CN100541259C

CN100541259C - 摄像用光学系统

Info

Publication number: CN100541259C
Application number: CNB2006101279154A
Authority: CN
Inventors: 汤相岐; 陈俊杉
Original assignee: Largan Precision Co Ltd
Current assignee: Largan Precision Co Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: CN101135768A

Abstract

本发明是一种摄像用光学系统，由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：具正屈折力的第一透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面，且镜片上设置有非球面；具负屈折力的第二透镜，其前表面曲率半径为R3，满足-0.02[1/mm]＜1/R3＜0.22[1/mm]的关系，其后表面为凹面，具正屈折力的第三透镜，其前表面为凹面，后表面为凸面，且其前表面、后表面都设置有非球面；再者为第四透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面，另设置一光圈，位于光学系统的物体侧与第二透镜之间，用于控制光学系统的亮度，藉此该透镜结构、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。

Description

摄像用光学系统

技术领域

本发明是一光学系统，特别是指一种应用于照相手机的小型化摄像用光学系统。

背景技术

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CMOS或CCD两种，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。

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，常用的第一镜片及第二镜片常以二枚玻璃球面镜互相黏合而成为Doublet，用以消除色差，但此方法有其缺点：

其一，过多的玻璃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。

发明内容

为提升光学系统的成像质量，并有效缩短镜组体积，本发明提供一种由四枚透镜构成之全新的光学系统，其要旨如下：

一种摄像用光学系统，由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：

具正屈折力的第一透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面，且镜片上设置有非球面；

具负屈折力的第二透镜，其前表面曲率半径为R3，满足-0.02[1/mm]＜1/R3＜0.22[1/mm]的关系，其后表面为凹面，该第二透镜的色散系数(Abbe Number)V2＜40，且其前表面、后表面都设置有非球面；

具正屈折力的第三透镜，其前表面为凹面，后表面为凸面，且其前表面、后表面都设置有非球面；

再者为第四透镜，其前表面为凸面，后表面为凹面，该第四透镜的焦距为f4，整体光学系统的焦距为f，两者满足f/f4＜0.1的关系，其前表面、后表面都设置有非球面，且后表面设置有反曲点；

另设置一光圈，位于光学系统的物体侧与第二透镜之间，用于控制光学系统的亮度。

在本发明摄像用光学系统中，系统的屈折力主要由具正屈折力第一透镜提供，而具负屈折力的第二透镜其功能为平衡及修正系统所产生的各项像差，第二透镜的色散系数(Abbe number)为V2，其满足下记关系：

V2＜40。

前述关系可以有效修正系统产生的色差，再者，使第二透镜的色散系数(Abbenumber)V2满足下记关系：

V2＜25

则可更进一步修正系统产生的色差，提高摄像用光学系统的解像力。

此外，本发明摄像用光学系统的第一透镜采用塑料材质，并在镜片上设置有非球面，如此使得第一透镜在提供屈折力的同时，更能修正本身所产生的像差。而为有效修正系统产生的像散，使第一透镜前表面曲率半径R1需满足下记关系式：

R1＜2.0[mm]。

第一透镜具有强大的正屈折力，且光圈置于接近物侧处，这使得第一透镜的曲率半径以及镜片的大小都变得很小，以传统玻璃研磨的方法将难以制造出上述的镜片，因此，第一透镜镜片采用塑料材质，藉由射出成型的方式制作，可以用较低廉的成本生产高精密度的镜片；摄像用光学系统的镜面上设置非球面，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。

藉由第一透镜提供光学系统主要的屈折力，并将光圈置于接近物侧处，将使得摄像用光学系统的出射瞳(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，此即为像侧的Telecentric特性，此外，在第四透镜的后表面非球面上设置有反曲点，将有效压制离轴视场的光线入射感光组件上的角度；Telecentric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。

本发明摄像用光学系统中，具正屈折力的第一透镜，其折射率为N1，具负屈折力的第二透镜，其折射率为N2，两者满足下记关系：

N1＞1.54

N2＜1.65。

前述关系可使摄像用光学系统获得有效的屈折力，更进一步来看，第一透镜折射率N1及第二透镜折射率N2，需满足下记关系：

N1＜1.60

N2＞1.59

若第一透镜的折射率高于上述之上限值，则不容易找到适合的光学塑料材质与光学系统匹配，而若第二透镜的折射率小于上述之下限值，则其对像差的修正将较为困难。

具正屈折力的第三透镜，其作用如同一场镜(Field Lens)，可以使出射瞳(ExitPupil)更加远离成像面，而使其折射率N3满足下记关系式：1.54＜N3＜1.6时，则第三透镜将具有适切的屈折力。

在第三透镜后加入第四透镜，其焦距为f4，整体光学系统焦距为f，使二者满足下记关系式：

f/f4＜0.1。

若第四透镜屈折力为正，其作用为分配第三透镜的正屈折力，在负第二透镜之后置入此两片正透镜，其功能为抑制各种像差的产生，使光学系统获得更高的解像力；

若第四透镜屈折力为负，则其与第三透镜形成一正、一负的Telephoto结构，此优点为可以缩短光学系统的后焦距，降低摄像用光学系统的高度。前述第四透镜满足下记关系式则更为理想：

f/f4＜-1.0。

本发明控制第二透镜前表面曲率半径R3满足下记关系式：

-0.02[1/mm]＜1/R3＜0.22[1/mm]。

使1/R3大于上述之下限值，将有利于轴外像差的修正，若使第二透镜前表面为凸面，此时1/R3＞0，则对像差的修正将更为理想，但若1/R3高于上述之上限值，则负第二透镜的屈折力将过大，使得光学系统的长度过长。

随着照相手机轻薄短小的趋势，镜头的体积也越来越小，即使如本发明采用四片透镜组成的光学系统，其全长H仍需满足下记关系式：H＜6.1[mm]。

再者，满足下记关系式则更为理想：H＜5.0[mm]。

摄像用光学系统中，第一透镜焦距为f1，第二透镜焦距为f2，整体光学系统焦距为f，满足下记关系式：

0.8＜f/f1＜1.6

0.5＜|f/f2|＜0.8。

提高第一透镜的屈折力，可以有效缩短光学系统的长度，但若其屈折力太大，将使得系统产生过大的高阶像差，而具负屈折力的第二透镜，负屈折力来自于呈凹面的后表面，其功用为修正系统产生的像差，但若其负屈折力太大，将使得光学系统的长度过长，而这将会和摄像用光学系统小型化的目标相违背。藉由上述关系式所定义的范围，可使本发明在光学镜头的体积和像差的修正中取得平衡。

摄像用光学系统中，第二透镜的中心厚度CT2，第三透镜与第四透镜之间的镜间距T34，满足下记关系式：

CT2＜0.5[mm]

T34＜0.2[mm]。

此关系式可以有效修正系统的像差，并且对降低光学系统的长度有显著的功效。

再者，满足下记关系式则更为理想：

CT2＜0.4[mm]。

摄像用光学系统中，包含有一红外线滤除滤光片(IR Cut Filter)置于第四透镜之后，其不影响系统的焦距。

本发明摄像用光学系统中，光学系统全长为H，整体光学系统焦距为f，使二者满足下记关系式：

0.7[mm]＜H-f＜1.2[mm]；

则摄像用光学系统可以在小型化的前提下维持良好的解像力。

本发明的有益效果是：该透镜结构、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

图1 第一实施例光学系统示意图。

图2 第一实施例的像差曲线图。

图3 第二实施例光学系统示意图。

图4 第二实施例的像差曲线图。

图5 第三实施例光学系统示意图。

图6 第三实施例的像差曲线图。

【表】

表1第一实施例结构数据。

表1第一实施例非球面数据。

表3第二实施例结构数据。

表4第二实施例非球面数据。

表5第三实施例结构数据。

表6第三实施例非球面数据。

表7本发明相关方程式的数值资料。

【主要组件符号说明】

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(IR Cut Filter)60

成像面70

第二透镜的色散系数(Abbe number)V2

第一透镜前表面曲率半径R1

第二透镜前表面曲率半径R3

第一透镜焦距f1

第二透镜焦距f2

第四透镜焦距f4

整体光学系统焦距f

第一透镜的折射率N1

第二透镜的折射率N2

第三透镜的折射率N3

光学系统全长H

第二透镜的中心厚度CT2

第三透镜与第四透镜之间的镜间距T34

具体实施方式

本发明第一实施例请参阅图1，第一实施例的像差曲线请参阅图2。

第一实施例的主要构造为：一摄像用光学系统，由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：

具正屈折力的第一透镜10，其前表面11为凸面，后表面12为凹面；

具负屈折力的第二透镜20，其前表面21为凹面，后表面22为凹面；

具正屈折力的第三透镜30，其前表面31为凹面，后表面32为凸面；

再者为具正屈折力的第四透镜40，其前表面41为凸面，后表面42为凹面；

另设置一光圈50，位于第一透镜10之前，用于控制光学系统的亮度；

另包含有一红外线滤除滤光片60(IR Cut Filter)，置于第四透镜40之后，其不影响系统的焦距；

一成像面70，位于红外线滤除滤光片60之后；

摄像用光学系统中，第二透镜的色散系数(Abbe Number)V2＝26.6；

前述第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及第四透镜40采用塑料材质，藉由射出成型的方式制作镜片，并于第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及第四透镜40的各镜面上设置非球面，另外于第四透镜40的后表面42非球面上设置有反曲点，非球面曲线的方程式表示如下：

X(Y)＝(Y²/R)/(1+sqrt(1-(1+k)*(Y/R)²))+A₄*Y⁴+A₆*Y⁶+…

其中：

X：镜片的截面距离

Y：非球面曲线上的点距离光轴的高度

k：锥面系数

A₄、A₆、……：4阶、6阶、……的非球面系数。

摄像用光学系统中，第一透镜的折射率N1＝1.543，第二透镜的折射率N2＝1.606，而第三透镜的折射率N3＝1.530。

第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第四透镜的焦距为f4，整体光学系统焦距为f，其关系为：f/f1＝1.18、|f/f2|＝0.79、f/f4＝0.04。

第一透镜前表面曲率半径R1＝1.75798[mm]，第二透镜前表面曲率半径为R3，则1/R3＝-0.01[1/mm]。

摄像用光学系统中，光学系统全长H＝4.95[mm]，第二透镜的中心厚度CT2＝0.429[mm]，第三透镜与第四透镜之间的镜间距T34＝0.07[mm]。

摄像用光学系统中，光学系统全长为H，整体光学系统焦距为f，其关系为：H-f＝1.1[mm]。

第一实施例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。

本发明第二实施例请参阅图3，第二实施例之像差曲线请参阅图4。第二实施例的主要构造为：一摄像用光学系统，同样由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：

具负屈折力的第二透镜20，其前表面21为凸面，后表面22为凹面；

具正屈折力的第三透镜30，其前表面31为凹面，后表面32为凸面，；

再者为具负屈折力的第四透镜40，其前表面41为凸面，后表面42为凹面；

一成像面70，位于红外线滤除滤光片60之后；

第二实施例摄像用光学系统中，第二透镜的色散系数(Abbe Number)V2＝23.4；

第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及第四透镜40采用塑料材质，藉由射出成型的方式制作镜片，并于第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30及第四透镜40的各镜面上设置非球面，另外于第四透镜40的后表面42非球面上设置有反曲点，非球面曲线的方程式表示如同第一实施例的型式；

第二实施例摄像用光学系统中，第一透镜的折射率N1＝1.543，第二透镜的折射率N2＝1.632，而第三透镜的折射率N3＝1.543。

第二实施例之第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第四透镜的焦距为f4，整体光学系统焦距为f，其关系为：f/f1＝1.50、|f/f2|＝0.84、f/f4＝-1.39。

第二实施例第一透镜前表面曲率半径R1＝1.19134[mm]，第二透镜前表面曲率半径为R3，则1/R3＝0.063[1/mm]。

第二实施例摄像用光学系统中，光学系统全长H＝4.16[mm]，第二透镜的中心厚度CT2＝0.35[mm]，第三透镜与第四透镜之间的镜间距T34＝0.05[mm]。

摄像用光学系统中，光学系统全长为H，整体光学系统焦距为f，其关系为：H-f＝0.744[mm]。

第二实施例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。

本发明第三实施例请参阅图5，第三实施例之像差曲线请参阅图6。第三实施例的主要构造为：一摄像用光学系统，同样由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：

一成像面70，位于红外线滤除滤光片60之后；

第三实施例摄像用光学系统中，第二透镜的色散系数(Abbe Number)V2＝23.4；

第三实施例摄像用光学系统中，第一透镜的折射率N1＝1.543，第二透镜的折射率N2＝1.632，而第三透镜的折射率N3＝1.543。

第三实施例第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第四透镜的焦距为f4，整体光学系统焦距为f，其关系为：f/f1＝1.41、|f/f2|＝0.79、f/f4＝-1.03。

第三实施例第一透镜前表面曲率半径R1＝1.28930[mm]，第二透镜前表面曲率半径为R3，则1/R3＝0.15[1/mm]。

第三实施例摄像用光学系统中，光学系统全长H＝4.56[mm]，第二透镜的中心厚度CT2＝0.35[mm]，第三透镜与第四透镜之间的镜间距T34＝0.07[mm]。

第三实施例摄像用光学系统中，光学系统全长为H，整体光学系统焦距为f，其关系为：H-f＝0.726[mm]。

第三实施例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。

在此先行述明，表1至表6所示为摄像用光学系统实施例的不同数值变化表，然本发明各个实施例的数值变化都属实验所得，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7为各个实施例对应本发明相关方程式的数值资料。

综上所述，本发明为一摄像用光学系统，藉此透镜结构、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；所以本发明之『具有产业之可利用性』应已毋庸置疑，除此之外，在本案实施例所揭露出的特征技术，于申请之前并未曾见于诸刊物，亦未曾被公开使用，不但具有如上所述功效增进之事实，更具有不可轻忽的附加功效，是故，本发明的『新颖性』以及『进步性』都已符合专利法规，爰依法提出发明专利之申请。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

Claims

1.一摄像用光学系统，其特征是，该光学系统由四枚具屈折力的镜片所构成，由物侧至像侧依序为：

一具正屈折力的第一透镜，前表面为凸面，后表面为凹面，且镜片上设置有非球面；

一具负屈折力的第二透镜，前表面曲率半径为R3，满足-0.02[1/mm]＜1/R3＜0.22[1/mm]的关系，后表面为凹面，该第二透镜的色散系数V2＜40，且第二透镜前表面、后表面都设置有非球面；

一具正屈折力的第三透镜，前表面为凹面，后表面为凸面，且第三透镜前表面、后表面都设置有非球面；以及

一第四透镜，前表面为凸面，后表面为凹面，该第四透镜的焦距为f4，整体光学系统的焦距为f，两者满足f/f4＜0.1的关系，第四透镜前表面、后表面都设置有非球面，且第四透镜的后表面设置有反曲点；

一光圈，位于光学系统的物体侧与第二透镜之间，用于控制光学系统的亮度。

2.根据权利要求1所述的摄像用光学系统，其特征是，该第一透镜的材质为塑料，且前表面、后表面都设置有非球面。

3.根据权利要求2所述的摄像用光学系统，其特征是，红外线滤除滤光片置于该第四透镜之后。

4.根据权利要求1所述的摄像用光学系统，其特征是，该第二透镜的折射率为N2，第二透镜的色散系数为V2，满足下记关系式：

N2＜1.65

V2＜25。

5.根据权利要求4所述的摄像用光学系统，其特征是，该第二透镜的折射率为N2，满足下记关系式：

N2＞1.59。

6.根据权利要求4所述的摄像用光学系统，其特征是，该第一透镜的折射率为N1，满足下记关系式：

N1＞1.54。

7.根据权利要求6所述的摄像用光学系统，其特征是，该第一透镜的折射率为N1，第三透镜的折射率为N3，满足下记关系式：

N1＜1.6

1.54＜N3＜1.6。

8.根据权利要求2所述的摄像用光学系统，其特征是，该光圈置于第一透镜之前。

9.根据权利要求8所述的摄像用光学系统，其特征是，该第二透镜前表面为凸面。

10.根据权利要求9所述的摄像用光学系统，其特征是，该第四透镜具负屈折力。

11.根据权利要求10所述的摄像用光学系统，其特征是，整体光学系的焦距为f，第四透镜的焦距为f4，两者满足下记关系式：

f/f4＜-1.0。

12.根据权利要求11所述的摄像用光学系统，其特征是，该第一透镜的前表面曲率半径为R1，满足下记关系式：

R1＜2.0[mm]。

13.根据权利要求1所述的摄像用光学系统，其特征是，该光学系统的被摄物成像于电子感光组件，且光学系统全长为H，满足下记关系式：

H＜6.1[mm]。

14.根据权利要求13所述的摄像用光学系统，其特征是，整体光学系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，满足下记关系式：

0.8＜f/f1＜1.6

0.5＜|f/f2|＜0.8。

15.根据权利要求14所述的摄像用光学系统，其特征是，光学系统全长为H，第二透镜的中心厚度为CT2，第三透镜与第四透镜之间的镜间距为T34，满足下记关系式：

H＜5.0[mm]

CT2＜0.5[mm]

T34＜0.2[mm]。

16.根据权利要求15所述的摄像用光学系统，其特征是，光学系统全长为H，整体光学系统的焦距为f，两者满足下记关系式：

0.7[mm]＜H-f＜1.2[mm]。

17.根据权利要求16所述的摄像用光学系统，其特征是，该第二透镜的中心厚度为CT2，满足下记关系式：

CT2＜0.4[mm]。