CN114967076B - 一种指纹成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种指纹成像光学系统，该系统由沿光轴依次设置的滤光片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜组成；所述的第一透镜为凸面面向物面的弯月正透镜，第二透镜和第八透镜为双凹负透镜，第三透镜、第六透镜和第七透镜为双凸正透镜，第四透镜为凸面面向像面的弯月负透镜，第五透镜为凸面面向物面的弯月负透镜；8片透镜光学表面均为球面。本发明解决了不同成像波段下的成像问题，具有结构简单、后续加工装调较容易等优点。

Description

一种指纹成像光学系统
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，涉及一种指纹成像光学系统。
背景技术
指纹是指手指末端正面皮肤上的纹线。19世纪初,科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征,一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同,其次是指纹纹脊的式样终生不改变。
在现场勘查工作实践中，往往存在很多疑难手印痕迹，难以提取甚至难以发现，如瓷砖、塑料、玻璃、电路板表面的潜在指纹，这些痕迹用肉眼难以发现，并且不易提取。现在常用的提取方法有刷粉提取，但这些提取方法都属于有损提取，即对原检材产生破坏，一旦操作不慎则难以复原。
由于人体的指纹印、体液(血液、精液、唾液)等物质，对紫外光线具有特殊的吸收、反射、散射及荧光特性。利用紫外照相技术，不仅能显现提取很多客体上肉眼难以观察并难以提取的潜在痕迹，而且能保留检材的完整不受破坏，方便重复操作，极大提高痕迹检验的实效。
一种指纹成像光学系统正是利用了指纹痕迹对紫外光线所呈现出的特性来工作的,将光学系统拍摄到的指纹图像经计算机图像处理获得高清晰图像，可以有效地提高探测灵敏度。
一种指纹成像光学系统对于大多数的非渗透性的光滑表面，如陶瓷、玻璃、光面塑料、打腊的表面、油漆家具的表面、照相相片的表面等物体之上的无色汗液、指印，都能得到较好的紫外图像，且可以实时显示。其系统具有体积小、重量轻，使用方便、可靠、安全、有效等优点。
目前的紫外光学系统大都采用非调焦的方式，其缺点是无法保证在不同的工作距离下系统的成像质量。且其仅采用唯一的紫外波长，无发兼容可见光等其他波长进行成像，导致指纹痕迹无法在不同成像波长下进行对比分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够同时满足在不同工作距离下，紫外、可见光和近红外波段可以选择替换的指纹成像光学系统。
为了解决上述技术问题，本发明的指纹成像光学系统由沿光轴依次设置的滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8组成；所述的第一透镜L1为凸面面向物面的弯月正透镜，第二透镜L2和第八透镜L8为双凹负透镜，第三透镜L3、第六透镜L6和第七透镜L7为双凸正透镜，第四透镜L4为凸面面向像面的弯月负透镜，第五透镜L5为凸面面向物面的弯月负透镜；8片透镜光学表面均为球面；滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8材质分别采用JGS1、JGS1、CAF2、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1。
所述的第一透镜前后表面的曲率半径分别为23.217mm～26.394mm和213.792mm～249.553mm；第二透镜前后表面的曲率半径分别为-64.71mm～-69.657mm和9.812mm～11.126mm；第三透镜前后表面的曲率半径分别为14.358mm～15.221mm和-10.259mm～-10.835mm；第四透镜前后表面的曲率半径分别为-9.105mm～-9.912mm和-55.627mm～-58.706mm；第五透镜前后表面的曲率半径分别为31.253mm～34.239mm和8.002mm～8.498mm；第六透镜前后表面的曲率半径分别为9.841mm～11.013mm和-16.798mm～-17.897mm；第七透镜前后表面的曲率半径分别为10.303mm～11.603mm和-9.69mm～-10.15mm；第八透镜前后表面的曲率半径分别为-9.491mm～-9.985mm和7.556mm～8.136mm。
所述的第一透镜厚度为3mm～3.4mm，与下一透镜前表面的间距为5.2mm～6.8mm；第二透镜厚度为1.1mm～2.3mm，与下一透镜前表面的间距为13.8mm～14.3mm；第三透镜厚度为3.8mm～4.8mm，与下一透镜前表面的间距为0.3mm～0.6mm；第四透镜厚度为1.1mm～1.3mm，与下一透镜前表面的间距为2mm～2.2mm；第五透镜厚度为0.9mm～1.5mm，与下一透镜前表面的间距为0.4mm～1.3mm；第六透镜厚度为4.2mm～4.6mm，0.2mm～0.5mm；第七透镜厚度为4.3mm～4.9mm，与下一透镜前表面的间距为0.2mm～0.3mm；第八透镜厚度为1.3mm～1.5mm。
所述的滤光片厚度为1.5mm～2.3mm，与第一透镜前表面的间距为5mm～6mm。
所述的第八透镜与CCD探测器的间距为13.06mm～16.42mm。
指纹成像光学系统的工作原理是：物质对紫外线的吸收、反射特性和它在可见光区的吸收、反射特性有可能不同，一些物质在可见光区和紫外区的吸收、反射特性变化不大，另一些物质在可见光区不吸收可见光或反射可见光，而在紫外区却表现为吸收紫外线，特别是在短波紫外区表现为强烈吸收特性。利用不同物质在紫外区和可见光区吸收、反射特性的不同，可以用紫外线成像来显示一些在可见光摄影中肉眼看不见或看不清的细节。使用指纹成像光学系统进行指纹的拍照后，通过后期图像处理技术可以成功消除背景图案，排除背景图案的干扰，使纹线图案更加明显，与背景反差增强从而得到清晰、完整的可靠指纹照片。
本发明通过调节后截距的方式解决了不同成像工作距离下成像清晰度的问题。并通过采用光学材料JGS1和CAF2的排列组合解决了不同成像波段下的成像问题。镜筒材料可以为铝合金，所有透镜均为球面，极大的简化了系统、降低了成像系统的整体重量，满足光学仪器的设计使用要求；在-40℃～60℃温度使用范围内，能够同时满足光学系统成像质量接近衍射极限，具有结构简单、后续加工装调较容易等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一种指纹成像光学系统结构示意图。
图2.1是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.2是波长365nm、物距100mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.3是波长245nm、物距200mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.4是波长365nm、物距200mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.5是波长245nm、物距300mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.6是波长365nm、物距300mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.7是波长850nm、物距600mm时指纹成像光学系统的传函图。
图2.8是波长530～656nm、物距600mm时指纹成像光学系统的传函图。
图3.1是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.2是波长365nm、物距100mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.3是波长245nm、物距200mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.4是波长365nm、物距200mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.5是波长245nm、物距300mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.6是波长365nm、物距300mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.7是波长850nm、物距600mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图3.8是波长530～656nm、物距600mm时指纹成像光学系统的畸变图。
图4是对比例示意图。
图5.1是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.2是波长365nm、物距100mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.3是波长245nm、物距200mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.4是波长365nm、物距200mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.5是波长245nm、物距300mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.6是波长365nm、物距300mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.7是波长850nm、物距600mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图5.8是波长530～656nm、物距600mm时指纹成像光学系统对比例的传函图。
图6.1是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统材料调换顺序对比例第一种的传函图。
图6.2是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统材料调换顺序对比例第二种的传函图。
图6.3是波长245nm、物距100mm时指纹成像光学系统材料调换顺序对比例第三种的传函图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
通过对指纹成像光学系统特点进行分析，并综合考虑光学系统成像质量、复杂程度、体积重量等要求，本发明的指纹成像光学系统由沿光轴依次设置的滤光片F、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8组成；所述的第一透镜L1为凸面面向物面的弯月正透镜，第二透镜L2和第八透镜L8为双凹负透镜，第三透镜L3、第六透镜L6和第七透镜L7为双凸正透镜，第四透镜L4为凸面面向像面的弯月负透镜，第五透镜L5为凸面面向物面的弯月负透镜；8片透镜光学表面均为球面；滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8材质分别采用JGS1、JGS1、CAF2、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1。
本发明在材料选择上采用JGS1和CAF2的组合，通过改变各透镜的曲率半径，厚度及各空气间隔等变量，对系统进行优化，能够在紫外、可见光、近红外清晰成像。配合铝合金的外壳结构，通过调节指纹成像光学系统的后截距可以在-40℃～60℃温度范围内，基本实现光学系统的光学传递函数达到衍射极限，实现高质量成像。
所述的滤光片材料为JGS1，前后表面为平面，厚度为1.5mm～2.3mm，与第一透镜前表面的间距为5mm～6mm。
所述的第一透镜材料为JGS1，前后表面的曲率半径分别为23.217mm～26.394mm和213.792mm～249.553mm，厚度为3mm～3.4mm，与下一透镜前表面的间距为5.2mm～6.8mm。
所述的第二透镜材料为CAF2，前后表面的曲率半径分别为-64.71mm～-69.657mm和9.812mm～11.126mm，厚度为1.1mm～2.3mm，与下一透镜前表面的间距为13.8mm～14.3mm。
所述的第三透镜材料为CAF2，前后表面的曲率半径分别为14.358mm～15.221mm和-10.259mm～-10.835mm，厚度为3.8mm～4.8mm，与下一透镜前表面的间距为0.3mm～0.6mm。
所述的第四透镜材料为JGS1，前后表面的曲率半径分别为-9.105mm～-9.912mm和-55.627mm～-58.706mm，厚度为1.1mm～1.3mm，与下一透镜前表面的间距为2mm～2.2mm。
所述的第五透镜材料为CAF2，前后表面的曲率半径分别为31.253mm～34.239mm和8.002mm～8.498mm，厚度为0.9mm～1.5mm，与下一透镜前表面的间距为0.4mm～1.3mm。
所述的第六透镜材料为JGS1，前后表面的曲率半径分别为9.841mm～11.013mm和-16.798mm～-17.897mm，厚度为4.2mm～4.6mm，0.2mm～0.5mm。
所述的第七透镜材料为CAF2，前后表面的曲率半径分别为10.303mm～11.603mm和-9.69mm～-10.15mm，厚度为4.3mm～4.9mm，与下一透镜前表面的间距为0.2mm～0.3mm。
所述的第八透镜材料为JGS1，前后表面的曲率半径分别为-9.491mm～-9.985mm和7.556mm～8.136mm，厚度为1.3mm～1.5mm，与CCD探测器的间距为13.06mm～16.42mm。
本发明的指纹成像光学系统在波长245nm、物距100mm时的光学传递函数如图2.1所示；在波长365nm、物距100mm时的光学传递函数如图2.2所示；在波长245nm、物距200mm时的光学传递函数如图2.3所示；在波长365nm、物距200mm时的光学传递函数如图2.4所示；在波长245nm、物距300mm时的光学传递函数如图2.5所示；在波长365nm、物距300mm时的光学传递函数如图2.6所示；在波长850nm、物距600mm时的光学传递函数如图2.7所示；在波长530～656nm、物距600mm时的光学传递函数如图2.8所示。
本发明的指纹成像光学系统在波长245nm、物距100mm时的畸变如图3.1所示；在波长365nm、物距100mm时的畸变如图3.2所示；在波长245nm、物距200mm时的畸变如图3.3所示；在波长365nm、物距200mm时的畸变如图3.4所示；在波长245nm、物距300mm时的畸变如图3.5所示；在波长365nm、物距300mm时的畸变如图3.6所示；在波长850nm、物距600mm时的畸变如图3.7所示；在波长530～656nm、物距600mm时的畸变如图3.8所示。
本发明实施例1的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表1所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表1
实施例1能够达到下列指标：
a)焦距：21.18mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.2°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：>0.3@200lp/mm；
g)畸变：<|0.3|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
本发明实施例2的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表2所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表2
实施例2能够达到下列指标：
a)焦距：21.22mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.18°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：>0.29@200lp/mm；
g)畸变：<|0.31|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
本发明实施例3的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表3所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表3
实施例3能够达到下列指标：
a)焦距：21.07mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.25°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：>0.27@200lp/mm；
g)畸变：<|0.29|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
对比例本发明实施例3的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表4所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表4
上述对比例能够达到下列指标：
a)焦距：20.87mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.8°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：＜0.1@200lp/mm；
g)畸变：<|0.42|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
实验过程中，发明人还曾选择以下材料组合方式，经过优化后成像效果均不理想。
第一种：滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8材质分别采用JGS1、JGS1、CAF2、JGS1、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1。经过优化后指纹成像光学系统各种残余像差仍很大，导致光学系统传递函数过低(图6.1)，成像效果不理想，无法满足使用要求。
本发明材料调换顺序对比例第一种的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表5所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表5
材料调换顺序对比例第一种能够达到下列指标：
a)焦距：21.46mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.1°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：<0.03@200lp/mm；
g)畸变：<|0.8|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
第二种：滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8材质分别采用JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1。经过优化后指纹成像光学系统各种残余像差仍很大，导致光学系统传递函数过低(图6.2)，成像效果不理想，无法满足使用要求。
本发明材料调换顺序对比例第二种的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表6所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表6
材料调换顺序对比例第二种能够达到下列指标：d)焦距：20.83mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.6°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：<0.02@200lp/mm；
g)畸变：<|0.5|％；
h)环境温度：-40℃～60℃
第三种：滤光片、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8材质分别采用JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、CAF2、JGS1、CAF2。经过优化后指纹成像光学系统各种残余像差仍很大，导致光学系统传递函数过低(图6.3)，成像效果不理想，无法满足使用要求。
本发明材料调换顺序对比例第三种的各光学元件表面曲率半径、厚度、材料和口径如表7所示；表中Ri为第i个光学表面的曲率半径，ti为第i个光学元件的厚度，di为第i个光学元件后表面与下一光学元件前表面的间距。
表7
材料调换顺序对比例第三种能够达到下列指标：
a)焦距：20.81mm；
b)F/#：3.2；
c)波段：245nm、365nm、850nm、530～656nm；
d)视场角：19.8°；
e)物距：100mm、200mm、300mm、600mm
f)MTF：<0.02@200lp/mm；
g)畸变：<|0.6|％；
h)环境温度：-40℃～60℃。

Claims (3)

1.一种指纹成像光学系统，其特征在于由沿光轴依次设置的滤光片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜组成；所述的第一透镜为凸面面向物面的弯月正透镜，第二透镜和第八透镜为双凹负透镜，第三透镜、第六透镜和第七透镜为双凸正透镜，第四透镜为凸面面向像面的弯月负透镜，第五透镜为凸面面向物面的弯月负透镜；8片透镜光学表面均为球面；滤光片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜材质分别采用JGS1、JGS1、CAF2、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1、CAF2、JGS1；所述的第一透镜前后表面的曲率半径分别为23.217mm～26.394mm和213.792mm～249.553mm；第二透镜前后表面的曲率半径分别为-64.71mm～-69.657mm和9.812mm～11.126mm；第三透镜前后表面的曲率半径分别为14.358mm～15.221mm和-10.259mm～-10.835mm；第四透镜前后表面的曲率半径分别为-9.105mm～-9.912mm和-55.627mm～-58.706mm；第五透镜前后表面的曲率半径分别为31.253mm～34.239mm和8.002mm～8.498mm；第六透镜前后表面的曲率半径分别为9.841mm～11.013mm和-16.798mm～-17.897mm；第七透镜前后表面的曲率半径分别为10.303mm～11.603mm和-9.69mm～-10.15mm；第八透镜前后表面的曲率半径分别为-9.491mm～-9.985mm和7.556mm～8.136mm；所述的第八透镜与CCD探测器的间距为13.06mm～16.42mm，且后截距可调。
2.根据权利要求1所述的指纹成像光学系统，其特征在于所述的第一透镜厚度为3mm～3.4mm，与下一透镜前表面的间距为5.2mm～6.8mm；第二透镜厚度为1.1mm～2.3mm，与下一透镜前表面的间距为13.8mm～14.3mm；第三透镜厚度为3.8mm～4.8mm，与下一透镜前表面的间距为0.3mm～0.6mm；第四透镜厚度为1.1mm～1.3mm，与下一透镜前表面的间距为2mm～2.2mm；第五透镜厚度为0.9mm～1.5mm，与下一透镜前表面的间距为0.4mm～1.3mm；第六透镜厚度为4.2mm～4.6mm，0.2mm～0.5mm；第七透镜厚度为4.3mm～4.9mm，与下一透镜前表面的间距为0.2mm～0.3mm；第八透镜厚度为1.3mm～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的指纹成像光学系统，其特征在于所述的滤光片厚度为1.5mm～2.3mm，与第一透镜前表面的间距为5mm～6mm。
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