TW201704800A - 光學掃描模組及其光學掃描鏡頭 - Google Patents

Abstract

一種光學掃描模組，包含有由一物側至一像側且沿一光軸依序排列之一平面鏡、一第一鏡片、一光圈、一第二鏡片及一感測器，其中該感測器具有一感測面。該第一鏡片以塑膠材料製成，並在該光軸上之屈光力為負，且至少一鏡面為非球面表面。該第二鏡片以塑膠材料製成，並為具有正屈光力之雙凸透鏡或凹凸透鏡，其凸面朝向該像側，且至少一鏡面為非球面表面。

Description

光學掃描模組及其光學掃描鏡頭

本發明係與光學設計有關；特別是指一種光學掃描模組及其光學掃描鏡頭。

身份辨識不論是在國家安全、企業資訊管理及住家安全中，扮演著重要的守門員角色。其中，生物辨識(Biometrics)是利用個人的生理特徵來辨識和確認其身份。一般而言，目前生物辨識的種類主要包括聲音、臉部、虹膜、靜脈及指紋辨識等。指紋是由許多凹凸不平的紋路所組成，因為每個人的指紋都是獨一無二的，完全相同的機率幾乎是微乎其微，且指紋很難會隨著年齡增長或身體健康程度的變化而有所改變。所以相較於其他方法，指紋辨識是目前最為廣泛、容易且低成本的一項技術。

習知指紋辨識系統的種類，主要分為光學式、電容式、超音波式及熱感式指紋辨識系統。其中，光學式的指紋辨識系統是利用光學掃描鏡頭成像指紋於光學感測器上，而為了提高光學掃描鏡頭的應用範圍，在維持品質的情況下，朝小型化、輕量化發展。

而目前指紋辨識系統所採用的光學掃描鏡頭，在朝小型化發展時，常有畸變及色差問題，而容易影響其影像品質。是以，習用之光學掃描鏡頭的設計仍未臻完善，而尚有待改進之處。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種光學掃描模組及其光學掃描鏡頭，除可提供小型化與高光量的需求外，亦可用於指紋的成像及掃描等用途。

緣以達成上述目的，本發明所提供光學掃描模組，包含有由一物側至一像側且沿一光軸依序排列之一平面鏡、一光學掃描鏡頭及一感測器組成，其中該感測器具有一感測面。該光學掃描鏡頭包含有由物側至像側依序排列之第一鏡片、光圈以及第二鏡片。該第一鏡片以塑膠材料製成，並在該光軸上之屈光力為負，且至少一鏡面為非球面表面。該第二鏡片以塑膠材料製成，並為具有正屈光力之雙凸透鏡或凹凸透鏡，其凸面朝向該像側，且至少一鏡面為非球面表面。

依據上述構思，該光學掃描模組更滿足有以下條件：2mm<OD<5mm；0.025<f/OD<0.2；其中，f是指該光學掃描模組的焦距；OD是指該平面鏡朝向該物側之鏡面到該感測器之感測面的距離。

依據上述構思，該第一鏡片在該光軸上並朝向該物側之鏡面為凸面，朝向該像側之鏡面為凹面。

依據上述構思，該第一鏡片之至少一鏡面具有至少一反曲點，使該第一鏡片之屈光力由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正，且於該光軸通過處且朝向該物側之鏡面為凹面。

依據上述構思，該第一鏡片朝向該物側之鏡面的具有該反曲點，而使該第一鏡片朝向該物側之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正，且朝向該像側之鏡面為凹面或凸面。

依據上述構思，其中該第一鏡片具有該反曲 點，而使該第一鏡片朝向該像側之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。

依據上述構思，該第一鏡片與該第二鏡片之鏡面皆為非球面表面。

藉此，透過上述之鏡片結構與鏡片材質之設計，便可有效地達到小型化與高光量的需求之目的。除此之外，亦可用於指紋的掃描等用途。

1~6‧‧‧光學掃描模組

10‧‧‧平面鏡

20‧‧‧感測器

L1‧‧‧第一鏡片

L2‧‧‧第二鏡片

ST‧‧‧光圈

Z‧‧‧光軸

S1~S8‧‧‧面

圖1為第一實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖2為第一實施例之場曲圖。

圖3為第一實施例之畸變圖。

圖4為第一實施例於瞳孔半徑0.0509mm時的縱向像差圖。

圖5為第二實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖6為第二實施例之場曲圖。

圖7為第二實施例之畸變圖。

圖8為第二實施例於瞳孔半徑0.0521mm時的縱向像差圖。

圖9為第三實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖10為第三實施例之場曲圖。

圖11為第三實施例之畸變圖。

圖12為第三實施例於瞳孔半徑0.0454mm時的縱向像差圖。

圖13為第四實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖14為第四實施例之場曲圖。

圖15為第四實施例之畸變圖。

圖16為第四實施例於瞳孔半徑0.0619mm時的縱向像差圖。

圖17為第五實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖18為第五實施例之場曲圖。

圖19為第五實施例之畸變圖。

圖20為第五實施例於瞳孔半徑0.0458mm時的縱向像差圖。

圖21為第六實施例之光學掃描模組的架構圖。

圖22為第六實施例之場曲圖。

圖23為第六實施例之畸變圖。

圖24為第六實施例於瞳孔半徑0.0436mm時的縱向像差圖。

為能更清楚地說明本發明，請參圖1、圖5、圖9、圖13、圖17與圖21所示之光學架構，分別為本發明第一至第六較佳實施例之光學掃描模組1~6，且該等光學掃描模組1~6各由沿一光軸Z由物側至像側依序排列之一平面鏡10、一光學掃描鏡頭及一感測器20組成。該光學掃描鏡頭包含有由物側至像側依序排列之一第一鏡片L1、一光圈ST以及一第二鏡片L2。

於第一實施例、第三實施例以及第四實施例中，該平面鏡10以塑膠材料中的聚碳酸酯(polycarb)製成。此外，於第二實施例、第五實施例以及第六實施例中，該平面鏡10則是以玻璃材料製成。該光學掃描模組1~6之各該平面鏡10之靠近物側之鏡面S1為一掃描面，主要供一待掃描物放置，例如，若是將本發明的光學掃描模組1~6用於掃描指紋之用途的話，則可供一待測者的手指放置於該平面鏡 10之鏡面S1上，但本發明的光學掃描模組1~6並不以用於掃描指紋為限。

各實施例的該感測器20具有一感測面，且通過該光學掃描鏡頭之光訊號將成像於該感測面上，換言之，該感測器20之感測面與該光學掃描鏡頭的成像面位在相同位置上，藉以透過各該感測器20將光訊號轉換成對應之電訊號後輸出以進行後續之處理。

此外，各實施例的該等鏡片L1、L2於光軸Z通過處之屈光力依序為負、正，且各鏡片L1、L2之鏡面S3、S4、S6、S7皆為非球面表面。其中：各實施例的該第一鏡片L1及第二鏡片L2皆以塑膠材料製成。

在朝向該物側之鏡面設計上，於第一實施例、第三實施例、第四實施側以及第五實施例中，其該第一鏡片L1朝向該物側之鏡面S3具有一反曲點，且於光軸Z通過處的表面S3為凹面(即曲率半徑為負)，使該鏡面S3的曲率半徑由光軸Z通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。而於該第二實施例及該第六實施例中，該第一鏡片L1朝向該物側之鏡面S3則為凸面。

另外，在朝向該像側之鏡面設計上，於該第一實施例、第二實施例、第三實施例、第五實施例以及第六實施例之該第一鏡片L1朝向該像側之鏡面S4為凹面。較不同的是，於該第四實施例中，該第一鏡片L1朝向該像側之鏡面S4具有一反曲點，且於光軸Z通過處的表面為凸面(即曲率半徑為負)，使該鏡面S10的曲率半徑由光軸Z通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。

除各實施例之第一鏡片L1於鏡片形狀上有些許差異外，各實施例之第二鏡片L2於鏡片形狀上亦有所差 異。即，於第一實施例至第五實施例的該第二鏡片L2之鏡片形狀為雙凸透鏡。而於第六實施例的該第二鏡片L2之鏡片形狀則為凸凹透鏡，且其凹面朝向該物側，而凸面朝向該像側。

此外，為有效提升該些光學掃描模組1~6之光學效能，本發明第一至第六實施例之光學掃描模組1~6各個鏡片表面於光軸Z通過處的曲率半徑R、各鏡面與下一鏡面(或成像面)於光軸Z上之距離D、各鏡片之材質、各鏡片之折射率Nd、各鏡片之阿貝係數Vd依序如表一至表六所示：

另外，各實施例之該光學掃描模組1~6的各個鏡片中，該等非球面表面S3、S4、S6、S7之表面凹陷度z由下列公式所得到：

其中：z：非球面表面之凹陷度；c：曲率半徑之倒數；h：表面之離軸半高；k：圓錐係數；A~G：表面之離軸半高h的各階係數。

本發明第一至第六實施例之光學掃描模組1~6的各個非球面表面S3、S4、S6、S7的非球面係數k及各階係數A~M，依序如表七至表十二所示：

此外，透過上述光圈ST以及第一鏡片L1以及第二鏡片L2使用非球面設計，可有效地修正該光學掃描模組1~6於光學設計時容易出現的畸變問題。另外，透過第一鏡片L1為負屈光力及第二鏡片L2為正屈光力之排列，配合下列條件式之設計，可達到矯正軸外像差、補償色差以及縮小光學系統總長之效果，進而在鏡頭體積有效小型化之同 時，亦能具有良好的成像品質：(1)2mm<OD<5mm；(2)0.025<f/OD<0.2；其中，f是指該光學掃描模組的焦距(或光學掃描鏡頭的焦距，即為第一鏡片即第二鏡片合成之焦距)；OD是指該平面鏡10朝向該物側之該鏡面S1到該感測器20之感測面S8的距離(即為掃描面到成像面的距離)。

而本發明第一至第六實施例之光學掃描模組1~6於上述條件之詳細數據如表十三所示：

如此一來，請參閱圖2至圖4，可知悉本發明第一實施例之該光學掃描模組1藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖2可看出，該光學掃描模組1的最大場曲不超過-0.12mm及0.05mm；由圖3可看出，該光學掃描模組1的最大畸變量不超過-8%以及6%；由圖4可看出，該光學掃描模組1的縱 向像差不超過-0.01mm與0.02mm。是以，從圖2至圖4可顯見該光學掃描模組1的高光學效能。

請參閱圖6至圖8，可知悉本發明第二實施例之該光學掃描模組2藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖6可看出，該光學掃描模組2的最大場曲不超過-0.04mm及0.04mm；由圖7可看出，該光學掃描模組2的最大畸變量不超過-40%以及10%；由圖8可看出，該光學掃描模組2的縱向像差不超過-0.02mm與0.01mm。是以，從圖6至圖8可顯見該光學掃描模組2的高光學效能。

請參閱圖10至圖12，可知悉本發明第三實施例之該光學掃描模組3藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖10可看出，該光學掃描模組3的最大場曲不超過-0.05mm及0.06mm；由圖11可看出，該光學掃描模組3的最大畸變量不超過0%以及20%；由圖12可看出，該光學掃描模組3的縱向像差不超過-0.02mm與0.02mm。是以，從圖10至圖12可顯見該光學掃描模組3的高光學效能。

請參閱圖14至圖16，可知悉本發明第四實施例之該光學掃描模組4藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖14可看出，該光學掃描模組4的最大場曲不超過-0.06mm及0.06mm；由圖15可看出，該光學掃描模組4的最大畸變量不超過-21%以及3%；由圖16可看出，該光學掃描模組4的縱向像差不超過-0.02mm與0.04mm。是以，從圖14至圖16可顯見該光學 掃描模組4的高光學效能。

請參閱圖18至圖20，可知悉本發明第五實施例之該光學掃描模組5藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖18可看出，該光學掃描模組5的最大場曲不超過-0.04mm及0.04mm；由圖19可看出，該光學掃描模組5的最大畸變量不超過-45%以及5%；由圖20可看出，該光學掃描模組5的縱向像差不超過-0.01mm與0.02mm。是以，從圖18至圖20可顯見該光學掃描模組5的高光學效能。

請參閱圖22至圖24，可知悉本發明第六實施例之該光學掃描模組6藉由上述的第一鏡片L1、第二鏡片L2及光圈ST之設計，平面鏡10及感測器20之位置的擺放，在成像品質上也可達到要求，其中，由圖22可看出，該光學掃描模組6的最大場曲不超過-0.06mm及0.04mm；由圖23可看出，該光學掃描模組6的最大畸變量不超過-24%以及12%；由圖24可看出，該光學掃描模組6的縱向像差不超過-0.02mm與0.02mm。是以，從圖22至圖24可顯見該光學掃描模組6的高光學效能。

綜上所述，本發明之該光學掃描模組1~6，透過上述之鏡片結構與光學條件式之設計，便可有效地達到小型化與高光量的需求之目的。除此之外，亦可用於指紋的掃描等用途

此外，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧光學掃描模組

10‧‧‧平面鏡

20‧‧‧感測器

L1‧‧‧第一鏡片

L2‧‧‧第二鏡片

ST‧‧‧光圈

Z‧‧‧光軸

S1~S8‧‧‧面

Claims (20)

1. 一種光學掃描鏡頭，包含有由一掃描面至一成像面且沿一光軸依序排列之：一第一鏡片，以塑膠材料製成，該第一鏡片在該光軸上之屈光力為負，且至少一鏡面為非球面表面；一光圈；以及一第二鏡片，以塑膠材料製成，並為具有正屈光力之雙凸透鏡或凹凸透鏡，其凸面朝向該成像面，且至少一鏡面為非球面表面；另外，該光學掃描鏡頭更滿足有以下條件：0.025<f/OD<0.2；其中，f是指該光學掃描鏡頭的焦距；OD是指該掃描面到該成像面的距離。
2. 如請求項1所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片於該光軸通過處並朝向該掃描面之鏡面為凸面。
3. 如請求項2所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該成像面之鏡面為凹面。
4. 如請求項1所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片之至少一鏡面具有至少一反曲點，使該第一鏡片之屈光力由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
5. 如請求項4所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該掃描面之鏡面為凹面。
6. 如請求項5所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片朝向該掃描面之鏡面具有該反曲點，而使該第一鏡片朝向該掃描 面之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
7. 如請求項6所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片朝向該成像面之鏡面為凹面。
8. 如請求項6所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該成像面之鏡面為凸面。
9. 如請求項8所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片具有該反曲點，而使該該第一鏡片朝向該成像面之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
10. 如請求項1所述之光學掃描鏡頭，其中該第一鏡片與該第二鏡片之鏡面皆為非球面表面。
11. 一種光學掃描模組，包含有由一物側至一像側且沿一光軸依序排列之：一平面鏡；一第一鏡片，以塑膠材料製成，並在該光軸上之屈光力為負，且至少一鏡面為非球面表面；一光圈；一第二鏡片，以塑膠材料製成，並為具有正屈光力之雙凸透鏡或凹凸透鏡，其凸面朝向該像側，且至少一鏡面為非球面表面；以及一感測器，具有一感測面；另外，該光學掃描模組更滿足有以下條件：2mm<OD<5mm；0.025<f/OD<0.2； 其中，f是指該光學掃描模組的焦距；OD是指該平面鏡朝向該物側之鏡面到該感測器之感測面的距離。
12. 如請求項11所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片在該光軸上並朝向該物側之鏡面為凸面。
13. 如請求項12所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該像側之鏡面為凹面。
14. 如請求項11所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片之至少一鏡面具有至少一反曲點，使該第一鏡片之屈光力由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
15. 如請求項14所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該物側之鏡面為凹面。
16. 如請求項15所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片朝向該物側之鏡面的具有該反曲點，而使該第一鏡片朝向該物側之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
17. 如請求項16所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片朝向該像側之鏡面為凹面。
18. 如請求項16所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片於該光軸通過處且朝向該像側之鏡面為凸面。
19. 如請求項18所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片具有該反曲點，而使該該第一鏡片朝向該像側之鏡面的曲率半徑，由光軸通過處往鏡片邊緣逐漸由負轉正。
20. 如請求項11所述之光學掃描模組，其中該第一鏡片與該第二鏡片之鏡面皆為非球面表面。