專利名稱：眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)鏡頭裝置，用于配套眼虹膜模識(shí)別系統(tǒng)圖像采集，特別適用于重點(diǎn)部門、軍事安全、金融業(yè)、特殊場合通道門禁、重點(diǎn)文物保護(hù)等要求高安全性、高可靠性等身份嚴(yán)格認(rèn)證的領(lǐng)域，也可用于手背血管、指靜脈等其他模式的安全防偽系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
由于人體某些部位和器官具有很明顯的唯一性，終身不變性和難于復(fù)制性等生物特征，使它們成為身份識(shí)別重要的依據(jù)。隨著快速計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于這些生物特征的身份識(shí)別，如人臉、指紋、手背血管、指靜脈、眼虹膜等模式識(shí)別陸續(xù)走進(jìn)社會(huì)各行各業(yè)。由于眼虹膜模式識(shí)別精準(zhǔn)度高、防偽性特佳和幾乎無法復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，已成為各行各業(yè)身份識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)。從目前看，用于眼虹膜模式識(shí)別系統(tǒng)圖像采集選用的光學(xué)鏡頭均為定焦距和窄光譜范圍的鏡頭。由于結(jié)構(gòu)簡單，可適應(yīng)不同物距和環(huán)境變化的補(bǔ)正參量較少，它明顯存在如下的不足一是對(duì)活動(dòng)的目標(biāo)必須不斷適時(shí)調(diào)焦以獲得清晰的圖像。眼虹膜模式識(shí)別系統(tǒng)是在共軛距較短進(jìn)行圖像采集，因此其調(diào)焦范圍是比較大的(不可能靠景深來實(shí)現(xiàn)清晰圖像的采集)，減少了對(duì)圖像真?zhèn)尾杉臅r(shí)機(jī)；二是隨著采集目標(biāo)距離的變化，光學(xué)鏡頭放大倍率和像方NA值也不斷變化，增加了圖像處理功能軟件的負(fù)擔(dān)。此外，目前選取的固定焦距鏡頭能適應(yīng)的光譜范圍比較窄，不能同時(shí)適應(yīng)可見光和近紅外照明要求的環(huán)境條件。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述固定焦距鏡頭方案的不足，采用特殊變焦距結(jié)構(gòu)的方案，開發(fā)出一種能在一定物距范圍內(nèi)變化的條件下，均能保持像面穩(wěn)定、物像倍率M和像方NA值基本上不隨物距變化而變化、圖像清晰的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣構(gòu)成的 一種眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，其特征在于它包括眼球?qū)?zhǔn)部件和變焦距鏡頭，所述變焦距鏡頭由四組元機(jī)械補(bǔ)償變焦距鏡頭構(gòu)成，四組元依次為正光焦度的前固定組、負(fù)光焦度的變倍組、正光焦度的后固定組和正光焦度的補(bǔ)償組，四組元對(duì)應(yīng)的焦距值分別為



和

在后固定組前設(shè)置控制短焦距孔徑光束的后固定光欄，在變倍組最后一面附近設(shè)置控制中長焦距孔徑光束的前固定光欄，用來保證像方的NA值基本上不隨物距改變而改變；在設(shè)置各組元的光學(xué)元件時(shí)，各組元的光學(xué)元件必須滿足以下條件 D1+D2＝C1，
D3+l′＝C2，
TC＝C3，

其中，D1是前固定組與變倍組之間的空氣間隔，D2是變倍組與后固定組前的后固定光欄之間的空氣間隔，D3是后固定組與補(bǔ)償組之間的空氣間隔，l′是補(bǔ)償組最后一面與像面之間的空氣間隔，Tc是設(shè)計(jì)主譜線為c譜線時(shí)變焦距鏡頭第一面至像面的距離，C1、C2、C3是根據(jù)實(shí)際使用要求而設(shè)定的固定值，

是變焦距鏡頭在主譜線為c譜線時(shí)的最短焦距值。
前三組元在隨物距改變而進(jìn)行變焦距的過程中，其出射光束趨向遠(yuǎn)焦。C1和C2的選取是由實(shí)際使用要求的物距移動(dòng)范圍及光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求而定。為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)物距改變時(shí)，不需進(jìn)行調(diào)焦就能確保像面穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)還設(shè)定變焦距鏡頭在物距改變過程中其第一面至像面間的距離Tc為一定值，即Tc＝C3。
根據(jù)實(shí)際使用要求，被拍攝的眼虹膜目標(biāo)由特定運(yùn)動(dòng)范圍的最長物距移到最短物距時(shí)，其物像倍率應(yīng)始終保持不變，以利于增加捕抓眼虹膜拍攝的時(shí)間、次數(shù)和對(duì)比性，從而提高身份識(shí)別真?zhèn)伪鎰e的可靠性。為達(dá)到這一特定的實(shí)用要求，本發(fā)明裝置對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行了以下改進(jìn)在物距改變而適時(shí)進(jìn)行變焦的過程中，變倍組和補(bǔ)償組的光學(xué)元件是按照對(duì)應(yīng)的變倍補(bǔ)償凸輪曲線進(jìn)行同步調(diào)整的；所述變倍補(bǔ)償凸輪曲線是預(yù)先根據(jù)物像光學(xué)成像規(guī)律，先粗略地逐點(diǎn)求出物距的位移量與對(duì)應(yīng)的焦距值及物像倍率值M，然后通過不斷修正D1和D3值，使物像倍率值M在改變物距的過程中趨于一致，經(jīng)逐點(diǎn)修正后形成的變倍補(bǔ)償凸輪曲線是兩條非線性曲線。
為適應(yīng)不同照明條件(如白光或近紅外光照明)的要求，本發(fā)明裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于采用中國實(shí)用新型專利(ZL2004 20048615.3)提供的方案，將所述變焦距鏡頭設(shè)計(jì)為寬光譜共焦型式，即將波長為486.1nm—900nm的較寬的光譜區(qū)域范圍(通常初始設(shè)計(jì)時(shí)，將其主譜線選在c譜線-656.3nm)分解成波長為486.1nm—656.3nm的可見光區(qū)域和波長為656.3nm—900nm的近紅外區(qū)域，可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域的設(shè)計(jì)主譜線分別為d譜線(587.6nm)和760nm譜線，兩主譜線的偏量在設(shè)置時(shí)必須滿足以下條件Td-T760nm<6λ/(NA)2微米………………⑤。鏡頭按分解的兩光譜區(qū)域分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并要求它們在共一成像面上進(jìn)行成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)。經(jīng)反復(fù)象差平衡直至兩光譜區(qū)域在共一像面都達(dá)到良好的成像質(zhì)量。
較之已有技術(shù)而言，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，采用機(jī)械補(bǔ)償變焦結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)變焦距鏡頭替代目前采用的固定焦距結(jié)構(gòu)的方案，克服固定焦距鏡頭必須不斷調(diào)焦才能獲得清晰圖像的不足，同時(shí)采用與常規(guī)變倍補(bǔ)償凸輪曲線不同的凸輪形式和設(shè)置二個(gè)控制孔徑光束大小的固定光欄，確保新發(fā)明裝置的物像倍率值M和像方NA值基本上不隨物距變化而變化，減少圖像處理運(yùn)算的壓力，增長采集眼虹膜圖像的時(shí)機(jī)和對(duì)比性，提高系統(tǒng)防偽可靠性。此外，為適應(yīng)不同照明條件(白光或近紅外光照明)的要求，本發(fā)明變焦距鏡頭設(shè)計(jì)成寬光譜共焦形式。在寬光譜共焦的條件下，當(dāng)空間頻率為50lp/mm，不同物距的各個(gè)視場的最小MTF值均大于0.3， 其中白光光譜區(qū)域的MTF值均大于0.4。



圖1為本發(fā)明眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中R1、R2、R3……依次為透鏡各面的曲率半徑；d1、d2、d3……依次為各透鏡的厚度，D1、D2、D3依次為各透鏡間的空間間隔；l′為變焦距鏡頭的像方后截距，上述單位均為mm；1-13依次表示13片透鏡，14表示全反射鏡，15表示準(zhǔn)直聚光鏡，16表示白光光源。
圖2為本發(fā)明眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置的變焦距鏡頭采用的變倍補(bǔ)償凸輪曲線示意圖。
圖3為本發(fā)明裝置變焦距鏡頭在橫向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方視場2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情況下，當(dāng)物距為100毫米時(shí)，(a)、(b)、(c)分別表示白光區(qū)域d(F，C)、近紅外區(qū)域760nm(C，900nm)、寬光譜區(qū)域C(F，900nm)條件下的MTF曲線。其中“1’、2’、3’”分別表示軸上、0.707ω和1ω的MTF曲線，MTF曲線的橫坐標(biāo)是線對(duì)/mm。
圖4為本發(fā)明裝置變焦距鏡頭在橫向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方視場2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情況下，當(dāng)物距為250毫米時(shí)，(a)、(b)、(c)分別表示白光區(qū)域d(F，C)、近紅外區(qū)域760nm(C，900nm)、寬光譜區(qū)域C(F，900nm)條件下的MTF曲線。其中“1”、2”、3””分別表示軸上、0.707ω和1ω的MTF曲線，MTF曲線的橫坐標(biāo)是線對(duì)/mm。
圖5為本發(fā)明裝置變焦距鏡頭在橫向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方視場2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情況下，當(dāng)物距為500毫米時(shí)，(a)、(b)、(c)分別表示白光區(qū)域d(F，C)、近紅外區(qū)域760nm(C，900nm)、寬光譜區(qū)域C(F，900nm)條件下的MTF曲線。其中“1”’、2”’、3”’”分別表示軸上、0.707ω和1ω的MTF曲線，MTF曲線的橫坐標(biāo)是線對(duì)/mm。
圖6是本發(fā)明眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置的光學(xué)機(jī)械外形結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明 本發(fā)明的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置包括變焦距鏡頭及眼球?qū)?zhǔn)部件。如圖1所示為本發(fā)明提供的一種實(shí)施例構(gòu)造示意圖，圖中構(gòu)成變焦距鏡頭的13片透鏡的材料依次為ZF7、ZK3、ZK3、LaK2、ZK7、ZF7、LaK7、QF3、ZK7、ZK3、ZK9、ZF13、LaK12。其外形依次為1-凸凹負(fù)透鏡、2-雙凸正透鏡、3-凸凹正透鏡、4-凸凹負(fù)透鏡、5-雙凸正透鏡、6-雙凹正透鏡、7-凸凹正透鏡、8-雙凸正透鏡、9-凹凸負(fù)透鏡、10-凸凹負(fù)透鏡、11-雙凸正透鏡、12-雙凸正透鏡、13-雙凹負(fù)透鏡。其中透鏡1和透鏡2、透鏡5和透鏡6、透鏡9和透鏡10、透鏡12和透鏡13分別組成膠合透鏡。本發(fā)明裝置選用的是四組元機(jī)械補(bǔ)償變焦結(jié)構(gòu)形式，其各組元的光焦度分別為正、負(fù)、正、正。其中透鏡1至透鏡3為變焦距鏡頭的前固定組，其合焦距設(shè)為

；透鏡4至透鏡6為變焦距鏡頭的變倍組，其合焦距設(shè)為

；透鏡7至透鏡8為變焦距鏡頭的后固定組，其合焦距設(shè)為

；透鏡9至透鏡13為變焦距鏡頭的補(bǔ)償組，以

表示它的合焦距。前三組元在物距改變的過程中使其出射光線趨向遠(yuǎn)焦。鏡頭變焦過程中，要求前固定組與變倍組之間的空氣間隔值(設(shè)為D1)和變倍組與后固定組前的光欄之間的空氣間隔值(設(shè)為D2)之和為設(shè)定的固定值C1，即D1+D2＝C1；同時(shí)也要求后固定組與補(bǔ)償組之間的空氣間隔值(設(shè)為D3)和鏡頭像方后截距(設(shè)為l′)之和為另一設(shè)定的固定值C2，即D3+l′＝C2。為了在不增設(shè)調(diào)焦結(jié)構(gòu)的情況下能確保像面的穩(wěn)定性，變焦距鏡頭在物距改變過程中其第一面至像面的距離Tc始終保持不變。為了增添捕捉眼球圖像的時(shí)效和對(duì)比性，利于身份識(shí)別的真?zhèn)渭疤岣哂?jì)算機(jī)圖像軟件處理的效率，本發(fā)明的光學(xué)裝置通過求出逐點(diǎn)位移的物距與相應(yīng)的焦距值及物像倍率值和不斷修正D1和D3空氣間隔值保證物像倍率M不隨物距的變化而變化；同時(shí)通過在變倍組最后一面A1位置上和后固定組前面A2上分別設(shè)置固定孔徑光欄，使像方的NA值基本不變。此外，為適應(yīng)不同照明條件(白光或近紅外光)的要求，變焦距鏡頭設(shè)計(jì)成寬光譜共焦型式。
圖1中，本發(fā)明方案采用的眼球?qū)?zhǔn)部件是由一片中心小園斑透光的全反射鏡14、準(zhǔn)直聚光鏡15和白光光源16(白光光源可為LED光源)組成。
本發(fā)明眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置中的變焦距鏡頭和眼球?qū)?zhǔn)部件的具體結(jié)構(gòu)并不局限于上述實(shí)施例，其中，眼球?qū)?zhǔn)部件還可采用現(xiàn)有的其它結(jié)構(gòu)，且除了圖1所示眼睛與變焦距鏡頭采用垂直角度入射外，也可以讓眼睛與變焦距鏡頭以平行的角度或其它任意角度入射。此外，構(gòu)成變焦距鏡頭的透鏡的數(shù)目、材料和形狀均可根據(jù)具體應(yīng)用的場合來設(shè)定，但在設(shè)置時(shí)構(gòu)成四組元的光學(xué)元件必須滿足如下條件 D1+D2＝C1，
D3+l′＝C2，
TC＝C3，

Td-T760nm<6λ/(NA)2微米………………⑤ 設(shè)定上述必須滿足的目的是 條件①設(shè)定的目的是保證變焦距鏡頭的變倍組移到長焦時(shí)不會(huì)和后固定組相碰的同時(shí)，盡量控制變倍組移至短焦時(shí)的移動(dòng)量小，以利于鏡頭的小型化。
條件②設(shè)定的目的是在保證像面穩(wěn)定的同時(shí)，使后截距有較大的空間以適應(yīng)C型和CS型接口的外形結(jié)構(gòu)需要。
條件③設(shè)定的目的是當(dāng)物距改變時(shí)，不需進(jìn)行調(diào)焦就能確保像面的穩(wěn)定性，同時(shí)也起著限制鏡頭長度的作用。
條件④設(shè)定的目的是控制變焦距鏡頭變倍組的位移量，可以縮小前固定組口徑，利于系統(tǒng)的小型化，與此同時(shí)要防止高級(jí)象差增加過多。
條件⑤設(shè)定的目的是當(dāng)變焦距鏡頭變焦過程中，它在二個(gè)光譜區(qū)域的設(shè)計(jì)主譜線的成像面始終控制在像方景深范圍內(nèi)，確保像面穩(wěn)定和已校正的成像質(zhì)量不變。
本發(fā)明眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置的主要特征是采用連續(xù)變焦距鏡頭結(jié)構(gòu)(變倍比大約4倍)，替代目前采用的固定焦距結(jié)構(gòu)的方案，克服固定焦距鏡頭隨物距變化而需不斷調(diào)焦才能獲得清晰圖像的不足。同時(shí)采用特殊的變倍機(jī)械補(bǔ)償凸輪曲線結(jié)構(gòu)和設(shè)置二個(gè)不同位置的固定孔徑光欄，確保新發(fā)明裝置的物像倍率M和像方NA值基本上不隨物距變化而變化，利于減輕圖像軟件處理的壓力，增加采集眼虹膜圖像的時(shí)間和可比性，提高系統(tǒng)防偽的可靠性。此外，為適應(yīng)不同的照明條件，新發(fā)明的變焦距鏡頭設(shè)計(jì)成寬光譜共焦形式。本發(fā)明提供的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，在物距變化范圍100mm至500mm之間，最大的物高為36.55mm，T＝102.32mm，像方NA＝0.135，物像倍率m＝—0.122，空間分辨率50lp/mm時(shí)，其各光譜區(qū)域、各視場的MTF值均大于0.3，其中白光區(qū)域的MTF值均大于0.4。
表1是本發(fā)明裝置的實(shí)施例數(shù)據(jù)(按C譜線最短焦距進(jìn)行歸一化) 物距l(xiāng)＝4.483031～11.207581～22.415162(mm) 物高2η＝1.6632(mm) 像方FNO＝(3.5、3.57、3.64) 消色譜線C(F、d、760nm、900nm) 表1中n1、n2、n3……依次為各透鏡玻璃材料的折射率；υ1、υ2、υ3……依次為各透鏡對(duì)應(yīng)的玻璃材料的阿貝系數(shù)。R1、R2、R3……依次為透鏡各面的曲率半徑；d1、d2、d3……依次為各透鏡的厚度，D1、D2、D3依次為各透鏡間的空間間隔；l′為變焦距鏡頭的像方后截距，上述單位均為mm； 表1 其中D1+D2＝1.255249(mm)，D3+l′＝1.621961(mm)，第一面至像面距離T＝4.587038(mm)。
表2是本發(fā)明裝置實(shí)例中變倍補(bǔ)償曲線主要物距對(duì)應(yīng)移動(dòng)間隔值。
表2 表3是本發(fā)明裝置實(shí)施例在不同物距的NA值及初級(jí)像差值(按C譜線最短焦距進(jìn)行歸一化)。
表3 歸一化后的變焦距各組元的焦距值




權(quán)利要求
1.一種眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，其特征在于它包括眼球?qū)?zhǔn)部件和變焦距鏡頭，所述變焦距鏡頭由四組元機(jī)械補(bǔ)償變焦距鏡頭構(gòu)成，四組元依次為正光焦度的前固定組、負(fù)光焦度的變倍組、正光焦度的后固定組和正光焦度的補(bǔ)償組，四組元對(duì)應(yīng)的焦距值分別為
和
；在后固定組前設(shè)置控制短焦距孔徑光束的后固定光欄，在變倍組最后一面附近設(shè)置控制中長焦距孔徑光束的前固定光欄，用來保證像方的NA值基本上不隨物距改變而改變；在設(shè)置各組元的光學(xué)元件時(shí)，各組元的光學(xué)元件必須滿足以下條件
D1+D2＝C1，
D3+l′＝C2，
TC＝C3，
其中，D1是前固定組與變倍組之間的空氣間隔，D2是變倍組與后固定組前的后固定光欄之間的空氣間隔，D3是后固定組與補(bǔ)償組之間的空氣間隔，l′是補(bǔ)償組最后一面與像面之間的空氣間隔，TC是設(shè)計(jì)主譜線為c譜線時(shí)變焦距鏡頭第一面至像面的距離，C1、C2、C3是根據(jù)實(shí)際使用要求而設(shè)定的固定值，
是變焦距鏡頭在主譜線為c譜線時(shí)的最短焦距值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，其特征在于在物距改變而適時(shí)進(jìn)行變焦的過程中，變倍組和補(bǔ)償組的光學(xué)元件是按照對(duì)應(yīng)的變倍補(bǔ)償凸輪曲線進(jìn)行同步調(diào)整的；所述變倍補(bǔ)償凸輪曲線是預(yù)先根據(jù)物像光學(xué)成像規(guī)律，先粗略地逐點(diǎn)求出物距的位移量與對(duì)應(yīng)的焦距值及物像倍率值M，然后通過不斷修正D1和D3值，使物像倍率值M在改變物距的過程中趨于一致，經(jīng)逐點(diǎn)修正后形成的變倍補(bǔ)償凸輪曲線是兩條非線性曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，其特征在于所述變焦距鏡頭設(shè)計(jì)為寬光譜共焦型式，即將波長為486.1nm—900nm的較寬的光譜區(qū)域范圍分解成波長為486.1nm—656.3nm的可見光區(qū)域和波長為656.3nm—900nm的近紅外區(qū)域，可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域的設(shè)計(jì)主譜線分別為d譜線和760nm譜線，按兩主譜線計(jì)算得到的第一面至最佳成像面的距離，即Td和T760nm其偏離量必須滿足以下條件
Td-T760nm<6λ/(NA)2微米………………⑤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種眼虹膜模識(shí)別用變焦距鏡頭裝置，它由四組元機(jī)械補(bǔ)償變焦鏡頭和眼球?qū)?zhǔn)裝置組成。變焦過程中要求空氣間隔D1+D2＝C1，D3+l′＝C2，C1和C2為設(shè)定值。通過使鏡頭第一面至像面的距離TC＝C3為不變值、對(duì)凸輪曲線逐點(diǎn)修正和設(shè)置限制孔徑光束的兩個(gè)光欄等措施，能確保物距在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化時(shí)，不需調(diào)焦就能使像面穩(wěn)定，使物像倍率M和NA值基本保持不變；光學(xué)裝置還必須滿足以下條件1.24＜C1/fC短′＜1.32；l′/fC短′＞0.8；C3＜4fC短′；0.39＜f變′/fC短′＜0.43；Td-T760nm＜6λ/(NA)2微米。本發(fā)明能在一定物距范圍內(nèi)變化的條件下，保持像面穩(wěn)定、物像倍率M和像方NA值基本不隨物距變化而變化、圖像清晰。
文檔編號(hào)G02B9/34GK101382644SQ20081007147
公開日2009年3月11日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者賴愛光, 侯雨石, 蔡長達(dá), 顧亞平, 賴英輝 申請人:福州福賽特光學(xué)儀器有限公司, 賴愛光