眼虹膜模式识别用变焦距镜头装置

摘要

本发明涉及一种眼虹膜模式识别用变焦距镜头装置，它由四组元机械补偿变焦镜头和眼球对准装置组成。变焦过程中要求空气间隔D1+D2＝C1，D3+l′＝C2，C1和C2为设定值。通过使镜头第一面至像面的距离TC＝C3为不变值、对凸轮曲线逐点修正和设置限制孔径光束的两个光栏等措施，能确保物距在设计范围内变化时，不需调焦就能使像面稳定，使物像倍率M和NA值基本保持不变；光学装置还必须满足以下条件：1.24＜C1/f′C短＜1.32；l′/f′C短＞0.8；C3＜4f′C短；0.39＜f′变/f′C短＜0.43；Td-T760nm＜6λ/(NA)2微米。本发明能在一定物距范围内变化的条件下，保持像面稳定、物像倍率M和像方NA值基本不随物距变化而变化、图像清晰。

权利要求

1.一种眼虹膜模式识别用变焦距镜头装置，其特征在于：它包括眼球对准部件和变焦距镜头，所述变焦距镜头由四组元机械补偿变焦距镜头构成，四组元依次为正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组、正光焦度的后固定组和正光焦度的补偿组，四组元对应的焦距值分别为f′前、f′变、f′后和f′补；在后固定组前设置控制短焦距孔径光束的后固定光栏，在变倍组最后一面附近设置控制中长焦距孔径光束的前固定光栏，用来保证像方的NA值基本上不随物距改变而改变；在设置各组元的光学元件时，各组元的光学元件必须满足以下条件：D1+D2＝C1，1.24＜C1/f′C短＜1.32………………①

D3+l′＝C2，l′/f′C短＞0.8………………②

TC＝C3，C3＜4f′C短………………③

0.39＜f′变/f′C短＜0.43………………④

其中，D1是前固定组与变倍组之间的空气间隔，D2是变倍组与后固定组前的后固定光栏之间的空气间隔，D3是后固定组与补偿组之间的空气间隔，l′是补偿组最后一面与像面之间的空气间隔，TC是设计主谱线为c谱线时变焦距镜头第一面至像面的距离，C1、C2、C3是根据实际使用要求而设定的固定值，f′C短是变焦距镜头在主谱线为c谱线时的最短焦距值。

2.根据权利要求1所述的眼虹膜模式识别用变焦距镜头装置，其特征在于：在物距改变而适时进行变焦的过程中，变倍组和补偿组的光学元件是按照对应的变倍补偿凸轮曲线进行同步调整的；所述变倍补偿凸轮曲线是预先根据物像光学成像规律，先粗略地逐点求出物距的位移量与对应的焦距值及物像倍率值M，然后通过不断修正D1和D3值，使物像倍率值M在改变物距的过程中趋于一致，经逐点修正后形成的变倍补偿凸轮曲线是两条非线性曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及光学镜头装置，用于配套眼虹膜模识别系统图像采集，特别适用于重点部门、军事安全、金融业、特殊场合通道门禁、重点文物保护等要求高安全性、高可靠性等身份严格认证的领域，也可用于手背血管、指静脉等其他模式的安全防伪系统。

背景技术

由于人体某些部位和器官具有很明显的唯一性，终身不变性和难于复制性等生物特征，使它们成为身份识别重要的依据。随着快速计算机图像处理技术的不断发展，基于这些生物特征的身份识别，如人脸、指纹、手背血管、指静脉、眼虹膜等模式识别陆续走进社会各行各业。由于眼虹膜模式识别精准度高、防伪性特佳和几乎无法复制等优点，已成为各行各业身份识别系统开发的重点。从目前看，用于眼虹膜模式识别系统图像采集选用的光学镜头均为定焦距和窄光谱范围的镜头。由于结构简单，可适应不同物距和环境变化的补正参量较少，它明显存在如下的不足：一是对活动的目标必须不断适时调焦以获得清晰的图像。眼虹膜模式识别系统是在共轭距较短进行图像采集，因此其调焦范围是比较大的(不可能靠景深来实现清晰图像的采集)，减少了对图像真伪采集的时机；二是随着采集目标距离的变化，光学镜头放大倍率和像方NA值也不断变化，增加了图像处理功能软件的负担。此外，目前选取的固定焦距镜头能适应的光谱范围比较窄，不能同时适应可见光和近红外照明要求的环境条件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述固定焦距镜头方案的不足，采用特殊变焦距结构的方案，开发出一种能在一定物距范围内变化的条件下，均能保持像面稳定、物像倍率M和像方NA值基本上不随物距变化而变化、图像清晰的眼虹膜模式识别用变焦距镜头装置。
本发明的技术方案是这样构成的：
一种眼虹膜模识别用变焦距镜头装置，其特征在于：它包括眼球对准部件和变焦距镜头，所述变焦距镜头由四组元机械补偿变焦距镜头构成，四组元依次为正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组、正光焦度的后固定组和正光焦度的补偿组，四组元对应的焦距值分别为f′前、f′变、f′后和f′补；在后固定组前设置控制短焦距孔径光束的后固定光栏，在变倍组最后一面附近设置控制中长焦距孔径光束的前固定光栏，用来保证像方的NA值基本上不随物距改变而改变；在设置各组元的光学元件时，各组元的光学元件必须满足以下条件：
D1+D2＝C1，1.24＜C1/f′C短＜1.32………………①
D3+l′＝C2，l′/f′C短＞0.8………………②
TC＝C3，C3＜4f′C短………………③
0.39＜f′变/f′C短＜0.43………………④
其中，D1是前固定组与变倍组之间的空气间隔，D2是变倍组与后固定组前的后固定光栏之间的空气间隔，D3是后固定组与补偿组之间的空气间隔，l′是补偿组最后一面与像面之间的空气间隔，TC是设计主谱线为c谱线时变焦距镜头第一面至像面的距离，C1、C2、C3是根据实际使用要求而设定的固定值，f′C短是变焦距镜头在主谱线为c谱线时的最短焦距值。
前三组元在随物距改变而进行变焦距的过程中，其出射光束趋向远焦。C1和C2的选取是由实际使用要求的物距移动范围及光学系统的结构要求而定。为了实现当物距改变时，不需进行调焦就能确保像面稳定，设计时还设定变焦距镜头在物距改变过程中其第一面至像面间的距离TC为一定值，即TC＝C3。
根据实际使用要求，被拍摄的眼虹膜目标由特定运动范围的最长物距移到最短物距时，其物像倍率应始终保持不变，以利于增加捕抓眼虹膜拍摄的时间、次数和对比性，从而提高身份识别真伪辨别的可靠性。为达到这一特定的实用要求，本发明装置对上述技术方案进行了以下改进：在物距改变而适时进行变焦的过程中，变倍组和补偿组的光学元件是按照对应的变倍补偿凸轮曲线进行同步调整的；所述变倍补偿凸轮曲线是预先根据物像光学成像规律，先粗略地逐点求出物距的位移量与对应的焦距值及物像倍率值M，然后通过不断修正D1和D3值，使物像倍率值M在改变物距的过程中趋于一致，经逐点修正后形成的变倍补偿凸轮曲线是两条非线性曲线。
为适应不同照明条件(如白光或近红外光照明)的要求，本发明装置的进一步改进在于：采用中国实用新型专利(ZL2004 20048615.3)提供的方案，将所述变焦距镜头设计为宽光谱共焦型式，即将波长为486.1nm-900nm的较宽的光谱区域范围(通常初始设计时，将其主谱线选在c谱线-656.3nm)分解成波长为486.1nm-656.3nm的可见光区域和波长为656.3nm-900nm的近红外区域，可见光区域和近红外区域的设计主谱线分别为d谱线(587.6nm)和760nm谱线，两主谱线的偏量在设置时必须满足以下条件：Td-T760nm＜6λ/(NA)2微米………………⑤。镜头按分解的两光谱区域分别进行设计，并要求它们在共一成像面上进行成像质量的评价。经反复象差平衡直至两光谱区域在共一像面都达到良好的成像质量。
较之已有技术而言，本发明的优点在于：本发明的眼虹膜模识别用变焦距镜头装置，采用机械补偿变焦结构形式的连续变焦距镜头替代目前采用的固定焦距结构的方案，克服固定焦距镜头必须不断调焦才能获得清晰图像的不足，同时采用与常规变倍补偿凸轮曲线不同的凸轮形式和设置二个控制孔径光束大小的固定光栏，确保新发明装置的物像倍率值M和像方NA值基本上不随物距变化而变化，减少图像处理运算的压力，增长采集眼虹膜图像的时机和对比性，提高系统防伪可靠性。此外，为适应不同照明条件(白光或近红外光照明)的要求，本发明变焦距镜头设计成宽光谱共焦形式。在宽光谱共焦的条件下，当空间频率为501p/mm，不同物距的各个视场的最小MTF值均大于0.3，
其中白光光谱区域的MTF值均大于0.4。

附图说明

图1为本发明眼虹膜模识别用变焦距镜头装置的光学结构示意图。图中：R1、R2、R3……依次为透镜各面的曲率半径；d1、d2、d3……依次为各透镜的厚度，D1、D2、D3依次为各透镜间的空间间隔；l′为变焦距镜头的像方后截距，上述单位均为mm；1-13依次表示13片透镜，14表示全反射镜，15表示准直聚光镜，16表示白光光源。
图2为本发明眼虹膜模识别用变焦距镜头装置的变焦距镜头采用的变倍补偿凸轮曲线示意图。
图3为本发明装置变焦距镜头在横向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方视场2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情况下，当物距为100毫米时，(a)、(b)、(c)分别表示白光区域d(F，C)、近红外区域760nm(C，900nm)、宽光谱区域C(F，900nm)条件下的MTF曲线。其中“1’、2’、3’”分别表示轴上、0.707ω和1ω的MTF曲线，MTF曲线的横坐标是：线对/mm。
图4为本发明装置变焦距镜头在横向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方视场2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情况下，当物距为250毫米时，(a)、(b)、(c)分别表示白光区域d(F，C)、近红外区域760nm(C，900nm)、宽光谱区域C(F，900nm)条件下的MTF曲线。其中“1”、2”、3””分别表示轴上、0.707ω和1ω的MTF曲线，MTF曲线的横坐标是：线对/mm。
图5为本发明装置变焦距镜头在横向倍率M＝-0.122，NA＝0.135，最大物方视场2η＝36.85mm，T＝102.32mm的情况下，当物距为500毫米时，(a)、(b)、(c)分别表示白光区域d(F，C)、近红外区域760nm(C，900nm)、宽光谱区域C(F，900nm)条件下的MTF曲线。其中“1”’、2”’、3”’”分别表示轴上、0.707ω和1ω的MTF曲线，MTF曲线的横坐标是：线对/mm。
图6是本发明眼虹膜模识别用变焦距镜头装置的光学机械外形结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：
本发明的眼虹膜模识别用变焦距镜头装置包括变焦距镜头及眼球对准部件。如图1所示为本发明提供的一种实施例构造示意图，图中构成变焦距镜头的13片透镜的材料依次为：ZF7、ZK3、ZK3、LaK2、ZK7、ZF7、LaK7、QF3、ZK7、ZK3、ZK9、ZF13、LaK12。其外形依次为：1-凸凹负透镜、2-双凸正透镜、3-凸凹正透镜、4-凸凹负透镜、5-双凸正透镜、6-双凹正透镜、7-凸凹正透镜、8-双凸正透镜、9-凹凸负透镜、10-凸凹负透镜、11-双凸正透镜、12-双凸正透镜、13-双凹负透镜。其中透镜1和透镜2、透镜5和透镜6、透镜9和透镜10、透镜12和透镜13分别组成胶合透镜。本发明装置选用的是四组元机械补偿变焦结构形式，其各组元的光焦度分别为正、负、正、正。其中透镜1至透镜3为变焦距镜头的前固定组，其合焦距设为f′前；透镜4至透镜6为变焦距镜头的变倍组，其合焦距设为f′变；透镜7至透镜8为变焦距镜头的后固定组，其合焦距设为f′后；透镜9至透镜13为变焦距镜头的补偿组，以f′补表示它的合焦距。前三组元在物距改变的过程中使其出射光线趋向远焦。镜头变焦过程中，要求前固定组与变倍组之间的空气间隔值(设为D1)和变倍组与后固定组前的光栏之间的空气间隔值(设为D2)之和为设定的固定值C1，即D1+D2＝C1；同时也要求后固定组与补偿组之间的空气间隔值(设为D3)和镜头像方后截距(设为l′)之和为另一设定的固定值C2，即D3+l′＝C2。为了在不增设调焦结构的情况下能确保像面的稳定性，变焦距镜头在物距改变过程中其第一面至像面的距离Tc始终保持不变。为了增添捕捉眼球图像的时效和对比性，利于身份识别的真伪及提高计算机图像软件处理的效率，本发明的光学装置通过求出逐点位移的物距与相应的焦距值及物像倍率值和不断修正D1和D3空气间隔值保证物像倍率M不随物距的变化而变化；同时通过在变倍组最后一面A1位置上和后固定组前面A2上分别设置固定孔径光栏，使像方的NA值基本不变。此外，为适应不同照明条件(白光或近红外光)的要求，变焦距镜头设计成宽光谱共焦型式。
图1中，本发明方案采用的眼球对准部件是由一片中心小园斑透光的全反射镜14、准直聚光镜15和白光光源16(白光光源可为LED光源)组成。
本发明眼虹膜模识别用变焦距镜头装置中的变焦距镜头和眼球对准部件的具体结构并不局限于上述实施例，其中，眼球对准部件还可采用现有的其它结构，且除了图1所示眼睛与变焦距镜头采用垂直角度入射外，也可以让眼睛与变焦距镜头以平行的角度或其它任意角度入射。此外，构成变焦距镜头的透镜的数目、材料和形状均可根据具体应用的场合来设定，但在设置时构成四组元的光学元件必须满足如下条件：
D1+D2＝C1，1.24＜C1/f′C短＜1.32………………①
D3+l＝C2，l′/f′C短＞0.8………………②
TC＝C3，C3＜4f′C短………………③
0.39＜f′变/f′C短＜0.43………………④
Td-T760nm＜6λ/(NA)2微米………………⑤
设定上述必须满足的目的是：
条件①设定的目的是保证变焦距镜头的变倍组移到长焦时不会和后固定组相碰的同时，尽量控制变倍组移至短焦时的移动量小，以利于镜头的小型化。
条件②设定的目的是在保证像面稳定的同时，使后截距有较大的空间以适应C型和CS型接口的外形结构需要。
条件③设定的目的是当物距改变时，不需进行调焦就能确保像面的稳定性，同时也起着限制镜头长度的作用。
条件④设定的目的是控制变焦距镜头变倍组的位移量，可以缩小前固定组口径，利于系统的小型化，与此同时要防止高级象差增加过多。
条件⑤设定的目的是当变焦距镜头变焦过程中，它在二个光谱区域的设计主谱线的成像面始终控制在像方景深范围内，确保像面稳定和已校正的成像质量不变。
本发明眼虹膜模识别用变焦距镜头装置的主要特征是：采用连续变焦距镜头结构(变倍比大约4倍)，替代目前采用的固定焦距结构的方案，克服固定焦距镜头随物距变化而需不断调焦才能获得清晰图像的不足。同时采用特殊的变倍机械补偿凸轮曲线结构和设置二个不同位置的固定孔径光栏，确保新发明装置的物像倍率M和像方NA值基本上不随物距变化而变化，利于减轻图像软件处理的压力，增加采集眼虹膜图像的时间和可比性，提高系统防伪的可靠性。此外，为适应不同的照明条件，新发明的变焦距镜头设计成宽光谱共焦形式。本发明提供的眼虹膜模识别用变焦距镜头装置，在物距变化范围100mm至500mm之间，最大的物高为36.55mm，T＝102.32mm，像方NA＝0.135，物像倍率m＝-0.122，空间分辨率501p/mm时，其各光谱区域、各视场的MTF值均大于0.3，其中白光区域的MTF值均大于0.4。
表1是本发明装置的实施例数据(按C谱线最短焦距进行归一化)
物距l＝4.483031～11.207581～22.415162(mm)
物高2η＝1.6632(mm)
像方FNO＝(3.5、3.57、3.64)
消色谱线C(F、d、760nm、900nm)
表1中n1、n2、n3……依次为各透镜玻璃材料的折射率；υ1、υ2、υ3……依次为各透镜对应的玻璃材料的阿贝系数。R1、R2、R3……依次为透镜各面的曲率半径；d1、d2、d3……依次为各透镜的厚度，D1、D2、D3依次为各透镜间的空间间隔；l′为变焦距镜头的像方后截距，上述单位均为mm；
表1

其中：D1+D2＝1.255249(mm)，D3+l′＝1.621961(mm)，第一面至像面距离T＝4.587038(mm)。
表2是本发明装置实例中变倍补偿曲线主要物距对应移动间隔值。
表2

表3是本发明装置实施例在不同物距的NA值及初级像差值(按C谱线最短焦距进行归一化)。
表3

归一化后的变焦距各组元的焦距值：
f′前＝2.04405，f′变＝-0.418874，f′后＝1.98423，f′补＝0.963721