TWI690724B - 光學鏡頭（五） - Google Patents

Abstract

一種光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包含：一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡。該第一透鏡為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面，該第二透鏡為具正屈光度的透鏡，該第三透鏡為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面。該光學鏡頭滿足以下條件式：3<D1/f<6，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，f為該光學鏡頭的有效焦距。該光學鏡頭具有廣角及短物距等特性。

Description

光學鏡頭(五)

本發明是關於一種光學元件，特別有關一種光學鏡頭。

近年來，取像設備得到了廣泛的應用，各種智慧型裝置(例如智慧型手機、平板電腦及穿戴式裝置)都配備有取像設備，甚至一個電子裝置配備多個取像設備或光學鏡頭，且不同特性的光學取像系統組逐漸被開發出來，以因應各種不同的需求。

舉例來說，智慧型裝置在操作時需要對使用者身份進行驗證，以避免裝置遭盜用。對於身份驗證技術，除了傳統上輸入帳號密碼的方式之外，使用指紋辨識的方式日益盛行，這種方式也更加快速、方便。應用於智慧型裝置上，常見的電容式指紋辨識發展成熟，但是電容式指紋辨識必須在裝置上另外設立指紋辨識區域，無法直接設置於顯示面板下方。屏下指紋辨識可透過光學式指紋辨識來實現，這種方式中顯示面板下方設置取像設備或光學鏡頭來擷取指紋影像，而光學鏡頭的優劣關係到指紋識別的準確度。開發這類光學鏡頭成為本領域重要的課題之一。

本發明之目的在於提供一種光學鏡頭，其具有廣角及短物距等特性，適用於光學辨識、微距觀察及生醫檢測等技術領域。

本發明提供的光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包 含：一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡。該第一透鏡為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面，該第二透鏡為具正屈光度的透鏡，該第三透鏡為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面。其中該光學鏡頭滿足以下條件式：3<D1/f<6，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，f為該光學鏡頭的有效焦距。

本發明實施例中，該第一透鏡的物側表面和像側表面之至少一者具有反曲點，該第一透鏡的像側表面為凹面，該第一透鏡為一雙凹透鏡；該第二透鏡的物側表面為凹面，該第二透鏡的像側表面為凸面，該第二透鏡為一彎月型透鏡；該第三透鏡的物側表面為凸面，該第三透鏡為一雙凸透鏡。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：0.7<OD/TTL<1.2，其中OD為該第一透鏡的物側表面到待測物於該光軸上的距離，TTL為該光學鏡頭的總長度。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：3.2<D1/IH<3.8，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，IH為該光學鏡頭在成像平面的最大成像高度。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：10<f2/f<14；及8.5<(f1+f2+f3)/f<15，其中f1為該第一透鏡的有效焦距，f2為該第二透鏡的有效焦距，f3為該第三透鏡的有效焦距，f為該光學鏡頭的有效焦距。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：4<TTL/AAG<7，其中TTL為該光學鏡頭的總長度，AAG為該第一透鏡與該第 二透鏡之間於該光軸上的空氣間隙及該第二透鏡與該第三透鏡之間於該光軸上的空氣間隙的總和。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：4<TTL/f<7，其中TTL為該光學鏡頭的總長度，f為該光學鏡頭的有效焦距。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：5<f2/f3<10，其中f2為該第二透鏡的有效焦距，f3為該第三透鏡的有效焦距。

本發明實施例中，該光學鏡頭滿足以下條件式：4<f/TC23<6，其中f為該光學鏡頭的有效焦距，TC23為該第二透鏡的像側表面至該第三透鏡的物側表面於該光軸上距離。

本發明實施例中，該光學鏡頭還包括一光圈，設置於該第二透鏡與該第三透鏡之間，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：0.5<SD/T1<1，其中SD為該光圈到該第三透鏡的像側表面於該光軸上的距離，T1為該第一透鏡於該光軸上的中心厚度值。

本發明的光學鏡頭能夠擴大視野，減少像差，提升解像力，並且本發明的光學鏡頭最少只需三枚透鏡，具有構成枚數少、易於微型化的優點，在某些應用中可實現例如屏下指紋的光學辨識功能。

G‧‧‧保護玻璃

GL‧‧‧平板透明件

IMA‧‧‧成像平面

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

OA‧‧‧光軸

STO‧‧‧光圈

S1‧‧‧第一透鏡物側表面

S2‧‧‧第一透鏡像側表面

S3‧‧‧第二透鏡物側表面

S4‧‧‧第二透鏡像側表面

S6‧‧‧第三透鏡物側表面

S7‧‧‧第三透鏡像側表面

第1圖顯示依據本發明的光學鏡頭的示意圖。

第2A圖顯示依據本發明第一實施例的光學鏡頭的示意圖。

第2B至2D圖分別依序為第一實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。

第3A圖顯示依據本發明第二實施例的光學鏡頭的示意圖。

第3B至3D圖分別依序為第二實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。

第4A圖顯示依據本發明第三實施例的光學鏡頭的示意圖。

第4B至4D圖分別依序為第三實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。

第5A圖顯示依據本發明第四實施例的光學鏡頭的示意圖。

第5B至5D圖分別依序為第四實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明提供一種光學鏡頭，其具有廣角及短物距等特性，並可實現為具備微型、單焦點或大光圈之特徵的鏡頭，可應用於諸如手機、智慧型手機及平板電腦等個人資訊終端、穿戴式裝置及各種配備鏡頭之取像裝置，實現於光學辨識、微距觀察及生醫檢測等技術領域。例如，本發明的光學鏡頭可設置於顯示面板下方，實現屏下指紋的光學辨識，作為屏下指紋辨識相關裝置的關鍵組件。

本發明提供一種光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包含：一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡。第一透鏡為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面，第二透鏡為具正屈光度的透鏡，第三透鏡為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面。其中光學鏡頭滿足以下條件式：3<D1/f<6，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，f為該光學鏡頭的有效焦距。

請參閱第1圖，本發明的光學鏡頭沿著光軸OA從物側至像側依序包含一第一透鏡L1、一第二透鏡L2及一第三透鏡L3。較佳地，第一透鏡L1為具負屈光度的透鏡，第二透鏡L2為具正屈光度的透鏡，第三透鏡L3 為具正屈光度的透鏡。此外，該光學鏡頭還包含位於第二透鏡L2之像側表面與第三透鏡L3之物側表面之間的光圈STO以及位於第三透鏡L3和成像平面IMA(來自物側的光線最後成像於成像平面IMA上)之間的保護玻璃G。惟，光圈STO的設置位置不限於此，也可以設於其他適當位置。保護玻璃G亦可為一濾光片。

於一實施例中，該光學鏡頭具有單一焦點，為一單焦點鏡頭。於光軸OA上，在靠近物側一側與第一透鏡L1的物側表面相距一段距離處，可設置一平板透明件(其材質例如為玻璃)，待測物可放置在該平板透明件上，以固定物距的方式進行成像，從而利於在成像平面IMA上形成清晰影像。

於一實施例中，第一透鏡L1的物側表面為凹面，像側表面為凹面，形成具負屈光度之透鏡。第一透鏡L1可由塑膠材質製成，其物側表面和像側表面中至少有一面可為非球面表面(ASP)。第一透鏡L1亦可由玻璃和塑膠組成的複合透鏡，例如第一透鏡L1的物側表面由塑膠材質形成，像側表面由玻璃材質形成。此外，第一透鏡L1的物側表面和像側表面之至少一者可具有反曲點。例如，反曲點位於第一透鏡L1的物側表面上。

於一實施例中，第二透鏡L2的物側表面為凹面，像側表面為凸面，形成具正屈光度之透鏡。第二透鏡L2可由塑膠材質製成或由玻璃和塑膠組成的複合透鏡，例如第二透鏡L2的物側表面由玻璃材質形成，像側表面由塑膠材質形成。

於一實施例中，第三透鏡L3的物側表面為凸面，像側表面為凸面，形成具正屈光度之透鏡。例如，第三透鏡L3為一雙凸透鏡。第三 透鏡L3可由塑膠材質製成或由玻璃和塑膠組成的複合透鏡，其物側表面和像側表面中至少有一面可為非球面表面。

該光學鏡頭中各透鏡L1、L2及L3的物側表面及像側表面皆可為非球面表面，非球面表面可以獲得較多的控制變數，以減少像差，各透鏡L1、L2及L3可皆為塑膠鏡片，在成本降低的情況下同時保持優良的解像品質。當然，各透鏡L1、L2及L3亦可以玻璃鏡片實現，或以塑膠和玻璃組成的複合透鏡來實現。

非球面透鏡之形狀可以下式表示：

其中D代表非球面透鏡在離透鏡中心軸的相對高度時的矢(Sag)量，C表示近軸曲率半徑倒數，H表示非球面透鏡在離透鏡中心軸的相對高度，K表示非球面透鏡的圓錐常數(Conic Constant)，而E₄~E₁₂四階以上之偶數階的非球面修正係數。

本發明的光學鏡頭能夠擴大視野，減少像差，提升解像力，並且本發明的光學鏡頭最少只需三枚透鏡，具有構成枚數少、易於微型化的優點，在某些應用中可實現例如屏下指紋的光學辨識功能。

以下將舉具體實施例，對本發明之光學鏡頭作進一步詳細說明。

請參閱第2A圖至第2D圖，其中第2A圖顯示依據本發明第一實施例的光學鏡頭的示意圖，第2B至2D圖分別依序為第一實施例的場曲、 畸變及橫向色差圖。請參閱第2A圖，本發明第一實施例的光學鏡頭沿著光軸OA從物側至像側依序包含具負屈光度的一第一透鏡L1、具正屈光度的一第二透鏡L2、光圈STO、具正屈光度的一第三透鏡L3及保護玻璃(或濾光片)G。具體來說，第一透鏡L1的物側表面S1為凹面，像側表面S2為凹面，第一透鏡L1為一雙凹透鏡，第一透鏡L1的物側表面具有反曲點，第二透鏡L2的物側表面S3為凹面，像側表面S4為凸面，第二透鏡L2為一彎月型透鏡，第三透鏡L3的物側表面S6為凸面，像側表面S7為凸面，第三透鏡L3為一雙凸透鏡。保護玻璃(或濾光片)G其物側表面S8與像側表面S9皆為平面。

本發明第一實施例的光學鏡頭滿足以下條件式中任一條件式：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為第一透鏡L1的物側表面S1到待測物於光軸OA上的距離(即光學鏡頭的光學系物距)，TTL為該光學鏡頭的總長度(即第一透鏡L1物側表面S1至成像平面IMA於光軸OA上的距離)，D1為第一透鏡L1的光學有效直徑，IH為該光學鏡頭在成像平面IMA的最大成像高度(最大成像圓半徑)，f1為第一透鏡L1的有效焦距，f2為第二透鏡L2的有效焦距，f3為第三透鏡L3的有效焦距，f為該光學鏡頭的有效焦距，AAG為第一透鏡L1與第二透鏡L2之間於光軸OA上的空氣間隙及第二透鏡L2與第三透鏡L3之 間於光軸OA上的空氣間隙的總和(即第一透鏡L1至第三透鏡L3之間的空氣間隙總和)，TC23為第二透鏡L2的像側表面S4至第三透鏡L3的物側表面S6於光軸OA上距離，SD為光圈STO到第三透鏡L3的像側表面S7於光軸OA上的距離，T1為第一透鏡L1於光軸OA上的中心厚度值。

利用上述透鏡及滿足條件式(1)至(10)中任一條件式，可使得光學鏡頭具有廣角及短物距等特性，且能減少像差、提升解像力。

表一為第2A圖中光學鏡頭的參數，表二為該光學鏡頭之各透鏡的相關參數表，表三為表二中各個透鏡之非球面表面之相關參數表。

表四顯示第一實施例之光學鏡頭各參數依據條件式(1)~(10)計算得出的值，從表四可以看出，第一實施例之光學鏡頭滿足條件式(1)~(10)之要求。

另外，第一實施例之光學鏡頭的光學性能也可達到要求，這可從第2B至第2D圖看出。由第2B圖可看出，第一實施例之光學鏡頭其場曲介於-0.07mm至-0.01mm之間。由第2C圖可看出，第一實施例之光學鏡頭其畸變介於-32%至1%之間。由第2D圖可看出，第一實施例之光學鏡頭其橫向色差值介於-4.9μm至0μm之間。顯見第一實施例之光學鏡頭之場曲、畸變、橫向色差都能被有效修正，鏡頭解析度也能滿足要求，從而得到較佳 的光學性能。

請參閱第3A圖至第3D圖，其中第3A圖顯示依據本發明第二實施例的光學鏡頭的示意圖，第3B至3D圖分別依序為第二實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。本發明第二實施例中各透鏡L1、L2及L3的屈光性質和面型與第一實施例類似，不再贅述。本發明第二實施例中，於光軸OA上，在靠近物側一側與第一透鏡L1的物側表面S1相距一段距離處，設置有一平板透明件GL。第二實施例之光學鏡頭為單焦點鏡頭，為了利於在成像平面IMA上形成清晰影像，可將待測物放置在平板透明件GL上，使得成像過程中物距固定。

表五為第3A圖中光學鏡頭的參數，表六為該光學鏡頭之各透鏡的相關參數表，表七為表六中各個透鏡之非球面表面之相關參數表。

表八顯示第二實施例之光學鏡頭各參數依據條件式(1)~(10)計算得出的值，從表八可以看出，第二實施例之光學鏡頭滿足條件式(1)~(10)之要求。

另外，第二實施例之光學鏡頭的光學性能也可達到要求，這可從第3B至第3D圖看出。由第3B圖可看出，第二實施例之光學鏡頭其場曲介於-0.061mm至0.01mm之間。由第3C圖可看出，第二實施例之光學鏡頭其畸變介於-5%至0%之間。由第3D圖可看出，第二實施例之光學鏡頭其橫向色差值介於-3.9μm至0μm之間。顯見第二實施例之光學鏡頭之場曲、畸變、橫向色差都能被有效修正，鏡頭解析度也能滿足要求，從而得到較佳的光學性能。

請參閱第4A圖至第4D圖，其中第4A圖顯示依據本發明第三實施例的光學鏡頭的示意圖，第4B至4D圖分別依序為第三實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。本發明第三實施例中各透鏡L1、L2及L3的屈光性質和面型與第一實施例類似，不再贅述。

表九為第4A圖中光學鏡頭的參數，表十為該光學鏡頭之各透鏡的相關參數表，表十一為表十中各個透鏡之非球面表面之相關參數表。

表十二顯示第三實施例之光學鏡頭各參數依據條件式(1)~(10)計算得出的值，從表十二可以看出，第三實施例之光學鏡頭滿足條件式(1)~(10)之要求。

另外，第三實施例之光學鏡頭的光學性能也可達到要求，這可從第4B至第4D圖看出。由第4B圖可看出，第三實施例之光學鏡頭其場曲介於-0.04mm至0.03mm之間。由第4C圖可看出，第三實施例之光學鏡頭其畸變介於-15%至0%之間。由第4D圖可看出，第三實施例之光學鏡頭其橫向色差值介於-4μm至0μm之間。顯見第三實施例之光學鏡頭之場曲、畸變、橫向色差都能被有效修正，鏡頭解析度也能滿足要求，從而得到較佳的光學性能。

請參閱第5A圖至第5D圖，其中第5A圖顯示依據本發明第四實施例的光學鏡頭的示意圖，第5B至5D圖分別依序為第四實施例的場曲、畸變及橫向色差圖。本發明第四實施例中各透鏡L1、L2及L3的屈光性質和面型與第一實施例類似，不再贅述。

表十三為第5A圖中光學鏡頭的參數，表十四為該光學鏡頭之各透鏡的相關參數表，表十五為表十四中各個透鏡之非球面表面之相關參數表。

表十三

表十六顯示第四實施例之光學鏡頭各參數依據條件式(1)~(10)計算得出的值，從表十六可以看出，第四實施例之光學鏡頭滿足條件式(1)~(10)之要求。

另外，第四實施例之光學鏡頭的光學性能也可達到要求，這可從第5B至第5D圖看出。由第5B圖可看出，第四實施例之光學鏡頭其場曲介於-0.07mm至0.03mm之間。由第5C圖可看出，第四實施例之光學鏡頭其畸變介於-5%至0%之間。由第5D圖可看出，第四實施例之光學鏡頭其橫向色差值介於-4μm至0μm之間。顯見第四實施例之光學鏡頭之場曲、畸變、橫向色差都能被有效修正，鏡頭解析度也能滿足要求，從而得到較佳的光學性能。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

G‧‧‧保護玻璃

IMA‧‧‧成像平面

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

OA‧‧‧光軸

STO‧‧‧光圈

Claims (10)

1. 一種光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包含：一第一透鏡，其為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面；一第二透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；以及一第三透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；其中該光學鏡頭滿足以下條件式：3<D1/f<6，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，f為該光學鏡頭的有效焦距。
2. 一種光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包含：一第一透鏡，其為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面；一第二透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；以及一第三透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；其中該光學鏡頭滿足以下條件式：3.2<D1/IH<3.8，其中D1為該第一透鏡的光學有效直徑，IH為該光學鏡頭在成像平面的最大成像高度。
3. 一種光學鏡頭，其從物側至像側在光軸上依序包含：一第一透鏡，其為具負屈光度的透鏡，其物側表面為凹面；一第二透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；以及一第三透鏡，其為具正屈光度的透鏡，其像側表面為凸面；其中該光學鏡頭滿足以下條件式：5<f2/f3<10， 其中f2為該第二透鏡的有效焦距，f3為該第三透鏡的有效焦距。
4. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡的物側表面和像側表面之至少一者具有反曲點，該第一透鏡的像側表面為凹面，該第一透鏡為一雙凹透鏡；該第二透鏡為一彎月型透鏡；該第三透鏡的物側表面為凸面，該第三透鏡為一雙凸透鏡。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：0.7<OD/TTL<1.2，其中OD為該第一透鏡的物側表面到待測物於該光軸上的距離，TTL為該光學鏡頭的總長度。
6. 如申請專利範圍第4項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：10<f2/f<14；及8.5<(f1+f2+f3)/f<15，其中f1為該第一透鏡的有效焦距，f2為該第二透鏡的有效焦距，f3為該第三透鏡的有效焦距，f為該光學鏡頭的有效焦距。
7. 如申請專利範圍第5項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：4<TTL/AAG<7，其中TTL為該光學鏡頭的總長度，AAG為該第一透鏡與該第二透鏡之間於該光軸上的空氣間隙及該第二透鏡與該第三透鏡之間於該光軸上的空氣間隙的總和。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：4<TTL/f<7，其中TTL為該光學鏡頭的總長度，f為該光學鏡頭的有效焦距。
9. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：4<f/TC23<6，其中f為該光學鏡頭的有效焦距，TC23為該第二透鏡的像側表面至該第三透鏡的物側表面於該光軸上距離。
10. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之光學鏡頭，還包括一光圈，設置於該第二透鏡與該第三透鏡之間，其中該光學鏡頭滿足以下條件式：0.5<SD/T1<1，其中SD為該光圈到該第三透鏡的像側表面於該光軸上的距離，T1為該第一透鏡於該光軸上的中心厚度值。

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