一种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。传统体视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。

传统的体视显微镜优点很明显：使用方便，操作简便。但是它存在的问题也是无法弥补的：(1)体视角和焦深是不可调的，由于人眼瞳距个体差异，人眼的体视角不一定都在12-15°的角度范围内，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。

技术实现要素：

本发明的目的在于发明一种结构简单、成像效果好、体视角和焦深灵活可调的体视显微成像装置及方法，并且能够提升观察者体验度，对样品立体结构进行清晰观看。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种体视显微成像装置，包括从下向上依次设置的LED阵列、样品载物台、显微物镜、第一透镜、第二透镜、立体滤波器、第三透镜、相机，以及计算机；LED阵列的中心位于显微物镜、第一透镜、第二透镜和第三 透镜的中心轴线上，LED阵列和相机均与计算机相连；

将待成像的样品置于样品载物台，计算机向LED阵列发送控制信号，使LED阵列产生两个半径为r个像素点的白色圆形照明光；该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，得到两幅样品图像逐次穿过第一透镜、第二透镜入射至立体滤波器；立体滤波器将两幅样品图像分离，并经过第三透镜后在相机的CCD镜头不同位置成像，得到样品图像的立体显微结构。

优选地，所述LED阵列提供红色、绿色、蓝色、青色、粉色、黄色、白光七种颜色的照明光，每个像素点均可单独点亮，本装置采用白色照明光。

优选地，所述LED阵列距离样品载物台上表面的距离为75～85mm。

优选地，所述第一透镜位于显微物镜的后焦面上，第二透镜和第三透镜组成4f系统，对光路进行延长。

优选地，所述相机的CCD镜头位于第三透镜的后焦面上。

一种基于所述装置的体视显微成像方法，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LED阵列发送控制信号，使LED阵列产生两个半径为r、圆心间距为d的白色圆形照明光，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被显微物镜收集，显微物镜将收集的照明光进行放大成像，得到两幅样品图像逐次穿过第一透镜、第二透镜入射至立体滤波器；

步骤3，立体滤波器将两幅样品图像分离，并经过第三透镜后在相机的CCD镜头不同位置成像；

步骤4，计算机驱动相机对穿过第三透镜的样品图像进行采样，得到样品图像的立体显微结构；

步骤5，通过计算机改变LED阵列的圆形半径r和圆心间距d，从而改变焦深和体视角，以调整观察效果。

优选地，步骤2所述第一透镜位于显微物镜的后焦面上。

优选地，步骤2所述第二透镜和步骤3所述第三透镜组成4f系统，对光路进行延长。

优选地，步骤3所述相机的CCD镜头位于第三透镜的后焦面上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过使用LED阵列辅助用立体滤波器，从而取代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)通过改变LED阵列照明光源的半径r和圆心间距d实现对焦深和体视角的灵活可调，成像效果好、提升观察者体验度。

附图说明

图1是本发明体视显微成像装置的结构示意图。

图2是本发明中LED阵列产生的两个白色圆形照明光示意图。

图3是本发明中LED阵列控制体视角和焦深的原理示意图。

图4是本发明实施例中相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，本发明体视显微成像装置，包括从下向上依次设置的LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、第一透镜4、第二透镜5、立体滤波器6、第三透镜7、相机8，以及计算机9；LED阵列1的中心位于显微物镜3、第一透镜4、第二透镜5和第三透镜7的中心轴线上，LED阵列1和相机8均与计算机9相连；

将待成像的样品置于样品载物台2，计算机9向LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生两个半径为r个像素点的白色圆形照明光；该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，得到两幅样品图像逐次穿过第一透镜4、第二透镜5入射至立体滤波器6；立体滤波器6将两幅样品图像分离，并经过第三透镜7后在相机8的CCD镜头不同位置成像，得到样品图像的立体显微结构。

优选地，所述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，每个像素点均可单独点亮，本装置采用白色照明光。

优选地，所述LED阵列1距离样品载物台2上表面的距离为75～85mm。

优选地，所述第一透镜4位于显微物镜3的后焦面上，第二透镜5和第三透镜7组成4f系统，对光路进行延长。

优选地，所述相机8的CCD镜头位于第三透镜7的后焦面上。

本发明基于所述装置的体视显微成像方法，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9向LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生两个半径为r、圆心间距为d的白色圆形照明光，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，得到两幅样品图像逐次穿过第一透镜4、第二透镜5入射至立体滤波器6；

步骤3，立体滤波器6将两幅样品图像分离，并经过第三透镜7后在相机8的CCD镜头不同位置成像；

步骤4，计算机9驱动相机8对穿过第三透镜7的样品图像进行采样，得到样品图像的立体显微结构；

步骤5，通过计算机9改变LED阵列1的圆形半径r和圆心间距d，从而改变焦深和体视角，以调整观察效果。

优选地，步骤2所述第一透镜4位于显微物镜3的后焦面上。

优选地，步骤2所述第二透镜5和步骤3所述第三透镜7组成4f系统，对光路进行延长。

优选地，步骤3所述相机8的CCD镜头位于第三透镜7的后焦面上。

实施例1

下面结合附图详细介绍该发明装置和实现对样品立体观看的步骤。

(1)结合附图详细介绍该发明装置：

结合图1，本发明基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，包括LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、第一透镜4、第二透镜5、立体滤波器6、第三透镜7、相机8和计算机9；其中LED阵列1、样品载物台2、显微物镜3、第一透镜4、第二透镜5、立体滤波器6、第三透镜7、相机8从下至上依次设置，且LED阵列1的中心位于显微物镜3、透镜的中心轴线上；LED阵列1和相机8均与计算机9连接；

将待成像的样品置于样品载物台2，计算机9向LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生两个半径为r、圆心间距为d的白色圆形照明光，如图2所示，该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经过第一透镜4、第二透镜5、立体滤波器6入射至第三透镜7，计算机9相机8穿过第三透镜7的样品图像进行采样，将相机8采集的样品图像进行可视化处理，观察者即可观看到 样品图像的立体显微结构。

通过使用LED阵列辅助用立体滤波器，从而取代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。另外，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。

LED阵列1，可以提供红色、绿色、蓝色、青色、粉色、黄色、白光七种颜色的照明光，被直接安置在样品载物台2下方，其距离载物台上表面距离h一般在80mm左右，并且LED阵列1的中心处于显微物镜和透镜的中心轴线上。每个像素点均可单独点亮，LED单元板上显示的两个圆形半径r、颜色可控(本实验采用白色)、圆心坐标设定在LED阵列的中央位置，如图2所示。通过计算机7控制照明光源的半径r、圆心间距d以及颜色(本实施例只用到了白色光)可分别实现对焦深和体视角的灵活可控，如图3所示。立体滤波器6的作用是再成像，即将经过显微物镜、第一透镜、第二透镜后所成的两幅图像分开，从而使待测样品的像经过第三透镜后在相机的CCD镜头不同位置成像。第一透镜位于显微物镜的后焦面上，第二透镜和第三透镜组成4f系统，对光路进行延长，相机的CCD镜头位于第三透镜的后焦面上。相机8在计算机9的控制下采集图像，将采集到的图像进行可视化处理，观察者即可实现对样品的立体观看。

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3、透镜的中心轴线。OC即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。

所述立体滤波器6的作用是再成像，即将经过显微物镜3、第一透镜4、第二透镜5后所成的两幅图像分开，从而使待测样品的像经过第三透镜7后在相机8的CCD镜头不同位置成像。所述第一透镜4位于显微物镜3的后焦面上，第二透镜5和第三透镜7组成4f系统，对光路进行延长，相机8的CCD镜头位于第三透镜7的后焦面上。

(2)实现对该装置所呈现的三维物体观看的具体步骤包括：

本发明体视显微成像方法，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9向LED阵列1发送控制信号， 使LED阵列1产生两个半径为r、圆心间距为d的白色圆形照明光，其中r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经过第一透镜4、第二透镜5、立体滤波器6入射至第三透镜7；

步骤3，计算机9驱动相机8对穿过第三透镜7的样品图像进行采样；

步骤4，对步骤3采集到的样品图像经过可视化处理，观察者即可实现对待测试样品的立体显微观看。

步骤5，观察者可通过操作计算机9改变LED阵列1的圆形半径r和圆心间距d，从而改变体视角和焦深，从而实现最佳的观察效果，如图4所示。通过改变LED阵列照明光源的半径r和圆心间距d实现对焦深和体视角的灵活可调，成像效果好、提升观察者体验度。

综上，本发明是采用LED阵列作为照明光源，辅助使用立体滤波器，取代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；通过改变LED阵列照明光源的半径r和圆心间距d实现对焦深和体视角的灵活可调，成像效果好、提升观察者体验度。