CN209690626U - 内置光纤照明的手机高清近摄放大镜头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种带内置光纤照明的、手机镜头和近摄放大镜头的光轴能够精确对准、并能快速校准景物焦面和快速实现放大倍率转换的放大镜头装置。其包括手机固定架和近摄放大镜头，手机固定架包括手机接触面、景物相对面、定位部和支架部，能够利用手机接触面和定位部将手机定位固定在手机固定架中，在手机被固定在手机固定架中时，手机接触面与手机的背面相对且彼此接触，景物相对面位于手机接触面的相反侧，定位部相对于手机接触面在近摄放大镜头的光轴方向上凸起，支架部相对于手机接触面在光轴方向上向与定位部的凸起方向相反的方向凸起，在使用放大镜头装置时，支架部的凸起端部与景物接触，手机接触面到支架部的下端的距离等于近摄放大镜头的光学总长。

Description

内置光纤照明的手机高清近摄放大镜头装置

技术领域

本实用新型装置涉及光学镜头装置，适用于与智能化手机配套使用来观测近摄细微景物的放大图像的场合。

背景技术

由于移动网络技术和大数据技术及智能软件的不断突破，以及人们对这些高新技术认识的不断提升，手机的需求大幅增长，成了老百姓生活不可或缺的工具。据统计，全球高清手机的数量不下15亿部。这么大的市场，带动了人们对如何扩大它的应用进行探索。目前，国内外已相继开发出一系列与手机结合的医疗、工业、农牧渔业、科教、安防等的光学观测装置。

手机不仅是一部便携式的移动通讯设备，也是一部可移动的摄像设备，它能拍摄其最短近摄距离外的细微景物图像。能不能延伸它的功能，使它也能拍摄距离更近的细微景物图像成为光电产业新的课题。目前，解决该课题的方法大致有四种：

1，加大手机镜头的调焦范围。由于调焦机构的限制使手机不可能自动拍摄出其最短近摄距离内的细微景物的清晰放大图像。只有加大调焦范围，使物象放大倍率缩小到一定范围，才能在屏幕上看到放大的像。这意味着体积的增大，作为便携式的手机这是不允许的。

2，采用数码放大的方法。它是对手机近摄的图像进行数码处理，在屏幕上显示放大的像的方法。这种方法不仅得不到高清图像，而且放大倍率有限。

3，把手机内置的镜头的焦距缩短，使镜头超广焦化。在同样的调焦范围，焦距缩短，可拍景物的距离也缩短。但加大了镜头的加工成本。

4，在现有的手机前加入近摄放大镜。本实用新型的放大镜头装置采用的就是这种方法。

市场上有各种类型的手机放大镜和手机显微镜。手机显微镜因体积较大、不方便携带，发展较慢。手机放大镜放大的倍率不如手机显微镜大，但它只要增加一个镜头就可起到光电放大3～20倍的作用(如进一步采用数码放大可达20～150倍以上)，能满足一般观测细微景物的放大需求，是一般目视的放大镜所不能比的，所以人们关注度较高。

目前国内外市场开发的手机放大镜大致有两种：一种是杠杆夹持式，即在一个特制的双片杠杆夹头的一片上固定近摄放大镜头，张开夹头就可以把夹头夹在手机上，同时将近摄放大镜头对准手机的镜头。另一种使用透明胶带，将近摄放大镜头对准手机镜头胶在手机机壳上。它们的优点是，可以不考虑手机外壳的形状，对接和携带方便。但它们的突出缺点是近摄放大镜头与手机镜头之间只能目视对准，近摄放大镜头的光轴很难与手机镜头的光轴对中，会大大影响成像质量。

此外，它们都不能设置内置照明系统，影响它们在照明不足的场合使用。而且，由于它们不能将手机固定，手的抖动会使得调准景物的焦面很难。而且放大倍率越大，调准越难，不用连拍方式基本上拍不出景物细节的图像，导致这两种方式在市面上很少有倍率为10倍以上的产品出售。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种带内置光纤照明的、手机镜头和近摄放大镜头的光轴能够精确对准、并能快速校准景物焦面和快速实现放大倍率转换的新的放大镜头装置。

具体而言，本实用新型的第一方面提供一种放大镜头装置，用于与手机配套观测细微景物的放大图像，其包括：手机固定架；和近摄放大镜头，其中，手机固定架包括手机接触面、景物相对面、定位部和支架部，能够利用手机接触面和定位部将手机定位固定在手机固定架中，在手机被固定在手机固定架中时，手机接触面与手机的背面相对且彼此面接触，景物相对面位于手机接触面的相反侧，定位部相对于手机接触面在近摄放大镜头的光轴方向上凸起，支架部相对于手机接触面在光轴方向上向与定位部的凸起方向相反的方向凸起，在使用放大镜头装置时，支架部的凸起端部与景物接触，从手机接触面到支架部的凸起端部的距离等于近摄放大镜头的光学总长。

在本实用新型第二方面的放大镜头装置中，定位部包括卡合部和限位座部，卡合部用于卡合手机的左右侧边，限位座部用于与手机的顶边抵接。

在本实用新型第三方面的放大镜头装置中，设计近摄放大镜头的位置和光学结构，使得近摄放大镜头与手机的后摄像镜头平行光对接，并且近摄放大镜头的出瞳与手机的后摄像镜头的入瞳重合。

在本实用新型第四方面的放大镜头装置中，手机固定部包括用于安装近摄放大镜头的放大镜头安装部，根据与放大镜头装置配套使用的手机的外形制作手机固定部的模具，根据手机的后摄像镜头的位置，利用数控精密钻床加工放大镜头安装部。

在本实用新型第五方面的放大镜头装置中，近摄放大镜头采用前置光栏结构，并被固定在镜头固定架上构成放大镜头模组，放大镜头模组被安装在放大镜头安装部中，不同放大倍率的放大镜头模组的光学总长一致。

在本实用新型第六方面的放大镜头装置中，在手机固定架上设置有利用手机的LED灯作为光源进行近摄放大镜头的照明的光纤照明部。

在本实用新型第七方面的放大镜头装置中，手机固定架在手机接触面的与手机的LED灯相对的位置具有照明光入口部，光纤照明部在景物相对面一侧具有围绕近摄放大镜头均匀设置的多个出口孔部，光纤照明部包括分束光纤，分束光纤的光纤束大的一端设置在照明光入口部，分束光纤的光纤束细的一端的多个端部被分别设置在多个出口孔部，分束光纤从照明光入口部引入LED灯的照明光，并从多个出口孔部分别出射照明光。

在本实用新型第八方面的放大镜头装置中，手机固定架在手机接触面的与手机的LED灯相对的位置具有照明光入口部，光纤照明部在景物相对面一侧具有围绕近摄放大镜头均匀设置的多个出口孔部，光纤照明部包括一端被捆束在一起的多束光纤，多束光纤的被捆绑在一起的一端设置在照明光入口部，多束光纤的另一端的多个端部被分别设置在多个出口孔部，多束光纤从照明光入口部引入LED灯的照明光，并从多个出口孔部分别出射照明光。

在本实用新型第九方面的放大镜头装置中，手机固定架设置有能够在光轴方向上调节近摄放大镜头的位置的拨杆。

采用本实用新型，能够提供一种带内置光纤照明的、手机镜头和近摄放大镜头的光轴能够精确对准、并能快速校准景物焦面和快速实现放大倍率转换的新的放大镜头装置。

附图说明

图1是本实用新型的放大镜头装置的外形及其组成部分的示意图。

图2是常用手机的后摄像镜头的光学成像关系示意图。

图3是近摄放大镜头与手机后摄像镜头对接的示意图。

图4是近摄放大镜头的结构示意图。

图5a是本实用新型的放大镜头装置的手机固定架的示意图，表示的是沿光轴方向的剖视图。

图5b是本实用新型的放大镜头装置的手机固定架的示意图，表示的是与光轴方向垂直的方向的剖视图。

图6是本实用新型的10x近摄放大镜头结构图和在0.85ω的MTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。

图7是本实用新型的6x近摄放大镜头结构图和在0.85ω的MTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。

图8是本实用新型的16x近摄放大镜头结构图和在0.85ω的MTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。

具体实施方式

下面参照附图说明本实用新型的实施方式，不过，本实用新型不限于下面说明的实施方式。

图1是本实用新型的放大镜头装置的外形及其组成部分的示意图。1是近摄放大镜头，2是手机固定架，3是光纤照明部，4是照明用进光口，5是拨杆(后述)。

1.近摄放大镜头

首先说明近摄放大镜头的原理和结构。

1.1.光学成像原理

图2是常用手机的后摄像镜头(或简称手机镜头)的光学成像关系示意图。图中P是景物面；I是手机的CMOS摄像器件成像面；H、H′是光学系统的前、后主点；F、F′是光学系统的前、后焦点；O、O′是光学系统的最前一面的顶点和最后一面的顶点；A是入瞳；X是前焦点到景物面的距离；X′是后焦点到摄像器件成像面的距离。在手机用其物镜对观察的景物进行放大时，必须把物距拉近，如要在手机屏幕上看到β倍的像(不包括数码放大)，按薄透镜计算时，有下式(1)成立。

β_合＝β_光×β_电＝(f′_H/X)×(Φ_屏/Φ_cmos)……(1)

此外，根据几何光学牛顿公式，有XX′＝-(f′_H)²成立。

式中：f′_H是手机后摄像镜头的焦距；β_光是手机光学部件的放大倍率；β_电是手机电子部分具有的电子放大倍率，β_电＝(Φ_屏/Φ_cmos)；Φ_屏是手机屏幕的最大直径(即屏幕对角线长度)；Φ_cmos是手机内部CMOS摄像器件的有效感光尺寸；X＝-|L-f′_H|，L是物距。手机镜头后截距的改变是采用超声马达进行的，超声马达的位移量很小，至多不超0.5mm。根据已知条件，实用新型人计算了不同倍率下的可能达到的最短像面位移量。

计算中采用了目前常用的手机光学尺寸指标，手机屏幕为5″(Φ_屏＝127mm)、手机内部摄像器件为1/3″CMOS(Φ_cmos＝6mm)、手机后摄像镜头的焦距f′_H＝4.5mm，得到不同放大倍率下的后截距位移量的数据，如表1所示。

β<sub>合</sub>	3	6	10	15	20
						L(mm)	36.25	20.375	14.025	10.850	9.263
X′(mm)	0.638	1.275	2.125	3.188	4.252

表1

根据表1可知，手机后摄像镜头需要有0.638mm～4.252mm的位移量才能看到放大3～20倍清晰的像，而手机超声马达很难使手机镜头移动如此距离。这就是在手机后摄像镜头前必须附加近摄放大镜头才能看到清晰近物像的原因。

就目前的手机来看，在摄像功能方面，主流产品是800万总像素、1/3″靶面、5″屏幕、使用的后摄像镜头是大致为f′＝3.9～5mm的广角镜头(取f′_H＝4.5mm)。为解决摄像功能的不足，已有厂家发展了像素达1200万、1/2.3″CMOS芯片靶面、5.5″屏幕的新产品。也有企业往1/1.8″、甚至1″(如Nokia)发展，企图用手机替代数码高清照相机。由于靶面越大，所需的摄像镜头结构越大，不利于便携式的要求，在市场上很难推广。因此，此处采用16：9制式的1/3″CMOS、800万像素手机为例进行研发。

由于各厂家设计的手机镜头的光学参数是不一样的，不可能将近摄放大镜头和手机镜头一起设计。由于手机可拍摄的景物是从其近摄距至无穷远(光学上称之平行光)，为此，本实用新型采用了使两镜头平行光对接，并使近摄放大镜头的出瞳与手机镜头的入瞳重合的方案。

从手机镜头的像质要求看，800万像素的CMOS芯片靶面采用的像素单元约为1.4×1.4μm(相当于频率357lp/mm)，要求它在0.7视场的MTF值应大于0.5(由于要提高芯片的感光性能，一般采用4个单像素为一个组元，因此，计算MTF时最高特征频率要减半，是357lp/mm频率的一半即178.6lp/mm)，波像差的方均根值RMS在0.7视场时小于0.1，相对畸变Dist＜0.3％等。这是像质很完善的光学系统。因此，需要单独将近摄放大镜头的像质校好以不会影响整体的像质。这样就将问题变成了如何设计好前置光栏的望远光学系统。

图3是本实用新型的近摄放大镜头与手机后摄像镜头对接的示意图。图中3A是景物面；3B是近摄放大镜头；3C是手机镜头；3D是手机的CMOS摄像器件成像面；3E是手机镜头的入瞳；3G、3F(或H2、H2′)表示手机镜头前、后主点；3I、3H(或H1、H1′)表示近摄放大镜头的前、后主点；O1、O1′是近摄放大镜头的最前一面的顶点和最后一面的顶点；O2、O2′是手机镜头的最前一面的顶点和最后一面的顶点；f′_M是近摄放大镜头的焦距；f′_H是手机后摄像镜头的焦距。从图中可以看出，β_光＝f′_H/f′_M，根据上述式(1)，整个系统的放大倍率β_整由下述式(2)给出。

β_整＝β_光×β_电＝(f′_H/f′_M)×(Φ_屏/Φ_cmos)……(2)

如果手机采用的是5″的屏幕，则Φ_屏＝5×25.4＝127mm，因为采用了1/3″CMOS摄像芯片，其有效靶面尺寸是5.229×2.942mm(Φ_cmos＝6mm)。则β_整＝(f′_H/f′_M)×127/6＝21.167×(f′_H/f′_M)。这样，如果已知f′_H的值就可以建立焦距f′_M和β_整的关系。表2是取f′_H＝4.5mm和f′_H＝4mm时的不同β_整的对应的f′_M值。

β<sub>整</sub>	3x	6x	10x	12.5x	16x	20x
							f′<sub>H</sub>＝4.5(mm)	31.78	15.87	9.525	7.62	5.953	4.763
f′<sub>H</sub>＝4(mm)	28.22	14.111	8.477	6.781	5.298	4.234

表2

由于手机后摄像镜头相对畸变很小，可以认为它的半视场角tanω＝3/f′_H。当f′_H＝4.5mm时，ω＝33.7°。如果按16：9的制式，1/3″靶面的垂直方向高度和水平方向的宽度为V＝2.942mm，H＝5.229mm。对应的垂直和水平方向视场角分别为ω_V＝18.1°和ω_H＝30.16°。全视场角2ω＝67.4°，是一个广角镜头。相应地，要设计的近摄放大镜头也需要是广角镜头，其视场也要达到67°左右。手机的相对孔径大致在1：2.2～4左右，当取f′_H＝4.5mm时，可以算出它的最大入瞳口径大约在2.04～1.25之间，设计时可统一取Φ2mm左右。

1.2.近摄放大镜头的设计

根据手机后摄像镜头的参数计算近摄放大镜头的设计指标。

1.2.1.初始设计条件

①按表2选出不同倍率的f′_M值(本实用新型分别选β_整＝6x、10x、16x三种)。

②视场角2ω＝66°。

③入瞳大小为Φ2mm。

④设计谱线d(F、C)。

1.2.2.光学结构要求

①光学总长Totr≤20mm。

②前置光栏结构。由于手机后摄像镜头是由4～5片非球面特殊光学塑料镜片组成，厚度薄，光学总长很短，其入瞳面离手机镜头的镜组第一面的距离一般不会太大。因此，根据近摄放大镜头出瞳必须和手机的摄像镜头入瞳重合的要求，将近摄放大镜头设计成前置入瞳(光栏)结构形式。光栏(入瞳)离最前一面的间隔距离约2～2.5mm。

③全球面光学玻璃结构。实用新型人曾经计算了采用非球面结构的放大镜头，选用了两片两面非球面结构型式，但无论采用玻璃或光学塑料材料，计算结果并不是很满意。考虑到试制费用投入大和放大镜的成像质量、成本和工艺要求，本实用新型的近摄放大镜头采用全球面玻璃结构，镜片数均不超4个镜片，其中6倍、10倍采用三单片结构，16倍采用两单片一双胶结构。于是，能够在降低成本的同时达到所需的成像质量。

④不同放大倍率的近摄放大镜头的前光栏(入瞳)到景物面的长度相差不大于±0.05mm(可视为一致)，即各近摄放大镜头实现共焦面。按光学设计惯例，要求将距离长的一端作为物方，这样看的景物就变为近摄放大镜头光学设计的像面，其出瞳成为近摄放大镜头的前置光栏(入瞳)。图4是近摄放大镜头设计的结构示意图。其中，4A是入瞳(即前置光栏)，其离近摄放大镜头的最前一面的顶点的距离是Lp1；4P是景物面；4B、4C是近摄放大镜头的前、后主面；f′_M表示近摄放大镜头的焦距；OH是近摄放大镜头的最前一面的顶点到镜头前主面的距离；HH′是前后主面间隔；H′O′是后主面到镜头最后一面的顶点的距离。

根据上述式(2)，f′_M可表示为(f′_H/β_整)×(Φ_屏/Φ_cmos)，故这一条要求可由下式(3)表示。

Lp1+OH+HH′+(f′_H/β_整)×(Φ_屏/Φ_cmos)＝Totr±0.05mm……(3)

其中Totr是光学总长定值。

1.2.3.光学成像质量的要求

①光学传递函数MTF

根据光学系统的物像关系，令近摄放大镜头景物面上的MTF特征频率为P lp/mm，手机CMOS摄像器件上的MTF特征频率为N lp/mm，则它们之间的关系满足下式(4)。

N＝P×f′_M/f′_H……(4)

按总像素800万像素的手机计算，它采用的是1.4×1.4μm左右CMOS芯片(相当于最高特征频率357lp/mm)，为提高芯片的感光性能，一般采用4个单像素为一个组元，因此实际的最高特征频率是357lp/mm频率的一半(即178.6lp/mm)。在该最高特征频率下，要求0.7视场的MTF值应大于0.5。表3是不同放大倍率情况下，换算成景物面的最高频率P的要求。表3给出的是N＝178.6lp/mm，f′_H＝4.5mm的情况下的值。

β<sub>整</sub>	3x	6x	10x	12.5x	16x	20x
							f′<sub>M</sub>	31.78	15.87	9.525	7.62	5.953	4.763
P	25.29	50.58	84.3	105.37	134.88	168.6

表3

近摄放大镜头除像质要求较好外，还要考虑成本低的问题，需要尽量做到镜片少、结构简单。在设计高倍镜头时，可以将手机镜头最高特征频率选在150lp/mm，其视场的要求扩大到0.8ω以上。相应的近摄放大镜头最高特征频率的指标如表4所示。

β<sub>整</sub>	3x	6x	10x	12.5x	16x	20x
							f′<sub>M</sub>	31.78	15.87	9.525	7.62	5.953	4.763
P	21.24	42.49	70.81	88.51	113.3	141.62

表4

②相对畸变Dist

虽然畸变对系统的像清晰度没有影响，但为避免观察者看到直线变弯引起直观的不舒服，需要对畸变进行校正。不过，若将畸变完全校正会给其他像差的平衡带来困难，特别是前置光栏非对称结构，所以有必要将畸变大小控制在一定范围。根据目测的情况，在全视场Dist小于8％是可以接受的。

③相对照度Rel

为防止手机屏幕四角出现明显的渐晕现象，视场边缘的相对照度要求Rel≥0.25。

2.手机固定架

针对目前市场已有产品存在的不足，本实用新型的放大镜头装置提出了新的设想。其要解决的问题如下：

①改变以往都是近摄放大镜头依附在手机上的思路，将手机固定在放大镜头装置的手机固定架上，这样就要求固定架设计小型化、手机装卸方便。

②克服因手抖动等因素，不能快速调准景物面的问题。

③解决近摄放大镜头光轴不能和手机后摄像镜头光轴对中的问题。

④解决快速切换不同放大倍率的近摄放大镜头的问题。

图5a是解决了上述问题的手机固定架2的示意图。其相当于图1的沿近摄放大镜头1光轴方向(下面简称“光轴方向”)剖切的剖视图，虚线部分表示手机固定在固定架2上的状态。如图所示，5I是手机接触面，5J是景物相对面，5A是卡合部，5B是限位座部，5C是照明光入口部，相当于图1中的标记4，5D是用于安装近摄放大镜头1的放大镜头安装部，5E是支架部，5F是导光光纤，5G是照明光出口部。其中，卡合部5A、限位座部5B相对于手机接触面5I在光轴方向上凸起，支架部5E相对于景物相对面5J在光轴方向上向与卡合部5A、限位座部5B相反的方向凸起，照明光入口部5C设置在手机接触面5I上。

本实用新型的放大镜头装置将手机固定在手机固定架2上使用，例如，可从图1中的下方将手机向上插入到卡合部5A中。当手机如虚线部分所示安装在手机固定架2上时，手机接触面5I在光轴方向上与手机的背面相对并与手机的背面接触，卡合部5A与手机的两个侧边卡合，限位座部5B与手机的顶边抵接。从而，利用手机接触面5I和定位部(即卡合部5A和限位座部5B)将手机固定，保持手机与手机固定部2的相对位置。从功能上来看，也可以将卡合部5A和限位座部5B统称为定位部。

根据不同厂家的手机后摄像镜头的分布(大致上是在手机的边缘和中间)，确定放大镜头安装部5D的位置。具体而言，采用精密数控机床加工放大镜头安装部5D，保证在手机被手机接触面5I、卡合部5A和限位座部5B固定的状态下，安装在放大镜头安装部5D中的近摄放大镜头1和手机后摄像镜头的光轴精确重合。

在使用本实用新型的放大镜头装置时，景物相对面5J与要观测的景物相对，支架部5E的凸起端部(图5a中为下端)与景物接触，从而放大镜头装置以及其中安装的手机均通过支架部5E被支撑在景物上，能够保证手机稳定地拍摄，不会发生手抖的情况。例如，在想要放大观测纸面上印刷的文字时，将放大镜头装置放置在纸面上，支架部5E的凸起端部(下端)与纸面接触，能够轻松地移动着观测放大的景物。这里，图5a中的标记L即相当于上述的近摄放大镜头的前光栏(入瞳)到景物面的长度。并且，手机固定架2上还设置有拨杆5(例如图1和后述图5b所示)，能够利用该拨杆5上下移动安装在放大镜头安装部5D中的近摄放大镜头1的位置，从而即使在景物不是平面的情况下也能够容易进行调焦，得到清晰的放大图像。

如上所述，由于不同倍率的近摄放大镜头实现共焦面，因此可以在同一个放大镜头装置上可置换地安装不同倍率的近摄放大镜头。例如，将不同倍率的近摄放大镜头分别安装在各自的镜头固定架上构成放大镜头模组，通过拆下一种倍率的放大镜头模组替换为另一种倍率的放大镜头模组，能够容易地实现不同放大倍率的近摄放大镜头的快速切换。

当然，也可以按不同的放大倍率，分别制作安装有相应放大倍率的近摄放大镜头的放大镜头装置。

3.光纤照明部

照明是近摄放大镜头能否获得清晰图像的关键之一。由于景物到镜头的成像距离很短，固定架会遮挡外界的照明，使景物阴暗或成“阴阳脸”。

为此，本实用新型的放大镜头装置采用手机内置的LED灯作为光源进行近摄放大镜头的照明。如图5a中的导光光纤5F、照明光入口部5C和照明光出口部5G所示，利用导光光纤5F从照明光入口部5C引入手机的LED灯光，从照明光出口部5G将光导出进行照明。

光纤照明部的具体结构如图5b所示，图5b是本实用新型的放大镜头装置的手机固定架的示意图，表示的是与光轴方向垂直的方向的剖视图。如图所示，照明光出口部5G由多个出口孔部5H构成，设置在光纤照明部的景物相对面5J一侧的面上，均匀且对称地分布在近摄放大镜头的周围。为解决后截距短及照明的不均匀性，本实用新型采用了分束光纤(即进光口端是一束，出口端是分开的多束的光纤)作为导光光纤5F，即，将分束光纤的光纤束大的一端设置于照明光入口部5C，对准手机内置LED灯源，将LED灯光引入到多束细光纤上。分束光纤的细光纤一端各自插入在出口孔部5H上，形成了对称分布的多点小孔新光源。

这里，与放大镜头安装部5D同样地，根据不同厂家的手机LED灯的分布(大致上位于手机后摄像镜头的附近)，确定照明光入口部5C的位置，采用精密数控机床加工照明光入口部5C，保证在手机被卡合部5A和限位座部5B固定的状态下，手机的LED灯对准照明光入口部5C。

如上所述，通过采用本实用新型的放大镜头装置，利用手机内置的LED灯作光源，将照明光引入到分束光纤上，并将分束光纤的多束细光纤各自插入到对称地分布于镜头周围的出口孔部，形成了对称分布的多个小孔新光源，解决了外界自然光难以对后截距短和照明环境暗的近摄放大镜进行照明的问题，同时解决了景物照明的不均匀性，提高了图像的清晰度。通过采用手机镜头和近摄放大镜头平行光对接且出、入瞳重合的方案，使一种近摄放大镜头可以配套各类型号手机镜头，成像清晰度能达到高清水平，同时，各倍率的近摄放大镜头的光学系统的光学总长一致，能够实现不同放大倍率的快速转换。利用小型化、新颖的手机固定架设计，解决了以往近摄放大镜难以解决的快速调准景物面、光轴不重合、不同放大倍率的近摄放大镜头快速转换的问题，大大方便了用户在各种场合的应用。

实施例

下面说明本实用新型的实施例。

1.近摄放大镜头

根据用户常用放大倍率的需求，实施例选用了β_整等于6x、10x和16x的近摄放大镜头为实例。

由于10x的倍率和焦距居中，设计时，光学总长和后截距均以它为准。根据表2可知，取f′_H＝4.5mm时，β_整＝10x的焦距f′_M＝9.52mm，视场角2ω＝66°，入瞳大小Φ2mm，前置光栏离近摄放大镜头的最前一面的距离Lp1取2～2.5mm之间。近摄放大镜头采用三分离透镜光学结构，其中前片是凹凸形状负光焦度厚透镜，起到增大后截距的作用；中间是双凸形状的正透镜；后片是凹凸形状负光焦度透镜。设计结果是：f′_M＝9.65mm，视场角2ω＝64°，入瞳大小Φ2mm，前置光栏离近摄放大镜头的最前一面的距离Lp1＝2mm。后截距BfL＝9.123mm，光学总长Totr＝18.45mm。图6是该10x近摄放大镜头结构图和0.85ωMTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。其中，MTF曲线图的横坐标是特征频率，其坐标单位是线对/mm(lp/mm)，T、S分别表示子午和弧矢方向；相对畸变Dist的横坐标的单位是％；相对照度Rel分布图横坐标是视场，其单位是(°)。结构图中，Lp1、Totr和BfL的单位是mm。根据图6可知，该10x近摄放大镜头的成像质量达到了高清水平的要求。

由表2可知，取f′_H＝4.5mm时，β_整＝6x的焦距f′_M＝15.9mm。近摄放大镜头采用三分离透镜远距型光学结构，使镜头的后截距缩短，其中前片是凸凹形状正光焦度厚透镜，中间是凹凸形状的正透镜，后片是凹凸形状负光焦度透镜。设计结果是：f′_M＝15.465mm，视场角2ω＝66°，入瞳大小Φ2mm，前置光栏离近摄放大镜头的最前一面的距离Lp1＝2mm。后截距BfL＝9.08mm，光学总长Totr＝18.44mm。图7是该6x近摄放大镜头结构图和0.85ωMTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。其中，MTF曲线图的横坐标是特征频率，其坐标单位是线对/mm(lp/mm)，T、S分别表示子午和弧矢方向；相对畸变Dist的横坐标的单位是％；相对照度Rel分布图横坐标是视场，其单位是(°)。结构图中，Lp1、Totr和BfL的单位是mm。根据图7可知，该6x近摄放大镜头的成像质量达到了高清水平的要求。

根据表2可知，取f′_H＝4.5mm时，β_整＝16x的焦距f′_M＝5.95mm。由于其焦距较短，相对孔径D/f′＝1:3，为拉长后截距，本实用新型采用了反远距光学结构，其中前片是凹凸负光焦度单片厚透镜，中间是由凸凹负透镜与双凸正透镜胶合组合成的双胶正小光焦度镜组，后片是双凸正光焦度透镜。利用前片负厚透镜使轴上光束高度增高，达到拉长镜头后截距的目的。设计结果是：f′_M＝6.372mm，视场角2ω＝64°，入瞳大小Φ2mm，前置光栏离近摄放大镜头的最前一面的距离Lp1＝2mm。后截距BfL＝8.95mm，光学总长Totr＝18.44mm。图8是该16x近摄放大镜头结构图和0.85ωMTF曲线图、相对畸变Dist和相对照度Rel分布图。其中，MTF曲线图的横坐标是特征频率，其坐标单位是线对/mm(lp/mm)，T、S分别表示子午和弧矢方向；相对畸变Dist的横坐标的单位是％；相对照度Rel分布图横坐标是视场，其单位是(°)。结构图中，Lp1、Totr和BfL的单位是mm。根据图8可知，该16x近摄放大镜头的成像质量达到了高清水平的要求。

2.手机固定架

如上所述，在图5所示的手机固定架2中，上半部分利用手机接触面5I、卡合部5A和限位座部5B将手机固定，保持手机与手机固定部2的相对位置。下半部分利用支架部5E支撑整个放大镜头装置接触景物。

由于各手机厂家生产的外形和摄像镜头的位置不一样，为适应这种不统一的标准，选取几种市面上比较有名和销量较大的手机外形作为固定架2的卡合部5A和限位座部5B的设计标准。可以采用3D打印技术，使得手机固定架2的制模容易实现。进一步，根据手机后摄像镜头的实测位置，采用数控精密钻床，加工出用于安装近摄放大镜头1的放大镜头安装部5D，和用于安装光纤照明部中的分束光纤的进光端(或多束光纤的被捆束的一端)的照明光入口部5C。

支架部5E下端与景物接触的景物接触面被设定为与景物面重合，使得手机固定架的手机接触面5I至景物接触面的距离等于近摄放大镜的光学总长Totr(本实用新型实例为18.45mm)。由于景物面不一定是平面，可利用外设的拨杆5(见图1和图5b)使近摄放大镜头上下微位移，达到进一步调焦的目的。此外，如上所述，各放大倍率的近摄放大镜头的光学总长相同，并且可分别固定在镜头固定架上构成放大镜头模组，能够容易地实现不同放大倍率的近摄放大镜头的快速切换。

手机固定架采用硬铝为材料，通过氧化电镀工艺制成，不仅重量轻，而且美观、耐磨。

3.光纤照明部

为解决照明的均匀性，利用光纤照明部，将手机LED灯作光源进行近摄放大镜头的照明。光纤照明部可以采用分束光纤(即进光口端是一束，出口端是分开的多束的光纤)或将多束细光纤的一端捆绑成一束，另一端为分开的多束细光纤(实施例采用8束)。使光纤束大的一端对准手机的LED灯，将LED灯光引入到多束细光纤上，另一端的多束细光纤被各自插入到出口孔部5H中，形成了图5b所示的对称分布的多个小孔新光源。于是，解决了外界自然光难以对后截距短和照明环境暗的近摄放大镜进行照明的问题，同时解决了景物照明的不均匀性，提高了图像的清晰度。

本实用新型的放大镜头装置能够用于与智能化手机配套使用来观测近摄细微景物的放大图像的场合。当然，不限于手机，也可用于带摄像功能的其他例如平板电脑等设备。

Claims (9)

1.一种内置光纤照明的手机高清近摄放大镜头装置，用于与手机配套观测细微景物的放大图像，其特征在于，包括：手机固定架和近摄放大镜头，

其中，所述手机固定架包括手机接触面、景物相对面、定位部和支架部，能够利用所述手机接触面和所述定位部将所述手机定位固定在所述手机固定架中，在所述手机被固定在所述手机固定架中时，所述手机接触面与所述手机的背面相对且彼此面接触，

所述景物相对面位于所述手机接触面的相反侧，所述定位部相对于所述手机接触面在所述近摄放大镜头的光轴方向上凸起，所述支架部相对于所述手机接触面在所述光轴方向上向与所述定位部的凸起方向相反的方向凸起，

在使用所述放大镜头装置时，所述支架部的凸起端部与所述景物接触，

从所述手机接触面到所述支架部的凸起端部的距离等于所述近摄放大镜头的光学总长。

2.如权利要求1所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述定位部包括卡合部和限位座部，所述卡合部用于卡合所述手机的左右侧边，所述限位座部用于与所述手机的顶边抵接。

3.如权利要求1或2所述的放大镜头装置，其特征在于：

设计所述近摄放大镜头的位置和光学结构，使得所述近摄放大镜头与所述手机的后摄像镜头平行光对接，并且所述近摄放大镜头的出瞳与所述手机的后摄像镜头的入瞳重合。

4.如权利要求3所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述手机固定部包括用于安装所述近摄放大镜头的放大镜头安装部，

根据与所述放大镜头装置配套使用的手机的外形制作所述手机固定部的模具，根据所述手机的后摄像镜头的位置，利用数控精密钻床加工所述放大镜头安装部。

5.如权利要求4所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述近摄放大镜头采用前置光栏结构，并被固定在镜头固定架上构成放大镜头模组，

所述放大镜头模组被安装在所述放大镜头安装部中，

不同放大倍率的所述放大镜头模组的光学总长一致。

6.如权利要求1或2所述的放大镜头装置，其特征在于：

在所述手机固定架上设置有利用所述手机的LED灯作为光源进行所述近摄放大镜头的照明的光纤照明部。

7.如权利要求6所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述手机固定架在所述手机接触面的与所述手机的LED灯相对的位置具有照明光入口部，

所述光纤照明部在所述景物相对面一侧具有围绕所述近摄放大镜均匀设置的多个出口孔部，

所述光纤照明部包括分束光纤，

所述分束光纤的光纤束大的一端设置在所述照明光入口部，所述分束光纤的光纤束细的一端的多个端部被分别设置在所述多个出口孔部，

所述分束光纤从所述照明光入口部引入所述LED灯的照明光，并从所述多个出口孔部分别出射照明光。

8.如权利要求6所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述手机固定架在所述手机接触面的与所述手机的LED灯相对的位置具有照明光入口部，所述光纤照明部在所述景物相对面一侧具有围绕所述近摄放大镜均匀设置的多个出口孔部，

所述光纤照明部包括一端被捆束在一起的多束光纤，

所述多束光纤的被捆绑在一起的一端设置在所述照明光入口部，所述多束光纤的另一端的多个端部被分别设置在所述多个出口孔部，

所述多束光纤从所述照明光入口部引入所述LED灯的照明光，并从所述多个出口孔部分别出射照明光。

9.如权利要求1或2所述的放大镜头装置，其特征在于：

所述手机固定架设置有能够在所述光轴方向上调节所述近摄放大镜头的位置的拨杆。