CN105137576A - 变焦成像镜头、成像模组和虹膜识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦成像镜头、成像模组和虹膜识别装置，属于生物识别领域，所述变焦成像镜头从前到后为具有负光焦度的第一透镜组和具有正光焦度的第二透镜组；第一透镜组包括具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，第二透镜组包括具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，第一透镜至第五透镜依次为双凹透镜、凸凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和凸凹透镜，第一透镜、第二透镜和第五透镜为非球面透镜，第三透镜和第四透镜为球面透镜且胶合在一起；第一透镜组和第二透镜组之间的距离可调。该变焦成像镜头结构简单，体积小；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

Description

变焦成像镜头、成像模组和虹膜识别装置

技术领域

本发明涉及生物识别领域，特别是指一种变焦成像镜头、成像模组和虹膜识别装置。

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。

目前已有的虹膜采集光学系统可分为：定焦光学系统和变焦光学系统，其中定焦光学系统结构简单，造价低，装置方便，满足小型化的要求，但由于焦距单一，拍摄范围有限，且很难实现较大景深，如要采集到清晰地虹膜图像需要用户高度配合；而变焦光学系统能够实现焦距的连续变化，可实现很宽的拍摄范围，无需用户配合，但目前的变焦系统体积大、结构复杂、造价高，装配难度大。

因此，结构简单、拍摄范围较广的小型化虹膜采集变焦光学系统成为研究重点。

发明内容

本发明提供一种变焦成像镜头、成像模组和虹膜识别装置，该镜头结构简单，体积小；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种变焦成像镜头，沿光轴方向从前到后依次包括：具有负光焦度的第一透镜组和具有正光焦度的第二透镜组，其中：

所述第一透镜组沿光轴方向从前到后依次包括第一透镜和第二透镜；所述第一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；所述第二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；

所述第二透镜组沿光轴方向从前到后依次包括第三透镜、第四透镜和第五透镜；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；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；所述第五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；所述第三透镜和第四透镜胶合在一起；

所述第一透镜组和第二透镜组之间的距离可调，所述第一透镜、第二透镜和第五透镜的前表面和/或后表面为非球面，所述第三透镜和第四透镜的前表面和后表面为球面。

一种成像模组，包括上述的变焦成像镜头以及位于所述变焦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。

一种虹膜识别装置，包括上述的成像模组以及与所述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，本发明的变焦成像镜头由2组5片透镜组成，沿光轴方向从前到后依次为第一透镜组和第二透镜组，结构简单，体积小，尤其适用于便携式移动设备。

并且两组透镜组之间的距离可调，实现变焦功能；从短焦端向长焦端变焦时，图像传感器(图像传感器位于整个变焦成像镜头的后方)固定，沿着光轴方向，第一透镜组向物体侧(变焦成像镜头的前端)方向移动，第二透镜组向物体侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着缩小间距的趋势移动，第二透镜组与图像传感器朝着扩大间距的趋势移动，从长焦端向短焦端变焦时，图像传感器固定沿着光轴方向，第一透镜组向成像面侧(变焦成像镜头的后端)方向移动，第二透镜组向成像面侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第二透镜组与图像传感器朝着缩小间距的趋势移动；本发明的变焦成像镜头变焦范围为5-11mm，可以实现2倍以上光学变焦，变焦范围较广，采集范围为0.2-0.8m，可同时采集双目虹膜图像(当然也可以只采集单目虹膜图像)，采集范围广。

本发明的变焦成像镜头沿光轴方向从前到后的五片透镜依次为为第一至第五透镜，分别是双凹透镜、凸凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和凸凹透镜，其中第一透镜、第二透镜和第五透镜为非球面透镜，第三透镜和第四透镜为球面透镜且胶合在一起。该成像镜头在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小，可用于采集纹理丰富的虹膜图像。

因此，本发明的变焦成像镜头结构简单，体积小；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

附图说明

图1为本发明的变焦成像镜头的结构示意图；

图2为本发明的变焦成像镜头在变焦时各透镜组的变化示意图；

图3为实施例一的变焦成像镜头的畸变曲线图，其中：3A为焦距一的畸变曲线图，3B焦距二的畸变曲线图，3C为焦距三的畸变曲线图，3D焦距四的畸变曲线图；

图4为实施例一的变焦成像镜头的场曲曲线图，其中：4A为焦距一的场曲曲线图，4B焦距二的场曲曲线图，4C为焦距三的场曲曲线图，4D焦距四的场曲曲线图；

图5为实施例一的变焦成像镜头的光学传递函数(MTF)曲线图，其中：5A为焦距一的MTF曲线图，5B焦距二的MTF曲线图，5C为焦距三的MTF曲线图，5D焦距四的MTF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，本发明提供一种变焦成像镜头，如图1所示，沿光轴方向从前到后依次包括：具有负光焦度的第一透镜组101和具有正光焦度的第二透镜组102，其中：

第一透镜组101沿光轴方向从前到后依次包括第一透镜1和第二透镜2；第一透镜1为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面11为凹面，后表面12为凹面；第二透镜2为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面21为凸面，后表面22为凹面；

第二透镜组102沿光轴方向从前到后依次包括第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5；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；第五透镜5为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面51为凸面，后表面为52凹面；第三透镜3和第四透镜4胶合在一起，即第三透镜的后表面32与第四透镜的前表面胶合在一起；

第一透镜组101和第二透镜组102之间的距离可调，第一透镜1、第二透镜2和第五透镜5的前表面和/或后表面为非球面，即第一透镜、第二透镜和第五透镜为非球面透镜，第三透镜3和第四透镜4的前表面和后表面为球面，即第三透镜和第四透镜为球面透镜。

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):

$Z\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Cs}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)C^2{s}^2}}+A_4{s}^4+A_6{s}^6+A_8{s}^8+\mathrm{...}$ (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，本发明的变焦成像镜头由2组5片透镜组成，沿光轴方向从前到后依次为第一透镜组和第二透镜组，结构简单，体积小，尤其适用于便携式移动设备。

并且两组透镜组之间的距离可调，实现变焦功能；从短焦端向长焦端变焦时，图像传感器(图像传感器位于整个变焦成像镜头的后方)固定，沿着光轴方向，第一透镜组向物体侧(变焦成像镜头的前端)方向移动，第二透镜组向物体侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着缩小间距的趋势移动，第二透镜组与图像传感器朝着扩大间距的趋势移动，从长焦端向短焦端变焦时，图像传感器固定沿着光轴方向，第一透镜组向成像面侧(变焦成像镜头的后端)方向移动，第二透镜组向成像面侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第二透镜组与图像传感器朝着缩小间距的趋势移动；本发明的变焦成像镜头变焦范围为5-11mm，可以实现2倍以上光学变焦，变焦范围较广，采集范围为0.2-0.8m，可同时采集双目虹膜图像(当然也可以只采集单目虹膜图像)，采集范围广。

本发明的变焦成像镜头沿光轴方向从前到后的五片透镜依次为为第一至第五透镜，分别是双凹透镜、凸凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和凸凹透镜，其中第一透镜、第二透镜和第五透镜为非球面透镜，第三透镜和第四透镜为球面透镜且胶合在一起。该成像镜头在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小，可用于采集纹理丰富的虹膜图像。

因此，本发明的变焦成像镜头结构简单，体积小；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

作为本发明的一种改进，各个透镜的焦距可以满足：-1.6≤F1/Fw≤-0.85，0.75≤F2/Fw≤1.15，1≤FT/Fw≤2.5；其中Fw为所述变焦成像镜头变焦范围的最短焦距，FT为所述变焦成像镜头变焦范围的最长焦距，F1为所述第一透镜组的焦距，F2为所述第二透镜组的焦距。当各个透镜组的焦距满足上述关系时，具有好的成像质量。

进一步的，Fw＝5mm，FT＝11mm，-8mm≤F1≤-4.25mm，3.75mm≤F2≤5.75mm。

作为本发明的另一种改进，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的材质满足：1.5≤nd≤1.9，2.0≤vd≤65，其中，nd为透镜材质的折射率，vd为透镜材质的色散系数。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1所示，第一透镜组101和第二透镜组102之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑6。光阑能够调节通过的近红外光的强弱，不同的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、第四透镜和第五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1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、第四透镜和第五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。

优选的，上述近红外光的波长范围为700-900nm。

为进一步的节约成本，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的材质可以为玻璃或塑料。

下面以一个具体的实施例来对本发明进行进一步的阐述：

实施例一：

如图1所示，本实施例的变焦成像镜头采用两组透镜结构，由五片透镜、平面滤光片7、光阑6组成，变焦成像镜头后方设置有图像传感器8，沿光轴方向从前到后依次排列为：具有负光焦度的第一透镜组101，其由第一透镜1和第二透镜2组成，第一透镜1具有负光焦度，其为双凹透镜，前表面11为凹面，后表面12为凹面；第二透镜2具有正光焦度，其为凸凹透镜，前表面21为凸面，后表面22为凹面；具有正光焦度的第二透镜组102，其由第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5组成，其中第三透镜和3第四透镜4为胶合镜，第三透镜3具有正光焦度，其为双凸透镜，前表面31为凸面，后表面32为凸面；第四透镜4具有负光焦度，其为双凹透镜，前表面41为凹面，后表面42为凹面，第五透镜5具有正光焦度，其为凸凹透镜，前表面51为凸面，后表面52为凹面；平面滤光片7位于第五透镜5与成像面(图像传感器面8)之间，成像面即图像传感器面8，采用CCD或Cmos传感器，第一透镜1、第二透镜2及第五透镜5表面为偶次非球面，第三透镜3和第四透镜4表面为球面，透镜其材质为塑料或玻璃，其中第一透镜、第二透镜和第五透镜为塑料材质，第三透镜和第四透镜为玻璃材质。本实施例设置有光阑6，光阑6位于第一透镜组101与第二透镜组102之间，即第二透镜2与第三透镜3之间。本实施例的成像波长为近红外波段700-900nm，为保证该波段光线透过率，透镜每面需要镀相应波段的增透膜，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。

图2为本实施例的变焦成像镜头变焦时各透镜组的变化示意图，图中仅显示了从四个不同变焦焦距下，各透镜组的相对位置变化情况，其中焦距一相对其他焦距为短焦端，焦距四相对于其他焦距为长焦端。从焦距一(短焦端)向焦距二、焦距三及焦距四(长焦端)变焦时，成像面及平面滤光片7固定，沿着光轴方向，第一透镜组101向物体侧方向移动，第二透镜组102向物体侧方向移动，且第一透镜组101与第二透镜组102朝着缩小间距的趋势移动，第二透镜组102与成像面朝着扩大间距的趋势移动。从焦距四(长焦端)向焦距一、焦距二及焦距三(短焦端)变焦时，成像面及平面滤光片7固定，沿着光轴方向，第一透镜组101向成像面侧方向移动，第二透镜组102向成像面侧方向移动，且第一透镜组101与第二透镜组102朝着扩大间距的趋势移动，第二透镜组102与成像面朝着缩小间距的趋势移动。

本实施例的变焦成像镜头适用于近红外波段(700-900nm)成像，可用于同时拍摄清晰的双目虹膜图像，其在短焦端可用于近距离(0.2m)拍摄双目虹膜图像，在长焦端可用于较远距离(0.8m)拍摄双目虹膜图像，整个镜头变焦范围广，可实现2倍以上的光学变焦。

本实施例的具体参数详见表二、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，具体设计规格详见表四，包括视场角、焦距、光圈等。其中F1＝-6.47mm，F2＝4.71mm，Fw＝5mm，FT＝11mm，满足：-1.6≤F1/Fw≤-0.85，0.75≤F2/Fw≤1.15，1≤FT/Fw≤2.5；其中Fw为变焦成像镜头变焦范围的最短焦距，FT为变焦成像镜头变焦范围的最长焦距，F1为第一透镜组的焦距，F2为第二透镜组的焦距。

表二：实施例一的具体结构参数

表三：实施例一各个透镜表面的高次项系数

面序号	A4	A6	A8	A10	A12
						11	1.24760E-02	1.5709E-02	-1.0155E-02	2.8123E-03	-2.8197E-0.4
12	1.6806E-02	-1.0132E-02	2.7112E-02	-1.5673E-02	3.8372E-03
						21	-4.5242E-02	4.9937E-03	-1.5486E-04	1.5160E-03	-1.9531E-04
22	-2.8418E-02	-5.1662E-03	3.3466E-03	5.4036E-05	-2.4284E-04
						51	-1.4142E-02	-6.2238E-03	-4.2817E-03	1.6280E-03	-3.5633E-04
52	7.4074E-03	-7.1685E-03	-4.7488E-03	2.5039E-03	-4.2021E-04

表四：实施例一的具体设计规格

图3为本实施例的变焦成像镜头的畸变性能曲线图，其中3A显示本实施例焦距一时的畸变曲线图，3B显示本实施例焦距二时的畸变曲线图，3C显示本实施例焦距三时的畸变曲线图，3D显示本实施例焦距四时的畸变曲线图，从曲线图中可以看出，在全视场范围内，镜头的畸变像差均控制在0.5％左右，畸变很小。

图4为本实施例的变焦成像镜头的场曲性能曲线图，其中4A显示本实施例焦距一时的场曲曲线图，4B显示本实施例焦距二时的场曲曲线图，4C显示本实施例焦距三时的场曲曲线图，4D显示本实施例焦距四时的场曲曲线图，从曲线图中可以看出，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0.1mm。

图5为本实施例的变焦成像镜头的光学传递函数(MTF)曲线图，其中5A显示本实施例焦距一时的光学传递函数(MTF)曲线图，5B显示本实施例焦距二时的光学传递函数(MTF)曲线图，5C显示本实施例焦距三时的光学传递函数(MTF)曲线图，5D显示本实施例焦距四时的光学传递函数(MTF)曲线图，从曲线图中可以看出，在空间频率80lp/mm处，MTF值均接近衍射极限值，其中焦距一时MTF值在0.7左右，焦距二时MTF值在0.6以上，焦距三时MTF值在0.5以上，焦距四时MTF值在0.45左右。

由以上光学特性曲线图可以看出，本实施例的变焦成像镜头在变焦范围内其像散和畸变像差得到了很好的校正，具有优良的光学性能。

另一方面，本发明提供一种成像模组，包括上述任一的变焦成像镜头以及位于该变焦成像镜头后方的图像传感器8，图像传感器8为CCD或CMOS传感器。本发明的成像模组结构简单，体积小；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

再一方面，本发明提供一种虹膜识别装置，包括上述任一的成像模组以及与该成像模组连接的硬件电路。本发明的虹膜识别装置结构简单，体积小，尤其是便携式移动设备；变焦及采集范围广；能够采集高质量的虹膜图像。

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)

1.一种变焦成像镜头，其特征在于，沿光轴方向从前到后依次包括：具有负光焦度的第一透镜组和具有正光焦度的第二透镜组，其中：

所述第一透镜组沿光轴方向从前到后依次包括第一透镜和第二透镜；所述第一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；所述第二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；

所述第二透镜组沿光轴方向从前到后依次包括第三透镜、第四透镜和第五透镜；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；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；所述第五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；所述第三透镜和第四透镜胶合在一起；

所述第一透镜组和第二透镜组之间的距离可调，所述第一透镜、第二透镜和第五透镜的前表面和/或后表面为非球面，所述第三透镜和第四透镜的前表面和后表面为球面。

2.根据权利要求1所述的变焦成像镜头，其特征在于，-1.6≤F1/Fw≤-0.85，0.75≤F2/Fw≤1.15，1≤FT/Fw≤2.5；其中Fw为所述变焦成像镜头变焦范围的最短焦距，FT为所述变焦成像镜头变焦范围的最长焦距，F1为所述第一透镜组的焦距，F2为所述第二透镜组的焦距。

3.根据权利要求2所述的变焦成像镜头，其特征在于，Fw＝5mm，FT＝11mm，-8mm≤F1≤-4.25mm，3.75mm≤F2≤5.75mm。

4.根据权利要求1所述的变焦成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的材质满足：1.5≤nd≤1.9，2.0≤vd≤65，其中，nd为透镜材质的折射率，vd为透镜材质的色散系数。

5.根据权利要求1-4任一所述的变焦成像镜头，其特征在于，所述第一透镜组和第二透镜组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所述的变焦成像镜头，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、第四透镜和第五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所述的变焦成像镜头，其特征在于，所述变焦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、第四透镜和第五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所述的变焦成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的材质为玻璃或塑料。

9.一种成像模组，其特征在于，包括权利要求1-8任一权利要求所述的变焦成像镜头以及位于所述变焦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。

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