快门式动态实时体视显微成像装置及方法与流程

本发明属于光学显微立体成像技术领域，特别是一种快门式动态实时体视显微成像装置及方法。

背景介绍

人眼具有立体视觉的效果，可以区分物体的前后、远近，这是由于人类感知自然深度是由于左、右眼观看真实世界有轻微的差异造成的。立体视觉来源于“视差”，人的双眼有4—6cm的距离，观看物体时，左眼看到物体左侧面的成分较多，右眼看到物体右侧面的成分较多，所以实际上我们看到物体时两只眼睛中的图像是有差别的，这个差别被称为“视差”。大脑具有解读视差的能力，这两个有差异的图像经过大脑综合以后就能区分物体的深度层次关系，从而产生立体视觉，我们看到的是有景深的图像，这就是人眼立体视觉的原理。一般来说，图像的视差值越大，立体感越强，即在表现同一物体时，两台相机模拟人眼距离越大，立体感越强。但距离不可无限增大，因为当距离无限增大时，不再满足获得立体视觉效果的条件，不可为双眼提供具有一定深度信息的视差，从而不能形成立体视觉。传统立体显微镜由一个共用的初级物镜对物体成像后，经过两组倍率可以调节的中间物镜组分开，然后经过角度12-15°的目镜组成像，这样的话便可以为左右眼分别提供角度不同的图像，经过大脑的综合处理后，人眼看到的就是一幅有景深的立体视觉图像。

传统的立体显微镜优点很明显：使用方便，操作简便。但是它存在的问题也是无法弥补的：(1)焦深和体视角是不可调的，由于人眼瞳距个体差异，人眼的体视角不一样，这样会导致个人观看效果的不理想；(2)双通道光路不仅使仪器笨重而且成本也会加大，不利于仪器的推广使用；(3)成像视野小，成像质量较差，不可以动态实时观看到物体的详细信息。而红蓝式体视观看的最大的缺点就是视觉疲劳，而且会有色差的影响；偏振式体视观看虽然可以消除色差的影响却带来了分辨率降低的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可实现单通道、无色差影响、分辨率高、焦深和体视角均可灵活调整的快门式动态实时体视显微成像装置及方法，实现对样品的动态实时观看，提升观察者体验度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种快门式动态实时体视显微成像装置，包括P4系列LED阵列、样品载物台、显微物镜、镜筒透镜、摄像机、快门式3D显示器、计算机和快门式3D眼镜；其中P4系列LED阵列、样品载物台、显微物镜、镜筒透镜、摄像机从下至上依次设置，且P4系列LED阵列的中心位于显微物镜、镜筒透镜的中心轴线上；P4系列LED阵列和摄像机的控制端均与计算机连接，摄像机的输出端接入快门式3D显示器；

将待成像的样品置于样品载物台，计算机向P4系列LED阵列发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列交替产生两个颜色相同的圆形照明光，照明光透过样品载物台被显微物镜收集，显微物镜将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜，计算机向驱动摄像机发送触发信号以驱动摄像机对穿过镜筒透镜的样品图像进行采样，摄像机将采集的样品图像输入快门式3D显示器进行显示，观察者通过佩戴快门式3D眼镜观看快门式3D显示器即可动态实时地观看到样品图像的立体显微结构。

一种基于所述装置的快门式动态实时体视显微成像方法，步骤如下：

步骤1，将待成像的样品置于样品载物台，计算机向P4系列LED阵列发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列按确定频率交替产生两个颜色相同的圆形照明光；

步骤2，步骤1产生的照明光透过样品载物台被显微物镜收集，显微物镜将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜；

步骤3，计算机向驱动摄像机发送与步骤1设定频率的触发信号以驱动摄像机对穿过镜筒透镜的样品图像进行采样，得到分别对应于不同圆形照明光的显微样品图像；

步骤4，摄像机将步骤3拍摄到的多帧显微样品图像输入快门式3D显示器分别作为左、右眼图像进行显示；

步骤5，观察者通过佩戴快门式3D眼镜观看快门式3D显示器即可实时观看到样品图像的立体显微结构；

步骤6，观察者通过调整P4系列LED阵列上圆形光源的圆心间距d和半径r分别实现对体视角和焦深的控制，从而达到最佳的观测效果。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)P4系列LED阵列的使用，取代了传统立体显微镜的双光路，简化了系统设计，不仅使成像系统简便而且有效降低成本；(2)通过采用LED阵列作为照明光源，具有系统本身的光源，受外界干扰较小，观察条件的限制性降低，在暗背景下能够进行观看；(3)通过控制P4系列LED阵列上的圆 形照明光源的半径r和圆心距离d分别实现对焦深和体视角的灵活可调；(4)计算机向摄像机发送的触发信号与其向P4系列LED阵列发送的设定频率的触发信号保持同步，将摄像机采集到的多帧图像传到快门式3D显示器上左右眼图像分别对应不同的帧，当左眼对应的帧图像在快门式3D显示器上显示时，通过快门式3D显示器红外线控制开关，将观察者佩戴的快门式3D眼镜右眼镜片关闭，反之则将左眼镜片关闭，使得双眼能在正确的时间观看到正确的帧画面，从而便可以对样品在分辨率不降低、无色差的情况下进行观看。

附图说明

图1是本发明快门式动态实时体视显微成像装置的结构示意图。

图2是本发明中P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图，(a)图为初始化时P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图示意图，(b)图为某一时刻P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图，(c)图为下一时刻P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图。

图3是本发明中P4系列LED阵列控制体视角和焦深的原理示意图。

图4是本发明实施例中摄像机所拍摄到的样品图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明快门式动态实时体视显微成像装置，其特征在于，包括P4系列LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、镜筒透镜4、摄像机5、快门式3D显示器6、计算机7和快门式3D眼镜8；其中P4系列LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、镜筒透镜4、摄像机5从下至上依次设置，且P4系列LED阵列1的中心位于显微物镜3、镜筒透镜4的中心轴线上；P4系列LED阵列1和摄像机5的控制端均与计算机7连接，摄像机5的输出端接入快门式3D显示器6；

将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向P4系列LED阵列1发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列1交替产生两个颜色相同的圆形照明光，照明光透过样品载物台2被显微物镜3收集，显微物镜3将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜4，计算机7向驱动摄像机5发送触发信号以驱动摄像机5对穿过镜筒透镜4的样品图像进行采样，摄像机5将采集的样品图像输入快门式3D显示器6进行显示，观察者通过佩戴快门式3D眼镜8观看快门式3D显示器6即可动态实时地观看到样品图 像的立体显微结构。

优选地，所述P4系列LED阵列1提供红色、绿色、蓝色、青色、粉色、黄色、白光七种颜色的照明光，本装置采用任意颜色照明光均可，两个圆形照明光源颜色相同即可；P4系列LED阵列的单元板尺寸为128mm*128mm、像素个数为32*32、像素间距4mm，每个像素点均可单独点亮。

优选地，所述P4系列LED阵列1距离样品载物台2上表面的距离为75～85mm。

进一步地，所述计算机7向P4系列LED阵列1发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列1交替产生两个半径为r、圆心间距为d、颜色相同的圆形照明光源，其中r、d为像素点个数。

优选地，所述摄像机5的CCD镜头位于镜筒透镜4的后焦面上。

进一步地，所述计算机7向摄像机5发送的触发信号与向P4系列LED阵列1发送的设定频率的触发信号保持同步。

本发明基于权利要求1所述装置的快门式动态实时体视显微成像方法，步骤如下：

步骤1，将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向P4系列LED阵列1发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列1按确定频率交替产生两个颜色相同的圆形照明光；

步骤2，步骤1产生的照明光透过样品载物台2被显微物镜3收集，显微物镜3将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜4；

步骤3，计算机7向驱动摄像机5发送与步骤1设定频率的触发信号以驱动摄像机5对穿过镜筒透镜4的样品图像进行采样，得到分别对应于不同圆形照明光的显微样品图像；

步骤4，摄像机5将步骤3拍摄到的多帧显微样品图像输入快门式3D显示器6分别作为左、右眼图像进行显示；

步骤5，观察者通过佩戴快门式3D眼镜8观看快门式3D显示器6即可实时观看到样品图像的立体显微结构；

步骤6，观察者通过调整P4系列LED阵列1上圆形光源的圆心间距d和半径r分别实现对体视角和焦深的控制，从而达到最佳的观测效果。

进一步地，步骤1所述P4系列LED阵列1按设定频率交替产生两个圆形照明光， 该两个圆形照明光的半径为r、圆心间距为d、颜色相同，其中r、d为像素点的个数。

进一步地，步骤3所述计算机7向摄像机5发送的触发信号与步骤1中计算机7向P4系列LED阵列1发送的设定频率的触发信号保持同步

进一步地，步骤5所述观察者通过佩戴快门式3D眼镜8观看快门式3D显示器6即可实时观看到样品图像的立体显微结构，其中快门式3D眼镜8的左、右眼图像分别对应不同的帧，当左眼对应的帧图像在快门式3D显示器6上显示时，通过快门式3D显示器6红外线控制开关，将观察者佩戴的快门式3D眼镜8右眼镜片关闭，反之则将左眼镜片关闭，使得双眼能在正确的时间观看到正确的帧画面，从而便可以对样品在分辨率不降低、无色差的情况下进行观看。

实施例1

结合图1，本发明快门式动态实时体视显微成像装置，包括P4系列LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、镜筒透镜4、摄像机5、快门式3D显示器6、计算机7和快门式3D眼镜8；其中P4系列LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、镜筒透镜4、摄像机5从下至上依次设置，且P4系列LED阵列1的中心位于显微物镜3、镜筒透镜4的中心轴线上；P4系列LED阵列1和摄像机5的控制端均与计算机7连接，摄像机5的输出端接入快门式3D显示器6；

将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向P4系列LED阵列1发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列1交替产生两个圆形照明光，颜色任意，只要保证两个圆形照明光颜色相同即可，如图2所示，本例中使用白色照明光，(a)为初始化时P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图示意图，(b)为某一时刻P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图，(c)为下一时刻P4系列LED阵列产生的白色圆形照明光示意图。照明光透过样品载物台2被显微物镜3收集，显微物镜3将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜4，计算机7向驱动摄像机5发送与设定频率同步的触发信号以驱动摄像机5对穿过镜筒透镜4的样品图像进行采样，摄像机5将采集的样品图像输入快门式3D显示器6进行显示，观察者通过佩戴快门式3D眼镜8观看快门式3D显示器6即可实时观看到样品图像的立体显微结构。

优选地，所述P4系列LED阵列1提供红色、绿色、蓝色、青色、粉色、黄色、白光七种颜色的照明光，本装置采用任意颜色照明光均可，只要保证两个圆形照明光源颜色相同即可；P4系列LED阵列1的单元板尺寸为128mm*128mm、像素个数为32*32、 像素间距4mm，每个像素点均可单独点亮。

优选地，所述P4系列LED阵列1距离样品载物台2上表面的距离为75～85mm。

进一步地，所述计算机7向P4系列LED阵列1发送触发信号，使P4系列LED阵列1交替产生两个半径为r、圆心间距为d、颜色相同的圆形照明光源，其中r、d为像素点个数。如图3所示，控制LED阵列1的两个白色圆形照明光源的半径r和圆心间距d即可实现对焦深和体视角的灵活可调。假设左边白色圆形照明光源的半径为r，圆心位于A点处；右边白色圆形照明光源的半径为r，圆心位于B点处，O点为AB的中点，位于显微物镜、透镜的中心轴线。OC即P4系列LED阵列1与样品载物台2的距离，用h表示，一般为80mm左右。通过控制两个圆心的水平间隔为d可实现对体视角θ的控制：θ＝arctand/2h；通过控制两个圆心的半径r可实现对于照明数值孔径角θ_NA的控制：θ_NA≈θ′＝arctanr/h，数值孔径角θ_NA反比于焦深。

优选地，摄像机5的CCD镜头位于镜筒透镜4的后焦面上。

进一步地，所述计算机7向摄像机5发送的触发信号与其向P4系列LED阵列1发送的设定频率的触发信号保持同步，将摄像机采集到的多帧图像传到快门式3D显示器6上左右眼图像分别对应不同的帧，当左眼对应的帧图像在快门式3D显示器6上显示时，通过快门式3D显示器6红外线控制开关，将观察者佩戴的快门式3D眼镜8右眼镜片关闭，反之则将左眼镜片关闭，使得双眼能在正确的时间观看到正确的帧画面，从而便可以对样品在分辨率不降低、无色差的情况下进行观看。

本发明快门式动态实时体视显微成像方法，步骤如下：

步骤1，将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向P4系列LED阵列1发送设定频率的触发信号，使P4系列LED阵列1交替产生两个圆形照明光；该两个圆形照明光的半径为r、圆心间距为d、颜色相同，其中r、d为像素点的个数。

步骤2，步骤1产生的照明光透过样品载物台2被显微物镜3收集，显微物镜3将收集的照明光进行放大成像后入射至镜筒透镜4。

步骤3，计算机7向驱动摄像机5发送触发信号以驱动摄像机5对穿过镜筒透镜4的样品图像进行采样，得到分别对应于两个圆形照明光的多帧显微样品图像；所述计算机7向摄像机5发送的触发信号与步骤1中计算机7向P4系列LED阵列1发送的设定频率的触发信号保持同步。

步骤4，摄像机5将步骤3拍摄到的多帧显微样品图像输入快门式3D显示器6分别作为左、右眼图像进行显示；

步骤5，观察者通过佩戴快门式3D眼镜8观看快门式3D显示器6即可实时观看到样品图像的立体显微结构。图4是本实施例中摄像机所拍摄到的样品图。

步骤6，观察者可通过调整P4系列LED阵列1上圆形光源的圆心间距d和半径r分别实现对体视角和焦深的控制，从而达到最佳的观测效果。

本发明中P4系列LED阵列的使用，取代了传统立体显微镜的双光路，简化了系统设计，不仅使成像系统简便而且有效降低成本；通过采用LED阵列作为照明光源，具有系统本身的光源，受外界干扰较小，观察条件的限制性降低，在暗背景下能够进行观看；通过控制P4系列LED阵列上的圆形照明光源的半径r和圆心距离d分别实现对焦深和体视角的灵活可调；将摄像机采集到的图像传到快门式3D显示器上，从而可以实现对样品立体结构的动态实时清晰观看，克服红蓝立体成像的颜色效果差的缺点，避免了偏振式体视成像会降低分辨率的不利影响，从而提升观察者体验度，得到最佳的观察效果。