CN106443972B - 虹膜识别光学成像透镜组及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学成像透镜组，尤其涉及一种虹膜识别光学成像透镜组及其成像方法，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、孔径光阑、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有正屈折力；所述第二透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有负屈折力，且第二透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面；所述第三透镜呈M字形结构并具有负屈折力，第三透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且第三透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面，所述第三镜片的像侧表面上至少有一个拐点。该虹膜识别光学成像透镜组不仅结构简单，而且产品量产性能佳。

Description

虹膜识别光学成像透镜组及其成像方法

技术领域

本发明涉及光学成像透镜组，尤其涉及一种虹膜识别光学成像透镜组及其成像方法。

背景技术

目前随着虹膜识别技术的深入研究，硬件技术和算法设计被不断的优化，虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。在智能移动终端设备如手机可集成虹膜识别模块。由于手机广泛使用CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器，以及手机的物理尺寸特性，对虹膜识别光学成像透镜组有着与手机光学成像透镜组相似的要求。

现有的虹膜识别光学成像透镜组通常能够满足虹膜识别要求，但具有以下缺点：(1)太多球面透镜的使用降低了光学系统的自由度，导致此光学系统的总长不易做短，重量不易变轻，体积不易变小，元件片数不易变少；(2)由于玻璃镜片自身的光学冷加工工艺特点使得产品量产性能较差。

发明内容

为了减轻或消除上述缺点，本发明的目的在于提供一种虹膜识别光学成像透镜组及其成像方法。

本发明的技术方案在于：一种虹膜识别光学成像透镜组，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、孔径光阑、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有正屈折力；所述第二透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有负屈折力，且第二透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面；所述第三透镜呈M字形结构并具有负屈折力，第三透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且第三透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面，所述第三透镜的像侧表面上至少有一个拐点。

进一步地，所述第一透镜的物侧表面与像侧表面中至少有一表面为非球面；所述第二透镜和第三透镜分别由塑胶材质制成。

进一步地，所述第一透镜的焦距f1、第二透镜的焦距f2、第三透镜的焦距f3和整体成像透镜组的焦距f分别满足0<f1/f<2，-2 <f2/f1<0， f3/f<0。

进一步地，所述第三透镜的后侧还设置有电子感光元件，所述第一透镜的物侧表面至电子感光元件的距离TTL和整体成像透镜组的焦距f满足0.8<TTL/f<1.2。

进一步地，所述第一透镜的折射率N1、第二透镜的折射率N2和第三透镜的折射率N3分别满足N1≥1.56、N2≥1.56、N3≥1.56；所述第一透镜于光轴上的厚度CT1和整体成像透镜组的焦距f满足0.05<CT1/f<0.18。

进一步地，所述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和第一透镜的像侧表面曲率半径R2满足0.2<R1/R2<1；所述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和整体成像透镜组的焦距f满足0.1<R1/f<0.5。

进一步地，所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜；或所述第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片。

进一步地，所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜并且第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片。

进一步地，所述第一透镜的像侧表面及第二透镜和第三透镜的物侧表面、像侧表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

一种虹膜识别光学成像透镜组的成像方法，包含以下步骤：

（1）将一光束自前向后经过第一透镜组并进入孔径光阑，使得其中经过第一透镜的轴上光束有汇聚的趋势，轴外视场光束具有更大的出射角；

（2）穿过孔径光阑的光束经过第二透镜，使得其中中心光束有微小发散，而第二透镜像侧表面大口径处的左侧弯曲形状使得最外视场的光束聚拢；

（3）光束经过第三透镜后汇聚到图像采集元件。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该虹膜识别光学成像透镜组由三枚具屈折力透镜组成，不仅结构简单、体积小巧和重量较轻，而且通过透镜组的光焦度分配方式，可以有效地减小透镜组体积，降低光学系统的敏感度，平衡各种像差，从而获得较高的分辨率；同时该虹膜识别光学成像透镜总长短小容易集成在便携式轻薄可携移动终端设备上，可被广泛运用于手机移动支付领域；其在近红外波段具有较高的成像质量，TV畸变小；降低了光学系统的敏感度，易于大批量加工制造。

附图说明

图1为本发明的成像透镜组的结构示意图；

图2为本发明的成像透镜组实施例一的结构示意图；

图3为本发明的成像透镜组实施例一的像差曲线图；

图4为本发明的成像透镜组实施例一的光学参数表；

图5为本发明的成像透镜组实施例一的非球面系数表；

图6为本发明的成像透镜组实施例二的结构示意图；

图7为本发明的成像透镜组实施例二的像差曲线图；

图8为本发明的成像透镜组实施例二的光学参数表；

图9为本发明的成像透镜组实施例二的非球面系数表；

图中：10-第一透镜 11-物侧表 12-像侧表面 20-第二透镜 21-物侧表 22-像侧表面 30-第三透镜 31-物侧表 32-像侧表面 40-孔径光阑 50-平面滤光片 60-电子感光元件。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1

一种虹膜识别光学成像透镜组，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜10、孔径光阑40、第二透镜20和第三透镜30，第一透镜、第二透镜和第三透镜分别为具屈折力的光学树脂透镜。所述第一透镜的光焦度为正，且第一透镜的物侧表面11为凸面，像侧表面12为凹面，第一透镜的物侧表面与像侧表面中至少有一表面为非球面，以便获得较多控制变量，用于平衡像差，进而起到缩减透镜数目，有效降低光学系统总长，提高解析力。所述第二透镜光焦度为负，且第二透镜的物侧表面21为凸面，像侧表面22为凹面，第二透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面；所述第三透镜的光焦度为负，且第三透镜呈M字形结构，第三透镜的物侧表面31为凸面，像侧表面32为凹面，第三透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面，所述第三透镜的像侧表面上至少有一个拐点。所述第二透镜和第三透镜分别由塑胶材质制成，不仅有利于球面制造，而且有利于量产，可有效降低生产成本。该孔径光阑用于控制虹膜识别光学成像透镜组的通光量。

第一透镜具有正屈折力，首先将光线偏向光轴进行一定程度的压缩，可有效缩短透镜组的光学总长；第二透镜具负屈折力，第二近轴光线向轴外偏折，使得焦距满足设定值。为了缩短光学系统总长，第一透镜与第二透镜的空气间隔会有增大的趋势；第三透镜具负屈折力，可以有效分配第二透镜的屈折力，有助于降低光线在第二透镜和第三透镜的孔径角，同时减小透镜组的敏感度。第一透镜可与第二透镜、第三透镜组合负屈折力的透镜等效组成一正-负望远结构，可有效降低透镜组的总长度，实现小型化的结构形式。

第一透镜为弯月形透镜，较小的曲率半径可有效的加大第一透镜屈折力的分配，进行可使该透镜组的光学总长变得更短，同时可有效平衡透镜产生的球差，且厚弯月形透镜可较好平衡其他透镜产生的场曲；第二透镜可以有效修正系统的单色像差；第三透镜为弯月形透镜，光焦度小，有利于修正系统的高级像差，主要是畸变。

将光阑置于第一透镜和第二透镜之间且靠近第一透镜的像侧表面时，可以有效的缩短该透镜组的光学总长。光阑位置可使该透镜组的出射光瞳远离成像面，使得像方孔径角较小。此外该第三透镜上设置有拐点，可有效的压制轴外视场的光线入射于感光元件上的角度，减小感光元件上轴外视场主光线角，并且可进一步校正轴外视场的像差。

上述述第一透镜的焦距f1、第二透镜的焦距f2、第三透镜的焦距f3和整体成像透镜组的焦距f分别满足0<f1/f<2，-2 <f2/f1<0， f3/f<0。当满f1/f ，f2/f1足上述关系时，该第一透镜与该第二透镜的屈折力分配平衡，可有降低系统光学总长，实现小型化的特性。此外可同时避免高阶球差的过度增大，进而提高像质。

上述第三透镜的后侧还设置有电子感光元件，所述第一透镜的物侧表面至电子感光元件60的距离TTL和整体成像透镜组的焦距f满足0.8<TTL/f<1.2。

上述第一透镜的折射率N1、第二透镜的折射率N2和第三透镜的折射率N3分别满足N1≥1.56、N2≥1.56、N3≥1.56；所述第一透镜于光轴上的厚度CT1和整体成像透镜组的焦距f满足0.05<CT1/f<0.18。

上述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和第一透镜的像侧表面曲率半径R2满足0.2<R1/R2<1；该第一透镜物侧表面为凸面，曲率半径较小使得透镜组能够支持较大的视场角，同时其像侧表面为凹面具有较大的曲率半径，可使得外视场可达到较大的像高。

上述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和整体成像透镜组的焦距f满足0.1<R1/f<0.5。该关系可使第一透镜物侧表面在保证较大视场角的同时使得球差不至于太大，以至于破坏像差的平衡状态。

光学成像透镜组中，所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜；或所述第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片50，该可见光平面滤光片材质为玻璃且其不影响本发明光学成像透镜组的焦距。或所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜并且第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片50。

光学成像透镜组中，设置有一光圈及电子感光元件供被摄物体成像，该光圈置于第一透镜与第二透镜之间的配置，有利于远心特性与象差的校正，整体光学镜组总长度也可以更短。

光学成像透镜组中，透镜材质可为玻璃或塑胶，若透镜材质为玻璃，则可增加系统的对温度的稳定性，若透镜材质为塑胶，则可以有效降低生产成本。此外镜面设置非球面，可以容易制成球面以外的形状，获得更多变量，用以校正象差，进而缩短透镜片数，因此可有效降低本发明光学成像透镜组的光学总长度。

光学成像透镜组中，若透镜表面为凸面，则表示该透镜表面于近轴处为凸面；若透镜表面为凹面，则表示该透镜于近轴处为凹面。

上述第一透镜的像侧表面及第二透镜和第三透镜的物侧表面、像侧表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

实施例一 参考图2至图5

本实施例中，光学成像透镜组主要由三枚透镜构成，由物侧至像侧依序为：光焦度为正的第一透镜，物侧表面为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，第一透镜的前物侧表面、像侧表面皆为非球面；光焦度为负的第二透镜，物侧表面为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，该第二透镜的物侧表面、像侧表面皆为非球面；光焦度为负的第三透镜，物侧表面为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，该第三透镜的物侧表面、像侧表面皆为非球面，并且在该第三透镜的像侧表面上至少有一个拐点，镜片呈M字形结构。一孔径光阑置于第一透镜和第二透镜之间，用于控制光学成像透镜组近红外光的光通量。

本实施例中，光学成像透镜组还包括有一置于第三透镜的像侧表面与一成像面（即电子感光元件60）之间的可见光滤光片（VISIBLE-filter），该可见光滤光片为平面滤光片50；该可见光滤光片的材质为玻璃且其不影响本发明光学成像透镜组的焦距。

本实施例中，上述的非球面的方程式表示如下：

其中，上式其各参量具体含义如下：

X：表示镜片上非球面相交点的距离；

Y：非球面曲线上的点与光轴的距离；

K：代表圆锥系数；

A4，A6…：非球面第四阶系数、第六阶系数等。

本实施例中，该光学成像透镜组的整体成像透镜组的焦距f =4.42(mm)；整体成像透镜组的光圈值(F-number)Fno =2.8；整体成像透镜组中最大视场角的一半HFOV =26.3（度）。

本实施例中，该光学成像透镜组的光学参数如图4所示，非球面系数如图5所示。其中曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视场角的一半。

本实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和整体成像透镜组的焦距分别为f1、f2、f3、f ，其关系为：f1/f=0.86，f2/f1=-1.81， f3/f=-20.60。此关系使得该第一透镜与该第二透镜的屈折力分配平衡，可有降低系统光学总长，实现小型化的特性。此外可同时避免高阶球差的过度增大，进而提高像质。

本实施例中，光轴上成像透镜组第一透镜的物侧面至电子感光元件的距离为TTL，整体成像透镜组的焦距为f ，其关系为： TTL/f=1.00。

本实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜的折射率分别为N1、N2、N3,其关系为：N1=N2=N3=1.585。上述材质关系可以使得透镜组更加紧凑，总长更短。

本实施例中，第一透镜于光轴上的厚度为CT1，整体成像透镜组的焦距为f，其关系为：CT1/f=0.15。

本实施例中，该第一透镜的物侧表面曲率半径和像侧表面曲率半径分别为R1，R2，其关系为：R1/R2=0.54。

本实施例中，该第一透镜的物侧表面曲率半径为R1，整体成像透镜组的焦距为f。其关系为：R1/f=0.28。该关系可使得第一透镜物侧表面在保证较大视场角的同时使得球差不至于太大，以至于各种像差能够得到较好的平衡。

实施例二 参考图6至图9

本实施例中，光学成像透镜组主要由三枚透镜构成，由物侧至像侧依序为：光焦度为正的第一透镜，物侧表面11为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，第一透镜的物侧表面和像侧表面皆为非球面；光焦度为负的第二透镜，物侧表面为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，该第二透镜的物侧表面和像侧表面皆为非球面；光焦度为负的第三透镜，物侧表面为凸，像侧表面为凹，其材质为塑胶，该第三透镜的物侧表面和像侧表面皆为非球面，并且在该第三透镜像侧表面上至少有一个拐点，镜片呈M字形结构；一孔径光阑置于第一透镜和第二透镜之间，用于控制光学成像透镜组近红外光的光通量。

本实施例中，光学成像透镜组还包括有一置于第三透镜的像侧表面与一成像面（即电子感光元件60）之间的可见光滤光片（VISIBLE-filter），该可见光滤光片为平面滤光片50；该可见光滤光片的材质为玻璃且其不影响本发明光学成像透镜组的焦距。

本实施例中，非球面曲线方程式的表达式如同第一实施例的型式。

本实施例中，整体成像透镜组的焦距f =4.66(mm)；整体成像透镜组的光圈值(F-number) Fno =3；整体成像透镜组中最大视场角的一半为HFOV， HFOV=24.99（度）。

本实施例中，光学成像透镜组的光学参数如图8所示，非球面系数如图9所示，其中曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视场角的一半。

本实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和整体成像透镜组的焦距分别为f1、f2、f3、f ，其关系为：f1/f=0.8，f2/f1=-1.79， f3/f=-4.50。此关系使得该第一透镜与该第二透镜的屈折力分配平衡，可有降低系统光学总长，实现小型化的特性。此外可同时避免高阶球差的过度增大，进而提高像质。

本实施例中，光轴上成像透镜组第一透镜的物侧表面至所述电子感光元件的距离为TTL，整体成像透镜组的焦距为f ，其关系为： TTL/f=0.95。

本实施例中，该第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30的折射率分别为N1、N2、N3，其关系为：N1=N2=N3=1.585。上述材质关系可以使得透镜组更加紧凑，总长更短。

本实施例中，该第一透镜于光轴上的厚度为CT1，整体成像透镜组的焦距为f，其关系为：CT1/f=0.13。

本实施例中，该第一透镜的物侧表面曲率半径和像侧表面曲率半径分别为R1，R2,，其关系为：R1/R2=0.50。

本实施例中，该第一透镜的物侧表面曲率半径为R1，整体成像透镜组的焦距为f。其关系为：R1/f=0.27。该关系可使得第一透镜物侧表面在保证较大视场角的同时使得球差不至于太大，以至于各种像差能够得到较好的平衡。

图3、图7所示左边的球面象差曲线图中，纵坐标为纵向球面象差，横坐标为焦距，单位为毫米。从图中可见，在不同焦距偏移下，其球面象差的变化情况。

图3、图7所示中间场曲曲线中，横坐标表示焦距，单位为毫米；纵坐标表示像高，从图中可以看出对于不同的焦距偏移下，以光轴的不同像高所产生的场曲变化情况。

图3、图7所示右边的成像畸变曲线图中，横坐标表示扭曲率的百分比；纵坐标表示以光轴的不同像高，从图中可以看出在不同像高时，其扭曲率的变化情况。

上述虹膜识别光学成像透镜组的成像方法，包含以下步骤：

（1）将一光束自前向后经过第一透镜组并进入孔径光阑，使得其中经过第一透镜的轴上光束有汇聚的趋势，轴外视场光束具有更大的出射角；

（2）穿过孔径光阑的光束经过第二透镜，使得其中中心光束有微小发散，而第二透镜像侧表面大口径处的左侧弯曲形状23使得最外视场的光束聚拢，能有效控制最外视场的球差；

（3）光束经过第三透镜后汇聚到图像采集元件，第三透镜不仅校正轴外像差，并且决定了各视场在图像采集元件成像面上主光线入射角的大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的虹膜识别光学成像透镜组并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、孔径光阑、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有正屈折力；所述第二透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，并具有负屈折力，且第二透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面；所述第三透镜呈M字形结构并具有负屈折力，第三透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且第三透镜的物侧表面及像侧表面皆为非球面，所述第三透镜的像侧表面上至少有一个拐点；所述第一透镜的物侧表面与像侧表面中至少有一表面为非球面；所述第二透镜和第三透镜分别由塑胶材质制成；所述第一透镜的焦距f1、第二透镜的焦距f2、第三透镜的焦距f3和整体成像透镜组的焦距f分别满足0<f1/f<2，-2 <f2/f1<0， f3/f<0。

2.根据权利要求1所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第三透镜的后侧还设置有电子感光元件，所述第一透镜的物侧表面至电子感光元件的距离TTL和整体成像透镜组的焦距f满足0.8<TTL/f<1.2。

3.根据权利要求1所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第一透镜的折射率N1、第二透镜的折射率N2和第三透镜的折射率N3分别满足N1≥1.56、N2≥1.56、N3≥1.56；所述第一透镜于光轴上的厚度CT1和整体成像透镜组的焦距f满足0.05<CT1/f<0.18。

4.根据权利要求1或3所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和第一透镜的像侧表面曲率半径R2满足0.2<R1/R2<1；所述第一透镜的物侧表面曲率半径R1和整体成像透镜组的焦距f满足0.1<R1/f<0.5。

5.根据权利要求1所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜；或所述第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片。

6.根据权利要求1所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第一透镜的物侧表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜并且第三透镜的后侧设置有能反射可见光并透过近红外光的平面滤光片。

7.根据权利要求1、5或6所述的虹膜识别光学成像透镜组，其特征在于，所述第一透镜的像侧表面及第二透镜和第三透镜的物侧表面、像侧表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

8.一种如权利要求1、3、5或6所述的虹膜识别光学成像透镜组的成像方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将一光束自前向后经过第一透镜组并进入孔径光阑，使得其中经过第一透镜的轴上光束有汇聚的趋势，轴外视场光束具有更大的出射角；

（2）穿过孔径光阑的光束经过第二透镜，使得其中中心光束有微小发散，而第二透镜像侧表面大口径处的左侧弯曲形状使得最外视场的光束聚拢；

（3）光束经过第三透镜后汇聚到图像采集元件。