CN105301743B

CN105301743B - 光学系统

Info

Publication number: CN105301743B
Application number: CN201510916600.7A
Authority: CN
Inventors: 鲁远甫; 章逸舟; 吕建成; 焦国华; 董玉明; 陈巍; 周志盛; 刘鹏; 陈良培; 刘文权; 罗阿郁; 罗栋
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: CN105301743A

Abstract

本发明提供了一种光学系统，其从物方到像方顺序地包括：第一透镜，具有正屈光力；第二透镜，具有负屈光力，且具有形成在其像方表面上的至少一个拐点；第三透镜，具有正屈光力或负屈光力。本发明提供的光学系统的工作波段为800nm～900nm，且其中心波长为850nm；并且所述光学系统的水平方向视场角约17.06°，且其垂直方向视场角约12.84°，且其对角线方向视场角约21.24°；并且所述光学系统具有1:2.4的相对孔径；并且所述光学系统在350mm～450mm范围内都可清晰成像。

Description

光学系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体地讲，涉及一种光学系统。

背景技术

虹膜组织是一种织物状的各色环状物，每一个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。与指纹等其他几种生物特征相比，基于虹膜特征的生物识别技术具有优越性。世界上尚未发现两个人的眼睛虹膜特征是一模一样的。虹膜识别讲技术作为一种有效的身份认证技术，正逐步成为安全认证领域的研究重点。

双眼虹膜采集光学系统在整个虹膜图像采集装置中占据及其重要的作用，光学系统的好坏会直接影响到虹膜的识别。权威研究机构颁布的虹膜图像标准要求虹膜直径内至少有200个像素点，因此虹膜图像采集光学系统对虹膜图像采集质量具有十分重要的影响。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光学系统，其从物方到像方顺序地包括：第一透镜，具有正屈光力；第二透镜，具有负屈光力，且具有形成在其像方表面上的至少一个拐点；第三透镜，具有正屈光力或负屈光力。

进一步地，所述第一透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表面为凸形。

进一步地，所述第二透镜的物方表面为凹形，并且所述第二透镜的像方表面为凸形。

进一步地，所述第三透镜具有朝向物方凸起的弯月形状。

进一步地，所述光学系统还包括设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间的光阑。

进一步地，所述光学系统还包括设置在所述第三透镜和成像平面之间的可见光截止滤波器。

进一步地，所述第一透镜至所述第三透镜由塑料形成。

进一步地，所述第一透镜至所述第三透镜中的每一个的物方表面和像方表面中的至少一个是非球面。

进一步地，所述光学系统满足条件式1：

[条件式1]

0.2<|f1/f2|<0.8

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距。

进一步地，所述光学系统满足条件式2：

[条件式2]

0.2<|f3/f|<40

其中，f是所述光学系统的总焦距，f3是所述第三透镜的焦距。

进一步地，所述光学系统满足条件式3：

[条件式3]

0.8<|f/TTL|<1

其中，f是所述光学系统的总焦距，TTL是从所述第一透镜的物方表面到成像平面的距离。

进一步地，所述光学系统的F数为2.4。

本发明的有益效果：本发明提供了这样的光学系统，所述光学系统的工作波段为800nm～900nm，且其中心波长为850nm；并且所述光学系统的水平方向视场角约17.06°，且其垂直方向视场角约12.84°，且其对角线方向视场角约21.24°；并且所述光学系统具有1:2.4的相对孔径；并且所述光学系统在350mm～450mm范围内都可清晰成像。

附图说明

通过参照附图对示例性实施例进行的详细描述，上述和其他特点及优点将会变得更加明显，附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的光学系统的结构图；

图2示出了图1中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图；

图3示出了图1中的光学系统的球面像差的像差图；

图4示出了图1中的光学系统在物体位于400mm处的光学传递函数的曲线图；

图5是根据本发明的第二实施例的光学系统的结构图；

图6示出了图5中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图；

图7示出了图5中的光学系统的球面像差的像差图；

图8示出了图5中的光学系统在物体位于400mm处的光学传递函数的曲线图；

图9是根据本发明的第三实施例的光学系统的结构图；

图10示出了图9中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图；

图11示出了图9中的光学系统的球面像差的像差图；

图12示出了图9中的光学系统在物体位于400mm处的光学传递函数的曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细地描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本发明将会彻底和完整，并可完全地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同的元件。

在下面的透镜结构图中，为了便于解释，透镜的厚度、尺寸和形状已经被略微地夸大。具体地讲，所述透镜结构图中示出的球面或非球面的形状仅仅是以示例的方式示出。也就是说，球面或非球面不局限于具有示出的形状。

此外，应当注意的是，第一透镜指的是最靠近物方的透镜，第四透镜指的是最靠近成像平面的透镜。

进一步地，应当注意的是，术语“前方”指的是从光学系统朝向物方的方向，而术语“后方”指的是从光学系统朝向图像传感器或成像平面的方向。进一步地，应当注意的是，在每个透镜中，第一表面指的是朝向物方的表面(或物方表面)，第二表面指的是朝向成像平面的表面(或像方表面)。此外，应当注意的是，所有透镜的焦距、曲率半径、厚度和TTL的数值的单位是毫米(mm)。

根据本发明的实施例的光学系统可从物方到像方顺序地包括三个透镜。

也就是说，根据本发明的实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30。

然而，根据本发明的实施例的光学系统不局限于仅包括三个透镜，如果需要还可进一步包括其它组件。例如，所述光学系统可包括用于控制光量的光阑ST。此外，所述光学系统可进一步包括截止可见光线的可见光线截止滤波器40。进一步地，所述光学系统可进一步包括图像传感器，用于将对象的图像转换成电信号。进一步地，所述光学系统可进一步包括调整透镜之间的间隔的间隔保持件。

构成根据本发明的实施例的光学系统的第一透镜10至第三透镜30可由塑料形成。

此外，第一透镜10至第三透镜30中的至少一个可具有非球面。此外，第一透镜10至第三透镜30可具有至少一个非球面。

也就是说，第一透镜10至第三透镜30的第一表面和第二表面中的至少一个可以是非球面。

此外，包括第一透镜至第三透镜的光学系统可从物方起顺序地具有正屈光力/负屈光力/负屈光力或正屈光力。

如上所述构造的光学系统可通过像差的改善来提高光学性能。此外，如上所述构造的光学系统可通过减小折射角来提高透镜的敏感度。因此，在根据本发明的实施例的光学系统中，所有三个透镜可由塑料形成。

根据本发明的实施例的光学系统可满足条件式1。

[条件式1]

0.2<|f1/f2|<0.8

其中，f1是所述第一透镜的焦距[mm]，f2是所述第二透镜的焦距[mm]。

根据本发明的实施例的光学系统可满足条件式2。

[条件式2]

0.2<|f3/f|<40

其中，f是所述光学系统的总焦距[mm]，f3是所述第三透镜的焦距[mm]。

根据本发明的实施例的光学系统可满足条件式3。

[条件式3]

0.8<|f/TTL|<1

其中，f是所述光学系统的总焦距[mm]，TTL是从所述第一透镜的物方表面到成像平面的距离[mm]。

接下来，将对构造根据本发明的实施例的光学系统的第一透镜10至第三透镜30进行描述。

第一透镜10可具有正屈光力。此外，第一透镜10的第一表面(物方表面)可为朝向物方的凸形，且其第二表面(像方表面)可为朝向成像平面的凸形。

第一透镜10的第一表面和第二表面中的至少一个可以是非球面。例如，第一透镜10的两个表面可以是非球面。

第二透镜20可具有负屈光力。此外，第二透镜20的第二表面可为朝向成像平面的凸形，且其第一表面可为朝向物方的凹形。此外，第二透镜20可具有形成在其第二表面上的至少一个拐点。例如，第二透镜20的第二表面在光轴的中心上为凸形且朝向其边缘变为凹形。

第二透镜20的第一表面和第二表面中的至少一个可以是非球面。例如，第二透镜20的两个表面可以是非球面。

第三透镜30可具有正或负屈光力。即，第三透镜30可具有正屈光力或具有负屈光力。

此外，第三透镜30可具有朝向物方凸起的弯月形状。详细地说，第三透镜30的第一表面可为凸形，且其第二表面可为朝向成像平面的凹形。

第三透镜30的第一表面和第二表面中的至少一个可以是非球面。例如，第三透镜30的两个表面可以是非球面。

在如上所述构造的光学系统中，多个透镜执行像差校正功能，进而提高像差改善性能。此外，所述光学系统可通过减小透镜的折射角来提高透镜的敏感度。因此，在所述光学系统中，所有透镜可由具有比玻璃的光学性能低的光学性能的塑料形成，进而可以降低制造所述光学系统所需的成本，且可提高光学系统的制造效率。

将参照图1对根据本发明的第一实施例的光学系统进行描述。图1是根据本发明的第一实施例的光学系统的结构图。

参照图1，根据本发明的第一实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30，并可进一步包括可见光截止滤波器40、图像传感器50和光阑ST。这里，所述可见光截止滤波器40设置在第一透镜的前方或设置在第三透镜的后方，但本发明并不限制于此，例如，所述可见光截止滤波器40也可直接形成在透镜的表面上。

这里，如表1中所示，从第一透镜10的第一表面到图像传感器50的第一表面(成像平面)的距离(TTL)可为5.80mm。此外，第一透镜10的焦距可为3.18mm，第二透镜20的焦距可为-4.64mm，第三透镜30的焦距可为26.47mm，所述光学系统的总焦距可为5.44mm。根据本发明的第一实施例的光学系统的F数(Fno)为2.4。

[表1]

f	5.44
		f1	3.18
f2	-4.64
		f3	26.47
TTL	5.80
		Fno	2.4

表2示出了透镜的其它特性(透镜的曲率半径、透镜的厚度或透镜之间的距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数)。其中，表面序号为7的表面表示可见光截止滤波器40朝向物方的表面，表面序号为8的表面表示可见光截止滤波器40朝向成像平面的表面。

[表2]

表面序号	曲率半径	厚度或距离	折射率	阿贝数
					物	无穷大	400
1	1.7473	0.7379	1.53	56.04
					2	-32.1685	0.15
ST(光阑)	无穷大	0.3188
					3	-1.042	0.4010	1.58	29.9
4	-1.9539	0.4447
					5	1.8754	0.7893	1.53	56.04
6	1.8542	0.3112
					7	无穷大	0.5	1.51	64.12
8	无穷大	2.1471

在本发明的第一实施例中，第一透镜10可具有正屈光力，且其两个表面均为凸形。第二透镜20可具有负屈光力，其第一表面可为凹形且其第二表面可为凸形。此外，第二透镜20可具有形成在其第二表面上的拐点。第三透镜30可具有正屈光力，且可具有朝向物方凸起的弯月形状。此外，光阑ST可设置在第一透镜10和第二透镜20之间。可见光截止滤波器40设置在第三透镜30和图像传感器50之间。

与此同时，第一透镜10至第三透镜30的各个表面可具有表3所示的非球面系数。也就是说，所有第一透镜10至第三透镜30的各个表面可为非球面。

[表3]

与此同时，从表4中可以理解的是，根据本发明的第一实施例的光学系统满足如上所述的条件式1至条件式3。因此，可以提高透镜的光学性能。

[表4]

\|f1/f2\|	0.685
		\|f3/f\|	4.87
TTL	5.80

图2示出了图1中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图。

参照图2，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的像散场曲和畸变。在像散中，T和S分别表示子午表面和弧矢表面的场曲。光学系统的场曲被控制在±0.05mm的范围内，得到了比较好的校正。光学系统的边缘视场的畸变也被控制在3％以内。

图3示出了图1中的光学系统的球面像差的像差图。

参照图3，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的球面像差。光学系统的球差被控制在±0.02mm。

图4示出了图1中的光学系统在物体位于400mm处的光学传递函数的曲线图。

参照图4，从图4中可以看出，200线对时所有视场的MTF值优于0.3，所有视场的光学传递函数曲线都接近了衍射极限，说明根据本发明的第一实施例的光学系统具有良好的成像性能。

将参照图5对根据本发明的第二实施例的光学系统进行描述。图5是根据本发明的第二实施例的光学系统的结构图。

参照图5，根据本发明的第二实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30，并可进一步包括可见光截止滤波器40、图像传感器50和光阑ST。这里，所述可见光截止滤波器40设置在第一透镜的前方或设置在第三透镜的后方，但本发明并不限制于此，例如，所述可见光截止滤波器40也可直接形成在透镜的表面上。

这里，如表5中所示，从第一透镜10的第一表面到图像传感器50的第一表面(成像平面)的距离(TTL)可为6.00mm。此外，第一透镜10的焦距可为3.66mm，第二透镜20的焦距可为-8.88mm，第三透镜30的焦距可为-37.66mm，所述光学系统的总焦距可为5.44mm。根据本发明的第二实施例的光学系统的F数(Fno)为2.4。

[表5]

f	5.44
		f1	3.66
f2	-8.88
		f3	-37.66
TTL	6.00
		Fno	2.4

表6示出了透镜的其它特性(透镜的曲率半径、透镜的厚度或透镜之间的距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数)。其中，表面序号为7的表面表示可见光截止滤波器40朝向物方的表面，表面序号为8的表面表示可见光截止滤波器40朝向成像平面的表面。

[表6]

在本发明的第二实施例中，第一透镜10可具有正屈光力，且其两个表面均为凸形。第二透镜20可具有负屈光力，其第一表面可为凹形且其第二表面可为凸形。此外，第二透镜20可具有形成在其第二表面上的拐点。第三透镜30可具有负屈光力，且可具有朝向物方凸起的弯月形状。此外，光阑ST可设置在第一透镜10和第二透镜20之间。可见光截止滤波器40设置在第三透镜30和图像传感器50之间。

与此同时，第一透镜10至第三透镜30的各个表面可具有表7所示的非球面系数。也就是说，所有第一透镜10至第三透镜30的各个表面可为非球面。

[表7]

与此同时，从表8中可以理解的是，根据本发明的第二实施例的光学系统满足如上所述的条件式1至条件式3。因此，可以提高透镜的光学性能。

[表8]

\|f1/f2\|	0.412
		\|f3/f\|	6.92
TTL	6.00

图6示出了图5中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图。

参照图6，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的像散场曲和畸变。在像散中，T和S分别表示子午表面和弧矢表面的场曲。光学系统的场曲被控制在±0.05mm的范围内，得到了比较好的校正。光学系统的边缘视场的畸变也被控制在2％以内。

图7示出了图5中的光学系统的球面像差的像差图。

参照图7，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的球面像差。光学系统的球差被控制在±0.02mm。

图8示出了图5中的光学系统在物体位于400mm处的光学传递函数的曲线图。

参照图8，从图8中可以看出，200线对时所有视场的MTF值优于0.3，所有视场的光学传递函数曲线都接近了衍射极限，说明根据本发明的第一实施例的光学系统具有良好的成像性能。

将参照图9对根据本发明的第三实施例的光学系统进行描述。图9是根据本发明的第三实施例的光学系统的结构图。

参照图9，根据本发明的第三实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30，并可进一步包括可见光截止滤波器40、图像传感器50和光阑ST。这里，所述可见光截止滤波器40设置在第一透镜的前方或设置在第三透镜的后方，但本发明并不限制于此，例如，所述可见光截止滤波器40也可直接形成在透镜的表面上。

这里，如表9中所示，从第一透镜10的第一表面到图像传感器50的第一表面(成像平面)的距离(TTL)可为6.77mm。此外，第一透镜10的焦距可为3.87mm，第二透镜20的焦距可为-14.60mm，第三透镜30的焦距可为-149.35mm，所述光学系统的总焦距可为5.44mm。根据本发明的第三实施例的光学系统的F数(Fno)为2.4。

[表9]

f	5.44
		f1	3.87
f2	-14.60
		f3	-149.35
TTL	6.77
		Fno	2.4

表10示出了透镜的其它特性(透镜的曲率半径、透镜的厚度或透镜之间的距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数)。其中，表面序号为7的表面表示可见光截止滤波器40朝向物方的表面，表面序号为8的表面表示可见光截止滤波器40朝向成像平面的表面。

[表10]

在本发明的第三实施例中，第一透镜10可具有正屈光力，且其两个表面均为凸形。第二透镜20可具有负屈光力，其第一表面可为凹形且其第二表面可为凸形。此外，第二透镜20可具有形成在其第二表面上的拐点。第三透镜30可具有负屈光力，且可具有朝向物方凸起的弯月形状。此外，光阑ST可设置在第一透镜10和第二透镜20之间。可见光截止滤波器40设置在第三透镜30和图像传感器50之间。

与此同时，第一透镜10至第三透镜30的各个表面可具有表11所示的非球面系数。也就是说，所有第一透镜10至第三透镜30的各个表面可为非球面。

[表11]

与此同时，从表11中可以理解的是，根据本发明的第三实施例的光学系统满足如上所述的条件式1至条件式3。因此，可以提高透镜的光学性能。

[表8]

\|f1/f2\|	0.265
		\|f3/f\|	27.545
TTL	6.77

图10示出了图9中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图。

参照图10，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的像散场曲和畸变。在像散中，T和S分别表示子午表面和弧矢表面的场曲。光学系统的场曲被控制在±0.05mm的范围内，得到了比较好的校正。光学系统的边缘视场的畸变也被控制在1％以内。

图11示出了图9中的光学系统的球面像差的像差图。

参照图11，示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的球面像差。光学系统的球差被控制在±0.02mm。

参照图12，从图12中可以看出，200线对时所有视场的MTF值优于0.3，所有视场的光学传递函数曲线都接近了衍射极限，说明根据本发明的第一实施例的光学系统具有良好的成像性能。

综上所述，提供了这样的光学系统，所述光学系统的工作波段为800nm～900nm，且其中心波长为850nm；并且所述光学系统的水平方向视场角约17.06°，且其垂直方向视场角约12.84°，且其对角线方向视场角约21.24°；并且所述光学系统具有1:2.4的相对孔径；并且所述光学系统在350mm～450mm范围内都可清晰成像。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种修改。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统用于对虹膜进行成像，所述光学系统从物方到像方顺序地包括：

第一透镜，具有正屈光力；

第二透镜，具有负屈光力，且具有形成在其像方表面上的至少一个拐点；

第三透镜，具有正屈光力或负屈光力；

所述光学系统的工作波段为800nm～900nm，且所述光学系统的中心波长为850nm；所述光学系统在350mm～450mm范围内清晰成像；

所述光学系统满足条件式1、条件式2、条件式3：

[条件式1]

0.412<|f1/f2|<0.685

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距

[条件式2]

4.87<|f3/f|<6.92

其中，f是所述光学系统的总焦距，f3是所述第三透镜的焦距

[条件式3]

5.44/6<|f/TTL|<5.44/5.8

其中，TTL是从所述第一透镜的物方表面到成像平面的距离。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表面为凸形。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜的物方表面为凹形，并且所述第二透镜的像方表面为凸形。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜具有朝向物方凸起的弯月形状。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间的光阑。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括设置在所述第三透镜和成像平面之间的可见光截止滤波器。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜至所述第三透镜由塑料形成。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜至所述第三透镜中的每一个的物方表面和像方表面中的至少一个是非球面。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的F数为2.4。