一种光学系统技术领域
本发明属于光学技术领域，具体地讲，涉及一种光学系统。
背景技术
虹膜组织是一种织物状的各色环状物，每一个虹膜都包含一个独一无二的
基于像冠、水晶体、细丝、斑点、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。与
指纹等其他几种生物特征相比，基于虹膜特征的生物识别技术具有优越性。世
界上尚未发现两个人的眼睛虹膜特征是一模一样的。虹膜识别讲技术作为一种
有效的身份认证技术，正逐步成为安全认证领域的研究重点。
双眼虹膜采集光学系统在整个虹膜图像采集装置中占据及其重要的作用，
光学系统的好坏会直接影响到虹膜的识别。权威研究机构颁布的虹膜图像标准
要求虹膜直径内至少有200个像素点，因此虹膜图像采集光学系统对虹膜图像采
集质量具有十分重要的影响。
目前，虹膜图像采集装置都是近距离或手持式的，这需要人离虹膜采集装
置很近，甚至需使眼睛贴近来采集图像，例如在中国专利CN103190143A公开的
一种近距离虹膜识别相机中，光学系统距离眼睛只有50mm的距离。此外，现有
的虹膜图像采集光学系统都在一小范围内成比较清晰的像才能识别，例如中国
专利CN104007534A公开的一种超景深可同时获取两眼虹膜图像的窄带通识别
光学系统，其由四个透镜构成，且其景深范围为300mm～400mm，该景深范围只
有100mm。
此外，中国专利CN104459944A公开的定焦长景深微型光学系统采用了五个
透镜构成，其中，第一透镜采用了高折射率的玻璃来承担很大的光焦度，第四
透镜与第五透镜构成胶合透镜，这些都增加了加工成本和加工难度。
而且，中国专利CN104007534A公开的一种超景深可同时获取两眼虹膜图像
的窄带通识别光学系统的相对孔径1：5.72，而中国专利CN104459944A公开的定
焦长景深微型光学系统的相对孔径为1：6；虽然小相对孔径保证了较大的景深
范围，但也牺牲了一定的照度。这两个专利分别公开的光学系统的视角分别为
22°和28°，二者都比较大。在这种情况下，两眼占据整个图像区域的比例较小，
会影响虹膜识别的精度。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光学系统，
从物方到像方顺序地包括：第一透镜，具有正屈光力；第二透镜，具有正屈光
力；第三透镜，具有负屈光力；第四透镜，具有正屈光力。
进一步地，所述光学系统还包括：光阑，设置于所述第二透镜与所述第三
透镜之间。
进一步地，所述第一透镜的物方表面为凹形，并且所述第一透镜的像方表
面为凸形。
进一步地，所述第二透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表
面为凹形。
进一步地，所述第三透镜的物方表面为凹形，并且所述第一透镜的像方表
面为凹形。
进一步地，所述第四透镜的物方表面为凸形，并且所述第一透镜的像方表
面为凸形。
进一步地，所述第一透镜至所述第四透镜由玻璃形成。
本发明的有益效果：本发明提供的光学系统，具有850nm的中心波长、约
12.8°的视角以及1:4的相对孔径，并且所述光学系统在533nm～813nm范围内
都可清晰成像。
附图说明
通过参照附图对示例性实施例进行的详细描述，上述和其他特点及优点将
会变得更加明显，附图中：
图1是根据本发明的实施例的光学系统的结构图；
图2示出了图1中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图；
图3示出了图1中的光学系统的球面像差的像差图；
图4示出了图1中的光学系统在物体位于650mm处的光学传递函数的曲线
图；
图5示出了图1中的光学系统在物体位于533mm处的光学传递函数的曲线
图；
图6示出了图1中的光学系统在物体位于813nm处的光学传递函数的曲线
图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细地描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同
的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的实施例。
相反，提供这些实施例使得本发明将会彻底和完整，并可完全地将本发明的范
围传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状
和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同的元件。
在下面的透镜结构图中，为了便于解释，透镜的厚度、尺寸和形状已经被
略微地夸大。
具体地讲，所述透镜结构图中示出的球面或非球面的形状仅仅是以示例的
方式示出。也就是说，球面或非球面不局限于具有示出的形状。
此外，应当注意的是，第一透镜指的是最靠近物方的透镜，第四透镜指的
是最靠近成像平面的透镜。
进一步地，应当注意的是，术语“前方”指的是从光学系统朝向物方的方
向，而术语“后方”指的是从光学系统朝向图像传感器或成像平面的方向。进
一步地，应当注意的是，在每个透镜中，第一表面指的是朝向物方的表面(或
物方表面)，第二表面指的是朝向成像平面的表面(或像方表面)。此外，应当
注意的是，所有透镜的曲率半径、厚度、OAL和BFL的数值的单位是毫米(mm)。
根据本发明的实施例的光学系统可从物方到像方顺序地包括四个透镜。
也就是说，根据本发明的实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜
20、第三透镜30、第四透镜40。
然而，根据本发明的实施例的光学系统不局限于仅包括四个透镜，如果需
要还可进一步包括其它组件。例如，所述光学系统可包括用于控制光量的光阑。
此外，所述光学系统可进一步包括截止可见光线的可见光线截止滤波器。进一
步地，所述光学系统可进一步包括图像传感器，用于将对象的图像转换成电信
号。进一步地，所述光学系统可进一步包括调整透镜之间的间隔的间隔保持件。
构成根据本发明的实施例的光学系统的第一透镜10至第四透镜40可由玻
璃形成，但本发明并不限制于此。
此外，第一透镜10至第四透镜40中的至少一个可具有球面。此外，第一
透镜10至第四透镜40可具有至少一个球面。
也就是说，第一透镜10至第四透镜40的第一表面和第二表面中的至少一
个可以是球面。
此外，包括第一透镜至第四透镜的光学系统可从物方起顺序地具有正屈光
力/正屈光力/负屈光力/正屈光力。
如上所述构造的光学系统可通过像差的改善来提高光学性能。此外，如上
所述构造的光学系统可通过减小折射角来提高透镜的敏感度。因此，在根据本
发明的实施例的光学系统中，所有四个透镜可由塑料形成。
接下来，将对构造根据本公开的实施例的光学系统的第一透镜10至第四透
镜40进行描述。
第一透镜10可具有正屈光力。此外，第一透镜10的第一表面(物方表面)
可为朝向物方的凹形，且其第二表面(像方表面)可为朝向成像平面的凸形。
第一透镜10的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第一
透镜10的两个表面可以是球面。
第二透镜20可具有正屈光力。此外，第二透镜20的第二表面可为朝向成
像平面的凹形，且其第一表面可为朝向物方的凸形。
第二透镜20的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第二
透镜20的两个表面可以是球面。
第三透镜30可具有负屈光力。此外，第三透镜30的第一表面可为朝向物
方的凹形，且其第二表面可为朝向成像平面的凹形。
第三透镜30的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第三
透镜30的两个表面可以是球面。
第四透镜40可具有正屈光力。此外，第四透镜40的第一表面可为朝向物
方的凸形，且其第二表面可为朝向成像平面的凸形。
第四透镜40的第一表面和第二表面中的至少一个可以是球面。例如，第四
透镜40的两个表面可以是球面。
在如上所述构造的光学系统中，多个透镜执行像差校正功能，进而提高像
差改善性能。此外，所述光学系统可通过减小透镜的折射角来提高透镜的敏感
度。
将参照图1对根据本发明的实施例的光学系统进行描述。图1是根据本发
明的实施例的光学系统的结构图。
参照图1，根据本发明的实施例的光学系统可包括第一透镜10、第二透镜
20、第三透镜30、第四透镜40，并可进一步包括红外线截止滤波器(未示出)、
图像传感器50和光阑ST。这里，所述可见光线截止滤波器可直接形成在透镜的
表面上或设置在第一透镜的前方或设置在第四透镜的后方。
这里，如表1中所示，从第一透镜10的第一表面到图像传感器50的第一
表面(成像平面)的距离(OAL)可为17.74mm，从第四透镜40的像方表面到
成像平面的距离(BFL)可为6.20mm，但本发明不限制于此，在本发明中，从
第四透镜40的像方表面到成像平面的距离(BFL)保持大于6.00mm即可。此
外，第一透镜10的焦距可为75.27mm，第二透镜20的焦距可为7.46mm，第三
透镜30的焦距可为-2.87mm，第四透镜40的焦距可为4.81mm，所述光学系统
的总焦距可为10.99mm。表1中的“abbe”表示透镜的阿贝数。
[表1]
f
10.99
f1
75.27
f2
7.46
f3
-2.87
f4
4.81
abbe1
56.40
abbe2
60.27
abbe3
29.52
abbe4
60.27
OAL
17.74
BFL
6.20
表2示出了透镜的其它特性(透镜的曲率半径、透镜的厚度、透镜之间的
距离、透镜的折射率、透镜的阿贝数)。
[表2]
在本发明的实施例中，第一透镜10可具有正屈光力，其第一表面为凹形且
其第二表面为凸形。第二透镜20可具有正屈光力，其第一表面可为凸形且其第
二表面可为凹形。第三透镜30可具有负屈光力，且其第一表面和第二表面可均
为凹形。第四透镜40可具有正屈光力，且其第一表面和第二表面可均为凸形。
此外，光阑ST可设置在第二透镜20和第三透镜30之间。
图2示出了图1中的光学系统的像散场曲和畸变的像差图。
示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的像散场曲和畸变。在像
散中，T和S分别表示子午表面和弧矢表面的场曲。
图3示出了图1中的光学系统的球面像差的像差图。
示出了关于波长为800nm、850nm、900nm的光的球面像差。
图4示出了图1中的光学系统在物体位于533mm处的光学传递函数的曲线
图。图5示出了图1中的光学系统在物体位于650mm处的光学传递函数的曲线
图。图6示出了图1中的光学系统在物体位于813nm处的光学传递函数的曲线
图。
综上所述，提供这样的光学系统，所述光学系统具有850nm的中心波长、
约12.8°的视角以及1:4的相对孔径，并且所述光学系统在533nm～813nm范围
内都可清晰成像。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领
域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情
况下，可以在这里做出形式和细节上的各种修改。