專(zhuān)利名稱(chēng)：：光學(xué)成象系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到在全反射棱鏡的物平面與一象平面之間的一個(gè)光學(xué)成象系統(tǒng)，它主要用于指紋讀出儀器，包括一個(gè)把物平面成象到象平面的光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置確定一光軸以及相應(yīng)的入瞳和出瞳，安排在此光學(xué)裝置的入瞳之前的全反射棱鏡有一個(gè)第一面，它接受的光通過(guò)棱鏡內(nèi)部照亮物平面，以及另一個(gè)面，使來(lái)自物平面的反射光通過(guò)此另一面?zhèn)飨蚬鈱W(xué)裝置，物平面與光軸有一夾角，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)電子圖象探測(cè)器裝置。這樣一種指紋識(shí)別光學(xué)系統(tǒng)在美國(guó)專(zhuān)利5,187748中有描述。在此專(zhuān)利中，一半透明反射鏡以?xún)A斜的方位放置在全反射棱鏡與光學(xué)裝置之間的光路中，來(lái)自棱鏡的光，被反射鏡分束，所以，圖象不僅能傳到圖象探測(cè)器，而且還可以直接觀(guān)察。全反射棱鏡是放置在光軸上，其物平面相對(duì)于光軸是處在傾斜的位置上。這個(gè)物平面的傾斜方位是所有利用全反射棱鏡的系統(tǒng)所特有的。當(dāng)傾斜的物平面成象到與光軸垂直延伸的象平面上時(shí)，由于來(lái)自物體相對(duì)邊緣的光線(xiàn)到達(dá)時(shí)的程差，會(huì)產(chǎn)生畸變以及圖象分辨率下降到不能接受的程度，只有采用復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)并同時(shí)選取長(zhǎng)的物體至光學(xué)裝置的距離才能加以補(bǔ)償，而長(zhǎng)的距離增加了設(shè)備的尺寸并使操作更加困難，在尺寸是至關(guān)重要的情況下，某些應(yīng)用甚至是不能實(shí)現(xiàn)的。透鏡系統(tǒng)的復(fù)雜性是增加成本的一個(gè)因素。程差的部分補(bǔ)償可以從EP0361987A1中了解到，其中，在全反射棱鏡與光學(xué)裝置之間的光路上，放入另一塊棱鏡并在光學(xué)裝置與圖象探測(cè)器之間的光路上，插入一個(gè)針孔。盡管藉助這個(gè)解決辦法，圖象的畸變降低到5％以下，但由于光學(xué)元件數(shù)目的增加及針孔的存在，靈敏度下降了，即，需要有非常強(qiáng)的照明才獲得一個(gè)亮度可接受的圖象。本發(fā)明的目的是提供一個(gè)以上規(guī)定種類(lèi)的光學(xué)成象系統(tǒng)，盡管物平面相對(duì)于光軸是傾斜的，但此系統(tǒng)能產(chǎn)生畸變小和高分辨率圖象，并具有足夠的靈敏度，此外，其幾何尺寸比已知的系統(tǒng)要小得多。尺寸的減小對(duì)于制造小型指紋讀出儀器是極其重要的。根據(jù)本發(fā)明，如果全反射棱鏡相對(duì)于光軸在垂直方向上有偏移，則物平面的中心就不再在光軸上，確認(rèn)以上的問(wèn)題可減輕。從這個(gè)偏移的排列可以知道，圖象探測(cè)器，即CCD矩陣探測(cè)器，也應(yīng)當(dāng)放在偏離光軸的位置上。這個(gè)位置相當(dāng)于物平面成象到象平面上的位置。這個(gè)偏移排列使得更容易把握光學(xué)裝置的尺寸，使由于程長(zhǎng)的幾何差引起的幾何畸變降低到了可接受的水平，同時(shí)，即使物體到光學(xué)裝置的距離減少了，圖象仍然有高分辨率。如果物平面與光軸的夾角在45°至65°之間，并且全反射棱鏡的折射率在1.5至1.85之間，就可以給出全反射的條件。在一優(yōu)先選取的實(shí)施例中，全反射棱鏡的第二面是一曲面，它把物平面成象到棱鏡內(nèi)部另一個(gè)曲面上，這另一個(gè)曲面與光軸的平均夾角大于物平面與光軸的夾角。這個(gè)曲面最好是個(gè)球面，其曲率半徑的中心落在光軸上，位于光學(xué)裝置入瞳的鄰近區(qū)域。有了這樣的設(shè)計(jì)，主要成象光線(xiàn)的有效程差將小于4％。為了使畸變和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)減小到最低程度，光學(xué)裝置的相對(duì)孔徑在f/6與f/3.5之間，珀茲伐(Petzval)和在-0.1與0.3之間。即使使用三個(gè)或四個(gè)簡(jiǎn)單透鏡的光學(xué)裝置，畸變也可以減小到可接受的水平，可以確定其中透鏡的曲率半徑、折射率、厚度以及透鏡之間間隔的最佳值。按照本發(fā)明，光學(xué)成象系統(tǒng)的光強(qiáng)是高的，因此它具有足夠的靈敏度，它的體積是小的，由于使用了少量光學(xué)元件，其制造成本也是低的。把系統(tǒng)耦連到CCD矩陣探器，并使用恰當(dāng)?shù)男拚浖?，這種電子圖象處理方法可以修正剩余的輕微畸變?！疤菪?trapezoid)”畸變的范圍取決于物平面與光軸的夾角，它在4％與8％之間。此外，點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的范圍在10-35μm之間，因此提供了極其清晰的圖象。結(jié)合其中優(yōu)先選取的實(shí)施例，現(xiàn)在參照實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明加以描述。圖1示出按照本發(fā)明光學(xué)成象系統(tǒng)第一個(gè)實(shí)施例的示意圖裝置；和圖2示出另一個(gè)實(shí)施例。在圖1所示的指紋成象光學(xué)系統(tǒng)中，棱鏡2有一個(gè)全反射物平面2.2，它與光學(xué)裝置3的光軸3.0有一δ＝45°的夾角。藉助于幾乎準(zhǔn)直的單色光光源1，全反射物平面2.2的照明是通過(guò)棱鏡2的下表面2.1產(chǎn)生的。指紋是由物平面2.2上25mm×25mm的場(chǎng)形成的，并用點(diǎn)2.2.1，2.2.2，2.2.3來(lái)加以說(shuō)明。上述尺寸的物場(chǎng)是安排在相對(duì)于光軸3.0偏移的位置上。指紋的象是由棱鏡上指向光學(xué)裝置3的球面3.2形成的，此球面的相對(duì)孔徑為f/6，棱鏡材料的折射率為n≈1.5。在此實(shí)施例中，球面2.3的曲率半徑為R＝75mm。指紋上的點(diǎn)2.2.1，2.2.2，2.2.3在虛面2.4上生成其對(duì)應(yīng)的象點(diǎn)2.2.1’，2.2.2’，2.2.3’，這樣，棱鏡2的球面2.3完成一個(gè)修正棱鏡的功能。面2.4與光軸3.0的平均夾角大于物平面2.2的夾角。球面2.3的存在就能使來(lái)自指紋上極端點(diǎn)2.2.1，2.2.2，2.2.3發(fā)出的主光線(xiàn)P1，P2，P3的程長(zhǎng)差小于4％。由球面2.3在面2.4上生成的指紋象實(shí)際上與光學(xué)裝置3的珀茲伐場(chǎng)相一致。在此情況下，光學(xué)裝置3的珀茲伐和為P＝-0.1。準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)裝置3包括四個(gè)透鏡，即聚場(chǎng)透鏡3.1，衍射透鏡3.2，衍射透鏡3.3和聚場(chǎng)透鏡3.4。珀茲伐和為-0.1的此裝置在光學(xué)裝置3的象面上提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)圖象，象面與光軸垂直，其中圖象探測(cè)器4也是安排在相對(duì)于光軸3.0偏移的位置上。圖象探測(cè)器4最好是具有足夠分辨率的CCD探測(cè)器。如果物平面的傾斜角為45°，則物平面2.2上，大小為25mm×25mm指紋物場(chǎng)中心點(diǎn)2.2.2的“梯形”畸變約為8％。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的成象系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，其中棱鏡2的全反射物平面2.2與光軸3.0的夾角為δ＝65°。棱鏡2的照明是用上一實(shí)施例中相同的方法實(shí)現(xiàn)的。在棱鏡2的全反射物平面2.2上指紋場(chǎng)的尺寸為25mm×25mm，此物平面相對(duì)于光學(xué)裝置3的光軸3.0仍是在偏移的位置上。棱鏡2的折射率為n≈1.8，指紋象通過(guò)棱鏡2的球面2.3傳向光學(xué)裝置3。球面2.3的曲率中心點(diǎn)落在光軸3.0上，位于光學(xué)裝置3入瞳的近鄰，其曲率半徑為R＝76.43mm。這個(gè)球面2.3的功能與第一實(shí)施例中的相同。按圖2中的排列，來(lái)自指紋場(chǎng)中心點(diǎn)的各主要光線(xiàn)到象平面的有效光程長(zhǎng)之差將小于2％，這主要是因?yàn)榍蛎?.3的存在。在虛面2.4上所形成的指紋象能使光學(xué)裝置3的珀茲伐和高達(dá)P＝0.3。在本實(shí)施例中的光學(xué)裝置3只包括三個(gè)透鏡，即聚場(chǎng)透鏡3.5，衍射透鏡3.6和聚場(chǎng)透鏡3.7。光學(xué)裝置3在垂直于光軸3.0的象面內(nèi)提供了一個(gè)高質(zhì)量圖象，圖象探測(cè)器4安放在象面上。相對(duì)于物平面2.2上指紋場(chǎng)中心點(diǎn)2.2.2的“梯形”畸變?yōu)椤?％。點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的范圍在10-35m之間，足以達(dá)到非常好的圖象分辨率。圖1和圖2中表示的實(shí)施例對(duì)應(yīng)于實(shí)際可行范圍的兩個(gè)極端值。在這兩極端值之間有幾個(gè)其他中間值的實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)，它們都是以如下性質(zhì)為其特征1)棱鏡2有一個(gè)偏離光學(xué)裝置3中光軸3.0的物平面，棱鏡2中最靠近光學(xué)裝置3的面為球面2.3，此球面的曲率中心點(diǎn)落在光軸3.0上，位于光學(xué)裝置3入瞳的附近。2)作為全反射物平面2.2與光軸3.0間傾斜角的函數(shù)，折射率n，主光線(xiàn)P1，P2，P3的有效光程長(zhǎng)之差dp，珀茲伐和P，透鏡數(shù)目，光學(xué)裝置3的相對(duì)孔徑f/No.以及“梯形”畸變量T等數(shù)值在以下表1中給出。表1</tables>為了獲得質(zhì)量好的圖象，組成光學(xué)裝置3的各透鏡的焦距fi與光學(xué)裝置3的組合焦距f’之間的某些關(guān)系必須遵守。在有四個(gè)透鏡的實(shí)施例情況下，這關(guān)系為f3.1f′=|f3.2|f′=|f3.3|f′=f3.4f′=0,28...0,44,]]>在有三個(gè)透鏡的第二個(gè)實(shí)施例情況下，其函數(shù)關(guān)系如下f3.5f′=0,5...0,8,]]>|f3.6|f′=0,35...0,55,]]>f3.7f′=0,5...0,8.]]>在分別有四個(gè)透鏡和三個(gè)透鏡的光學(xué)裝置3的優(yōu)選實(shí)施例中，表2和表3中給出了光學(xué)裝置的實(shí)際參數(shù)。表2涉及有四個(gè)透鏡的第一實(shí)施例，而表3指的是有三個(gè)透鏡的第二實(shí)施例。在表中，Ri表示第i個(gè)面的曲率半徑，其中曲面為凸時(shí)此數(shù)為正，若曲面為凹時(shí)則為負(fù)。序數(shù)i是隨光源到象平面而增加的。透鏡Li表示第i個(gè)透鏡，di表示沿著光軸第i個(gè)透鏡Li的厚度，ni表示第i個(gè)透鏡Li的折射率，eij表示沿著光軸透鏡Li與透鏡Lj之間的間隔。權(quán)利要求1.在全反射棱鏡的物平面與一象平面之間的光學(xué)成象系統(tǒng)，主要用于指紋讀出儀器，它包括把物平面成象到所述象平面的一個(gè)光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置確定一光軸及相應(yīng)的入瞳和出瞳，所述全反射棱鏡安放在光學(xué)裝置的入瞳之前，所述棱鏡有一個(gè)接收通過(guò)棱鏡內(nèi)部照亮物平面的光的第一面，還有另一個(gè)面，從物平面反射的光通過(guò)此另一面后傳向光學(xué)裝置，該物平面與光軸之間有一夾角，所述系統(tǒng)還包括一個(gè)電子圖象探測(cè)器裝置，其特征在于所述全反射棱鏡(2)的物平面(2.2)在垂直方向上偏離光軸(3.0)，所述圖象探測(cè)器裝置(4)在所述圖象平面內(nèi)也相對(duì)于光軸(3.0)在垂直方向上偏移，其偏移量相當(dāng)于所述物平面的圖象位置。2.如權(quán)利要求1所述的成象系統(tǒng)，其特征在于物平面(2.2)與光軸(3.0)的夾角在45°至65°之間，全反射棱鏡(2)的折射率在1.5至1.85之間。3.如權(quán)利要求1中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于全反射棱鏡(2)的第二面(2.3)是一個(gè)曲面，它把物平面(2.2)成象到棱鏡(2)內(nèi)部的另一個(gè)曲面(2.4)上，這另一個(gè)曲面(2.4)與光軸(3.0)的平均夾角大于物平面(2.2)與光軸(3.0)的夾角。4.如權(quán)利要求1中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于所述曲面(2.3)是一球面，其曲率半徑落在光軸(3.0)上，位于光學(xué)裝置(3)入瞳的鄰近區(qū)域中。5.如權(quán)利要求2至5中任意一條所述的成象系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)裝置(3)的相對(duì)孔徑在f/6與f/3.5之間，該光學(xué)裝置(3)的珀茲伐和是在-0.1至0.3之間。6.如權(quán)利要求5中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)裝置(3)包括三個(gè)單透鏡(3.5，3.6和3.7)，其焦距(f3.5，f3.6，f3.7)與光學(xué)裝置(3)的組合焦距(f’)之間的關(guān)系為f3.5f′=0,5...0,8,]]>|f3.6|f′=0,35...0,55,]]>f3.7f′=0,5...0,8.]]>7.如權(quán)利要求6中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于全反射棱鏡(2)的物平面(2.2)與光軸(3.0)的夾角為65°，第二面(2.3)是一球面，其半徑約在76至77mm之間，它的中心點(diǎn)位于光學(xué)裝置(3)入瞳的中心點(diǎn)上。8.如權(quán)利要求6中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)裝置(3)中透鏡(3.5，3.6和3.7)的曲率半徑(R1…R6)，沿著光軸(3.0)測(cè)量的透鏡厚度(d1，d2，d3)，透鏡之間間隔(e1，2，e，2，3)以及折射率(n1，n2，n3)的數(shù)值實(shí)際上由下列表中所規(guī)定9.如權(quán)利要求5中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)裝置(3)包括四個(gè)單透鏡(3.1，3.2，3.3和3.47)，其焦距(f3.1，f3.2，f3.3和f3.4)與光學(xué)裝置(3)的組分焦距(f’)之間的關(guān)系為f3.1f′=|f3.2|f′=|f3.3|f′=f3.4f′=0,28...0,44,]]>10.如權(quán)利要求9中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于全反射棱鏡(2)的物平面(2.2)與光軸(3.0)的夾角為45°，第二面(2.3)是一球面，其半徑約為75mm，它的中心點(diǎn)位于光學(xué)裝置(3)入瞳的中心點(diǎn)上。11.如權(quán)利要求9中所述的成象系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)裝置(3)中透鏡(3.1，3.2，3.3和3.4)的曲率半徑(R1…R8)，沿著光軸(3.0)測(cè)量的透鏡厚度(d1，d2，d3，d4)透鏡之間間隔(e1，2，e2，3和e3，4)以及折射率(n1，n2，n3和n4)的數(shù)值實(shí)際上由下列表中所規(guī)定全文摘要在全反射棱鏡(2)的物平面(2.2)與象平面之間的光學(xué)成象系統(tǒng)主要用做指紋讀出儀器，它包括一個(gè)把物平面成象到象平面的光學(xué)裝置(3)和一個(gè)在象平面內(nèi)的電子圖象探測(cè)器(4)。光學(xué)裝置確定一光軸(3.0)及相應(yīng)的入瞳和出瞳。全反射棱鏡(2)是安放在光學(xué)裝置(3)的入瞳之前。此棱鏡有一個(gè)接收通過(guò)棱鏡內(nèi)部照亮物平面的光的第一面，以及另一個(gè)面，來(lái)自物平面的反射光通過(guò)此另一面?zhèn)飨蚬鈱W(xué)裝置。物平面與光軸有一夾角，若棱鏡的折射率在1.5至1.85之間，此夾角最好取在45°至65°之間。全反射棱鏡(2)的物平面(2.2)相對(duì)于光軸(3.0)在垂直方向上有偏移，圖象探測(cè)器(4)也相對(duì)于光軸(3.0)在垂直方向上有偏移，其偏移量相當(dāng)于所述物平面的圖象位置。文檔編號(hào)G02B5/04GK1152967SQ9519406公開(kāi)日1997年6月25日申請(qǐng)日期1995年6月26日優(yōu)先權(quán)日1994年7月13日發(fā)明者安德拉斯·鮑曼尼斯基,比特·卡隆,亞諾斯·塔勞塞,艾姆里·凱斯申請(qǐng)人:德莫·特拉德公司