CN116819732B - 光学系统、摄像模组和电子设备 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统、摄像模组和电子设备，光学系统共有四片具有屈折力的透镜，光学系统沿光轴由物侧至像侧依次包含：具有负屈折力的第一透镜和具有正屈折力的第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜的物侧面、第二透镜的物侧面和像侧面、第三透镜的像侧面、第四透镜的物侧面于近光轴处均为凸面，第一透镜的像侧面和第四透镜的像侧面于近光轴处均为凹面，通过对光学系统各透镜的合理设计，有利于光学系统满足小型化且具备良好的成像效果。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统、摄像模组和电子设备。
背景技术
为提升自动驾驶技术中的光学系统对环境的识别能力，对光学系统满足大范围内对物体的高精度识别的需求也越来越高。然而，能够满足大范围内高精度的摄像需求通常意味着光学系统的结构更为复杂，最终导致摄像模组的尺寸增大、总长增加，难以适用于轻薄的电子产品，因此，如何实现光学系统的小型化和良好的成像效果，成为业内必须解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学系统、摄像模组和电子设备，解决光学系统满足小型化且具备良好的成像效果的需求。
为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：
第一方面，本发明提供了一种光学系统，共有四片具有屈折力的透镜，沿着光轴由物侧至像侧依次包含：第一透镜，具有负屈折力，所述第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，所述第一透镜的像侧面于近光轴处为凹面；第二透镜，具有正屈折力，所述第二透镜的物侧面和像侧面于近光轴处均为凸面；第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；第四透镜，具有正屈折力，所述第四透镜的物侧面于近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面于近光轴处为凹面。
所述光学系统满足关系式：0.8<f3/f4<2；其中，f3为所述第三透镜的有效焦距，f4为所述第四透镜的有效焦距。
通过使第一透镜具有负屈折力，且第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第一透镜的像侧面于近光轴处为凹面，有利于压缩大角度的入射光线，提升第一透镜的屈折力；通过使第二透镜具有正屈折力，且第二透镜的物侧面和像侧面于近光轴处均为凸面，有利于增强第二透镜的正屈折力，进一步为边缘光线的引入提供合理的光线入射角；通过使第三透镜具有正屈折力，且第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面，有利于提升第三透镜的焦距，使屈折力后移，缩小光学总长，降低公差敏感性，同时，还有利于校正畸变、像散、场曲量，进而满足光学系统小型化、高像质与感光芯片匹配角需求；通过使第四透镜具有正屈折力，且第四透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面于近光轴处为凹面，有利于有效缩短光学系统的总长，同时矫正光学系统的像散和像差，实现小型化的特性。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于第三透镜的有效焦距和第四透镜的有效焦距的比值得到合理配置，进一步平衡透镜之间的屈折力分配，从而使得第三透镜和第四透镜产生的像差进行互相矫正，并校正第一透镜和第二透镜产生的像差，强化光学系统的像差校正，进而提高光学系统的成像质量，同时，还有利于尺寸压缩，使光学系统实现小型化。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：-1.8<f1/f<-1.5；其中，f1为所述第一透镜的有效焦距，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第一透镜的屈折力，为光学系统提供负屈折力，相较一般的光学系统而言，该光学系统在相同尺寸下具有更大的视场角；同时，还有利于降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：3<f2/f<6；其中， f2为所述第二透镜的有效焦距，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第二透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：2<f3/f<5；其中，f3为所述第三透镜的有效焦距，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第三透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，使得降低光学系统的球差、提高成像面的清晰度的特性得到强化。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：2.3<f4/f<3.7；其中，f4为所述第四透镜的有效焦距，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第四透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度；同时，光学系统具有较长的光学后焦，使光学系统具有足够的调焦位置并留有放置滤光片的空间。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：40deg/mm<FOV/f<60deg/mm；其中，FOV为所述光学系统的最大视场角，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统的最大视场角和光学系统的有效焦距被控制在一个合理的范围内，有效提升画面的取景面积，使得光学系统具备较大视场角，从而当该光学系统应用于汽车时，能够具有较大的监控区域；同时，还有利于适当缩小光学系统的有效焦距，缩短光学系统的总长，实现小型化的设计。此外，通过控制光学系统的最大视场角和光学系统的有效焦距的比值，还能够使得该光学系统具有较小的出射光线的偏折角度，缓解光学系统的边缘暗角问题。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：0.2<Ta/Tb<0.4；其中，Ta为所述第一透镜的物侧面至所述第二透镜的像侧面于光轴上的距离，Tb为所述第二透镜的像侧面至所述光学系统的成像面于光轴上的距离。通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面于光轴上的距离和第二透镜的像侧面至光学系统的成像面于光轴上的距离的比值得到合理配置，抑制光学系统中光线到达成像面的入射角度，降低暗角风险；同时，还有利于缩短光学系统的总长，实现小型化的设计。
一种实施方式中，所述光学系统还包括光阑，所述光阑位于所述第二透镜和所述第三透镜之间，所述光学系统满足关系式：0.25<(Db-Da)/f<0.65；其中，Da为所述第二透镜的像侧面至所述光阑于光轴上的距离，Db为所述光阑至所述第三透镜的物侧面于光轴上的距离，f为所述光学系统的有效焦距。通过使光学系统满足上述关系式，有利于光阑至第三透镜的物侧面于光轴上的距离与第二透镜的像侧面至光阑于光轴上的距离的差值和光学系统的有效焦距的比值得到合理配置，光阑被合理的设置于光学系统中，从而能够有效控制边缘视场光线在进入所述光学系统时的入射角，调节所述光学系统进光量，提升边缘视场的相对亮度，提高成像清晰度进而改善成像质量。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：1<SD11/SD42<1.4；其中，SD11为所述第一透镜的物侧面的最大有效口径，SD42为所述第四透镜的像侧面的最大有效口径。通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面的最大有效口径和第四透镜的像侧面的最大有效口径的比值得到合理配置，进而控制光学系统中透镜组的外径尺寸，以减少光学系统径向方向上的厚度，从而实现光学系统小型化的要求。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：4<R11/R12<10；其中，R11为所述第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R12为所述第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径。通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径和第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径的比值得到合理配置，控制第一透镜的形状，综合平衡光学系统的球差、色差和场曲，并降低产生鬼影的风险，提升光学系统的解像能力，同时，还有利于降低第一透镜的加工难度。低于关系式下限，第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径相对第一透镜的像侧面于光轴出的曲率半径过小，第一透镜的物侧面的面型过度弯曲，导致第一透镜的负屈折力不足，不利于光学系统的像差校正；超过关系式上限，第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径相对第一透镜的像侧面于光轴出的曲率半径过大，第一透镜的物侧面的面型过度平整，导致第一透镜的负屈折力过强，边缘视场的光线发散过度，进而增大光线系统的畸变。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：5<R42/R41<50；其中，R41为所述第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R42为所述第四透镜的像侧面于光轴处的曲率半径。通过使光学系统满足上述关系式，有利于第四透镜的像侧面于光轴处的曲率半径和第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径的比值得到合理配置，控制第四透镜的形状，综合平衡光学系统的球差、色差和场曲，并降低产生鬼影的风险，提升光学系统的解像能力，同时，还有利于降低第四透镜的加工难度。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：120deg<FOV<130deg；其中，FOV为所述光学系统的最大视场角。通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统的最大视场角被控制在一个合理的范围内，有效提升画面的取景面积，使得光学系统具备较大视场角。
一种实施方式中，所述光学系统满足关系式：1.2<FNO<1.4；其中，FNO为所述光学系统的光圈数。通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统具备较小的光圈数，通过抑制光线到达成像面的入射角度，提升边缘视场的相对亮度，提高成像清晰度进而改善成像质量。
第二方面，本发明还提供了一种摄像模组，该摄像模组包括感光芯片和第一方面任一项实施方式所述的光学系统，所述感光芯片设置在所述光学系统的像侧。其中，感光芯片的感光面位于光学系统的成像面，穿过透镜入射到感光面上的物的光线可转换成图像的电信号。感光芯片可以为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS） 或电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）。该摄像模组可以是集成在电子设备上的成像模块，也可以是独立镜头。通过在摄像模组中加入本发明提供的光学系统，能够通过对光学系统中各透镜的面型和屈折力进行合理的设计，使得摄像模组满足小型化且具备良好的成像效果。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括壳体和第二方面所述的摄像模组，所述摄像模组设置在所述壳体内。该电子设备包括但不限于汽车、监控、智能手机、电脑和智能手表等。通过在电子设备中加入本发明提供的摄像模组，使得电子设备满足小型化且具备良好的成像效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1是第一实施例的光学系统的结构示意图；
图2示出了第一实施例的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图和畸变曲线图；
图3是第二实施例的光学系统的结构示意图；
图4示出了第二实施例的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图和畸变曲线图；
图5是第三实施例的光学系统的结构示意图；
图6示出了第三实施例的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图和畸变曲线图；
图7是第四实施例的光学系统的结构示意图；
图8示出了第四实施例的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图和畸变曲线图；
图9是第五实施例的光学系统的结构示意图；
图10示出了第五实施例的光学系统的纵向球差曲线图、像散曲线图和畸变曲线图；
图11示出了本发明一种实施例中摄像模组的结构示意图；
图12示出了本发明一种实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
第一方面，本发明提供了一种光学系统，共有四片具有屈折力的透镜，沿着光轴由物侧至像侧依次包含：第一透镜，具有负屈折力，第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第一透镜的像侧面于近光轴处为凹面；第二透镜，具有正屈折力，第二透镜的物侧面和像侧面于近光轴处均为凸面；第三透镜，具有正屈折力，第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；第四透镜，具有正屈折力，第四透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面于近光轴处为凹面。
光学系统满足关系式：0.8<f3/f4<2；其中，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距。具体的，f3/f4的值可以为1.182、1.634、1.582、1.744、0.914、0.803、1.056、1.975等。
通过使第一透镜具有负屈折力，且第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第一透镜的像侧面于近光轴处为凹面，有利于压缩大角度的入射光线，提升第一透镜的屈折力；通过使第二透镜具有正屈折力，且第二透镜的物侧面和像侧面于近光轴处均为凸面，有利于增强第二透镜的正屈折力，进一步为边缘光线的引入提供合理的光线入射角；通过使第三透镜具有正屈折力，且第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面，有利于提升第三透镜的焦距，使屈折力后移，缩小光学总长，降低公差敏感性，同时，还有利于校正畸变、像散、场曲量，进而满足光学系统小型化、高像质与感光芯片匹配角需求；通过使第四透镜具有正屈折力，且第四透镜的物侧面于近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面于近光轴处为凹面，有利于有效缩短光学系统的总长，同时矫正光学系统的像散和像差，实现小型化的特性。
通过使光学系统满足关系式：0.8<f3/f4<2，有利于第三透镜的有效焦距和第四透镜的有效焦距的比值得到合理配置，进一步平衡透镜之间的屈折力分配，从而使得第三透镜和第四透镜产生的像差进行互相矫正，并校正第一透镜和第二透镜产生的像差，强化光学系统的像差校正，进而提高光学系统的成像质量，同时，还有利于尺寸压缩，使光学系统实现小型化。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：-1.8<f1/f<-1.5；其中，f1为第一透镜的有效焦距，f为光学系统的有效焦距。具体的，f1/f的值可以为-1.738、-1.600、-1.577、-1.581、-1.574、-1.503、-1.760、-1.654等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第一透镜的屈折力，为光学系统提供负屈折力，相较一般的光学系统而言，该光学系统在相同尺寸下具有更大的视场角；同时，还有利于降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：3<f2/f<6；其中，f2为第二透镜的有效焦距，f为光学系统的有效焦距。具体的，f2/f的值可以为4.243、3.201、3.149、3.526、5.196、3.013、5.961、4.974等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第二透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：2<f3/f<5；其中，f3为第三透镜的有效焦距，f为光学系统的有效焦距。具体的，f3/f的值可以为3.088、4.192、4.116、4.944、2.935、2.073、3.638、4.529等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第三透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，使得降低光学系统的球差、提高成像面的清晰度的特性得到强化。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：2.3<f4/f<3.7；其中，f4为第四透镜的有效焦距，f为光学系统的有效焦距。具体的，f4/f的值可以为2.614、2.565、2.602、2.835、3.211、2.306、3.649、3.058等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于合理分配第四透镜的屈折力，为光学系统提供正屈折力，降低光学系统的球差，提高成像面的清晰度；同时，光学系统具有较长的光学后焦，使光学系统具有足够的调焦位置并留有放置滤光片的空间。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：40deg/mm<FOV/f<60deg/mm；其中，FOV为光学系统的最大视场角，f为光学系统的有效焦距。具体的，FOV/f的值可以为40.702 deg/mm、40.344deg/mm、40.357deg/mm、53.517deg/mm、55.244deg/mm、46.963deg/mm、51.698deg/mm、59.874 deg/mm等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统的最大视场角和光学系统的有效焦距被控制在一个合理的范围内，有效提升画面的取景面积，使得光学系统具备较大视场角，从而当该光学系统应用于汽车时，能够具有较大的监控区域；同时，还有利于适当缩小光学系统的有效焦距，缩短光学系统的总长，实现小型化的设计。此外，通过控制光学系统的最大视场角和光学系统的有效焦距的比值，还能够使得该光学系统具有较小的出射光线的偏折角度，缓解光学系统的边缘暗角问题。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：0.2<Ta/Tb<0.4；其中，Ta为第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面于光轴上的距离，Tb为第二透镜的像侧面至光学系统的成像面于光轴上的距离。具体的，Ta/Tb的值可以为0.243、0.256、0.346、0.295、0.201、0.217、0.388、0.302等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面于光轴上的距离和第二透镜的像侧面至光学系统的成像面于光轴上的距离的比值得到合理配置，抑制光学系统中光线到达成像面的入射角度，降低暗角风险；同时，还有利于缩短光学系统的总长，实现小型化的设计。
一种实施方式中，光学系统还包括光阑，光阑位于第二透镜和第三透镜之间，光学系统满足关系式：0.25<(Db-Da)/f<0.65；其中，Da为第二透镜的像侧面至光阑于光轴上的距离，Db为光阑至第三透镜的物侧面于光轴上的距离，f为光学系统的有效焦距。具体的，(Db-Da)/f的值可以为0.299、0.321、0.333、0.535、0.520、0.253、0.645、0.462等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于光阑至第三透镜的物侧面于光轴上的距离与第二透镜的像侧面至光阑于光轴上的距离的差值和光学系统的有效焦距的比值得到合理配置，光阑被合理的设置于光学系统中，从而能够有效控制边缘视场光线在进入光学系统时的入射角，调节光学系统进光量，提升边缘视场的相对亮度，提高成像清晰度进而改善成像质量。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：1<SD11/SD42<1.4；其中，SD11为第一透镜的物侧面的最大有效口径，SD42为第四透镜的像侧面的最大有效口径。具体的，SD11/SD42的值可以为1.017、1.001、1.006、1.336、1.340、1.256、1.389、1.296等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面的最大有效口径和第四透镜的像侧面的最大有效口径的比值得到合理配置，进而控制光学系统中透镜组的外径尺寸，以减少光学系统径向方向上的厚度，从而实现光学系统小型化的要求。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：4<R11/R12<10；其中，R11为第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R12为第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径。具体的，R11/R12的值可以为4.717、4.472、4.520、9.061、6.497、7.826、5.836、8.142等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径和第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径的比值得到合理配置，控制第一透镜的形状，综合平衡光学系统的球差、色差和场曲，并降低产生鬼影的风险，提升光学系统的解像能力，同时，还有利于降低第一透镜的加工难度。低于关系式下限，第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径相对第一透镜的像侧面于光轴出的曲率半径过小，第一透镜的物侧面的面型过度弯曲，导致第一透镜的负屈折力不足，不利于光学系统的像差校正；超过关系式上限，第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径相对第一透镜的像侧面于光轴出的曲率半径过大，第一透镜的物侧面的面型过度平整，导致第一透镜的负屈折力过强，边缘视场的光线发散过度，进而增大光线系统的畸变。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：5<R42/R41<50；其中，R41为第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R42为第四透镜的像侧面于光轴处的曲率半径。具体的，R42/R41的值可以为41.746、13.856、18.811、17.847、5.552、47.991、20.633、32.915等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于第四透镜的像侧面于光轴处的曲率半径和第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径的比值得到合理配置，控制第四透镜的形状，综合平衡光学系统的球差、色差和场曲，并降低产生鬼影的风险，提升光学系统的解像能力，同时，还有利于降低第四透镜的加工难度。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：120deg<FOV<130deg；其中，FOV为光学系统的最大视场角。具体的，FOV的值可以为123 deg、122 deg、124 deg、128 deg、121 deg、125 deg、129 deg、127 deg等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统的最大视场角被控制在一个合理的范围内，有效提升画面的取景面积，使得光学系统具备较大视场角。
一种实施方式中，光学系统满足关系式：1.2<FNO<1.4；其中，FNO为光学系统的光圈数。具体的，FNO的值可以为1.220、1.230、1.370、1.240、1.280、1.310、1.340、1.390等。
通过使光学系统满足上述关系式，有利于光学系统具备较小的光圈，通过抑制光线到达成像面的入射角度，提升边缘视场的相对亮度，提高成像清晰度进而改善成像质量。
一些实施例中，光学系统还包括滤光片，滤光片可以是红外截止滤光片或红外带通滤光片，红外截止滤光片用于滤除红外光，红外带通滤光片仅允许红外光通过。在本申请中，滤光片为红外带通滤光片，与光学系统中的各透镜相对固定设置，红外带通滤光片用于通过中心波长的红外光，具有滤除背景杂光的作用。滤光片可与各透镜一同装配以作为光学系统中的一部分，在另一些实施例中，滤光片也可以为独立于光学系统外的元件，滤光片可以在光学系统与感光芯片装配时，一并安装至光学系统与感光芯片之间。可以理解的是，滤光片可以是光学玻璃镀膜制成的，也可以是有色玻璃制成的，或者其他材质的滤光片，可根据实际需要进行选择，在本实施例不作具体限定。另一些实施例中也可通过在第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜上设置滤光镀层以实现滤光的作用。
一些实施例中，光学系统中的至少一个透镜可以具有球面面型，球面面型的设计可降低透镜的制备难度，降低制备成本。一些实施例中，光学系统的至少一个透镜也可以具有非球面面型，当透镜的至少一侧表面（物侧面或像侧面）为非球面时，即可称该透镜具有非球面面型。一些实施例中，也可以将各透镜的物侧面及像侧面均设计为非球面，非球面设计能够帮助光学系统更为有效地消除像差，改善成像品质。在一些实施例中，为了兼顾制备成本、制备难度、成像品质、组装难度等，光学系统中的各透镜表面的设计可由球面及非球面面型搭配而成。
一些实施例中，光学系统中至少一个透镜的材质为玻璃（GL，Glass）。例如，可使最靠近物侧的第一透镜L1采用玻璃材质，利用第一透镜L1玻璃材料的消温飘效果，可以有效减小环境温度变化对光学系统的影响，进而维持较好较稳定的成像品质。在一些实施例中，光学系统中至少一个透镜的材质也可为塑料（PC，Plastic），塑料材质可以为聚碳酸酯、树胶等。具有塑料材质的透镜能够降低光学系统的生产成本，而具有玻璃材质的透镜能够耐受较高或较低的温度且具有优良的光学效果及较佳的稳定性。在一些实施例中，光学系统中可设置不同材质的透镜，即可采用玻璃透镜及塑料透镜相结合的设计，但具体配置关系可根据实际需求而确定，此处不加以穷举。
第一实施例
请参考图1，本实施例的光学系统10，沿光轴方向的物侧至像侧依次包括：
第一透镜L1，具有负屈折力，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凹面。
第二透镜L2，具有正屈折力，第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凸面，像侧面S4于近光轴处为凸面。
第三透镜L3，具有正屈折力，第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凹面，像侧面S6于近光轴处为凸面。
第四透镜L4，具有正屈折力，第四透镜L4的物侧面S7于近光轴处为凸面，像侧面S8于近光轴处为凹面。
此外，光学系统10还包括光阑STO、滤光片IR和成像面IMG。本实施例中，光阑STO设置在光学系统10的第二透镜L2的像侧面和第三透镜L3的物侧面之间，用于控制进光量。滤光片IR设置在第四透镜L4和成像面IMG之间，其包括物侧面S9和像侧面S10，滤光片IR为红外带通滤光片，红外截止滤光片用于通过红外光线，使得射入成像面IMG的光线仅为红外光，可见光的波长为380nm-780nm，红外带通滤光片的材质可为玻璃（GLASS）或塑料（Plastic），并可在其表面上镀膜。第一透镜L1至第四透镜L4的材质可为玻璃（GLASS）或塑料（Plastic）。感光芯片的有效像素区域位于成像面，成像面IMG处设置红外光感光芯片，感光芯片捕捉物体的不同波段信息，以供后续处理。
表1a示出了本实施例的光学系统10的各项参数，其中，Y半径为相应面序号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。面序号S1和面序号S2分别为第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2，即同一透镜中，面序号较小的表面为物侧面，面序号较大的表面为像侧面。第一透镜L1的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至像侧方向的后一表面于光轴上的距离。焦距、材料折射率和阿贝数均采用参考波长为940nm的可见光获得，Y半径、厚度和焦距的单位均为毫米（mm）。
表1a
其中，f为光学系统10的有效焦距，FNO为光学系统10的光圈数，FOV为光学系统10的最大视场角, TTL为第一透镜物侧面至成像面于光轴上的距离，即光学总长。
在本实施例中，第四透镜L4的物侧面和像侧面均为非球面，非球面的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
其中，x为非球面上相应点到与表面顶点相切的平面的距离，h为非球面上相应点到光轴的距离，c为非球面顶点的曲率，k为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i项高次项相对应的系数。表1b给出了可用于第一实施例中的非球面镜面S7、S8的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16。
表1b
图2中（a）示出了：第一实施例的光学系统10在波长为940.0000nm的纵向球差曲线图，其中，沿X轴方向的横坐标表示焦点偏移，即成像面到光线与光轴交点的距离(单位为mm)，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场，纵向球差曲线表示不同波长的光线经由光学系统10的各透镜后的汇聚焦点偏离。图2中（a）可以看出，第一实施例中的各波长光线的汇聚焦点偏离程度趋于一致，成像画面中的弥散斑或色晕得到有效抑制，说明本实施例中的光学系统10的成像质量较好。
图2中（b）示出了：第一实施例的光学系统10在波长为940.0000nm时的像散曲线图，其中，沿X轴方向的横坐标表示焦点偏移，沿Y轴方向的纵坐标表示视场角，其单位为deg。像散曲线图中的S曲线代表940.0000nm下的弧矢场曲，T曲线代表940.0000nm下的子午场曲。由图2中（b）可以看出，光学系统10的场曲较小，各视场的场曲和像散均得到了良好的校正，视场中心和边缘均拥有清晰的成像。
图2中（c）示出了：第一实施例的光学系统10在波长为940.0000nm时的畸变曲线。其中，沿X轴方向的横坐标表示畸变值，符号为%，沿Y轴方向的纵坐标表示像高，单位为mm。畸变曲线表示不同视场角对应的畸变大小值。由图2中（c）可以看出，在波长为940.0000nm下，由主光束引起的图像变形较小，系统的成像质量优良。
由图2中（a）、图2中（b）和图2中（c）可以看出，本实施例的光学系统10的像差较小、成像质量较好，具有良好的成像质量。
第二实施例
请参考图3，本实施例的光学系统10，沿光轴方向的物侧至像侧依次包括：
第一透镜L1，具有负屈折力，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凹面。
第二透镜L2，具有正屈折力，第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凸面，像侧面S4于近光轴处为凸面。
第三透镜L3，具有正屈折力，第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凹面，像侧面S6于近光轴处为凸面。
第四透镜L4，具有正屈折力，第四透镜L4的物侧面S7于近光轴处为凸面，像侧面S8于近光轴处为凹面。
第二实施例的其他结构与第一实施例相同，参照即可。
表2a示出了本实施例的光学系统10的各项参数，其中，焦距、材料折射率和阿贝数均采用参考波长为940nm的可见光获得，Y半径、厚度和焦距的单位均为毫米（mm），其他各参数含义均与第一实施例各参数含义相同。
表2a
其中，f为光学系统10的焦距，FNO为光学系统10的光圈数，FOV为光学系统10的最大视场角, TTL为第一透镜物侧面至成像面于光轴上的距离，即光学总长。
表2b给出了可用于第二实施例中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由第一实施例中给出的公式限定。
表2b
图4中（a）、图4中（b）、图4中（c）分别示出了第二实施例中不同焦距下的光学系统10的纵向球差曲线、像散曲线和畸变曲线，其中，纵向球差曲线表示不同波长的光线经由光学系统10的各透镜后的汇聚焦点偏离；像散曲线表示子午场曲和弧矢场曲；畸变曲线表示不同视场角对应的畸变大小值。由图4中的像差图可知，光学系统10的纵向球差、场曲和畸变均得到良好的控制，从而该实施例的光学系统10拥有良好的成像质量。
第三实施例
请参考图5，本实施例的光学系统10，沿光轴方向的物侧至像侧依次包括：
第一透镜L1，具有负屈折力，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凹面。
第二透镜L2，具有正屈折力，第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凸面，像侧面S4于近光轴处为凸面。
第三透镜L3，具有正屈折力，第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凹面，像侧面S6于近光轴处为凸面。
第四透镜L4，具有正屈折力，第四透镜L4的物侧面S7于近光轴处为凸面，像侧面S8于近光轴处为凹面。
第三实施例的其他结构与第一实施例相同，参照即可。
表3a示出了本实施例的光学系统10的各项参数，其中，焦距、材料折射率和阿贝数均采用参考波长为940nm的可见光获得，Y半径、厚度和焦距的单位均为毫米（mm），其他各参数含义均与第一实施例各参数含义相同。
表3a
其中，f为光学系统10的焦距，FNO为光学系统10的光圈数，FOV为光学系统10的最大视场角, TTL为第一透镜物侧面至成像面于光轴上的距离，即光学总长。
表3b给出了可用于第三实施例中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由第一实施例中给出的公式限定。
表3b
图6中（a）、图6中（b）、图6中（c）分别示出了第三实施例中不同焦距下的光学系统10的纵向球差曲线、像散曲线和畸变曲线，其中，纵向球差曲线表示不同波长的光线经由光学系统10的各透镜后的汇聚焦点偏离；像散曲线表示子午场曲和弧矢场曲；畸变曲线表示不同视场角对应的畸变大小值。由图6中的像差图可知，光学系统10的纵向球差、场曲和畸变均得到良好的控制，从而该实施例的光学系统10拥有良好的成像质量。
第四实施例
请参考图7，本实施例的光学系统10，沿光轴方向的物侧至像侧依次包括：
第一透镜L1，具有负屈折力，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凹面。
第二透镜L2，具有正屈折力，第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凸面，像侧面S4于近光轴处为凸面。
第三透镜L3，具有正屈折力，第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凹面，像侧面S6于近光轴处为凸面。
第四透镜L4，具有正屈折力，第四透镜L4的物侧面S7于近光轴处为凸面，像侧面S8于近光轴处为凹面。
第四实施例还包括保护玻璃CG，保护玻璃CG设置在滤光片IR和成像面IMG之间，包括物侧面S11和像侧面S12，第四实施例的其他结构与第一实施例相同，参照即可。
表4a示出了本实施例的光学系统10的各项参数，其中，焦距、材料折射率和阿贝数均采用参考波长为940nm的可见光获得，Y半径、厚度和焦距的单位均为毫米（mm），其他各参数含义均与第一实施例各参数含义相同。
表4a
其中，f为光学系统10的焦距，FNO为光学系统10的光圈数，FOV为光学系统10的最大视场角, TTL为第一透镜物侧面至成像面于光轴上的距离，即光学总长。
表4b给出了可用于第四实施例中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由第一实施例中给出的公式限定。
表4b
图8中（a）、图8中（b）、图8中（c）分别示出了第四实施例中不同焦距下的光学系统10的纵向球差曲线、像散曲线和畸变曲线，其中，纵向球差曲线表示不同波长的光线经由光学系统10的各透镜后的汇聚焦点偏离；像散曲线表示子午场曲和弧矢场曲；畸变曲线表示不同视场角对应的畸变大小值。由图8中的像差图可知，光学系统10的纵向球差、场曲和畸变均得到良好的控制，从而该实施例的光学系统10拥有良好的成像质量。
第五实施例
请参考图9，本实施例的光学系统10，沿光轴方向的物侧至像侧依次包括：
第一透镜L1，具有负屈折力，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凹面。
第二透镜L2，具有正屈折力，第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凸面，像侧面S4于近光轴处为凸面。
第三透镜L3，具有正屈折力，第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凸面，像侧面S6于近光轴处为凸面。
第四透镜L4，具有正屈折力，第四透镜L4的物侧面S7于近光轴处为凸面，像侧面S8于近光轴处为凹面。
第五实施例还包括保护玻璃CG，保护玻璃CG设置在滤光片IR和成像面IMG之间，包括物侧面S11和像侧面S12，第五实施例的其他结构与第一实施例相同，参照即可。
表5a示出了本实施例的光学系统10的各项参数，其中，焦距、材料折射率和阿贝数均采用参考波长为940nm的可见光获得，Y半径、厚度和焦距的单位均为毫米（mm），其他各参数含义均与第一实施例各参数含义相同。
表5a
其中，f为光学系统10的焦距，FNO为光学系统10的光圈数，FOV为光学系统10的最大视场角, TTL为第一透镜物侧面至成像面于光轴上的距离，即光学总长。
表5b给出了可用于第五实施例中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由第一实施例中给出的公式限定。
表5b
图10中（a）、图10中（b）、图10中（c）分别示出了第五实施例中不同焦距下的光学系统10的纵向球差曲线、像散曲线和畸变曲线，其中，纵向球差曲线表示不同波长的光线经由光学系统10的各透镜后的汇聚焦点偏离；像散曲线表示子午场曲和弧矢场曲；畸变曲线表示不同视场角对应的畸变大小值。由图10中的像差图可知，光学系统10的纵向球差、场曲和畸变均得到良好的控制，从而该实施例的光学系统10拥有良好的成像质量。
表6示出了第一实施例至第五实施例的光学系统中FOV/f、f1/f、f2/f、f3/f、f4/f、f3/f4、R11/R12、Ta/Tb、(Db-Da)/f、FNO、SD11/SD42、R42/R41、FOV的值。
表6
由表6可知，第一实施例至第五实施例的光学系统均满足下列关系式：40deg/mm<FOV/f<60deg/mm、-1.8<f1/f<-1.5、3<f2/f<6、2<f3/f<5、2.3<f4/f<3.7、0.8<f3/f4<2、4<R11/R12<10、0.2<Ta/Tb<0.4、0.25<(Db-Da)/f<0.65、1.2<FNO<1.4、1<SD11/SD42<1.4、5<R42/R41<50、120deg<FOV<130deg的值。
请参阅图11，本发明还提供了一种摄像模组20，该摄像模组20包括感光芯片21和第一方面任一项实施方式所述的光学系统10，所述感光芯片21设置在所述光学系统10的像侧。其中，感光芯片21的感光面位于光学系统10的成像面，穿过透镜入射到感光面上的物的光线可转换成图像的电信号。感光芯片21可以为互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS）或电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）。该摄像模组20可以是集成在电子设备30上的成像模块，也可以是独立镜头。通过在摄像模组20中加入本发明提供的光学系统10，能够通过对光学系统10中各透镜的面型和屈折力进行合理的设计，使得摄像模组20满足小型化且具备良好的成像效果。
请参阅图12，本发明还提供了一种电子设备30，该电子设备30包括壳体31和上述摄像模组20，所述摄像模组20设置在所述壳体31内。该电子设备30包括但不限于汽车、监控、智能手机、电脑和智能手表等。通过在电子设备30中加入本发明提供的摄像模组20，使得电子设备30满足小型化且具备良好的成像效果。
以上所揭露的仅为本发明一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种光学系统，其特征在于，共有四片具有屈折力的透镜，沿着光轴由物侧至像侧依次包含：
第一透镜，具有负屈折力，所述第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，所述第一透镜的像侧面于近光轴处为凹面；
第二透镜，具有正屈折力，所述第二透镜的物侧面和像侧面于近光轴处均为凸面；
第三透镜，具有正屈折力，所述第三透镜的像侧面于近光轴处为凸面；
第四透镜，具有正屈折力，所述第四透镜的物侧面于近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面于近光轴处为凹面；
所述光学系统满足关系式：0.8<f3/f4<2，1.2<FNO<1.4；
其中，f3为所述第三透镜的有效焦距，f4为所述第四透镜的有效焦距，FNO为所述光学系统的光圈数。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
2.3<f4/f<3.7；
其中，f为所述光学系统的有效焦距。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
40deg/mm<FOV/f<60deg/mm；
其中，FOV为所述光学系统的最大视场角，f为所述光学系统的有效焦距。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
0.2<Ta/Tb<0.4；
其中，Ta为所述第一透镜的物侧面至所述第二透镜的像侧面于光轴上的距离，Tb为所述第二透镜的像侧面至所述光学系统的成像面于光轴上的距离。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑，所述光阑位于所述第二透镜和所述第三透镜之间，且所述光学系统满足关系式：
0.25<(Db-Da)/f<0.65；
其中，Da为所述第二透镜的像侧面至所述光阑于光轴上的距离，Db为所述光阑至所述第三透镜的物侧面于光轴上的距离，f为所述光学系统的有效焦距。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
1<SD11/SD42<1.4；
其中，SD11为所述第一透镜的物侧面的最大有效口径，SD42为所述第四透镜的像侧面的最大有效口径。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
4<R11/R12<10，和/或
5<R42/R41<50；
其中，R11为所述第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R12为所述第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径，R41为所述第四透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R42为所述第四透镜的像侧面于光轴处的曲率半径。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足关系式：
120deg<FOV<130deg；
其中，FOV为所述光学系统的最大视场角。
9.一种摄像模组，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的光学系统和感光芯片，所述感光芯片位于所述光学系统的像侧。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括壳体和权利要求9所述的摄像模组，所述摄像模组设置在所述壳体内。
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