撰稿|课题组供稿
在当今信息社会中，基于人脸、指纹和掌纹等生物特征的识别技术已经被广泛应用于身份验证。其中，掌静脉成像技术因其非侵入性、无接触性及丰富的纹理信息，正在成为一项颇具前景的生物识别手段。与面部识别相比，掌静脉识别可以提供更好的隐私保护，并且在用户佩戴口罩或外貌相似的情况下（如双胞胎）也能进行准确区分。近年来，腾讯基于掌纹+掌静脉生物特征识别技术推出的微信刷掌支付技术，被广泛应用于地铁、运动场馆以及便利店等多种场景中，以刷掌身份核验、刷掌支付等多种功能为海量用户提供更安全便捷的服务。
现有掌静脉成像系统由主动近红外光源和近红外相机构成。为了适应不同用户的使用习惯，掌静脉成像系统需要同时具备宽视场和大景深。现有系统通常基于多片非球面镜片，易受透镜组的多表面反射影响从而产生炫光。同时，为了消除手掌表面水、汗液等造成的不必要反射，从而保证在各种条件下清晰呈现掌静脉图案，一般还需要加入偏振片。整体系统存在体积大、成本高等问题。
针对以上难题，清华大学精密仪器系杨原牧课题组和腾讯微信支付33号实验室合作提出利用超构透镜替代传统折射镜头组实现掌静脉成像（图1）。合作团队所实现的超构透镜能够在近红外VCSEL光源照明下，在140°大视场范围和33-150 mm大景深范围内实现接近衍射极限分辨率的成像，从而清晰地呈现出掌静脉图案。同时，合作团队演示了利用超构透镜的偏振选择特性消除掌静脉采集场景中不良反射带来的挑战，替代原有系统中需要在传统镜头上增加的偏振片。该成果近日以“基于偏振选择超构透镜的宽视场大景深掌静脉成像”（Palm vein imaging using a polarization-selective metalens with wide field-of-view and extended depth-of-field）为题发表在自然杂志社新刊发的npj Nanophotonics上。
图1 基于传统光学元件和超构透镜的掌静脉成像系统对比
该成像系统的设计结构和工作原理如图1所示。系统由平面透明基板、前置孔径光阑和后置超构透镜组成。超构透镜由标准电子束曝光和反应离子蚀刻工艺加工的硅基纳米天线阵列构成，直径为3毫米。通过将纳米天线设计具有各向异性，可以在2π范围内独立调制两个相互正交的线偏振入射光的透射相位。不同角度入射的光束经过孔径光阑以及基板被折射到超构透镜的不同区域。两个相互正交的线偏光中，其中一个被聚焦到一个平坦的像平面，另一个被偏折至成像区域以外，因此可以实现成像偏振选择。通过数值优化，聚焦相位可以在大视场和大景深的应用条件下满足近衍射极限分辨率成像的设计需要。本工作中的系统设计结构与MTF仿真结果如图2所示。该方法继承了传统掌静脉成像系统对不同条件下的掌静脉清晰成像的优势，且系统极其紧凑，在不同视场下的成像对比度差异很小，表现出一致的高质量成像效果。
图2 基于超构透镜的成像系统设计侧视图与MTF仿真结果
为了验证系统的能力，研究团队对加工的超构透镜进行了多项实验，测量了其多视场轴上MTF、视场范围、偏振选择特性等（图3）。以商用传函仪的测量数据为准，系统在0.8设计视场内的MTF测量值超过0.3。为了进一步验证实际效果，以SFR plus预畸变测试卡作为成像目标，由两个对称放置的850 nm波长VCSEL照明，通过e-SFR方法量化成像系统的图像分辨率，验证了系统33-150mm的景深范围和成像效果。此外，通过限制进入成像系统的光线偏振方向，验证了超构透镜偏振选择的有效性。
图3掌静脉成像系统的实验验证
超构透镜经过畸变校正后的掌静脉成像效果如图4所示。在主动光源侧，偏振片被放置在VCSEL和手掌之间以生成需要的线偏振照明，在特定偏振方向的照明下，超构透镜有效抑制了手掌表面的反射，提高了静脉成像的清晰程度。现有基于分立超构透镜和传感器的系统仍然存在较多杂光，有望通过系统的进一步集成化来消除。
本工作展示了通过超构透镜能够实现宽视场和大景深的高对比度成像能力以及偏振选择能力，该系统的小型化和对复杂条件的适应性使使在生物特征识别、内窥镜等领域具有应用潜力。
本工作的完成单位为清华大学精密仪器系以及腾讯微信支付33号实验室。精仪系科研助理匡瑛为第一作者，通讯作者为杨原牧副教授。精仪系博士后王帅和腾讯微信支付33号实验室莫槟诚、孙士友、夏凯为论文工作出了重要贡献。本研究得到了腾讯集团的资助。
Y. Kuang, S. Wang, B. Mo, S. Sun, K. Xia, Y. Yang “Palm vein imaging using a polarization-selective metalens with wide field-of-view and extended depth-of-field”. npj Nanophotonics 1, 24 (2024)
https://www.nature.com/articles/s44310-024-00027-4
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