變焦，從拍照說(shuō)起

平時(shí)，當(dāng)我們想看清遠(yuǎn)處的事物，無(wú)論是會(huì)議室后排看不清的PPT，還是樹枝上開得燦爛的花朵，第一個(gè)動(dòng)作往往是隨手打開手機(jī)相機(jī)，拖動(dòng)或點(diǎn)擊屏幕上的變焦倍率，拍攝，就放大看清楚了。

這下看懂了吧？

這個(gè)流暢的動(dòng)作背后，有兩種截然不同的變焦邏輯：

1

光學(xué)變焦（手機(jī)的長(zhǎng)焦模式 / 相機(jī)）

原理：通過(guò)鏡頭內(nèi)鏡片組的物理移動(dòng)，來(lái)改變焦距，從而改變光線的折射路徑，使物體在傳感器上成像變大或變小。

特點(diǎn)：成像清晰無(wú)細(xì)節(jié)損失，但機(jī)械移動(dòng)導(dǎo)致變焦慢（幾百毫秒到幾秒），難快速捕捉動(dòng)態(tài)目標(biāo)。

2

數(shù)碼變焦（普通手機(jī)的默認(rèn)模式）

原理：其實(shí)是把畫面 “裁剪放大”，并沒(méi)有真正調(diào)整光線聚焦，通過(guò)軟件算法截取傳感器中央?yún)^(qū)域的影像，并將其強(qiáng)行放大到整個(gè)畫面尺寸。

特點(diǎn)：沒(méi)有機(jī)械移動(dòng)，操作無(wú)延遲；畫質(zhì)有損、細(xì)節(jié)丟失，放大的倍數(shù)越高，畫質(zhì)下降越嚴(yán)重，只能勉強(qiáng)看清。

光學(xué)變焦和數(shù)碼變焦的對(duì)比示意，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，數(shù)碼變焦其實(shí)是一種“偽變焦”——它沒(méi)有改變光路，只是對(duì)成像畫面作裁剪放大。

真正的變焦，核心在于光學(xué)系統(tǒng)本身焦距的改變。那么，焦距到底是什么？

什么是變焦？

要理解變焦（Zoom），我們必須抓住它的靈魂——焦距。光學(xué)定義里，焦距（Focal Length）指的是：鏡頭的“光學(xué)中心”到“光線匯聚成清晰焦點(diǎn)”的距離。

這個(gè)聽起來(lái)專業(yè)的概念，其實(shí)在初中物理就學(xué)過(guò)。還記得初中物理課上，透鏡成像的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)嗎？

拿一個(gè)凸透鏡對(duì)著太陽(yáng)，移動(dòng)凸透鏡，會(huì)在紙上形成一個(gè)最亮、最小的光斑，這個(gè)光斑就是焦點(diǎn)；而從凸透鏡的“光心”（透鏡中心）到這個(gè)焦點(diǎn)的距離，就是焦距（f）。

凸透鏡聚焦光線原理，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于只有一個(gè)凸透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，它的焦距（即對(duì)光線的匯聚能力）與凸透鏡的曲率有很大的關(guān)系。

凸透鏡焦距與曲率（厚度）的關(guān)系，視頻來(lái)源：精品物理頻道

簡(jiǎn)而言之，曲率是指透鏡的彎曲程度：如果一個(gè)凸透鏡的曲率越大（表面越彎曲），則對(duì)光線的匯聚能力越強(qiáng)，焦距越短；曲率越小（表面越平緩），對(duì)光線的匯聚能力越小，焦距越長(zhǎng)。曲率為0，就說(shuō)明透鏡是一個(gè)平面，此時(shí)平面透鏡對(duì)光線是沒(méi)有任何的匯聚能力的，光線將直直穿過(guò)透鏡，不發(fā)生任何偏折。

手機(jī)、相機(jī)、顯微鏡的鏡頭，其實(shí)是由許多透鏡組合而成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，這一系列復(fù)雜的透鏡可以經(jīng)過(guò)物理公式的推導(dǎo)，最終等效成一個(gè)凸透鏡，就能計(jì)算出等效凸透鏡的焦距。

手機(jī)內(nèi)部的光學(xué)變焦攝像頭結(jié)構(gòu)示意，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

再回到變焦：真正的變焦，就是改變焦距。

明確了焦距的概念，變焦的定義就很好理解了：變焦的本質(zhì)是通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)（如鏡片位置、鏡片曲率），在鏡頭內(nèi)部動(dòng)態(tài)地改變這個(gè)等效的“焦距”。當(dāng)相機(jī)倍率從1倍拉到10倍時(shí)，內(nèi)部的鏡片就在精密地移動(dòng)，改變著整個(gè)鏡頭的光線匯聚能力，從而讓遠(yuǎn)處的景物放大。

變焦，探索微觀世界的難題

拍照時(shí)要達(dá)到最佳的成像效果，需讓物體處于焦點(diǎn)附近——要么不改變焦距，靠走近或走遠(yuǎn)調(diào)整拍攝距離；要么靠光學(xué)變焦移動(dòng)鏡片改變焦距。

在日常拍照中慢慢變焦，或許無(wú)傷大雅、還能接受。但當(dāng)我們把目光轉(zhuǎn)向?qū)群退俣纫髽O高的科學(xué)顯微鏡領(lǐng)域，這些小缺點(diǎn)就變成了大難題。

生活里的變焦，解決的是“遠(yuǎn)物拉近”的問(wèn)題；而顯微鏡的核心，是“小物放大、清晰分辨”的能力——比如細(xì)胞結(jié)構(gòu)、芯片電路，這些目標(biāo)多處于微米甚至更小的尺度上。

操作人員切換光學(xué)顯微鏡的物鏡，圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

常規(guī)光學(xué)顯微鏡通常通過(guò)切換不同焦距的物鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦（例如4倍、10倍、40倍、100倍），相當(dāng)于給相機(jī)更換不同焦距的定焦鏡頭。

然而，這個(gè)變焦過(guò)程不像手機(jī)拍照那樣一鍵完成。操作人員每次切換物鏡后必須重新調(diào)焦，全程要幾秒甚至十幾秒，不僅慢，還容易因抖動(dòng)丟失目標(biāo)。

面對(duì)這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們不斷對(duì)顯微鏡進(jìn)行優(yōu)化，例如給載物臺(tái)配備電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，或開發(fā)通過(guò)滑動(dòng)鏡片組實(shí)現(xiàn)無(wú)縫倍率切換的連續(xù)變倍顯微鏡。這些改進(jìn)確實(shí)提升了效率，但核心原理仍是依靠電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)宏觀部件進(jìn)行物理移動(dòng)，沒(méi)能擺脫原有的局限，變焦頻率小于100Hz（在1秒內(nèi)變焦100次）。

除了機(jī)械結(jié)構(gòu)，還有什么方法可以更快的變焦呢？答案就藏在前文的結(jié)論中：焦距還與透鏡曲率相關(guān)，直接改變透鏡曲率即可快速調(diào)焦。

人眼晶狀體調(diào)節(jié)厚度、微鏡陣列調(diào)節(jié)曲率示意圖，圖片來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室

我們的眼睛，就是一個(gè)可以快速改變曲率的光學(xué)系統(tǒng)。你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，我們?cè)谌粘Ｉ钪兴坪鯖](méi)有變焦的煩惱？假如你沒(méi)有近視，當(dāng)你將視線從遠(yuǎn)方的天空移到近處的手機(jī)時(shí)，眼內(nèi)的晶狀體會(huì)在毫秒間改變厚度（曲率），實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、精準(zhǔn)的重新對(duì)焦，讓我們總能看得清楚，幾乎感知不到變焦的延遲。

微鏡陣列技術(shù)，將這一邏輯移植到顯微鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)比人眼更快的曲率變化——變焦頻率最高可以達(dá)到12000Hz。

“瞬時(shí)變焦”——微鏡陣列系統(tǒng)

在講述微鏡陣列之前，我們需要先補(bǔ)充一個(gè)核心成像知識(shí)：前文我們一直圍繞凸透鏡的折射成像展開，而微鏡陣列的特點(diǎn)是凹反射鏡的反射成像。

凹反射鏡和凸透鏡具備同等的光線匯聚能力，二者核心區(qū)別在于成像位置：凸透鏡的物與像分布在鏡片兩側(cè)，而凹反射鏡的物與像在同一側(cè)，這種特性能讓微鏡陣列更靈活地嵌入顯微鏡光路，不干擾原有觀測(cè)結(jié)構(gòu)。

在兩幅圖中，AB 為物體，A’B’為對(duì)應(yīng)成像?？梢姲挤瓷溏R和凸透鏡均能實(shí)現(xiàn)光線匯聚，但成像空間分布不同。

這正是微鏡陣列系統(tǒng)的革命性所在——它不再依賴機(jī)械部件移動(dòng)，而是在顯微鏡的光路中嵌入一個(gè)由MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)驅(qū)動(dòng)的微鏡陣列。

微鏡陣列示意圖（正視），圖片來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室

微鏡陣列示意圖（側(cè)視），圖片來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室

整個(gè)系統(tǒng)的核心是一塊直徑約 10mm 的圓形微鏡陣列，由數(shù)千片尺寸僅 0.1mm×0.1mm 的微型反射鏡組成，每一片微鏡背后都搭載獨(dú)立的微控制器，可接收數(shù)字信號(hào)改變每個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)角度。

微鏡陣列實(shí)現(xiàn)變焦的核心原理，是通過(guò)微鏡協(xié)同旋轉(zhuǎn)改變陣列整體曲率，等效為不同焦距的凹反射鏡：

• 當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)高倍變焦時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送指令讓外圈微鏡旋轉(zhuǎn)角度（如 0.1°）大于內(nèi)圈微鏡，此時(shí)整個(gè)陣列會(huì)形成向內(nèi)凹陷的曲率，等效為一片凹反射鏡，對(duì)光線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)匯聚，從而放大微小目標(biāo)。

• 讓微鏡旋轉(zhuǎn)一系列的角度，陣列就可以等效成一系列不同曲率的反光鏡。

• 微鏡尺寸小，質(zhì)量輕，變焦過(guò)程中無(wú)任何宏觀機(jī)械移動(dòng)，微鏡狀態(tài)切換足夠快，變焦速度就可以足夠快，其變焦頻率最高可達(dá)12000Hz，是傳統(tǒng)機(jī)械變焦（＜100Hz）的100倍以上，真正實(shí)現(xiàn)了“瞬時(shí)變焦”。

目前，基于微鏡陣列變焦技術(shù)已經(jīng)有兩類成熟的產(chǎn)品：一類產(chǎn)品是可獨(dú)立使用的“超景深數(shù)字顯微系統(tǒng)”，還有一類是集成在自動(dòng)化設(shè)備的“超景深線掃模組”，可應(yīng)用于顯示面板、晶圓、玻璃基板、PCB板等產(chǎn)品的檢測(cè)。

在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)芯片電路、精密零部件等產(chǎn)品的缺陷篩查和尺寸測(cè)量，向來(lái)對(duì)成像的清晰度、變焦的速度有著嚴(yán)苛要求——不僅需要通過(guò)變焦放大目標(biāo)區(qū)域以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的精準(zhǔn)觀測(cè)，還得保證清晰成像的范圍能夠滿足檢測(cè)需求。傳統(tǒng)檢測(cè)中，當(dāng)我們需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高倍放大以檢測(cè)微米級(jí)缺陷時(shí)，總會(huì)面臨一個(gè)難題：景深過(guò)淺。

微鏡陣列系統(tǒng)的出現(xiàn)，恰好能破解這一行業(yè)痛點(diǎn)：它既可以憑借超高變焦頻率，快速完成倍率切換，快速獲取不同層面的清晰圖像，實(shí)現(xiàn)三維物體的全域清晰成像，從技術(shù)層面為解決景深難題提供了可行方案。

來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室進(jìn)校園

編輯：張柒柒

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