CN113917655B - 光学镜头、指纹识别模组和电子设备 - Google Patents
光学镜头、指纹识别模组和电子设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种光学镜头、指纹识别模组和电子设备，其中，所述光学镜头包括多个透镜，所述多个透镜包括：第一透镜，所述第一透镜的物方表面和像方表面沿着所述光学镜头的光轴是凹入的；第二透镜，所述第二透镜的物方表面沿着所述光轴是凸出的；以及第三透镜，所述第三透镜的物方表面和像方表面沿着所述光轴是凸出的，其中，所述第一透镜至所述第三透镜沿所述光学镜头的物方至所述光学镜头的成像面的方向顺序设置。
Description
技术领域
本申请涉及光学领域，尤其是涉及一种光学镜头、指纹识别模组和电子设备。
背景技术
随着全面屏的发展，指纹识别已经成为手机显示屏的基本配置。但目前市场上的光学镜头的体积较大，受限于构成光学***的镜片数量、镜片的加工尺寸等影响，无法满足手机内部对于指纹镜头小型化的追求，使现有市场流通的指纹镜头的体积与传感器尺寸仍因过大而占用空间。为了更好地匹配手机的内部空间，因此急需一种小型化的光学镜头以满足手机市场对光学指纹镜头的需求。
在该背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强本公开的背景的理解，因此上述信息可包含既没有形成现有技术的任何部分且也没有形成可能教示给本领域普通技术人员的现有技术的信息。
发明内容
提供本发明内容以通过简化形式介绍将在下面的具体实施方式中进一步描述的选择的构思。本发明内容既不意在确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
为了解决市场流通的指纹镜头的体积因过大而占用空间的问题，本发明提供一种光学镜头、指纹识别模组和电子设备，其能够在保证成像性能的情况实现光学镜头的结构紧凑以及小型化。
本发明的第一方面提供一种光学镜头，其中，所述光学镜头包括多个透镜，所述多个透镜包括：第一透镜，所述第一透镜的物方表面和像方表面沿着所述光学镜头的光轴是凹入的；第二透镜，所述第二透镜的物方表面沿着所述光轴是凸出的；以及第三透镜，所述第三透镜的物方表面和像方表面沿着所述光轴是凸出的，其中，所述第一透镜至所述第三透镜沿所述光学镜头的物方至所述光学镜头的成像面的方向顺序设置。
在第一方面中，所述第一透镜具有负屈光力。
在第一方面中，所述第二透镜具有正屈光力。
在第一方面中，所述第三透镜具有正屈光力。
在第一方面中，所述光学镜头还包括设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光阑。
在第一方面中，5＜TTL/f＜8，其中，TTL为从所述第一透镜的物方表面与所述光轴的交点到所述成像面的在所述光轴上的距离，f为所述光学镜头的总焦距。
在第一方面中，120°<fov<140°，其中，fov为所述光学镜头的视场角。
在第一方面中，-1＜f1/f2＜0，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距。
在第一方面中，-2＜f1/f3＜-1，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
在第一方面中，0＜f1+f2＜0.9，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距。
在第一方面中，-0.8＜f1+f3＜0，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
在第一方面中，1.5<ND1<1.7，1.5<ND2<1.7，1.5<ND3<1.7，其中，ND1、ND2和ND3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的折射率。
在第一方面中，50<VD1<70，50<VD2<70，50<VD3<70，其中，VD1、VD2和VD3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的阿贝数。
在第一方面中，所述多个透镜为三个透镜。
在第一方面中，1.3＜BFL/f＜1.4，其中，BFL为所述第三透镜的像方表面与所述光轴的交点至成像面的在所述光轴上的距离，f为所述光学镜头的总焦距。
在第一方面中，3.9＜IMGH/f＜4，其中，IMGH为所述光学镜头的成像面的有效成像区域的对角线长度，f为所述光学镜头的总焦距。
在第一方面中，1.2<F数<1.6。
本发明的第二方面提供一种指纹识别模组，其中，所述指纹识别模组包括图像传感器和如上所述的光学镜头，所述图像传感器设置在所述光学镜头的像方侧。
在第二方面中，所述指纹识别模组还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置在所述图像传感器上方，用于过滤进入所述图像传感器的红外光。
本发明的第三方面提供一种电子设备，其中，所述电子设备包括显示屏和如上所述的指纹识别模组，所述显示屏设置在所述光学镜头的物方侧。
根据本发明的光学镜头、指纹识别模组和电子设备，能够在保证成像性能的情况实现光学镜头的结构紧凑以及小型化。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是示出具有光学镜头的电子设备的第一示例的示图。
图2呈现图1所示的光学镜头的像散曲线。
图3呈现图1所示的光学镜头的畸变曲线。
图4呈现图1所示的光学镜头的MTF曲线。
图5是示出具有光学镜头的电子设备的第二示例的示图。
图6呈现图5所示的光学镜头的像散曲线。
图7呈现图5所示的光学镜头的畸变曲线。
图8呈现图5所示的光学镜头的MTF曲线。
图标：100-显示屏；110-第一透镜；120-第二透镜；130-第三透镜；140-滤光器；150-图像传感器；210-第一透镜；220-第二透镜；230-第三透镜；240-滤光器；250-图像传感器；STO-光阑。
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或***的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备和/或***的各种变换、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。
这里所描述的特征可以以不同的形式实施，并且不被解释为局限于这里所描述的示例。更确切的说，已经提供了这里所描述的示例，仅用于说明在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的实现在此所述的方法、设备和/或***的许多可行方式中的一些可行方式。
生物识别技术已广泛地应用到各种终端设备或电子装置上。生物特征识别技术包括但不限于指纹识别、掌纹识别、静脉识别、虹膜识别、人脸识别、活体识别、防伪识别等技术。其中，指纹识别通常包括光学指纹识别、电容式指纹识别和超声波指纹识别。随着全面屏技术的兴起，可以将指纹识别模组设置在显示屏下方的局部区域或者全部区域，从而形成屏下(Under-display)光学指纹识别；或者，也可以将光学指纹识别模组的部分或者全部集成至电子设备的显示屏内部，从而形成屏内(In-display)光学指纹识别。所述显示屏可以是有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)显示屏或液晶显示屏(LiquidCrystal Display，LCD)等。指纹识别方法通常包括指纹图像的获取、预处理、特征提取、特征匹配等步骤。上述步骤中的部分或者全部可以通过传统计算机视觉(ComputerVision，CV)算法实现，也可以通过基于人工智能(Artificial Intelligence，AI)的深度学***板电脑、游戏设备等便携式或移动终端，以及智能门锁、汽车、银行自动柜员机等其他电子设备，以用于指纹解锁、指纹支付、***、身份认证等。
本公开的第一方面提供一种其能够在保证成像性能的情况实现小型化的光学镜头。
在本申请实施例中，第一透镜是最接近物(或被摄体)的透镜，而第三透镜是最接近成像面(或图像传感器)的透镜。此外，在本申请中，均以毫米(mm)为单位表示透镜的曲率半径、有效半径与厚度、从第一透镜的物方表面至成像面的距离(TTL)、成像面的有效成像区域的对角线长度(IMGH)以及焦距。
此外，透镜的厚度、透镜之间的距离以及TTL是基于透镜的光轴测量的距离。此外，在透镜的形状的描述中，透镜的一个表面沿着光轴凸出的表述意味着对应表面的近轴区域凸出，透镜的一个表面沿着光轴凹入的表述意味着对应表面的近轴区域凹入。因此，即使当透镜的一个表面被描述凸出，透镜的所述一个表面的边缘部分可凹入。同样地，即使当透镜的一个表面被描述为凹入，透镜的所述一个表面的边缘部分可凸出。
所述光学镜头包括三个透镜。例如，所述光学镜头包括从光学镜头的物方起顺序设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜。
第一透镜的物方表面沿着光轴是凹入的，第一透镜的像方表面沿着光轴是凹入的。例如，第一透镜具有负屈光力。
第一透镜可具有非球面表面，例如偶次非球面表面。例如，第一透镜的两个表面是非球面的。第一透镜可利用具有高光透射率和优良可加工性的材料形成。例如，第一透镜利用塑料形成。第一透镜的折射率大于1.5且小于1.7。
第二透镜的物方表面沿着光轴是凸出的。例如，第二透镜具有正屈光力。
第二透镜可具有非球面表面，例如偶次非球面表面。例如，第二透镜的两个表面是非球面的。第二透镜可利用具有高光透射率和优良可加工性的材料形成。例如，第二透镜利用塑料形成。第二透镜的折射率大于1.5且小于1.7。
第三透镜的物方表面沿着光轴是凸出的，第三透镜的像方表面沿着光轴是凸出的。例如，第三透镜具有正屈光力。
第三透镜可具有非球面表面。例如，第三透镜的两个表面是非球面的。第三透镜可利用具有高光透射率和优良可加工性的材料形成。例如，第三透镜利用塑料形成。第三透镜的折射率大于1.5且小于1.7。
第一透镜至第三透镜的任意非球面表面可通过如下等式来表述：
其中，Z为非球面表面沿光轴方向在高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高，c表示非球面的顶点曲率，k为圆锥系数，a2、a3、a4、a5、a6为高次非球面系数。
光学镜头可具有正屈光力。即，包括第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学镜头的合成焦距具有正值。在一些实施例中，光学镜头还可包括滤光器和/或光阑。
滤光器可设置在第三透镜的像方侧，滤光器可设置在第三透镜和如下所述的图像传感器之间。滤光器阻截部分波长的光，使得可实现清晰的图像。例如，滤光器为红外滤光片，用于阻截红外波长的光。
光阑设置为控制入射到透镜的光的量。根据不同实施例，光阑可以设置在相邻的两个透镜之间。例如，光阑可以设置在第一透镜与第二透镜之间。
本公开的第二方面还涉及一种指纹识别模组，其中，该指纹识别模组包括前述第一方面所述的光学镜头和图像传感器，图像传感器设置在光学镜头的像方侧。图像传感器可以形成成像面。例如，图像传感器的感光像素阵列的表面可以形成成像面。
所述指纹识别模组还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置在所述图像传感器上方，用于过滤进入所述图像传感器的红外光
本公开的第三方面还涉及一种电子设备，其中，电子设备包括显示屏和如上所述的指纹识别模组，显示屏设置在光学镜头的物方侧。这里，所述电子设备可以是手机、平板电脑、游戏设备等便携式或移动终端。在电子设备中，指纹识别模组设置在显示屏的下方，用于接收携带指纹信息的光束，指纹识别模组中的光学镜头用于将入射的光束引导至图像传感器，所述图像传感器将光束转换为指纹信号并且基于所述指纹信号获得指纹图像。在实施例中，显示屏可以为手指提供光源，光源照亮该手指并反射携带光信号的光束。
在本公开所涉及的光学镜头、指纹识别模组、电子设备中，可满足以下条件表达式：
在一些实施例中，5＜TTL/f＜8。
在一些实施例中，120°<fov<140°。
在一些实施例中，-1＜f1/f2＜0。
在一些实施例中，-2＜f1/f3＜-1。
在一些实施例中，0＜f1+f2＜0.9。
在一些实施例中，-0.8＜f1+f3＜0。
在一些实施例中，1.5<ND1<1.7，1.5<ND2<1.7，1.5<ND3<1.7。
在一些实施例中，50<VD1<70，50<VD2<70，50<VD3<70。
在一些实施例中，1.2<F数<1.6。
在一些实施例中，1.3＜BFL/f＜1.4。
在一些实施例中，3.9＜IMGH/f＜4。
在以上表达式中，TTL为从第一透镜的物方表面与光轴的交点到成像面的在光轴上的距离，f为光学镜头的总焦距，fov为所述光学镜头的视场角，IMGH为光学镜头的成像面的有效成像区域的对角线长度，这里，有效成像区域为传感器的感光像素的区域，BFL为第三透镜的像方表面与光轴的交点至成像面的距离，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，ND1、ND2和ND3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的折射率，VD1、VD2和VD3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的阿贝数，F数是所述光学镜头的相对口径的倒数，相对口径＝入瞳直径/焦距，也就是说，F数＝焦距/入瞳直径，F数表示所述光学镜头的进光量的大小。
这里，根据5＜TTL/f＜8，能够在保证成像性能的情况进一步实现光学镜头的小型化。此外，根据120°<fov<140°，能够实现光学镜头的超广角。
接下来，将描述根据若干示例的电子设备。
首先，将参照图1描述根据第一示例的电子设备。电子设备包括显示屏100和指纹识别模组，显示屏100设置在指纹识别模组的物方侧。其中，指纹识别模组包括光学镜头和图像传感器150，图像传感器150设置在光学镜头的像方侧。所述指纹识别模组还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置在所述图像传感器150上方，用于过滤进入所述图像传感器150的红外光。
根据第一示例的光学镜头包括第一透镜110、第二透镜120和第三透镜130。
第一透镜110具有负屈光力。如图1所示，第一透镜110的物方表面沿着光轴是凹入的，第一透镜110的像方表面沿着光轴是凹入的。第二透镜120的物方表面沿着光轴是凸出的，第二透镜120的像方表面沿着光轴是凸出的。第三透镜130的物方表面沿着光轴是凸出的，第三透镜130的像方表面沿着光轴是凸出的。
光学镜头还包括滤光器140和光阑STO。滤光器140设置在第三透镜130和图像传感器150之间，STO设置在第一透镜110和第二透镜120之间。
光学镜头可被构造为实现明亮的光学***。例如，光学镜头的F数为1.46。光学镜头可具有超广角的视场(fov)，光学镜头的整个视场为136°。
在根据第一示例的光学镜头中，第一透镜的焦距f1为-0.70mm，第二透镜的焦距f2为1.07mm，第三透镜的焦距f3为0.63mm，光学镜头的总焦距(有效焦距)f为0.368mm，从第一透镜的物方表面与光轴的交点到成像面的在光轴上的距离TTL为1.95mm，BFL为0.50mm，IMGH为1.46mm。
表1
这里，圆锥系数为上述公式的高阶项系数。
其中，OBJ代表物方或者被摄体，S01和S02分别代表例如显示屏的上表面和下表面，S1和S2分别代表第一透镜的物方表面和像方表面，STO代表光阑，S3和S4分别代表第二透镜的物方表面和像方表面，S5和S6分别第三透镜的物方表面和像方表面，S7和S8分别代表滤光器的物方表面和像方表面，S9代表成像面。
图2呈现了第一示例的光学镜头的像散曲线；图3呈现了第一示例的光学镜头的畸变曲线；图4呈现了第一示例的光学镜头的不同像高在不同空间频率下的MTF曲线。表1呈现根据第一示例的光学镜头的透镜的特性。
将参照图5描述根据第二示例的电子设备。电子设备包括显示屏100和指纹识别模组，显示屏100设置在指纹识别模组的物方侧。其中，指纹识别模组包括光学镜头和图像传感器250，图像传感器250设置在光学镜头的像方侧。所述指纹识别模组还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置在所述图像传感器250上方，用于过滤进入所述图像传感器250的红外光。
根据第二示例的光学镜头包括第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230。
第一透镜210具有正屈光力。如图5所示，第一透镜210的物方表面沿着光轴是凹入的，第一透镜210的像方表面沿着光轴是凹入的。第二透镜220的物方表面沿着光轴是凸出的，第二透镜220的像方表面沿着光轴是凹入的。第三透镜230的物方表面沿着光轴是凸出的，第三透镜230的像方表面沿着光轴是凸出的。
光学镜头还包括滤光器240和光阑STO。滤光器240设置在第三透镜230和图像传感器250之间，STO设置在第一透镜210和第二透镜220之间。
光学镜头可被构造为实现明亮的光学***。例如，光学镜头的F数为1.38。光学镜头可具有超广角的视场(fov)，光学镜头的整个视场为133.8°。
在根据第二示例的光学镜头中，第一透镜的焦距f1为-0.79mm，第二透镜的焦距f2为1.31mm，第三透镜的焦距f3为0.477mm，光学镜头的总焦距(有效焦距)f为0.373mm，从第一透镜的物方表面与光轴的交点到成像面的在光轴上的距离TTL为1.95mm，BFL为0.49mm，IMGH为1.46mm。
表2
这里，有效半径为光学镜头的对应面的净口径(光实际通过的半径)，圆锥系数为上述公式的高阶项系数。
其中，OBJ代表物方或者被摄体，S01和S02分别代表例如显示屏的上表面和下表面，S1和S2分别代表第一透镜的物方表面和像方表面，STO代表光阑，S3和S4分别代表第二透镜的物方表面和像方表面，S5和S6分别第三透镜的物方表面和像方表面，S7和S8分别代表滤光器的物方表面和像方表面，S9代表成像面。
图6呈现了第二示例的光学镜头的像散曲线；图7呈现了第二示例的光学镜头的畸变曲线；图8呈现了第二示例的光学镜头的不同像高在不同空间频率下的MTF曲线。表2呈现根据第二示例的光学镜头的透镜的特性。
表3呈现根据第一示例至第二示例的光学镜头的条件表达式的值。
表3
| 条件式/实施式 | 1 | 2 |
| TTL/f | 5.3 | 5.22 |
| FOV | 136° | 133.8° |
| f1/f2 | -0.65 | -0.60 |
| f1/f3 | -1.11 | -1.66 |
| f1+f2 | 0.37 | 0.52 |
| f1+f3 | -0.07 | -0.313 |
| ND1、VD1 | 1.54、55.9 | 1.54、55.9 |
| ND2、VD2 | 1.54、55.9 | 1.54、55.9 |
| ND3、VD3 | 1.64、55.9 | 1.64、55.9 |
| F数 | 1.46 | 1.38 |
| BFL/f | 1.358 | 1.314 |
| IMGH/f | 3.97 | 3.91 |
根据以上示例，能够在保证成像性能的情况实现光学镜头的小型化。
虽然本公开包括特定的示例，但是理解本申请的公开内容之后将显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中做出形式上和细节上的各种改变。在此所描述的示例将仅被视为描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果以不同的方式组合描述的***、构架、装置或者电路中的组件和/或用其他组件或者它们的等同物进行替换或者补充描述的***、构架、装置或者电路中的组件，则可获得适当的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同物限定，权利要求及其等同物的范围内的所有变化将被解释为包含于本公开中。
Claims (17)
1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头包括多个透镜，所述多个透镜包括：
第一透镜，所述第一透镜的物方表面和像方表面沿着所述光学镜头的光轴是凹入的；
第二透镜，所述第二透镜的物方表面沿着所述光轴是凸出的；以及
第三透镜，所述第三透镜的物方表面和像方表面沿着所述光轴是凸出的，
其中，所述第一透镜至所述第三透镜沿所述光学镜头的物方至所述光学镜头的成像面的方向顺序设置，
5＜TTL/f＜8，其中，TTL为从所述第一透镜的物方表面与所述光轴的交点到所述成像面的在所述光轴上的距离，f为所述光学镜头的总焦距，
1.3＜BFL/f＜1.4，其中，BFL为所述第三透镜的像方表面与所述光轴的交点至成像面的在所述光轴上的距离，或者3.9＜IMGH/f＜4，其中，IMGH为所述光学镜头的成像面的有效成像区域的对角线长度。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜具有负屈光力。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第二透镜具有正屈光力。
4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三透镜具有正屈光力。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还包括设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光阑。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，120°<fov<140°，其中，fov为所述光学镜头的视场角。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，-1＜f1/f2＜0，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，-2＜f1/f3＜-1，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，0＜f1+f2＜0.9，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，-0.8＜f1+f3＜0，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，
1.5<ND1<1.7，1.5<ND2<1.7，1.5<ND3<1.7，其中，ND1、ND2和ND3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的折射率。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，
50<VD1<70，50<VD2<70，50<VD3<70，其中，VD1、VD2和VD3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的阿贝数。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，所述多个透镜为三个透镜。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的光学镜头，其特征在于，1.2<F数<1.6。
15.一种指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组包括图像传感器和根据权利要求1至14中任一项所述的光学镜头，所述图像传感器设置在所述光学镜头的像方侧。
16.根据权利要求15所述的指纹识别模组，其特征在于，所述指纹识别模组还包括红外滤光片，所述红外滤光片设置在所述图像传感器上方，用于过滤进入所述图像传感器的红外光。
17.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括显示屏和根据权利要求15或16所述的指纹识别模组，所述显示屏设置在所述光学镜头的物方侧。
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