CN105093481B - 光学取像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种光学取像镜头，包含四片透镜，由物侧至像侧依序为第一透镜具有正光焦度；第二透镜具有负光焦度；第三透镜具有正光焦度；第四透镜具有负光焦度，其像侧光学面设有至少一反曲点。各透镜皆包含至少一非球面表面。光学取像镜头另包含设置在被摄物与第二透镜之间的光圈及设置在成像面的影像感测组件。第一透镜物侧光学面到成像面在光轴上的距离为TTL，光学取像镜头的整体光学系统焦距为f，从物侧方向以相对于光轴为45度的入射角通过光圈中心后之光线，其投射在成像面的交点与光轴的垂直距离为Y1，光学取像镜头满足关系式：1.3<TTL/f<1.8、0.8<Y1/f<0.98。本发明除具有良好的解像力，并可减少总长，以应用于相机、手机相机等良好摄像目的的使用需求。

Description

光学取像镜头

技术领域

本发明关于一种取像镜头组，特别是关于一种由四个透镜构成的取像镜头组，以应用在手机等电子产品上的光学取像镜头。

背景技术

藉由科技的进步，现在的电子产品发展的趋势主要为朝向小型化，例如数字相机(Digital Still Camera)、网络相机(Web Camera)、移动电话镜头(Mobile Phone Camera)等，使用者需求较小型且低成本的取像镜头组外，同时也希望能达到具有良好的像差修正能力，具高分辨率、高成像质量的取像镜头组。

早期手机镜头大多采用玻璃镜片与塑料镜片混合，如1G(G:玻璃)、2P(P:塑料)或1G3P，其中1G2P例如美国专利US6,441,971，其第一透镜采用玻璃镜片，第二与第三透镜采用塑料镜片，此设计较难达成目前所要求的小型化与低成本的目标。

此外，在小型电子产品的光学取像镜头，习知上有二镜片式、三镜片式、四镜片式及五镜片式以上的不同设计，然而以成像质量考虑，四镜片式及五镜片式取像镜头组在像差修正、光学传递函数MTF(Modulation Transfer Function)性能上较具优势；其中，又以四镜片式相较五镜片式的镜片数量较少，制造成本较低，可使用在高画素(pixel)要求的电子产品。

再者，在半导体技术日新月异的发展中，有越来越小的画素 尺寸(pixel size)被使用在可携试影像系统中，如此一来传感器(CCD/CMOS)画素不断提高导致光学镜头分辨率必须随之提升，如此一来原有的三片组成的镜头分辨率已不敷使用，另外例如US7,365,920使用胶合玻璃镜片来降低色像差以提高分辨率的设计虽可提升性能但却不易缩小体积。

近期塑料镜片制造技术提升后，已有3P结构使用在小型化手机镜头中，如美国专利US7,394,602，其组成为全塑料三片式镜头，但在影像越来越往高画素要求的提升之下，3P结构还是有其极限存在而使的无法满足现况感光原件缩小画素提升的影像质量要求。

另外，4P结构的手机镜头设计也已经有部分应用在目前市场上，例如美国专利US7,453,654，其使用四片式塑料镜片结构的专利，但一般四片结构的镜头FOV角度一般约60°～70°左右，其针对超广角的需求仍然有限。

为此，本发明提出更实用性的设计，在缩短光学取像镜头同时，利用四个透镜的光焦度、凸面与凹面的组合，除有效缩短光学取像镜头的总长度外，进一步可提高成像质量，并以简单的透镜面型以降低制造成本，以应用在手机等电子产品上。

发明内容

本发明主要目的为提供一种光学取像镜头，其包含四片透镜，其由物侧至像侧依序为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜。其中，第一透镜具有正光焦度；第二透镜具有负光焦度；第三透镜具有正光焦度；第四透镜具有负光焦度，其像侧光学面设置有至少一反曲点；其中，第一透镜、第二透镜、第三透 镜及第四透镜皆包含至少一非球面表面，光学取像镜头另包含一光圈及一影像感测组件，光圈设置在被摄物与第二透镜之间，影像感测组件设置在成像面；光学取像镜头并满足下列关系式：

1.3<TTL/f<1.8 (1)

0.8<Y1/f<0.98 (2)

其中，TTL为第一透镜物侧光学面到成像面在光轴上的距离(如图7所示)，f为光学取像镜头的整体光学系统焦距，Y1为由物侧方向相对于光轴为45度的入射角通过光圈中心后的光线，其投射在成像面的交点与光轴的垂直距离(如图7所示)。

另一方面，本发明提供一种光学取像镜头，如前所述，其中，各透镜为塑料材质所制成，第一透镜的物侧光学面为凸面，第二透镜的物侧光学面与像侧光学面为凹面，第二透镜与第四透镜系为负光焦度的透镜，且较佳地，第四透镜的像侧光学面可为凹面，而光圈设置在第一透镜的物侧，光学取像镜头除满足式(1)及(2)外并进一步满足下列关系式：

0.5<f1/f3<2 (3)

2.8<│v1-v2│<42 (4)

其中，f1为第一透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，v1为第一透镜的色散系数，v2为第二透镜的色散系数。

本发明藉由上述的第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜，在光轴上以适当的间距组合配置，可有效缩短光学取像镜头的全长，兼具有良好得像差修正与具有优势的光学传递函数MTF(Modulation Transfer Function)。

本发明光学取像镜头中，第一透镜具正光焦度，提供系统所需的大部分光焦度，有助于缩短系统的总长度；第二透镜可为负光焦度的双凹透镜，其主要可与第一透镜补正色像差与部分轴外像差；藉由具正光焦度的第三透镜的配置，可提升系统所需的正光焦度，以分散部分第一透镜的光焦度而降低系统对于误差的敏感度，有利于制造；进一步，第四透镜具有负光焦度，其主要可使光线汇聚于成像面上使成像面不弯曲而达成高分辨率的目的，并且达成在一定角度内入射在影像感测组件上的要求。

又本发明光学取像镜头中，将光圈设置在第一透镜的物侧称为前置光圈，光圈的配置，可将光学取像镜头的出射瞳(exit pupil)与成像面产生较长的距离，影像可采取直接入射的方式由影像感测组件所接收，除避免暗角发生外，如此即为像侧的远心(telecentric)效果；通常远心效果可提高成像面的亮度，可增加影像感测组件的CCD或CMOS接收影像的效率。

另外，第一透镜的物侧光学面可为凸面，可有助于扩大光学取像镜头的场视角，且对于入射光线的折射较为缓和，可避免像差过度增大，因此较有利于在扩大光学取像镜头的场视角与修正像差中取得良好的平衡。若第二透镜的像侧光学面为凹面，可有效增大光学取像镜头的后焦距，以确保光学取像镜头有足够的后焦距可放置其他的构件，较佳地，第二透镜的物侧光学面亦可为凹面。再者，第四透镜的像侧光学面可为凹面，可使光学取像镜头的主点远离成像面，有利于缩短光学取像镜头的光学总长度，以促进镜头的小型化。

此外，藉由各透镜可为塑料材质所制成，有利于制造及降低成本。

兹为使贵审查员对本发明的技术特征及所达到的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以优选的实施例及配合详细的说明如后。

附图说明

图1为本发明的光学取像镜头的第一实施例的光学系统示意图。

图2为本发明的光学取像镜头的第一实施例的像散及歪曲曲线图。

图3为本发明的光学取像镜头的第一实施例的球差曲线图。

图4为本发明的光学取像镜头的第二实施例的光学系统示意图。

图5为本发明的光学取像镜头的第二实施例的像散及歪曲曲线图。

图6为本发明的光学取像镜头的第二实施例的球差曲线图。

图7为本发明的光学取像镜头的TTL及Y1示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详尽地对实施例加以说明；然此等实施例均可以实施为不同的形式，故不应视为仅限制于此处提出的实施例。更确切地说，此等实施例用以使本揭示更为周密及完整，并能向习于相关技术的人士充分传达出本发明的范畴。

本发明提供一种光学取像镜头。请参阅图1，光学取像镜头包含四片透镜，其沿着光轴排列由物侧至像侧依序为：第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130及第四透镜140。其中，第一透镜110具有正光焦度；第二透镜120具有负光焦度；第三透镜130具有正光焦度；第四透镜140具有负光焦度，其像侧光学面142设置有至少一反曲点。光学取像镜头另包含一光圈100、一红外线滤除滤光片150及一影像感测组件160，光圈100设置在第二透镜120与被摄物之间，其可为前置光圈或中置光圈；红外线滤除滤光片150设置在第四透镜140与成像面170之间，通常为平板光学材料制成，不影响本发明光学取像镜头的焦距f；影像感测组件160，设置在成像面170上，可将被摄物成像。第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130及第四透镜140各包含至少一非球面光学面，且其非球面的方程式(Aspherical SurfaceFormula)为式(5)所构成，

其中，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；Y：非球面曲线上的点与光轴的距离；R：光学面在近轴上的曲率半径；K：锥面系数；以及Ai： 第i阶非球面系数。

如上所述，在本发明光学取像镜头中，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130及第四透镜140的光学面可包含球面或非球面，而使用非球面的光学面，可藉由光学面的面型改变其光焦度，用以消减像差以有效降低光学取像镜头的总长度。由此，本发明的光学取像镜头藉由前述的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130及第四透镜140配置，满足关系式：式(1)至(4)。

当满足式(1)时，可有效缩小光学取像镜头体积大小；若当超出式(1)的上限时，光学取像镜头体积不利于小型化；若当超出(1)的下限时，光学取像镜头结构则有可能不利于成型与生产加工。另外，当进一步地满足式(2)时，可确保光学取像镜头具有足够的视场角以满足超广角需求。

为达到小型化与降低敏感度较佳的需满足式(3)，如此一来，可有效分配第一透镜的光焦度进而达成小型化且高量产性的目标，若当超出(3)的上限时会造成第一透镜敏感度增加，而当超出(3)的下限时其镜头体积不易缩小。

当满足式(4)时，使第一透镜110的色散系数(Abbe number)v1与第二透镜120的色散系数(Abbe number)v2的差值介于适当范围，可以有效修正第一透镜110与第二透镜120产生的色像差，从而可有效补正色差近而提高光学性能的目的。

请参阅图1，其为本发明的光学取像镜头的第一实施例的光学系统示意图。如图所示，光学取像镜头沿着光轴排列由物侧至像侧依序为：第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130及第四透镜140。其中，第一透镜110具有正光焦度，其由塑料材质所 制成，其物侧光学面111为凸面，其像侧光学面112为凸面。第二透镜120具有负光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面121为凹面，其像侧光学面122为凹面。第三透镜130具有正光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面131为凹面，其像侧光学面132为凸面。第四透镜140具有负光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面141为凹面、其像侧光学面142为凹面。光圈100设置在第一透镜110的物侧；红外线滤除滤光片150设置在第四透镜140与成像面170之间；影像感测组件160，设置在成像面170上。

本实施例的光学取像镜头的光学数据如下列「表1-1」所示：

表1-1

在本实施例中以各透镜的各光学面皆为非球面作为示范态样，但并不以此为限。其中，第一透镜210至第四透镜240的物侧光学面及像侧光学面均使用式(5)的非球面方程式所构成，其非球面系数如下列「表1-2」所示：

表1-2

本实施例光学取像镜头中，各变数(f、f1、f3、TTL、Y1、v1及v2)的关系式定义如前述，在此实施例不再赘述，相关关系式数据数据请参见下列「表1-3」所述的内容：

TTL(mm)	f	TTL/f
			2.080	1.300	1.600
Y1	f	Y1/f
			1.251	1.300	0.962
f1	f3	f1/f3
			1.590	0.830	1.916
v1	v2	|v1-v2|
			55.930	23.970	31.960

表1-3

由表1-1至1-3及由图2及3可知，藉由本发明的光学取像镜头的本实施例，在球差(longitudinal spherical aberration)、像散(astigmatic field curving)与歪曲(distortion)有良好的补偿效果。

请参阅图4，其为本发明的光学取像镜头的第二实施例的光学系统示意图。如图所示，光学取像镜头具有光焦度的透镜数为四片，其沿着光轴排列由物侧至像侧依序为：第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230及第四透镜240。其中，第一透镜110具有正光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面211为凸面，其像侧光学面212为凸面。第二透镜220具有负光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面221为凹面，其像侧光学面222为凹面。第三透镜230具有正光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面231为凹面，其像侧光学面232为凸面。第四透镜240具有负光焦度，其由塑料材质所制成，其物侧光学面241为凹面、其像侧光学面242为凹面。光圈200设置在第一透镜210的物侧；红外线滤除滤光片250设置在第四透镜240与成像面270之间；影像感测组件260，设置在成像面270上。

本实施例的光学取像镜头的光学数据如下列「表2-1」所示：

表2-1

在本实施例中以各透镜的各光学面皆为非球面作为示范态样，但并不以此为限。其中，第一透镜210至第四透镜240的物侧光学面及像侧光学面均使用式(5)的非球面方程式所构成，其非球面系数如下列「表2-2」所示：

表2-2

本实施例光学取像镜头中，各变数(f、f1、f3、TTL、Y1、v1及v2)的关系式定义如前述，在此实施例不再赘述，相关关系式数据数据请参见下列「表2-3」所述的内容：

TTL(mm)	f	TTL/f
			2.125	1.298	1.637
Y1	f	Y1/f
			1.253	1.298	0.965
f1	f3	f1/f3
			1.210	0.970	1.247
v1	v2	|v1-v2|
			55.930	23.970	31.960

表2-3

由表2-1至2-3及由图5及6可知，藉由本发明的光学取像镜头的本实施例，在球差(longitudinal spherical aberration)、像散(astigmatic field curving)与歪曲(distortion)有良好的补偿效果。

此外，若在第四透镜设置有反曲点，可导引射出第四透镜边缘的影像光线的角度，使离轴视场的影像光线的角度导引至影像感测组件，由影像感测组件所接收。

本发明光学取像镜头中，透镜的材质可为玻璃或塑料，若透镜的材质为玻璃，则可以增加光学取像镜头光焦度配置的自由度，若透镜材质为塑料，则可以有效降低生产成本。此外，可在透镜光学面上设置非球面，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，进而缩减透镜使用的数目，因此可以有效降低本发明光学取像镜头的总长度。

本发明光学取像镜头中，若透镜表面为凸面，则表示透镜表面在近轴处为凸面；若透镜表面为凹面，则表示透镜表面在近轴处为凹面。

表1-1至表2-3所示为本发明光学取像镜头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皆属具体实验所得，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，故以上的说明所描述及图式中所说明仅做为例示性，非用以限制本发明的申请专利范围。

以上所述仅为举例性的，而非为限制性的。任何未脱离本创作的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。

附图标记说明

100、200：光圈

110、210：第一透镜

111、211：第一透镜的物侧光学面

112、212：第一透镜的像侧光学面

120、220：第二透镜

121、221：第二透镜的物侧光学面

122、222：第二透镜的像侧光学面

130、230：第三透镜

131、231：第三透镜的物侧光学面

132、232：第三透镜的像侧光学面

140、240：第四透镜

141、241：第四透镜的物侧光学面

142、242：第四透镜的像侧光学面

150、250：红外线滤除滤光片

160、260：影像感测组件

170、270：成像面

f：光学取像镜头的焦距

f1：第一透镜的焦距

f3：第三透镜的焦距

v1：第一透镜的色散系数

v2：第二透镜的色散系数

Y1：从物侧方向以相对于光轴为45度的入射角通过光圈中心后的光线，其投射在成像面的交点与光轴的垂直距离

TTL：第一透镜的物侧光学面至成像面在光轴上的距离

Fno：光圈值

HFOV：最大场视角的一半。

Claims (9)

1.一种光学取像镜头，包含四片透镜，由物侧至像侧依序为：

第一透镜，具有正光焦度；

第二透镜，具有负光焦度；

第三透镜，具有正光焦度；以及

第四透镜，具有负光焦度，其像侧光学面设置有至少一反曲点；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜皆包含至少一非球面表面，所述光学取像镜头另包含光圈及影像感测组件，所述光圈设置在被摄物与所述第二透镜之间，所述影像感测组件设置在成像面，其特征在于，所述第一透镜之物侧光学面到所述成像面在光轴上的距离为TTL，所述光学取像镜头的整体光学系统焦距为f，从物侧方向以相对于光轴为45度的入射角通过所述光圈中心后的光线，其投射在所述成像面的交点与光轴的垂直距离为Y1；满足下列关系式：

1.3<TTL/f<1.8

0.8<Y1/f<0.98。

2.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第四透镜的像侧光学面为凹面。

3.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧光学面为凸面。

4.根据权利要求3所述的光学取像镜头，其特征在于，所述光圈设置在所述第一透镜的物侧。

5.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜的像侧光学面为凹面。

6.根据权利要求5所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧光学面为凹面。

7.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距为f1，所述第三透镜的焦距为f3，所述光学取像镜头满足下列关系式：

0.5<f1/f3<2。

8.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜的色散系数为v1，所述第二透镜的色散系数为v2，所述光学取像镜头满足下列关系式：

28<│v1-v2│<42。

9.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜由塑料材质所制成。