CN112666687B

CN112666687B - 光学镜头及成像设备

Info

Publication number: CN112666687B
Application number: CN202110284590.5A
Authority: CN
Inventors: 于笑枝; 曾昊杰; 刘绪明; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN112666687A

Abstract

本发明公开了一种光学镜头及成像设备，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：平板玻璃，第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，滤光片；第一透镜具有负光焦度，其物侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点，第一透镜的像侧面为凹面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面在近光轴处为凸面；第三透镜具有正光焦度，其物侧面在近光轴处为凸面且至少具有一个反曲点，其像侧面为凸面；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶非球面镜片；所述平板玻璃的厚度CT0满足条件式：1.0mm≤CT0≤1.5mm。该光学镜头至少具有成像品质高、畸变小的特点，而且搭载在不同厚度的屏幕玻璃下均具有良好的成像效果，有效提升了指纹识别率。

Description

光学镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头及成像设备。

背景技术

随着移动信息技术的不断发展，手机等便携式电子设备也在朝着超薄化、全面屏、超高清成像等方向发展。随着全面屏概念的流行，屏下指纹识别技术应运而生，由于光学式屏下指纹识别系统具备体积小、总长短的优势，已被广泛应用于各种全面屏手机中，与此同时，对用于屏下指纹识别中的光学镜头的性能要求也越来越高。

然而在现有技术中，用于屏下指纹识别中的光学镜头存在成像质量差、畸变大以及屏幕兼容性差的问题，从而导致指纹识别率偏低，使得用户的体验感不佳。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种光学镜头及成像设备，至少具有成像品质高、畸变小的特点，而且搭载在不同厚度的屏幕玻璃下均具有良好的成像效果，有效提升了指纹识别率，能够更好地满足全面屏的使用需求。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

第一方面，本发明提供了一种光学镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：平板玻璃，第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，滤光片；

所述第一透镜具有负光焦度，所述第一透镜的物侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点，所述第一透镜的像侧面为凹面；

所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面；

所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面且至少具有一个反曲点，所述第三透镜的像侧面为凸面；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为塑胶非球面镜片且均采用低折射率材料制成；

所述平板玻璃的厚度CT0满足条件式：1.0mm≤CT0≤1.5mm。

第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的光学镜头，成像元件用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号。

相比于现有技术，本发明提供的光学镜头及成像设备，通过光阑及各透镜的合理设置，在满足高质量解像品质的同时，还具有大视场角、小畸变、大光圈和较高的相对照度等特点，有效提升了指纹识别率，同时搭载在不同厚度的屏幕玻璃下均能实现高清成像，更适用于多样化全面屏的设计需求。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例中的光学镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的光学镜头的TV畸变图，其中，图中方格图表示的是理论像高，点状图表示实际像高；

图3为本发明第一实施例中的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图，其中，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示物高（单位：毫米）；

图4为本发明第一实施例中的光学镜头的相对照度曲线图，其中，图中横轴表示物高（单位：毫米），纵轴表示相对照度值；

图5为本发明第二实施例中的光学镜头的TV畸变图，其中，图中方格图表示的是理论像高，点状图表示实际像高；

图6为本发明第二实施例中的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图，其中，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示物高（单位：毫米）；

图7为本发明第二实施例中的光学镜头的相对照度曲线图，其中，图中横轴表示物高（单位：毫米），纵轴表示相对照度值；

图8为本发明第三实施例中的光学镜头的TV畸变图，其中，图中方格图表示的是理论像高，点状图表示实际像高；

图9为本发明第三实施例中的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图，其中，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示物高（单位：毫米）；

图10为本发明第三实施例中的光学镜头的相对照度曲线图，其中，图中横轴表示物高（单位：毫米），纵轴表示相对照度值；

图11为本发明第四实施例提供的成像设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提出一种光学镜头，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：平板玻璃，第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，滤光片。

第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点，第一透镜的像侧面为凹面；

第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面；

第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面且至少具有一个反曲点，第三透镜的像侧面为凸面；

第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶非球面镜片，且所述三片透镜可以选用高折射率材料或者低折射率材料或者两者的混合，值得说明的是，当光学镜头中的镜片均采用低折射率材料制成时，大大降低了镜头的生产成本。

所述光学镜头在使用时，设置在触摸屏屏幕的下方，所述平板玻璃即为屏幕玻璃，用户指纹与屏幕玻璃直接接触，屏幕玻璃除了在光学镜头中起到光学作用，同时兼备保护光学镜头的作用。

所述平板玻璃的厚度CT0满足条件式：1.0mm≤CT0≤1.5mm，也即本发明提供的光学镜头能够兼容厚度为1.0mm至1.5mm的屏幕玻璃，在不同厚度的屏幕玻璃下均具有高清的成像质量，有效提高了指纹识别率，能够满足多样化屏幕玻璃的使用需求。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

1.35mm<CT01<1.65mm；（1）

0.65<CT0/CT01<1.1；（2）

OH/IH>5.1；（3）

其中，CT0表示平板玻璃的厚度，CT01表示平板玻璃与第一透镜在光轴上的间隔距离，OH表示光学镜头在物侧面的最大半物高，IH表示光学镜头在成像面上的最大半像高。

满足上述条件式（1）、（2）及（3），能够保证所述光学镜头在匹配不同厚度的平板玻璃（屏幕玻璃）时，通过合理调整平板玻璃与第一透镜间的空气间隔作为补偿，使所述光学镜头的放大倍率不变，并且具有较小的TV畸变。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足条件式：

1.4<R4/R3<3.5；（4）

其中，R3表示第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示第二透镜的像侧面的曲率半径。

满足上述条件式（4），有利于矫正所述光学镜头的TV畸变，并使TV畸变保持在±1.3%范围内，从而提高光学镜头的指纹识别率。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

4.5<TTL/f<4.7；（5）

其中，TTL表示第一透镜的物侧面至成像面在平行于光轴方向的最大距离，f表示光学镜头的有效焦距。

满足上述条件式（5），通过合理控制所述光学镜头的有效焦距和光学总长，能够有效缩短镜头的光学总长，实现镜头的小型化。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

5.5<CT12/CT23<8.5；（6）

其中，CT12表示第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔距离，CT23表示第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔距离。

满足上述条件式（6），能够合理分配各透镜间的间隔，调节光线的分布，有利于提升所述光学镜头的相对照度。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

1.80<DM1/f<1.85；（7）

其中，DM1表示第一透镜的有效半口径，f表示光学镜头的有效焦距。

满足上述条件式（7），能够合理地控制第一透镜的有效口径，有利于减小所述光学镜头的头部，实现头部小型化。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.60<R1/f1<0.85；（8）

-6<R2/R1<-2；（9）

其中，R1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示第一透镜的像侧面的曲率半径，f1表示第一透镜的有效焦距。

满足上述条件式（8）和（9），能够合理控制第一透镜的面型，有利于减小轴外视场的像差和光学畸变，同时有利于相对照度的提升。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

6.5＜(f1+f2+f3)/f<15.5；（10）

1.20<f3/f<1.35；（11）

其中，f表示光学镜头的有效焦距，f1表示第一透镜的有效焦距，f2表示第二透镜的有效焦距，f3表示第三透镜的有效焦距。

满足上述条件式（10）和（11），能够合理的分配各透镜的有效焦距，有利于降低高级像差的矫正，提高镜头的解像品质。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

4<R4/f<10；（12）

其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。

满足上述条件式（12），能够合理控制第二透镜的像侧面的面型，有利于减小第二透镜的像侧面的敏感度，提高生产良率。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.11<CT1/TTL<0.13；（13）

0.12<CT2/TTL<0.13；（14）

0.70<CT2/CT3<0.80；（15）

其中，CT1表示第一透镜的中心厚度，CT2表示第二透镜的中心厚度，CT3表示第三透镜的中心厚度，TTL表示第一透镜的物侧面至成像面在平行于光轴方向的最大距离。

满足上述条件式（13）、（14）和（15），能够合理地分配各透镜的中心厚度，使所述光学镜头的结构紧凑，有利于减小所述光学镜头的总长。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.9mm<BFL<1.0mm；（16）

0.3<BFL/TTL<0.5；（17）

其中，BFL表示第三透镜的像侧面至成像面在光轴上的距离，TTL表示第一透镜的物侧面至成像面在平行于光轴方向的最大距离。

满足上述条件式（16）和（17），通过合理设置镜头的光学后焦距，有效控制透镜的总长，从而实现镜头体积的小型化。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.03mm<SAG5.1-SAG5<0.06mm；（18）

其中，SAG5.1表示第三透镜的物侧面上反曲点处的矢高，SAG5表示第三透镜的物侧面的边缘矢高。

满足上述条件式（18），能够合理控制第三透镜物侧面上的反曲位置，有利于镜头的场曲和像差的矫正，提高边缘视场的解像力。

作为一种实施方式，第一透镜、第二透镜和第三透镜可以是非球面镜片，可选的，上述透镜均采用塑胶非球面镜片。采用非球面镜片，可以有效减少镜片的数量，修正像差，提供更好的光学性能。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。

本发明中各个实施例中光学镜头的非球面的表面形状均满足下列方程：

；

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

第一实施例

请参阅图1，为本发明第一实施例提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：平板玻璃G0、第一透镜L1、光阑ST、第二透镜L2、第三透镜L3、以及滤光片G1。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S3在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点，第一透镜的像侧面S4为凹面。

第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜的物侧面S5在近光轴处为凸面。

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S7在近光轴处为凸面且至少具有一个反曲点，且第三透镜的物侧面S7上的反曲点至光轴的垂直距离为0.275mm，该反曲点的矢高为0.0139mm；第三透镜的像侧面S8为凸面。

第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑胶非球面镜片，且所述三个镜片均采用低折射率材料制成，有效降低了生产成本。

本实施例提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。

表1

本实施例中的光学镜头100的各非球面的面型系数如表2所示。

表2

在本实施例中，光学镜头100的TV畸变、f-tanθ畸变和相对照度的曲线图分别如图2、图3和图4所示。图2中的理论成像面积为1.27mm*1.27mm，光学镜头100的TV畸变值为0.74%，由图2可以看出，本实施例的TV畸变较小，说明TV畸变得到良好的校正。由图3可以看出，本实施例的f-tanθ畸变在±1.3%内，说明光学镜头100的光学畸变被良好地校正。由图4可以看出，被测物高4.68mm处的相对照度达到35%以上，说明光学镜头100的相对照度得到良好的提升。

本实施例中光学镜头100的平板玻璃G0的厚度可以根据需求进行选择，当所述平板玻璃G0的厚度CT0为1.1mm、1.3mm、1.5mm及1.4290mm时，对应的平板玻璃G0与第一透镜的间隔距离CT01以及TV畸变值如表3所示。综上所述，本实施例中光学镜头100能够兼容厚度为1.0mm至1.5mm的屏幕玻璃，能够保证在不同厚度的屏幕玻璃下TV畸变均得到良好的校正，并使TV畸变保持在±1.3%范围内，极大地提高了镜头的兼容性及指纹识别率。

表3

第二实施例

本发明第二实施例提供的光学镜头与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处在于各透镜的曲率半径、材料选择有所不同。而且在本实施例中，第三透镜的物侧面S7上的反曲点至光轴的垂直距离为0.30mm，该反曲点的矢高为0.0244mm。

本实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数如表4所示。

表4

本实施例中的光学镜头的各非球面的面型系数如表5所示。

表5

在本实施例中，光学镜头的TV畸变、f-tanθ畸变和相对照度的曲线图分别如图5、图6和图7所示。本实施例中光学镜头的TV畸变为-0.13%，由图5可以看出，本实施例的TV畸变较小，说明TV畸变得到良好的校正。由图6可以看出，本实施例的f-tanθ畸变量在±1.5%内，说明f-tanθ畸变被良好地校正。由图7可以看出，被测物高4.68mm处的相对照度达到37%以上，说明光学镜头100的相对照度得到良好的提升。

本实施例中的光学镜头能够兼容厚度为1.0mm至1.5mm的屏幕玻璃实现高清成像；当所述平板玻璃G0的厚度CT0为1.1mm、1.3mm、1.5mm及1.4290mm时，对应的平板玻璃G0与第一透镜的间隔距离CT01以及TV畸变值如表6所示。

表6

第三实施例

本发明第三实施例提供的光学镜头与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处在于各透镜的曲率半径、材料选择不同。而且在本实施例中，第三透镜的物侧面S7上的反曲点至光轴的垂直距离为0.285mm，该反曲点的矢高0.0158mm。

本实施例提供的光学镜头的各个镜片的相关参数如表7所示。

表7

本实施例中的光学镜头的各非球面的面型系数如表8所示。

表8

在本实施例中，光学镜头的TV畸变、f-tanθ畸变和相对照度的曲线图分别如图8、图9和图10所示。在本实施例中，光学镜头的TV畸变值为0.17%，由图8可以看出，本实施例的TV畸变较小，说明TV畸变得到良好的校正。由图9可以看出，本实施例的f-tanθ畸变量在±1.3%内，说明f-tanθ畸变被良好地校正。由图10可以看出，被测物高4.68mm处的相对照度达到35%以上，说明本实施例中光学镜头的相对照度得到良好的提升。

本实施例中的光学镜头能够兼容厚度为1.0mm至1.5mm的屏幕玻璃实现高清成像；当所述平板玻璃G0的厚度CT0为1.1mm、1.3mm、1.5mm及1.4290mm，对应的平板玻璃G0与第一透镜的间隔距离CT01以及TV畸变值如表9所示。

表9

表10是上述三个实施例对应的光学特性，主要包括系统的有效焦距f、光圈数F#、入瞳直径EPD、光学总长TTL及视场角2θ，以及与上述每个条件式对应的数值。

表10

综上所述，本发明提供的光学镜头至少具有以下优点：

（1）本发明提供的光学镜头满足高质量解像品质的同时，还具有大视场角、小畸变、大光圈和较高的相对照度，有效提高了用户指纹识别率，且放大率（物高/像高）可达5.2倍，能够更好的适用于手机全面屏设计需求。

（2）本发明采用具有特定屈折力的三片塑胶非球面镜片，且三片透镜均采用低折射率材料，大大降低了光学镜头的生产成本，并且采用特定的表面形状及其搭配，在满足大视场的同时结构更紧凑，体积更小型化。

（3）本发明提供的光学镜头能够兼容厚度为1.0mm至1.5mm的屏幕玻璃，通过调整屏幕玻璃与第一透镜间的空气间隔为补偿，保证光学镜头的放大倍率不变，且TV畸变控制在±1.3%以内，极大提高了镜头对屏幕的兼容性及指纹识别率。

第四实施例

请参阅图11，所示为本发明第四实施例提供的成像设备200，该成像设备200可以包括成像元件210和上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）。成像元件210可以是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。

该成像设备200可以是手机、平板电脑以及其它任意一种形态的装载了上述光学镜头、且具有屏下指纹识别功能的终端设备。

本申请实施例提供的成像设备200包括光学镜头100，由于光学镜头100具有成像品质高、指纹识别率高以及屏幕兼容性好的优点，具有该光学镜头100的成像设备200也具有成像品质高、指纹识别率高以及屏幕兼容性好的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光学镜头，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：平板玻璃，第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，滤光片；

所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第二透镜的像侧面在近光轴处为凹面；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为塑胶非球面镜片；

所述平板玻璃的厚度CT0满足条件式：1.0mm≤CT0≤1.429mm；

所述光学镜头满足条件式：1.4<R4/R3<3.5；0.60<R1/f1<0.85；-6<R2/R1<-2；

其中，R3表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径；R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径，f1表示所述第一透镜的有效焦距。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：1.35mm<CT01<1.65mm；0.65<CT0/CT01<1.1；OH/IH>5.1；

其中，CT0表示所述平板玻璃的厚度，CT01表示所述平板玻璃与所述第一透镜在光轴上的间隔距离，OH表示所述光学镜头在物侧面的最大半物高，IH表示所述光学镜头在成像面上的最大半像高。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：4.5<TTL/f<4.7；

其中，TTL表示所述第一透镜的物侧面至所述成像面在平行于光轴方向的最大距离，f表示所述光学镜头的有效焦距。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：5.5<CT12/CT23<8.5；

其中，CT12表示所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的间隔距离，CT23表示所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的间隔距离。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：1.80<DM1/f<1.85；

其中，DM1表示所述第一透镜的有效半口径，f表示所述光学镜头的有效焦距。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：6.5＜(f1+f2+f3)/f<15.5；1.20<f3/f<1.35；

其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距，f3表示所述第三透镜的有效焦距。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：4<R4/f<10；

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：0.11<CT1/TTL<0.13；0.12<CT2/TTL<0.13；0.70<CT2/CT3<0.80；

其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，TTL表示所述第一透镜的物侧面至所述成像面在平行于光轴方向的最大距离。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：0.9mm<BFL<1.0mm；0.3<BFL/TTL<0.5；

其中，BFL表示所述第三透镜的像侧面至所述成像面在光轴上的距离，TTL表示所述第一透镜的物侧面至所述成像面在平行于光轴方向的最大距离。

10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：0.03mm<SAG5.1-SAG5<0.06mm；

其中，SAG5.1表示所述第三透镜的物侧面上反曲点处的矢高，SAG5表示所述第三透镜的物侧面的边缘矢高。

11.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的光学镜头及成像元件，所述成像元件用于将所述光学镜头形成的光学图像转换为电信号。