CN105137577B - 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正光焦度的第一透镜组，具有负光焦度的第二透镜组和具有正光焦度的第三透镜组；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、具有正光焦度的第四透镜和具有负光焦度的第五透镜，第三透镜组包括具有正光焦度的第六透镜，第一透镜至第六透镜依次为平凹透镜、双凸透镜、平凸透镜、凸凹透镜、凸凹透镜、双凸透镜；第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组相互之间的距离可调。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：具有正光焦度的第一透镜组，具有负光焦度的第二透镜组，和具有正光焦度的第三透镜组，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平凹透镜，其前表面为凹面，后表面为平面；所述第二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平凸透镜，其前表面为凸面，后表面为平面；所述第四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；所述第五透镜为具有负光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

所述第三透镜组包括第六透镜；所述第六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；

所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组相互之间的距离可调。

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沿光轴方向从前到后依次有第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，结构简单，体积小。

并且三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，图像传感器固定，沿着光轴方向，第一透镜组向物体侧方向移动，第二透镜组向物体侧方向移动，第三透镜组向图像传感器侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第二透镜组与第三透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第三透镜组朝着缩小与图像传感器之间间隔的方向移动，从长焦端向短焦端变焦时，过程相反；本发明的变焦成像镜头变焦范围为10-25mm，可以实现2.5倍光学变焦，变焦范围较广，采集范围为0.2-1m，可同时采集双目虹膜图像，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六片透镜依次为平凹透镜、双凸透镜、平凸透镜、凸凹透镜、凸凹透镜和双凸透镜。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。

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：具有正光焦度的第一透镜组101，具有负光焦度的第二透镜组102，和具有正光焦度的第三透镜组103，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为具有负光焦度的平凹透镜，其前表面11为凹面，后表面12为平面；第二透镜2为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面21为凸面，后表面22为凸面；

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为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面31为凸面，后表面32为平面；第四透镜4为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面41为凸面，后表面42为凹面；第五透镜5为具有负光焦度的凸凹透镜，其前表面51为凸面，后表面52为凹面；

第三透镜组103包括第六透镜6；第六透镜6为具有正光焦度的双凸透镜，其前表面61为凸面，后表面62为凸面；

第一透镜组101、第二透镜组102和第三透镜组103相互之间的距离可调。

与现有技术相比，本发明的变焦成像镜头沿光轴方向从前到后依次有第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，结构简单，体积小，尤其适用于便携式移动设备。

并且三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方向移动，第二透镜组向物体侧方向移动，第三透镜组向图像传感器侧方向移动，且第一透镜组与第二透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第二透镜组与第三透镜组朝着扩大间距的趋势移动，第三透镜组朝着缩小与图像传感器之间间隔的方向移动，从长焦端向短焦端变焦时，过程相反；本发明的变焦成像镜头变焦范围为10-25mm，可以实现2.5倍光学变焦，变焦范围较广，采集范围为0.2-1m，可同时采集双目虹膜图像，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六片透镜依次为平凹透镜、双凸透镜、平凸透镜、凸凹透镜、凸凹透镜和双凸透镜。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：2.2≤F1/FT≤2.6，-12≤F2/FT≤-8，0.25≤F3/FT≤0.4，1≤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焦距，F1为第一透镜组的焦距，F2为第二透镜组的焦距，F3为第三透镜组的焦距。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＝10mm，FT＝25mm，55mm≤F1≤65mm，-300mm≤F2≤-200mm，6.25mm≤F3≤10mm。

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、第五透镜和第六透镜的材质满足：1.5≤nd≤1.8,25≤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，第二透镜组102和第三透镜组103之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑7。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，可以在第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的增透膜。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、第五透镜和第六透镜的材质可以为玻璃。

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由六片三组透镜组和光阑7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：具有正光焦度的第一透镜组101，其由第一透镜1和第二透镜2构成，第一透镜1为平凹透镜，其前表面11为凹面，后表面12为平面，具有负光焦度，第二透镜2为双凸透镜，其前表面21为凸面，后表面22为凸面，具有正光焦度；具有负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构成，第三透镜3为平凸透镜，其前表面31为凸面，后表面32为平面，具有正光焦度，第四透镜4为凸凹透镜，其前表面41为凸面，后表面42为凹面，具有正光焦度，第五透镜5为凸凹透镜，其前表面51为凸面，后表面52为凹面，具有负光焦度；具有正光焦度的第三透镜组103，其由第六透镜6构成，第六透镜6为双凸透镜，其前表面61为凸面，后表面62为凸面，具有正光焦度；光阑7位于第二透镜组102与第三透镜组103之间，六片透镜均为玻璃材质。

本发明的变焦成像镜头后端为成像面，即图像传感器面，采用CCD或Cmos传感器。本发明的变焦成像镜头适用于近红外波段成像，波段范围为700-900nm，为增加近红外光的透过率，透镜各面均镀有增透膜。

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，图中仅显示了四个不同变焦焦距下，各透镜组的相对位置变化情况(事实上不止四个焦距)，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，图像传感器8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，第三透镜组103向成像面侧(图像传感器侧)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与第三透镜组103朝着扩大间距的趋势移动，第三透镜组103朝着缩小与图像传感器8之间间隔的方向移动。从焦距四(长焦端)向焦距一、焦距二及焦距三(短焦端)变焦时，图像传感器8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，第三透镜组103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与第三透镜组103朝着缩小间距的趋势移动，第三透镜组103朝着扩大与图像传感器8之间间隔的方向移动。

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(当然也可以用于采集单目虹膜图像)，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(1m)拍摄双目虹膜图像，整个系统变焦范围广(10-25mm)，可实现2.5倍的光学变焦。

本实施例的具体结构参数详见表一，包括透镜面的表面类型、曲率半径、透镜厚度、折射率、色散系数等，具体设计规格详见表二，包括视场角、焦距、光圈等。其中F1＝59.18mm，F2＝-259.0mm，F3＝8.84mm，Fw＝12mm，FT＝24.7mm,满足2.2≤F1/FT≤2.6，-12≤F2/FT≤-8，0.25≤F3/FT≤0.4，1≤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，F3为第三透镜组的焦距。

表一：实施例一的具体结构参数

表二：实施例一的具体设计规格

图3为本实施例变焦成像镜头的畸变曲线图，其中3A显示本实施例在焦距一时的畸变曲线图，3B显示本实施例在焦距二时的畸变曲线图，3C显示本实施例在焦距三时的畸变曲线图，3D显示本实施例在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，系统的畸变像差均控制在1％以内，系统畸变很小。

图4为本实施例变焦成像镜头的场曲曲线图，其中4A显示本实施例在焦距一时的场曲曲线图，4B显示本实施例在焦距二时的场曲曲线图，4C显示本实施例在焦距三时的场曲曲线图，4D显示本实施例在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，系统子午面及弧矢面各光线的场曲像差均小于0.1mm。

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，包括多个透镜组，所述多个透镜组由沿光轴方向从前到后依次排列的具有正光焦度的第一透镜组，具有负光焦度的第二透镜组，和具有正光焦度的第三透镜组组成，其中：

所述第一透镜组由沿光轴方向从前到后依次排列的第一透镜和第二透镜组成；所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，其前表面为凹面，后表面为平面；所述第二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；

所述第二透镜组由沿光轴方向从前到后依次排列的第三透镜、第四透镜和第五透镜组成；所述第三透镜为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面为凸面，后表面为平面；所述第四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；所述第五透镜为具有负光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

所述第三透镜组由第六透镜组成；所述第六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；

所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组相互之间的距离可调。

2.根据权利要求1所述的变焦成像镜头，其特征在于，2.2≤F1/FT≤2.6，-12≤F2/FT≤-8，0.25≤F3/FT≤0.4，1≤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焦距，F1为第一透镜组的焦距，F2为第二透镜组的焦距，F3为第三透镜组的焦距。

3.根据权利要求2所述的变焦成像镜头，其特征在于，Fw＝10mm，FT＝25mm，55mm≤F1≤65mm，-300mm≤F2≤-200mm，6.25mm≤F3≤10mm。

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、第五透镜和第六透镜的材质满足：1.5≤nd≤1.8,25≤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，所述第二透镜组和第三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、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的前表面及后表面均镀有能增强近红外光透过率的增透膜。

7.根据权利要求6所述的变焦成像镜头，其特征在于，所述近红外光的波长范围为700-900nm。

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、第五透镜和第六透镜的材质为玻璃。

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。