技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光学系统，特别是涉及一种应用于照相手机的取像光学系统。
背景技术
[0002] 最近几年来，随着手机相机的兴起，小型化摄影镜头的需求日渐提高，而一般摄影镜头的感光组件不外乎是感光耦合组件(Charge CoupledDevice，CCD)或互补性
氧化金属
半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)两种，且由于半导体制程技术的进步，使得感光组件的画素面积缩小，小型化摄影镜头逐渐往高画素领域发展，因此，对成像
质量的要求也日益增加。
[0003] 常见的高解像
力手机镜头，多采用前置
光圈且为四枚式的透镜组，其中，第一透镜及第二透镜常以二枚玻璃球面镜互相黏合而成为Doublet，用以消除色差，如US7,365,920所示，但此方法有其缺点，其一，过多的球面镜配置使得系统
自由度不足，造成光学系统全长不易缩短，其二，玻璃镜片黏合的制程不易，造成制造上的困难。US 7,277,238为四枚独立透镜的透镜组，包含有复数个非球面透镜，可以有效缩短光学系统的光学总长度，并获得良好的成像质量，但由于其光圈设置于第一透镜之前，将使得系统的敏感度也相对提高，对制造上良率的控制较为困难。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种由四片透镜构成的取像光学系统，以提升光学系统的成像质量，并有效缩短透镜组体积。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的一种取像光学系统，由物侧至像侧依序包括：一具正屈折力的第一透镜，其前表面为凸面；一光圈；一具负屈折力的第二透镜；一第三透镜；一具负屈折力的第四透镜，其前表面为凹面，第四透镜后表面设置有非球面，第四透镜后表面设置有反曲点；取像光学系统中，具屈折力的透镜为四片；通过由上述的镜片配置方式，可以有效降低系统的敏感度与提升成像质量。
[0006] 本发明取像光学系统中，系统的屈折力主要由具正屈折力的第一透镜提供，具负屈折力的第二透镜的功用主要为修正色差，第三透镜的功能为分配系统所需的屈折力，可使系统的敏感度降低，而第四透镜具负屈折力，且其前表面为凹面，使得系统的主点远离成像面，可以更有效缩短取像光学系统的光学总长度。
[0007] 本发明取像光学系统中，当第三透镜为双凸透镜，则取像光学系统各透镜的屈折力可以有效降低；当第三透镜为具正屈折力的新月型透镜，则可以有效降低取像光学系统的像散(Astigmatism)。
[0008] 通过由第一透镜提供强大的正屈折力，并将光圈置于接近取像光学系统的物体侧，可有效缩短取像光学系统的光学总长度；另外，上述的配置可使取像光学系统的出射瞳(Exit Pupil)远离成像面，因此，光线将以接近垂直入射的方式入射在感光组件上，此即为成像侧的远心(Telecentric)特性，远心特性对于时下固态
电子感光组件的感光能力是极为重要的，将使得电子感光组件的感光敏感度提高，减少系统产生暗
角的可能性；此外，在第四透镜上设置有反曲点，将更有效地压制离轴视场的光线入射在感光组件上的角度。
[0009] 此外，在广角光学系统中，特别需要对歪曲(Distortion)以及倍率色收差(Chromatic Aberration of Magnification)做修正，其方法为将光圈置于系统光屈折力的平衡处；本发明若将光圈置于第一透镜之前，则着重于远心的特性，取像光学系统的光学总长度可以更短；若将光圈置于第一透镜与第二透镜之间，则较着重于广视场角的特性；同时，如此的光圈
位置的配置，可以有效降低系统的敏感度。
[0010] 随着照相手机镜头小型化的趋势，以及系统需涵盖广泛的视角，使得光学系统的焦距变得很短，在这种情况下，镜片的
曲率半径以及镜片尺寸皆变得很小，以传统玻璃
研磨的方法将难以制造出上述的镜片，因此，在镜片上采用塑料材质，通过由射出成型的方式制作镜片，可以用较低廉的成本生产高精
密度的镜片；并于镜面上设置有非球面，非球面可以容易制作成球面以外的形状，获得较多的控制变量，用以消减像差，进而缩减镜片使用的数目，由此可以有效缩短取像光学系统的光学总长度。
[0011] 本发明取像光学系统中，整体取像光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，其关系为：
[0012] 0.8＜f/f1＜1.45；
[0013] 当f/f1满足上述关系式时，第一透镜的屈折力大小配置较为平衡，可有效控制系统的光学总长度，维持小型化的目标，并同时较有利于修正系统的高阶像差，提升成像质量。
[0014] 本发明取像光学系统中，整体取像光学系统的焦距为f，第三透镜的焦距为f3，其关系为：
[0015] 0＜f/f3＜0.85；
[0016] 当f/f3满足上述关系式，可较有利于分配系统的屈折力，且同时不致于产生过多额外的高阶像差。
[0017] 本发明取像光学系统中，第一透镜折射率N1，第二透镜折射率N2，其关系为：
[0018] |N1-N2|＜0.12；
[0019] 当N1-N2满足上记关系，可较有效提升取像光学系统修正像散(Astigmatism)的能力。
[0020] 本发明取像光学系统中，整体取像光学系统的焦距为f，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度为SAG42，其关系为：
[0021] SAG42/f＜-0.02
[0022] 镜面高度的方向定义为：【当周边有效径位置的镜面高度朝向像侧则定义为正；有效径位置的镜面高度朝向物侧则定义为负】。当SAG42/f满足上记关系，可有效缩小光线入射感光组件的角度并且较有利于增强系统修正轴外像差的能力。
[0023] 本发明取像光学系统中，第一透镜的色散系数(Abbe Number)为V1，第三透镜的色散系数为V3，第四透镜的色散系数为V4，其关系为：
[0024] |V1-V3|＜15；
[0025] |V3-V4|＞15；
[0026] 满足上记关系式，可较有利于修正取像光学系统的像散，提高取像光学系统的成像质量。
[0027] 本发明取像光学系统中，光圈至成像面的距离为SL，取像光学系统的光学总长度为TTL，TTL定义为取像光学镜片组中第一透镜前表面至成像面于光轴上的距离，其关系为：
[0028] SL/TTL＜0.92；
[0029] 当SL/TTL满足上记关系，可较有利于修正取像光学系统的歪曲(Distortion)以及倍率色收差(Chromatic Aberration ofMagnification)，且较有效降低系统的敏感度，提升取像光学系统在制造上的良率。
[0030] 本发明取像光学系统中，第二透镜的前表面
曲率半径为R3，第二透镜的后表面曲率半径为R4，其关系为：
[0031] -2.0＜(R3+R4)/(R3-R4)＜5.0；
[0032] 当R3与R4满足上记关系，可较有利于修正系统的Petzval Sum。
[0033] 本发明取像光学系统中，第四透镜的前表面曲率半径为R7，第四透镜的后表面曲率半径为R8，其关系为：
[0034] R7/R8＜-5.0；
[0035] 当R7与R8满足上记关系，可较有利于修正取像光学系统的高阶像差。
[0036] 本发明取像光学系统中，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离为BFL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0037] BFL/TTL＞0.12；
[0038] 当BFL与TTL满足上记关系，可较有利于系统维持足够的后焦长度，使得镜头在组装或调焦上能有足够的空间。
[0039] 进一步来说，使BFL/TTL满足下记关系则较为理想：
[0040] BFL/TTL＞0.15。
[0041] 本发明取像光学系统中，该取像光学系统的被摄物成像于电子感光组件上，取像光学系统的光学总长度为TTL，取像光学系统的成像高度为ImgH，ImgH定义为电子感光组件有效画素区域对角线长的一半，其关系为：
[0042] TTL/ImgH＜2.10；
[0043] 当TTL/ImgH满足上记关系则对维持取像光学系统小型化的特性较为理想；进一步来说，使TTL/ImgH满足下记关系则更为理想：
[0044] TTL/ImgH＜1.95。
[0045] 由于采用上述透镜结构、排列方式与镜片配置可以有效缩小镜组体积，更能同时获得较高的解像力。
附图说明
[0046] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0047] 图1A是本发明
实施例1的光学系统示意图；
[0048] 图1B是本发明实施例1的像差曲线图；
[0049] 图2A是本发明实施例2的光学系统示意图；
[0050] 图2B是本发明实施例2的像差曲线图；
[0051] 图3A是本发明实施例3的光学系统示意图；
[0052] 图3B是本发明实施例3的像差曲线图；
[0053] 图4A是本发明实施例4的光学系统示意图；
[0054] 图4B是本发明实施例4的像差曲线图。
[0055] 其中，以上附图标记中，第一透镜10，前表面11，后表面12，第二透镜20，前表面21，后表面22，第三透镜30，前表面31，后表面32，第四透镜40，前表面41，后表面42，光圈
50，红外线滤除滤光片60，成像面70。
[0056] 本发明中，整体取像光学系统的焦距f，第一透镜的焦距f1，第三透镜的焦距f3，第一透镜折射率N1，第二透镜折射率N2，第一透镜色散系数V1，第三透镜色散系数V3，第四透镜色散系数V4，第二透镜的前表面曲率半径R3，第二透镜的后表面曲率半径R4，第四透镜的前表面曲率半径R7，第四透镜的后表面曲率半径R8，光圈至成像面的距离SL，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离BFL，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度SAG42，取像光学系统的光学总长度TTL，取像光学系统的成像高度ImgH。
具体实施方式
[0057] 实施例1
[0058] 本发明实施例1参阅图1A，实施例1的像差曲线参阅图1B，本实施例的取像光学系统由物侧至像侧依序包含：
[0059] 一具正屈折力的第一透镜10，其材质为塑料，第一透镜10的前表面11为凸面，后表面12为凹面，另第一透镜10的前表面11与后表面12皆设置有非球面；
[0060] 一具负屈折力的第二透镜20，其材质为塑料，第二透镜20的前表面21为凹面，后表面22为凸面，另第二透镜的前表面21与后表面22皆设置有非球面；
[0061] 一具正屈折力的第三透镜30，其材质为塑料，第三透镜30的前表面31为凸面，后表面32为凸面，另第三透镜30的前表面31与后表面32皆设置有非球面；
[0062] 一具负屈折力的第四透镜40，其材质为塑料，第四透镜40的前表面41为凹面，后表面42为凹面，另第四透镜40的前表面41与后表面42皆设置有非球面，且第四透镜40的后表面42设置有反曲点；
[0063] 一光圈50，置于第一透镜10与该第二透镜20之间；
[0064] 一红外线滤除滤光片(IR Filter)60，置于第四透镜40之后，其不影响系统的焦距；
[0065] 一成像面70，置于红外线滤除滤光片60之后。
[0066] 上述非球面曲线的方程式表示如下：
[0067]
[0068] 其中：
[0069] X：非球面上距离光轴为Y的点，其与相切于非球面光轴上
顶点的切面的相对高度；
[0070] Y：非球面曲线上的点与光轴的距离；
[0071] k：锥面系数；
[0072] Ai：第i阶非球面系数。
[0073] 实施例1中，整体取像光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第三透镜的焦距为f3，其关系为：
[0074] f＝3.21mm；
[0075] f/f1＝1.15；
[0076] f/f3＝0.63。
[0077] 实施例1中，第一透镜折射率为N1，第二透镜折射率为N2，其关系为：
[0078] |N1-N2|＝0.088。
[0079] 实施例1中，第一透镜色散系数(Abbe Number)为V1，第三透镜色散系数为V3，第四透镜色散系数为V4，其关系为：
[0080] |V1-V3|＝0.0；
[0081] |V3-V4|＝32.5。
[0082] 实施例1中，第二透镜的前表面曲率半径为R3，第二透镜的后表面曲率半径为R4，第四透镜的前表面曲率半径为R7，第四透镜的后表面曲率半径为R8，其关系为：
[0083] (R3+R4)/(R3-R4)＝-7.14；
[0084] R7/R8＝-33.39。
[0085] 实施例1中，光圈至成像面的距离为SL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0086] SL/TTL＝0.87。
[0087] 实施例1中，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离为BFL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0088] BFL/TTL＝0.23。
[0089] 实施例1中，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度为SAG42，整体取像光学系统的焦距为f，其关系为：
[0090] SAG42/f＝-0.06。
[0091] 实施例1中，该取像光学系统的被摄物成像于电子感光组件上，取像光学系统的光学总长度为TTL，取像光学系统的成像高度为ImgH，其关系为：
[0092] TTL/ImgH＝1.75。
[0093] 实施例1中详细的结构数据如同表1所示，其非球面数据如同表2所示，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视角的一半。
[0094] 表1实施例1的结构数据
[0095]
[0096]
[0097] 表2实施例1的非球面数据
[0098]
[0099]
[0100] 实施例2
[0101] 实施例2参阅图2A，实施例2的像差曲线参阅图2B，本实施例的取像光学系统由物侧至像侧依序包含：
[0102] 一具正屈折力的第一透镜10，其材质为塑料，第一透镜10的前表面11为凸面，后表面12为凹面，另第一透镜10的前表面11与后表面12皆设置有非球面；
[0103] 一具负屈折力的第二透镜20，其材质为塑料，第二透镜20的前表面21为凹面，后表面22为凸面，另第二透镜20的前表面21与后表面22皆设置有非球面；
[0104] 一具正屈折力的第三透镜30，其材质为塑料，第三透镜30的前表面31为凸面，后表面32为凸面，另第三透镜30的前表面31与后表面32皆设置有非球面；
[0105] 一具负屈折力的第四透镜40，其材质为塑料，第四透镜40的前表面41为凹面，后表面42为凹面，另第四透镜40的前表面41与后表面42皆设置有非球面，且第四透镜40的后表面42设置有反曲点；
[0106] 一光圈50，置于第一透镜10与第二透镜20之间；
[0107] 一红外线滤除滤光片(IR Filter)60，置于第四透镜40之后，其不影响系统的焦距；
[0108] 一成像面70，置于红外线滤除滤光片60之后。
[0109] 实施例2的非球面曲线方程式的表示式如同实施例1的型式。
[0110] 实施例2中，整体取像光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第三透镜的焦距为f3，其关系为：
[0111] f＝3.30mm；
[0112] f/f1＝1.19；
[0113] f/f3＝1.04。
[0114] 实施例2中，第一透镜折射率为N1，第二透镜折射率为N2，其关系为：
[0115] |N1-N2|＝0.088。
[0116] 实施例2中，第一透镜色散系数(Abbe Number)为V1，第三透镜色散系数为V3，第四透镜色散系数为V4，其关系为：
[0117] |V1-V3|＝0.0；
[0118] |V3-V4|＝0.0。
[0119] 实施例2中，第二透镜的前表面曲率半径为R3，第二透镜的后表面曲率半径为R4，第四透镜的前表面曲率半径为R7，第四透镜的后表面曲率半径为R8，其关系为：
[0120] (R3+R4)/(R3-R4)＝-4.00；
[0121] R7/R8＝-2.93。
[0122] 实施例2中，光圈至成像面的距离为SL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0123] SL/TTL＝0.88。
[0124] 实施例2中，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离为BFL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0125] BFL/TTL＝0.26；
[0126] 实施例2中，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度为SAG42，整体取像光学系统的焦距为f，其关系为：
[0127] SAG42/f＝-0.03。
[0128] 实施例2中，该取像光学系统的被摄物成像于电子感光组件上，取像光学系统的光学总长度为TTL，取像光学系统的成像高度为ImgH，其关系为：
[0129] TTL/ImgH＝1.85。
[0130] 实施例2中详细的结构数据如同表3所示，其非球面数据如同表4所示，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视角的一半。
[0131] 表3实施例2的结构数据
[0132]
[0133] 表4实施例2的非球面数据
[0134]
[0135] 实施例3
[0136] 本发明实施例3参阅图3A，实施例3的像差曲线参阅图3B，本实施例的取像光学系统由物侧至像侧依序包含：
[0137] 一具正屈折力的第一透镜10，其材质为塑料，第一透镜10的前表面11为凸面，后表面12为凸面，另第一透镜10的前表面11与后表面12皆设置有非球面；
[0138] 一具负屈折力的第二透镜20，其材质为塑料，第二透镜20的前表面21为凹面，后表面22为凹面，另第二透镜的前表面21与后表面22皆设置有非球面；
[0139] 一具正屈折力的第三透镜30，其材质为塑料，第三透镜30的前表面31为凹面，后表面32为凸面，另第三透镜30的前表面31与后表面32皆设置有非球面；
[0140] 一具负屈折力的第四透镜40，其材质为塑料，第四透镜40的前表面41为凹面，后表面42为凹面，另第四透镜40的前表面41与后表面42皆设置有非球面，且第四透镜40的后表面42设置有反曲点；
[0141] 一光圈50，置于第一透镜10与第二透镜20之间；
[0142] 一红外线滤除滤光片(IR Filter)60，置于第四透镜40之后，其不影响系统的焦距；
[0143] 一成像面70，置于红外线滤除滤光片60之后。
[0144] 实施例3的非球面曲线方程式的表示式如同实施例1的型式。
[0145] 实施例3中，整体取像光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第三透镜的焦距为f3，其关系为：
[0146] f＝3.35mm；
[0147] f/f1＝1.75；
[0148] f/f3＝1.21。
[0149] 实施例3中，第一透镜折射率为N1，第二透镜折射率为N2，其关系为：
[0150] |N1-N2|＝0.088。
[0151] 实施例3中，第一透镜色散系数(Abbe Number)为V 1，第三透镜色散系数为V3，第四透镜色散系数为V4，
[0152] 其关系为：
[0153] |V1-V3|＝0.1；
[0154] |V3-V4|＝0.0。
[0155] 实施例3中，第二透镜的前表面曲率半径为R3，第二透镜的后表面曲率半径为R4，第四透镜的前表面曲率半径为R7，第四透镜的后表面曲率半径为R8，其关系为：
[0156] (R3+R4)/(R3-R4)＝0.96；
[0157] R7/R8＝-63.91。
[0158] 实施例3中，光圈至成像面的距离为SL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0159] SL/TTL＝0.87。
[0160] 实施例3中，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离为BFL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0161] BFL/TTL＝0.29；
[0162] 实施例3中，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度为SAG42，整体取像光学系统的焦距为f，其关系为：
[0163] SAG42/f＝-0.08。
[0164] 实施例3中，该取像光学系统的被摄物成像于电子感光组件上，取像光学系统的光学总长度为TTL，取像光学系统的成像高度为ImgH，其关系为：
[0165] TTL/ImgH＝1.71。
[0166] 实施例3的详细的结构数据如同表5所示，其非球面数据如同表6所示，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视角的一半。
[0167] 表5实施例3的结构数据
[0168]
[0169]
[0170] 表6实施例3的非球面数据
[0171]
[0172]
[0173] 实施例4
[0174] 本发明实施例4参阅图4A，实施例4的像差曲线参阅图4B，本实施例的取像光学系统由物侧至像侧依序包含：
[0175] 一具正屈折力的第一透镜10，其材质为塑料，第一透镜10的前表面11为凸面，后表面12为凹面，另第一透镜10的前表面11与后表面12皆设置有非球面；
[0176] 一具负屈折力的第二透镜20，其材质为塑料，第二透镜20的前表面21为凸面，后表面22为凹面，另第二透镜的前表面21与后表面22皆设置有非球面；
[0177] 一具正屈折力的第三透镜30，其材质为塑料，第三透镜30的前表面31为凹面，后表面32为凸面，另第三透镜30的前表面31与后表面32皆设置有非球面；
[0178] 一具负屈折力的第四透镜40，其材质为塑料，第四透镜40的前表面41为凹面，且后表面42为凹面，另第四透镜40的前表面41与后表面42皆设置有非球面，且第四透镜40的后表面42设置有反曲点；
[0179] 一光圈50，置于第一透镜10与第二透镜20之间；
[0180] 一红外线滤除滤光片(IR Filter)60，置于第四透镜40之后，其不影响系统的焦距；
[0181] 一成像面70，置于红外线滤除滤光片60之后。
[0182] 实施例4的非球面曲线方程式的表示式如同第一实施例的型式。
[0183] 实施例4中，整体取像光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第三透镜的焦距为f3，其关系为：
[0184] f＝3.41mm；
[0185] f/f1＝1.31；
[0186] f/f3＝1.34。
[0187] 实施例4中，第一透镜折射率为N1，第二透镜折射率为N2，其关系为：
[0188] |N1-N2|＝0.088。
[0189] 实施例4中，第一透镜色散系数(Abbe Number)为V1，第三透镜色散系数为V3，第四透镜色散系数为V4，其关系为：
[0190] |V1-V3|＝0.0；
[0191] |V3-V4|＝0.4。
[0192] 实施例4中，第二透镜的前表面曲率半径为R3，第二透镜的后表面曲率半径为R4，第四透镜的前表面曲率半径为R7，第四透镜的后表面曲率半径为R8，其关系为：
[0193] (R3+R4)/(R3-R4)＝2.72；
[0194] R7/R8＝-76.46。
[0195] 实施例4中，光圈至成像面的距离为SL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0196] SL/TTL＝0.84。
[0197] 实施例4中，第四透镜后表面至成像面于光轴上的距离为BFL，取像光学系统的光学总长度为TTL，其关系为：
[0198] BFL/TTL＝0.26。
[0199] 实施例4中，第四透镜后表面于有效径位置的镜面高度为SAG42，整体取像光学系统的焦距为f，其关系为：
[0200] SAG42/f＝-0.08。
[0201] 实施例4中，该取像光学系统的被摄物成像于电子感光组件上，取像光学系统的光学总长度为TTL，取像光学系统的成像高度为ImgH，其关系为：
[0202] TTL/ImgH＝1.72。
[0203] 实施例4的详细的结构数据如同表7所示，其非球面数据如同表8所示，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位为mm，HFOV定义为最大视角的一半。
[0204] 表7实施例4的结构数据
[0205]
[0206]
[0207] 表8实施例4的非球面数据
[0208]
[0209]
[0210] 在本发明取像光学系统中，透镜的材质可为玻璃或塑料，若透镜的材质为玻璃，则可以增加系统屈折力配置的自由度，若透镜材质为塑料，则可以有效降低生产成本。
[0211] 另外，表1至表8所示为取像光学系统实施例的不同数值变化表，本发明各个实施例的数值变化皆属实验所得，即使使用不同数值，相同结构的产品仍应属于本发明的保护范畴，表9为各个实施例对应本发明相关方程式的数值资料。
[0212] 表9本发明各个实施例对应相关关系式的数值资料
[0213]
[0214] 综上所述，本发明的取像光学系统，通过透镜结构、排列方式与镜片配置可以有效缩小镜组体积，更能同时获得较高的解像力。
