CN105137571A - 成像镜头、虹膜成像模组以及双目虹膜识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像镜头、虹膜成像模组以及双目虹膜识别装置，属于生物识别领域，成像镜头沿光轴方向从前到后依次包括：第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的凹凸透镜，其前表面为凹面，后表面为凸面；第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面为凸面，后表面为凸面；第四透镜，所述第四透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面为凹面，后表面为凹面；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面和/或后表面为非球面。该成像镜头结构简单，体积小；成像质量好，畸变小；适用于双目虹膜采集。

Description

成像镜头、虹膜成像模组以及双目虹膜识别装置

技术领域

本发明涉及生物识别领域，特别是指一种成像镜头、虹膜成像模组以及双目虹膜识别装置。

背景技术

随着互联网信息时代的到来，人们对信息尤其是个人信息的安全性和稳定性要求不断提高，利用人本身固有的独特生理特征或行为特征进行身份认证的应用越来越广泛，其中虹膜识别技术作为“最精确的”以及“最难伪造的”生物识别技术日益受到大家的青睐。但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，如何获得高质量的、纹理细节清晰的虹膜图像成为急需克服的难题。

目前大型的虹膜识别装置的光学成像系统一般采用变焦系统，由十几片透镜构成，搭配复杂马达等机械结构进行调焦，其优势是拍摄范围广，用户无需特意配合设备即可进行虹膜识别，缺点是体积较大、操作复杂且造价较高，只能应用于特殊场合和领域；而为了普通大众的应用，需要更加便捷小型化的虹膜识别设备，其虹膜成像光学系统通常为结构简单的定焦系统，现有的多为单目采集光学系统，其一般搭配较低像素的图像传感器(VGA)，其光学结构简单，只需要2-3片透镜便可达到较高的成像质量，但采集一只眼睛，对用户的配合度要求高，且设备可采集范围很窄，在使用时极不方便，不利于把握距离及对准。

发明内容

本发明提供一种成像镜头、虹膜成像模组以及双目虹膜识别装置，该成像镜头结构简单，体积小；成像质量好，畸变小；适用于双目虹膜采集。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种成像镜头，沿光轴方向从前到后依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的凹凸透镜，其前表面为凹面，后表面为凸面；

第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面为凸面，后表面为凸面；

第四透镜，所述第四透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面为凹面，后表面为凹面；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面和/或后表面为非球面。

一种虹膜成像模组，包括上述成像镜头以及位于所述成像镜头后方的图像传感器，所述图像传感器为CCD或CMOS传感器。

一种双目虹膜识别装置，包括上述虹膜成像模组以及与所述虹膜成像模组连接的硬件电路。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的成像镜头由四片非球面透镜组成，沿光轴方向从前到后依次为凸凹透镜、凹凸透镜、双凸透镜和双凹透镜，结构简单，体积小，适合于小型化设备，尤其是移动便携式设备；该成像镜头在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；本发明可搭配高像素传感器(5-8百万)，同时采集清晰的双目虹膜图像。

故本发明的成像镜头结构简单，体积小；成像质量好，畸变小；尤其适用于双目虹膜采集。

附图说明

图1为本发明的成像镜头的结构示意图；

图2为本发明的成像镜头实施例一的结构示意图；

图3为图2所示成像镜头的光学性能曲线图，其中：3A为实施例一的场曲曲线图；3B为实施例一的畸变曲线图；3C为实施例一的MTF特性曲线图；

图4为本发明的成像镜头实施例二的结构示意图；

图5为图4所示成像镜头的光学性能曲线图，其中：5A为实施例二的场曲曲线图；5B为实施例二的畸变曲线图；5C为实施例二的MTF特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种成像镜头，如图1所示，沿光轴方向从前到后依次包括：

第一透镜1，第一透镜1为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面11为凸面，后表面12为凹面；

第二透镜2，第二透镜2为具有负光焦度的凹凸透镜，其前表面21为凹面，后表面22为凸面；

第三透镜3，第三透镜3为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面31为凸面，后表面32为凸面；

第四透镜4，第四透镜4为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面41为凹面，后表面42为凹面；

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4为非球面透镜，其前表面和后表面至少一个为非球面。

非球面透镜此术语涵括任何不属于球面的透镜，然而我们在此处使用该术语时是在具体谈论非球面透镜的子集，即具有曲率半径且其半径会按透镜中心呈现径向改变的旋转对称光学元件。非球面透镜能够改善图像质量，减少所需的元件数量，同时降低光学设计的成本。从数字相机和CD播放器，到高端显微镜物镜和荧光显微镜，非球面透镜无论是在光学、成像或是光子学行业的哪一方面，其应用发展都非常迅速，这是因为相比传统的球面光学元件而言，非球面透镜拥有了许许多多独特又显著的优点：非球面透镜具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能，非球面透镜的应用，带来出色的锐度和更高的分辨率，同时镜头的小型化设计成为了可能。

非球面透镜的传统定义如方程式1所示(由表面轮廓(sag)定义):

$Z\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Cs}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{s}^2}}+A_4{s}^4+A_6{s}^6+A_8{s}^8+...$ (方程式1)

其中:

Z＝平行于光轴的表面的表面轮廓；

s＝与光轴之间的径向距离；

C＝曲率，半径的倒数；

k＝圆锥系数；

A4、A6、A8...＝第4、6、8…次非球面系数；

当非球面系数相等于零的时候，所得出的非球面表面就相等于一个圆锥。下表显示，所产生的实际圆锥表面将取决于圆锥系数的量值大小以及正负符号。

表一：圆锥系数与圆锥表面类型的关系

圆锥系数	圆锥表面类型
		k＝0	球面
k>-1	椭圆
		k＝-1	抛物面
k<-1	双曲面

非球面透镜最独具特色的几何特征就是其曲率半径会随着与光轴之间的距离而出现变化，相较之下，球面的半径始终都是不变的。该特殊的形状允许非球面透镜提供相较于标准球面表面而言更高的光学性能。

与现有技术相比，本发明的成像镜头由四片非球面透镜组成，沿光轴方向从前到后依次为凸凹透镜、凹凸透镜、双凸透镜和双凹透镜，结构简单，体积小，适合于小型化设备，尤其是移动便携式设备；该成像镜头在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；本发明可搭配高像素传感器(5-8百万)，同时采集清晰的双目虹膜图像(当然，也完全可以用于采集单目虹膜图像)。

故本发明的成像镜头结构简单，体积小；成像质量好，畸变小；尤其适用于双目虹膜采集。

作为本发明的一种改进，各个透镜的焦距可以满足：-2≤f2/f≤-1.1，0.58≤f3/f≤0.78，0.7≤f/TTL≤0.85；f为所述成像镜头的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，TTL为所述成像镜头的长度。第一透镜的焦距f1和第四透镜的焦距f4对成像镜头的影响很小，故不对其进行限定。当各个透镜的焦距满足上述关系时，在近红外波段具有更高的成像质量，几乎无畸变。

优选的，4.9mm≤f≤5.1mm，-10.2mm≤f2≤-5.39mm，2.842mm≤f3≤3.978mm，5.76mm≤TTL≤7.29mm。

作为本发明的另一种改进，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质满足：1.5≤nd1≤1.65，1.5≤nd2≤1.65，1.5≤nd3≤1.65，1.5≤nd4≤1.65，vd1≥55，vd2≤30，vd3≥55，vd4≥55；nd1和vd1分别是第一透镜的折射率和色散系数，nd2和vd2分别是第二透镜的折射率和色散系数，nd3和vd3分别是第三透镜的折射率和色散系数，nd4和vd4分别是第四透镜的折射率和色散系数。采用上述折射率和色散系数的材质既能够得到较好的成像质量，又能节省材料成本。

优选的，如图2和图4所示，第一透镜1前端或者第一透镜1和第二透镜2之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑5’(或5”)。光阑能够调节通过的近红外光束的强弱，不同的光照环境下可以选择不同的光阑。

作为本发明的另一种改进，可以在某个透镜的某个表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜(如近红外波段窄带滤光膜)，优选在第一透镜的前表面镀有滤光膜；滤光膜能够避免可见光对成像镜头的干扰，同时，反射的可见光能够使用户从成像镜头中看到自身的眼部图像，方便用户调节自身位置，起到定位的作用。并且第一透镜的后表面以及第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。增透膜能够增强近红外光的透过率，能够以较小的发射功率获得较清晰的虹膜图像。

或者，如图2所示，成像镜头还包括能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片7’，平面滤光片可以位于整个成像镜头最前端或最后端，优选最后端，平面滤光片能够避免可见光对成像镜头的干扰；第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。增透膜能够增强近红外光的透过率，能够以较小的发射功率获得较清晰的虹膜图像。

本发明中，上述近红外光的波段为700-900nm。该波段的近红外光能够采集到较高质量的虹膜图像。

为进一步的节约成本，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质可以为塑料。

下面以两个具体的实施例来对本发明进行进一步的阐述：

实施例一：

本实施例为一种用于双目虹膜识别的成像镜头，如图2所示，由四片透镜组、光阑5’以及平面滤光片7’组成，成像镜头的后方设置有图像传感器6’，沿光轴方向依次为：光阑5’，第一透镜1’为凸凹透镜，其前表面11’为凸面，后表面12’为凹面，具有正的光焦度；第二透镜2’为凹凸透镜，其前表面21’为凹面，后表面22’为凸面，具有负的光焦度；第三透镜3’为双凸透镜，其前表面31’为凸面，后表面32’为凸面，具有正的光焦度；第四透镜4’为双凹透镜，其前表面41’为凹面，后表面42’为凹面，具有负的光焦度；平面滤光片7’位于第四透镜与成像面之间，成像面即图像传感器面，采用CCD或Cmos传感器。四片透镜均为偶次非球面透镜，其材质为塑料材质。本实施例的成像镜头成像波长为近红外波段700-900nm，四片透镜的前表面和后表面镀近红外波段增透膜，为保证成像时免于其他光线的干扰，增加平面滤光片7’进行滤波，滤除可见光透过近红外光。

本实施例的成像系统具体参数详见表二、表三，包括透镜面的表面类型、曲率半径、透镜厚度、材质、圆锥系数以及非球面系数。本实施例系统参数为：成像镜头的焦距f＝4.9mm，四片透镜焦距：f1＝4.34mm,f2＝-9.51mm,f3＝3.58mm,f4＝-2.68mm，TTL＝6.51mm(TTL为整个成像镜头光学系统总长，即第一透镜中心点到成像面的距离)，四片透镜折射率和色散系数：nd1＝1.583，nd2＝1.615，nd3＝1.531，nd4＝1.531，vd1＝59.4，vd2＝23.0，vd3＝56.0，vd4＝56.0。

表二：实施例一的各个元件的具体参数

表三：实施例一的各个透镜的非球面高次项系数

面序号	A4	A6	A8	A10	A12
						11’	-5.8273E-03	7.2111E-03	-7.4044E-03	-4.7398E-03	3.6622E-0.3
12’	-2.4840E-02	-2.9085E-02	3.1174E-03	1.5148E-03	-3.1583E-03
						21’	-1.0343E-02	-9.8194E-03	-1.1624E-02	-9.8702E-03	1.1184E-02
22’	9.8933E-03	1.7056E-03	1.0869E-03	9.6157E-04	5.3238E-04
						31’	-1.0994E-03	5.1904E-04	1.6561E-06	-3.5352E-06	1.8333E-05
32’	3.7746E-03	-5.0439E-04	-1.2986E-04	3.5943E-06	-1.9234E-06
						41’	-2.5719E-03	1.3197E-03	2.6137E-04	-1.8705E-05	-3.15371E-05
42’	-2.8185E-03	-4.1761E-05	2.9720E-05	1.0765E-05	-3.4404E-06

图3为实施例一的光学性能曲线图，3A显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在全视场范围内，子午面及弧矢面各光线的场曲像差均小于0.03mm；3B显示本实施例的畸变曲线图(％)，在全视场范围内，畸变像差均在0.2％范围内，几乎畸无变；3C显示本实施例的MTF曲线，从图中看出此时在空间频率150lp/mm处MTF接近系统的极限值，全视场范围内MTF在0.5以上；由以上光学特性曲线图可以看出，本实施例的成像镜头具有较高的成像质量。

实施例二：

本实施例为一种用于双目虹膜识别的成像镜头，如图4所示，由四片透镜组和光阑5”组成，成像镜头的后方设置有图像传感器6”，沿光轴方向依次为：第一透镜1”为凸凹透镜，其前表面11”为凸面，后表面12”为凹面，具有正的光焦度；光阑5”，第二透镜2”为凹凸透镜，其前表面21”为凹面，后表面22”为凸面，具有负的光焦度；第三透镜3”为双凸透镜，其前表面31”为凸面，后表面32”为凸面，具有正的光焦度；第四透镜4”为双凹透镜，其前表面41”为凹面，后表面42”为凹面，具有负的光焦度；光阑5”位于第一透镜与第二透镜之间，成像面即图像传感器面，采用CCD或Cmos传感器。四片透镜均为偶次非球面透镜，其材质为塑料材质。本实施例的成像镜头成像波长为近红外波段700-900nm，为保证成像时免于其他光线的干扰，四片透镜某一面镀近红外波段窄带滤光膜，优选第一透镜前表面，实现滤除可见光透过近红外光作用的同时起到镜面反馈作用，能够使用户从成像镜头中看到自身的眼部图像，方便用户调节自身位置，起到定位的作用，四片透镜其他面镀近红外波段增透膜。

本实施例的具体参数详见表四、表五，包括透镜面的表面类型、曲率半径、透镜厚度、材质、圆锥系数以及非球面系数。本实施例系统参数为：成像镜头的焦距f＝5.1mm，四片透镜焦距为：f1＝4.5mm,f2＝-6.0mm,f3＝3.30mm,f4＝-2.75mm,TTL＝6.38mm，四片透镜的折射率和色散系数为：nd1＝1.583，nd2＝1.615，nd3＝1.531，nd4＝1.531，vd1＝59.4，vd2＝23.0，vd3＝56.0，vd4＝56.0。

表四：实施例二的各个元件的具体参数

表五：实施例二的各个透镜的非球面高次项系数

面序号

A4

A6

A8

A10

A12

涂层

11”

-3.9110E-03

-6.5199E-03

-7.0097E-03

2.2222E-03

-2.2800E-0.3

I.98(IR)

12”

-4.3119E-02

-2.3681E-02

9.0021E-03

-9.9926E-03

3.6058E-03

21”

2.4240E-02

6.2189E-03

-3.2973E-03

-5.0319E-03

3.1886E-02

22”

4.0478E-02

3.2242E-02

1.0673E-02

-1.0668E-03

4.7705E-04

31”

5.5724E-03

5.5660E-03

7.3778E-04

1.0992E-04

-2.1273E-04

32”

1.1570E-02

-2.0799E-03

-4.2370E-04

5.6277E-05

1.7873E-04

41”

-2.3534E-03

1.5538E-03

-5.1650E-04

-2.5214E-04

-2.1256E-04

42”

-7.6266E-03

6.5682E-04

1.8000E-04

-1.1062E-05

-1.0313E-05

表五中涂层是指近红外波段窄带滤光膜，I.98(IR)表示近红外光的透过率至少为98％。

图5为实施例二的光学性能曲线图，5A显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在全视场范围内，子午面及弧矢面各光线的场曲像差均小于0.06mm；5B显示本实施例的畸变曲线图(％)，在全视场范围内，畸变像差均在0.3％范围内，几乎畸无变；5C显示本实施例的MTF曲线，从图中看出此时在空间频率150lp/mm处MTF接近系统的极限值，全视场范围内MTF在0.5以上；由以上光学特性曲线图可以看出，本实施例二的成像镜头具有较高的成像质量。

另一方面，本发明提供一种虹膜成像模组，如图2和图4所示，包括上述成像镜头以及位于该成像镜头后方的图像传感器6’(6”)，该图像传感器6’(6”)为CCD或CMOS传感器。本发明的虹膜成像模组结构简单，体积小；成像质量好，畸变小。

再一方面，本发明提供一种双目虹膜识别装置，该双目虹膜识别装置优选是小型化设备，尤其是移动便携式设备，包上述虹膜成像模组以及与该虹膜成像模组连接的硬件电路。本发明的双目虹膜识别装置结构简单，体积小；成像质量好，畸变小。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种成像镜头，其特征在于，沿光轴方向从前到后依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的凹凸透镜，其前表面为凹面，后表面为凸面；

第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面为凸面，后表面为凸面；

第四透镜，所述第四透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面为凹面，后表面为凹面；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面和/或后表面为非球面。

2.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，-2≤f2/f≤-1.1，0.58≤f3/f≤0.78，0.7≤f/TTL≤0.85；f为所述成像镜头的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，TTL为所述成像镜头的长度。

3.根据权利要求2所述的成像镜头，其特征在于，4.9mm≤f≤5.1mm，-10.2mm≤f2≤-5.39mm，2.842mm≤f3≤3.978mm，5.76mm≤TTL≤7.29mm。

4.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质满足：1.5≤nd1≤1.65，1.5≤nd2≤1.65，1.5≤nd3≤1.65，1.5≤nd4≤1.65，vd1≥55，vd2≤30，vd3≥55，vd4≥55；nd1和vd1分别是所述第一透镜的折射率和色散系数，nd2和vd2分别是所述第二透镜的折射率和色散系数，nd3和vd3分别是所述第三透镜的折射率和色散系数，nd4和vd4分别是所述第四透镜的折射率和色散系数。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜前端或者所述第一透镜和第二透镜之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑。

6.根据权利要求5所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的前表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜；所述第一透镜的后表面以及所述第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

7.根据权利要求5所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头还包括能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

8.根据权利要求5所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和四透镜的材质为塑料。

9.一种虹膜成像模组，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的成像镜头以及位于所述成像镜头后方的图像传感器，所述图像传感器为CCD或CMOS传感器。

10.一种双目虹膜识别装置，其特征在于，包括权利要求9所述的虹膜成像模组以及与所述虹膜成像模组连接的硬件电路。