用于图像获取装置的光学系统的制作方法
本文公开的本发明实施方式涉及用于图像获取装置的光学系统。
背景技术：
作者为a.k.jain、a.ross和s.prabhakar的“anintroductiontobiometricrecognition”，ieeetrans.circuitssyst.videotechnol.，第14卷，2004年一文公开了眼睛的虹膜是近乎理想的生物辨识特征(biometric)。通常，虹膜的图像最好在使用红外(ir)照明(通常在700-900nm范围内的近红外(nir))的专用成像系统中获取，并且眼睛与获取相机对准。然而，支持从移动人员获取虹膜数据的系统是已知的，例如在作者为j.rmatey、o.naroditsky、k.hanna、r.kolczynski、d.j.lolacono、s.mangru、m.tinker、t.m.zappia和w.y.zhao的“irisonthemove：acquisitionofimagesforirisrecognitioninlessconstrainedenvironments”，proc.ieee，第94卷，2006年一文中所公开的。其使用专门的照明并且需要人们沿着指定路径行走，其中在受控照明条件下获取多个连续虹膜图像。该系统被建议用于机场，其中在机场环境下虹膜信息正在被越来越多地用于验证乘客身份。
作者为daugman.j的“howirisrecognitionworks”，ieeetransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology，14(1),21-30，2004年一文公开了为了正确地识别虹膜，虹膜图案需要延伸跨越图像的至少80个像素。其他研究表明，虹膜图案可能需要延伸跨图像的高达200个像素，以进行可靠的虹膜识别。
对于具有70度的视场(fov)的典型的8百万像素(mp)相机，假定波长为550nm(靠近可见光谱的中心)并且对象面部在约250mm的距离处，其能够表明，直径为12mm的典型虹膜将延伸跨越80个像素的最小分辨率，并且因此可以满足用于识别的所需标准。然而，当在900nm的nir波长处应用相同的计算时，能够看到，分辨率降低到约50个像素。因此，虽然8mp的典型图像传感器可能在可见波长下分辨虹膜，但是传感器在nir波长处将不是最佳的。
这些计算表明，在消费者设备中实现虹膜识别将需要将可移动nir滤光器添加到针对可见光和nir图像捕获二者而优化的成像系统，或者替代地，需要提供用于虹膜图像获取的专用成像系统。显然，这些解决方案将增加这种设备的成本，使得实施成本太高，特别是在消费者设备中实施时。
如将理解的，在诸如智能电话的消费者设备上实现虹膜成像(特别是用于识别的目的)的获取挑战包括：(i)虹膜是位于湿的、弯曲的反射性表面上的相对小的目标；(ii)由于眼睑和睫毛而发生闭塞；(iii)镜面反射阻挡虹膜图案的一些部分；(iv)虹膜图案对nir照射最敏感；(v)可见光可以扭曲基本虹膜图案，特别是在暗色素虹膜中；以及(vi)图像获取需要用户高度合作等。
现有技术包括us6870690，其描述了用于进行两个不同光波段(例如可见和红外)的成像的单个光学系统，该两个不同的光波段在变焦和/或聚焦方面具有相同的可能调整。双波段单透镜(singlet)由第一较大的光学元件形成，该第一较大的光学元件适于在第一光波段的光上操作，并且具有从其切取的孔径。适合于在第二光波段的光上操作的较小元件被固定在通过较大光学元件所切取的孔径中或该孔径的任一侧上，从而形成可在两个不同波段上操作的双波段单透镜。双波段透镜、透镜元件和具有切出的孔径的透镜的组合用于形成双波段光学系统，该双波段光学系统包括具有双波段聚焦和变焦的系统。
us8059344描述了一种光学透镜系统，其将第一波段和第二波段聚焦到公共焦平面上。该系统使用了透镜分割，其中由第二材料制成的第二区域不同于第一材料，并且被成形为将第二波段部分地聚焦到焦平面上。
us6870690和us8059344中的每一个是相似的，因为它们包括被设计成聚焦第一组波长的环形外透镜区域和被设计成聚焦第二组波长的内透镜区域。这种双部件结构涉及复杂的制造和组装，因此包括在消费者电子设备中将是非常昂贵的。还应当注意，在us8059344中，内透镜不透射外部区域的波长，因此在透镜的中心处存在盲点。
us7881603描述了一种用于与诸如相机的电子成像设备一起使用的二向色滤光器。二向色滤光器位于主成像透镜中，并且可以允许所有光通过第一部分并且由光传感器测量，同时限制可见光的至少一些部分通过其第二部分。以这种方式，只有通过第二部分的可见光的不受限制部分可以由光传感器的相关联的像素测量。
us2010/0066854描述了一种包括成像系统的相机，该成像系统具有用于一种或多种第一颜色的第一景深以及用于一种或多种第二颜色的小于第一景深的第二景深。该成像系统可以包括虹膜，虹膜具有用于一种或多种第一颜色的第一孔径以及用于一种或多种第二颜色的大于第一孔径的第二孔径。第一孔径可以由外部不透明环(1)限定，第二孔径可以由内部色环(2)限定。内环(2)阻挡第一颜色并使第二颜色通过。由第一颜色形成的图像更清晰，并且其清晰度可以通过图像处理置换到其它图像。
然而，us7881603和us2010/0066854中的每一个仅涉及处理可见波长。
在us8294808中，提供了一种用于获得场景的两个图像的双视场光学成像系统，每个图像具有不同的视场。该双视场光学成像系统包括前双焦透镜和检测器，该双焦透镜具有：焦距为f1的中心区域，其在第一焦平面处产生宽视场图像；以及焦距为f2(f2大于f1)的周边区域，其在第二焦平面产生窄视场图像；检测器用于检测和获取所述宽视场图像和所述窄视场图像，并且检测器能够沿着光学路径移动以便选择性地定位在所述第一焦平面或所述第二焦平面处。
us2013/0033579公开了处理多孔径图像数据，包括(i)通过同时地使用至少第一孔径将成像系统中的图像传感器曝光于与电磁谱的至少第一部分相关联的谱能量以及(ii)使用至少第二孔径将成像系统中的图像传感器曝光于与电磁谱的至少第二部分相关联的谱能量，来捕获与一个或多个物体相关联的图像数据；(iii)生成与所述电磁谱的所述第一部分相关联的第一图像数据以及与所述电磁谱的所述第二部分相关联的第二图像数据；以及(iv)基于所述第一图像数据的至少一个区域中的第一清晰度信息和所述第二图像数据的至少一个区域中的第二清晰度信息，生成与所述捕获图像相关联的深度信息。
us2013/0113988公开了形成场景的图像，包括通过使用一个孔径将图像传感器曝光于来自em谱的一部分的辐射并且使用具有不同于第一孔径的尺寸的另一个孔径将图像传感器曝光于来自em谱的另一部分的辐射而捕获场景的图像。与捕获图像同时地，用来自em谱的第二部分的辐射照亮场景。然后基于来自em谱的第一部分的辐射产生的图像数据和来自em谱的第二部分的辐射产生的图像数据形成图像。
us8294808、us2013/0033579和us2013/0113988中的每一个都要求电磁谱的两个不同区域被聚焦到不同深度。
最后，us2012/0242857公开了一种用于依赖于半孔径滤光来增加相机透镜中的景深的系统。该成像系统具有孔径，所述孔径具有第一区域和第二区域，所述第一区域被布置成至少使第一频带中的光辐射通过并且基本上阻挡第二频带中的光辐射，所述第二区域被布置成至少使第二频带中的光辐射通过，第一区域的中心不与第二区域的中心重叠。
本文公开的实施例提供了一种用于图像获取装置的光学系统，该图像获取装置能够用可简单生产的透镜组件在单个传感器上进行可见光图像和近红外图像两者的成像。
技术实现要素：
在一个实施例中，提供了一种根据权利要求1所述的用于图像获取装置的光学系统。
本发明的实施例提供一种用于将可见光谱区域和近红外(nir)光谱区域两者聚焦到多波长传感器上的光学系统，其中nir辐射具有比可见光孔径更大的孔径和更窄的视场。
本发明的实施例使得场景的两个图像能够在单个或公共(焦点)焦面处基本上同时获得。
在对于为了虹膜识别的目的获取图像的相关物距处，通常在200mm-250mm的区域内，光学系统可以在与nir波段的视场相当的视场上产生可见波长的图像，包括提供与可见光感测像素的空间分辨率相似(或者如果需要，甚至更高)的nir感测像素的空间分辨率。
使用本发明的这些实施例，一般的消费者相机能够获取包括具有充分延伸的虹膜图案的面部的场景的nir图像，以使得甚至例如在滤色器阵列(cfa)型传感器正在被使用时(这时在比可见图像相对较少的像素上感测nir图像)也能够执行生物识别。
在一些实施例中，光学系统包括具有允许nir辐射通过的滤光器的前聚光透镜。聚光透镜的整个区域通过大孔径(低f数)聚集nir辐射。滤光器包括中心孔径，使得可见光波长只能通过中心区域并以较小的孔径(较高的f数)聚集。聚光透镜和透镜组件的其他元件被设计成使得nir辐射从比可见光的fov(例如60至65的弧度)更窄的fov(例如20的弧度)获得——这两者都被聚焦在同一焦面上，并且所得到的图像由多波长传感器(诸如改进的cfa型传感器)获取。
本发明的实施例提供一种用于诸如智能电话之类的消费者设备的光学系统，其包括透镜组件，该透镜组件可以使用塑料模制工艺制造，同时提供足够的光学质量以使得能够获取场景的可见图像和红外图像两者。
本发明的实施例对透镜组件的每个模制的光学部件使用一个片，其中每个透镜部件包括单一材料。
因此，虽然每个透镜元件是旋转对称和同质的，但是应当理解，在一些应用中，可以根据应用要求采用沿着光轴具有梯度指数的透镜。
附图说明
现在将参照附图通过示例来描述本发明的实施例，其中在所有附图中相同的附图标记表示相应的特征：
图1示意性地示出了根据一个实施例的用于图像获取装置的光学系统；
图2更详细地示出了根据一个实施例的光学系统；
图3概示了图2的光学系统的光学特性；
图4示出了图2的光学系统的元件的材料系数和测量的示例性集合；
图5示出了图2的光学系统的透镜元件的非球面系数的示例性集合；以及
图6示出了本发明的一个实施例，其包括偏振器以减轻来自遮挡虹膜图像的眼镜的眩光的问题。
具体实施方式
现在参考图1，示意性地示出了根据本发明实施例的用于图像获取装置的光学系统100。
光学系统100包括滤光器102、透镜组件104和图像传感器106。在图1中，包括一对眼睛112(仅示出一个)的面部110位于距包括光学系统100的图像获取装置的物距do处(从下面的公开内容可以理解，图1不是按比例绘制的)。
在该实施例中，滤光器102被结合在提供光谱过滤的前保护窗中，其中可见光仅透射通过中心区域，并且ir光透过整个光学孔径。
滤光器102包括透射可见波长和近红外波长两者的中心孔径102-1。滤光器102还包括外围区域102-2，外围区域102-2阻挡包括从500nm到600nm的波长的可见波长并使得红外波长——通常是大于800nm的波长通过。外围区域102-2可以具有环形形状。在一些实施例中，外周直径选择为在内径的大约1.5至1.6倍之间。在一些实施例中，外周直径与内径之间的比率可以基本上与感兴趣的红外波长与感兴趣的可见波长之间的比率相同。
可以在本发明的一些实施例中使用的图像传感器106的示例是来自kodak的rgbw型传感器，通常被称为滤色器阵列(cfa)。cfa中的像素通常布置如下：
wbwg……
bwgw……
wgwr……
rwrw……
上面标记为w、r、g、b的像素分别对可见光(以及ir光)、红光、绿光和蓝光敏感。注意，在它们的原始形式中，cmos传感器的硅像素元件在跨可见光谱并且到nir光谱范围对1000nm及1000nm以上的波长敏感。因此，在默认情况下，传感器阵列中的白色像素对ir波长敏感。此外注意，在比可见光相对较少的像素上感测nir光。
在该实施例中，传感器106具有一般对于智能相机而言的延伸约5.2mm的对角线，但是应当理解，传感器尺寸和像素密度可以根据应用要求而变化。
在第一种方法中，rgbw型传感器的“白色”像素可以覆盖有光学带通滤光器，使得它们仅对例如在850nm附近的ir波长的窄带敏感。
在第二种方法中，“白”像素保持未处理，因此对可见波长以及nir敏感。除了允许下面更详细描述的nir增强图像获取之外，该方法还可以使用白色像素的附加可见照明信息，以允许来自“白色”像素的数据提供用于增强从rgb像素获取的常规可见图像的输入，如在转让给同一申请人的us8264576中所描述的。然而，从这样的白色像素提取的虹膜图案的质量将趋向于比采用第一种方法的实施例较不精细和可靠。
在图2所示的第三种方法中，单独的滤光器108置于透镜组件104和传感器106之间。该滤光器被设计成使400nm至650nm范围内的rgb光以及中心在850nm的区域的窄带中的ir光通过。因此，滤光器阻挡850nm至可见光波长之间的nir带中的光，从而避免由滤光器102中的不连续性导致的泄漏和干扰。
在每种方法中，结合了光学系统100的图像获取装置还可以包括nirled(未示出)，或者可以使用等效的特定波长照明源来加强白色像素的nir响应。
此外，在上述每种情况下，nir敏感像素都独立于rgb像素被“计时(clocked)”，使得处理连接到传感器的流水线(未示出)的图像获取装置可以彼此独立地获取可见光和nir图像。应当理解，利用光学系统100，从通常是可见光的2.25至2.7倍的更大的收集区域收集ir光，这有助于减少使用ir光对虹膜成像的曝光时间。另外，使用nir闪光灯进行虹膜成像有助于进一步缩短曝光时间，从而使由于物体运动而导致的任何可能的图像模糊减至最小。
再次参考图2，在本发明的一些实施例中，采用4透镜组件104。然而，应当理解，在实施例的变型中，可以使用更少或更多的透镜元件，使用更少的透镜元件限制了图像质量，而使用更多的透镜元件虽然成本更高，但潜在地改善了质量。
透镜元件包括孔径组，该孔径组包括紧邻滤光器102设置的前聚光凸透镜104-1。在所示的实施例中，透镜104-1包括在透镜104-1的最接近光轴114的中心部分中的弯月形，其中物侧表面(表面3)为凸面。此外，透镜104-1的表面4是以非球面拐点为特征的非球面。在透镜104-1的中心区域中，表面4是凹形的。因此，表面4随着距光轴114的半径增加而朝像侧(朝向传感器106)弯曲。然而，随着从光轴114朝向透镜104-1的周边的半径进一步增加，表面4改变方向并朝向物侧(背向传感器106)弯曲，从而形成非球面拐点。
在所示的实施例中，滤光器102被示出为与透镜组件104独立的平面元件。然而，在本发明的变型中，包括用于可见和ir成像系统的孔径光阑的滤光器可以被提供为聚光透镜104-1的前表面(表面3)上的涂层。
与聚光透镜104-1成对的凹透镜104-2被设置为与透镜104-1相邻，并与滤光器102相对。在所示的实施例中，透镜104-2包括双凹面形，其中两个表面(表面5和表面6)均为非球面形。
位于孔径组104-1、104-2和传感器106之间的透镜104-3和104-4用作场整平器，其中透镜组件104作为整体提供没有光学像差的消色差的可见光图像和窄带ir图像。在所示的实施例中，透镜104-3包括弯月形，其中物侧表面(表面7)是凸起的，并且两个表面(表面7和表面8)都是非球面形的。在所示的实施例中，透镜104-4包括在最接近光轴114的透镜104-4的中心部分中的弯月形，其中物侧表面(表面9)在光轴114附近凸起。此外，透镜104-4的物侧(表面9)和像侧(表面10)是以非球面拐点为特征的非球面。
在所示的实施例中，组件104的每个透镜由对可见光和nir波长透光的材料制成，并且不需要透镜分割。例如，透镜不包括不同材料的环形插入件，并且除了任何非球面拐点之外，透镜表面在它们的中心和它们的外围之间没有间断。
如上所述，滤光器元件108设置在透镜组件104和传感器元件106之间。
从下面计算的特性可以看出，透镜104-1至104-4的光学要求允许透镜由适于光学应用的常规类型的模制塑料制成整体部件。因此，除了添加滤光器102和可能的滤光器108之外，可以制造与通常在智能手机的相机中使用并且使用类似的制造方法的常规光学系统相似的成本的光学系统。
在本发明的一个实施例中，滤光器102被选择为内孔径102-1的直径为dvis＝1.70mm并且外孔径的直径为1.6倍大，即dir＝2.72mm。该直径比选择为大约等于相关中心nir波长λir＝860nm与可见光谱的中心波长λvis＝540nm的比率。在本实施例中，内孔径102-1是用于透镜组件104的可见成像功能的主孔径光阑，并且滤光器102的外围区域102-2的外周是用于透镜组件104的nir成像功能的孔径光阑。
两种模式(可见光和ir)的焦距选择为
在传感器106对角地延伸5.2mm并且焦距为f＝4.65的情况下，距离do＝200mm处的物体的横向放大率等于m＝do/f＝43倍。这使得能够由包括光学系统100的图像获取装置捕获面部的图像，以便基于可见面部特征和包括虹膜图案的ir特征来读取生物辨识特征。
在光学系统被结合在诸如移动电话之类的手持设备中的情况下，图像可以被获取为由希望为了对在该设备上运行的应用或者实际上是与该设备通信的远程应用进行识别和认证的目的而对本人进行识别的用户所拍摄的“自拍照”。
在提供光学系统以使得用户能够通过自拍识别或认证本人的情况下，将理解的是，虹膜部分将可能仅占据nir图像的有限中心区域。在一些实施例中，在对nir图像的外围区域不感兴趣并且在外围区域处的nir光可能不利地干扰可见图像时，传感器106或滤光器108的外围区域可以设置有附加的环形ir滤光层，以从传感器周边截止ir并且提供相对于约60度的可见视场的例如10至20度的有效nir视场。
由于不同波长模式的焦距近似等于
rairy＝12.22λf/d(1)
滤光器102的内孔径102-1、透镜系统104、滤光器108和传感器106提供在60度视场(图1中的α*2)下以f数＝fvis/dvis＝f/2.73工作的标准型相机光学系统。由滤光器部分102-1和102-2提供的较宽的孔径延伸了前两个透镜104-1和104-2的光学直径，以提供更快的f数＝fir/dir＝f/1.76nir成像系统(模式)，但具有较窄的视场，通常为20度(图1中的β*2)。
孔径组透镜104-1、104-2以及实际上透镜104-3和104-4的环形外部区域使得能够优化同时形成在传感器106上的可见光图像和ir图像的焦点位置。这通过将环形外部区域处的透镜成形为使得球面像差减小轴向颜色效应而实现。
图3总结了上述光学系统的光学特性和要求。
图4示出了针对图3的要求计算的图2的光学系统104的元件104-1至104-4的光学参数(对于半径、厚度和直径，单位为mm)。最左边的列是指在图2中标记为1-13的表面。
从每个透镜元件104-1至104-4的折射率和色散(阿贝数)要求可以看出，满足这些要求的材料、特别是塑料材料是容易获得的。一些示例性的塑料光学级材料包括pmma(甲基丙烯酸甲酯树脂)、pc(聚碳酸酯树脂)和cop(环烯烃聚合物)。用于成像透镜的光学级塑料材料的一些示例性供应商包括osakagaschemicals和mitsuichemicals,inc。作为用于每个滤光器102和108的合适的衬底材料标示的n-bk7是可从北美schott公司购得的光学玻璃。
透镜元件104的表面的曲率由高阶非球面系数定义。通过下面的公式(2)描述具有顶点曲率半径r、圆锥常数k和在高度h处的凹陷z的均匀非球面：
图5示出了对于图2中标记为4-10的每个表面计算的示例性非球面系数值。
应当理解，图2所示的特定透镜布置以及图3至图5所示的透镜的特性仅用于示例性目的，并且本发明不应被认为限于这些值中的任何特定的一个。可以为包括不同数量的透镜元件的透镜组件确定类似的特性；或者实际上可以采用4透镜组件的上述特性的变型。例如，可以使用具有不同折射率和/或阿贝数的不同透镜材料，从而产生不同的透镜表面形状。
总结上述公开内容，可见光通过孔径的中心圆形区域，而nir光，特别是800nm至900nm波长之间的nir光穿过整个无遮挡的孔径。两个图像以在指定的焦距和相关物距处的相似放大率同时聚焦在同一个传感器上。
圆形孔径没有中心遮挡，这使得调制传递函数(mtf)曲线保持在高水平或接近完美的水平，特别是对于场的中心部分而言。
波长滤光也可以在图像传感器处发生，特别是在不需要残余ir光(在nir带(如果感兴趣的话)外)的情况下。尽管如此，传感器仍然可以用作可见波长的正常传感器。
nir成像在相对窄的视场(通常约20度)上通过没有中心遮挡的整个孔径进行。
在可见成像模式和nir成像模式之间没有严格的分离；在孔径的中心区域中，可见光路和nir光路重叠。
当从中心到外部区域时，透镜表面没有不连续性。
光学系统同时提供可见光波段和nir波段中的清晰图像；记住：nir图像独立于可见图像被计时(clocked)，因此一个图像可以在与其他图像略微不同的时间从图像传感器进行读取。
可见光和nir中的图像位置重合，以防止轴向颜色散焦。
可见光和nir中的图像放大率在指定焦距和相关物距(在这种情况下为大约200mm-250mm)处基本相似，以提供容易的虹膜对准。因此，例如，可以使用可能正在跟踪可见波长图像流中的对象面部特征的面部识别软件来定位在所获取的相同场景的nir图像内的虹膜图案(或反之亦然)。
由于对于nir成像具有较大的孔径直径，所以可见光和nir中的空间图像分辨率在指定的焦距处是相似的。
因此，光学系统允许在具有恒定角放大率和不变的空间分辨率的单个传感器上同时在可见光波段和近红外光波段对物体进行成像。
尽管已经关于平面图像传感器描述了所示的实施例，但是可以看出，这些实施例的变型可以包括具有非平面传感器表面的弯曲图像传感器，其中可见光图像和nir图像同时聚焦在该非平面传感器表面上。
虽然以上已经关于用于智能手机型相机的透镜描述了光学系统，并且这些光学系统通常与这种设备集成，但是应当理解，在本发明的其他实施例中，光学系统可以被提供为用于通用图像获取装置的分立的透镜附件。
现在参考图6，将理解，上述光学系统的共同应用是用于获取ir图像以用于基于虹膜的识别，通常用于验证设备的用户。然而，在许多情况下，这样的用户可以配戴强烈反射ir光的眼镜80。因此，在使用ir光源82照射对象的情况下，从他们的眼镜导致的眩光能够完全遮挡对象的虹膜84。
在本发明的一些实施例中，一组线性偏振器86、88安装在ir光源82和获取装置相机模块90中的每一个的前面，其中获取装置相机模块90包括诸如前面关于图1-5所描述的光学系统。安装到ir光源82上的偏振器86和安装到相机模块90上的偏振器88的偏振轴之间的角度为90度。因此，在基于常规取向的获取装置的一个实施方式中，第一偏振器86将竖直地使光偏振，而第二偏振器88将水平地使光偏振。
这样，只要由眼镜80反射的来自ir源82的光不改变其偏振轴，则被竖直偏振的眼镜反射的光就被安装在相机模块90上的水平线性偏振器88滤除。然而，由眼睛(包括虹膜图案84)和皮肤反射的未偏振的光通过安装在相机模块90上的水平线性偏振器88，因此虹膜图案84能够由光学系统成像。
线性偏振器的替代物将是使用圆形偏振器。在这种情况下，安装在ir源82前面的偏振器将具有一个感测，而安装在相机模块90前面的偏振器将具有相反的感测。借助于圆形偏振器，可以去除来自表面的ir反射，并且它们还可以帮助改善在自然光下获取的图像的质量。因此，如果代替ir光源82使用自然光源，则安装在相机模块90前面的任何偏振器都可以机电地旋转，以便获得良好质量的图像。然而，应当理解，提供这种旋转机构将增加这种相机模块的制造成本。
对于上述实施例中的任一个，作为移动透镜104或传感器106以使得不面向相机的用户适配在距透镜的一定距离(在该距离处用户的眼睛区域将对焦)处的代替，可提供软件应用，该软件应用请求用户将装置(响应于屏幕上的反馈)移动到正确的焦距。(在这样的实施例中，相机被布置在获取装置上的与显示屏幕相同的表面上)。因此，可以从图像流中捕获对比度或高频dct系数信息，以使应用能够在捕获虹膜识别所基于的图像之前确定用户的面部何时与所述装置处于最佳距离。
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