【自动聚焦】显微镜的景深

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1、显微镜介绍

图1 显微镜

  镜座：支持、稳定作用
  镜柱：支持作用
  镜臂：连接作用（可以手握旋转，便于观察）
  细准焦螺旋：升降镜筒
  粗准焦螺旋：升降镜筒
  镜筒：连接目镜与物镜
  转换器：调换物镜
  目镜：放大图像

图2 目镜

  物镜：放大图像

图3 物镜

  载物台：放置玻片
  通光孔：光线通过
  压片夹：固定玻片
  遮光器：调节光线强弱

图4 通光孔
  反光镜：反射光线（光线较强时，用平面镜，较弱时，用凹面镜）

2、景深

  当镜头对准某一物体平面准确调焦后，在物平面前后一定距离内的景物也能结成清晰影像，这物平面前后一定距离上结像清晰的纵深范围，称为景深。物平面 OP 上点 A 能在焦平面上汇聚为一点$A^{\prime }$,而在 OP 前后两平面上的点 B、C 则会在 FP（Focus Plane） 平面上形成一定大小的弥散斑(Blur)，从而点 B、C 在 FP 上的成像将变模糊，但当这样的弥散斑足够小，超出限定的某个分辨等级，可仍然认为点 B、C 在 FP 上的成像是清晰的，点 B 与点 C 能保持在 FP 上清晰成像时的两点之间沿着光轴的最大距离即对应景深的大小。景深是光学成像系统中一个重要的概念，对成像系统的成像质量具有重要影响。

图5 景深和弥散斑

  图中，OP是（Object Plane），FP是（Focus Plane），景深公式如下：
$$\Delta =\frac{1}{\frac{fD}{2u^2\delta }-\frac{\delta }{2fD}}$$

  D ：光圈直径
  σ ：允许的弥散斑直径
  f ：镜头焦距
  u ：物距

  由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：

  ①镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
  ②镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
  ③拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

  根据景深的定义，大景深的成像系统具有更大的纵深调焦范围，其可在相当大的误差范围内保证调焦结果的准确性，而在基于图像处理的自动聚焦过程中，通过搜索峰值确定最佳成像位置也要求搜索步长小于景深，所以，大景深的成像系统是容易实现基于图像处理的自动聚焦的，但小景深的成像系统由于对空间深度信息敏感，在通过基于图像处理的自动聚焦法聚焦的过程中，不同空间深度上的信息将会互相干扰，自动聚焦的可靠性无法保证。

附录——摄像头模组

摄像头模组，也被称为 Camera Compact Module，简称 CCM，是由四大核心部件组成：镜头（lens）、传感器（sensor）、软板（FPC）以及图像处理芯片（DSP）。其中，镜头、图像处理芯片和传感器是影响摄像头性能的关键因素。此外，CCM还涉及到光学设计技术、非球面镜制作技术以及光学镀膜技术等关键技术。

其工作原理可以简要描述为：物体发出的光线经过镜头汇聚后，被 CMOS 或 CCD 集成电路捕捉并转化为电信号。这些电信号随后经过内部图像处理器（ISP）的处理，转换为数字图像信号，并输出到数字信号处理器（DSP）进行进一步加工。最终，这些信号被转换为标准的 GRB、YUV 等格式的图像信号供后续使用。

维度	摄像头模组	Sensor（图像传感器）	Lens（镜头）
定义	集成了图像传感器、图像处理器和其他相关电子组件的独立设备，实现图像捕捉和传输功能。	一种半导体芯片，表面有光电二极管，将光线转换成电信号，是摄像头模组的核心组件。	光学元件，用于控制光线的进入和聚焦，将光线准确地投射到图像传感器上。
构成	包括镜头、图像传感器、图像处理器、电路板、连接器和外壳等。	表面有几十万到几百万个光电二极管，将光线转换为电信号。	由透镜、光圈、焦平面和对焦系统等组件组成。
主要作用	实现图像的捕捉、处理和传输。	将镜头捕捉到的光线转化为电信号，即数字图像。	调节光线的聚焦距离，控制图像的清晰度和景深。
技术特点	集成度高，功能多样，可广泛应用于多个领域。	低功耗、高灵敏度、低成本，是目前市场上主流的手机摄像头传感器。	决定了摄像头模组的视野和成像质量，优质的镜头能够减少畸变、色差等问题。

模组包含 lens 和 sensor

参考

• 摄像头模组：CMOS图像传感器（Sensor）与镜头（Lens）参数指标
• 摄像头模组四大部件与市场应用全解析