CN109116514A - 大视场角度的虹膜识别镜头 - Google Patents

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CN109116514A CN201811027122.4A CN201811027122A CN109116514A CN 109116514 A CN109116514 A CN 109116514A CN 201811027122 A CN201811027122 A CN 201811027122A CN 109116514 A CN109116514 A CN 109116514A
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Abstract

本发明涉及一种大视场角度的虹膜识别镜头，其技术要点是，包括沿光轴从物侧到像侧依次布置的具有正光焦度且物侧面为凸面而像侧面为凹面的第一透镜、具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为塑料非球面镜片，所述第一透镜与第二透镜之间设有光阑，所述第二透镜由高折射率的塑料材料制成，折射率N>1.63，且镜头成像面上有效像素区域对角线长度一半IH与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.35<IH/TTL<0.42。其满足虹膜识别要求且在光线不足情况下精准拍摄虹膜，镜头解析力高，畸变小。

Description

大视场角度的虹膜识别镜头
技术领域
本发明涉及一种大视场角度的虹膜识别镜头，适用于智能手机或笔记本电脑等的虹膜识别解锁系统。
背景技术
随着解锁技术的创新和隐蔽性的提升，虹膜识别代替指纹成为智能电子元件的首选。这就要求与之搭配的镜头解析力也越来越高，畸变小，能清楚的成像虹膜。现虹膜识别技术已经在智能手机、笔记本电脑等兴起，未来的保密设备、重要防护门等多种领域的应用，也必然的会以虹膜识别技术为重点。这就要求摄像头满足上述要求以外，还能在光线不足情况下拍摄，能精准的拍摄虹膜。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种满足虹膜识别要求且在光线不足情况下精准拍摄虹膜的大视场角度的虹膜识别镜头，镜头解析力高，畸变小。
本发明的技术方案是：
一种大视场角度的虹膜识别镜头，其技术要点是，包括沿光轴从物侧到像侧依次布置的具有正光焦度且物侧面为凸面而像侧面为凹面的第一透镜、具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为塑料非球面镜片，所述第一透镜与第二透镜之间设有光阑，所述第二透镜由高折射率的塑料材料制成，折射率N&gt;1.63，且镜头成像面上有效像素区域对角线长度一半IH与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.35&lt;IH/TTL&lt;0.42。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第一透镜的有效通光孔径Y1与光阑孔径Y满足如下关系式：1.46&lt;Y1/Y&lt;1.512。上式使镜头在F/#一定的情况下进光量变大，一般镜头为光阑前置，相同的F/#，但进光量小，该镜头的使用条件有光线不足的地方，所以保证通光量足够大。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述光阑位置在第一透镜与第二透镜之间，且光阑距第二透镜的轴上距离ts与第二透镜的有效通光孔径Y2满足如下关系式：0.225≤ts/Y2≤0.294。
上式说明光阑位置，有效的降低制造公差的镜片的敏感度。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第二透镜的有效焦距f2与镜头的焦距f满足如下关系式：-1.112≤f2/f&lt;-0.8。
第二透镜为高折射率材料，其折射力和镜头有效焦距的比值范围有利于校正色差和场曲。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第四透镜的有效焦距f4与镜头的焦距f满足如下关系式：-1.194≤f4/f≤-0.951。
上式决定L4的光焦度，满足此关系式有利于光焦度的合理分配达到缩短总长，控制像差达到实际使用要求的目的。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1与第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3满足如下关系式：1.552≤ct3/ct1≤2.132。
第二透镜为高折射率材料，上式限制了第二透镜的位置范围，超过下限值，有利于小型化，但，不利于补正场曲，上式有效校正场曲。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1、第二透镜距第三透镜的轴上距离ct2、第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.393≤(ct1+ct2+ct3)/TTL≤0.478。
上式规定了镜头前三片镜片距离之和与总长比值范围，有利于镜片之间的配合，另外折射力正负正组合减小像差，提高解析力。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第二透镜的物侧面的曲率半径r21与第二透镜的像侧面的曲率半径r22满足如下关系式：0.408≤(r21-r22)/(r21+r22)&lt;5.94。
上式规定了第二镜片的弯曲程度，超过上限，不利于组装公差，低于下限，降低了屈光度，上式能有效降低镜头敏感度，提高组装的良率。
上述的大视场角度的虹膜识别镜头，所述第一透镜的物侧面的曲率半径r11与第一透镜的像侧面的曲率半径r12满足如下关系式：0.238≤r11/r12≤0.265。
上式规定了L1的光焦度与弯曲程度关系，满足此关系式有利于光焦度的合理分配达到缩短总长，控制像差达到实际使用要求的目的。
本发明的有益效果是：
1、光阑位置决定了主光线与像面的入射角度，本发明所述镜头的光阑位于第一透镜与第二透镜之间，即第一透镜的后面，增大了镜头的进光量，使镜头能在光线较暗的环境下正常使用。
2、本发明镜头采用四片非球面塑料材料的镜片，降低了加工难度和生产成本，并且采用非球面，能够很好的减小此光学系统中像面上每个位置的像差，尤其是畸变控制，从而得到更好的图像解析能力。具体的，所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1、第二透镜距第三透镜的轴上距离ct2、第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.393≤(ct1+ct2+ct3)/TTL≤0.478；所述第二透镜的有效焦距f2与镜头的焦距f满足如下关系式：-1.112≤f2/f&lt;-0.8；所述第二透镜的物侧面的曲率半径r21与第二透镜的像侧面的曲率半径r22满足如下关系式：0.408≤(r21-r22)/(r21+r22)&lt;5.94，且镜头采用正负组合的形式及镜片间距离和光焦度的合理分配，均显著提高镜头解析力。
3、由于所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1与第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3满足如下关系式：1.552≤ct3/ct1≤2.132。所述第二透镜的物侧面的曲率半径r21与第二透镜的像侧面的曲率半径r22满足如下关系式：0.408≤(r21-r22)/(r21+r22)&lt;5.94。实现最大视场角为42°、光学总长5.7mm、最大半像高为2.4mm、光圈值为F/2.2、最大像圆为φ4.8mm的大视场角明亮镜头。
4、镜片的结构上便于成型和结构设计。在系统优化时考虑了量产性，增加了对系统公差的优化，按照常规最大的生产公差模拟得到良率在85％以上。微小的结构可以被广泛的应用于电子产品。
附图说明
图1是本发明的镜头的结构示意图；
图2是本发明实施例1的镜头的二维图；
图3是本发明实施例1的镜头的色差图，用于表示不同波长的光线经由光学系统汇聚焦点偏离程度，横坐标为垂轴色差值(单位um)，纵坐标为视场；
图4是本发明实施例1的镜头的像散场曲特征曲线，用于表示子午像面弯曲和弧矢线面弯曲程度，横坐标为场曲(单位um)，纵坐标为视场；
图5是本发明实施例1的镜头的光学畸变曲线，用于表示不同视场角下的畸变值，横坐标为畸变值％，纵坐标为视场；
图6是本发明实施例2的镜头的二维图；
图7是本发明实施例2的镜头的色差图；
图8是本发明实施例2的镜头的像散场曲特征曲线；
图9是本发明实施例2的镜头的光学畸变曲线；
图10是本发明实施例3的镜头的二维图；
图11是本发明实施例3的镜头的色差图；
图12是本发明实施例3的镜头的像散场曲特征曲线；
图13是本发明实施例3的镜头的光学畸变曲线；
图中：L1.第一透镜、L2.第二透镜、L3.第三透镜、L4.第四透镜；stop.光阑；IR-cut.滤光片；
1.第一透镜物侧面、2.第一透镜像侧面、4.第二透镜物侧面、5.第二透镜像侧面、6.第三透镜物侧面、7.第三透镜像侧面、8.第四透镜物侧面、9.第四透镜像侧面、10.滤光片物侧面、11.滤光片像侧面、12.像面。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，该大视场角度的虹膜识别镜头，包括沿光轴从物侧到像侧依次布置的具有正光焦度且物侧面为凸面而像侧面为凹面的第一透镜L1、具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第二透镜L2、具有正光焦度的第三透镜L3、具有负光焦度的第四透镜L4。所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4均为塑料非球面镜片，所述第一透镜L1与第二透镜L2的中间设有光阑，第四透镜L4后部设有滤光片，所述第二透镜L2由高折射率的塑料材料制成，折射率N&gt;1.63。
所述镜头满足以下条件式：
0.35&lt;IH/TTL&lt;0.42
1.46&lt;Y1/Y&lt;1.512
0.225≤ts/Y2≤0.294
-1.112≤f2/f&lt;-0.8
-1.194≤f4/f≤-0.951
1.552≤ct3/ct1≤2.132
0.393≤(ct1+ct2+ct3)/TTL≤0.478
0.408≤(r21-r22)/(r21+r22)&lt;5.94
0.238≤r11/r12≤0.265
其中，IH为镜头成像面上有效像素区域对角线长度一半、TTL为镜头光学总长、Y为光阑孔径、Y1为第一透镜的有效通光孔径、Y2为第二透镜的有效通光孔径、f为镜头的焦距、f2为第二透镜的有效焦距、f4为第四透镜的有效焦距、ts为光阑距第二透镜的轴上距离、ct1为第二透镜距第一透镜的轴上距离、ct2为第二透镜距第三透镜的轴上距离、ct3为第三透镜距第四透镜的轴上距离、r11为第一透镜的物侧面的曲率半径、r12为第一透镜的像侧面的曲率半径、r21为第二透镜的物侧面的曲率半径、r22为第二透镜的像侧面的曲率半径。
本发明的四片透镜均为偶次非球面，各非球面系数满足如下方程式：
Z＝cy2/[1+{1－(1+k)c2y2}+1/2]+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10+A12y12+A14y14+A16y16+A18y18+A20y20
其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜头口径、k为圆锥系数、A4为4次非球面系数、A6为6次非球面系数、A8为8次非球面系数、A10为10次非球面系数、A12为12次非球面系数、A14为14次非球面系数、A16为16次非球面系数、A18为18次非球面系数、A20为20次非球面系数。
本实施例中，第一透镜的物侧面为曲率较大的凸面；第三透镜的物侧面为凸面，像侧面远轴处为凹面，近轴处为凸面；第四透镜的物侧面为凹面，像侧面近轴处为凹面，远轴处为凸面。
本实施例的透镜组的设计参数请参照表1和表4。
表1(a)
表面序号 表面类型 曲率 厚度 材料 圆锥系数
obj 球面 无穷 500
1 非球面 1.823434 1.065 1.54,56.1 -0.85727
2 非球面 6.881795 0.433791 16.62953
stop 球面 1.00E+18 0.308478
4 非球面 19.80995 0.369832 1.64,23.5 99
5 非球面 2.899817 0.406379 1.305242
6 非球面 -40 0.398156 1.54,56.1 -20.5275
7 非球面 -3.75759 1.269547 4.395213
8 非球面 -12.8521 0.363095 1.53,56.1 9.537699
9 非球面 5.002699 0.415203 -98.0782
10 球面 无穷 0.21 BK7_SCHOTT
11 球面 无穷 0.460518
12 球面 无穷 0
表1(b)(非球面系数表)
表面序号 A<sub>4</sub> A<sub>6</sub> A<sub>8</sub> A<sub>10</sub> A<sub>12</sub> A<sub>14</sub> A<sub>16</sub>
1 0.015098 0.001185 0.008512 -0.02299 0.036253 -0.03263 0.016809
2 -0.0141 0.002497 -0.02629 0.098791 -0.19709 0.221353 -0.14174
4 -0.15572 0.026291 0.265109 -1.40745 4.514287 -8.70101 9.825765
5 -0.1554 0.017029 0.367774 -1.38528 3.355962 -5.05859 4.577846
6 0.009288 0.012943 -0.00539 0.09488 -0.12574 0.04952 0.013817
7 0.060914 0.02147 0.061469 -0.19056 0.401876 -0.48125 0.317218
8 -0.10037 0.103872 -0.11735 0.116482 -0.07915 0.034409 -0.00911
9 -0.03407 -0.00907 0.018499 -0.0138 0.006965 -0.0026 0.000664
本实施例中，全视场角为42°，光圈F值为2.2，镜头光学总长TTL(镜片最前端到像面的距离)为5.7mm。其他涉及条件式的数据请参见表4。
参见图3，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好，光学系统的垂轴色差控制在2um以内。
参见图4，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。从图中曲线来看，所有的视场内的场曲和像散均被校正到0.01mm以内。
参见图5，表示镜头的畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。
实施例2
本实施例中，参见图6，镜头组成与实施例1相同，第一透镜具有正光焦度，物侧面为凸面而像侧面为凹面；第二透镜具有负光焦度，物侧面和像侧面均为凹面；第三透镜具有正光焦度，物侧面为凸面，像侧面为凹面；第四透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面都有反曲点，物侧面近轴处为凹面，远轴处为凸面，像侧面近轴处为凹面，远轴处为凸面。
透镜组的具体设计参数请参照表2和表4。
表2(a)
表2(b)(非球面系数表)
本实施例中，全视场角为42°，光圈F值为2.2，镜头光学总长TTL为5.7mm。其他涉及条件式的数据请参见表4。
参见图7，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好，光学系统的垂轴色差控制在2um以内。
参见图8，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。从图中曲线来看，所有的视场内的场曲和像散均被校正到0.01mm以内
参见图9，表示镜头的畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。
实施例3
参见图10，镜头组成与实施例1相同，第一透镜具有正光焦度，物侧面为凸面而像侧面为凹面；第二透镜具有负光焦度，物侧面和像侧面均为凹面；第三透镜具有正光焦度，物侧面近轴处为凹面，远轴处为凸面，像侧面近轴处为凸面，远轴处为凹面；第四透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面都有反曲点，物侧面近轴处为凸面，远轴处为凹面，像侧面近轴处为凹面，远轴处为凸面。第四透镜呈M型。
透镜组的具体设计参数请参照表3和表4。
表3(a)
表3(b)(非球面系数表)
表面序号 A<sub>4</sub> A<sub>6</sub> A<sub>8</sub> A<sub>10</sub>
1 1.17E-02 1.33E-03 3.54E-04 -3.30E-05
2 -1.50E-02 2.92E-03 -5.84E-04 2.83E-05
4 -1.32E-01 1.34E-02 4.73E-02 -2.03E-02
5 -1.98E-01 5.01E-02 2.11E-02 -8.64E-03
6 6.29E-02 -1.58E-02 1.59E-02 -4.75E-03
7 2.43E-02 4.03E-02 -2.14E-03 -3.21E-03
8 -8.61E-02 4.01E-02 -8.12E-03 7.88E-04
9 -6.50E-02 1.69E-02 -3.07E-03 1.85E-04
本实施例中，全视场角为42°，光圈F值为2.2，镜头光学总长TTL为5.7mm。其他涉及条件式的数据请参见表4。
参见图11，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好，光学系统的垂轴色差控制在2um以内。
参见图12，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。从图中曲线来看，所有的视场内的场曲和像散均被校正到0.01mm以内。
参见图13，表示镜头的畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。
表4
镜头设计参数 实施例1 实施例2 实施例3
IH/TTL 0.4 0.4 0.4
Y 1.902 1.908 1.826
Y1/Y 1.493 1.468 1.511
Ts 0.308 0.232 0.308
ts/Y2 0.294 0.225 0.286
f2 -6.38 -4.465 -5.723
f4 -5.749 -6.841 -5.424
f2/f -1.112 -0.797 -1.004
f4/f -1.002 -1.194 -0.951
ct3/ct1 1.71 2.132 1.552
(ct1+ct2+ct3)/TTL 0.424 0.393 0.478
(r21-r22)/(r21+r22) 0.744 5.939 0.408
r11/r12 0.265 0.239 0.238

Claims (9)

1.一种大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，包括沿光轴从物侧到像侧依次布置的具有正光焦度且物侧面为凸面而像侧面为凹面的第一透镜、具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为塑料非球面镜片，所述第一透镜与第二透镜之间设有光阑，所述第二透镜由高折射率的塑料材料制成，折射率N&gt;1.63，且镜头成像面上有效像素区域对角线长度一半IH与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.35&lt;IH/TTL&lt;0.42。
2.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第一透镜的有效通光孔径Y1与光阑孔径Y满足如下关系式：1.46&lt;Y1/Y&lt;1.512。
3.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述光阑位置在第一透镜与第二透镜之间，且光阑距第二透镜的轴上距离ts与第二透镜的有效通光孔径Y2满足如下关系式：0.225≤ts/Y2≤0.294。
4.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第二透镜的有效焦距f2与镜头的焦距f满足如下关系式：-1.112≤f2/f&lt;-0.8。
5.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第四透镜的有效焦距f4与镜头的焦距f满足如下关系式：-1.194≤f4/f≤-0.951。
6.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1与第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3满足如下关系式：1.552≤ct3/ct1≤2.132。
7.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第二透镜距第一透镜的轴上距离ct1、第二透镜距第三透镜的轴上距离ct2、第三透镜距第四透镜的轴上距离ct3与镜头光学总长TTL满足如下关系式：0.393≤(ct1+ct2+ct3)/TTL≤0.478。
8.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面的曲率半径r21与第二透镜的像侧面的曲率半径r22满足如下关系式：0.408≤(r21-r22)/(r21+r22)&lt;5.94。
9.根据权利要求1所述的大视场角度的虹膜识别镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面的曲率半径r11与第一透镜的像侧面的曲率半径r12满足如下关系式：0.238≤r11/r12≤0.265。
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