变焦，从拍照说起
平时，当我们想看清远处的事物，无论是会议室后排看不清的PPT，还是树枝上开得灿烂的花朵，第一个动作往往是随手打开手机相机，拖动或点击屏幕上的变焦倍率，拍摄，就放大看清楚了。
这下看懂了吧？
这个流畅的动作背后，有两种截然不同的变焦逻辑：
1
光学变焦（手机的长焦模式 / 相机）
原理：通过镜头内镜片组的物理移动，来改变焦距，从而改变光线的折射路径，使物体在传感器上成像变大或变小。
特点：成像清晰无细节损失，但机械移动导致变焦慢（几百毫秒到几秒），难快速捕捉动态目标。
2
数码变焦（普通手机的默认模式）
原理：其实是把画面 “裁剪放大”，并没有真正调整光线聚焦，通过软件算法截取传感器中央区域的影像，并将其强行放大到整个画面尺寸。
特点：没有机械移动，操作无延迟；画质有损、细节丢失，放大的倍数越高，画质下降越严重，只能勉强看清。
光学变焦和数码变焦的对比示意，图片来源：网络
严格来说，数码变焦其实是一种“伪变焦”——它没有改变光路，只是对成像画面作裁剪放大。
真正的变焦，核心在于光学系统本身焦距的改变。那么，焦距到底是什么？
什么是变焦？
要理解变焦（Zoom），我们必须抓住它的灵魂——焦距。光学定义里，焦距（Focal Length）指的是：镜头的“光学中心”到“光线汇聚成清晰焦点”的距离。
这个听起来专业的概念，其实在初中物理就学过。还记得初中物理课上，透镜成像的经典实验吗？
拿一个凸透镜对着太阳，移动凸透镜，会在纸上形成一个最亮、最小的光斑，这个光斑就是焦点；而从凸透镜的“光心”（透镜中心）到这个焦点的距离，就是焦距（f）。
凸透镜聚焦光线原理，图片来源：网络
对于只有一个凸透镜的光学系统，它的焦距（即对光线的汇聚能力）与凸透镜的曲率有很大的关系。
凸透镜焦距与曲率（厚度）的关系，视频来源：精品物理频道
简而言之，曲率是指透镜的弯曲程度：如果一个凸透镜的曲率越大（表面越弯曲），则对光线的汇聚能力越强，焦距越短；曲率越小（表面越平缓），对光线的汇聚能力越小，焦距越长。曲率为0，就说明透镜是一个平面，此时平面透镜对光线是没有任何的汇聚能力的，光线将直直穿过透镜，不发生任何偏折。
手机、相机、显微镜的镜头，其实是由许多透镜组合而成的复杂光学系统，这一系列复杂的透镜可以经过物理公式的推导，最终等效成一个凸透镜，就能计算出等效凸透镜的焦距。
手机内部的光学变焦摄像头结构示意，图片来源：网络
再回到变焦：真正的变焦，就是改变焦距。
明确了焦距的概念，变焦的定义就很好理解了：变焦的本质是通过调整光学系统的物理结构（如镜片位置、镜片曲率），在镜头内部动态地改变这个等效的“焦距”。当相机倍率从1倍拉到10倍时，内部的镜片就在精密地移动，改变着整个镜头的光线汇聚能力，从而让远处的景物放大。
变焦，探索微观世界的难题
拍照时要达到最佳的成像效果，需让物体处于焦点附近——要么不改变焦距，靠走近或走远调整拍摄距离；要么靠光学变焦移动镜片改变焦距。
在日常拍照中慢慢变焦，或许无伤大雅、还能接受。但当我们把目光转向对精度和速度要求极高的科学显微镜领域，这些小缺点就变成了大难题。
生活里的变焦，解决的是“远物拉近”的问题；而显微镜的核心，是“小物放大、清晰分辨”的能力——比如细胞结构、芯片电路，这些目标多处于微米甚至更小的尺度上。
操作人员切换光学显微镜的物镜，图片来源：网络
常规光学显微镜通常通过切换不同焦距的物镜来实现变焦（例如4倍、10倍、40倍、100倍），相当于给相机更换不同焦距的定焦镜头。
然而，这个变焦过程不像手机拍照那样一键完成。操作人员每次切换物镜后必须重新调焦，全程要几秒甚至十几秒，不仅慢，还容易因抖动丢失目标。
面对这些缺点，科学家们不断对显微镜进行优化，例如给载物台配备电动驱动装置实现自动调焦，或开发通过滑动镜片组实现无缝倍率切换的连续变倍显微镜。这些改进确实提升了效率，但核心原理仍是依靠电动马达驱动宏观部件进行物理移动，没能摆脱原有的局限，变焦频率小于100Hz（在1秒内变焦100次）。
除了机械结构，还有什么方法可以更快的变焦呢？答案就藏在前文的结论中：焦距还与透镜曲率相关，直接改变透镜曲率即可快速调焦。
人眼晶状体调节厚度、微镜阵列调节曲率示意图，图片来源：季华实验室
我们的眼睛，就是一个可以快速改变曲率的光学系统。你有没有发现，我们在日常生活中似乎没有变焦的烦恼？假如你没有近视，当你将视线从远方的天空移到近处的手机时，眼内的晶状体会在毫秒间改变厚度（曲率），实现无缝、精准的重新对焦，让我们总能看得清楚，几乎感知不到变焦的延迟。
微镜阵列技术，将这一逻辑移植到显微镜系统，实现比人眼更快的曲率变化——变焦频率最高可以达到12000Hz。
“瞬时变焦”——微镜阵列系统
在讲述微镜阵列之前，我们需要先补充一个核心成像知识：前文我们一直围绕凸透镜的折射成像展开，而微镜阵列的特点是凹反射镜的反射成像。
凹反射镜和凸透镜具备同等的光线汇聚能力，二者核心区别在于成像位置：凸透镜的物与像分布在镜片两侧，而凹反射镜的物与像在同一侧，这种特性能让微镜阵列更灵活地嵌入显微镜光路，不干扰原有观测结构。
在两幅图中，AB 为物体，A’B’为对应成像。可见凹反射镜和凸透镜均能实现光线汇聚，但成像空间分布不同。
这正是微镜阵列系统的革命性所在——它不再依赖机械部件移动，而是在显微镜的光路中嵌入一个由MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）技术驱动的微镜阵列。
微镜阵列示意图（正视），图片来源：季华实验室
微镜阵列示意图（侧视），图片来源：季华实验室
整个系统的核心是一块直径约 10mm 的圆形微镜阵列，由数千片尺寸仅 0.1mm×0.1mm 的微型反射镜组成，每一片微镜背后都搭载独立的微控制器，可接收数字信号改变每个微镜的旋转角度。
微镜阵列实现变焦的核心原理，是通过微镜协同旋转改变阵列整体曲率，等效为不同焦距的凹反射镜：
当需要实现高倍变焦时，系统发送指令让外圈微镜旋转角度（如 0.1°）大于内圈微镜，此时整个阵列会形成向内凹陷的曲率，等效为一片凹反射镜，对光线实现强汇聚，从而放大微小目标。
让微镜旋转一系列的角度，阵列就可以等效成一系列不同曲率的反光镜。
微镜尺寸小，质量轻，变焦过程中无任何宏观机械移动，微镜状态切换足够快，变焦速度就可以足够快，其变焦频率最高可达12000Hz，是传统机械变焦（＜100Hz）的100倍以上，真正实现了“瞬时变焦”。
目前，基于微镜阵列变焦技术已经有两类成熟的产品：一类产品是可独立使用的“超景深数字显微系统”，还有一类是集成在自动化设备的“超景深线扫模组”，可应用于显示面板、晶圆、玻璃基板、PCB板等产品的检测。
在工业检测领域，对芯片电路、精密零部件等产品的缺陷筛查和尺寸测量，向来对成像的清晰度、变焦的速度有着严苛要求——不仅需要通过变焦放大目标区域以实现微米级的精准观测，还得保证清晰成像的范围能够满足检测需求。传统检测中，当我们需要对产品进行高倍放大以检测微米级缺陷时，总会面临一个难题：景深过浅。
微镜阵列系统的出现，恰好能破解这一行业痛点：它既可以凭借超高变焦频率，快速完成倍率切换，快速获取不同层面的清晰图像，实现三维物体的全域清晰成像，从技术层面为解决景深难题提供了可行方案。
来源：季华实验室进校园
编辑：张柒柒
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
热门跟贴