专利名称：：光学成象系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及到在全反射棱镜的物平面与一象平面之间的一个光学成象系统，它主要用于指纹读出仪器，包括一个把物平面成象到象平面的光学装置，所述光学装置确定一光轴以及相应的入瞳和出瞳，安排在此光学装置的入瞳之前的全反射棱镜有一个第一面，它接受的光通过棱镜内部照亮物平面，以及另一个面，使来自物平面的反射光通过此另一面传向光学装置，物平面与光轴有一夹角，所述系统还包括一个电子图象探测器装置。这样一种指纹识别光学系统在美国专利5,187748中有描述。在此专利中，一半透明反射镜以倾斜的方位放置在全反射棱镜与光学装置之间的光路中，来自棱镜的光，被反射镜分束，所以，图象不仅能传到图象探测器，而且还可以直接观察。全反射棱镜是放置在光轴上，其物平面相对于光轴是处在倾斜的位置上。这个物平面的倾斜方位是所有利用全反射棱镜的系统所特有的。当倾斜的物平面成象到与光轴垂直延伸的象平面上时，由于来自物体相对边缘的光线到达时的程差，会产生畸变以及图象分辨率下降到不能接受的程度，只有采用复杂的透镜系统并同时选取长的物体至光学装置的距离才能加以补偿，而长的距离增加了设备的尺寸并使操作更加困难，在尺寸是至关重要的情况下，某些应用甚至是不能实现的。透镜系统的复杂性是增加成本的一个因素。程差的部分补偿可以从EP0361987A1中了解到，其中，在全反射棱镜与光学装置之间的光路上，放入另一块棱镜并在光学装置与图象探测器之间的光路上，插入一个针孔。尽管藉助这个解决办法，图象的畸变降低到5％以下，但由于光学元件数目的增加及针孔的存在，灵敏度下降了，即，需要有非常强的照明才获得一个亮度可接受的图象。本发明的目的是提供一个以上规定种类的光学成象系统，尽管物平面相对于光轴是倾斜的，但此系统能产生畸变小和高分辨率图象，并具有足够的灵敏度，此外，其几何尺寸比已知的系统要小得多。尺寸的减小对于制造小型指纹读出仪器是极其重要的。根据本发明，如果全反射棱镜相对于光轴在垂直方向上有偏移，则物平面的中心就不再在光轴上，确认以上的问题可减轻。从这个偏移的排列可以知道，图象探测器，即CCD矩阵探测器，也应当放在偏离光轴的位置上。这个位置相当于物平面成象到象平面上的位置。这个偏移排列使得更容易把握光学装置的尺寸，使由于程长的几何差引起的几何畸变降低到了可接受的水平，同时，即使物体到光学装置的距离减少了，图象仍然有高分辨率。如果物平面与光轴的夹角在45°至65°之间，并且全反射棱镜的折射率在1.5至1.85之间，就可以给出全反射的条件。在一优先选取的实施例中，全反射棱镜的第二面是一曲面，它把物平面成象到棱镜内部另一个曲面上，这另一个曲面与光轴的平均夹角大于物平面与光轴的夹角。这个曲面最好是个球面，其曲率半径的中心落在光轴上，位于光学装置入瞳的邻近区域。有了这样的设计，主要成象光线的有效程差将小于4％。为了使畸变和点扩展函数减小到最低程度，光学装置的相对孔径在f/6与f/3.5之间，珀兹伐(Petzval)和在-0.1与0.3之间。即使使用三个或四个简单透镜的光学装置，畸变也可以减小到可接受的水平，可以确定其中透镜的曲率半径、折射率、厚度以及透镜之间间隔的最佳值。按照本发明，光学成象系统的光强是高的，因此它具有足够的灵敏度，它的体积是小的，由于使用了少量光学元件，其制造成本也是低的。把系统耦连到CCD矩阵探器，并使用恰当的修正软件，这种电子图象处理方法可以修正剩余的轻微畸变。“梯形(trapezoid)”畸变的范围取决于物平面与光轴的夹角，它在4％与8％之间。此外，点扩展函数的范围在10-35μm之间，因此提供了极其清晰的图象。结合其中优先选取的实施例，现在参照实施例的附图对本发明加以描述。图1示出按照本发明光学成象系统第一个实施例的示意图装置；和图2示出另一个实施例。在图1所示的指纹成象光学系统中，棱镜2有一个全反射物平面2.2，它与光学装置3的光轴3.0有一δ＝45°的夹角。藉助于几乎准直的单色光光源1，全反射物平面2.2的照明是通过棱镜2的下表面2.1产生的。指纹是由物平面2.2上25mm×25mm的场形成的，并用点2.2.1，2.2.2，2.2.3来加以说明。上述尺寸的物场是安排在相对于光轴3.0偏移的位置上。指纹的象是由棱镜上指向光学装置3的球面3.2形成的，此球面的相对孔径为f/6，棱镜材料的折射率为n≈1.5。在此实施例中，球面2.3的曲率半径为R＝75mm。指纹上的点2.2.1，2.2.2，2.2.3在虚面2.4上生成其对应的象点2.2.1’，2.2.2’，2.2.3’，这样，棱镜2的球面2.3完成一个修正棱镜的功能。面2.4与光轴3.0的平均夹角大于物平面2.2的夹角。球面2.3的存在就能使来自指纹上极端点2.2.1，2.2.2，2.2.3发出的主光线P1，P2，P3的程长差小于4％。由球面2.3在面2.4上生成的指纹象实际上与光学装置3的珀兹伐场相一致。在此情况下，光学装置3的珀兹伐和为P＝-0.1。准对称光学装置3包括四个透镜，即聚场透镜3.1，衍射透镜3.2，衍射透镜3.3和聚场透镜3.4。珀兹伐和为-0.1的此装置在光学装置3的象面上提供了一个优质图象，象面与光轴垂直，其中图象探测器4也是安排在相对于光轴3.0偏移的位置上。图象探测器4最好是具有足够分辨率的CCD探测器。如果物平面的倾斜角为45°，则物平面2.2上，大小为25mm×25mm指纹物场中心点2.2.2的“梯形”畸变约为8％。图2示出根据本发明的成象系统的另一个实施例，其中棱镜2的全反射物平面2.2与光轴3.0的夹角为δ＝65°。棱镜2的照明是用上一实施例中相同的方法实现的。在棱镜2的全反射物平面2.2上指纹场的尺寸为25mm×25mm，此物平面相对于光学装置3的光轴3.0仍是在偏移的位置上。棱镜2的折射率为n≈1.8，指纹象通过棱镜2的球面2.3传向光学装置3。球面2.3的曲率中心点落在光轴3.0上，位于光学装置3入瞳的近邻，其曲率半径为R＝76.43mm。这个球面2.3的功能与第一实施例中的相同。按图2中的排列，来自指纹场中心点的各主要光线到象平面的有效光程长之差将小于2％，这主要是因为球面2.3的存在。在虚面2.4上所形成的指纹象能使光学装置3的珀兹伐和高达P＝0.3。在本实施例中的光学装置3只包括三个透镜，即聚场透镜3.5，衍射透镜3.6和聚场透镜3.7。光学装置3在垂直于光轴3.0的象面内提供了一个高质量图象，图象探测器4安放在象面上。相对于物平面2.2上指纹场中心点2.2.2的“梯形”畸变为±4％。点扩展函数的范围在10-35m之间，足以达到非常好的图象分辨率。图1和图2中表示的实施例对应于实际可行范围的两个极端值。在这两极端值之间有几个其他中间值的实施例可以实现，它们都是以如下性质为其特征1)棱镜2有一个偏离光学装置3中光轴3.0的物平面，棱镜2中最靠近光学装置3的面为球面2.3，此球面的曲率中心点落在光轴3.0上，位于光学装置3入瞳的附近。2)作为全反射物平面2.2与光轴3.0间倾斜角的函数，折射率n，主光线P1，P2，P3的有效光程长之差dp，珀兹伐和P，透镜数目，光学装置3的相对孔径f/No.以及“梯形”畸变量T等数值在以下表1中给出。表1</tables>为了获得质量好的图象，组成光学装置3的各透镜的焦距fi与光学装置3的组合焦距f’之间的某些关系必须遵守。在有四个透镜的实施例情况下，这关系为f3.1f′=|f3.2|f′=|f3.3|f′=f3.4f′=0,28...0,44,]]>在有三个透镜的第二个实施例情况下，其函数关系如下f3.5f′=0,5...0,8,]]>|f3.6|f′=0,35...0,55,]]>f3.7f′=0,5...0,8.]]>在分别有四个透镜和三个透镜的光学装置3的优选实施例中，表2和表3中给出了光学装置的实际参数。表2涉及有四个透镜的第一实施例，而表3指的是有三个透镜的第二实施例。在表中，Ri表示第i个面的曲率半径，其中曲面为凸时此数为正，若曲面为凹时则为负。序数i是随光源到象平面而增加的。透镜Li表示第i个透镜，di表示沿着光轴第i个透镜Li的厚度，ni表示第i个透镜Li的折射率，eij表示沿着光轴透镜Li与透镜Lj之间的间隔。权利要求1.在全反射棱镜的物平面与一象平面之间的光学成象系统，主要用于指纹读出仪器，它包括把物平面成象到所述象平面的一个光学装置，所述光学装置确定一光轴及相应的入瞳和出瞳，所述全反射棱镜安放在光学装置的入瞳之前，所述棱镜有一个接收通过棱镜内部照亮物平面的光的第一面，还有另一个面，从物平面反射的光通过此另一面后传向光学装置，该物平面与光轴之间有一夹角，所述系统还包括一个电子图象探测器装置，其特征在于所述全反射棱镜(2)的物平面(2.2)在垂直方向上偏离光轴(3.0)，所述图象探测器装置(4)在所述图象平面内也相对于光轴(3.0)在垂直方向上偏移，其偏移量相当于所述物平面的图象位置。2.如权利要求1所述的成象系统，其特征在于物平面(2.2)与光轴(3.0)的夹角在45°至65°之间，全反射棱镜(2)的折射率在1.5至1.85之间。3.如权利要求1中所述的成象系统，其特征在于全反射棱镜(2)的第二面(2.3)是一个曲面，它把物平面(2.2)成象到棱镜(2)内部的另一个曲面(2.4)上，这另一个曲面(2.4)与光轴(3.0)的平均夹角大于物平面(2.2)与光轴(3.0)的夹角。4.如权利要求1中所述的成象系统，其特征在于所述曲面(2.3)是一球面，其曲率半径落在光轴(3.0)上，位于光学装置(3)入瞳的邻近区域中。5.如权利要求2至5中任意一条所述的成象系统，其特征在于所述光学装置(3)的相对孔径在f/6与f/3.5之间，该光学装置(3)的珀兹伐和是在-0.1至0.3之间。6.如权利要求5中所述的成象系统，其特征在于光学装置(3)包括三个单透镜(3.5，3.6和3.7)，其焦距(f3.5，f3.6，f3.7)与光学装置(3)的组合焦距(f’)之间的关系为f3.5f′=0,5...0,8,]]>|f3.6|f′=0,35...0,55,]]>f3.7f′=0,5...0,8.]]>7.如权利要求6中所述的成象系统，其特征在于全反射棱镜(2)的物平面(2.2)与光轴(3.0)的夹角为65°，第二面(2.3)是一球面，其半径约在76至77mm之间，它的中心点位于光学装置(3)入瞳的中心点上。8.如权利要求6中所述的成象系统，其特征在于光学装置(3)中透镜(3.5，3.6和3.7)的曲率半径(R1…R6)，沿着光轴(3.0)测量的透镜厚度(d1，d2，d3)，透镜之间间隔(e1，2，e，2，3)以及折射率(n1，n2，n3)的数值实际上由下列表中所规定9.如权利要求5中所述的成象系统，其特征在于光学装置(3)包括四个单透镜(3.1，3.2，3.3和3.47)，其焦距(f3.1，f3.2，f3.3和f3.4)与光学装置(3)的组分焦距(f’)之间的关系为f3.1f′=|f3.2|f′=|f3.3|f′=f3.4f′=0,28...0,44,]]>10.如权利要求9中所述的成象系统，其特征在于全反射棱镜(2)的物平面(2.2)与光轴(3.0)的夹角为45°，第二面(2.3)是一球面，其半径约为75mm，它的中心点位于光学装置(3)入瞳的中心点上。11.如权利要求9中所述的成象系统，其特征在于光学装置(3)中透镜(3.1，3.2，3.3和3.4)的曲率半径(R1…R8)，沿着光轴(3.0)测量的透镜厚度(d1，d2，d3，d4)透镜之间间隔(e1，2，e2，3和e3，4)以及折射率(n1，n2，n3和n4)的数值实际上由下列表中所规定全文摘要在全反射棱镜(2)的物平面(2.2)与象平面之间的光学成象系统主要用做指纹读出仪器，它包括一个把物平面成象到象平面的光学装置(3)和一个在象平面内的电子图象探测器(4)。光学装置确定一光轴(3.0)及相应的入瞳和出瞳。全反射棱镜(2)是安放在光学装置(3)的入瞳之前。此棱镜有一个接收通过棱镜内部照亮物平面的光的第一面，以及另一个面，来自物平面的反射光通过此另一面传向光学装置。物平面与光轴有一夹角，若棱镜的折射率在1.5至1.85之间，此夹角最好取在45°至65°之间。全反射棱镜(2)的物平面(2.2)相对于光轴(3.0)在垂直方向上有偏移，图象探测器(4)也相对于光轴(3.0)在垂直方向上有偏移，其偏移量相当于所述物平面的图象位置。文档编号G02B5/04GK1152967SQ9519406公开日1997年6月25日申请日期1995年6月26日优先权日1994年7月13日发明者安德拉斯·鲍曼尼斯基,比特·卡隆,亚诺斯·塔劳塞,艾姆里·凯斯申请人:德莫·特拉德公司