替代性实施例族可以使用母设备上的现有可见led，在对准目标发生器被使用时(例如，“上电”或“caps/num/fn锁定”)，可以使得所述现有可见led继续点亮。永久性或可移除的光扩展元件诸如漫射器316、光导阵列336、或边缘发射型光纤346可以被定位在现有led的前方以形成平面光源。

图3f表示自照明屏幕354，例如基于led或液晶二极管。自照明屏幕354被示出为通过导线358.1和背电极358.2供电，但可以等效地使用透明的前电极或两者。发光层354从单独像素或被划分成多个像素的led照明发射光。可以添加(多个)光改变层356(偏光器、滤光器、显微镜头等)以改变发射光的特性。

自照明屏幕354可以让其所有像素发射一种颜色，比如白色，或者可以让相邻像素发射不同颜色以出现纯混合颜色。分辨率可能相当低并且自照明屏幕354将对用户的眼睛仍看似为平面光源。

在一些实施例中，自照明屏幕354可以是更大屏幕的一部分，比如用于智能手机、平板计算机、或通过虹膜识别来认证其用户的私人计算机的显示屏。

在图3g中，自照明屏幕364是安装在壳体367中的更大的显示屏。为了进行虹膜扫描，光学具组366可以通过可移除安装夹368被暂时地安装在自照明屏幕364及其壳体367的一部分上方。可以通过弹簧力369、通过可移除安装夹368的内表面与壳体367的外表面之间的摩擦力、或通过任何其他已知的保持机构将可移除安装夹368保持在位。在虹膜扫描认证了预期的用户之后，可移除安装夹368可以被移除、或滑动/转动到一边，从而允许整个显示屏用于其他目的。

类似地，安装夹可以可替代地用于将光束扩展器和光学具组暂时地安装在被集成到母设备的壳体中的现有可控led上。

图4a至图4h概念性地展示了可以在对准目标发生器的一些实施例中使用的光束成形元件的示例。所述示例是非限制性的；这些以外的其他类型的光束成形元件可以与对准目标发生器的实施例一起使用。另外，被作为示例画出的透射性元件中的任一个可以被对入射光束进行类似成形的反射元件代替。一些实施例可以包括被负供电的光束成形元件。

图4a是发射光310的平面光源302的示意性符号。此符号在稍后的附图中可以表示其他所展示的平面光源中的任何一个或任何合适的已知替代物。

图4b表示在两个光学表面上具有相反曲率413.1和413.2的透镜413。

图4c表示具有一个平面光学表面和一个弯曲光学表面的透镜423。

图4d表示在两个光学表面上的同一方向具有不同半径的曲线的透镜433。

图4e表示具有不同材料的两个元件443.1和443.2的透镜443，例如用于使多波长光束系消色或用于另外以不同方式对不同波长的光束进行成形。

图4f表示具有振幅调制透射的衍射(菲涅尔)透镜453。

图4g表示具有相位调制透射的衍射(菲涅尔)透镜463。

图4h表示梯度折射率透镜473，所述梯度折射率透镜以折射率的横向变化而非(或除了)弯曲的或衍射图案化的光学输入或输出表面对入射光束成形。

图5a至图5b概念性地展示了环形孔径以及包括环形孔径的对准目标发生器的示例。

在图5a中，安装在壳体505中的光束阻挡器504具有透射性环形孔径514以允许一些光穿过。在与所展示的那个环相似的连续环形的情况下，光束阻挡器504的内部部分和外部部分可以被附着于、或制造在具有诸如玻璃或塑料等透射至少一些可见光的材料的背板上。

等效设计包括由多个未连接的孔或弧形槽形成的分段环形，包括等间隔地围绕所述环形的周长的至少三个孔或弧形槽，从而形成点环而非实心环。由于光束阻挡器在此类实施例中是单件的，因此出于维持光束阻挡器504的结构的目的，可以不需要背板。

在图5b(对准目标发生器的剖视侧视图)中，平面光源502照亮光束阻挡器504，可选地通过窗口或漫射器524。窗口或漫射器524可以充当用于光束阻挡器504的背板。来自平面光源502的光510从光束阻挡器504中的环形空间或周边孔514出射。光束成形元件503捕获光510并对其进行成形从而形成光束阻挡器504中的环形空间或周边孔514的图像。已对准眼睛511看见围绕其周长均具有均匀宽度的环511.1(或具有等尺寸圆点的类环)。未对准的眼睛521看见新月形521.1(或具有等尺寸点的类新月形)。

如果壳体505的部分不使从光束阻挡器504中的(多个)孔径出射的光510发生渐晕，则由出射角θ1(取决于孔径或孔514的深度d(越深越敏感)和宽度w(越宽越不敏感))、并且还由成像角度θ2(取决于光束成形元件503的位置和焦距)来确定对准灵敏度。类似的关系适用于一些其他实施例。

图6a至图6c概念性地展示了包括一个或多个滤色器的对准目标发生器的示例，所述一个或多个滤色器取决于眼睛的位置和角度来改变平面光源的颜色。

在图6a(对准目标发生器的侧视图)中，平面光源602以跨其宽度而发生变化的光谱响应照亮窗口。在此图中，线条厚度被用作代理颜色。如所展示的，底部窗口部分606是来自颜色基本不变的平面光源602的基本上清晰的透射光610。顶部窗口部分616是滤色器(吸收或反射)透射有色光620，其为来自平面光源602的光610的光谱子集。

已对准眼睛611将看见混合光谱b(即，如果光610是白色并且光620是红色，则已对准眼睛611将看见粉红色)。未对准眼睛621将看见白色(仅光610)，同时未对准眼睛631将仅看见红色(光620)。图6a的对准目标发生器将眼睛对准在平行于光轴的一个平面内。

在图6b和图6c中，影线类型为代理颜色。

图6b是1-d对准窗口的正视图，示出了清晰的180度扇区606和滤色器180度扇区616。

图6c是2-d对准窗口的正视图，示出了清晰的120度扇区606、第一滤色器120度扇区616、和第二(不同)滤色器120度扇区626。

可替代地，2-d对准窗口可以具有四个90度扇区，每个扇区透射不同的颜色。在所有描述的实施例中，不同扇区的透射光谱对用户的眼睛产生明确不同的颜色。在一些实施例中，透射光谱可以重叠不到30％。在一些实施例中，透射光谱的峰值波长可以相差大于100nm。

注意，对准窗口的一些实施例可以使用不同的滤色器代替清晰部分606，从而使得以不同的方式光谱地更改全部现有光。

图7a至图7b概念性地展示了包括光束阻挡器的对准目标发生器的示例，所述对准目标发生器被两个或更多个会聚波导穿透。

在图7a(剖视侧视图)中，光束阻挡器704被波导707.1和707.2穿透，所述波导捕获并透射来自平面光源702的光710。波导707.1和707.2可以是刚性或柔性的。波导707.1和707.2可以包括透射芯717和较低折射率的包层727。

光710以与波导的数值孔径相对应的全角出射波导707.1和707.2。另外，出射光锥的光轴彼此会聚。已对准眼睛711在通过光锥会聚而创建的最小光斑内。未对准眼睛721在更大的光斑中；他们仍然可以看见两个点，但这两个点将较暗或可能失真。

在图7b(正视透视图)中，(在圆周长上相距90度的)四个波导707.1至707.4进行会聚以允许在2个正交轴上对准。相距120度的3个波导将提供非正交2d对准。在两种情况下，已对准眼睛711被定位在最亮点的最小光斑内。扫描仪输入端709可以定位在具有波导尖端的圆圈的中心。可选地，光束阻挡器704可以是母设备的壳体的壁。

图8概念性地展示了反射镜倾斜的对准目标发生器。反射镜808.1和808.2被定位在扫描仪输入端809的任一侧并沿着以已对准眼睛811为中心的圆柱体的周长朝扫描仪输入端的光轴向内倾斜。离轴的平面光源(未示出)为反射镜808.1和808.2提供照明。

已对准眼睛811看见反射镜808.1和808.2两者，因为眼睛的表面以与反射镜的法线角或近法线角将光线850.1和850.2反射回去。未对准眼睛821看见反射镜808.1，因为眼睛沿着反射镜808.1的法线对光线850.3进行反射。然而，未对准眼睛821看不见反射镜808.2，因为光线860.1与反射镜808.2成非法线角并作为光线860.2被反射离开眼睛。

在对准目标发生器的一些实施例，在生物测定测量开始之前，平面光源被阻断或掉电从而避免可能掩盖虹膜的特征的过多反射。

这种类型的2-d对准目标发生器将使用至少3个反射镜，所述反射镜被安排在与已对准眼睛位置同心的球体表面上的扫描仪输入端809周围。

面部识别在可收回性和可接受性(虹膜扫描的较弱区域)以及通用性上、在独特性和持久性的中间范围上得分较高，但在性能和(困难)规避上较低。2-d面部识别在其可以在不损失准确度的情况下进行测量的头部位置和角度上受限。所描述的针对眼睛的对准技术中的一些还可以有助于减小面部识别的误差容限。

同时，对健康因子的远程监测有希望降低患者和医疗保健提供者两者的医疗保健成本。当最近的医生办公室在遥远处并且几乎没有可靠的运输工具，或者当去拥挤的市区诊所充满压力并构成传染的风险时，例程的治疗后跟进有时可能具有实际及经济优势。对患者眼睛或面部的视觉视图可以有助于追踪发炎或感染的进展、伤口和手术切口的愈合、或可以指示潜在健康变化的其他外观变化。然而，如果距离、角度、照明、和其他因素在图片与图片之间的变化很大，则一组连续照片的信息值可能会受到限制。

因此，在此所描述的对准目标发生器还可以适用于面部识别和医疗通信。

前述说明书和附图较详细地描述了实施例的示例以帮助理解。然而，保护范围还可以包括在此未明确描述的等效物、变换、和组合。只有此处所附权利要求书(与母专利、子专利、或分案专利(如果存在的话)的权利要求书一起)限定了受保护知识产权的界限。