變焦還能這么快？顛覆傳統變焦的微鏡陣列技術

變焦，從拍照說起

平時，當我們想看清遠處的事物，無論是會議室后排看不清的PPT，還是樹枝上開得燦爛的花朵，第一個動作往往是隨手打開手機相機，拖動或點擊屏幕上的變焦倍率，拍攝，就放大看清楚了。

這下看懂了吧？

這個流暢的動作背后，有兩種截然不同的變焦邏輯：

1

光學變焦（手機的長焦模式 / 相機）

原理：通過鏡頭內鏡片組的物理移動，來改變焦距，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：成像清晰無細節損失，但機械移動導致變焦慢（幾百毫秒到幾秒），難快速捕捉動態目標。

2

數碼變焦（普通手機的默認模式）

原理：其實是把畫面 “裁剪放大”，并沒有真正調整光線聚焦，通過軟件算法截取傳感器中央區域的影像，并將其強行放大到整個畫面尺寸。

特點：沒有機械移動，操作無延遲；畫質有損、細節丟失，放大的倍數越高，畫質下降越嚴重，只能勉強看清。

光學變焦和數碼變焦的對比示意，圖片來源：網絡

嚴格來說，數碼變焦其實是一種“偽變焦”——它沒有改變光路，只是對成像畫面作裁剪放大。

真正的變焦，核心在于光學系統本身焦距的改變。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。光學定義里，焦距（Focal Length）指的是：鏡頭的“光學中心”到“光線匯聚成清晰焦點”的距離。

這個聽起來專業的概念，其實在初中物理就學過。還記得初中物理課上，透鏡成像的經典實驗嗎？

拿一個凸透鏡對著太陽，移動凸透鏡，會在紙上形成一個最亮、最小的光斑，這個光斑就是焦點；而從凸透鏡的“光心”（透鏡中心）到這個焦點的距離，就是焦距（f）。

凸透鏡聚焦光線原理，圖片來源：網絡

對于只有一個凸透鏡的光學系統，它的焦距（即對光線的匯聚能力）與凸透鏡的曲率有很大的關系。

凸透鏡焦距與曲率（厚度）的關系，視頻來源：精品物理頻道

簡而言之，曲率是指透鏡的彎曲程度：如果一個凸透鏡的曲率越大（表面越彎曲），則對光線的匯聚能力越強，焦距越短；曲率越小（表面越平緩），對光線的匯聚能力越小，焦距越長。曲率為0，就說明透鏡是一個平面，此時平面透鏡對光線是沒有任何的匯聚能力的，光線將直直穿過透鏡，不發生任何偏折。

手機、相機、顯微鏡的鏡頭，其實是由許多透鏡組合而成的復雜光學系統，這一系列復雜的透鏡可以經過物理公式的推導，最終等效成一個凸透鏡，就能計算出等效凸透鏡的焦距。

手機內部的光學變焦攝像頭結構示意，圖片來源：網絡

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：變焦的本質是通過調整光學系統的物理結構（如鏡片位置、鏡片曲率），在鏡頭內部動態地改變這個等效的“焦距”。當相機倍率從1倍拉到10倍時，內部的鏡片就在精密地移動，改變著整個鏡頭的光線匯聚能力，從而讓遠處的景物放大。

變焦，探索微觀世界的難題

拍照時要達到最佳的成像效果，需讓物體處于焦點附近——要么不改變焦距，靠走近或走遠調整拍攝距離；要么靠光學變焦移動鏡片改變焦距。

在日常拍照中慢慢變焦，或許無傷大雅、還能接受。但當我們把目光轉向對精度和速度要求極高的科學顯微鏡領域，這些小缺點就變成了大難題。

生活里的變焦，解決的是“遠物拉近”的問題；而顯微鏡的核心，是“小物放大、清晰分辨”的能力——比如細胞結構、芯片電路，這些目標多處于微米甚至更小的尺度上。

操作人員切換光學顯微鏡的物鏡，圖片來源：網絡

常規光學顯微鏡通常通過切換不同焦距的物鏡來實現變焦（例如4倍、10倍、40倍、100倍），相當于給相機更換不同焦距的定焦鏡頭。

然而，這個變焦過程不像手機拍照那樣一鍵完成。操作人員每次切換物鏡后必須重新調焦，全程要幾秒甚至十幾秒，不僅慢，還容易因抖動丟失目標。

面對這些缺點，科學家們不斷對顯微鏡進行優化，例如給載物臺配備電動驅動裝置實現自動調焦，或開發通過滑動鏡片組實現無縫倍率切換的連續變倍顯微鏡。這些改進確實提升了效率，但核心原理仍是依靠電動馬達驅動宏觀部件進行物理移動，沒能擺脫原有的局限，變焦頻率小于100Hz（在1秒內變焦100次）。

除了機械結構，還有什么方法可以更快的變焦呢？答案就藏在前文的結論中：焦距還與透鏡曲率相關，直接改變透鏡曲率即可快速調焦。

人眼晶狀體調節厚度、微鏡陣列調節曲率示意圖，圖片來源：季華實驗室

我們的眼睛，就是一個可以快速改變曲率的光學系統。你有沒有發現，我們在日常生活中似乎沒有變焦的煩惱？假如你沒有近視，當你將視線從遠方的天空移到近處的手機時，眼內的晶狀體會在毫秒間改變厚度（曲率），實現無縫、精準的重新對焦，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，將這一邏輯移植到顯微鏡系統，實現比人眼更快的曲率變化——變焦頻率最高可以達到12000Hz。

“瞬時變焦”——微鏡陣列系統

在講述微鏡陣列之前，我們需要先補充一個核心成像知識：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，二者核心區別在于成像位置：凸透鏡的物與像分布在鏡片兩側，而凹反射鏡的物與像在同一側，這種特性能讓微鏡陣列更靈活地嵌入顯微鏡光路，不干擾原有觀測結構。

在兩幅圖中，AB 為物體，A’B’為對應成像。可見凹反射鏡和凸透鏡均能實現光線匯聚，但成像空間分布不同。

這正是微鏡陣列系統的革命性所在——它不再依賴機械部件移動，而是在顯微鏡的光路中嵌入一個由MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）技術驅動的微鏡陣列。

微鏡陣列示意圖（正視），圖片來源：季華實驗室

微鏡陣列示意圖（側視），圖片來源：季華實驗室

整個系統的核心是一塊直徑約 10mm 的圓形微鏡陣列，由數千片尺寸僅 0.1mm×0.1mm 的微型反射鏡組成，每一片微鏡背后都搭載獨立的微控制器，可接收數字信號改變每個微鏡的旋轉角度。

微鏡陣列實現變焦的核心原理，是通過微鏡協同旋轉改變陣列整體曲率，等效為不同焦距的凹反射鏡：

• 當需要實現高倍變焦時，系統發送指令讓外圈微鏡旋轉角度（如 0.1°）大于內圈微鏡，此時整個陣列會形成向內凹陷的曲率，等效為一片凹反射鏡，對光線實現強匯聚，從而放大微小目標。

• 讓微鏡旋轉一系列的角度，陣列就可以等效成一系列不同曲率的反光鏡。

• 微鏡尺寸小，質量輕，變焦過程中無任何宏觀機械移動，微鏡狀態切換足夠快，變焦速度就可以足夠快，其變焦頻率最高可達12000Hz，是傳統機械變焦（＜100Hz）的100倍以上，真正實現了“瞬時變焦”。

目前，基于微鏡陣列變焦技術已經有兩類成熟的產品：一類產品是可獨立使用的“超景深數字顯微系統”，還有一類是集成在自動化設備的“超景深線掃模組”，可應用于顯示面板、晶圓、玻璃基板、PCB板等產品的檢測。

在工業檢測領域，對芯片電路、精密零部件等產品的缺陷篩查和尺寸測量，向來對成像的清晰度、變焦的速度有著嚴苛要求——不僅需要通過變焦放大目標區域以實現微米級的精準觀測，還得保證清晰成像的范圍能夠滿足檢測需求。傳統檢測中，當我們需要對產品進行高倍放大以檢測微米級缺陷時，總會面臨一個難題：景深過淺。

微鏡陣列系統的出現，恰好能破解這一行業痛點：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，實現三維物體的全域清晰成像，從技術層面為解決景深難題提供了可行方案。

來源：季華實驗室進校園

編輯：張柒柒

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