CN105700133A - 短距离虹膜辨识用光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短距离虹膜辨识用光学系统，其依序配置具有正屈亮度的第一镜片及具有负屈亮度的第二镜片，该第一镜片的物体侧包含以光轴为中心而形成的第二反射面及形成于第二反射面周边的第一穿透面，像侧包含以光轴为中心而形成的第二穿透面及形成于第二穿透面周边的第一反射面，该第一穿透面为凹状的曲面且相对于光轴呈垂直面，由于在第一镜片上形成两个反射面，所以可缩短焦点距离，因此可以设置于手机、智能手机、平板计算机或笔记本电脑等薄化的小型可携式电子产品上，另外，可携式电子产品的用户亦可在约300mm的距离上轻松且稳定的获得虹膜影像。

Description

短距离虹膜辨识用光学系统
技术领域
本发明涉及一种短距离虹膜辨识用光学系统，其利用具有两个反射面的镜片，从而使其焦点距离极度缩短，因此可以稳定使用在手机、智能手机、平板计算机或笔记本电脑等薄化的小型可携式电子产品上，以辨识用户的虹膜。
背景技术
近年来，以出入管制系统、计算机保安系统等为中心，广泛利用人体特征来确认个人身份的生物特征辨识技术逐渐盛行，生物特征辨识技术的应用领域，从以往以指纹辨识为主流渐渐扩大到近来的虹膜辨识、声音辨识或静脉辨识等应用领域。
尤其是围绕整个眼睛瞳孔的虹膜，即使是同卵生双胞胎，亦可辨识区分为不同的型态，其辨识特性鲜明，且比起指纹辨识，其区别性更佳，故虹膜辨识技术的应用实例也渐渐增加。
为了对虹膜进行辨识，需要利用光学系统来取得虹膜影像，从虹膜影像数据中取得其特征，从而组成虹膜代码，并确认储存的组成虹膜代码与取得的虹膜代码是否相符等。
另外，为了利用软件处理虹膜影像来正确取得其特征，如虹膜直径为11～12mm，物体距离为300mm时，其摄入于相机(摄影)模块的影像传感器的影像，通常其纵向影像须为200像素以上。
而最小型(1/10寸)VGA级传感器(640*480)的像素大小为2.25μm，因此，200像素的大小为0.45mm，与虹膜大小12mm相较，其光学系统倍率为0.0375倍。因此为了让使用者在不感到非常不便的距离(约300mm)下拍摄虹膜，并为了获得满意的影像，需要以VGA级传感器显现这种程度以上的倍率作为基准。
但是，如图1所示，以包含两片镜片(L1，L2)的简易组合作为光学系统来获得这种倍率的话，焦点距离须在12mm以上，如欲获得这种焦点距离，即使利用1/10寸VGA级传感器，并以传感器的单边的50％(0.9mm)的大小来使虹膜组成影像，但光学系统的全长(自第一镜片最前一面至感应面的距离)必须在10.9mm左右。
以装载于一般保安装备的光学系统而言，这种全长应不会造成很大的问题，但装载于整体厚度比10mm更薄的智能手机、平板计算机、笔记本电脑等可携式电子产品上是不可能的。
而且，即使利用1600万像素的相机，在并非近距离拍摄而是一般性拍摄模式下，如虹膜直径为11～12mm，物体距离为300mm时，约须在150像素时才能具像虹膜影像，因此利用软件来处理会有困难。
另外，如果充分提高光学系统的倍率，虽然不难取得200像素以上的虹膜影像，但如果提高倍率，则焦点距离会被拉大，焦点距离如果拉大，则光学系统全长也会拉大，所以对一般光学系统结构而言，不能无限制的提高其倍率。
而且，在近距离拍摄使用者眼睛时，取得200像素以上的虹膜影像虽不困难，但这种方式在使用上非常不方便，因此以一般可携式电子产品的使用距离(约300mm)为基准，则必须缩短光学系统的全长。
另外，专利文献1为韩国公开专利第10-2008-0049022号，图2为专利文献1里的虹膜辨识用光学系统的构造图，由物体侧依序配置，包含双凸球面镜片(2A)、双凹球面镜片(3A)、可视光过滤器(4A)、封装玻璃(Packageglass)(6)及影像传感器(5)。
但是专利文献1中的双凸球面镜片(2A)厚度为2.92mm，双凹球面镜片(3A)的厚度为3.00mm，双凹球面镜片(3A)与可视光过滤器(4A)的间距为2.45mm，可视光过滤器(4A)的厚度为3.00mm，显而易见，整个光学系统的全长已超出20mm许多。
因此，如同专利文献1方式的虹膜辨识用光学系统，不适用于如智能手机等薄化的小型电子产品上。
发明内容
因此，本案发明人有鉴于上述不足，乃搜集相关资料，经由多方评估及考虑，并以从事于此行业累积的多年经验，经由不断试作及修改，始设计出此种可装置于手机、智能手机、平板计算机、笔记本电脑等可携式电子产品上，且可在一般使用条件下稳定取得虹膜影像，并且相对于现有技术，可提供更短全长距离的短距离虹膜辨识用光学系统。
本发明提供的短距离虹膜辨识用光学系统依序配置具有正(+)屈亮度的第一镜片(L1)与具有负(-)屈亮度的第二镜片(L2)，该第一镜片的物体侧包含以光轴为中心而形成的第二反射面(S3)及形成于第二反射面(S3)周边的第一穿透面(S1)，像侧包含以光轴为中心而形成的第二穿透面(S4)及形成于第二穿透面(S4)周边的第一反射面(S2)，该第一穿透面(S1)为凹状的曲面或相对于光轴为垂直面。
在本发明的一实施例中，第一反射面(S2)及第二反射面(S3)在像侧方向为凸面形状，该第二穿透面(S4)在像侧方向为凹面形状。
在本发明的一实施例中，第一镜片(L1)的第一反射面(S2)、第二反射面(S3)及第二穿透面(S4)为非球面，该第二镜片(L2)的两面皆为非球面。
在本发明的一实施例中，光学系统的全长(自第一镜片最端面至感应面的距离)假设为T，光学系统的整体焦点距离假设为F时，则可满足条件式：T/F＜0.65。
在本发明的一实施例中，该第一穿透面(S1)在物体侧为凹状的曲面，且可以满足条件式：-100,000<第一穿透面(S1)的曲率半径<-100。
本发明提供的虹膜辨识用光学系统，由于在第一镜片上形成两个反射面，所以可缩短焦点距离，因此可以装置于例如手机、智能手机、平板计算机或笔记本电脑等薄化且小型的可携式电子产品上，另外可携式电子产品的用户亦可在约300mm的距离上轻松而稳定的取得虹膜影像。
附图说明
图1为现有的虹膜辨识用光学系统的构造图；
图2为另一现有的虹膜辨识用光学系统的构造图；
图3为本发明第一实施例的光学系统构造图；
图4为本发明第一实施例的光学系统偏差图；
图5为本发明第二实施例的光学系统构造图；
图6为本发明第二实施例的光学系统偏差图；
图7为本发明第三实施例的光学系统构造图；
图8为本发明第三实施例的光学系统偏差图。
附图标记说明：L1-第一镜片；L2-第二镜片；S1-第一穿透面；S2-第一反射面；S3-第二反射面；S4-第二穿透面；S5-面；S6-面；2A-双凸球面镜片；3A-双凹球面镜片；4A-可视光过滤器；5-影像传感器；6-封装玻璃(Packageglass)。
具体实施方式
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下。
如图3、图5、图7所示，其依序设有具有正(+)屈亮度的第一镜片(L1)及具有负(-)屈亮度的第二镜片(L2)，另外，还可在第二镜片(L2)及影像传感器(5)之间装置一隔板(图中未示出)。
尤其，本发明实施例中，光学系统中的第一镜片(L1)在物体侧及像侧分别具有反射面。
具体来看，第一镜片(L1)的物体侧包含以光轴为中心而形成的第二反射面(S3)及形成于第二反射面(S3)周边的第一穿透面(S1)，第一镜片(L1)的像侧包含以光轴为中心而形成的第二穿透面(S4)及形成于第二穿透面(S4)周边的第一反射面(S2)。
射入第一穿透面(S1)的光线在形成于像侧的第一反射面(S2)反射后,射入第二反射面(S3)，再由第二反射面(S3)反射后，经过第二穿透面(S4)后射入第二镜片(L2)。
第一穿透面(S1)在相对于光轴而言，较佳为呈现垂直状或凹状。在现有的全方位光学系统或全景(panorama)光学系统上，虽也曾介绍过使用具备两个反射面镜片的构造，但这种光学系统是以广角为主，因此第一穿透面(S1)在物体侧形成大曲率凸状。但如同本发明所述，为了虹膜辨识而须将视角缩小的光学系统，将第一穿透面(S1)应用于这种形状上并非妥当。
即，约在300mm的距离，为了正确拍摄虹膜，相对须在窄视角上呈现出高倍率，而为此，如同本发明实施例的第一镜片(L1)的第一穿透面(S1)，在物体侧方向则以小曲率凹状为佳，至少相对于光轴，须呈现垂直或小曲率凹状为佳。
将第一穿透面(S1)形成如上述凹状时，需满足下列条件式的设计为佳。
<条件式1>
-100,000<曲率半径<-100
另外，第一镜片(L1)的第一反射面(S2)及第二反射面(S3)分别在像侧方向呈现凸状，并分别以铝或银等反射物质电镀，或可能附着反射胶片。另外，第一镜片(L1)的第二穿透面(S4)以凹状为佳。
依据本发明的实施例，第一镜片(L1)及第二镜片(L2)虽皆使用塑料镜片，但材质并非有所限制。
依据本发明的实施例，第一镜片(L1)的第一反射面(S2)、第二反射面(S3)及第二穿透面(S4)皆为非球面，第二镜片(L2)的两面(S5，S6)亦皆非球面。
尤其，在本发明的实施例中，在虹膜辨识上，即使获得充分的视角及倍率(或焦点距离)，但为了设置于如手机、智能手机或平板计算机等，须具体呈现较短全长，便须满足上述条件1而设计了这种镜片。
＜条件式2＞
远摄比(T/F)＜0.65
T：光学系统的全长(自第一镜片最前端面至感应面的距离)，F：光学系统的整体焦点距离。
实际上如果不限制上述条件，如以物体距离300mm为基准时，全长会变得太长而无法装置于手机、智能手机、平板计算机或笔记本电脑等薄化的小型可携式电子产品上。
以下为适用上述条件的虹膜辨识用光学系统的具体实施例说明。
图3及图4为第一实施例的光学系统的构造图及偏差图，图5及图6为第二实施例的光学系统的构造图及偏差图，图7及图8为第三实施例的光学系统的构造图及偏差图。
下列表1为依据第一实施例而应用于虹膜辨识用光学系统的各镜片的曲率半径、厚度及折射率的数据，表2为依据第一实施例适用于光学系统的各镜片面的非球面数据。
【表1】
【表2】
下列表3为依据本发明的第二实施例而应用于虹膜辨识用光学系统的各镜片的曲率半径、厚度及折射率的数据，表4为依据第二实施例适用于光学系统的各镜片面的非球面数据。
【表3】
【表4】
下列表5为依据本发明的第三实施例而应用于虹膜辨识用光学系统的各镜片的曲率半径、厚度及折射率的数据，表6为依据第三实施例适用于光学系统的各镜片面的非球面数据。
【表5】
【表6】
上表2、表4及表6中，K为圆锥曲线常数(Conicconstant)，A、B、C、D为非球面系数，从而适用于和非球面形状相关的下列数学公式1。
【数学公式1】
Z = cY 2 1 + 1 - ( 1 + K ) c 2 Y 2 + AY 4 + BY 6 + CY 8 + DY 10
上述Z为镜片顶点到光轴方向的距离，Y为光轴的垂直方向距离，c为镜片顶点的曲率半径(r)的倒数。
依据第一实施例至第三实施例的各光学系统的焦点距离、全长及远摄比(T/F)，则如同下列表7。
【表7】
分类 实例1 实例2 实例3
第一镜片的点距离 9.89 12.09 9.9
第二镜片的点距离 -11.87 -46.64 -11.82
整体焦点距离(efl) 10.85 12.42 10.81
全长(T) 3.1701 3.74149 3.1801
远摄比(T/efl) 0.29 0.30 0.29
查看表7，依据本发明第一实施例至第三实施例的虹膜辨识用光学系统，其物体距离各为340mm、248mm及340mm时，则焦点距离(efl)各为10.85mm、12.42mm及10.81mm。
这种焦点距离与呈现于图1的现有虹膜辨识用光学系统有很大的差异，依据本发明实例的光学系统的全长(T)各为3.17mm、3.74mm及3.18mm，约为现有的光学系统全长的1/3不到，因此可以得知其全长距离变得非常短。
如果虹膜辨识用光学系统有这么短的全长距离，那么不但可以装置于最近上市的最薄型手机、智能手机、平板计算机或笔记本电脑等薄化的小型可携式电子产品里，而且可装设于大部分的可携式电子产品及类似的小型电子产品里。
以上说明了本发明的最佳实例，但本发明针对具体应用性而言，可达到各种型态的变形或修正，如后述有关变形或修正的相关实例，包含在权利要求范围的本发明的技术性思想内，则当然亦所属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种短距离虹膜辨识用光学系统，其依序配置具有正屈亮度的第一镜片与具有负屈亮度的第二镜片，其特征在于：
该第一镜片的物体侧包含以光轴为中心而形成的第二反射面及形成于第二反射面周边的第一穿透面，像侧包含以光轴为中心而形成的第二穿透面及形成于第二穿透面周边的第一反射面；
该第一穿透面为凹状的曲面或相对于光轴为垂直面。
2.根据权利要求1所述的短距离虹膜辨识用光学系统，其特征在于，该第一反射面及第二反射面在像侧方向为凸面形状，该第二穿透面在像侧方向为凹面形状。
3.根据权利要求1所述的短距离虹膜辨识用光学系统，其特征在于，该第一镜片的第一反射面、第二反射面及第二穿透面为非球面，该第二镜片的两面皆为非球面。
4.根据权利要求1或3所述的短距离虹膜辨识用光学系统，其特征在于，该光学系统的全长为T，T为自第一镜片最前端面至感应面的距离，光学系统的整体焦点距离为F时，满足条件式：T/F＜0.65。
5.根据权利要求1所述的短距离虹膜辨识用光学系统，其特征在于，该第一穿透面在物体侧方向为凹状的曲面，且满足条件式：-100,000<第一穿透面的曲率半径<-100。
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