一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，至少包括用于成像的定焦鏡頭光學(xué)組件和置于該定焦鏡頭光學(xué)組件后端用以捕捉物像的像面，還包括用以增大物距、減小像距，置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件前端、后端或置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件之間的平行折射光學(xué)元件。通過該虹膜裝置可以在兼顧手機(jī)、平板等移動(dòng)客戶端手機(jī)鏡頭的基本攝像、錄像等功能的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)近距離虹膜識(shí)別功能，同時(shí)提高內(nèi)置鏡頭的成像質(zhì)量，提高整體系統(tǒng)的性能。
【專利說明】
一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于生物識(shí)別和成像領(lǐng)域，尤其涉及一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前生物識(shí)別的方法基于面部特征，例如虹膜。虹膜識(shí)別方法是通過對(duì)比即得的 虹膜像與先前虹膜像的模板識(shí)別技術(shù)，從而確定和識(shí)別該目標(biāo)。
[0003] 具體來說首先利用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)算法編碼虹膜成像數(shù)字模板，虹膜成像數(shù)字模板 與先前編碼的虹膜成像數(shù)字模板對(duì)比，用來定位配對(duì)，從而確定和識(shí)別目標(biāo)。相應(yīng)的虹膜識(shí) 別設(shè)備包括捕獲目標(biāo)虹膜的成像裝置和對(duì)比捕獲像和先前儲(chǔ)存虹膜像信息的影像處理裝 置。成像裝置和影像處理裝置可以是分離設(shè)備或者組合設(shè)備。
[0004] 隨著人類對(duì)私密性及安全性的重視，在手機(jī)、平板電腦或者筆記本等移動(dòng)客戶端 設(shè)備中迫切地需要添加虹膜識(shí)別裝置。然而，眾所周知，手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)客戶端設(shè)備 鏡頭一般為通用鏡頭，主要用于拍攝景物和人。與生物識(shí)別的虹膜成像完全不一樣。給定虹 膜尺寸，手機(jī)、平板等移動(dòng)客戶端設(shè)備鏡頭特定的傳感器的像素尺寸，給定物距(虹膜距離 虹膜識(shí)別裝置位置固定），配置該鏡頭去捕獲在像空間有合適虹膜半徑的虹膜像，特定的捕 捉區(qū)域限定了虹膜成像的識(shí)別距離（一般該距離遠(yuǎn)小于攝影距離）。根據(jù)長期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)于手機(jī)內(nèi)置定焦成像裝置，用于虹膜成像的成像設(shè)備要求目標(biāo)虹膜在光學(xué)組件物側(cè)的 最佳移動(dòng)范圍在250mm以內(nèi)。相比之下，要求目標(biāo)物體被放置在光學(xué)裝置的光學(xué)組件物側(cè)的 250_以內(nèi)，對(duì)于攝影、錄像等移動(dòng)客戶端鏡頭模組的基本功能顯然是不合適的。
[0005] 虹膜圖像的捕捉依賴于紅外波長，而非虹膜圖像的捕捉通常利用紅外截止濾光器 件去減弱紅外光，通過可見波長到達(dá)傳感器，實(shí)現(xiàn)成像的功能。
[0006] 現(xiàn)有改變相機(jī)物面技術(shù)方案多采用變焦透鏡裝置，此時(shí)透鏡組件包括多個(gè)單獨(dú)的 透鏡，這些透鏡可以沿透鏡組件軸向滑動(dòng)，從而改變焦距和放大率。然而變焦鏡頭組價(jià)格比 較昂貴且和定焦鏡頭組相比體積較大，不適合在手機(jī)設(shè)備的內(nèi)置應(yīng)用。因此在手機(jī)、平板電 腦等移動(dòng)客戶端設(shè)備中常利用定焦鏡頭。對(duì)于定焦鏡頭，如果改變物平面，像平面也會(huì)發(fā)生 移動(dòng)。當(dāng)像平面不在傳感器表面時(shí)，這將導(dǎo)致在傳感器表面采集到離焦像。配置一個(gè)鏡頭模 組捕捉一個(gè)在虹膜像平面有合適直徑的虹膜圖像很顯然需要一個(gè)特定的目標(biāo)距離。（距離 取決于主體的虹膜需求），虹膜所在的物平面要遠(yuǎn)小于攝影物體的物平面，此時(shí)假定虹膜的 像平面就是探測器的成像表面，攝影物體的物面比虹膜物面遠(yuǎn)，根據(jù)光學(xué)成像原理，此時(shí)攝 影物體的像面位于探測器即虹膜像平面之前，因此在探測器上將形成一個(gè)彌散斑，物平面 的移動(dòng)引起像平面的移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)沒辦法由定焦系統(tǒng)補(bǔ)償。當(dāng)配置一個(gè)攝像頭在普通攝 影模式和虹膜識(shí)別模式切換時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這個(gè)問題，因?yàn)檫@兩種模式下物平面相對(duì)于光學(xué)裝 置的光學(xué)組件位置明顯不同。此時(shí)，拍攝對(duì)象去獲得適當(dāng)?shù)那逦群图?xì)節(jié)的圖像，手機(jī)設(shè)置 中內(nèi)置鏡頭不能實(shí)現(xiàn)虹膜成像與攝影、錄像等功能的綜合應(yīng)用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 鑒于手機(jī)、平板等移動(dòng)客戶端成像設(shè)備中光學(xué)透鏡組件相對(duì)傳感器不可移動(dòng)，本 實(shí)用新型提供一種有效且廉價(jià)的方法，通過插入折射光學(xué)元件(如平行平板)改變物距，實(shí) 現(xiàn)在同一物距對(duì)虹膜和攝影清晰成像的目的。前提是（1)透鏡組件焦距不變，（2)后表面透 鏡和傳感器表面之間距離不變。同時(shí)，本實(shí)用新型也說明平行平板在光路中位置的不同對(duì) 光路的同一影響。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是：
[0009] -種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，至少包括用于成像的定焦鏡頭光學(xué)組件和 置于該定焦鏡頭光學(xué)組件后端用以捕捉物像的像面，其特殊之處在于，還包括用以增大物 距、減小像距置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件前端、后端、或者所述定焦鏡頭光學(xué)組件之間的折 射光學(xué)元件。
[0010] 本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以在兼顧手機(jī)、平板等移動(dòng)客戶 端手機(jī)鏡頭的基本攝像、錄像等功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)虹膜識(shí)別，同時(shí)提高內(nèi)置鏡頭的成像質(zhì) 量，從而提高整體系統(tǒng)的性能。鑒于濾光片在鏡頭設(shè)計(jì)中應(yīng)用的普遍性，且屬于平行平板的 一種，因此本實(shí)用新型以濾光片為例，進(jìn)行例舉說明。
【附圖說明】
[0011] 圖la:無濾光片內(nèi)置手機(jī)鏡頭的光學(xué)組件示意圖；
[0012] 圖lb:無濾光片內(nèi)置手機(jī)鏡頭光學(xué)組件經(jīng)zemax軟件仿真結(jié)果圖；
[0013]圖2:無濾光片內(nèi)置攝像頭的組合光學(xué)系統(tǒng)簡圖；
[0014]圖3a:前置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭光學(xué)組件模型；
[0015]圖3b:前置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭光學(xué)組件經(jīng)過zemax的仿真數(shù)據(jù)圖；
[0016] 圖3c:前置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭的組合光學(xué)系統(tǒng)簡圖；
[0017] 圖4a:后置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭光學(xué)組件模型；
[0018]圖4b:后置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭光學(xué)組件經(jīng)過zemax的仿真數(shù)據(jù)圖；
[0019] 圖4c:后置濾光片的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置攝像頭光的組合光學(xué)系統(tǒng)簡圖。
[0020] 圖中：I、凸透鏡；II、凹透鏡；III、第二凸透鏡；IV、像面；V、折射光學(xué)元件;①、I的 第一個(gè)表面，②、I的第二個(gè)表面;③、II的第一個(gè)表面，④、II的第二個(gè)表面;⑤、III的第一 個(gè)表面，⑥、III的第二個(gè)表面；1、物方焦平面;1'、前置濾光片后的物方焦平面;2、物方主平 面;3、前置濾光片后的物方主平面;4、像方主平面，5、后置濾光片的像方主平面;6、像方焦 平面;6'、后置濾光片的像方焦平面;7(IV)、像面。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 虹膜成像的識(shí)別距離一般小于普通的智能移動(dòng)終端內(nèi)置鏡頭的攝影距離，導(dǎo)致移 動(dòng)設(shè)備的定焦攝像組件近距離拍攝時(shí)不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)普通攝像和虹膜識(shí)別的問題，為說明本 實(shí)用新型提供一種有效且廉價(jià)的方法，通過插入平行平板去改變物距，實(shí)現(xiàn)在同一物距對(duì) 虹膜和攝影清晰成像的目的，同時(shí)為了說明平行平板在光路中位置的不同對(duì)光路的同一 影響?，F(xiàn)例舉各實(shí)施例。根據(jù)高斯公式中物像之間的關(guān)系
，可知:在焦距不變的情 況下，物距增大，像距減小。像距減小，物距增大。即通過在現(xiàn)有的移動(dòng)終端設(shè)備的內(nèi)置定焦 成像光學(xué)組件中增加具有一定折射率的平行平板，以改變物距或像距，實(shí)現(xiàn)在不增加現(xiàn)有 的內(nèi)置定焦成像光學(xué)組件的尺寸的前提下改變像距或物距，最終實(shí)現(xiàn)在兼顧手機(jī)、平板等 移動(dòng)客戶端鏡頭的基本攝像、錄像等功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)虹膜識(shí)別功能。
[0022]利用zemax仿真軟件進(jìn)行仿真無濾光片的手機(jī)鏡頭模型，如圖la所示是無濾光片 的內(nèi)置手機(jī)鏡頭的光學(xué)組件(包括成像透鏡組和像面），其特點(diǎn)是具有視場角58°，焦距為 1.9mm，總長為2.26mm，相對(duì)孔徑為f/2.4的手機(jī)鏡頭。其中I為第一片鏡片，為凸透鏡，靠近 物方，①為I的第一個(gè)表面，②為I的第二個(gè)表面；II為第二片鏡片為凹透鏡，③為II的第一 個(gè)表面，④為II的第二個(gè)表面;III為第三片鏡片為凸透鏡，⑤為III的第一個(gè)表面，⑥為III 的第二個(gè)表面;IV為像面(傳感器面）。而圖lb是經(jīng)過zemax的仿真結(jié)果。
[0023] 從圖lb可知，光學(xué)主面位置為:物方:0.193410mm，像方:-1.609625mm，根據(jù)光學(xué)理 論可知，如圖2所示，任何組合光學(xué)系統(tǒng)從組成上可簡單的被看做具有一個(gè)物方主點(diǎn)H，一個(gè) 物方主平面2，一個(gè)物方焦點(diǎn)F，一個(gè)物方焦平面1，一個(gè)像方主點(diǎn)H '，一個(gè)像方主平面4、一個(gè) 像方焦點(diǎn)F'，一個(gè)像方焦平面6及像面7的系統(tǒng)，具體如圖2所示。其中AB為具有一定高度的 垂軸物體，F(xiàn)，F(xiàn)'所在處分別為物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)，過物方焦點(diǎn)F和像方焦點(diǎn)F'的垂軸平面 為物方焦平面1和像方焦平面6，QH和Q ' H '所在的平面稱為物方主平面2和像方主平面4，對(duì) 應(yīng)的H，H'分別為物方主點(diǎn)和像方主點(diǎn)，f，f'分別為物方焦距和像方焦距，其正負(fù)以主點(diǎn)為 原點(diǎn)來確定，如果從主點(diǎn)到相應(yīng)焦點(diǎn)的方向與光線方向一致則為正，反之則為負(fù)。1和1'分 別稱為物距和像距，其正負(fù)以主點(diǎn)為原點(diǎn)來確定，如果從主點(diǎn)到軸上物點(diǎn)的方向與光線方 向一致則為正，反之則為負(fù)。A'B'為物體AB經(jīng)過組合光學(xué)系統(tǒng)后所成的像。圖3c、4c是在組 合光學(xué)系統(tǒng)之前和之后分別插入具有一定折射率的平行平板（即折射光學(xué)元件V，其材質(zhì) 為光學(xué)玻璃或者光學(xué)塑料，厚度為〇. 7mm~3.0mm之間）的光路簡圖，在保持裝置前述手機(jī)鏡 頭模型的焦距和后截距不變的情況下，根據(jù)光的基本定律可知，當(dāng)前置平行平板時(shí)，物方主 平面QH和物方主點(diǎn)H發(fā)生后置，物距增大A 1，當(dāng)后置具有一定折射率的平行平板時(shí)，像方主 平面發(fā)生后置，像距減小A 1'。根據(jù)高斯公式中物像之間的關(guān)系
，可知:像距減小， 物距增大。即，無論平行平板前置、后置均可增大物距，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于手機(jī)、平板等移動(dòng)客戶 端設(shè)備在同一距離實(shí)現(xiàn)普通攝像和虹膜識(shí)別的功能的兼顧。
[0024]下邊分不同的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025] 實(shí)施例1
[0026]如圖3a所示的一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，至少包括移動(dòng)客戶端設(shè)備的 成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)由左到右依次包括折射光學(xué)元件V、凸透鏡I，凹透鏡II，第二凸透鏡 III和像面IV組成，其中，①為I的第一個(gè)表面，②為I的第二個(gè)表面;II為第二片鏡片為凹透 鏡，③為II的第一個(gè)表面，④為II的第二個(gè)表面；III為第三片鏡片為凸透鏡，⑤為III的第 一個(gè)表面，⑥為III的第二個(gè)表面；7為像面（傳感器面）。凸透鏡I、凹透鏡II、第二凸透鏡 III、像面7和平行平板V的中心點(diǎn)位于同一條直線上，其中，凹透鏡II與第二凸透鏡III的凹 面位置相反，折射元件V用以增大物距，以實(shí)現(xiàn)在較小的物距情況下，兼顧手機(jī)、平板等移動(dòng) 客戶端手機(jī)鏡頭的基本攝像、錄像等功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)虹膜識(shí)別的功能。
[0027] 圖3a所示的裝置對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖3b。對(duì)比圖3b與圖lb中主平面的位置可知， 物方主平面2的位置發(fā)生了變化，從0.193410mm變?yōu)?.616158mm，物方主平面3位置相對(duì)于 原物方主平面2位置移動(dòng)約0.423mm。當(dāng)濾光片(折射光學(xué)元件V的一種)前置時(shí)，與無濾光 片的光路相比，物距增大。圖3a所示的裝置對(duì)應(yīng)的光學(xué)簡化圖如圖3c，在該裝置前述手機(jī)鏡 頭模型的焦距和后截距不變的情況下，可知折射光學(xué)元件V前置時(shí)物距增大，從而可解決 近距離實(shí)現(xiàn)普通攝像和虹膜識(shí)別功能兼顧的問題;本實(shí)施例中折射光學(xué)元件V采用濾光片 具有以下性質(zhì)：總對(duì)物體成同等大小的正立像，物與像總在平板的同側(cè)，且虛實(shí)不一致;不 論物距為何值，像相對(duì)于物的位置總不改變，以A 1 '表示像相對(duì)于物的距離，有
[0028] 分析公式可知，A 1'彡〇,同時(shí)通過控制濾光片的厚度和選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，可以?為的選擇物距，進(jìn)而選擇合適的虹膜識(shí)別距離的同時(shí)，兼顧移動(dòng)設(shè)備的成像、攝影等基本攝 像頭功能。
[0029] 實(shí)施例2
[0030]如圖4a是將濾光片后置到手機(jī)或平板攝像頭經(jīng)過Zemax軟件處理后的仿真模型， 圖4b是仿真結(jié)果，圖4c是濾光片后置光路簡圖，其中H'為像方主點(diǎn)，H'Q'所在的平面為像方 主平面4，F(xiàn) '為像方焦點(diǎn)，6為像方焦平面，f '為像方焦距，fs '為濾光片后置時(shí)的像方焦距， 對(duì)應(yīng)的E'為濾光片后置時(shí)的像方焦點(diǎn)，5為濾光片后置時(shí)的像方主平面，6'為后置濾光片的 像方焦平面，7為像面即感光探測器接收面。A'B'，As'Bs'分別為無濾光片時(shí)的像和后置濾光 片的像。從圖4b、4c可知，后置濾光片時(shí)像距減少了，根據(jù)高斯公式中物像之間的關(guān)系
，可知:像距減小，物距增大，同時(shí)根據(jù)成像原理可知，實(shí)際點(diǎn)狀物在探測器面所形 成的像應(yīng)為一彌散斑，因此，當(dāng)像更接近探測器面時(shí)，單個(gè)像點(diǎn)的彌散斑更小，分像質(zhì)更清 晰。同時(shí)，對(duì)比圖4b與圖lb中主平面的位置，濾光片后置時(shí)，像方主平面4發(fā)生了后移，移動(dòng) 大小為0.423mm，當(dāng)濾光片后置時(shí)，與無濾光片的光路相比，像距減小，物距增大，根據(jù)濾光 片的厚度和材料的選擇可達(dá)到增大物距，解決了目前手機(jī)或平板電腦的近距離無法進(jìn)行虹 膜識(shí)別和基本攝像功能兼顧的缺陷。
[0031] 實(shí)施例3
[0032]由實(shí)施例1和2,不難得出將折射光學(xué)元件前置和后置同時(shí)實(shí)施的方案，即實(shí)施例1 和2提供的技術(shù)方案的合并，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)物距的進(jìn)一步的改變，更容易增大虹膜成像 的物距，確?，F(xiàn)有智能移動(dòng)終端設(shè)備常有的攝像、錄像等功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)虹膜識(shí)別。此外 提高內(nèi)置鏡頭的成像質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的整體性能。
[0033]上述各實(shí)施例中，折射光學(xué)元件V實(shí)現(xiàn)對(duì)物距和像距的改變，主要取決于折射光 學(xué)元件V本身的物理特性，如其材質(zhì)可以為光學(xué)玻璃或者光學(xué)塑料，折射率取值范圍是 1.47~1.94之間，特別在1.56處比較常用(如Si〇2)。厚度為0.7mm~3mm之間。
[0034]鑒于自然光的光譜分布比較寬，為同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端產(chǎn)品近距離虹膜成像和基 本的攝影、成像功能，折射光學(xué)元件V應(yīng)具備一定的濾光功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，至少包括用于成像的定焦鏡頭光學(xué)組件和置 于該定焦鏡頭光學(xué)組件后端用以捕捉物像的像面(IV)，其特征在于:還包括用以增大物距、 減小像距，置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件前端、后端或置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件之間的折 射光學(xué)元件（V)。2. -種用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，至少包括用于成像的定焦鏡頭光學(xué)組件和置 于該定焦鏡頭光學(xué)組件前端、后端后或置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件之間的折射光學(xué)元件 (V)，其特征在于:還包括用以增大物距、減少像距的至少一個(gè)折射光學(xué)元件（V)，該折射 光學(xué)元件（V)置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件前端，后端或置于所述定焦鏡頭光學(xué)組件之間。3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于:折射光學(xué)元 件（V)材質(zhì)為光學(xué)玻璃或者光學(xué)塑料。4. 如權(quán)利要求1或2所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于:折射光學(xué)元 件（V)的厚度為0.7mm~3 .Omm之間。5. 如權(quán)利要求1或2所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于:折射光學(xué)元 件（V)的折射率為1.47~1.94之間。6. 如權(quán)利要求5所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于：折射光學(xué)元件 (V)的折射率是1.56。7. 如權(quán)利要求1或2所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于:折射光學(xué)元 件（V)是平行平板。8. 如權(quán)利要求3所述的用于移動(dòng)客戶端設(shè)備的虹膜裝置，其特征在于：折射光學(xué)元件 (V)的厚度為0 · 7mm~3 · Omm之間。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK205594647SQ201620302532
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】陳平, 張艷妮
【申請(qǐng)人】蘇州思源科安信息技術(shù)有限公司