摘要設計了一組應用于多光譜掌紋圖像采集系統的光學薄膜濾光片。根據手掌皮膚在可見、近紅外光譜波段反射率不同的特點，研究了掌紋識別濾光片的光譜特性參數及膜系設計。為提高系統獲得的掌紋圖像質量，采取了四通道濾光片設計方案，光譜特性參數要求為：中心波長為藍光λ1=470nm、綠光λ2=520nm、紅光λ3=630nm、近紅外光λ4=880nm;各通道帶寬均為10nm，透射率大于90%，平均截止背景深度大于OD6。根據實驗顯示，設計結果滿足系統的使用要求。

　　關鍵詞多光譜掌紋圖像采集;濾光片;光譜特性參數;膜系設計

　　引言隨著光電傳感技術的快速發展，對于人體特征有效信息(虹膜、DNA、掌紋信息等)的提取要求越來越高。在生物識別圖像采集系統中通過光學薄膜濾光片對生物體征信息光譜進行分光與濾波后，經過傳感器接收并轉換成數字圖像信號傳輸到系統進行后續的特征提取、特征比對等[1]。

　　多光譜掌紋識別是一種將多種信息特征進行融合的新型技術，目前法國Le2l實驗室和日本本田研究院的最新研究成果表明，該項技術的識別精度可以達到99.9%以上。多通道光學薄膜濾光片式多光譜圖像采集技術，相比于傳統的光柵色散、棱鏡分光和干涉分光技術，具有系統結構緊湊，結構簡單和低成本的優勢[2]。對于多通道光學薄膜濾光片的設計結構主要有以下幾種類型[3]。

　　1、基于F-P標準具模型的多通道薄膜濾光片，其特點是膜層數少，結構簡單，可用全介質薄膜來代替標準具的金屬反射膜，減少了膜層的吸收，能延長濾光片的使用壽命。

　　2、金屬掩膜或光刻膠掩膜方法的多通道薄膜濾光片，這種方法是在基片上制作出所需要的某種可分離的掩膜再進行鍍制，這種模型結構是隨著信號通道數量的增加也會增加掩膜套刻的次數，也就意味著在制備的過程中成品率較低。如若可以在正面同時鍍制多個信號通道且在反面鍍制多層膜堆來控制正面的某一通道的狀態，這樣就可以解決多次嵌套的掩膜帶來的生產率和成品率的問題。

　　3、基于線性漸變濾光片式多通道光學薄膜濾光片，其工作機理是系統中的陣列探測器的若干列像元一一對應于線性濾光片的光譜帶，通過掃描的方式獲取目標所攜帶信息。本文為實現對掌紋表層、紋路及掌靜脈脈絡三種可識別信息的分時獲取，采用旋轉濾光片輪式四通道光學薄膜濾光片進行雙面膜系設計，A面采用F-P標準具模型設計主膜系，B面采用干涉截止膜系交替疊加的設計方法對噪聲區域進行截止。這種結構可極大程度增加系統對目標特征的可區分度，使系統具有更高的識別精度。

　　2光譜性能指標的確定

　　濾光片的作用是對光譜信息進行有效透射，濾除雜散光，使攝像機(傳感器)得到更多有效的信息，進而提高掌紋圖像的采集質量，減少掌紋識別系統后續算法的處理。掌紋圖像采集設備選取了一種環形光源[4]，采用單色LED有序組合排列照射到勻光板，保證光線均勻的照射到手掌，全面的獲取掌紋信息。在可見光區域630nm、520nm、470nm三種光可獲得清晰地掌紋表層、紋路信息[5]。在波長為700-1000nm可獲得掌靜脈圖像，并驗證波長為880nm的圖像更清晰[6]。故系統選用波長為880nm、630nm、520nm、470nm四種典型的LED光源進行照射。

　　3膜系設計

　　本文提出一種干涉截止膜系交替疊加的設計方法，采用雙面膜系設計，A面結構采用FP模型，其基本結構可表示為Air/(HL)x2mH(LH)xL(HL)x2mH(LH)x…/Sub。其中H、L分別為高、低折射率材料，x為反射膜堆的疊加次數，2mH為間隔層，Sub為基底材料。B面結構采用干涉截止膜系交替疊加的方式進行組合。

　　3.1F-P模型的基礎理論

　　在F-P濾光片中，利用史密斯方法的核心思想將膜系中被選定的膜層分離，使整個組合的膜系可以分離成兩個有效的界面表示。

　　4可行性分析

　　A面52層、B面97層，并且各層膜的厚度均在20nm-120nm之間，采用離子源輔助電子槍蒸發的方法鍍制均可滿足。在鍍制過程中，本文打算采取一種高精度膜厚光學監控的方法，針對監控波長的選擇所引起的誤差進行模擬，并利用石英晶體振蕩法對膜層材料的蒸發速率進行監控。根據以往實驗結果[19-20]，對于所選取的材料TiO2蒸發速率控制在約為0.3nm/s并保證真空室內的氧氣流量，SiO2蒸發速率約控制在0.7nm/s，保證均勻平穩蒸發，降低對膜層厚度的監控誤差，保證各膜層均勻，光譜性能指標的控制誤差在2nm以內，在透射率方面可能會由于誤差的累積，導致波紋變大，透射率降低，但可保證在90%以上滿足應用要求。

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　　5總結

　　本文通過對掌紋識別技術的充分研究，并針對圖像采集系統設計了一種濾光輪式四通道光學薄膜濾光片。提出一種基于干涉截止膜系交替疊加的設計方法，以520nm濾光片為例，采用雙面膜系設計結構，總膜層數149層。最終的設計結果T520nm約為90.7%，通帶半寬度10.8nm，截止深度OD>6，另三通道濾光片均滿足設計指標。未來工作將會做出實際產品應用到市場，研究四通道濾光片在掌紋識別設備中的光譜串擾程度，進一步提高濾光片的光學性能：減少波間串擾、提高透射率等，為掌紋圖像采集的系統中得到更高質量的圖像。

　　參考文獻：

　　[1]CuiJR.TheResearchonrecognitionandfusionmethodsbasedonmultispecitraland2D/3Dpalmprint[D].HarbinInstituteoftechnology,2015.崔金榮.基于多光譜和2D/3D掌紋的識別與融合方法研究[D].

　　[2]ChenJ.DevelopmentofMicrostructureNarrowbandFilter.[D].Xi'anUniversitytechnology 2017.陳佳.微結構濾光片的研制[D].西安工業大學,2017.

　　[3]JinB.Design,faricationandmeasurementofmultichannelthinfilmfilters[D].ZhejiangUniversity,2005.金波.多通道薄膜濾光片的設計、制備與測試[D].浙江大學,2005.

　　[4]YuanWQ,YangB.Researchonimageacquisitionlightsourceofnoncontacthandimagingsystem[J].Laserandinfrared,2014,44(7):783-787.苑瑋琦,楊冰.非接觸手成像系統圖像采集光源的研究[J].激光與紅外,2014,44(07):783-787.

　　作者：于志強1，費書國1,2***，趙帥鋒2，郭志帥1,2