CN110351405A - 一种具有微观成像功能的移动通讯设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有微观成像功能的移动通讯设备，其中：包括移动通讯设备的外壳和安装在所述外壳上的微观摄像头；所述微观摄像头包含位于前方的镜头、位于后方的面阵光电探测器和调焦结构；所述镜头决定的一对共轭物面与像面的关系为：所述像面位于所述面阵光电探测器的光敏面上，所述物面距离所述镜头前表面的距离不大于30cm；所述镜头包括一片以上的镜片组成的透镜组，所述调焦结构用于改变所述镜头中一片或多片镜片的位置，从而改变与位于所述面阵光电探测器的光敏面上的像面共轭的物面与镜头前表面的距离。本发明的成像质量优于移动通讯设备上常用的在普通摄像头上进行增距实现的微观成像，可接近或达到专业微观成像设备的水平。
Description
技术领域
本发明属于微观成像领域，具体涉及一种具有微观成像功能的移动通讯设备。
背景技术
显微镜可以对微观结构进行观测，使得人能够观察到肉眼无法直接观察的结构。传统显微镜由物镜和目镜组成，用于将微观结构放大后呈现到人眼的明视距离处。数码显微镜使用面阵光电探测器取代人眼进行探测，可以将图像记录成数字图像文件，为信号采集带来了便利。但显微镜的尺寸通常较大，以放置在桌面上的台式显微镜形式最为常见。
小型化的便携式的数码显微镜、搭配手机使用的手机显微镜以及搭配相机使用的微距镜头相比传统显微镜便携性有所提升，但仍然有所欠缺，主要表现为：
1、便携性不够，只是体积相比传统显微镜有显著减小，但仍占用额外体积；
2、成像质量不足，专业显微镜能达到1微米和亚微米级别的分辨率，上述便携微观成像产品，成像分辨率通常在1微米以上，且通过面阵光电探测器探测后其物方空间采样率也往往1微米以上。
以手机为代表的移动通讯设备已成为当代社会每个人的随身必备，其摄像头的成像效果也越来越高，成像模式也越来越多，目前已出现具有望远功能的长焦摄像头和具有一定微观成像功能的微距摄像头。在移动通讯设备上集成微观成像功能，一方面可提升移动通讯设备的功能型，另一方面为需要微观成像功能的特定用户提供了方便，这些用户在不需要额外携带设备的情况下即可实现微观成像。但现有的具有微观成像功能的移动通讯设备，其微观成像效果还比较有限，表现为：
1、像差较大，对于现有的具有微观成像功能的移动通讯设备，其微观成像是由具备微距功能的摄像头实现的，其实现方式是增大其摄像头的调焦范围，使得其能够调焦到近距离处，实现对近距离物体的成像，经过高像素的面阵光电探测器采集后，能采集到相比传统摄像头更微观的结构。但其摄像头并非专门为微观成像所设计，还需要兼顾普通日常拍照，导致其对焦到近处时，难免出现额外像差，影响成像质量。
2、数值孔径较小，如上所述，现有移动通讯设备的微观成像功能是通过将摄像头对焦到近处实现，但其最近距离仍在1厘米以上，受限于轻薄便携等要求，摄像头的入瞳直径不可能很大，通常在几个毫米水平，导致其等效的数值孔径通常小于0.1，根据阿贝成像理论成像的极限分辨率由数值孔径决定，即使不考虑像差因素，其极限分辨率仍不足，仅能满足日常近距离拍照需要，达不到专业的微观成像要求。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种具有微观成像功能的移动通讯设备，微观摄像头为针对近距离成像时的共轭物像面所设计，成像质量优于移动通讯设备上常用的在普通摄像头上进行增距实现的微观成像，可接近或达到专业微观成像设备的水平。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有微观成像功能的移动通讯设备，其中：包括移动通讯设备的外壳和安装在所述外壳上的微观摄像头；
所述微观摄像头包含位于前方的镜头、位于后方的面阵光电探测器和调焦结构；
所述镜头决定的一对共轭物面与像面的关系为：所述像面位于所述面阵光电探测器的光敏面上，所述物面距离所述镜头前表面的距离不大于30cm；
所述镜头包括一片以上的镜片组成的透镜组，所述调焦结构用于改变所述镜头中一片或多片镜片的位置，从而改变与位于所述面阵光电探测器的光敏面上的像面共轭的物面与镜头前表面的距离。
优选地，所述微观摄像头的镜头包含前透镜和后透镜；
所述调焦结构用于改变所述前透镜的位置，改变前透镜的位置后，与所述面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述前透镜和对应物面的位置变化关系为：当所述前透镜向前方移动时，物面也向前方移动，当所述前透镜向后方移动时，物面也向后方移动。
优选地，所述微观摄像头的镜头包含前透镜和后透镜；
所述调焦结构用于改变所述后透镜的位置，改变后透镜的位置后，与所述面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述后透镜和对应物面的位置变化关系为：当所述后透镜向前方移动时，物面向后方移动，当所述后透镜向后方移动时，物面向前方移动。
优选地，所述微观摄像头的镜头为单片镜片，或者多片镜片组成的透镜组；
所述调焦结构用于改变该单片镜片的位置，或者用于整体改变透镜组的位置，改变镜头的位置后，与所述面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述镜头和对应物面的位置变化关系为：当所述镜头向前方移动时，物面向后方移动，当所述镜头向后方移动时，物面向前方移动。
优选地，所述微观摄像头还包含照明器，所述照明器位于所述微观摄像头靠近前端的位置；
所述照明器包括光源，所述光源为单个发光单体，其设置在所述镜头的侧面；或者所述光源包括多个发光单体，其环绕在所述镜头的周围。
优选地，所述发光单体为LED或LD。
优选地，所述照明器还包括导光环，位于所述光源前方，所述导光环呈环状，环绕在所述微观摄像头的镜头周围。
优选地，所述导光环的内壁包含一个从内向外扩的倒角或圆角。
优选地，所述面阵光电探测器使用面阵CCD测器或面阵CMOS探测器。
优选地，所述调焦结构由音圈电机驱动。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，所述微观摄像头为针对近距离成像时的共轭物像面所设计，成像质量优于移动通讯设备上常用的在普通摄像头上进行增距实现的微观成像，可接近或达到专业微观成像设备的水平。
2、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，通过将微观成像功能集成到移动通讯设备上，而移动通讯设备是每个人随身必带的，从而为需要使用微观成像功能的用户带来极大便利。
3、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，由于本发明所述微观摄像头的对焦范围在离所述镜头前表面30厘米的范围内，有短工作距离，当所述镜头的通光孔径与常规镜头相当时，根据三角形关系易得，本镜头有更大数值孔径，从而能获取更多的进光量。进一步，根据光学成像理论可得，当数值孔径更大时，本发明所述微观摄像头能获得更高的极限分辨率。
4、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，由于本发明所述镜头为近距离成像专用，因此相比传统设备，本发明在微观成像情形下的像差更小，对于微观成像有更高的分辨率。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的后视图；
图3为本发明的微观摄像头的第一种结构示意图；
图4为本发明的微观摄像头的第二种结构示意图；
图5a为本发明的微观摄像头的第一实施例示意图；
图5b为图5a中前透镜向后移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图5c为图5a中前透镜向前移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图6a为本发明的微观摄像头的第二实施例示意图；
图6b为图6a中后透镜向前移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图6c为图6a中后透镜向后移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图7a为本发明的微观摄像头的第三实施例示意图；
图7b为图7a中镜头整体向前移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图7c为图7a中镜头整体向后移动时、与面阵光电探测器的光敏面共轭的物面的位置变化示意图；
图8a为本发明的照明器的第一实施例示意图；
图8b为本发明的照明器的第二实施例示意图；
图9a为本发明的导光环的第一实施例示意图；
图9b为本发明的导光环的第二实施例示意图；
图10a为本发明的光源的第一实施例示意图；
图10b为本发明的光源的第二实施例示意图；
图10c为本发明的光源的第三实施例示意图；
图10d为本发明的光源的第四实施例示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一种较佳实施方式，如图1-10所示，本发明提供一种具有微观成像功能的移动通讯设备，包括外壳1和位于外壳正面的屏幕2，如图1所示；还包括位于外壳内部的主板、处理器、通讯模块、天线、电池等移动通讯设备的常规模块，用于实现本发明的移动通讯功能，与常规移动通讯设备类似，不再赘述。移动通讯设备例如但不限于手机。
还包括安装在所述外壳1上的微观摄像头3。所述微观摄像头3优选位于所述外壳的背面，如图2所示。但所述微观摄像头3也可位于外壳的正面。
所述微观摄像头3包含位于前方的镜头31和位于后方的面阵光电探测器32，如图3所示。所述面阵光电探测器32使用面阵CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)探测器或面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)探测器。所述微观摄像头3在工作状态下，所述镜头31决定的一对共轭物面与像面的关系为：所述像面位于所述面阵光电探测器32的光敏面上，所述物面距离镜头31前表面(镜头前后的定义为，后方为所述面阵探测器相对镜头所在一侧，前方为与后方相对的另一侧)距离不大于30厘米，即所述镜头3为近距离成像专用。为实现该功能，所述镜头31在光学设计上也专为如上所述范围内的物距所优化。经优化后，所述镜头31的前表面和后表面的通光孔径的关系为，前表面和后表面的通光孔径相差在五倍以内。经优化后，所述镜头31对所述物距范围内的物面成像时，其在像面(即所述面阵光电探测器32的光敏面)上的点扩散函数的半高全宽不大于所述镜头31在超过所述物距范围内的物面成像时的点扩散函数的半高全宽。即所述镜头31在所述物距范围内比所述物距范围外有更佳的成像点扩散函数质量。所述镜头31的优化方法为，使用计算机辅助光学设计时，其物距值设定在所述物距范围内，然后利用计算机的迭代算法进行优化，其具体优化方法为光学设计领域公知常识，本发明不再赘述。由于本发明所述镜头31为近距离成像优化，因此对于微观成像有更高的分辨率。
所述微观摄像头3还包含调焦结构33，如图4所示。所述镜头31包括一片以上的镜片组成的透镜组，所述调焦结构33的功能是改变所述镜头31中一片或多片镜片的位置，从而改变与位于所述面阵光电探测器32的光敏面上的像面共轭的物面与镜头前表面的距离。优选的，所述调焦结构33由音圈电机驱动。本发明全文中，凡提到透镜，既包含单片透镜、多片透镜胶合而成的胶合透镜，也包含多个分离的单片透镜或胶合透镜组成的透镜组。
所述微观摄像头3的第一实施例如图5a所示，所述微观摄像头3的镜头31包含前透镜311和后透镜312；所述调焦结构33用于改变所述前透镜311的位置，改变前透镜311的位置后，与所述面阵光电探测器32的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述前透镜311和对应物面的位置变化关系为：当所述前透镜311向前方移动时，物面也向前方移动，当所述前透镜311向后方移动时，物面也向后方移动，如图5b和图5c所示。
所述微观摄像头3的第二实施例如图6a所示，所述微观摄像头3的镜头31包含前透镜311和后透镜312；所述调焦结构33用于改变所述后透镜312的位置，改变后透镜312的位置后，与所述面阵光电探测器32的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述后透镜312和对应物面的位置变化关系为：当所述后透镜312向前方移动时，物面向后方移动，当所述后透镜312向后方移动时，物面向前方移动，如图6b和图6c所示。
所述微观摄像头3的第三实施例如图7a所示，所述微观摄像头3的镜头31为单片镜片，或者多片镜片组成的透镜组；所述调焦结构33用于改变该单片镜片的位置，或者用于整体改变透镜组的位置，改变镜头31的位置后，与所述面阵光电探测器32的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述镜头31和对应物面的位置变化关系为：当所述镜头31向前方移动时，物面向后方移动，当所述镜头31向后方移动时，物面向前方移动，如图7b和图7c所示。
如图4所示，所述微观摄像头3还包含照明器34，所述照明器34位于所述微观摄像头3靠近前端的位置。
如图8a和图8b所示，所述照明器34包括光源342，所述光源342为单个发光单体，其设置在所述镜头31的侧面，如图10a所示；或者所述光源342包括多个发光单体，其环绕在所述镜头31的周围，不同的个数及分布情况如图10b、图10c、图10d所示。
优选地，所述发光单体为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、LD(LaserDiode，激光二极管)或其他小体积光源。
如图8a所示，所述照明器34还包括导光环341，位于所述光源342前方，所述导光环为透明或半透明材料制成，能够引导光源342发出的光更均匀的照射到所述微观摄像头3的前方。所述导光环341呈环状，环绕在所述微观摄像头3的镜头31周围。所述光源342与所述导光环341的位置关系如图10a-d所示，图10a-d中的虚线代表所述导光环341。不包含导光环的照明器的实施例如图8b所示。
如图9b所示，所述导光环341的内壁包含一个从内向外扩的倒角或圆角。直通内壁的导光环的实施例如图9a所示。
总体而言，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，所述微观摄像头为针对近距离成像时的共轭物像面所设计，成像质量优于移动通讯设备上常用的在普通摄像头上进行增距实现的微观成像，可接近或达到专业微观成像设备的水平。
2、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，通过将微观成像功能集成到移动通讯设备上，而移动通讯设备是每个人随身必带的，从而为需要使用微观成像功能的用户带来极大便利。
3、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，由于本发明所述微观摄像头的对焦范围在离所述镜头前表面30厘米的范围内，有短工作距离，当所述镜头的通光孔径与常规镜头相当时，根据三角形关系易得，本镜头有更大数值孔径，从而能获取更多的进光量。进一步，根据光学成像理论可得，当数值孔径更大时，本发明所述微观摄像头能获得更高的极限分辨率。
4、本发明的具有微观成像功能的移动通讯设备，由于本发明所述镜头为近距离成像专用，因此相比传统设备，本发明在微观成像情形下的像差更小，对于微观成像有更高的分辨率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：包括移动通讯设备的外壳(1)和安装在所述外壳(1)上的微观摄像头(3)；
所述微观摄像头(3)包含位于前方的镜头(31)、位于后方的面阵光电探测器(32)和调焦结构(33)；
所述镜头(31)决定的一对共轭物面与像面的关系为：所述像面位于所述面阵光电探测器(32)的光敏面上，所述物面距离所述镜头(31)前表面的距离不大于30cm；
所述镜头(31)包括一片以上的镜片组成的透镜组，所述调焦结构(33)用于改变所述镜头(31)中一片或多片镜片的位置，从而改变与位于所述面阵光电探测器(32)的光敏面上的像面共轭的物面与镜头前表面的距离。
2.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述微观摄像头(3)的镜头(31)包含前透镜(311)和后透镜(312)；
所述调焦结构(33)用于改变所述前透镜(311)的位置，改变前透镜(311)的位置后，与所述面阵光电探测器(32)的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述前透镜(311)和对应物面的位置变化关系为：当所述前透镜(311)向前方移动时，物面也向前方移动，当所述前透镜(311)向后方移动时，物面也向后方移动。
3.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述微观摄像头(3)的镜头(31)包含前透镜(311)和后透镜(312)；
所述调焦结构(33)用于改变所述后透镜(312)的位置，改变后透镜(312)的位置后，与所述面阵光电探测器(32)的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述后透镜(312)和对应物面的位置变化关系为：当所述后透镜(312)向前方移动时，物面向后方移动，当所述后透镜(312)向后方移动时，物面向前方移动。
4.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述微观摄像头(3)的镜头(31)为单片镜片，或者多片镜片组成的透镜组；
所述调焦结构(33)用于改变该单片镜片的位置，或者用于整体改变透镜组的位置，改变镜头(31)的位置后，与所述面阵光电探测器(32)的光敏面共轭的物面的位置相应变动，所述镜头(31)和对应物面的位置变化关系为：当所述镜头(31)向前方移动时，物面向后方移动，当所述镜头(31)向后方移动时，物面向前方移动。
5.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述微观摄像头(3)还包含照明器(34)，所述照明器(34)位于所述微观摄像头(3)靠近前端的位置；
所述照明器(34)包括光源(342)，所述光源(342)为单个发光单体，其设置在所述镜头(31)的侧面；或者所述光源(342)包括多个发光单体，其环绕在所述镜头(31)的周围。
6.如权利要求5所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述发光单体为LED或LD。
7.如权利要求5所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述照明器(34)还包括导光环(341)，位于所述光源(342)前方，所述导光环(341)呈环状，环绕在所述微观摄像头(3)的镜头(31)周围。
8.如权利要求7所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述导光环(341)的内壁包含一个从内向外扩的倒角或圆角。
9.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述面阵光电探测器(2)使用面阵CCD测器或面阵CMOS探测器。
10.如权利要求1所述的具有微观成像功能的移动通讯设备，其特征在于：
所述调焦结构(33)由音圈电机驱动。
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