JP2008523475A - 目からの反射を用いる虹彩撮像 - Google Patents

Abstract

主体の積極的な協力なく、より長いスタンドオフ距離およびより大きい取り込みボリューム以上で、高速虹彩取得、追跡および撮像システムを用いることができる。バイオメトリック認証のために、取り込まれた虹彩画像を用いることができる。光は主体の目を照らす。虹彩の画像を取り込むために、高分解能カメラを目に向けて目からのアイリフレクションを用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイオメトリック認証に用いられるような、人の虹彩の撮像に関する。

本出願は、２００５年２月１７日に出願され、「網膜再帰反射を用いるバイオメトリック認証および虹彩撮像」と題する米国仮特許出願第６０／６５４，６３８号、および、２００４年１２月７日に出願され、「虹彩撮像を用いてバイオメトリック認証に適用される適応制御光学（ＡＯ）撮像」と題する米国仮特許出願第６０／６３４，３３１号についての米国特許法第１１９条（ｅ）項に規定する優先権を主張する。これらのすべての主題は全体として参照により本出願に組み込まれる。

個人認証の伝統的な形式が技術を進歩させやすくなるにつれて、バイオメトリック認証は個人認証への実行可能なアプローチとして益々認識されている。音声認識、指紋法、虹彩撮像などの技術は、変更や重複が困難な物理的個人特性に頼るものである。

しかしながら、虹彩撮像を介するバイオメトリック認証は、典型的に、絶対的な確証に必要な微細な詳細を分析するために、虹彩の高解像度の画像を必要とする。認証目的のために要求されるように、人の虹彩の微細な筋肉構造を一意的に区別するには、およそ２００ミクロン以上の空間分解能の虹彩の画像が要求される。主体が積極的に協力するシステムでは、虹彩の微細な構造の高コントラストな画像を取り込むために、照明配置、カメラ解像度、暴露時間、光の波長などの条件を最適化することができる。既存のシステムは、典型的に、近接位置からほぼ正面からの向きで虹彩撮像カメラを凝視しながら、特定の位置に頭を保持させるように主体に要求する。虹彩撮像では最近進歩してきているが、人の虹彩の十分に高解像度の画像を取り込むタスクは主体からの積極的な協力の相当の度合いを未だに必要とする。

例えば、商用のカラーＣＣＤ技術（例えば、５メガピクセル）を用いるシステムは、典型的に、１ｍスタンドオフ範囲でおよそ１５ｃｍの視野を有する。それは、１ｍスタンドオフ範囲でおよそ７５ミクロン／ピクセルの空間解像度をもたらす。したがって、主体はカメラからおよそ１ｍ以内にいなければならず、カメラが焦点を合わせ、虹彩の十分な解像度を取り込むために、十分に長い期間１５ｃｍの視野内に虹彩を位置させなければならない。これは、典型的に、主体の積極的な協力を必要とする。その状態はより長いスタンドオフにおいて著しく悪くなってしまう。例えば、１０ｍのスタンドオフで同じカメラを用いるならば、同じ角度分解能を維持することにより、７５０μｍ／ピクセルの空間分解能をもたらすが、これは受け入れがたいものである。一方、７５μｍ／ピクセルの空間分解能を維持することにより、１０ｍで１５ｃｍの広い視野をもたらす。また、この視野内に虹彩を保持することは非常に難しい。

虹彩撮像システムの「取り込みボリューム（capture volume）」は、そのボリューム以上では虹彩撮像システムが十分に高解像度の虹彩画像を取り込むことができるボリュームである。上記ＣＣＤベースのシステムおよび他の同様の従来のシステムは、多くの群衆、より長いスタンドオフ距離以上、あるいは秘密特定アプリケーションのための虹彩撮像のように、従来の虹彩撮像システムが非協力的な状況で用いるには不適当となるほど小さい取り込みボリュームを有している。例えば、金属探知器などの入口を通って歩くとき、あるいは空港、駅、国境検問所、安全なビルのエントランスなどの場所で、主体の虹彩画像を取り込むのが望ましい。これらのアプリケーションにおける高解像度およびより長いスタンドオフの要求は、現在の設計では適合され得ない虹彩撮像システムにおける重要な挑戦である。現在の虹彩撮像システムの取り込みボリュームおよびスタンドオフ能力は、この種の状況を効率的に処理するほど大きくない。

そのため、より大きい取り込みボリュームを有し、あるいはより長いスタンドオフ距離で用いることができる虹彩撮像システムが必要である。

本発明は、主体の積極的な協力なく、より長いスタンドオフ距離およびより大きい取り込みボリューム以上で用いることができる高速虹彩撮像システムを提供することにより、先行技術の制限を克服する。光は主体の目を照らす。虹彩の画像を取り込むために、高解像度カメラを目に向ける（好ましくは、その焦点も合わせる）ために目からの反射（例えば、網膜からの再帰反射や角膜からのグリント反射）を用いる。リアルタイムのステアリングおよび焦点補正は、有用な暴露時間を拡張し、それにより、別の方法で可能なよりも低い照明レベルで良質な画像を可能にする。また、ステアリングおよび焦点のリアルタイム制御のために、他の方法を想定してもよい。

一実施形態では、虹彩撮像システムは撮像サブシステムを備える。撮像サブシステムは、カメラと、光源と、微細追跡システムとを備える。カメラは、バイオメトリック認証に十分な解像度で虹彩の画像を取り込む。光源は、取り込みボリューム内で目を照らす光を生成する。微細追跡システムは、目からの反射（好ましくは、再帰反射かグリント反射）に基づいて、カメラを目に向ける。

一アプローチでは、微細追跡システムは、反射光により駆動される適応制御光学ループを備える。例えば、適応制御光学ループは、変形可能なミラーと、波面センサと、制御部とを備える。波面センサは反射光の波面を検知し、制御部は検知した波面に基づいて変形可能なミラーを駆動する。変形可能なミラーは、入力波面を補正し（すなわち、先端および傾き波面誤差の補正）、それにより、カメラを目に向ける。また、変形可能なミラーは、カメラの焦点を合わせる（すなわち、焦点誤差の補正）。このように、撮像サブシステムは、主体の積極的な協力がなくても虹彩画像を取得することができる。

また、虹彩撮像システムは、取り込みボリューム内で主体のおよその位置を識別する取得サブシステムを備えてもよい。例えば、広い視野の取得システムをより狭い視野の撮像サブシステムに接続してもよい。取得サブシステムは、主体のおよその位置を識別し、撮像サブシステムは、それらの虹彩の画像を取得するために、一主体から次の主体へと向きを変える。制御部は２つのサブシステムを調整する。一アプローチでは、取得サブシステムは、主体の目からの再帰反射に基づいて、主体のおよその位置を識別する。目瞳孔の円形状により、目からの再帰反射を他の光源から容易に区別することができるので、これは都合がよい。２つのサブシステムは、部分的であってもよく、完全に一体化されていてもよい。例えば、取得サブシステムが典型的に撮像サブシステムよりもずっと広い視野を有するけれども、同じ一般的方向を見るように２つのサブシステムを光学的に位置合わせしてもよい。

本発明の他の態様は、上述の装置およびシステムに対応する方法を含む。

本発明は、他の利点および特徴を有する。それらは、添付図面と関連して、以下の本発明の詳細な説明および添付した特許請求の範囲からより容易に明白となるであろう。

図面は、図解の目的のみのために、本発明の実施形態を描写する。当業者は、以下の議論から、ここに記述される本発明の原理から逸脱することなくここに記載される構造および方法の代わりの実施形態を利用可能であることを容易に認識するであろう。

図１は、本発明における虹彩撮像システムの図である。虹彩撮像システムは、撮像サブシステム２００と、任意に取得サブシステム１００とを含む。そのシステムは、典型的に、主体の積極的な強力なく、大きい取り込みボリューム５０を越えて、多くの目１３４の虹彩画像を取り込むように構成される。一適用では、主体は（戸口や金属探知器のような入口６０を通り抜け、取り込みボリューム５０は、入口までに導くエントランスウェイであり、虹彩撮像システムは、主体が取り込みボリュームを通り過ぎるにつれて虹彩画像を取り込む。多くの適用では、取り込みボリュームは、人の流れのための入口または他の障害に基づいて規定されてもよい。例としては、廊下、回転台、料金所、エレベータドア、エスカレータおよび駐車場入口を含む。他の例としては、レジ待ちの列や他の列、横断歩道、歩道および車道を含む。

この状況は、典型的に「非協力的」であり、この「非協力的」は、主体が虹彩撮像に積極的に協力しないことを意味する。例えば、主体は、虹彩画像の取り込みを可能にする装置に頭部を位置させることはない。むしろ、主体は、単に入口を通って歩き、主体がそうしているときにシステムは虹彩画像を取り込む。主体は、システムが虹彩画像を取り込んでいることに気付かなくてもよい。こっそりとすることが重要であれば、目に見えない波長を選択すればよい。

撮像サブシステム２００は、各主体の虹彩画像を取り込む。しかしながら、虹彩画像の十分な解像度を得るために、撮像サブシステム２００は、かなり狭い視野２３０を有する。そのため、取り込みボリューム全体をカバーするために、撮像サブシステム２００は、一主体から次の主体へと積極的に向けられる。多くの異なる方法で主体の粗い追跡を達成することができる。図１では、広い視野１３０を持つ取得サブシステム１００は、各主体のおよその位置を識別するために用いられる。この情報は、主体の一般的近くに撮像サブシステム２００を粗く向けるために用いられる。一般的近くになると、主体の目を光線で照らし、主体の目からの反射に基づいてその目に撮像サブシステム２００を向けることにより、微細な追跡が達成される。アイリフレクション（eye reflection）の例は、網膜からの再帰反射や角膜からのグリント反射を含む。また、高解像度の画像を取り込むために、撮像サブシステム２００の焦点を虹彩に合わせるようにアイリフレクションを用いることができる。大きい取り込みボリュームおよび主体のスループットを受け入れるべきならば、追跡（および焦点）は、リアルタイムでかなり急速に起こる。

取得サブシステム１００および撮像サブシステム２００のために異なる装置を用いることができる。また、取得サブシステム１００は、主体の目からの反射を用いて主体を追跡することに基づくことができる。その代わりに、取得サブシステム１００は、完全に異なる機構に基づいてもよい。例えば、取得サブシステム１００は、取り込みボリュームの従来のデジタル画像を取り込んでもよい。そして、各取り込まれた画像の部分が人を表すか、各人の部分がその人の顔または目であるかを識別するために、ソフトウェアが用いられる。主体の移動を追跡するために、フレーム間の比較を用いることができる。取り込みボリューム内で主体の位置を三角法で測量するために、（アイリフレクション、従来の撮像または他のアプローチに基づく）ステレオスコープシステムを用いることができる。

図１では、取得サブシステム１００は、広い視野１３０を持つ一つの箱として示される。これは単なる表現である。取得サブシステム１００は一つの箱に限らない。ステレオスコープの例では、異なる地点を取り込むために、装置が異なる位置に置かれる。ステレオスコープのアプローチを用いないとしても、例えば、取り込みボリューム５０全体をより効率的にカバーするために、まだ有利に複数のカメラを用いることができる。

また、図１に示すように、広い視野１３０を本当に実行する必要はない。各取得カメラは、図１に示すように、取り込みボリューム５０全体をカバーする広い視野を有していてもよい。その代わりに、各取得カメラは、取り込みボリューム５０全体より小さい範囲をカバーしてもよいが、カメラは取り込みボリューム５０全体をともにカバーする。さらに、カメラは、凝視するよりむしろ向けるようにしてもよく、瞬間的視界は、取り込みボリューム５０よりも小さくてもよい。時間内のどんな瞬間でも、取り込みボリューム全体のわずかな部分だけがカバーされるが、長期にわたると、取り込みボリューム全体がカバーされる。

最後の例では、取得サブシステム１００はカメラに全く基づかなくてもよい。主体の位置を決定するために、他のタイプの位置センサや侵入センサを用いてもよい。例えば、取り込みボリューム５０は、光線のグリッドによってカバーされてもよい。主体の位置は、主体が光線を遮ることにより決定される。異なるアプローチでは、主体の位置を決定するために、床に設置された圧力パッドを用いてもよい。主体の位置を決定するために用いることができる他の技術の例として、ソナー、レーダー、ライダーおよび熱検知や撮像がある。ある種のセンサにとっては、取得サブシステム１００が取り込みボリューム５０をカバーするのに十分である限り、用語「視野」を適用可能でなくてもよい。

制御部１９０は２つのサブシステムを調整する。取得サブシステム１００からの情報は、主体から主体へと狭い視野２３０を粗く向けるために、（制御部１９０を介して）撮像サブシステム２００によって用いられる。取得サブシステム１００と同様に、撮像サブシステム２００にも多くの異なる設計が可能である。一アプローチでは、主体１３４に狭い視野２３０を粗く向けるために、ステアリングミラーやジンバルのような従来の装置を用いる。そして、主体１３４の早い、微細な追跡を達成し、画像取り込みの調整を任意に集中させるために、適応制御光学システム（図１には図示せず）が用いられる。適応制御光学システムは、主体の目１３４からのアイリフレクションあるいは他の位置および距離測定技術によって駆動される。また、他のアプローチを用いることもできる。他のステアリングデバイスの例としては、リズリープリズム、液晶フェーズドアレイ、リアルタイムホログラムおよびブラグ（Bragg）格子がある。他の信号源は、グリント、画像もしくはアイリフレクションを用いる視差、およびライダーの飛行時間を含むことができる。

図２は、目からの再帰反射に基づく、本発明における別の虹彩撮像システムの図である。本例では、取得サブシステム１００は、光源１１０と、ビームスプリッタ１１５と、小さい「ピックアップ」ミラー１１９と、カメラ１５０とを備える。撮像サブシステム２００は、光源２１０と、ビームスプリッタ２１５と、変形可能なミラー２２０と、ビームスプリッタ２２５と、波面センサ２２７と、制御部２２２とを備える。また、撮像サブシステム２００は、光源２４８と、カメラ２５０とを備える。利便性のため、種々の光源は、互いに区別するために、取得光源１１０、ＷＦＳ光源２１０および虹彩撮像光源２４８とそれぞれ言及してもよい。また、虹彩撮像システムは、制御部１９０により制御される粗いチップチルトステアリングミラー１２０を含む。このステアリングミラー１２０は、取得サブシステム１００と撮像サブシステム２００との両方の一部として用いられる。図２では、簡単のために、ステアリングミラー１２０は光線が通る線として描写されるが、ステアリングミラーからの反射は図示されない（すなわち、光路はステアリングミラー１２０に関して広げられる）。システムを通して光線を一直線にし、集中し、撮像し、あるいは他の方法で中継するために、種々のレンズ（または他の光学機器）が用いられる。

取得サブシステム１００は以下のように動作する。取得光源１１０はカメラ１５０用の照明である。光源１１０により生成される光は、ビームスプリッタ１１５およびミラー１１９に反射する。ビームスプリッタ１１５は、光源１１０により生成された光をシステムから出ていく光とカメラ１５０上に撮像されるべきシステムに戻る光とに分離する。ビームスプリッタ１１５は、二分ビームスプリッタであればよい。二分ビームスプリッタは、４分の１波長プレートとともに、後方反射および鏡面反射を抑制するために用いられ得る。また、ビームスプリッタ１１５は、低コストおよび簡単のために中間ビームスプリッタ（すなわち、二分選択制のない）であってもよい。ミラー１１９は、取得サブシステム１００および撮像サブシステム２００の光路を結合し、それらの光路は共通の光軸に沿って一般に位置合わせされる。本例では、２つのサブシステムが異なる波長で動作するものであり、ミラー１１９は、取得サブシステム１００の波長を反射し、撮像サブシステム２００の波長を通過する二色性ビームスプリッタである。光源１１０から出ていく照明は、取得サブシステム１００のより広い視野１３５を照らすために、粗いステアリングミラー１２０で反射する。視野１３５は、取り込みボリューム５０全体にわたって凝視してもよく、取り込みボリュームをわたって走査されてもよい。本例では、視野１３５は、凝視モードで取り込みボリューム全体をカバーするほど広くはない。むしろ、視野１３５は、ステアリングミラー１２０により取り込みボリュームにわたって走査される。視野１３５内の主体は、目１３４によって表され、取得光源１１０により照らされる。

視野１３５内の目１３４は、粗いステアリングミラー１２０に光を再帰反射する。ステアリングミラー１２０は、ミラー１１９およびビームスプリッタ１１５を介してカメラ１５０にその光を向ける。カメラ１５０は、目１３４の一般的な位置を識別するために用いられる広角カメラである。一実施では、カメラ１５０は、視野１３５の別々の画像を周期的に記録するＣＣＤのような電子的画像センサである。一アプローチでは、カメラ１５０は、視野１３５内の主体１３４の移動をモニタするために、早い連続の画像を記録する。

広角カメラからの信号は、目を識別するために（例えば、制御部１９０に含まれる）ソフトウェアにより分析される。その目は、目１３４からの再帰反射のために明るい円形スポットとして現れる。カメラ１５０は、照射光源１１０と同じ波長で動作する。照射波長を通しつつ、戻り光路上の周辺光を受け付けないために、波長フィルタを用いることができる。さらに、光源１１０をストロボとすることができる。また、光源１１０のストロボとカメラ１５０の露出との同期化は、撮像とガイド（または波面センサ）カメラとの分離を増すことができる。また、そのような同期化は背景光混成作用の効果を減らすことができる。

目１３４を識別すると、制御部１９０は、虹彩を撮像するためのプランを決定する。好ましくは、識別の正確さを増加させるために、（同時に必要ではないが）両目の虹彩画像を取り込む。図２では、虹彩１３４Ａを撮像する。必要ならば、制御部１９０は、撮像サブシステム２００のより狭い視野内で興味１３４Ａの目をもたらすために、粗いステアリングミラー１２０を向ける。また、必要ではないが、図２に示すように、粗いステアリングミラー１２０は、取得サブシステム１００を広い視野１３５に向ける。取得サブシステム１００および撮像サブシステム２００をともに向ける一つの利点は、波面センサ２２７と取得カメラ１５０との間の固定関係を維持することである。

撮像サブシステム２００は以下のように動作する。ＷＦＳ光源２１０は目１３４Ａを照らす。光源２１０により生成される光は、ビームスプリッタ２１５で反射し、レンズシステム２２１およびミラー１１９を通して伝搬し、ステアリングミラー１２０により目１３４Ａに向けられる。この光が撮像サブシステム２００から来るので、撮像サブシステム２００は取得サブシステムの視野１３５より狭い視野を有している。照射光の一部は目１３４Ａに入射する。目１３４Ａは、同じ光路１２０〜２２１に沿って戻り光を再帰反射する。戻り光は、ビームスプリッタ２１５を通過し、変形可能なミラー２２０で反射し、ビームスプリッタ２２５によって波面センサ２２７に向けられる。波面センサ２２７、制御部２２２および変形可能なミラー２２０は、目１３４Ａからの再帰反射光に基づいて駆動される適応制御光学ループを構成する。

一変形では、グリントからの目標の目１３４から再帰反射光を区別するために、二分化を用いる。ＷＦＳ光源２１０からの照射光は二分化され、ビームスプリッタ２１５は二分ビームスプリッタである。ビームスプリッタ２１５は、初めに二分化された光を反射し、それを目１３４に向ける。ビームスプリッタ２１５の後（例えば、ビームスプリッタ２１５とレンズ２２１の間に）配置された４分の１波長プレートは、二度の通過（すなわち、ＷＦＳ光源２１０から目１３４Ａへの伝達における一度目の通過と目１３４Ａからの再帰反射における二度目の通過）後９０°だけ二分化光を回転する。グリント、すなわち、なめらかな面からの反射は、一般的に、入射光の二分化を維持し、そのため、戻り光路上の二分ビームスプリッタ２１５により反射され、波面センサ２２７を通過しない。そのようなグリントは、対物レンズ２２１からの反射と、目１３４またはガラスの前からの反射およびその他を含んでもよい。しかしながら、目標の目１３４の網膜からの再帰反射は、目の構造上入射光の二分化を維持せず、そのため、この光の一部は、ビームスプリッタを通して波面センサ２２７に伝達される。

高次の収差を矯正するために、多くのアプリケーションで適応制御光学が用いられ得るが、この場合、主に、目１３４Ａの追跡（すなわち、波面におけるチップ／チルト誤差の修正）のために、好ましくは、焦点補正のために、適応制御光学ループが用いられる。これは、カメラ２５０の狭い視野内に虹彩１３４Ａを維持し、（焦点補正を実行すると）カメラの焦点を合わせる。本例では、光源２１０は、カメラ２５０のために主要な照明を提供しない。むしろ、追加の光源２４８（すなわち、虹彩撮像光源）がカメラ２５０のために虹彩１３４の軸外の照明を提供する。例えば、近赤外波長帯のＬＥＤを用いることができる。保護するメラニン色素はより長い波長で一層透明である。したがって、虹彩構造の詳細は、これらの波長の光源を用いて、色素沈着の強い目においてより容易に見られる。その代わりに、安全限界に適合するその他のあらゆる光源を用いることができる。一般に、軸外照射は、より高いコントラストおよびより少ない人為要素をもたらす。また、軸外照明アングルは、識別精度に有害であるグリントの位置合わせをもたらす。また、虹彩カメラ２５０のための二分化フィルタを持つ二分化照明を用いて、グリントを減らすことができる。代わりのアプローチでは、カメラ２５０用の照明は、周囲の照明、可視もしくは赤外線のフラッシュ、あるいはこれらの組み合わせにより提供され得る。

天文学で開発されたもののような伝統的な適応制御光学システムは、あまりにも大きく、複雑であり、虹彩撮像のような適用に効果的に用いるには高価である。しかしながら、カリフォルニア州カンベルのＡｏｐｔｉｘテクノロジーによる最近の進歩は、下駄箱より小さい大きさを達成する電子装置を含む完全な適応制御光学システムの開発をもたらした。Ａｏｐｔｉｘ適応制御光学システムは、２５Ｗ未満の電力を必要とし、延長された期間中手当てなく確実に稼働することができる。Ａｏｐｔｉｘ適応制御光学システムの小型、軽量、小電力および高信頼性により、ここに記述される虹彩撮像適用のような適用に適している。

これらのよりコンパクトなシステムでは、変形可能なミラー２２０は、圧電材料の異なる領域を越えて異なる電圧を印加し、それにより変形させることに基づく変形可能な曲率ミラーである。この種の変形可能なミラーのさらなる詳細は、Ｊ．エロン．グレイブズおよびマルコム．Ｊ．ノースコットによる２００１年１月２５日に出願され、２００２年１０月１５日に発行された「変形可能な曲率ミラー」と題する米国特許第６，４６４，３６４号、Ｊ．エロン．グレイブズおよびマルコム．Ｊ．ノースコットによる２００１年１月２５日に出願され、２００４年３月２７日に発行された「変形可能なミラーの実装装置」と題する米国特許第６，５６８，６４７号、および、Ｊ．エロン．グレイブズおよびマルコム．Ｊ．ノースコットによる２００１年６月１６日に出願された「大気光学データ伝達システム」と題する米国特許第６，７２１，５１０号に記述され、示される。また、波面センサ２２７は、焦点をぼかした瞳孔画像に基づく波面曲率センサである。この種の波面曲率センサのさらなる詳細は、Ｊ．エロン．グレイブズおよびマルコム．Ｊ．ノースコットによる２０００年５月２６日に出願され、２００２年９月１７日に発行された「波面検知の方法および装置」と題する米国特許第６，４５２，１４５号、およびＪ．エロン．グレイブズおよびマルコム．Ｊ．ノースコットによる２００１年６月１６日に出願された「大気光学データ伝達システム」と題する米国特許第６，７２１，５１０号に記述され、示される。前述のすべての特許は、この参照によりここに組み込まれる。

一実施形態では、図２の虹彩撮像システムは、空港玄関、税関検問所、公共輸送ステーション、安全なビルのロビーなどで用いられるように設計される。少なくとも１０ｍまでのスタンドオフ距離により、大きい部屋や玄関を走査することで占有者を識別することができる。例えば、空港の出発あるいは到着スクリーンの近くに装置を設置することができる。そして、システムは、画面の表示内容を読むように試みることで誰でも識別することができる。

この特定の設計のために、取得サブシステム１００は、およそ１２°の視野１３５を有する。これにより、（走査なしで）１０ｍ範囲でおよそ２ｍ×２ｍ×２ｍを計測する取り込みボリューム５０をもたらす。取得光源１１０は、７５０〜９８０ｎｍの範囲の波長を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。より短い波長は、より良いセンサ量子効果を与えるが、およそ８９０ｎｍより長い波長が不可視動作のために必要とされる。また、より長い波長は可能であるが、より高価な検出器（シリコンではない）を必要とする。ＬＥＤ光源が一般に好ましい。レーザ光源は、目の安全性を考慮すると問題であるが、慎重なエンジニアリングで用いることができる。また、ある条件下では、ガス放電灯を用いることもできる。また、タングステンライトやアーク灯のような熱源を用いることもできるが、波長フィルタリングの必要性のため非効率的であろう。

この特定の設計では、取得サブシステム１００による照射波長は、撮像サブシステム２００で用いられるものと異なり、取得サブシステム１００の光から撮像サブシステムの光を分離するために、ミラー１１９は波長選択的であればよい。取得カメラ１５０は、およそ７２０×５００ピクセルの解像度を有する赤外拡張モノクロテレビジョンカメラである。

撮像サブシステム２００に関して、解像度要求は虹彩撮像システム２００の設計を促進させる。７５ミクロン／ピクセルの解像度要求を考慮する。回折限界性能を想定して、要求される開口直径ｄは、ｄ＝λｚ／ｒにより与えられる。ここで、ｚはスタンドオフ距離であり、ｒは要求解像度である。例えば、λ＝０．８２μｍ、ｚ＝１０ｍとすると、要求される開口は１１ｃｍである。別の例として、回折限界５ｃｍ開口の１０ｍのスタンドオフ距離における０．５μｍの可視波長で、１００μｍの解像度を達成することができる。しかしながら、より長い波長で観察される拡張コントラストによって虹彩撮像のために、一般的に赤外波長が好ましい。

また、回折制限解像度要求および大きい開口は、制限された被写界深度に至る。被写界深度のフォーカスのために広げられる幾何学的画像が回折制限の半分未満になるように設定されるならば、被写界深度ｌはｌ＝ｒ²／λにより与えられる。０．８２μｍの例は、およそ７ｍｍの被写界深度をもたらす。０．５μｍの例は、およそ２ｃｍの被写界深度をもたらす。数ｍｍまたは数ｃｍオーダの被写界深度は、移動する物体に焦点を合わせることを困難にする。このため、早い追跡と同様に、早い焦点補正を実行することは適応制御光学ループにとって有利である。適応制御光学により増大した虹彩撮像システムでは、目標を識別する数ｍ秒内に画像を取り込むことができる。したがって、適応制御光学の使用は、非協力的な目標を含むアプリケーションのために、画像取り込みの速度および正確性を増加させることができる。

また、他の変更およびアプローチを用いて、焦点調整を達成することができる。例えば、焦点を調整するために、可変焦点レンズや変形可能ミラーを用いることができる。電気機械レンズ位置調整、カメラ２５０の移動、および可変屈折率要素は、焦点を調整する代わりの方法である。さらに、焦点波面感知は、画像コントラスト測定およびディザリングに基づくことができ、あるいは、専用焦点波面センサの使用によるもの、または、光学もしくは音響パルスの飛行時間を用いて目の距離を測定することによるものであってもよい。

上述の特定の例で続けると、目標の個人が処理に気付かないように目を照らすために、虹彩撮像システム２００に用いられるＷＦＳ光源２１０を選択することができる。一般に、７５０〜９８０ｎｍの範囲の波長を有するＬＥＤが好ましい（不可視の実施にはおよそ８９０ｎｍより大きい波長を有するＬＥＤが好ましい）が、上述のように他の光源を用いることができる。アイリフレクションにより瞳孔が完全に照らされることを確保するので、図２に示すようにテレスコープの開口を照射光で満たすことは有利である。また、好ましくは、虹彩撮像光源２４８はＬＥＤである。虹彩撮像標準は、現在、８５０ｎｍ辺りの波長を特定する。

また、本例では、カメラ２５０によって虹彩を撮像するために用いられる照明と異なるように、（波面センサ２２７により用いられる）ＷＦＳ照明波長が選択される。このため、ビームスプリッタ２２５は、効率を増加する二色性である。しかしながら、これらの波長の分離は要求されない。他の技術を用いて、異なるビームを分離することができる。例えば、その代わりに、虹彩撮像照明およびＷＦＳ照明を時間により区別することができる。ＷＦＳチョッパ（図２には図示せず）に同期してＷＦＳのＬＥＤ２１０をぱっと光らせることができ、波面センサ２２７が信号を統合していない不感時間を満たすように虹彩撮像照明２４８をぱっと光らせることができる。好ましくは、虹彩撮像カメラ２５０は高品質な単色撮像装置である。高速追跡のため、この撮像装置２５０は、比較的小さいピクセル数を有することができる。例えば、６４０×４８０映像撮像装置が利便性がよい。虹彩撮像カメラ２５０にとって、高品質、高量子効率および低ノイズ信号は、解像度よりも比較的重要である。取得カメラ１５０は、一般的に、別々の照明システムを有する。取得照明１１０、虹彩撮像照明２４８あるいは微細追跡照明２１０の間に干渉が起こるならば、分離を提供するために、例えば、波長、二分化、時間分離、あるいは角度もしくは空間分離に基づく技術を含む種々の技術を用いることができる。

図２の例は、目からの再帰反射に基づくものである。図３は、人の目からの再帰反射の図である。目の固有の形状のために、目は再帰反射器として作用する。目レンズ３０４に入射する光は、網膜３１４上に収束される。網膜により散らされ、レンズ４０４に向けて戻るあらゆる光は、目からの光路を再度辿る。網膜が目レンズの焦平面にあるので、光は後方散乱方向に強く向けられる。図３に示すように、光は瞳孔を通って眼球に入射し、網膜３１４の後部局面から反射する。それは、撮像サブシステム（例えば、適応制御光学ループの波面センサ）の微細追跡システムを駆動するために用いることができる網膜３１４からの逆反射である。また、図３の例は、再帰反射を作り出すために、照明が正面から来る必要がないことを示している。そして、主体は、取得および撮像システムが動作するために、虹彩撮像カメラを直接凝視する必要がない。

図４は、人の目の典型的な反射率スペクトルの図である。このグラフは、ユトレヒト大学のＮｉｅｌｓ Ｚａｇｅｒｓの論文に元々提示された。反射率は、赤外線に向かって強いピークを示す。７５０ｎｍの波長（ＣＤ読み込みレーザ波長）を用いると、白ランバート拡散器の４％の反射率が期待される。網膜で見出されるメラニンが赤色波長ではほとんど吸収しないので、後方反射率は赤色および近赤外（８００ｎｍ辺り）波長でより強い。７５０ｎｍ以上の波長では、わずかに可視領域外であるので、主体は弱々しい照明を見るだけであろう。８８０ｎｍ以上の波長では、光源は本質的に不可視である。

以下の例は、適応制御光学システムの閉ループ動作において、目２３４からの再帰反射光をどのように用いることができるかを論証する。０．１ｍＷの電力で１０ｍの距離における主体の目を照らすことができる。これは十分に目の安全限界内である。本例では、再帰反射された光は、およそ６．４×１０^-13Ｗ／ｃｍ²であると期待される。１００ミクロンの解像度を達成するために５ｃｍの撮像レンズを用いることを想定すると、波面センサでおよそ１．２×１０^-11Ｗが取り込まれる。これは、およそ毎秒５×１０⁷の光子の光子束に相当する。一実施形態では、比較的遅い速度で実行する低位の適応制御光学システムが用いられる。例えば、１ＫＨｚで更新された１９アクチュエータの適応制御光学システムは、更新毎に各アクチュエータでおよそ２５００光子を提供する。電子読み出しノイズ５０および量子効率５０％よりも良いＣＣＤタイプの検出器は、適応制御光学システムの閉ループ動作のためのノイズ割当てに十分な信号を提供する。比較のために、電子読み出しノイズ１０および量子効率９０％より良い値は、科学的グレードのＣＣＤ撮像のために定期的に達成される。したがって、微細追跡および撮像で促進された適応制御光学をサポートするフィードバック信号を得るために、再帰反射された光を使用することができる。

波面センサを駆動する再帰反射器として目を用いる利点は、低コストと、長い距離とを含む。低コストは、波面センサおよび光源として高価でないシリコン検出器および高価でないＬＥＤをそれぞれ用いる能力のためである。再帰反射の強い指向性のため、長い距離でさえ十分な信号を達成する。しかしながら、網膜の再帰反射は点放射源として現れない。そこで、正確な波面信号を生成するために、より高い動的な距離の検出器を用いる。

図２の例では、目からの反射は、網膜の再帰反射であった。その代わりに、目の前面は約４％の反射率を有する部分ミラーとして作用する。この面からの反射は、再帰反射の代わりに撮像サブシステム２００を向けるために用いることができるグリントを形成する。例えば、光源２１０が目１３４Ａを照らすが、波面センサ２２７は、再帰反射よりむしろ目からのグリント反射により駆動されるように、図２のシステムは変更され得る。グリントが軸外照射により生成され得るので、軸外あるいは撮像サブシステム２００のテレスコープ２２１の外側でさえ、光源２１０を移動することができる。図５の例では、光源２１０は、外部光源２１２に取って代わられる。この光源２１２は、むしろ照明２４８に近い位置に配置されるが、テレスコープ２２１のためにグリントをまだ引き起こす。さらに、グリントは、光源の拡大されていない画像のように見えるが、点放射源に近い傾向がある。結果として生じる利点は、グリントの大きさおよび形状が主体への距離の強い作用ではないことである。

眼球のグリントから波面センサを駆動する一利点は、眼球からのグリントを用いることができる距離に制限がないことである。また、点のような放射源は、高い動的距離を持つ波面センサを必要としない。しかしながら、グリントは、目からの再帰反射より小さい光を戻し、そのため、波面センサのより大きい感度またはより高い照明流速を必要としてもよい。

詳細な説明は多くの詳細を含んでいるが、これらは本発明の範囲を制限するように解釈されるべきではなく、単に本発明の異なる例および態様を示すものであると解釈されるべきである。本発明の範囲は上記で詳細に議論されない他の実施形態を含むことを認識すべきである。添付の特許請求の範囲に定義される本発明の意図および範囲を逸脱することなく、ここに開示される本発明の方法および装置の配置、動作および詳細において当業者に明白な種々の他の修正、変化および変更をなしてもよい。例えば、撮像サブシステム内の微細追跡システムは、目から目にカメラを向けるために、変形可能なミラーを用いてもよいが、変形可能なミラーは、波形センサ以外のフィードバックにより駆動されてもよい。例えば、変形可能なミラーを駆動するために、ライダー、レーダーおよび他の範囲決定技術、画像視差または画像コントラスト計測並びにパターン認識を用いてもよい。そのため、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物により決定されるべきである。

本発明における虹彩撮像システムの図である。 目からの再帰反射に基づく、本発明における別の虹彩撮像システムの図である。 目からの再帰反射の図である。 人の目の典型的な反射率スペクトルの図である。 目からのグリントに基づく、本発明における別の虹彩撮像システムの図である。

Claims (47)

1. 撮像サブシステムを備える虹彩撮像システムであって、
   バイオメトリック認証に十分な解像度で、虹彩の画像を取り込むカメラと、
   目を照らすための光を生成する光源と、
   前記目を照らす光のアイリフレクションに基づいて、前記カメラを該目に向ける微細追跡システムと、
   を備えることを特徴とする虹彩撮像システム。
2. 前記アイリフレクションは前記目からの再帰反射を含む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
3. 前記アイリフレクションは前記目からのグリント反射を含む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
4. 前記微細追跡システムは、前記目の反射光に基づく適応制御光学ループを含む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
5. 前記適応制御光学ループは、
   前記目に前記カメラを向けるとともに、前記目の反射光の波面を調整するための変形可能なミラーと、
   前記目の反射光の前記波面を検知する波面センサと、
   前記変形可能なミラーと前記波面センサとの間に接続され、前記検知された波面に基づいて、該変形可能なミラーを調整するための制御部と、を含む請求項４に記載の虹彩撮像システム。
6. 前記変形可能なミラーはさらに前記カメラの焦点を合わせる請求項５に記載の虹彩撮像システム。
7. 前記撮像サブシステムは、前記変形可能なミラーと前記波面センサとの間に位置する二分ビームスプリッタを備え、前記光源は二分された光を生成し、前記二分ビームスプリッタは、前記変形可能なミラーで前記二分された光を光路に結合するが、前記波面センサから離れる同じ前記二分された帰還光を反射する請求項５に記載の虹彩撮像システム。
8. 前記変形可能なミラーは、圧電材料の異なる領域を越えて印加する異なる電圧に基づく変形可能な曲率ミラーである請求項５に記載の虹彩撮像システム。
9. 前記波面センサは、焦点をぼかした瞳孔画像に基づく波面曲率センサである請求項５に記載の虹彩撮像システム。
10. 前記適応制御光学ループはさらに前記カメラの焦点を合わせる請求項４に記載の虹彩撮像システム。
11. 前記微細追跡システムは前記カメラを目に向けるための変形可能なミラーを含む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
12. 前記微細追跡システムは、少なくとも毎秒１０の虹彩を取得し、撮像するスピードを有する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
13. 前記微細追跡システムは、０．５ｃｍよりも高い精度で虹彩を追跡することができる請求項１に記載の虹彩撮像システム。
14. 前記光源は非レーザ光を生成する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
15. 前記光源はＬＥＤである請求項１に記載の虹彩撮像システム。
16. 前記光源は７５０ｎｍより長い波長範囲の光を生成する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
17. 前記光源は７５０ｎｍから９８０ｎｍまでの波長範囲の光を生成する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
18. 前記光源は８５０ｎｍより長い波長範囲の光を生成する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
19. 前記光源は人に不可視の波長範囲の光を生成する請求項１に記載の虹彩撮像システム。
20. 前記カメラはモノクロカメラである請求項１に記載の虹彩撮像システム。
21. 前記カメラは２００ミクロン以上の解像度で虹彩の画像を取り込む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
22. 前記カメラは１００ミクロン以上の解像度で虹彩の画像を取り込む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
23. 前記カメラは７５ミクロン以上の解像度で虹彩の画像を取り込む請求項１に記載の虹彩撮像システム。
24. 前記カメラによる画像取り込み用の虹彩を照らすための軸外光源をさらに備える請求項１に記載の虹彩撮像システム。
25. 前記撮像サブシステムは少なくとも１ｍ³の取り込みボリュームをカバーすることができる請求項１に記載の虹彩撮像システム。
26. 前記カメラは少なくとも５ｍのスタンドオフで虹彩画像を取り込むことができる請求項１に記載の虹彩撮像システム。
27. 前記カメラは少なくとも１０ｍのスタンドオフで虹彩画像を取り込むことができる請求項１に記載の虹彩撮像システム。
28. 取り込みボリューム内で主体のおよその位置を識別するための取得サブシステムと、
    前記取得サブシステムおよび前記撮像サブシステムに接続され、前記２つのサブシステムを調整する制御部と、をさらに備える請求項１に記載の虹彩撮像システム。
29. 前記取得サブシステムは、前記主体の目からの照らす光のアイリフレクションに基づいて、前記主体のおよその位置を識別する請求項２８に記載の虹彩撮像システム。
30. 前記取得サブシステムは取り込みボリューム全体を凝視する請求項２８に記載の虹彩撮像システム。
31. 前記取得サブシステムは前記取り込みボリュームにわたって走査する請求項２８に記載の虹彩撮像システム。
32. 前記取得サブシステムおよび前記撮像サブシステムは共通の光軸に沿って位置合わせをされる請求項２８に記載の虹彩撮像システム。
33. 目の虹彩を撮像する方法であって、
    光で前記目を照らす工程と、
    前記光で照らされた目からのアイリフレクションに基づいて、前記目にカメラを向ける工程と、
    バイオメトリック認証のために十分な解像度で前記虹彩の画像をカメラで撮像する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
34. 前記アイリフレクションは前記目からの再帰反射を含む請求項３３に記載の方法。
35. 前記アイリフレクションは前記目からのグリント反射を含む請求項３３に記載の方法。
36. 前記目にカメラを向ける工程は、前記目に前記カメラを向けるために、前記目の反射光に基づく適応制御光学ループを用いる工程を含む請求項３３に記載の方法。
37. 前記目の反射光に基づいて、前記カメラの焦点を前記目に合わせる工程をさらに含む請求項３３に記載の方法。
38. 前記目にカメラを向ける工程は、少なくとも毎秒１０の目に前記カメラを向けることができる請求項３３に記載の方法。
39. 前記目を照らす工程は、７５０ｎｍより長い波長範囲の光で前記目を照らす工程を含む請求項３３に記載の方法。
40. 前記目を照らす工程は、人に不可視の波長範囲の光で前記目を照らす工程を含む請求項３３に記載の方法。
41. 前記カメラは２００ミクロン以上の解像度で虹彩の画像を取り込む請求項３３に記載の方法。
42. 少なくとも１ｍ³の取り込みボリュームをカバーするために、前記カメラを向けることができる請求項３３に記載の方法。
43. 前記カメラは少なくとも１０ｍのスタンドオフで虹彩画像を取り込むことができる請求項３３に記載の方法。
44. 取り込みボリュームで主体のおよその位置を識別する工程をさらに含み、
    前記目にカメラを向ける工程は、前記識別されたおよその位置に一部基づく請求項３３に記載の方法。
45. 前記主体のおよその位置を識別する工程は、前記主体の目からの照らす光のアイリフレクションに基づく請求項４４に記載の方法。
46. 前記主体のおよその位置を識別する工程は、前記取り込みボリューム全体を凝視する工程を含む請求項４４に記載の方法。
47. 前記主体のおよその位置を識別する工程は、前記取り込みボリュームにわたって走査する工程を含む請求項４４に記載の方法。

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