CN101354474A - 一种三镜片式取像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三镜片式取像镜头，是提供具有短后焦距BFL影像读取装置使用的取像镜头，其沿着同一光轴且由物侧依序包含：一正屈光度的双凸面型第一透镜件；一负屈光度的双凹面型第二透镜件；与一正屈光度的新月型第三透镜件；又所述的取像镜头满足包含BFL/EFL＜0.7等光学条件，其中BFL为后焦距，EFL为有效焦距；且第二透镜或第三透镜件至少有一个光学面是非球面，以有效缩减了扫描仪的体积并维持同等成像清晰度，以构成一可对各种相差进行补偿且加工成本低廉又容易加工的取像镜头，以应用在扫瞄器等影像读取装置。

Description

一种三镜片式取像镜头

技术领域

本发明涉及的是一种三镜片式取像镜头，尤指针对影像读取装置的影像传感器(Image sensor)如CCDM(电荷藕合影像传感器模块)、CISM(接触式影像传感器模块)或CMOSM(互补型金属氧化物半导体影像传感器模块)等，而提供一种由三片透镜(lens elements)构成并可对各种相差进行补偿且具有短后焦距BFL(back focal length)的光学取像镜头。

背景技术

影像读取装置如扫瞄器(Scanner)或影像投影器(Projector)等，其主要工作方式为：扫瞄器或影像投影器上设有一光源以发出扫瞄光线，当光线照射在对象上经由对象表面反射后，需要有一取像镜头以将对象反射后的光线予以聚焦至影像传感器(Image sensor)上，对于不同型式的扫瞄器或影像投影器，影像传感器则有电荷藕合影像传感器模块CCDM(Charge Coupled Device Module)、接触式影像传感器模块CISM(Contact Image sensor Module)或互补式金属-氧化层-半导体(简称互补式金氧半导体)CMOSM(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorModule)等不同型式；但如何缩小扫瞄器或影像投影器的体积且仍保有良好的成像质量将是使用者最关注的焦点。

取像镜头中有由单镜片式(one element lens)、二镜片式(two lens groups or lenselements)、三镜片式(three lens groups or lens elements)、或多镜片式(multi-lensgroups or lens elements)等不同结构型态，其中，单镜片式取像镜头如：US6,560,037其是使用平凸透镜(plan o-convex lens)，US6,724,545其是使用菲涅尔透镜(Fresnellens)等，然而单一平凸透镜对像差的补偿能力较不足，而菲涅尔透镜(Fresnel lens)则有分辨率较不足的缺点。

二镜片式取像镜头如US5,677,798、US6,934,094、US6,097,551、US6,577,456、US6,747,805、US6,515,809等，其中，US5,677,798、US6,934,094与US6,097,551等，其结构由物侧依序为一负屈光度的第一透镜件与一正屈光度的第二透镜件所构成，如此安排可得到后焦距(back focus)且像差补偿能力比单镜片式为佳，但其焦距较长，扫瞄器的体积较大。而US6,577,456、US6,747,805、与US6,515,809等的结构则提供较小的焦距，以减小扫瞄器的体积或还容易制造；但二镜片式取像镜头仍存在影像质量不够理想的问题。

三镜片式或多镜片式取像镜头可以增进影像质量，可以达数百万画素的分辨率，故一直为大家所重视，而三镜片式比多镜片式还具有较低成本的优势，似乎已渐成为本领域中重要的技术。三镜片式取像镜头如US6,624,953、US2005/0231822、US7,180,687、JP2005-338234、JP2006-047858等，其结构由物侧依序为一正屈光度的第一透镜件、一正屈光度的第二透镜件与一负屈光度的第三透镜件所构成。再如US6,961,191、US6,989,947、US7,199,948、JP2005-227755、JP2006-330194、JP2007-010700等，其结构由物侧依序为一正屈光度的第一透镜件、一负屈光度的第二透镜件与一正屈光度的第三透镜件所组成，而各透镜件是由不同型式所构成，如新月型(meniscus shape)透镜、平凹型(plan o-con caveshape)或平凸型(plan o-convex shape)，或各透镜件的凸面或凹面安排方向不同，如凸面或凹面安排在物侧或像侧等多种变化组合；或各透镜件上安排不同的非球面透镜；还进而，各透镜件的设计符合某些特定的光学条件，如第一透镜件焦距与全焦距比值设定为某一特定区间等，以达成制造或使用目的。

为进一步努力在减小焦距，如US6,989,947、US6,985,307、US6,980,372、JP2005-345713、US2005/0128334、JP2005-055751等，其主要在第一透镜片与第二透镜片使用新月型透镜，并通过透镜件焦距与透镜间不同距离以组成一符合特定光学条件的取像镜头。

然而，三镜片式取像镜头应用在影像读取装置如扫瞄器，其在使用功能上，短的焦距可以缩小扫瞄器的体积，良好的像差修正可以提高分辨率，因此兼具有短的焦距与良好的像差修正的三镜片式取像镜头是具有实用的价值，本发明即是针对上述条件与需要性而设计者。

发明内容

本发明主要目的乃在于提供一种三镜片式取像镜头，其沿着同一光轴且由物侧依序包含：一具正屈光度的双凸型第一透镜件、一具负屈光度的双凹型第二透镜件、一孔径光阑(aperture stop)、一具正屈光度的新月型第三透镜件、与一表玻璃片(Cover glass)，其中，所述的第二、第三透镜件至少有一个光学面是非球面，以构成一能修正各种像差而具有高分辨率的三透镜式取像镜头。

本发明再一目的乃在于提供一种三镜片式取像镜头，所述的取像镜头满足以下条件：

BFL/EFL＜0.7；

9＜∑φi/vdi×104＜13；

1.1＜f3/EFL＜2.0；

0.15＜R5/R6＜0.3；与

-0.25＜R1/R2＜-0.08；

其中，BFL为后焦距(back focal length)，EFL为有效焦距，φi为第i透镜的光焦度(focal power)，vdi为第i透镜的阿贝数(Abbe number)，f3为第三透镜件的焦距，R5为第三透镜件物侧的曲率半径，R6为第三透镜件像侧的曲率半径，R1为第一透镜件物侧的曲率半径，R2为第一透镜件像侧的曲率半径；如此，使所述的取像镜头能有短的后焦距，可有效缩短扫瞄器从物件至成像面的距离，以减小扫瞄器的体积，并提升取像镜头的应用性。

附图说明

图1是本发明的光学结构与光路示意图；

图2A是本发明第一实施例的纵向球型像差图(Longitudinal sphericalaberration)；

图2B是本发明第一实施例的散射场曲图(Astigmatic field curvature)；

图2C是本发明第一实施例的畸变图(distortion)；

图3A是本发明第二实施例的纵向球型像差图(Longitudinal sphericalaberration)；

图3B是本发明第二实施例的散射场曲图(Astigmatic field curvature)；

图3C是本发明第二实施例的畸变图(distortion)；

图4A是本发明第三实施例的纵向球型像差图(Longitudinal sphericalaberration)；

图4B是本发明第三实施例的散射场曲图(Astigmatic field curvature)；

图4C是本发明第三实施例的畸变图(distortion)；

图5A是本发明第四实施例的纵向球型像差图(Longitudinal sphericalaberration)；

图5B是本发明第四实施例的散射场曲图(Astigmatic field curvature)；

图5C是本发明第四实施例的畸变图(distortion)；

附图标记说明：L1-第一透镜件；S1-物侧面(凸面)；S2-像侧面(凸面)；L2-第二透镜件；S3-像侧面(凹面)；S4-物侧面(凹面)；St-孔径光阑；L3-第三透镜件；S5-像侧面(凸面)；S6-物侧面(凹面)；S7-物侧面(平面)；S8-像侧面(平面)；L4-表玻璃片；Img-感测面。

具体实施方式

为使本发明还加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构与技术特征详述如后：

参照图1所示，是本发明第一实施例的结构与光路示意图，本发明三镜片式取像镜头，由物侧依序包含：一正屈光度的双凸面型第一透镜件L1，一负屈光度的双凹面型第二透镜件L2，一孔径光阑St，一正屈光度的新月型面第三透镜件L3且其凸面位于物侧而其凹面位于像侧，与一表玻璃片L4，并以同一光轴Z轴排列构成；取像时，光线是先经过第一透镜件L1、第二透镜件L2与第三透镜件L3后，再经过红外线滤光的表玻璃片L4而成像在影像传感器(image sensor)2的感测面(img)上如图1所示。

又本发明三透镜式光学取像镜头满足以下条件(the following conditions aresatisfied)：

BFL/EFL＜0.7式(1)；

9＜∑φi/vdi×104＜13式(2)；

1.1＜f3/EFL＜2.0式(3)；

0.15＜R5/R6＜0.3式(4)；与

-0.25＜R1/R2＜-0.08式(5)；

其中，BFL为后焦距，EFL为有效焦距，φi为第i透镜的光焦度，vdi为第i透镜的阿贝数(Abbe number)，光焦度f3为第三透镜件的焦距，R5为第三透镜件物侧的曲率半径，R6为第三透镜件像侧的曲率半径，R1为第一透镜件物侧的曲率半径，R2为第一透镜件像侧的曲率半径；式(1)条件限制本取像镜头的后焦距；式(2)条件使本发明的镜头满足上限色差(chromatic aberration)的校正与满足下限像湾(curvature of field)的校正；式(3)f3条件使第三透镜件焦距足够大，使本取像镜头的后焦距能趋向较小的数值，以满足上限像湾(curvature of field)的校正与满足下限横向色差(lateral chromatic aberration)的校正；式(4)使得第三透镜件凹面朝向像面，并可满足本取像镜头像差的修正；式(5)降低了系统的敏感度，使制造本取像镜头较为容易，以满足上限慧差(Coma)的校正困难与满足下限像散(astigmatism)的校正。通过上述结构，可有效修正像差以提高分辨率与缩短后焦距以缩小扫瞄器的体积。

本发明的上述目的及其结构功能与特性，将依据下列四个实施例予以说明：

<第一实施例>

请参考图1与图2A～图2C所示，其分别是第一实施例的结构与光路示意图、三个不同像差图(波长为440nm、537.5613nm、656.2725nm)的纵向球型像差图(Longitudinal spherical aberration)、散射场曲图(Astigmatic field curvature)、与畸变图(distortion)。

下列表(一)中分别列有第一实施例由物侧依序编号(in order from the objectside)的光学面号码(surface number)，各光学面型态(Type)，在光轴上各光学面的曲率半径R(单位：mm)(the radius of curvature R)，光轴上各光学面之间距D(distance，单位：mm)，与镜片材质。

表(一)

下列表(二)列有各光学面的各项是数(Coefficients)：

表(二)

非球面是数
	第5光学面
K＝-10.4770783549A＝6.96583529763e-005 B＝1.52118087304e-005 C＝-4.44533123062e-007D＝-1.06731014535e-008 E＝9.32095444452e-028
	第6光学面
K＝-1817.11886327A＝0.000307329268714 B＝-1.99552856681e-005 C＝1.02876767697e-006D＝-2.06554132442e-008 E＝9.3209509214e-028

又非球面表达式(Aspherical Surface Formula)如下列式(6)所示：

$Z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{\{1+{[1-(1+K)c^2{h}^2]}^{\frac{1}{2}}\}}+A{h}^4+B{h}^6+C{h}^8+D{h}^{10}+E{h}^{12}$ 式(6)

其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圆锥是数(Conic Constant)，A为四阶的非球面是数(4^th Order A spherical Coefficient)，B为六阶的非球面是数(6^th OrderA spherical Coefficient)，C为八阶非球面是数(8^th Order A spherical Coefficient)，D为十阶的非球面是数(10^th Order A spherical Coefficient)，E为十二阶的非球面是数(12th Order A spherical Coefficient)。

第一实施例的第一、二、三透镜件L1、L2、L3的材质都为玻璃材质，如分别利用型号S-LAH55、S-TIM35与M-LAC130的玻璃材质，而表玻璃片L4的材质为如型号BK7，其厚度为0.5mm。

在本实施例中，取像镜头有效焦距EFL为20.01mm，而后焦距BFL为13.00mm，即BFL/EFL＝0.65，可以满足式(1)条件：FL/EFL＜0.7；又∑φi/vdi＝0.00122，可以满足式(2)条件：9＜∑φi/vdi×104＜13；又f3＝25.73，f3/EFL＝1.286，可以满足式(3)条件：1.1＜f3/EFL＜2.0；又依表(一)可知：R5/R6＝0.177且R6＞0，可以满足式(4)条件：0.15＜R5/R6＜0.3；且R1/R2＝-0.126，可以满足式(5)条件：-0.25＜R1/R2＜-0.08。

而由上述表(一)、表(二)与图1、图2A～图2C所示，可知第一实施例取像镜头的镜头全长(total length)为11.08mm，如此可证明本发明的取像镜头可有效修正像差又能有效缩小成像距离。

<第二实施例>

请参考图1与图3A～3C所示，其分别是本实施例的结构与光路示意图、与三个不同像差图。

下列表(三)中分别列有本实施例由物侧依序编号的光学面号码，各光学面型态，在光轴上各光学面的曲率半径R(单位：mm)，光轴上各面之间距D(单位：mm)，与镜片材质。

表(三)

下列表(四)列有非球面的各光学面的各项是数：

表(四)

非球面是数
	第5光学面
K＝-10.9150547738645A＝-7.99720838306722e-005 B＝2.76476046300913e-005C＝-4.44533123062e-007D＝-1.31628563633304e-008 E＝9.32486208888918e-028
	第6光学面

K＝-2253.66430051399A＝0.000283056255948756 B＝-2.42340881863928e-005C＝1.35275652910717e-006D＝-2.88203848941141e-008 E＝9.32485856576918e-028

本实施例的非球面表达式是相同在式(6)。

本实施例的第一、二透镜件L1、L2的材质为塑料材质，如分别利用型号H-LaF50A与H-ZF1的塑料材质，第三透镜件L3的材质为玻璃材质，如利用型号M-LAC130的玻璃材质，而表玻璃片L4的材质为如型号BK7，其厚度为0.7mm。

在本实施例中，取像镜头有效焦距EFL为20.01mm，而后焦距BFL为12.92mm，即BFL/EFL＝0.646，可以满足式(1)条件：BFL/EFL＜0.7；又∑φi/vdi＝0.000996可以满足式(2)条件：9＜∑φi/vdi×104＜13；又f3＝27.29，f3/EFL＝1.3641可以满足式(3)条件：1.1＜f3/EFL＜2.0；又依表(三)可知：R5/R6＝0.186且R6＞0可以满足式(4)条件：0.15＜R5/R6＜0.3；且R1/R2＝-0.220可以满足式(5)条件：-0.25＜R1/R2＜-0.08。

由上述表(三)、表(四)与图1、图3A～3C所示，可知本实施例取像镜头的镜头全长为10.94mm，如此可证明本发明的取像镜头可有效修正像差又能有效缩小成像距离。

<第三实施例>

请参考图1与图4A～4C所示，其分别是第三实施例的结构与光路示意图、三个不同像差图。

下列表(五)中分别列有本实施例由物侧依序编号的光学面号码，各光学面型态，在光轴上各光学面的曲率半径R(单位：mm)，光轴上各面之间距D(单位：mm)，与镜片材质。

表(五)

下列表(六)列有非球面的各光学面的各项是数：

表(六)

非球面是数
	第5光学面
K＝-8.27078610485597A＝-0.000432498893854793 B＝3.27532455298279e-005C＝-9.05187852841266e-007D＝-2.45414794540681e-008 E＝-2.04218788052446e-027
	第6光学面
K＝128.134376562358A＝-0.00014368013296724 B＝-6.67716656836286e-006C＝3.80187412701348e-007D＝-8.09947959708995e-009 E＝-2.04218862010655e-027

本实施例的非球面表达式是相同在式(6)。

本实施例的第一、二透镜件L1、L2的材质为玻璃材质，如分别利用型号LASF11与N-SF15的玻璃材质，第三透镜件L3的材质为玻璃材质，利用型号N-LLF1，而表玻璃片L4的材质为如型号BK7，其厚度为0.7mm。

在本实施例中，取像镜头有效焦距EFL为20.01mm，而后焦距BFL为11.85mm，即BFL/EFL＝0.592，可以满足式(1)条件：BFL/EFL＜0.7；又f3＝32.12，f3/EFL＝1.605可以满足式(3)条件：1.1＜f3/EFL＜2.0；又依表(五)可知：R5/R6＝0.184且R6＞0，可以满足式(4)条件：0.15＜R5/R6＜0.3；且R1/R2＝-0.105可以满足式(5)条件：-0.25＜R1/R2＜-0.08。

而由上述表(五)、表(六)与图1、图4A～图4C所示，可知第三实施例取像镜头的镜头全长为11.52mm，如此可证明本发明的取像镜头可有效修正像差又能有效缩小成像距离。

<第四实施例>

请参考图1与图5A～图5C所示，其分别是本实施例的结构与光路示意图、三个不同像差图。

下列表(七)中分别列有本实施例由物侧依序编号的光学面号码，各光学面型态，在光轴上各光学面的曲率半径R(单位：mm)，光轴上各面之间距D(单位：mm)，与镜片材质。

表(七)

下列表(八)列有非球面的各光学面的各项是数：

表(八)

非球面是数
	第3光学面
K＝-67.0954874059022A＝9.47643672947531e-005 B＝-4.66086475328433e-006C＝-4.22440745604462e-007D＝1.02690395268842e-009 E＝-3.78973057746754e-030
	第4光学面

K＝1.48021687787847A＝0.000728700036304482 B＝-2.35992000004264e-005C＝8.20739135943029e-006D＝-1.09246949542164e-005 E＝-3.78973057746754e-030

本实施例的非球面表达式是相同在式(6)。

本实施例的第一、二件L1、L2的材质为玻璃材质，如分别利用型号N-LAF45与N-SF15，第三透镜件L3的材质为玻璃材质，利用型号N-LAK8，而表玻璃片L4的材质为如型号BK7，其厚度为0.7mm。

在本实施例中，取像镜头有效焦距EFL为20.01mm，而后焦距BFL为9.32mm，即BFL/EFL＝0.466，可以满足式(1)条件：BFL/EFL＜0.7；又f3＝39.03，f3/EFL＝1.9507可以满足式(3)条件：1.1＜f3/EFL＜2.0；又依表(七)可知：R5/R6＝0.284且R6＞0，可以满足式(4)条件：0.15＜R5/R6＜0.3；且R1/R2＝-0.0961，可以满足式(5)条件：-0.25＜R1/R2＜-0.08。

由上述表(七)、表(八)与图1、图5A～5C所示，可知第四实施例取像镜头的镜头全长(total length)为14.51mm，如此可证明本发明的取像镜头可有效修正像差又能有效缩小成像距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变还，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1、一种三镜片式取像镜头，其特征在于：其沿着同一光轴排列且由物侧依序包含：

一具正屈光度的第一透镜件，其为一双凸面型透镜；

一具负屈光度的第二透镜件，其为一双凹面型透镜；

一具正屈光度的第三透镜件，其为一新月型面透镜，且其凸面在物侧；

一孔径光阑，设在所述的第二透镜件与第三透镜之间；

其中，满足以下条件：

BFL/EFL＜0.7；

9＜∑φi/vdi×104＜13；

1.1＜f3/EFL＜2.0；

0.15＜R5/R6＜0.3；与

-0.25＜R1/R2＜-0.08；

其中，BFL为后焦距，EFL为有效焦距，φi为第i透镜的光焦度，vdi为第i透镜的阿贝数，f3为第三透镜件的焦距，R5为第三透镜件物侧的曲率半径，R6为第三透镜件像侧的曲率半径，R1为第一透镜件物侧的曲率半径，R2为第一透镜件像侧的曲率半径。

2、根据权利要求1所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的新月型第三透镜件的凸面与凹面至少有一面为非球面。

3、根据权利要求1所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的双凹面型第二透镜件的任一凹面至少有一面为非球面。

4、根据权利要求1所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二、三透镜件是分别利用玻璃材质制成。

5、根据权利要求4所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二、三透镜件的玻璃材质的型号分别是S-LAH55、S-TIM35与M-LAC130。

6、根据权利要求4所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二、三透镜件的玻璃材质的型号分别是LASF11、N-SF15与N-LLF1。

7、根据权利要求4所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二、三透镜件的玻璃材质的型号分别是N-LASF45、N-SF15、与N-LAK8。

8、根据权利要求1所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二透镜件是分别利用塑料材质制成，所述的第三透镜件是利用玻璃材质制成。

9、根据权利要求8所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第一、二透镜件的塑料材质的型号分别是H-LAF50A与H-ZF1。

10、根据权利要求8所述三镜片式取像镜头，其特征在于：所述的第三透镜件的玻璃材质为M-LAC130。

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