【手机后置体视显微镜发展研究的文献综述3100字】

手机后置体视显微镜发展研究的文献综述从真实物体提取三维深度信息的技术从原理上可分为以下两类：一是提取二维图片信息应用于三维成像，例如用多摄像机拍摄技术，编码孔径技术[3]和光场成像技术[4]，这些技术利用了先进的商用照相设备获取待测物在某一平面上的二维纹理，通过后期图像处理解算出三维信息，但这种方法提取三维深度的精确度取决于目标对象、背景和照明条件；第二种方法则是直接从待测物获取三维信息，例如飞行时间相机和结构光[5]方法，这两种方法都是用编码后的光束照明待测物，获取由待测物反射的信号，这种技术通常使用红外投影仪和红外照相机，因此它们仅限于室内场景的使用，物体表面的反射率和漫反射特性也会影响深度图的精度。从微小物体中提取三维信息与从一开始就对易于观察的三维对象进行深度提取有很大的不同。光学显微镜作为人类用于观察肉眼观测阈值以下的最重要工具之一，广泛应用于原子显微观测[6]、水下微观生物体观测[7]和医学活检[8]和工业检测等领域中。如何利用光学显微镜还原微小物体的三维深度信息将成为一新兴研究领域。1.1体视显微镜发展历程显微镜是对微小的近距离物体进行放大、供人眼观察的光学仪器，它利用前置透镜组与放大镜对物体进行二次放大。传统显微镜结构如下图所示：当物体处于物镜前F-2F之间时，会在其像方形成放大的倒立实像，当此像处在目镜一倍焦距以内，会在目镜的物方形成一个二次放大的正立虚像（相对于物镜所成的像），供人眼观察。显微镜的视角放大率等于物镜的垂轴放大率与目镜的视放大率的乘积：QUOTE式中QUOTE螕螕是显微镜视放大率；L明视为人眼明视距离，约250mm；QUOTE螕螕2是目镜的视放大率；QUOTE1为物镜垂轴放大率。图1-1有限筒长显微镜成像原理依据物镜结构的不同，显微镜物镜可分为有限筒长显微镜与无限筒长显微镜。图1-1所示的结构为有限筒长型：物体通过物镜在目镜焦面附近成放大的像，然后通过目镜成像在无穷远供人眼观察；无限筒长显微物镜结构如图1-2所示：物通过物镜成像在无穷远，在物镜后另有一镜筒透镜，再把像成在目镜的物方焦面上。对于同样倍率的物镜来说，无限筒长物镜的焦距比有限筒长物镜焦距长，因此在需要长工作距离的光路中，无限筒长物镜优于有限筒长物镜。图1-2无限筒长显微镜结构图工业用显微镜在过去的几十年中逐渐由定放大倍率系统、间隔变倍系统、发展成为连续变倍系统。对于定放大倍数型显微系统，设计常用传统显微镜结构，即物镜将待测物成像于目镜物方焦平面上，原理见图1-1，这种工业用显微系统视场直径约10mm[1]；对于间隔变倍型显微系统，放大倍率是通过改变物镜来改变的。曲素芳曾设计过一款插入式中倍显微物镜，其放大倍数可由30倍提高至100倍[9]；对于连续变倍型显微系统，常见的形式是通过改变光学组件间的相对空间位置改变放大倍数，许利峰通过对六个变焦位置的计算最终设计出一款采用双组联动形式的0.8×~16×的大变倍体视显微镜[10]，但其利用机械部件运动实现变焦操作复杂，且由于机械移动不能校正像差，变焦时降低图片成像质量。基于此,LeiLi等人基于自适应透镜理论设计出一款可实现连续变焦变化并动态校正像差的变焦显微镜物镜[11]，其倍数可从7.8×连续调整到13.2×，变焦物镜结构如下图所示，物镜由三个电润湿液体透镜和两个玻璃透镜组成，通过在三个电润湿透镜上施加电压来改变放大倍数，该系统无需移动部件即可实现焦距或放大倍率的改变。图1-3：变焦物镜的示意性横截面结构[11]（a）变焦物镜的结构（b）电润湿液体透镜传统的体视显微镜正是基于人眼双目立体视觉原理设计，由于双眼的空间位置不同，观察物体的视角不同，其所观察同一视场下的物在视网膜上像对应点的位置也不同，具体原理见图1-4，左图中立方体上A点在左眼成像于al，而成像在右眼视网膜的ar位置。双眼视差与物体空间相对位置相关，检测双眼视差大小即可检测物体深度。图1-6双目体视原理图图1-4双目体视原理图双眼视差定义如下所示：上式中各个参数均展示在图1-4所示右图中。体视显微镜也设有两条独立的光路产生视差角供右眼和左眼观察物体，Greenough型结构[12]和CMO型（CommonMainObjective）是最主要的两种，它也是工业中用于显微观察最常用的结构形式，如图1-5所示。J.S.Courtney-Pratt等人曾提出利用有色差的双目镜系统结合棱镜的色散功能可以观察三维立体物体[13]。目前，新型体视显微技术包括添加微透镜阵列到普通显微镜中记录光线传播方向，实现光场显微技术[4]；也有应用离轴全息显微镜[14]一次提取微对象的3D信息的单透镜三维成像方法，其使用全息原理，可以从捕获的图片中重建深度信息。（a）（b）图1-5传统体视显微镜结构（a）Greenough型[12]（b）CMO型1.2手机后置镜头发展历程在早期手机的单摄像头时代，提高手机后置镜头成像质量主要以提高图像分辨率为主，即提高手机图像芯片的像素元数量，在这一阶段，图像传感器分辨率逐渐由几十万像素上升到几千万像素，也是在这一阶段用手机拍摄逐渐替代了相机拍摄。后期人们对手机拍摄的多元化需求使得双摄像头逐渐走向成熟，这种设计将两镜头拍摄到的图片叠加融合，旨在提高手机成像质量、实现背景虚化和光学变焦等功能。典型的双摄系统总结如下表所示。表1-1典型手机双摄系统[15]手机双摄系统类型实现功能手机代表RGB+RGB型背景虚化红米Pro；vivox9RGB+Mono型夜景模式增强360手机奇酷旗舰版；华为荣耀P9Wide+Tele型光学变焦LGG5；iPhone7plusRGB+Depth型手势识别；三维空间测量；AR游戏联想Phab

2RGB+RGB型双摄系统是基于人眼双目体视原理，通过后期处理算法计算被摄物体深度信息，只保留焦平面内清晰度，其余部分做模糊化处理，进而实现“焦内锐利，焦外奶油”的效果，但由于一般双摄手机基线距做的比较短，约10mm，这类手机只能计算浅景深；RGB+Mono型双摄系统的组合可以有效提高夜晚拍照质量，与带有拜尔滤色镜的彩色摄像机相比，黑白摄像机通光量更大，图像也更为明亮，将二者拍摄到的照片进行像素对齐操作后，然后对两幅图片交叠部分叠加融合即可得到高分辨率低信噪比的照片；Wide+Tele型双摄系统中广角和长焦镜头的组合搭配在拍照时通过镜头切换和算法融合可以实现相对平滑的光学变焦；RGB+Depth型双摄系统按照原理分为时间飞行测距法（ToF）和结构光测距法。ToF根据光的飞行时间直接测量所有被摄像素点的距离；结构光技术是将特殊结构的图案投影到三维空间物体表面上，使用另外一个相机观察在三维物理表面成像的畸变情况，根据观察到的变形和算法解算被测物的三维信息。相比于RGB+RGB型双摄系统基于双目体视效果测距，RGB+Depth型双摄系统在性能上的优势与劣势总结如下表。表1-2手机测距原理性能比较性能双目体视结构光时间飞行法算法复杂程度复杂中等简单硬件花费少多中反应时间适中缓慢快速深度精度低高适中暗场环境表现弱强强明场环境表现强弱强参考文献[1]王敏.大视场高分辨率显微工业电视镜头设计[J].光学与光电技术,2008(01):91-93[2]于弘扬.手机外置望远镜头的光学与机械设计[D].暨南大学,2016[3]LevinA.ImageandDepthfromaConventionalCamerawithaCodedAperture[J].SIGGRAPH2007,2007.703-705[4]ZhuH,WangQ,YuJ.Lightfieldimaging:models,calibrations,reconstructions,andapplications[J].FrontiersofInformationTechnology&ElectronicEngineering,2017,18(9):1236-1249[5]M.P.Lee,G.M.Gibson,R.Bowman,S.Bernet,M.Ritsch-Marte,D.B.Phillips,andM.J.Padgett,"Amulti-modalstereomicroscopebasedonaspatiallightmodulator,"Opt.Express

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