JP2016114939A - 短距離虹彩認識用光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】短距離虹彩認識用光学システムを提供する。【解決手段】正（＋）屈折率を有する第１レンズＬ１及び負（−）屈折率を有する第２レンズＬ２が順に配置され、第１レンズの物体側は、光軸を中心として形成される第２反射面Ｓ３及び第２反射面Ｓ３周辺に形成される第１透過面Ｓ１を含み、像側は、光軸を中心として形成される第２透過面Ｓ４及び第２透過面Ｓ４周辺に形成される第１反射面Ｓ２を含み、第１透過面Ｓ１は、凹状の曲面且つ光軸に対して垂直な面である。【選択図】図３

Description

本発明は、短距離虹彩認識用光学システムに関し、それは、２つの反射面レンズを有し、その焦点距離を大幅に短縮し、従って、携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ又はノートパソコン等の薄型化された小型ポータブル電子製品において、使用者の虹彩を認識することに安定使用できる。

最近の入出管制システムは、コンピュータセキュリティシステムを中心とし、人体の特徴を広く利用して個人の身分を確認する生物特徴認識技術が徐々に盛んになっており、生物特徴認識技術の範囲は、従来の指紋認証を主流とし、最近では、虹彩認識、音声認識又は静脈認識等の応用範囲へ徐々に拡大されている。

特に、目の瞳孔全体を囲う虹彩は、たとえ一卵性双生児であっても区別できるほどに異なる形態であり、その認識特性が鮮明であり、且つ指紋認証に比較し、その区別性が良好であり、故に虹彩認識技術の応用実施も徐々に増加している。

虹彩認識を行うため、光学システムを利用して虹彩イメージを取得し、虹彩イメージによりその特徴を取得し、虹彩コードを組成し、保存されている組成虹彩コードと取得した虹彩コードが同地Ｕであるかを確認する過程を経る。

また、ソフトウェアを利用して虹彩イメージを処理してその特徴を正確に取得し、例えば、虹彩直径が１１〜１２ｍｍであり、物体距離が３００ｍｍである時、そのカメラ（撮影）モジュールのイメージセンサに取り込まれたイメージは、通常その縦方向イメージが２００画素以上である。

最小型（１/１０インチ）ＶＧＡ級センサ（６４０×４８０）の画素の大きさは、２．２５μｍであり、従って、２００画素の大きさは０．４５ｍｍであり、虹彩の大きさ１２ｍｍと比較し、その光学システムの倍率は０．０３７５倍である。従って、使用者が非常に不便と感じる距離（約３００ｍｍ）で虹彩を撮影することなく、満足なイメージを得るためには、ＶＧＡ級センサでこの程度以上の倍率を基準としなければならない。

ただし、図１に示すように、二片レンズＬ１，Ｌ２含む簡易な組み合わせを光学システムとしてこの種の倍率を得る場合、焦点距離が１２ｍｍ以上必要になり、例えば、この種の焦点距離を得ようとすると、１/１０インチのＶＧＡ級センサを利用して、センサの単辺の５０％（０．９ｍｍ）の大きさにより虹彩にイメージを組成させるとしても、光学システムの全長（第１レンズの最も前の面からセンサ面までの距離）が約１０．９ｍｍ必要になる。

一般のセキュリティ装備に取り付けられる光学システムについて述べれば、このような全長は大きな問題にならないが、全体の厚さが１０ｍｍより薄いスマートフォン、タブレットＰＣ、ノート型パソコン等のポータブル電子製品にとっては、不可能である。

また、１６００万画素のカメラを利用したとしても、近距離撮影でなく、一般の撮影モードで、虹彩直径が１１〜１２ｍｍであり、物体距離が３００ｍｍである時、約１５０画素時で初めて虹彩イメージを有することができ、従って、ソフトウェアを利用して処理することが困難になる。

また、光学システムの倍率を十分向上させる場合、２００画素以上の虹彩イメージを取得することが困難でなくなるが、倍率を上げる場合、焦点距離が大きくなり、焦点距離が大きい場合は、光学システムの全長も大きくなり、従って、一般の光学システム構造にとっては、その倍率を無制限に上げることはできない。

また、使用者の目を近距離撮影する時、２００画素以上の虹彩イメージを取得することは困難でないが、この種の方式は、使用上に非常に不便であり、従って、一般にポータブル電子製品の使用距離（約３００ｍｍ）を基準とすれば、光学システムの全長を短縮する必要がある。

また、特許文献１は、韓国公開特許第１０-２００８-００４９０２２号であり、図２は、特許文献１中の虹彩認識用光学システムの構造図であり、物体側から順に配置され、双凸球面レンズ２Ａ、双凹球面レンズ３Ａ、可視光フィルタ４Ａ、パッケージガラス（Package glass）６及びイメージセンサ５を含む。

但し、特許文献１中の双凸球面レンズ２Ａの厚さが２．９２ｍｍであり、双凹球面レンズ３Ａの厚さが３．００ｍｍであり、双凹球面レンズ３Ａ及び可視光フィルタ４Ａの間隔が２．４５ｍｍであり、可視光フィルタ４Ａの厚さが３．００ｍｍであり、光学システムの全長が２０ｍｍを大きく超えていることが明らかである。

従って、特許文献１の方式のような虹彩認識用光学システムは、スマートフォン等の薄化された小型電子製品に適用されない。

そこで、発明者は、上記欠陥に鑑み、関連資料を収集し、他方の評価及び考慮を経るとともに、本業界に従事して累積した長年の経験により、絶えず試作及び修正を行い、ようやくこの種の携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ、ノート型パソコン等のポータブル電子製品に取り付けることができ、且つ一般の使用条件で虹彩イメージ安定して取得することができ、従来に対して更に全長距離が短い短距離虹彩イメージ認識用光学システムを設計している。

本発明の目的は、物体自身が正（＋）屈折率を有する第１レンズＬ１及び負（−）屈折率を有する第２レンズＬ２により順に配置され、該第１レンズの物体側は、光軸を中心として形成される第２反射面Ｓ３及び第２反射面Ｓ３周辺に形成される第１透過面Ｓ１を含み、像側は、光軸を中心として形成される第２透過面Ｓ４及び第２透過面Ｓ４周辺に形成される第１反射面Ｓ２を含み、該第１透過面Ｓ１は、凹状の曲面又は光軸に対して垂直な面である短距離虹彩認識用光学システムを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、第１反射面Ｓ２及び第２反射面Ｓ３は、像側方向が凸面形状であり、該第２透過面Ｓ４は、像側方向が凹面形状であることを特徴とすることにある。

本発明のもう１つの目的は、第１レンズＬ１の第１反射面Ｓ２、第２反射面Ｓ３及び第２透過面Ｓ４が非球面であり、該第２レンズＬ２の双面が何れも非球面であることを特徴とすることにある。

本発明のもう１つの目的は、光学システムの全長（第１レンズの最端面からセンサ面までの距離）をＴとし、光学システムの全体の焦点距離をＦとした時、条件式Ｔ/Ｆ＜０．６５を満足することを特徴とすることにある。

本発明の更にもう１つの目的は、該第１透過面Ｓ１が、物体側が凹状の曲面であり、且つ−１００，０００＜曲率半径（ｓ１）＜−１００の条件を満たすことを特徴とすることにある。

本発明の様式に基づく虹膜辨識用光学システムは、第１レンズ上に２つの反射面を形成しているので、焦点距離を短縮でき、従って、携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ又はノート型パソコン等の薄化され且つ小型のポータブル電子製品に取り付けることができ、また、ポータブル電子製品の使用者が、約３００ｍｍの距離で軽快に安定して虹彩イメージを取得することができる。

従来の虹彩認識用光学システムの構造図である。 もう１つの従来の虹彩認識用光学システムの構造図である。 本発明の第１実施例の光学システムの構造図である。 本発明の第１実施例の光学システムの偏差図である。 本発明の第２実施例の光学システムの構造図である。 本発明の第２実施例の光学システムの偏差図である。 本発明の第３実施例の光学システムの構造図である。 本発明の第３実施例の光学システムの偏差図である。

上記目的及び効果を達成する為に本発明が採用する技術手段及びその構造について分かり易くする為、図面を合わせ、本発明の好適実施例について以下にその特徴及び機能を詳細に説明する。

図３、図５、図７に示すように、順に正（＋）屈折率を有する第１レンズＬ１及び負（−）屈折率を有する第２レンズＬ２を含み、更に、第２レンズＬ２とイメージセンサ５の間に仕切り板（図示せず）を設置する。

特に、本発明の実施例中の光学システムの第１レンズＬ１は、物体側と像側にそれぞれ反射面を有する。

具体的には、第１レンズＬ１の物体側は、光軸を中心として形成される第２反射面Ｓ３及び第２反射面Ｓ３周辺に形成される第１透過面Ｓ１を含み、第１レンズＬ１の像側は、光軸を中心として形成される第２透過面Ｓ４及び第２透過面Ｓ４周辺に形成される第１反射面Ｓ２を含む。

第１透過面Ｓ１に入射した光線が、像側に形成した第１反射面Ｓ２により反射された後、第２反射面Ｓ３に入射し、更に第２反射面Ｓ３で反射された後、第２透過面Ｓ４を経過した後に第２レンズＬ２に入射する。

第１透過面Ｓ１は光軸に対しては、好ましくは垂直状又は凹状を呈する。従来の全方位光学システム又はパノラマ(panorama)光学システムにおいては、２つの反射面を具備するレンズ使用する構造が紹介されているが、この種の光学システムは、広角を主としているので、第１透過面Ｓ１は、物体側で曲率の大きな凸状を形成する。但し、本発明のように、虹彩認識のために視角を縮小した光学システムは、第１透過面Ｓ１をこの種の形状に応用することは妥当ではない。

即ち、約３００ｍｍの距離において、虹彩を正確に撮影する為には、相対して狭い視角で高倍率を呈する必要があり、このため、本発明の実施例のような第１レンズＬ１の第１透過面Ｓ１は、物体側方向が曲率の小さい凹状であることが好ましく、少なくとも光軸に対して、垂直又は曲率の小さい凹状を呈することが好ましい。

第１透過面Ｓ１を上記のような凹状に形成した時、以下の条件式を満たす設計であることが好ましい。

<条件式1>
−１００，０００＜曲率半径＜−１００

また、第１レンズＬ１の第１反射面Ｓ２及び第２反射面Ｓ３は、それぞれ、像側方向に凸状を呈し、それぞれアルミニウム又は銀等の反射物質で電気めっきされるか、反射フィルムを付着することができる。また、第１レンズＬ１の第２透過面Ｓ４は、凹状であることが好ましい。

本発明の実施例に基づき、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２は、何れもプラスチックレンズを使用しているが、材質はプラスチックレンズを使用しているが、材質は制限するものではない。

本発明の実施例に基づき、第１レンズＬ１の第１反射面Ｓ２、第２反射面Ｓ３及び第２透過面Ｓ４は、何れも非球面であり、第２レンズＬ２の両面Ｓ５、Ｓ６は、何れも非球面である。

特に、本発明の実施例において、虹彩認識上、十分な視角及び倍率（又は焦点距離）を獲得していたとしても、携帯電話、スマートフォン又はタブレットＰＣ等に設置する為に比較的短い全長を呈する必要があり、上記条件１を満たしてこの種のレンズを設計する必要がある。

＜条件式2＞
望遠比（Ｔ／ｆ）＜０．６５

Ｔ：光学システムの全長(第１レンズ最前端面からセンサ面までの距離)、Ｆ：光学システムの全体の焦点距離。

実際上、上記の条件から外れ、物体距離３００ｍｍを基準とする時、全長が長くなり過ぎて携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ又はノート型パソコン等の薄化された小型ポータブル電子製品に取り付けることができなくなる。

上記条件に適した虹彩認識用光学システムの具体的実施例により説明する。

図３及び図４は、１実施例的光学システムの構造図及び偏差図であり、図５及び図６は、第２実施例的光学システムの構造図及び偏差図であり、図７及び図８は、第３実施例の光学システムの構造図及び偏差図である。

下表１は、第１実施例に基づいて虹膜辨識用光学システムに応用する各レンズの曲率半径、厚さ及び屈折率のデータであり、表２は、第１実施例に基づいて光学システムに適用する各レンズ面の非球面データである。

下表３は、本発明の第２実施例に基づいて虹膜辨識用光学システムに応用する各レンズの曲率半径、厚さ及び屈折率のデータであり、表４は、第２実施例に基づいて光学システムに適用する各レンズ面の非球面データである。

下表５は、本発明の第三実施例に基づいて虹膜辨識用光学システムに応用する各レンズの曲率半径、厚さ及び屈折率のデータであり、表６は、第３実施例に基づいて光学システムに適用する各レンズ面の非球面データである。

上表２、表４及び表６において、Ｋが円錐曲線常数（Conic constant）であり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが非球面係数であり、非球面形状と関連する以下の数式１に適用される。

上記Ｚは、レンズ頂点から光軸方向までの距離であり、Ｙは、光軸の垂直方向距離であり、ｃは、レンズ頂点の曲率半径 (r)の逆数である。

第１実施例〜第３実施例の各光学システムの焦点距離、全長及び望遠比（Ｔ/Ｆ）に基づくと、下表７のとおりである。

表７をみると、本発明の第１実施例〜第３実施例に基づく虹膜辨識用光学システムは、その物体距離がそれぞれ３４０ｍｍ、２４８ｍｍ及び３４０ｍｍである時、焦点距離(efl)は、それぞれ１０．８５ｍｍ、１２．４２ｍｍ及び１０．８１ｍｍである。

この種の焦点距離は、図１に呈する従来の虹彩認識用光学システムと大きな差異を有し、本発明の実施例の光学システムの全長（Ｔ）は、それぞれ３．１７ｍｍ、３．７４ｍｍ及び３．１８ｍｍであり、従来に比較して約１／３以下であり、従って、その全長距離が非常に短くなっていることが分かる。

虹彩認識用光学システムがこのような短い全長距離を有する場合、最近の市場の最も薄い携帯電話、スマートフォン、タブレットＰＣ又はノート型パソコン等の薄化された小型ポータブル電子製品に取り付けることができるだけでなく、更に、大部分のポータブル電子製品及び類似の小型電子製品に取り付けることができる。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。

Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｓ１ 第１透過面
Ｓ２ 第１反射面
Ｓ３ 第２反射面
Ｓ４ 第２透過面
Ｓ５ 面
Ｓ６ 面
２Ａ 双凸球面レンズ
３Ａ 双凹球面レンズ
４Ａ 可視光フィルタ
５ イメージセンサ
６ パッケージガラス（Package glass）

Claims (5)

1. 正（＋）屈折率を有する第１レンズ及び負（−）屈折率を有する第２レンズが順に配置され、
   該第１レンズの物体側は、光軸を中心として形成される第２反射面及び第２反射面周辺に形成される第１透過面を含み、像側は、光軸を中心として形成される第２透過面及び第２透過面周辺に形成される第１反射面を含み、
   該第１透過面は、凹状の曲面又は光軸に対して垂直な面である短距離虹彩認識用光学システム。
2. 前記第１反射面及び第２反射面は、像側方向が凸面形状であり、前記第２透過面は、像側方向が凹面形状である請求項１に記載の短距離虹彩認識用光学システム。
3. 前記第１レンズの第１反射面、第２反射面及び第２透過面が非球面であり、前記第２レンズの双面が何れも非球面である請求項１に記載の短距離虹彩認識用光学システム。
4. 前記光学システムの全長（第１レンズの最前端面からセンサ面までの距離）をＴとし、光学システムの全体の焦点距離をＦとした時、条件式Ｔ/Ｆ＜０．６５を満足する請求項１又は３に記載の短距離虹彩認識用光学システム。
5. 前記第１透過面が、物体側方向が凹状の曲面であり、且つ条件式−１００，０００＜曲率半径＜−１００を満足する請求項１に記載の短距離虹彩認識用光学システム。

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