TWI839976B - 光學透鏡組 - Google Patents

Abstract

本發明的一實施例提供一種光學透鏡組，從出光側至入光側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡。第一透鏡至第三透鏡各自包括朝向出光側的出光面以及朝向入光側的入光面。第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面。第二透鏡具有正屈光率，且第二透鏡的入光面的光軸區域為凹面。第三透鏡的出光面的圓周區域為凹面，且第三透鏡的入光面的光軸區域為凸面。光學透鏡組的透鏡只有上述第一透鏡至第三透鏡，且第一透鏡在光軸上的厚度大於或等於第一透鏡到第三透鏡在光軸上的兩個空氣間隙總和。

Description

光學透鏡組

本發明是有關於一種光學透鏡組。

近年來，可攜式電子產品的應用越趨多元，除攝像與錄影外，利用3D感測技術來辨識人臉或物體的應用也逐漸增加。

3D感測技術主要有二，一是光源發射出紅外光，通過光學透鏡組照射到物體表面反射回來，利用不同深度位置反射回來的時間，計算出不同位置的距離(深度)；另一種是光源通過光學透鏡組形成特定形式的圖形，經由不同物體深度的位置反射後會造成光線圖形扭曲，藉以反推該立體結構。而為使投影的光線能被清楚辨識，解析度尤為重要，且還須能滿足可攜式電子裝置輕薄的需求，因此，如何設計出體積小且有良好光學品質的光學透鏡組是值得研究探討的問題。

本發明提供一種輕薄短小、成本低且光學品質優良的光學透鏡組。

本發明的一實施例提供一種光學透鏡組，其從出光側至入光側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡，其中第一透鏡至第三透鏡各自包括朝向該出光側的出光面以及朝向入光側的入光面。第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面。第二透鏡具有正屈光率，且第二透鏡的入光面的光軸區域為凹面。第三透鏡的出光面的圓周區域為凹面，且第三透鏡的入光面的光軸區域為凸面。光學透鏡組的透鏡只有上述第一透鏡至第三透鏡，且第一透鏡在光軸上的厚度大於或等於第一透鏡到第三透鏡在光軸上的兩個空氣間隙總和。

本發明的一實施例提供一種光學透鏡組，其從出光側至入光側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡，其中第一透鏡至第三透鏡各自包括朝向該出光側的出光面以及朝向入光側的入光面。第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面。第二透鏡具有正屈光率，第二透鏡的出光面的圓周區域為凸面，且第二透鏡的入光面的光軸區域為凹面。第三透鏡的出光面的圓周區域為凹面。光學透鏡組的透鏡只有上述第一透鏡至第三透鏡，且第一透鏡在光軸上的厚度大於或等於第一透鏡到第三透鏡在光軸上的兩個空氣間隙總和。

本發明的一實施例提供一種光學透鏡組，其從出光側至入光側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡，其中第一透鏡至第三透鏡各自包括朝向該出光側的出光面以及朝向入光側的入光面。第一透鏡具有正屈光率，且第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面。第二透鏡的出光面的圓周區域為凸面。第三透鏡的出光面的光軸區域為凸面，且第三透鏡的入光面的光軸區域為凸面。光學透鏡組的透鏡只有上述第一透鏡至第三透鏡，並且滿足以下條件式：EFL/BFL≧3.500，其中EFL為光學透鏡組的有效焦距，且BFL為第三透鏡的入光面到發光面在光軸上的距離。

基於上述，本發明的實施例的光學透鏡組的有益效果在於：藉由滿足上述透鏡的凹凸曲面排列設計、屈光率的條件以及滿足上述條件式的設計，光學透鏡組可在縮短整體的長度的情況下，仍可提供輕薄短小、成本低且光學品質優良的鏡頭。

請參照圖1A，三維（Three-dimensional, 3D）感測發射端鏡頭20的光線方向為多個近紅外光由多光源產生單元PM所發出，該多光源產生單元PM可以為結構光（Structured Light），經由本發明的實施例的光學透鏡組10產生多個光束a、b、c，用以偵測鏡頭前方的物體或人臉，其中出射角的範圍例如是落在-ω度至ω度的範圍內，而ω為光學透鏡組10最大半出光角度；光束a、b、c不限於是何種形式的光束，在此以虛線的形式描述光束行進的方向，且光束a、b、c的數量也不限於3個，其數量可以是不等於3及1的其他數量，而圖1A中以繪示光束a、b、c來作代表，其中光束a、b、c分別具有主光線（chief ray）及邊緣光線（marginal ray）(圖未示)，光束a的主光線及邊緣光線彼此互相近似平行；同樣地，光束b的主光線及邊緣光線也彼此互相近似平行，光束c的主光線及邊緣光線也彼此互相近似平行。詳細來說，圖1A的光束a、b、c分別由圖1B中不同位置的光源Pa、Pb、Pc所發出，從圖1A可知，在不同位置的光源P發出的光經過光學透鏡組10後皆會以平行的方式出射於光學透鏡組10，但出射的方向會依據位置而不同。以圖1A來說，光源Pa經過光學透鏡組10後以斜向左下且平行地出射於光學透鏡組10(如光束a所示)，另一位置的光源Pb經過光學透鏡組10後以正左方且平行地出射於光學透鏡組10(如光束b所示)，又一位置的光源Pc經過光學透鏡組10後以斜向左上且平行地出射於光學透鏡組10(如光束c所示)。

請參照圖1B，在一實施例中，多光源產生單元PM包括多個以陣列方式排列的近紅外光光源P。於其他的實施態樣中，這些近紅外光光源P的排列方式也可以是環形排列或者是其他排列方式，本發明並不以此為限制。近紅外光光源P可為紅外雷射光源。這些近紅外光光源P的發光面形成了多光源產生單元PM的發光面100a。

在以下說明本發明之實施例之光學規格的判斷準則是假設光線方向逆追跡（Reversely Tracking）為一平行成像光線由出光側經過光學透鏡組10到多光源產生單元PM的發光面100a聚焦成像。

本說明書和申請專利範圍中使用的用語「光軸區域」、「圓周區域」、「凹面」和「凸面」應基於本說明書中列出的定義來解釋。

本說明書之光學系統包含至少一透鏡，接收入射光學系統之平行於光軸至相對光軸呈半視角（HFOV）角度內的成像光線。成像光線通過光學系統於成像面上成像。所言之「一透鏡具有正屈光率（或負屈光率）」，是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之近軸屈光率為正（或為負）。所言之「透鏡之出光面（或入光面）」定義為成像光線通過透鏡表面的特定範圍。成像光線包括至少兩類光線：主光線（chief ray）Lc及邊緣光線（marginal ray）Lm（如圖2所示）。透鏡之出光面（或入光面）可依不同位置區分為不同區域，包含光軸區域、圓周區域、或在部分實施例中的一個或多個中繼區域，該些區域的說明將於下方詳細闡述。

圖2為透鏡100的徑向剖視圖。定義透鏡100表面上的二參考點：中心點及轉換點。透鏡表面的中心點為該表面與光軸I的一交點。如圖2所例示，第一中心點CP1位於透鏡100的出光面110，第二中心點CP2位於透鏡100的入光面120。轉換點是位於透鏡表面上的一點，且該點的切線與光軸I垂直。定義透鏡表面之光學邊界OB為通過該透鏡表面徑向最外側的邊緣光線Lm與該透鏡表面相交的一點。所有的轉換點皆位於光軸I與透鏡表面之光學邊界OB之間。除此之外，若單一透鏡表面有複數個轉換點，則該些轉換點由徑向向外的方向依序自第一轉換點開始命名。例如，第一轉換點TP1（最靠近光軸I）、第二轉換點TP2（如圖5所示）及第N轉換點（距離光軸I最遠）。

定義從中心點至第一轉換點TP1的範圍為光軸區域，其中，該光軸區域包含中心點。定義距離光軸I最遠的第N轉換點徑向向外至光學邊界OB的區域為圓周區域。在部分實施例中，可另包含介於光軸區域與圓周區域之間的中繼區域，中繼區域的數量取決於轉換點的數量。

當平行光軸I之光線通過一區域後，若光線朝光軸I偏折且與光軸I的交點位在透鏡入光側A2，則該區域為凸面。當平行光軸I之光線通過一區域後，若光線的延伸線與光軸I的交點位在透鏡出光側A1，則該區域為凹面。

除此之外，參見圖2，透鏡100還可包含一由光學邊界OB徑向向外延伸的組裝部130。組裝部130一般來說用以供該透鏡100組裝於光學系統之一相對應元件（圖未示）。成像光線並不會到達該組裝部130。組裝部130之結構與形狀僅為說明本發明之示例，不以此限制本發明的範圍。下列討論之透鏡的組裝部130可能會在圖式中被部分或全部省略。

參見圖3，定義中心點CP與第一轉換點TP1之間為光軸區域Z1。定義第一轉換點TP1與透鏡表面的光學邊界OB之間為圓周區域Z2。如圖3所示，平行光線211在通過光軸區域Z1後與光軸I在透鏡200的入光側A2相交，即平行光線211通過光軸區域Z1的焦點位於透鏡200入光側A2的R點。由於光線與光軸I相交於透鏡200入光側A2，故光軸區域Z1為凸面。反之，平行光線212在通過圓周區域Z2後發散。如圖3所示，平行光線212通過圓周區域Z2後的延伸線EL與光軸I在透鏡200的出光側A1相交，即平行光線212通過圓周區域Z2的焦點位於透鏡200出光側A1的M點。由於光線的延伸線EL與光軸I相交於透鏡200出光側A1，故圓周區域Z2為凹面。於圖3所示的透鏡200中，第一轉換點TP1是光軸區域與圓周區域的分界，即第一轉換點TP1為凸面轉凹面的分界點。

另一方面，光軸區域的面形凹凸判斷還可依該領域中通常知識者的判斷方式，即藉由近軸的曲率半徑（簡寫為R值）的正負號來判斷透鏡之光軸區域面形的凹凸。R值可常見被使用於光學設計軟體中，例如Zemax或CodeV。R值亦常見於光學設計軟體的透鏡資料表（lens data sheet）中。以出光面來說，當R值為正時，判定為出光面的光軸區域為凸面；當R值為負時，判定出光面的光軸區域為凹面。反之，以入光面來說，當R值為正時，判定入光面的光軸區域為凹面；當R值為負時，判定入光面的光軸區域為凸面。此方法判定的結果與前述藉由光線／光線延伸線與光軸的交點判定方式的結果一致，光線／光線延伸線與光軸交點的判定方式即為以一平行光軸之光線的焦點位於透鏡之出光側或入光側來判斷面形凹凸。本說明書所描述之「一區域為凸面（或凹面）」、「一區域為凸（或凹）」或「一凸面（或凹面）區域」可被替換使用。

圖4至圖6提供了在各個情況下判斷透鏡區域的面形及區域分界的範例，包含前述之光軸區域、圓周區域及中繼區域。

圖4為透鏡300的徑向剖視圖。參見圖4，透鏡300的入光面320在光學邊界OB內僅存在一個轉換點TP1。透鏡300的入光面320的光軸區域Z1及圓周區域Z2如圖4所示。此入光面320的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凹面。

一般來說，以轉換點為界的各個區域面形會與相鄰的區域面形相反，因此，可用轉換點來界定面形的轉變，即自轉換點由凹面轉凸面或由凸面轉凹面。於圖4中，由於光軸區域Z1為凹面，面形於轉換點TP1轉變，故圓周區域Z2為凸面。

圖5為透鏡400的徑向剖視圖。參見圖5，透鏡400的出光面410存在一第一轉換點TP1及一第二轉換點TP2。定義光軸I與第一轉換點TP1之間為出光面410的光軸區域Z1。此出光面410的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凸面。

定義第二轉換點TP2與透鏡400的出光面410的光學邊界OB之間為圓周區域Z2，該出光面410的該圓周區域Z2亦為凸面。除此之外，定義第一轉換點TP1與第二轉換點TP2之間為中繼區域Z3，該出光面410的該中繼區域Z3為凹面。再次參見圖5，出光面410由光軸I徑向向外依序包含光軸I與第一轉換點TP1之間的光軸區域Z1、位於第一轉換點TP1與第二轉換點TP2之間的中繼區域Z3，及第二轉換點TP2與透鏡400的出光面410的光學邊界OB之間的圓周區域Z2。由於光軸區域Z1為凸面，面形自第一轉換點TP1轉變為凹，故中繼區域Z3為凹面，又面形自第二轉換點TP2再轉變為凸，故圓周區域Z2為凸面。

圖6為透鏡500的徑向剖視圖。透鏡500的出光面510無轉換點。對於無轉換點的透鏡表面，例如透鏡500的出光面510，定義自光軸I起算至透鏡表面光學邊界OB之間距離的0~50%為光軸區域，自光軸I起算至透鏡表面光學邊界OB之間距離的50~100%為圓周區域。參見圖6所示之透鏡500，定義光軸I至自光軸I起算到透鏡500表面光學邊界OB之間距離的50%為出光面510的光軸區域Z1。此出光面510的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凸面。由於透鏡500的出光面510無轉換點，因此出光面510的圓周區域Z2亦為凸面。透鏡500更可具有組裝部（圖未示）自圓周區域Z2徑向向外延伸。

圖7為本發明之第一實施例之光學透鏡組的示意圖，而圖8A至圖8D為第一實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖7，本發明的第一實施例之光學透鏡組10從出光側A1至入光側A2沿光學透鏡組10的一光軸I依序包括一第一保護玻璃8、一光圈0、一第二保護玻璃9、一第一透鏡1、一第二透鏡2及一第三透鏡3。當多個近紅外光由多光源產生單元PM的發光面100a發出而進入光學透鏡組10，並依序經由第三透鏡5、第二透鏡4、第一透鏡3、第二保護玻璃9、光圈0以及第一保護玻璃8後產生多個光束，並射出光學透鏡組10。補充說明的是，入光側A2是朝向多光源產生單元PM的一側，而相對的另一側則為出光側A1。

在本實施例中，為了滿足本發明的實施例的光學透鏡組10在不同的環境下維持一定的光學品質，從出光側A1往入光側A2依序設有第一保護玻璃8及第二保護玻璃9。再者，為了提升光學透鏡組10的光學品質，第一保護玻璃8及第二保護玻璃9之間設有與第一保護玻璃8及第二保護玻璃9相同折射率的膠合物。此外，第一透鏡1至第三透鏡3都是塑膠材質所製成，但第一透鏡1至第三透鏡3的材質仍不以此為限制。

在本實施例中，光學透鏡組10的第一保護玻璃8、第二保護玻璃9、第一透鏡1、第二透鏡2及第三透鏡3都各自具有一朝向出光側A1且使多個近紅外光通過之出光面81、91、11、21、31及一朝向入光側A2且使多個近紅外光通過之入光面82、92、12、22、32。

第一透鏡1具有正屈光率。第一透鏡1的出光面11的光軸區域111為凸面，且其圓周區域112為凸面。第一透鏡1的入光面12的光軸區域121為凹面，且其圓周區域122為凹面。在本實施例中，第一透鏡1的出光面11與入光面12皆為非球面（aspheric surface），但本發明並不以此為限。

第二透鏡2具有正屈光率。第二透鏡2的出光面21的光軸區域211為凸面，且其圓周區域212為凸面。第二透鏡2的入光面22的光軸區域221為凹面，且其圓周區域222為凹面。在本實施例中，第二透鏡2的出光面21與入光面22皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第三透鏡3具有正屈光率。第三透鏡3的出光面31的光軸區域311為凸面，且其圓周區域312為凹面。第三透鏡3的入光面32的光軸區域321為凸面，且其圓周區域322為凸面。在本實施例中，第三透鏡3的出光面31與入光面32皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第一實施例的其他詳細光學數據如圖9所示，且第一實施例的光學透鏡組10的有效焦距（Effective Focal Length, EFL）為2.787毫米（Millimiter, mm），半視角（Half Field of View, HFOV）為9.837度，距離DL為3.295毫米，光圈值（F-number, Fno）為2.342，以及發光圓半徑（Light Circle Radius, LCR）為0.500毫米，其中距離DL是指由第一保護玻璃8的出光面81到發光面100a在光軸I上的距離。本說明書中的「光圈值」是根據光的可逆性原理，將光圈0視為入射光瞳所計算而得的光圈值。

在本實施例中，光學透鏡組10的透鏡只有上述第一透鏡1至第三透鏡3。

此外，在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2及第三透鏡3的出光面11、21、31及入光面12、22、32共計六個面均是非球面，其中出光面11、21、31與入光面12、22、32為一般的偶次非球面（even asphere surface）。而這些非球面是依下列公式定義： -----------(1) 其中： Y：非球面曲線上的點與光軸I的距離； Z：非球面之深度(非球面上距離光軸I為Y的點，與相切於非球面光軸I上頂點之切面，兩者間的垂直距離)； R：透鏡表面近光軸I處的曲率半徑； K：圓錐係數(conic constant)； a _i：第i階非球面係數。

第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在公式(1)中的各項非球面係數如圖10所示。其中，圖10中欄位編號11表示其為第一透鏡1的出光面11的非球面係數，其它欄位依此類推。在本實施例及以下各實施例中，圓錐係數K皆為0，且第2階非球面係數a ₂皆為0。

另外，第一實施例之光學透鏡組10中各重要參數間的關係如圖27所示。 其中， CG1為第一保護玻璃8在光軸I上的厚度； CG2為第二保護玻璃9在光軸I上的厚度； T1為第一透鏡1在光軸I上的厚度； T2為第二透鏡2在光軸I上的厚度； T3為第三透鏡3在光軸I上的厚度； CG12為第一保護玻璃8的入光面82到第二保護玻璃9的出光面91在光軸I上的距離； CG21為第二保護玻璃9的入光面92到第一透鏡1的出光面11在光軸I上的距離； G12為第一透鏡1與第二透鏡2在光軸I上的空氣間隙； G23為第二透鏡2與第三透鏡3在光軸I上的空氣間隙； AAG為第一透鏡1至第三透鏡3在光軸I上的兩個空氣間隙的總和，即G12、G23的總和； ALT為第一透鏡1至第三透鏡3在光軸I上的三個透鏡厚度的總和，即T1、T2、T3的總和； TL為第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在光軸I上的距離； TTL為第一透鏡1的出光面11到發光面100a在光軸I上的距離； DL為最靠近出光側A1的光學元件到發光面100a在光軸I上的距離； BFL為第三透鏡3的入光面32到發光面100a在光軸I上的距離； HFOV為光學透鏡組10的半視角，根據光的可逆性原理為光學透鏡組10最大半出光角度ω； EFL為光學透鏡組10的有效焦距； LCR（Light circle radius）為發光圓半徑（標記為LCR，如圖1B所繪示），為多光源產生單元PM的發光面100a之最小外接圓之半徑； Fno為光學透鏡組10的光圈值，根據光的可逆性原理為光學透鏡組10發出光束的有效孔徑計算而得的光圈值，在本發明的實施例中也就是將光圈0視為入射光瞳所計算而得的光圈值。 Tavg為光軸I上所有透鏡的透鏡厚度的平均值 Gavg為第一透鏡1到第三透鏡3在光軸I上空氣間隙的平均值； 另外，再定義： f1為第一透鏡1的焦距； f2為第二透鏡2的焦距； f3為第三透鏡3的焦距； n1為第一透鏡1的折射率； n2為第二透鏡2的折射率； n3為第三透鏡3的折射率； V1為第一透鏡1的阿貝數（Abbe number），阿貝數也可被稱為色散係數； V2為第二透鏡2的阿貝數； V3為第三透鏡3的阿貝數。

圖27中，各參數的數值的單位均為毫米（mm）。

再配合參閱圖8A至圖8D，圖8A的圖式說明第一實施例當波長為934 nm、940 nm及946 nm時在發光面100a的縱向球差（longitudinal spherical aberration），圖8B與圖8C的圖式則分別說明第一實施例在多光源產生單元PM當波長為934 nm、940 nm及946 nm時在發光面100a上有關弧矢（sagittal）方向的場曲（field curvature）像差及子午（tangential）方向的場曲像差，圖8D的圖式則說明第一實施例在多光源產生單元PM當波長為934 nm、940 nm及946 nm時在發光面100a上的畸變像差（distortion aberration）。如圖8A所示，每一種波長所成的曲線皆很靠近並向中間靠近，說明每一種波長不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，由每一波長的曲線的偏斜幅度可看出，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-5 μm至25 μm的範圍，故本實施例確實明顯改善相同波長的球差，此外，三種代表波長彼此間的距離也相當接近，代表不同波長光線的成像位置已相當集中，因而使色像差也獲得明顯改善。

在圖8B與圖8C的二個場曲像差圖式中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在-5 μm到25 μm內，說明本第一實施例的光學系統能有效消除像差。而圖8D的畸變像差圖式則顯示本第一實施例的畸變像差維持在0%至3.5%的範圍內，說明本第一實施例的畸變像差已符合光學系統的光學品質要求，據此說明本第一實施例相較於現有光學透鏡組，在距離DL已縮短至3.295毫米左右的條件下，仍能提供較佳的光學品質。

圖11為本發明的第二實施例的光學透鏡組的示意圖，而圖12A至圖12D為第二實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖11，本發明光學透鏡組10的一第二實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及這些透鏡1、2、3間的參數或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖11中省略與第一實施例面形相似的光軸區域與圓周區域的標號。

第二實施例的光學透鏡組10的詳細的光學數據如圖13所示，且第二實施例的光學透鏡組10的有效焦距為3.099毫米，半視場角(HFOV)為9.192度，距離DL為4.306毫米，光圈值(Fno)為2.605，以及發光圓半徑LCR則為0.500毫米。

如圖14所示，則為第二實施例的第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第二實施例之光學透鏡組10中各重要參數間的關係如圖27所示。

如圖12A所示，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-1 μm至1.6 μm的範圍。在圖12B與圖12C的二個場曲像差圖式中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在-3 μm至3 μm的範圍。而圖12D的畸變像差圖式則顯示本第二實施例的畸變像差維持在-0.7%至0%的範圍。據此說明本第二實施例相較於現有光學透鏡組，在距離DL已縮短至4.306毫米的條件下，仍能提供較佳的光學品質。

經由上述說明可得知，第二實施例相較於第一實施例的優點在於：第二實施例的縱向球差、場曲像差或畸變像差優於第一實施例。

圖15為本發明的第三實施例的光學透鏡組的示意圖，而圖16A至圖16D為第三實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖15，本發明光學透鏡組10的第三實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及這些透鏡1、2、3間的參數或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖15中省略與第一實施例面形相似的光軸區域與圓周區域的標號。

第三實施例的光學透鏡組10的詳細的光學數據如圖17所示，且第三實施例的光學透鏡組10的有效焦距為2.391毫米，半視場角(HFOV)為12.158度，距離DL為3.224毫米，光圈值(Fno)為2.009，以及發光圓半徑LCR則為0.500毫米。

如圖18所示，則為第三實施例的第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第三實施例之光學透鏡組10中各重要參數間的關係如圖27所示。

如圖16A所示，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-1 μm至1.2 μm的範圍。在圖16B與圖16C的二個場曲像差圖式中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在-4.5 μm至1.5 μm的範圍。而圖16D的畸變像差圖式則顯示本第三實施例的畸變像差維持在-3.5%至0%的範圍。據此說明本第三實施例相較於現有光學透鏡組，在距離DL已縮短至3.224毫米左右的條件下，仍能提供較佳的光學品質。

經由上述說明可得知，第三實施例相較於第一實施例的優點在於：第三實施例的距離DL比第一實施例短，第三實施例的縱向球差或場曲像差優於第一實施例。

圖19為本發明的第四實施例的光學透鏡組的示意圖，而圖20A至圖20D為第四實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖19，本發明光學透鏡組10的第四實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及這些透鏡1、2、3間的參數或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖19中省略與第一實施例面形相似的光軸區域與圓周區域的標號。

第四實施例的光學透鏡組10的詳細的光學數據如圖21所示，且第四實施例的光學透鏡組10的有效焦距為3.239毫米，半視場角(HFOV)為8.609度，距離DL為3.769毫米，光圈值(Fno)為2.700，以及發光圓半徑LCR則為0.500毫米。

如圖22所示，則為第四實施例的第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第四實施例之光學透鏡組10中各重要參數間的關係如圖27所示。

如圖20A所示，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-4 μm至18 μm的範圍。在圖20B與圖20C的二個場曲像差圖式中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在-10 μm至18 μm的範圍。而圖20D的畸變像差圖式則顯示本第四實施例的畸變像差維持在-0.2%至2.0%的範圍。據此說明本第四實施例相較於現有光學透鏡組，在距離DL已縮短至3.769毫米左右的條件下，仍能提供較佳的光學品質。

經由上述說明可得知，第四實施例相較於第一實施例的優點在於：第四實施例的縱向球差、場曲像差或畸變像差優於第一實施例，且第四實施例鏡片光軸與圓周區域厚薄差異比第一實施例小，易於製造因此良率較高。

圖23為本發明的第五實施例的光學透鏡組的示意圖，而圖24A至圖24D為第五實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。請先參照圖23，本發明光學透鏡組10的第五實施例，其與第一實施例大致相似，僅各光學數據、非球面係數及這些透鏡1、2、3間的參數或多或少有些不同。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖23中省略與第一實施例面形相似的光軸區域與圓周區域的標號。

第五實施例的光學透鏡組10的詳細的光學數據如圖25所示，且第五實施例的光學透鏡組10的有效焦距為1.752毫米，半視場角(HFOV)為15.363度，距離DL為2.748毫米，光圈值(Fno)為2.200，以及發光圓半徑LCR則為0.500毫米。

如圖26所示，則為第五實施例的第一透鏡1的出光面11到第三透鏡3的入光面32在公式(1)中的各項非球面係數。

另外，第五實施例之光學透鏡組10中各重要參數間的關係如圖27所示。

如圖24A所示，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在-0.4 μm至1.2 μm的範圍。在圖24B與圖24C的二個場曲像差圖式中，三種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在-7 μm至3 μm的範圍。而圖24D的畸變像差圖式則顯示本第五實施例的畸變像差維持在0%至4%的範圍。據此說明本第五實施例相較於現有光學透鏡組，在距離DL已縮短至2.748毫米左右的條件下，仍能提供較佳的光學品質。

經由上述說明可得知，第五實施例相較於第一實施例的優點在於：第五實施例的距離DL比第一實施例短，第五實施例的縱向球差或場曲像差優於第一實施例。

再配合參閱圖27及圖28，圖27及圖28為上述第一實施例至第五實施例的各項光學參數的表格圖。

為了達成縮短本發明的實施例的光學透鏡組10的整體長度及確保光學品質，同時考量製作的難易程度，將透鏡間的空氣間隙縮小或是透鏡厚度適度的縮短作為手段，若滿足以下條件式之數值限定，能使本發明的實施例有較佳的配置。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TL/EFL≧0.800，其中，較佳的範圍為0.800≦TL/EFL≦1.400。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：AAG/BFL≧0.700，其中，較佳的範圍為0.700≦AAG/BFL≦3.200。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(AAG+EFL)/ALT≦2.500，其中，較佳的範圍為1.000≦(AAG+EFL)/ALT≦2.500。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TL/BFL≧3.200，其中，較佳的範圍為3.200≦TL/BFL≦22.000。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(AAG+BFL)/Tavg≦1.900，其中，較佳的範圍為0.600≦(AAG+BFL)/Tavg≦1.900。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(G23+BFL)/T1≦2.100，其中，較佳的範圍為0.400≦(G23+BFL)/T1≦2.100。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(G12+EFL)/T3≦3.500，其中，較佳的範圍為2.300≦(G12+EFL)/T3≦3.500。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(T2+T3)/G23≦6.300，其中，較佳的範圍為3.300≦(T2+T3)/G23≦6.300。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TTL/AAG≦7.300，其中，較佳的範圍為4.500≦TTL/AAG≦7.300。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TL/T3≦3.300，其中，較佳的範圍為2.400≦TL/T3≦3.300。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：ALT/T2≧3.500，其中，較佳的範圍為3.500≦ALT/T2≦6.000。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(T1+G12+T2)/T3≦1.700，其中，較佳的範圍為1.200≦(T1+G12+T2)/T3≦1.700。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(T1+T2)/G23≦6.000，其中，較佳的範圍為2.900≦(T1+T2)/G23≦6.000。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：(G12+T3)/G23≧3.100，其中，較佳的範圍為3.100≦(G12+T3)/G23≦5.700。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TTL/T1≦6.500，其中，較佳的範圍為3.100≦TTL/T1≦6.500。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：ALT/Gavg≧6.500，其中，較佳的範圍為6.500≦ALT/Gavg≦13.000。

在本發明的實施例的光學透鏡組10中，符合以下的條件式：TL/(T1+G12)≧2.750，其中，較佳的範圍為2.750≦TL/(T1+G12)≦4.200。

此外，另可選擇實施例參數之任意組合關係增加鏡頭限制，以利於本發明相同架構的鏡頭設計。有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的實施例的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明的實施例的光學透鏡組10體積縮小、維持良好光學品質，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。

前述所列之示例性限定關係式，亦可選擇性地合併不等數量施用於本發明之實施態樣中，並不限於此。在實施本發明時，除了前述關係式之外，亦可針對單一透鏡或廣泛性地針對多個透鏡額外設計出其他更多的透鏡的凹凸曲面排列等細部結構，以加強對系統性能及／或解析度的控制。須注意的是，此些細節需在無衝突之情況之下，選擇性地合併施用於本發明之其他實施例當中。

綜上所述，本發明的實施例的光學透鏡組10可獲致下述的功效及優點：

一、本發明各實施例的縱向球差、像散像差、畸變皆符合使用規範。另外，934 nm、940 nm及946 nm三種代表波長在不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，由每一曲線的偏斜幅度可看出不同高度的離軸光線的成像點偏差皆獲得控制而具有良好的球差、像差、畸變抑制能力。進一步參閱光學品質數據，934 nm、940 nm及946 nm三種代表波長彼此間的距離亦相當接近，顯示本發明在各種狀態下對不同波長光線的集中性佳而具有優良的色散抑制能力。綜上所述，本發明藉由所述透鏡的設計與相互搭配，而能產生優異的光學品質。

二、本發明各實施例透過鏡片參數的設計，例如：當第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面，第二透鏡具有正屈光率，第二透鏡的入光面的光軸區域為凹面，第三透鏡的出光面的圓周區域為凹面，光學透鏡組符合：第一透鏡在光軸上的厚度大於或等於第一透鏡到第三透鏡在光軸上的兩個空氣間隙總和，並搭配第二透鏡的出光面的圓周區域為凸面，或第三透鏡的入光面的光軸區域為凸面時，能有效改善光學透鏡組的像差、降低畸變並縮減光學透鏡組整體的長度。

三、本發明各實施例透過鏡片參數的設計，例如：當第一透鏡具有正屈光率，第一透鏡的入光面的圓周區域為凹面，第二透鏡的出光面的圓周區域為凸面，第三透鏡的出光面的光軸區域為凸面，且第三透鏡的入光面的光軸區域為凸面時，除了能有效改善光學透鏡組的像差與降低畸變外，進一步滿足：EFL/BFL≧3.500時還可縮減光學透鏡組的整體長度，其中EFL/BFL較佳的範圍為3.500≦EFL/BFL≦17.500。

四、光學透鏡組的各透鏡選用塑膠材質有助於鏡頭輕量化並降低生產成本。

本發明之各個實施例所揭露之光學參數的組合比例關係所得的包含最大最小值以內的數值範圍皆可據以實施。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

0:光圈 1:第一透鏡 2:第二透鏡 3:第三透鏡 8:第一保護玻璃 9:第二保護玻璃 10:光學透鏡組 11、21、31、81、91、110、410、510:出光面 12、22、32、82、92、120、320:入光面 20:三維感測發射端鏡頭 100、200、300、400、500:透鏡 100a:發光面 111、121、211、221、311、321、Z1:光軸區域 112、122、212、222、312、322、Z2:圓周區域 130:組裝部 211、212:平行光線 a、b、c:光束 A1:出光側 A2:入光側 CP:中心點 CP1:第一中心點 CP2:第二中心點 EL:延伸線 I:光軸 Lc:主光線 LCR:發光圓半徑 Lm:邊緣光線 M、R:點 OB:光學邊界 P、Pa、Pb、Pc：光源 PM:多光源產生單元 TP1:第一轉換點 TP2:第二轉換點 Z3:中繼區域 ω:最大半出光角度

圖1A是一示意圖，說明本發明的光學透鏡組應用於3D感測發射端鏡頭的示意圖。 圖1B是圖1A中的多光源結構光產生單元的一實施例的前視圖。 圖2是一示意圖，說明一透鏡的面形結構。 圖3是一示意圖，說明一透鏡的面形凹凸結構及光線焦點。 圖4是一示意圖，說明一範例一的透鏡的面形結構。 圖5是一示意圖，說明一範例二的透鏡的面形結構。 圖6是一示意圖，說明一範例三的透鏡的面形結構。 圖7為本發明之第一實施例之光學透鏡組的示意圖。 圖8A至圖8D為第一實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。 圖9示出本發明之第一實施例之光學透鏡組的詳細光學數據。 圖10示出本發明之第一實施例之光學透鏡組的非球面參數。 圖11為本發明的第二實施例的光學透鏡組的示意圖。 圖12A至圖12D為第二實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。 圖13示出本發明之第二實施例之光學透鏡組的詳細光學數據。 圖14示出本發明之第二實施例之光學透鏡組的非球面參數。 圖15為本發明的第三實施例的光學透鏡組的示意圖。 圖16A至圖16D為第三實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。 圖17示出本發明之第三實施例之光學透鏡組的詳細光學數據。 圖18示出本發明之第三實施例之光學透鏡組的非球面參數。 圖19為本發明的第四實施例的光學透鏡組的示意圖。 圖20A至圖20D為第四實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。 圖21示出本發明之第四實施例之光學透鏡組的詳細光學數據。 圖22示出本發明之第四實施例之光學透鏡組的非球面參數。 圖23為本發明的第五實施例的光學透鏡組的示意圖。 圖24A至圖24D為第五實施例之光學透鏡組的縱向球差與各項像差圖。 圖25示出本發明之第五實施例之光學透鏡組的詳細光學數據。 圖26示出本發明之第五實施例之光學透鏡組的非球面參數。 圖27以及圖28示出本發明之第一至第五實施例之光學透鏡組的各重要參數及其關係式的數值。

0:光圈

1:第一透鏡

2:第二透鏡

3:第三透鏡

8:第一保護玻璃

9:第二保護玻璃

10:光學透鏡組

11、21、31、81、91:出光面

12、22、32、82、92:入光面

100a:發光面

111、121、211、221、311、321:光軸區域

112、122、212、222、312、322:圓周區域

A1:出光側

A2:入光側

I:光軸

Claims (20)

1. 一種光學透鏡組，從一出光側至一入光側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，其中該第一透鏡至該第三透鏡各自包括朝向該出光側的一出光面以及朝向該入光側的一入光面，其中 該第二透鏡的該出光面的一光軸區域為凸面； 該光學透鏡組的透鏡只有上述該第一透鏡至該第三透鏡，且該光學透鏡組更滿足以下的條件式：ALT/Gavg≧6.500及(G12+T3)/G23≧3.100，其中ALT為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的三個透鏡厚度的總和，Gavg為該第一透鏡到該第三透鏡在該光軸上空氣間隙的平均值，G12為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，G23為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
2. 一種光學透鏡組，從一出光側至一入光側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，其中該第一透鏡至該第三透鏡各自包括朝向該出光側的一出光面以及朝向該入光側的一入光面，其中 該第二透鏡的該出光面的一圓周區域為凸面； 該光學透鏡組的透鏡只有上述該第一透鏡至該第三透鏡，且該光學透鏡組更滿足以下的條件式：ALT/Gavg≧6.500及(G12+T3)/G23≧3.100，其中ALT為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的三個透鏡厚度的總和，Gavg為該第一透鏡到該第三透鏡在該光軸上空氣間隙的平均值，G12為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，G23為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
3. 一種光學透鏡組，從一出光側至一入光側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，其中該第一透鏡至該第三透鏡各自包括朝向該出光側的一出光面以及朝向該入光側的一入光面，其中 該第二透鏡的該入光面的一光軸區域為凹面； 該光學透鏡組的透鏡只有上述該第一透鏡至該第三透鏡，且該光學透鏡組更滿足以下的條件式：ALT/Gavg≧6.500及(G12+T3)/G23≧3.100，其中ALT為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的三個透鏡厚度的總和，Gavg為該第一透鏡到該第三透鏡在該光軸上空氣間隙的平均值，G12為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，G23為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且T3為該第三透鏡在該光軸上的厚度。
4. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足該第一透鏡在該光軸上的厚度大於或等於該第一透鏡到該第三透鏡在該光軸上的兩個空氣間隙總和。
5. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TL/EFL≧0.800，其中TL為該第一透鏡的該出光面到該第三透鏡的該入光面在該光軸上的距離，且EFL為該光學透鏡組的有效焦距。
6. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：AAG/BFL≧0.700，其中AAG為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的兩個空氣間隙的總和，且BFL為該第三透鏡的該入光面到一發光面在該光軸上的距離。
7. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(AAG+EFL)/ALT≦2.500，其中AAG為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的兩個空氣間隙的總和，且EFL為該光學透鏡組的有效焦距。
8. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TL/BFL≧3.200，其中TL為該第一透鏡的該出光面到該第三透鏡的該入光面在該光軸上的距離，且BFL為該第三透鏡的該入光面到一發光面在該光軸上的距離。
9. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(AAG+BFL)/Tavg≦1.900，其中AAG為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的兩個空氣間隙的總和，BFL為該第三透鏡的該入光面到一發光面在該光軸上的距離，且Tavg為該光軸上所有透鏡的透鏡厚度的平均值。
10. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(G23+BFL)/T1≦2.100，其中BFL為該第三透鏡的該入光面到一發光面在該光軸上的距離，且T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度。
11. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(G12+EFL)/T3≦3.500，其中EFL為該光學透鏡組的有效焦距。
12. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TTL/AAG≦7.300，其中TTL為該第一透鏡的該出光面到一發光面在該光軸上的距離，且AAG為該第一透鏡至該第三透鏡在該光軸上的兩個空氣間隙的總和。
13. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TTL/T1≦6.500，其中TTL為該第一透鏡的該出光面到一發光面在該光軸上的距離，且T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度。
14. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：EFL/BFL≧3.500，其中EFL為光學透鏡組的有效焦距，且BFL為該第三透鏡的入光面到發光面在光軸上的距離。
15. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(T2+T3)/G23≦6.300，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
16. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TL/T3≦3.300，其中TL為該第一透鏡的該出光面到該第三透鏡的該入光面在該光軸上的距離。
17. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：ALT/T2≧3.500，其中T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
18. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(T1+G12+T2)/T3≦1.700，其中T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度，且T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
19. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：(T1+T2)/G23≦6.000，其中T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度，且T2為該第二透鏡在該光軸上的厚度。
20. 如請求項1、請求項2或請求項3中任一項所述的光學透鏡組，其中該光學透鏡組更滿足以下的條件式：TL/(T1+G12)≧2.750，其中TL為該第一透鏡的該出光面到該第三透鏡的該入光面在該光軸上的距離，且T1為該第一透鏡在該光軸上的厚度。

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