CN105445900B - 成像镜头、虹膜成像模组以及虹膜识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像镜头、虹膜成像模组以及虹膜识别装置，属于生物识别领域，所述成像镜头沿光线入射方向从前到后依次包括：第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面和后表面均为凹面；第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面为平面，后表面为凸面；第四透镜，所述第四透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面。本发明的成像镜头成像质量好，结构简单并且成本低。

Description

成像镜头、虹膜成像模组以及虹膜识别装置

技术领域

本发明涉及生物识别领域，特别是指一种成像镜头、虹膜成像模组以及虹膜识别装置。

背景技术

虹膜识别属于生物识别领域，是一种基于眼睛虹膜的生物识别技术，该技术通过对小于10mm区域的虹膜纹理信息进行处理来认证用户身份，虹膜识别与其他生物识别技术相比具有唯一性和稳定性等显著特点，成为目前最精确的识别技术。而虹膜识别技术的实现难点在于如何采集到清晰高质量的虹膜图像，因此采集虹膜图像的光学***成为虹膜识别装置的关键。

现有的虹膜采集光学***可以分为：变焦光学***和定焦光学***，其中变焦光学***体积大、结构复杂、造价高，装配难度大，如：专利CN200810071474.X中采用了四组元机械补偿变焦镜头，由十几片透镜构成；定焦光学***结构简单，造价低，装置方便，如：日本专利JP2004-167046中的虹膜识别设备，其采集镜头由两片透镜和滤波片构成，但该***成像质量较差，具有较大的球差及其它象差，光学设计的自由度较小；美国发明专利20090161069A1，针对上述专利中的光学结构进行改善，将滤波片换成旋转对称非球面镜，即三片式***，较好的提高了成像质量，但采用非球面镜，提高了制造成本，因此，成像质量好，结构简单以及成本低的定焦光学***成为目前研究的重点。

发明内容

本发明提供一种成像质量好，结构简单以及成本低的成像镜头、虹膜成像模组以及虹膜识别装置。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种成像镜头，沿光线入射方向从前到后依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面和后表面均为凹面；

第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面为平面，后表面为凸面；

第四透镜，所述第四透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面。

一种虹膜成像模组，包括上述成像镜头以及位于所述成像镜头后方的图像传感器，所述图像传感器为CCD或CMOS传感器。

一种虹膜识别装置，包括上述虹膜成像模组以及与所述虹膜成像模组连接的硬件电路。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的成像镜头沿光线入射方向从前到后的四片透镜依次为凸凹透镜、双凹透镜、平凸透镜以及凸凹透镜，在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；四片透镜均为球面透镜，没有非球面透镜，结构简单，装配方便，造价低；并且该成像镜头通用性强，可搭配不同的图像传感器，形成适用于不同场景的虹膜识别装置。

附图说明

图1为本发明的成像镜头的结构示意图；

图2为本发明的成像镜头实施例一的结构示意图；

图3为图2所示成像镜头的光学性能曲线图，其中：3A为实施例一的畸变曲线图；3B为实施例一的场曲曲线图；3C为实施例一的相对照度曲线图；3D为实施例一的能量集中度曲线图；3E为实施例一的MTF特性曲线图；

图4为本发明的成像镜头实施例二的结构示意图；

图5为图4所示成像镜头的光学性能曲线图，其中：5A为实施例二的畸变曲线图；5B为实施例二的场曲曲线图；5C为实施例二的相对照度曲线图；5D为实施例二的能量集中度曲线图；5E为实施例二的MTF特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种成像镜头，如图1所示，沿光线入射方向从前到后依次包括：

第一透镜1，第一透镜1为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面11为凸面，后表面12为凹面；

第二透镜2，第二透镜2为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面21和后表面22均为凹面；

第三透镜3，第三透镜3为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面31为平面，后表面32为凸面；

第四透镜4，第四透镜4为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面41为凸面，后表面42为凹面。

上述各个透镜的前表面是指红外光射入的面，后表面是指红外光射出的面，下同。

与现有技术相比，本发明的成像镜头沿光线入射方向从前到后的四片透镜依次为凸凹透镜、双凹透镜、平凸透镜以及凸凹透镜，在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；四片透镜均为球面透镜，没有非球面透镜，结构简单，装配方便，造价低；并且该成像镜头像镜头通用性强，可搭配不同的图像传感器，形成适用于不同场景的虹膜识别装置。

作为本发明的一种改进，各个透镜的焦距可以满足：0.58f≤f1≤0.83f，-0.55f≤f2≤-0.38f，1.2≤f3/f1≤1.8，1.8f≤f4≤2.5f，其中，f为成像镜头的总焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2为第二透镜2的焦距，f3为第三透镜3的焦距，f4为第四透镜4的焦距。

当各个透镜的焦距满足上述关系时，在近红外波段具有更高的成像质量，几乎无畸变。

进一步的，6.96mm≤f1≤9.96mm，-6.6mm≤f2≤-4.56mm，8.35mm≤f3≤17.93mm，21.6mm≤f4≤30mm。

作为本发明的另一种改进，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的材质满足：1.55≤nd≤1.65,35≤vd≤58，其中，nd为透镜材质的折射率，vd为透镜材质的色散系数。采用上述折射率和色散系数的材质既能够得到较好的成像质量，又能节省材料成本。

优选的，第一透镜1和第二透镜2之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑5。光阑能够调节通过的近红外光束的强弱，不同的光照环境下可以选择不同的光阑。

而且，可以在第一透镜1的前表面11镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜(如近红外波段窄带滤光膜)。滤光膜能够避免可见光对成像镜头的干扰，同时，反射的可见光能够使用户从成像镜头中看到自身的眼部图像，方便用户调节自身位置，起到定位的作用。

同时，还可以在第一透镜1的后表面12以及第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的前后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。增透膜能够增强近红外光的透过率，能够以较小的发射功率获得较清晰的虹膜图像。

本发明中，上述近红外光的波段为700-900nm。该波段的近红外光能够采集到较高质量的虹膜图像。

为进一步的节约成本，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的材质可以为玻璃。

下面以两个具体的实施例来对本发明进行进一步的阐述：

实施例一：

本实施例为一种用于单目虹膜识别的成像镜头，如图2所示，由四片透镜组以及光阑5组成，成像镜头的后方设置有图像传感器6，沿光线入射方向依次为：具有正光焦度的第一透镜1，其为凸凹透镜，前表面11为凸面，后表面12为凹面；具有负光焦度的第二透镜2，其为双凹透镜，前表面21为凹面，后表面22为凹面；具有正光焦度的第三透镜3，其为平凸透镜，前表面31为平面，后表面32为凸面；具有正光焦度的第四透镜4，其为凸凹透镜，前表面41为凸面，后表面42为凹面；光阑5位于第一透镜1与第二透镜2之间，四片透镜均为玻璃材质；成像面为图像传感器面，其为CCD或CMOS传感器。

本实施例的成像镜头成像波长为近红外波段700-900nm，第一透镜1的前表面11镀近红外波段窄带滤光膜，起到滤除可见光透过近红外光的作用，其余透镜面镀有近红外波段增透膜，增强近红外波段光线的透过率。

当本发明的成像镜头搭配百万以下或VGA图像传感器，形成虹膜成像模组，用于采集单目虹膜图像时，可在较近距离处拍摄清晰的虹膜图像，其最佳拍摄距离为10厘米，该成像镜头具体结构参数详见表一，包括透镜面的表面类型、曲率半径、透镜厚度、折射率、色散系数等。本实施例光学***的透镜焦距参数为：总焦距f＝12mm，第一透镜焦距f1＝9.5mm，第二透镜焦距f2＝-5.488mm，第三透镜焦距f3＝11.419mm，第四透镜焦距f4＝23.68mm。

表一：本发明的成像镜头的实施例一具体结构参数

图3为本发明实施例成像镜头的光学性能曲线图，图3A显示本实施例的畸变曲线图(％)，在全视场范围内，畸变像差均在0.35％范围内；图3B显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在全视场范围内，子午面及弧矢面各光线的场曲像差均小于0.1mm；图3C显示本实施例的相对照度曲线图，在全视场范围内，相对照度均大于90％，使得拍摄图像的整体亮度均匀，无暗角，一致性好；图3D显示本实施例的能量集中度曲线图，能量已完全集中在20μm范围内，具有较高的能量集中度；图3E显示本实施例的MTF特性曲线，从曲线看出在全视场范围内，在空间频率80lp/mm处MTF值均大于0.5。由以上光学特性曲线图可以看出，本发明实施例成像镜头具有较高的成像质量。

实施例二：

本实施例为一种用于双目虹膜识别的成像镜头，如图4所示，由四片透镜组以及光阑5组成，成像镜头后方设置有图像传感器6，沿光线入射方向依次为：具有正光焦度的第一透镜1，其为凸凹透镜，前表面11为凸面，后表面12为凹面；具有负光焦度的第二透镜2，其为双凹透镜，前表面21为凹面，后表面22为凹面；具有正光焦度的第三透镜3，其为平凸透镜，前表面31为平面，后表面32为凸面；具有正光焦度的第四透镜4，其为凸凹透镜，前表面41为凸面，后表面42为凹面；光阑5位于第一透镜1与第二透镜2之间，四片透镜为玻璃材质；成像面即为图像传感器面，其为CCD或CMOS传感器。

本实施例的成像镜头成像波长为近红外波段700-900nm，第一透镜1的前表面11镀近红外波段窄带滤光膜，起到滤除可见光透过近红外光作用，其余透镜面镀有近红外波段增透膜，增强近红外波段光线的透过率。

当本发明的成像***搭配两百万及以上图像传感器，形成虹膜成像模组，用于采集双目虹膜图像时，可在较近距离处拍摄清晰的虹膜图像，其最佳拍摄距离为25厘米，该成像镜头具体结构参数详见表二，包括透镜面的表面类型、曲率半径、透镜厚度、折射率、色散系数等。本实施例光学***的透镜焦距参数为：总焦距f＝12mm，第一透镜焦距f1＝8.8mm，第二透镜焦距f2＝-5.126mm，第三透镜焦距f3＝11.575mm，第四透镜焦距f4＝23.196mm。

表二：本发明的成像镜头的实施例二具体结构参数

图5为本发明实施例成像镜头的光学性能曲线图，图5A显示本实施例的畸变曲线图(％)，在全视场范围内，畸变像差均在0.35％范围内；图5B显示本实施例的场曲曲线图(mm)，在全视场范围内，子午面及弧矢面各光线的场曲像差均小于0.08mm；图5C显示本实施例的相对照度曲线图，在全视场范围内，相对照度均大于90％，使得拍摄图像的整体亮度均匀，无暗角，一致性好；图5D显示本实施例的能量集中度曲线图，能量已完全集中在20μm范围内，具有较高的能量集中度；图5E显示本实施例的MTF特性曲线，从曲线看出在全视场范围内，在空间频率80lp/mm处MTF值均大于0.5。由以上光学特性曲线图可以看出，本发明实施例成像镜头具有较高的成像质量。

另一方面，本发明提供一种虹膜成像模组，如图2和图4所示，包括上述成像镜头以及位于该成像镜头后方的图像传感器6，该图像传感器6为CCD或CMOS传感器。本发明的虹膜成像模组在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；结构简单，装配方便，造价低；并且当图像传感器不同时，可以适用于不同的虹膜采集场景。

再一方面，本发明提供一种虹膜识别装置，包上述虹膜成像模组以及与该虹膜成像模组连接的硬件电路。本发明的虹膜识别装置在近红外波段具有较高的成像质量，畸变小；结构简单，装配方便，造价低；可以适用于不同的虹膜采集场景。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种成像镜头，其特征在于，沿光线入射方向从前到后依次包括：

第一透镜，所述第一透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

第二透镜，所述第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其前表面和后表面均为凹面；

第三透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的平凸透镜，其前表面为平面，后表面为凸面；

第四透镜，所述第四透镜为具有正光焦度的凸凹透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面；

0.58f≤f1≤0.83f，-0.55f≤f2≤-0.38f，1.2≤f3/f1≤1.8，1.8f≤f4≤2.5f，其中，f为成像镜头的总焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，6.96mm≤f1≤9.96mm，-6.6mm≤f2≤-4.56mm，8.35mm≤f3≤17.93mm，21.6mm≤f4≤30mm。

3.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质满足：1.55≤nd≤1.65,35≤vd≤58，其中，nd为透镜材质的折射率，vd为透镜材质的色散系数。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜之间设置有用于控制近红外光通过率的光阑。

5.根据权利要求4所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的前表面镀有能反射可见光并透过近红外光的滤光膜。

6.根据权利要求4所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的后表面以及所述第二透镜、第三透镜和第四透镜的前后表面均镀有能增强近红外光透过率的近红外波段增透膜。

7.根据权利要求4所述的成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质为玻璃。

8.一种虹膜成像模组，其特征在于，包括权利要求1-7任一权利要求所述的成像镜头以及位于所述成像镜头后方的图像传感器，所述图像传感器为CCD或CMOS传感器。

9.一种虹膜识别装置，其特征在于，包括权利要求8所述的虹膜成像模组以及与所述虹膜成像模组连接的硬件电路。