科普｜什么是景深？微镜阵列破解工业检测的景深难题

究竟什么是景深？我们还是从熟悉的拍照开始说起——

摄影艺术 or 科学难题

 

无论你懂不懂拍照，一组图就能直观理解：

景深从浅变深，物体前后虚化变少，看到的清晰范围变大。图片来源：网络

 

最直白地说，景深是一张照片里，你觉得清楚的范围有多大。

• 浅景深：照片中能够清晰对焦的范围小，只有对焦的主体清晰，前后景物虚化模糊。适合拍摄人像、微距等题材，以突出主体、营造氛围。

• 深景深：画面中从近到远的景物都保持清晰。适合拍摄风景、建筑或集体照，这些需要展示全部细节的场景。

所以，对于摄影爱好者来说，景深可是“重中之重”，选大光圈还是小光圈，直接影响照片“对不对味”。

但是，还有一群人比摄影师更加在乎景深——对于摄影师，浅景深是营造氛围感的艺术；但对于显微镜学家，浅景深却是一个令人头疼的大难题：在高倍显微放大下，景深会变得极浅。景深的深浅，直接决定了他们是能看清一个芯片、细胞的表面结构，还是只能看到它模糊的一片。

为什么高倍放大下景深会急剧压缩？要解开景深的奥秘，深入原理之前，让我们先重新思考一个最基础的问题：我们常说的“对上焦”了，对上的究竟是一个点，还是一个范围？

景深：“看清”的尺度

 

要理解景深，我们首先要打破一个观念：完美的“对焦”不是一个无限小的点，而是一个极其微小的“范围”。

当一个理想的点光源通过透镜，即便在最佳状态下，它在传感器上形成的也并非一个无限小的点，而是一个最小的光斑。所谓“精准对焦”，就是找到让这个光斑最小的位置。

现在，关键来了：如果我们让这个点光源稍微前后移动，会发生什么？它在传感器上形成的光斑会逐渐变大、变模糊。光学上，这个因离焦而产生的模糊光斑，有一个专门的术语——弥散圆。

弥散圆示意图，图片来源：网络

 

弥散圆：可以把理想的对焦光斑想象成一颗圆润小巧、边界清晰的巧克力豆，而离焦后的弥散圆就像这颗巧克力豆融化后摊开的圆形巧克力（边缘模糊、均匀扩散）——只要这团巧克力没大到超出我们视觉分辨的极限，我们依然会认为它是“清晰”的。

景深示意图，图片来源：网络

 

这个物点可以前后移动，但仍被感知为清晰的范围，就是景深！

越是放大，景深越浅？

 

显微镜的物镜放大倍数越高，景深就变得越小。图片来源：网络

 

为什么显微镜倍数越高，清晰范围（景深）就越浅？

根本在于显微镜的核心性能参数——数值孔径，它通俗来说就是物镜“收集光线的能力”。

显微镜的数值孔径（NA）可以类比相机镜头的光圈，光圈越大，进光量越多，但景深越浅。显微镜的高倍物镜也是如此，为了看清更细微的结构，必须要用更大的数值孔径，具备更强的光线收集能力。

物镜放大倍数越高（数值孔径越高），光线汇聚角度越大，能清晰成像的纵向范围（景深）就越窄。图片来源：https://www.microscopyu.com/microscopy-basics/numerical-aperture

 

数值孔径越大，物镜能收集的光线角度范围就越宽。这使得光线必须以更大的角度汇聚，导致完美聚焦的纵向范围（即景深）被急剧压缩。这就像用一把尖端极细的锥子去对准样本：只有精准位于锥尖的薄层，样本点（物点）才能汇聚成最小清晰的像点，清晰成像。一旦样本偏离焦点哪怕1微米，像点就会迅速弥散成模糊光斑，瞬间超出人眼或传感器能分辨的“清晰”极限。

既然高倍显微镜的景深变浅是光学原理决定的必然结果，那它为何会成为观测中的关键难题？

原因很简单：因为显微观察的绝大多数样本，都不是二维的。

在微观世界里，一个细胞有厚度，一块组织有层次，一个集成电路芯片更是由层层叠叠的微纳结构构成。它们都是一个立体的三维物体。然而，高倍显微镜提供的却是一个极其扁薄的二维切片视图。

调焦看清了一层，其他层则是模糊的。图片来源：季华实验室测试中心

我们以PCB电路板检测为例，当我们调焦看清某一层面时，其上下层的信息并不会消失，而是会以模糊的虚影形式叠加在图像上，严重影响了对焦层面图像的对比度和清晰度，可能导致潜在的缺陷被漏检。如果想要看清其他层面，我们必须不断重新调焦，效率低下。

这个技术瓶颈并非无解，科学家们转变思路：既然无法一次性看清全貌，那就拍摄多张不同焦平面的二维图像，再合成一张全幅清晰的图像。超景深光学显微镜由此诞生。

超景深光学显微镜一般搭配精密步进电机实现精准控制。

 

拍摄多张不同焦平面的图像，再合成为一张清晰图像，图片来源：自己做的

• 电机驱动显微镜的载物台或物镜，沿着Z轴（竖直方向）进行微小步进。每步进一段距离（比如1微米），就拍摄一张照片。从样本的顶部到底部，采集多幅不同焦平面的清晰图像。

• 算法筛选每幅图的最清晰像素，然后像拼图一样，算法将所有最清晰像素点拼接成全域清晰的二维图片。通过记录像素点的Z轴数据，算法还能重构出样本的3D模型。

传统超景深技术通过电机驱动物镜或载物台进行Z轴扫描，本质是“以时间换空间”——通过在不同时间点采集不同焦平面的图像，再融合成一张全清晰图片。这种方法受机械惯性限制，成像速度慢，且机械运动可能带来微小振动和磨损，进而影响成像精度。

微镜阵列：无机械移动的超景深方案

 

针对这些痛点，基于微镜阵列变焦技术已开发出系列实用产品，包括超景深线扫模组、超景深数字显微系统、高速超景深光学模组等，能精准适配不同场景的超景深观测需求。

 

微镜阵列的超快速变焦能力，可在毫秒级时间内，让“清晰焦点”在样本的不同深度上快速跳动，实现多焦图像的瞬时采集。这意味着能在极短的时间内获取全深度的焦平面图像。

支撑这一核心能力的，是微镜阵列的独特工作逻辑：它以MEMS技术（微机电系统，可实现微小器件的精准电控）驱动数千片微型反射镜协同旋转，通过改变阵列整体曲率来切换等效焦距，无需依赖机械部件移动，变焦频率可达12000Hz。微镜阵列的瞬时变焦能力，才实现了高速、无振动的多焦面图像采集，为各类超景深产品提供了高效且稳定的数据支撑。

围绕不同的实际应用需求，这些产品设计了不同的形态与功能：

其中专门适配自动化产线的，是超景深线扫模组：它是集成在自动化设备中的专用模块，能配合运动平台实现高速3D线扫成像，还支持同轴、条形、背光等多种照明方式，尤其适配显示面板、晶圆、玻璃基板这类大尺寸物体的检测场景。

超景深线扫模组，图片来源：季华实验室

 

TGV自动检测设备，图片来源：季华实验室

 

其中，超景深数字显微系统是可独立使用的完整观测设备：它配备了物镜与成像相机，能直接作为一台超景深显微镜运行；根据实际的需要，可以更换不同倍率的物镜以及相机。同时具备三维成像能力、支持多种3D格式，既可以单独使用，也能集成到自动化产线中，像PCB板、探针卡等精密器件的检测，都能通过它实现高效的观测。

超景深数字显微系统，图片来源：季华实验室

 

还有一类是高度集成、更为小巧的超景深光学模组：它把微镜阵列、物镜与相机打包进了小巧的模块中，配备通用连接口。只需直接安装在常见的2D显微镜上，就能借助原有显微镜的光路，通过微镜阵列调控光线聚焦位置，让普通2D显微镜直接拥有景深扩展与3D成像的能力，大幅降低了设备升级的成本。

超景深光学模组，图片来源：季华实验室

 

结语

 

从适配自动化产线的超景深线扫模组，到独立运行的超景深数字显微系统，再到能赋能传统设备的轻量化光学模组——微镜阵列技术通过不同形态的产品，覆盖了从大型面板检测到实验室精密观测的各种需求，既破解了传统超景深技术机械部件带来的速度慢、有振动的痛点，也让超景深成像的能力变得更灵活、更易获取。