CN111722357A - 光学镜头 - Google Patents

Abstract

一种光学镜头，其从物侧至像侧在光轴上依序包含：第一透镜、第二透镜及第三透镜。该第一透镜为具负屈光度的透镜，其物侧表面为凹面，该第二透镜为具正屈光度的透镜，该第三透镜为具正屈光度的透镜，其像侧表面为凸面。该光学镜头满足以下条件式：3<D1/f<6，其中D1为该第一透镜的光学有效直径，f为该光学镜头的有效焦距。该光学镜头具有广角及短物距等特性。

Description

光学镜头

技术领域

本发明是关于一种光学组件，特别有关一种光学镜头。

背景技术

近年来，取像设备得到了广泛的应用，各种智能型装置(例如智能型手机、平板计算机及穿戴式装置)都配备有取像设备，甚至一个电子装置配备多个取像设备或光学镜头，且不同特性的光学取像系统组逐渐被开发出来，以因应各种不同的需求。

举例来说，智能型装置在操作时需要对使用者身份进行验证，以避免装置遭盗用。对于身份验证技术，除了传统上输入账号密码的方式之外，使用指纹辨识的方式日益盛行，这种方式也更加快速、方便。应用于智能型装置上，常见的电容式指纹辨识发展成熟，但是电容式指纹辨识必须在装置上另外设立指纹辨识区域，无法直接设置于显示面板下方。屏下指纹辨识可透过光学式指纹辨识来实现，这种方式中显示面板下方设置取像设备或光学镜头来撷取指纹影像，而光学镜头的优劣关系到指纹识别的准确度。开发这类光学镜头成为本领域重要的课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种光学镜头，其具有广角及短物距等特性，适用于光学辨识、微距观察及生医检测等技术领域。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种光学镜头，其从物侧至像侧在光轴上依序包含：第一透镜、第二透镜及第三透镜。该第一透镜为具负屈光度的透镜，其物侧表面为凹面，该第二透镜为具正屈光度的透镜，该第三透镜为具正屈光度的透镜，其像侧表面为凸面。其中该光学镜头满足以下条件式：3<D1/f<6，其中D1为该第一透镜的光学有效直径，f为该光学镜头的有效焦距。

本发明实施例中，该第一透镜的物侧表面和像侧表面之至少一者具有反曲点，该第一透镜的像侧表面为凹面，该第一透镜为双凹透镜；该第二透镜的物侧表面为凹面，该第二透镜的像侧表面为凸面，该第二透镜为弯月型透镜；该第三透镜的物侧表面为凸面，该第三透镜为双凸透镜。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：0.7<OD/TTL<1.2，其中OD为该第一透镜的物侧表面到待测物于该光轴上的距离，TTL为该光学镜头的总长度。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：3.2<D1/IH<3.8，其中D1为该第一透镜的光学有效直径，IH为该光学镜头在成像平面的最大成像高度。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：10<f2/f<14；及8.5<(f1+f2+f3)/f<15，其中f1为该第一透镜的有效焦距，f2为该第二透镜的有效焦距，f3为该第三透镜的有效焦距，f为该光学镜头的有效焦距。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：4<TTL/AAG<7，其中TTL为该光学镜头的总长度，AAG为该第一透镜与该第二透镜之间于该光轴上的空气间隙及该第二透镜与该第三透镜之间于该光轴上的空气间隙的总和。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：4<TTL/f<7，其中TTL为该光学镜头的总长度，f为该光学镜头的有效焦距。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：5<f2/f3<10，其中f2为该第二透镜的有效焦距，f3为该第三透镜的有效焦距。

本发明实施例中，该光学镜头满足以下条件式：4<f/TC23<6，其中f为该光学镜头的有效焦距，TC23为该第二透镜的像侧表面至该第三透镜的物侧表面于该光轴上距离。

本发明实施例中，该光学镜头还包括一光圈，设置于该第二透镜与该第三透镜之间，其中该光学镜头满足以下条件式：0.5<SD/T1<1，其中SD为该光圈到该第三透镜的像侧表面于该光轴上的距离，T1为该第一透镜于该光轴上的中心厚度值。

本发明的光学镜头能够扩大视野，减少像差，提升解像力，并且本发明的光学镜头最少只需三枚透镜，具有构成枚数少、易于微型化的优点，在某些应用中可实现例如屏下指纹的光学辨识功能。

附图说明

图1显示依据本发明的光学镜头的示意图。

图2A显示依据本发明第一实施例的光学镜头的示意图。

图2B至2D分别依序为第一实施例的场曲、畸变及横向色差图。

图3A显示依据本发明第二实施例的光学镜头的示意图。

图3B至3D分别依序为第二实施例的场曲、畸变及横向色差图。

图4A显示依据本发明第三实施例的光学镜头的示意图。

图4B至4D分别依序为第三实施例的场曲、畸变及横向色差图。

图5A显示依据本发明第四实施例的光学镜头的示意图。

图5B至5D分别依序为第四实施例的场曲、畸变及横向色差图。

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明较佳实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供一种光学镜头，其具有广角及短物距等特性，并可实现为具备微型、单焦点或大光圈的特征的镜头，可应用于诸如手机、智能型手机及平板计算机等个人信息终端、穿戴式装置及各种配备镜头的取像装置，实现于光学辨识、微距观察及生医检测等技术领域。例如，本发明的光学镜头可设置于显示面板下方，实现屏下指纹的光学辨识，作为屏下指纹辨识相关装置的关键组件。

本发明提供一种光学镜头，其从物侧至像侧在光轴上依序包含：第一透镜、第二透镜及第三透镜。第一透镜为具负屈光度的透镜，其物侧表面为凹面，第二透镜为具正屈光度的透镜，第三透镜为具正屈光度的透镜，其像侧表面为凸面。其中光学镜头满足以下条件式：3<D1/f<6，其中D1为该第一透镜的光学有效直径，f为该光学镜头的有效焦距。

请参阅图1，本发明的光学镜头沿着光轴OA从物侧至像侧依序包含第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3。较佳地，第一透镜L1为具负屈光度的透镜，第二透镜L2为具正屈光度的透镜，第三透镜L3为具正屈光度的透镜。此外，该光学镜头还包含位于第二透镜L2的像侧表面与第三透镜L3的物侧表面之间的光圈STO以及位于第三透镜L3和成像平面IMA(来自物侧的光线最后成像于成像平面IMA上)之间的保护玻璃G。惟，光圈STO的设置位置不限于此，也可以设于其他适当位置。保护玻璃G亦可为一滤光片。

于一实施例中，该光学镜头具有单一焦点，为单焦点镜头。于光轴OA上，在靠近物侧一侧与第一透镜L1的物侧表面相距一段距离处，可设置平板透明件(其材质例如为玻璃)，待测物可放置在该平板透明件上，以固定物距的方式进行成像，从而利于在成像平面IMA上形成清晰影像。

于一实施例中，第一透镜L1的物侧表面为凹面，像侧表面为凹面，形成具负屈光度的透镜。第一透镜L1可由塑料材质制成，其物侧表面和像侧表面中至少有一面可为非球面表面(ASP)。第一透镜L1亦可由玻璃和塑料组成的复合透镜，例如第一透镜L1的物侧表面由塑料材质形成，像侧表面由玻璃材质形成。此外，第一透镜L1的物侧表面和像侧表面之至少一者可具有反曲点。例如，反曲点位于第一透镜L1的物侧表面上。

于一实施例中，第二透镜L2的物侧表面为凹面，像侧表面为凸面，形成具正屈光度的透镜。第二透镜L2可由塑料材质制成或由玻璃和塑料组成的复合透镜，例如第二透镜L2的物侧表面由玻璃材质形成，像侧表面由塑料材质形成。

于一实施例中，第三透镜L3的物侧表面为凸面，像侧表面为凸面，形成具正屈光度的透镜。例如，第三透镜L3为双凸透镜。第三透镜L3可由塑料材质制成或由玻璃和塑料组成的复合透镜，其物侧表面和像侧表面中至少有一面可为非球面表面。

该光学镜头中各透镜L1、L2及L3的物侧表面及像侧表面皆可为非球面表面，非球面表面可以获得较多的控制变量，以减少像差，各透镜L1、L2及L3可皆为塑料镜片，在成本降低的情况下同时保持优良的解像质量。当然，各透镜L1、L2及L3亦可以玻璃镜片实现，或以塑料和玻璃组成的复合透镜来实现。

非球面透镜的形状可以下式表示：

其中D代表非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度时的矢(Sag)量，C表示近轴曲率半径倒数，H表示非球面透镜在离透镜中心轴的相对高度，K表示非球面透镜的圆锥常数(Conic Constant)，而E₄～E₁₂四阶以上之偶数阶的非球面修正系数。

本发明的光学镜头能够扩大视野，减少像差，提升解像力，并且本发明的光学镜头最少只需三枚透镜，具有构成枚数少、易于微型化的优点，在某些应用中可实现例如屏下指纹的光学辨识功能。

以下将举具体实施例，对本发明的光学镜头作进一步详细说明。

请参阅图2A至第2D图，其中图2A显示依据本发明第一实施例的光学镜头的示意图，图2B至2D分别依序为第一实施例的场曲、畸变及横向色差图。请参阅图2A，本发明第一实施例的光学镜头沿着光轴OA从物侧至像侧依序包含具负屈光度的第一透镜L1、具正屈光度的第二透镜L2、光圈STO、具正屈光度的第三透镜L3及保护玻璃(或滤光片)G。具体来说，第一透镜L1的物侧表面S1为凹面，像侧表面S2为凹面，第一透镜L1为双凹透镜，第一透镜L1的物侧表面具有反曲点，第二透镜L2的物侧表面S3为凹面，像侧表面S4为凸面，第二透镜L2为弯月型透镜，第三透镜L3的物侧表面S6为凸面，像侧表面S7为凸面，第三透镜L3为双凸透镜。保护玻璃(或滤光片)G其物侧表面S8与像侧表面S9皆为平面。

本发明第一实施例的光学镜头满足以下条件式中任一条件式：

0.7<OD/TTL<1.2 (1)

3.2<D1/IH<3.8 (2)

10<f2/f<14 (3)

8.5<(f1+f2+f3)/f<15 (4)

4<TTL/AAG<7 (5)

4<TTL/f<7 (6)

3<D1/f<6 (7)

4<f/TC23<6 (8)

5<f2/f3<10 (9)

0.5<SD/T1<1 (10)

其中，OD为第一透镜L1的物侧表面S1到待测物于光轴OA上的距离(即光学镜头的光学系物距)，TTL为该光学镜头的总长度(即第一透镜L1物侧表面S1至成像平面IMA于光轴OA上的距离)，D1为第一透镜L1的光学有效直径，IH为该光学镜头在成像平面IMA的最大成像高度(最大成像圆半径)，f1为第一透镜L1的有效焦距，f2为第二透镜L2的有效焦距，f3为第三透镜L3的有效焦距，f为该光学镜头的有效焦距，AAG为第一透镜L1与第二透镜L2之间于光轴OA上的空气间隙及第二透镜L2与第三透镜L3之间于光轴OA上的空气间隙的总和(即第一透镜L1至第三透镜L3之间的空气间隙总和)，TC23为第二透镜L2的像侧表面S4至第三透镜L3的物侧表面S6于光轴OA上距离，SD为光圈STO到第三透镜L3的像侧表面S7于光轴OA上的距离，T1为第一透镜L1于光轴OA上的中心厚度值。

利用上述透镜及满足条件式(1)至(10)中任一条件式，可使得光学镜头具有广角及短物距等特性，且能减少像差、提升解像力。

表一为图2A中光学镜头的参数，表二为该光学镜头的各透镜的相关参数表，表三为表二中各个透镜的非球面表面的相关参数表。

表一

表二

面号

K

E4

E6

E8

E10

E12

S1

-3.31E+01

6.82E-01

-2.86E-01

-5.73E-02

3.29E-01

-2.54E-01

S2

-1.29E+01

2.08E+00

5.00E+00

2.17E+01

-1.35E+02

7.54E+01

S3

0.00E+00

-3.16E+00

2.26E+01

-3.93E+01

S4

7.68E-01

9.04E-01

7.58E+00

1.43E+02

S5

S6

-2.78E+01

-1.02E+00

9.01E+01

-2.09E+03

2.00E+04

-6.52E+04

S7

-2.37E+00

-1.01E+00

-2.04E+01

2.15E+02

-4.38E+02

-2.07E+03

表三

表四显示第一实施例的光学镜头各参数依据条件式(1)～(10)计算得出的值，从表四可以看出，第一实施例的光学镜头满足条件式(1)～(10)的要求。

条件式(1)	1.04	条件式(6)	5.49
				条件式(2)	3.37	条件式(7)	4.24
条件式(3)	12.42	条件式(8)	4.28
				条件式(4)	10.64	条件式(9)	8.20
条件式(5)	5.65	条件式(10)	0.89

表四

另外，第一实施例的光学镜头的光学性能也可达到要求，这可从图2B至图2D看出。由图2B可看出，第一实施例的光学镜头其场曲介于-0.07mm至-0.01mm之间。由图2C可看出，第一实施例的光学镜头其畸变介于-32％至1％之间。由图2D可看出，第一实施例的光学镜头其横向色差值介于-4.9μm至0μm之间。显见第一实施例的光学镜头的场曲、畸变、横向色差都能被有效修正，镜头分辨率也能满足要求，从而得到较佳的光学性能。

请参阅图3A至图3D，其中图3A显示依据本发明第二实施例的光学镜头的示意图，图3B至3D分别依序为第二实施例的场曲、畸变及横向色差图。本发明第二实施例中各透镜L1、L2及L3的屈光性质和面型与第一实施例类似，不再赘述。本发明第二实施例中，于光轴OA上，在靠近物侧一侧与第一透镜L1的物侧表面S1相距一段距离处，设置有一平板透明件GL。第二实施例的光学镜头为单焦点镜头，为了利于在成像平面IMA上形成清晰影像，可将待测物放置在平板透明件GL上，使得成像过程中物距固定。

表五为图3A中光学镜头的参数，表六为该光学镜头的各透镜的相关参数表，表七为表六中各个透镜的非球面表面的相关参数表。

f(mm)	0.402	IH(mm)	0.55
				F/#	1.6	T1(mm)	0.4254
f1(mm)	-1.2812	T2(mm)	0.3091
				f2(mm)	5.504	T3(mm)	0.3837
f3(mm)	0.6246	T1+T2+T3(mm)	1.1182
				OD(mm)	2.502	D1(mm)	1.9054
TTL(mm)	2.3981	FOV(deg)	125.6
				TC12(mm)	0.345	AAG	0.443
TC23(mm)	0.098	SD	0.376

表五

表六

面号

K

E4

E6

E8

E10

E12

S1

-4.08E+01

7.05E-01

-3.07E-01

-7.05E-02

3.19E-01

-2.30E-01

S2

7.91E+00

2.40E+00

4.99E+00

1.97E+01

-1.52E+02

6.50E+01

S3

0.00E+00

-3.02E+00

2.49E+01

-4.88E+01

S4

-1.96E+00

1.71E+00

-1.30E+01

4.05E+02

S5

S6

-2.05E+01

-6.90E-01

7.83E+01

-2.01E+03

2.47E+04

-1.12E+05

S7

-2.32E+00

-9.56E-01

-1.31E+01

2.00E+02

-1.44E+03

5.06E+03

表七

表八显示第二实施例的光学镜头各参数依据条件式(1)～(10)计算得出的值，从表八可以看出，第二实施例的光学镜头满足条件式(1)～(10)的要求。

条件式(1)	1.04	条件式(6)	5.97
				条件式(2)	3.46	条件式(7)	4.74
条件式(3)	13.69	条件式(8)	4.10
				条件式(4)	12.06	条件式(9)	8.81
条件式(5)	5.41	条件式(10)	0.88

表八

另外，第二实施例的光学镜头的光学性能也可达到要求，这可从图3B至图3D看出。由图3B可看出，第二实施例的光学镜头其场曲介于-0.061mm至0.01mm之间。由图3C可看出，第二实施例的光学镜头其畸变介于-5％至0％之间。由图3D可看出，第二实施例的光学镜头其横向色差值介于-3.9μm至0μm之间。显见第二实施例的光学镜头的场曲、畸变、横向色差都能被有效修正，镜头分辨率也能满足要求，从而得到较佳的光学性能。

请参阅图4A至图4D，其中图4A显示依据本发明第三实施例的光学镜头的示意图，图4B至4D分别依序为第三实施例的场曲、畸变及横向色差图。本发明第三实施例中各透镜L1、L2及L3的屈光性质和面型与第一实施例类似，不再赘述。

表九为图4A中光学镜头的参数，表十为该光学镜头的各透镜的相关参数表，表十一为表十中各个透镜的非球面表面的相关参数表。

f(mm)	0.445	IH(mm)	0.55
				F/#	1.6	T1(mm)	0.449
f1(mm)	-1.619	T2(mm)	0.337
				f2(mm)	5.087	T3(mm)	0.385
f3(mm)	0.689	T1+T2+T3(mm)	1.171
				OD(mm)	2.198	D1(mm)	1.856
TTL(mm)	2.469	FOV(deg)	103.7
				TC12(mm)	0.342	AAG	0.445
TC23(mm)	0.103	SD	0.378

表九

表十

面号

K

E4

E6

E8

E10

E12

S1

-3.47E+01

7.11E-01

-2.65E-01

-5.76E-02

3.21E-01

-1.47E-01

S2

1.03E+00

2.18E+00

5.91E+00

2.35E+01

-1.35E+02

3.98E+01

S3

0.00E+00

-3.07E+00

2.35E+01

-4.58E+01

S4

-3.88E-01

1.35E+00

5.60E+00

1.67E+02

S5

S6

-1.76E+01

-6.65E-01

9.40E+01

-2.01E+03

2.03E+04

-7.91E+04

S7

-2.80E+00

-7.56E-01

-2.24E+01

2.37E+02

-1.44E+02

-3.09E+03

表十一

表十二显示第三实施例的光学镜头各参数依据条件式(1)～(10)计算得出的值，从表十二可以看出，第三实施例的光学镜头满足条件式(1)～(10)的要求。

条件式(1)	0.89	条件式(6)	5.55
				条件式(2)	3.37	条件式(7)	4.17
条件式(3)	11.43	条件式(8)	4.32
				条件式(4)	9.34	条件式(9)	7.38
条件式(5)	5.55	条件式(10)	0.84

表十二

另外，第三实施例的光学镜头的光学性能也可达到要求，这可从图4B至图4D看出。由图4B可看出，第三实施例的光学镜头其场曲介于-0.04mm至0.03mm之间。由图4C可看出，第三实施例的光学镜头其畸变介于-15％至0％之间。由图4D可看出，第三实施例的光学镜头其横向色差值介于-4μm至0μm之间。显见第三实施例的光学镜头的场曲、畸变、横向色差都能被有效修正，镜头分辨率也能满足要求，从而得到较佳的光学性能。

请参阅图5A至图5D，其中图5A显示依据本发明第四实施例的光学镜头的示意图，图5B至5D分别依序为第四实施例的场曲、畸变及横向色差图。本发明第四实施例中各透镜L1、L2及L3的屈光性质和面型与第一实施例类似，不再赘述。

表十三为图5A中光学镜头的参数，表十四为该光学镜头的各透镜的相关参数表，表十五为表十四中各个透镜的非球面表面的相关参数表。

表十三

表十四

面号

K

E4

E6

E8

E10

E12

S1

-3.04E+01

7.03E-01

-2.67E-01

-6.70E-02

3.14E-01

-1.51E-01

S2

-5.28E+00

2.19E+00

5.77E+00

2.31E+01

-1.38E+02

2.95E+01

S3

0.00E+00

-3.09E+00

2.33E+01

-4.38E+01

S4

-1.50E-01

1.28E+00

7.79E+00

1.21E+02

S5

S6

-1.58E+01

-6.86E-01

9.15E+01

-2.05E+03

2.01E+04

-6.95E+04

S7

-2.79E+00

-7.79E-01

-2.22E+01

2.30E+02

-2.64E+02

-2.53E+03

表十五

表十六显示第四实施例的光学镜头各参数依据条件式(1)～(10)计算得出的值，从表十六可以看出，第四实施例的光学镜头满足条件式(1)～(10)的要求。

表十六

另外，第四实施例的光学镜头的光学性能也可达到要求，这可从图5B至图5D看出。由图5B可看出，第四实施例的光学镜头其场曲介于-0.07mm至0.03mm之间。由图5C可看出，第四实施例的光学镜头其畸变介于-5％至0％之间。由图5D可看出，第四实施例的光学镜头其横向色差值介于-4μm至0μm之间。显见第四实施例的光学镜头的场曲、畸变、横向色差都能被有效修正，镜头分辨率也能满足要求，从而得到较佳的光学性能。

虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，但其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，其从物侧至像侧在光轴上依序包含：

第一透镜，其为具负屈光度的透镜，其物侧表面为凹面；

第二透镜，其为具正屈光度的透镜；以及

第三透镜，其为具正屈光度的透镜，其像侧表面为凸面；

其中该光学镜头满足以下条件式：

3<D1/f<6，

其中D1为该第一透镜的光学有效直径，f为该光学镜头的有效焦距。

2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜的物侧表面和像侧表面的至少一者具有反曲点，该第一透镜的像侧表面为凹面，该第一透镜为双凹透镜；该第二透镜的物侧表面为凹面，该第二透镜的像侧表面为凸面，该第二透镜为弯月型透镜；该第三透镜的物侧表面为凸面，该第三透镜为双凸透镜。

3.如权利要求2所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

0.7<OD/TTL<1.2，

其中OD为该第一透镜的物侧表面到待测物于该光轴上的距离，TTL为该光学镜头的总长度。

4.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

3.2<D1/IH<3.8，

其中D1为该第一透镜的光学有效直径，IH为该光学镜头在成像平面的最大成像高度。

5.如权利要求2所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

10<f2/f<14；及

8.5<(f1+f2+f3)/f<15，

其中f1为该第一透镜的有效焦距，f2为该第二透镜的有效焦距，f3为该第三透镜的有效焦距，f为该光学镜头的有效焦距。

6.如权利要求3所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

4<TTL/AAG<7，

其中TTL为该光学镜头的总长度，AAG为该第一透镜与该第二透镜之间于该光轴上的空气间隙及该第二透镜与该第三透镜之间于该光轴上的空气间隙的总和。

7.如权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

4<TTL/f<7，

其中TTL为该光学镜头的总长度，f为该光学镜头的有效焦距。

8.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

5<f2/f3<10，

其中f2为该第二透镜的有效焦距，f3为该第三透镜的有效焦距。

9.如权利要求8所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头满足以下条件式：

4<f/TC23<6，

其中f为该光学镜头的有效焦距，TC23为该第二透镜的像侧表面至该第三透镜的物侧表面于该光轴上距离。

10.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，还包括光圈，设置于该第二透镜与该第三透镜之间，其中该光学镜头满足以下条件式：

0.5<SD/T1<1，

其中SD为该光圈到该第三透镜的像侧表面于该光轴上的距离，T1为该第一透镜于该光轴上的中心厚度值。

Images