专利名称：立体成像光学组件及基于单物镜的数字三维立体显微系统的制作方法
技术领域：
立体成像光学组件及基于单物镜的数字三维立体显微系统技术领域：
本实用新型涉及立体显微镜领域，具体为一种采用单物镜双光路视差数字三维立体(3D)显微成像及显示的立体成像光学组件及基于单物镜的数字三维立体显微系统。
背景技术：
立体显微镜是由不同功能的透镜和显微镜机械本体共同组合而，其可以将受观察的微小物体形成放大、且正立的三维立体空间影像。在观察眼睛无法直接看到的微小物体和物体微细构造等方面，立体显微镜具有其它任何显微装置无法替代的效果。而且，迄今为止，一直是人类认识与操纵微观世界的主要手段之一。但是，传统的立体显微镜以一对目镜来输出影像，为了观看到清晰的立体影像，要求观看者双目的瞳孔要与显微镜目镜的出瞳重合。这就使得观看者的体位受到严重的限制，观看者的眼睛和肌体非常容易疲劳。长期使用者由于长时间处于同一静止体位状态，因 此极其容易患上颈椎、腰椎等方面的疾病。为此，世界各国研究者和立体显微镜生产商一直致力于新型立体显微镜的研究与开发，目的在于设计出符合人体工程学要求的立体显微镜，从而消除长时间观察引起的视觉和身体疲劳。在20世纪90年代的中国以及早在80年代末的其它世界范围内，显微镜的研究与制造商为显微系统增加了一套电视摄像装置，借助CXD摄像机将显微图像在平面的显示器或者监视器上显示出来，从一定程度上解决了一些问题。但是，由于这种方式只能显示平面的显微图像，所以仅仅从显示器或者电视机上是无法观看到显微立体图像的。因此，只能作为对显微对象的定性的粗略观看或观看范围的搜索之用，尚无法通过观看电视图像对微小物体进行操作，最终还必须用双筒目镜来观看和操纵微观物体。彻底解决显微系统的人机接口一直是世界各国相关研究者和制造商努力的方向。进入21世纪以来，西方先进的光学仪器生产企业中，少数企业采用了立体图像技术，希望能从根本上解决体视显微镜存在的人体工程学方面的问题。在西方发达国家中，少数的世界著名的光学仪器企业先后推出一些具有新型人机接口的显微装置。英国的Vision公司采用视野扩展技术(Expand pupil)研制了无目镜的体视显微镜，扩大显微镜出瞳的工作距离，使观看者可以在一定的范围内自由观看，从而在一定程度上消除了视觉疲劳，使操作者头部和躯干活动自如。采用各种可行的技术，使得体视显微镜在使用过程中，观看者的双眼摆脱目镜的束缚，这是体视显微技术在数字化时代的必然发展趋势。目前传统的体视显微镜在生物、医学、矿产、公安、检察等领域得到了广泛的应用，开发打破传统体视显微概念的数字式体视显微系统，必将对各相关应用领域带来革命性的影响；同时，由于它突破了现有体视显微镜的人机方式和观察效果，也将有效地扩展该产品的应用领域及范围，其市场前景是不言而喻的，具有良好的社会效益与经济效益。然而现有实现显微镜立体视显微技术存在局限，且不够成熟，实现起来也非常困难。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对以上所述现有技术存在的不足，提供一种总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像的立体成像光学组件。本实用新型的另一目的是以现有显微光学技术为基础，结合数字三维立体(3D)成像技术，数字化立体显微系统的一种基于单物镜 的数字三维立体显微系统，其显微的三维立体图像以双筒目镜、立体液晶显示器、大屏幕立体投影系统或者头戴式立体显示设备等几种方式作为人机接口。为达到上述目的，本实用新型的技术方案是立体成像光学组件，包括显微物镜组和分光组件，所述显微物镜组生成的实像经分光组件分成单独的两路，所述显微物镜组内的两个物镜组的光轴互相成可调的夹角，从而形成立体视差可调的一对光学像，对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。本实用新型构成对微小物体的显微成像，为目镜组和图像传感器提供关于微小物体的正立放大的实像。所述显微物镜组可以是由单物镜组构成，将物方平面上的物体成像于物镜的像方焦平面上，形成正立的实像。所述显微物镜组的实像经分光组件分成单独的两路后再经转像光学组由目镜组成像，形成完整的物镜-目镜组合的显微光学系统。两路上述显微光学系统组合使用，相互独立并从不同方位观看目标成像。一种基于单物镜的数字三维立体显微系统，其包括立体成像光学组件、三维立体图像数字模块、三维立体图像输出显示模块，所述立体成像光学组件的成像经三维立体图像数字模块处理后，由所述三维立体图像输出显示模块进行显示。所述立体成像光学组件，包括显微物镜组和分光组件，所述显微物镜组生成的实像经分光组件分成单独的两路，所述显微物镜组内的两个物镜组的光轴互相成可调的夹角，从而形成立体视差可调的一对光学像，对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。本实用新型构成对微小物体的显微成像，为目镜组和图像传感器提供关于微小物体的正立放大的实像。所述显微物镜组可以是由单物镜组构成，将物方平面上的物体成像于物镜的像方焦平面上，形成正立的实像。所述显微物镜组的实像经分光组件分成单独的两路后再经转像光学组由目镜组成像，形成完整的物镜-目镜组合的显微光学系统。两路上述的显微光学系统组合使用，相互独立并从不同方位对观看目标成像。所述三维立体图像数字模块包括分别接收所述两个分光组件光路成像的两个电子成像组件和用于处理所述两个电子成像组件中成像的数字三维图像处理系统。分光组件以及电子立体成像组件为后续电路提供原始的立体图像信号。其中分光组件将显微物镜的图像进行分路，为电子成像组件提供可进行放大倍率调节的实像；电子成像组件将光学图像转换成高分辨率的数字三维立体图像信号；数字三维图像处理系统则对数字三维立体图像信号作处理及优化，对三维立体图像信号输出接口起到阻抗匹配和图像合成的作用，数字三维图像处理系统的另一个作用是，对原始的立体图像信号进行格式转换，从而适应不同格式要求的立体图像显示装置。所述三维立体图像输出显示模块，包括配套使用的时分立体眼镜的高刷新率的立体液晶显示屏器和大屏幕立体图像显示系统；所述大屏幕立体投影系统包括偏振式立体投影机和时分式快门立体投影机、也可以输出给头戴式立体显示设备显示。其中可以依托于立体视差显示原理。与现有技术相比，本实用新型有如下优点结合数字三维立体(3D)成像技术和数字化立体显微技术，将其显微的三维立体图像以双筒目镜、立体液晶显示器、大屏幕立体投影系统或者头戴式立体显示设备等几种方式作为人机接口 ；对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。
图I是本实用新型基于单物镜的数字三维立体显微系统的原理框图；图2是本实用新型基于单物镜的数字三维立体显微系统的所依赖的体视显微镜示意图；图3是本实用新型基于单物镜的数字三维立体显微系统中立体成像光学组件的成像光学原理图；图4是本实用新型基于单物镜的数字三维立体显微系统中三维立体图像数字模块的电路原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细的说明。立体成像光学组件，如图2和图3所示，包括显微物镜组5和分光组件4，所述显微物镜组5生成的实像经分光组件4分成单独的两路，所述显微物镜组5内的两个物镜组的光轴互相成可调的夹角，从而形成立体视差可调的一对光学像，对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。本实用新型构成对微小物体的显微成像，为目镜组和图像传感器提供关于微小物体的正立放大的实像。所述显微物镜组5可以是由单物镜组16构成，将物方共轭平面上的物体17成像于物镜的像方平面上，形成正立的实像。所述物体17 —般放置于载物台7上，所述显微物镜组5与镜臂6连接。所述显微物镜组5的实像经分光组件4分成单独的两路后再经转像光学组由目镜成像，形成完整的物镜-目镜组合的显微光学系统。两路上述的显微光学系统组合使用，相互独立并从不同方位观看目标成像。所述分光组件4可以是由两个成像物镜15组成。所述成像物镜组15的光路经半透半反棱镜组14、自聚焦光路13和0. 75倍物镜组12进入图像传感器11。所述成像物镜组15的光路经半透半反棱镜组14、全反棱镜10、转像镜9进入f25目镜组8。一种基于单物镜的数字三维立体显微系统，如图I所示，其包括立体成像光学组件、三维立体图像数字模块、三维立体图像输出显示模块，所述立体成像光学组件的成像经三维立体图像数字模块处理后，由所述三维立体图像输出显示模块进行显示。所述立体成像光学组件，包括显微物镜组和分光组件，所述显微物镜组生成的实像经分光组件分成单独的两路，所述显微物镜组内的两个物镜的光轴互相成可调的夹角，从而形成立体视差可调的一对光学像，对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。本实用新型构成对微小物体的显微成像，为目镜组和图像传感器提供关于微小物体的正立放大的实像。所述显微物镜组可以是由单物镜组构成，将物方平面上的物体成像于物镜的像方焦平面上，形成正立的实像。所述显微物镜组的实像经分光组件分成单独的两路后再经转像光学组后由目镜成像，形成完整的物镜-目镜组合的显微光学系统。两路上述的显微光学系统组合使用，相互独立并从不同方位对观看目标成像。所述三维立体图像数字模块包括分别接收所述两个分光组件成像的两个电子成像组件和用于处理所述两个电子成像组件中成像的数字三维图像处理系统。分光组件及电子立体成像组件为后续电路提供原始的立体图像信号。其中分像组件将显微物镜的图像进行分路，为电子成像组件提供可进行放大倍率调节的实像；电子成像组件将光学图像转换成高分辨率的数字三维立体图像信号；数字三维图像处理系统，则对数字三维立体图像信 号作处理及优化，对三维立体图像信号输出接口起到阻抗匹配和图像合成的作用，数字三维图像处理系统的另一个作用是，对原始的立体图像信号进行格式转换，从而适应不同格式要求的立体图像显示装置。所述电子立体成像组件在物镜组的像方合适的位置，布置分光组件，将双光路成像物镜组的光线分别分成两部分.并经由电子成像组件中的成像透镜部分，将来物镜组的无穷远处的虚像转换成实像并投影于图像传感器的感光面。采用Omnivision公司的高分辨率CMOS图像传感器芯片，设计成高集成化、重量轻的双路图像传感电路。两路电路在同一时序驱动下工作，以并行方式输出同步的立体图像信号。数字三维图像处理系统包括图像信号缓冲、初级图像处理、图像匹配、图像合成、图像输出接口等电路。电路原理框图如图2所示。双路数字RGB信号及同步信号(帧同步、行同步信号)直接输入数字三维图像处理系统，其中帧同步信号经相位检测后得到两路信号的帧脉冲相位差，再由延时电路对其中一路信号进行延时处理，最后两幅人工同步视频RGB信号送入图像处理单元。延时电路同时产生帧同步脉冲信号直接输出。数字三维图像处理系统经初级图像处理、图像匹配、图像合成后得到立体图像信号，该信号经立体显示接口输出。数字三维图像处理系统的具体设计还包括以下几个辅助电路多种类信号接收电路、预处理、图像同步电路、图像合成电路、电源电路等。三维立体图像输出显示模块是数字三维图像处理系统的输出立体视频信号，通过纯数字接口电缆连接至高刷新率液晶显示屏的双通道数字视频的纯数字接口。高刷新率液晶显示屏使用刷新率至少为120Hz，分辨率至少为1680*1050的商用液晶显示屏(IXD)，配合时分立体眼镜可时时观看三维立体影像。还可以输出信号直接用于投影式大屏幕立体图像显示系统的显示.大屏幕立体投影系统接受来自数字三维图像处理系统的图像信号流，并将立体图像投影形成大屏幕图像，图像对角线尺寸在40-100英寸之间，可由用户自由选择。大屏幕立体投影系统，可以供多人观看，适合教学、演示等场合。大屏幕立体投影系统包括偏振式立体投影机和时分式快门立体投影机。所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明内容所作的简单的等效变化与修 饰，皆仍属本实用新型专利涵盖的范围内。
权利要求1.立体成像光学组件，包括显微物镜组和分光组件，其特征在于，所述显微物镜组生成的实像经分光组件分成单独的两路，所述显微物镜组内的两个物镜的光轴互相成可调的夹角。
2.根据权利要求I所述的立体成像光学组件，其特征在于，所述显微物镜组是由单物镜组构成，将物方平面上的物体成像于物镜的像方焦平面上，形成正立的实像。
3.根据权利要求2所述的立体成像光学组件，其特征在于，所述显微物镜组的实像经分光组件分成单独的两路后再经转像光学组后由目镜成像，形成完整的物镜-目镜组合的显微光学系统。
4.带有根据权利要求1-3任一所述的立体成像光学组件的基于单物镜的数字三维立体显微系统，其特征在于，其包括立体成像光学组件和三维立体图像输出显示模块，所述立体成像光学组件的成像由所述三维立体图像输出显示模块进行显示。
5.根据权利要求4所述的基于单物镜的数字三维立体显微系统，其特征在于，所述三维立体图像输出显示模块，包括配套使用时分立体眼镜的高刷新率的立体液晶显示屏和大屏幕立体图像显示系统。
6.根据权利要求5所述的基于单物镜的数字三维立体显微系统，其特征在于，所述大屏幕立体投影系统包括偏振式立体投影机和时分式快门立体投影机或者头戴式立体显示设备显示。
专利摘要本实用新型公开一种基于单物镜的数字三维立体显微系统，其包括立体成像光学组件、三维立体图像数字模块、三维立体图像输出显示模块，所述立体成像光学组件的成像经三维立体图像数字模块处理后，由所述三维立体图像输出显示模块进行显示。本实用新型有如下优点结合数字三维立体(3D)成像技术和数字化立体显微技术，将其显微的三维立体图像以双筒目镜、立体液晶显示器、大屏幕立体投影系统或者头戴式立体显示设备等几种方式作为人机接口；对于不同深度的观察物体，双目图像总是具有允许范围内视差的立体图像对，从而总是能在立体液晶显示器上显示理想的立体图像。
文档编号H04N13/00GK202548430SQ20112052501
公开日2012年11月21日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者俞小进, 冯志坚, 曾德祥, 李建奇 申请人:南京大学, 广州博冠企业有限公司