CN104090347B - 虹膜成像镜头和光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种虹膜成像镜头和光学成像系统。虹膜成像镜头包括顺次间隔排列设置的：第一透镜，第一透镜是弯月形透镜，第一透镜靠近物方设置；第二透镜，第二透镜是弓形透镜；第三透镜，第三透镜是弓形透镜。由于本发明中的虹膜成像镜头主要采用非球面镜，因而增加了光学设计自由度，有效控制了成像系统的球差、提高了成像质量、能够获取到细节清晰的虹膜图像。由于第一透镜、第二透镜和第三透镜均独立设置，因而简化了透镜的加工工艺，并且有效减少了虹膜成像镜头的占用空间，具有小型化的特点。同时，本发明中的虹膜成像镜头还具有结构简单、制造成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像系统，更具体地，涉及一种虹膜成像镜头和光学成像系统。
背景技术
虹膜识别是一种基于眼睛虹膜纹理特征的生物识别技术，由于虹膜表面为球面，面积较小、颜色灰暗，因此对采集虹膜图像的光学系统成像质量要求较高。
现有技术中的一类虹膜识别装置的光学成像系统采用变焦系统，由十几片透镜构成，搭配复杂马达等机械结构进行调焦，其存在体积较大、操作复杂、造价较高等缺点。
现有技术中的另一类虹膜识别装置的光学成像系统采用定焦系统。在一个具体的实施例中，虹膜成像镜头包括两片透镜，但该虹膜成像镜头光学设计自由度较低，不易于控制光学像差，镜头成像质量较差。在另一个具体的实施例中，虹膜成像镜头包括三片透镜，其中，第一透镜、第二透镜为胶合镜，第三透镜为旋转对称非球面镜。与具有两片透镜结构的虹膜成像镜头相比，三片透镜的虹膜成像镜头增加了光学设计自由度，采用非球面的透镜一定程度上控制了光学成像系统的球差，提高了成像质量，但存在透镜加工工艺复杂，整个光学成像系统总长过长，占用空间较大。
发明内容
本发明旨在提供一种虹膜成像镜头和光学成像系统，以解决现有技术中虹膜成像镜头成像质量差、加工工艺复杂、体积大的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种虹膜成像镜头，包括顺次间隔排列设置的：第一透镜，第一透镜是弯月形透镜，第一透镜靠近物方设置；第二透镜，第二透镜是弓形透镜；第三透镜，第三透镜是弓形透镜。
进一步地，第一透镜包括相对设置的：第一透镜第一表面，第一透镜第一表面为凸面且靠近物方所在一侧；第一透镜第二表面，第一透镜第二表面为凹面。
进一步地，第二透镜包括相对设置的：第二透镜第一表面，第二透镜第一表面为凹面且靠近第一透镜所在一侧；第二透镜第二表面，第二透镜第二表面为弓形面。
进一步地，第二透镜的弓形面的中心处为凸面。
进一步地，第三透镜包括相对设置的：第三透镜第一表面，第三透镜第一表面为凸面且靠近第二透镜所在一侧；第三透镜第二表面，第三透镜第二表面为弓形面。
进一步地，第三透镜的弓形面的中心处为凹面。
进一步地，虹膜成像镜头还包括光阑，光阑设置在第一透镜的远离第二透镜所在的一侧、或设置在第一透镜与第二透镜之间、或设置在第二透镜与第三透镜之间。
进一步地，第一透镜、第二透镜和第三透镜中的至少一个为偶次非球面透镜。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光学成像系统，包括虹膜成像镜头，虹膜成像镜头是上述的虹膜成像镜头。
进一步地，虹膜成像镜头的第一透镜、第二透镜和第三透镜之间的参数关系为0.3<|f1/f2|<0.42、2.0<|f3/f|<3.5和0.8<f/TTL<1，其中，f为光学成像系统的焦距；f1为第一透镜的焦距；f2为第二透镜的焦距；f3为第三透镜的焦距；TTL为光学成像系统的总长。
本发明中的第一透镜是弯月形透镜，第一透镜靠近物方设置，第二透镜是弓形透镜，第三透镜是弓形透镜。由于本发明中的虹膜成像镜头主要采用非球面镜，因而增加了光学设计自由度，有效控制了成像系统的球差、提高了成像质量、能够获取到细节清晰的虹膜图像。由于第一透镜、第二透镜和第三透镜均独立设置，因而简化了透镜的加工工艺，并且有效减少了虹膜成像镜头的占用空间，具有小型化的特点。同时，本发明中的虹膜成像镜头还具有结构简单、制造成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了本发明中的虹膜成像镜头的结构示意图；
图2示意性示出了本发明中的第一个优选实施方式中的虹膜成像镜头的结构示意图；
图3A示意性示出了图2所示实施方式中虹膜成像镜头的球差曲线图；
图3B示意性示出了图2所示实施方式中虹膜成像镜头的畸变曲线图；
图3C示意性示出了图2所示实施方式中虹膜成像镜头的场曲曲线图；
图3D示意性示出了图2所示实施方式中虹膜成像镜头的相对照度曲线图；
图3E示意性示出了图2所示实施方式中虹膜成像镜头的能量集中度曲线图；
图4示意性示出了本发明中的第二个优选实施方式中的虹膜成像镜头的结构示意图；
图5A示意性示出了图4所示实施方式中虹膜成像镜头的球差曲线图；
图5B示意性示出了图4所示实施方式中虹膜成像镜头的畸变曲线图；
图5C示意性示出了图4所示实施方式中虹膜成像镜头的场曲曲线图；
图5D示意性示出了图4所示实施方式中虹膜成像镜头的相对照度曲线图；
图5E示意性示出了图4所示实施方式中虹膜成像镜头的能量集中度曲线图；
图6示意性示出了本发明中的第三个优选实施方式中的虹膜成像镜头的结构示意图；
图7A示意性示出了图6所示实施方式中虹膜成像镜头的球差曲线图；
图7B示意性示出了图6所示实施方式中虹膜成像镜头的畸变曲线图；
图7C示意性示出了图6所示实施方式中虹膜成像镜头的场曲曲线图；
图7D示意性示出了图6所示实施方式中虹膜成像镜头的相对照度曲线图；以及
图7E示意性示出了图6所示实施方式中虹膜成像镜头的能量集中度曲线图。
图中附图标记：10、第一透镜；11、第一透镜第一表面；12、第一透镜第二表面；20、第二透镜；21、第二透镜第一表面；22、第二透镜第二表面；30、第三透镜；31、第三透镜第一表面；32、第三透镜第二表面；40、光阑；41、光阑第一表面；50、滤光片；60、成像面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个方面，提供了一种虹膜成像镜头。如图1至图7D所示，虹膜成像镜头包括顺次间隔排列设置的第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30，第一透镜10是弯月形透镜，第一透镜10靠近物方设置；第二透镜20是弓形透镜；第三透镜30是弓形透镜。由于本发明中的虹膜成像镜头主要采用非球面镜，因而增加了光学设计自由度，有效控制了成像系统的球差、提高了成像质量、能够获取到细节清晰的虹膜图像。由于第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均独立设置，因而简化了透镜的加工工艺，并且有效减少了虹膜成像镜头的占用空间，具有小型化的特点。同时，本发明中的虹膜成像镜头还具有结构简单、制造成本低的特点。
本发明中的虹膜成像镜头的成像面60位于第三透镜30的远离第二透镜20的一侧(请参考图1、图2、图4和图6)。物方的来光经过第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30后将光线汇聚到成像面60上。
如图1所示，第一透镜10包括相对设置的第一透镜第一表面11和第一透镜第二表面12，第一透镜第一表面11为凸面且靠近物方所在一侧，第一透镜第二表面12为凹面。上述的第一透镜10具有正的光焦度。
优选地，第二透镜20包括相对设置的第二透镜第一表面21和第二透镜第二表面22，第二透镜第一表面21为凹面且靠近第一透镜10所在一侧，第二透镜第二表面22为弓形面(请参考图1、图2、图4和图6)。进一步地优选地，第二透镜20的弓形面的中心处为凸面。上述的第二透镜20具有负的光焦度。
优选地，第三透镜30包括相对设置的第三透镜第一表面31和第三透镜第二表面32，第三透镜第一表面31为凸面且靠近第二透镜20所在一侧，第三透镜第二表面32为弓形面(请参考图1、图2、图4和图6)。进一步优选地，第三透镜30的弓形面的中心处为凹面。上述的第三透镜30具有负的光焦度。
由于第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的表面广泛采用非球面，因而有效降低虹膜成像镜头的畸变和像差、提高了虹膜成像镜头的成像质量，并有利于控制虹膜成像镜头的长度。
优选地，具有非球面的透镜是塑料材料制成的。进一步地优选地，第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30中的至少一个是塑料材料制成的。由于采用三片透镜，且选用塑料材质制作上述透镜，因而使得镜头尺寸更加小型化，同时采用非球面透镜保证了镜头的成像质量。
本发明中的虹膜成像镜头还包括光阑40，光阑40设置在第一透镜10的远离第二透镜20所在的一侧、或设置在第一透镜10与第二透镜20之间、或设置在第二透镜20与第三透镜30之间(请参考图2、图4和图6)。由于设置有光阑40，因而能够通过控制光阑40进而控制光束通过的情况、调节光束的强弱。
本发明中的虹膜成像镜头还包括近红外波段增透膜，第一透镜10、和/或第二透镜20、和/或第三透镜30的表面设置有近红外波段增透膜。由于在透镜的表面设置有近红外波段增透膜，因而能够保证近红外波段光线的透过率，从而保证了虹膜成像镜头的成像质量。优选地，近红外波段增透膜主要透光的波段为700至900纳米。
在一个优选的实施方式中，虹膜成像镜头还包括滤光片50，滤光片50设置在第三透镜30的远离第二透镜20的一侧(请参考图4和图6)。由于设置有滤光片，因而能够有效滤除杂光、避免影响虹膜成像镜头的成像质量。优选地，滤光片50是平面滤光片或曲面滤光片。
在另一个优选的实施方式中，第一透镜10的远离第二透镜20一侧的表面具有滤光膜。由于使用滤光膜代替滤光片50，因而有效缩小了虹膜成像镜头的整体体积和占用面积，从而使虹膜成像镜头更加小型化。优选地，滤光膜是窄带滤光膜。
优选地，第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30中的至少一个为偶次非球面透镜。
本发明中的虹膜成像镜头还包括镜筒，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、滤光片50均设置在镜筒内。
本发明中的虹膜成像镜头为双目虹膜成像镜头。
作为本发明的第二个方面，提供了一种光学成像系统，包括虹膜成像镜头，虹膜成像镜头是上述的虹膜成像镜头。由于本发明中的虹膜成像镜头具有成像质量高、加工工艺简单、整体小型化的特点，因而提高了光学成像系统的成像性能，本发明中的虹膜成像镜头可方便地嵌入到手机、平板等移动设备中。特别地，本发明中的光学成像系统在近红外波段具有较高的成像质量。
本发明中的第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30之间的参数关系为0.3<|f1/f2|<0.42、2.0<|f3/f|<3.5和0.8<f/TTL<1，其中，f为光学成像系统的焦距；f1为第一透镜10的焦距；f2为第二透镜20的焦距；f3为第三透镜30的焦距；TTL为光学成像系统的总长。光学系统的总长也就是第一透镜10的第一透镜第一表面11的中心点到成像面60的距离。
如图2所示的优选实施方式中，虹膜成像镜头包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和光阑40，光阑40位于第一透镜10与物方之间，且光阑40的光阑第一表面靠近物方所在一侧；第一透镜第一表面11为凸面，第一透镜第二表面12为凹面，第一透镜10具有正的光焦度；第二透镜第一表面21为凹面，第二透镜第二表面22为弓形面，且第二透镜20的中心凸面朝向像方，第二透镜20具有负的光焦度；第三透镜第一表面31为凸面，第三透镜第二表面32为弓形面，且第三透镜30的中心凸面朝向物方，第三透镜30具有负的光焦度；第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30将光线汇聚到成像面60，且第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为偶次非球面，其材质为塑料材质；第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的每面镀近红外波段增透膜，且滤光片30为第一透镜10、第一透镜第一表面11镀窄带滤光膜实现滤波作用。优选地，第一透镜第一表面11的透光率为98％。由于第一透镜第一表面11的透光率为98％，因而保证了近红外波段(700-900nm)的光线足够的透过率。该实施方式中的虹膜成像镜头的具体参数如表一和表二所示。
表一、图2所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的具体参数
表二、图2所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的非球面系数
在图2所示的优选实施方式中光学成像系统的参数为：传感器芯片1/7英寸，系统焦距f＝3.289mm，光圈F2.0，三片透镜焦距：f1＝2.281,f2＝-5.581,f3＝-7.891,光学总长TTL＝3.39mm，其|f1/f2|＝0.408，|f3/f|＝2.399，f/TTL＝0.970，满足本发明要求的透镜之间关系式：0.3<|f1/f2|<0.42，2.0<|f3/f|<3.5，0.8<f/TTL<1。
在图2所示的优选实施方式中光学成像系统的性能曲线图如图3A至图3E所示。图3A显示本实施例的球差曲线图(mm)，在瞳半径0.82mm的范围内，球面像差小于0.03mm；图3B显示本实施例的畸变曲线图(％)，在像高1.295mm范围内，畸变像差均在0.7％范围内；图3C显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在像高1.295mm范围内，子午面(T)及弧矢面(S)各光线的场曲像差均小于0.03mm；图3D显示本实施例的相对照度曲线图，在像高1.295mm范围内，相对照度均大于80％，使得拍摄图像的整体亮度均匀，无暗角，一致性好；图3E显示本实施例的能量集中度曲线图，能量已完全集中在20μm范围内，具有较高的能量集中度。由以上光学性能曲线图可以看出，在图2所示的优选实施方式中的虹膜成像镜头具有较高的成像质量。
如图4所示的优选实施方式中，虹膜成像镜头包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、光阑40和滤光片50，光阑40位于第一透镜10与物方之间，且光阑40的光阑第一表面靠近物方所在一侧；滤光片50位于成像面60与第三透镜30之间，滤光片50为平面镜，滤光片第一表面51朝向第三透镜30所在一侧，滤光片第二表面52朝向成像面60所在一侧；第一透镜第一表面11为凸面，第一透镜第二表面12为凹面，第一透镜10具有正的光焦度；第二透镜第一表面21为凹面，第二透镜第二表面22为弓形面，且第二透镜20的中心凸面朝向像方，第二透镜20具有负的光焦度；第三透镜第一表面31为凸面，第三透镜第二表面32为弓形面，且第三透镜30的中心凸面朝向物方，第三透镜30具有负的光焦度；第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和滤光片50将光线汇聚到成像面60，且第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为偶次非球面，其材质为塑料材质；第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的每面镀近红外波段增透膜。该实施方式中的虹膜成像镜头的具体参数如表三和表四所示。
表三、图4所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的具体参数
表四、图4所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的非球面系数
在图4所示的优选实施方式中光学成像系统的参数为：传感器芯片1/7英寸，系统焦距f＝3.2mm，光圈F2.0，三片透镜焦距：f1＝2.359,f2＝-7.013,f3＝-9.346,光学总长TTL＝3.41mm，其|f1/f2|＝0.336，|f3/f|＝2.92，f/TTL＝0.938，满足本发明要求的透镜之间关系式：0.3<|f1|f2|<0.42，2.0<|f3/f|<3.5，0.8<f/TTL<1。
在图4所示的优选实施方式中光学成像系统的性能曲线图如图5A至图5E所示。图5A显示本实施例的球差曲线图(mm)，在瞳半径0.82mm的范围内，球面像差小于0.02mm；图5B显示本实施例的畸变曲线图(％)，在像高1.295mm范围内，畸变像差均在0.6％范围内；图5C显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在像高1.295mm范围内，子午面(T)及弧矢面(S)各光线的场曲像差均小于0.06mm；图5D显示本实施例的相对照度曲线图，在像高1.295mm范围内，相对照度均大于78％，使得拍摄图像的整体亮度均匀，无暗角，一致性好；图5E显示本实施例的能量集中度曲线图，能量已完全集中在20μm范围内，具有较高的能量集中度。由以上光学性能曲线图可以看出，在图3所示的优选实施方式中的虹膜成像镜头具有较高的成像质量。
如图6所示的优选实施方式中，虹膜成像镜头包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、光阑40和滤光片50，光阑40位于第一透镜10与第二透镜20之间；滤光片50位于成像面60与第三透镜30之间，滤光片50为平面镜，滤光片第一表面51朝向第三透镜30所在一侧，滤光片第二表面52朝向成像面60所在一侧；第一透镜第一表面11为凸面，第一透镜第二表面12为凹面，第一透镜10具有正的光焦度；第二透镜第一表面21为凹面，第二透镜第二表面22为弓形面，且第二透镜20的中心凸面朝向像方，第二透镜20具有负的光焦度；第三透镜第一表面31为凸面，第三透镜第二表面32为弓形面，且第三透镜30的中心凸面朝向物方，第三透镜30具有负的光焦度；第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和滤光片50将光线汇聚到成像面60，且第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30均为偶次非球面，其材质为塑料材质；第一透镜10、第二透镜20和第三透镜30的每面镀近红外波段增透膜。该实施方式中的虹膜成像镜头的具体参数如表五和表六所示。
表五、图6所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的具体参数
表六、图6所示的优选实施方式中虹膜成像镜头的非球面系数
在图6所示的优选实施方式中光学成像系统的参数为：传感器芯片1/7英寸，系统焦距f＝3.3mm，光圈F2.0，三片透镜焦距：f1＝2.41,f2＝-6.677,f3＝-9.454,光学总长TTL＝3.49mm，其|f1/f2|＝0.331，|f3/f|＝2.865，f/TTL＝0.945，满足本发明要求的透镜之间关系式：0.3<|f1|f2|<0.42，2.0<|f3/f|<3.5，0.8<f/TTL<1。
在图6所示的优选实施方式中光学成像系统的性能曲线图如图7A至图7E所示。图7A显示本实施例的球差曲线图(mm)，在瞳半径0.82mm的范围内，球面像差小于0.01mm；图7B显示本实施例的畸变曲线图(％)，在像高1.295mm范围内，畸变像差均在0.6％范围内；图7C显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在像高1.295mm范围内，子午面(T)及弧矢面(S)各光线的场曲像差均小于0.03mm；图7D显示本实施例的相对照度曲线图，在像高1.295mm范围内，相对照度均大于80％，使得拍摄图像的整体亮度均匀，无暗角，一致性好；图7E显示本实施例的能量集中度曲线图，能量已完全集中在20μm范围内，具有较高的能量集中度。由以上光学性能曲线图可以看出，在图6所示的优选实施方式中的虹膜成像镜头具有较高的成像质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种虹膜成像镜头，其特征在于，包括顺次间隔排列设置的：
第一透镜(10)，所述第一透镜(10)是弯月形透镜，所述第一透镜(10)靠近物方设置，所述第一透镜(10)包括相对设置的：第一透镜第一表面(11)，所述第一透镜第一表面(11)为凸面且靠近所述物方所在一侧；第一透镜第二表面(12)，所述第一透镜第二表面(12)为凹面；
第二透镜(20)，所述第二透镜(20)是弓形透镜，所述第二透镜(20)包括相对设置的：第二透镜第一表面(21)，所述第二透镜第一表面(21)为凹面且靠近所述第一透镜(10)所在一侧；第二透镜第二表面(22)，所述第二透镜第二表面(22)为弓形面，所述第二透镜(20)的弓形面的中心处为凸面；
第三透镜(30)，所述第三透镜(30)是弓形透镜，其中，所述第一透镜(10)和所述第二所述透镜(20)之间的参数关系为0.3＜|f1/f2|＜0.42，其中，f1为所述第一透镜(10)的焦距；f2为所述第二透镜(20)的焦距；其中，所述第一透镜(10)具有正的光焦度，所述第二透镜(20)具有负的光焦度，所述第三透镜(30)具有负的光焦度。
2.根据权利要求1所述的虹膜成像镜头，其特征在于，所述第三透镜(30)包括相对设置的：
第三透镜第一表面(31)，所述第三透镜第一表面(31)为凸面且靠近所述第二透镜(20)所在一侧；
第三透镜第二表面(32)，所述第三透镜第二表面(32)为弓形面。
3.根据权利要求2所述的虹膜成像镜头，其特征在于，所述第三透镜(30)的弓形面的中心处为凹面。
4.根据权利要求1所述的虹膜成像镜头，其特征在于，所述虹膜成像镜头还包括光阑(40)，所述光阑(40)设置在所述第一透镜(10)的远离所述第二透镜(20)所在的一侧、或设置在所述第一透镜(10)与所述第二透镜(20)之间、或设置在所述第二透镜(20)与所述第三透镜(30)之间。
5.根据权利要求1所述的虹膜成像镜头，其特征在于，所述第一透镜(10)、所述第二透镜(20)和所述第三透镜(30)中的至少一个为偶次非球面透镜。
6.一种光学成像系统，包括虹膜成像镜头，其特征在于，所述虹膜成像镜头是权利要求1至5中任一项所述的虹膜成像镜头。
7.根据权利要求6所述的光学成像系统，其特征在于，所述虹膜成像镜头的第一透镜(10)、第二透镜(20)和第三透镜(30)之间的参数关系为2.0＜|f3/f|＜3.5和0.8＜f/TTL＜1，其中，f为所述光学成像系统的焦距；f3为所述第三透镜(30)的焦距；TTL为所述光学成像系统的总长。
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