CN105158889B - 基于led阵列照明的体视显微成像装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于LED阵列照明的透射体视显微成像装置及其方法，LED阵列作为显微镜成像系统的照明光源，计算机控制电路控制装置使LED阵列显示两个圆形图案，分别以不同角度照射待测样品；两个圆形图案光照之间的夹角构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，该两个圆形图案照明分别对应左右眼的两通道图像，将这两通道图像通过显示器分别显示，观察者佩戴相配套的3D眼镜即可形成所观测物体的三维空间的立体视觉图像。本发明以单通道光路实现了体式显微成像，单通道光路简化了系统设计，有效降低成本；方便实现红/蓝或基于时分复用的三维立体显示/观察方式。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像技术，特别是一种基于LED阵列照明的体视显微成像装置及其方法。
背景技术
体视显微镜又可称为立体显微镜或称作为解剖显微镜，是一种具有正像立体感地目视仪器。在生物、医学领域广泛用于切片操作和显微外科手术；在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。
现有传统体式显微镜的光路结构示意图如图1所示。其利用双通道光路：由一个共用的初级物镜对物体成像后的两光束被两组中间物镜，即变焦镜分开，并组成一定的角度称为体视角，其一般为12-15度。然后再经各自的目镜成像，它的倍率变化是由改变中间镜组之间的距离而获得，利用双通道光路，双目镜筒中的左右两光束不是平行，而是具有一定的夹角，为左右两眼提供一个具有立体感的图像。因此又称为"连续变倍体视显微镜"(Zoom-stereomicroscope)(王良诚,赵建文.连续变倍体视显微镜的设计及性能扩展[J].光学仪器,1996,(1):6-12.)。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置，两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，以此形成三维空间的立体视觉图像。
传统体式显微镜使用方便，操作简便，但是也存在几大问题：(1)双通道光路使得系统变得庞大而复杂，提高了仪器成本。(2)体视角无法自由调节：由于人眼瞳距个体差异较大，采用单一体视角对于一些观察者容易出现双像不能重合的情况，使得观察效果大打折扣。(3)传统体式显微镜只能实现双目观察，无法实现立体视频显示，从而无法同时发挥体视显微技术和数码技术的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LED阵列照明的体视显微成像装置及其方法，以单通道光路实现了体式显微成像，很便捷的观察到所观测物体的三维立体影像。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LED阵列照明的体视显微成像装置及其方法，包括LED阵列、显微镜成像系统、电路控制装置、计算机、显示器、3D眼镜，所述的LED阵列作为显微镜成像系统的照明光源，该显微镜成像系统包括样品载物台、显微物镜、镜筒透镜以及相机，其中透射过样品载物台的光被显微物镜收集，并经过镜筒透镜放大后成像在相机的图像平面；所述的电路控制装置分别与LED阵列、相机、计算机相连接，所述的计算机控制电路控制装置使LED阵列显示两个圆形图案，分别以不同角度照射待测样品；两个圆形图案光照之间的夹角构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，该两个圆形图案照明分别对应左右眼的两通道图像，将这两通道图像通过显示器分别显示，观察者佩戴相配套的3D眼镜即可形成所观测物体的三维空间的立体视觉图像。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用基于LED阵列的双光源照明的方式，以单通道光路实现了体式显微成像，单通道光路简化了系统设计，有效降低成本。(2)双光源可控照明可实现观察体视角、焦深的灵活可调，并可有助于方便实现红/蓝或基于时分复用的三维立体显示/观察方式。其可广泛应于生物医学领域的切片操作；工业检测领域中微小零件和集成电路的观测、装配、检查等，这种三维立体视觉影像可提供所观测样品更大的信息量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是传统体视显微镜装置原理图。
图2是本发明基于LED阵列照明的体视显微成像装置原理图。
图3是本发明所采用LED阵列所显示图案的示意图，其中两个圆心之间的水平间隔为D，半径为R个元素。
图4是本发明双色3D体式显微方案所拍摄到的衍射光学元件样品的显示图像，可以佩戴红蓝3D眼镜观察到立体图像。
图5(a)是本发明偏振式/快门式3D体式显微方案所拍摄到的衍射光学元件样品的显示图像的左眼图像。
图5(b)是本发明偏振式/快门式3D体式显微方案所拍摄到的衍射光学元件样品的显示图像的右眼图像。
具体实施方式
结合图2,本发明基于LED阵列照明的体视显微成像装置，包括LED阵列1、显微镜成像系统2、电路控制装置3、计算机4、显示器5、3D眼镜6，所述显微镜成像系统2包括样品载物台7、显微物镜8、镜筒透镜9以及相机10(彩色或者灰度相机)，其中透射过样品载物台7的光被显微物镜8收集，并经过镜筒透镜9放大后成像在相机10的图像平面。电路控制装置3分别与LED阵列1、相机10、计算机4相连接。显示器5为传统显示器(即一般的CRT或者LCD液晶显示器)、偏振式3D显示器或者快门式3D显示器；3D眼镜6为传统双色3D眼镜、偏振式3D眼镜或者快门式3D眼镜，3D眼镜6与显示器5的显示机理相配套，即如果3D眼镜6采用传统双色3D眼镜，则显示器5为传统显示器即可，如果3D眼镜6采用偏振式或者快门式3D眼镜，则显示器5为偏振式或者快门式3D显示器，以此类推。
LED阵列1作为显微镜的照明光源，其被直接安置在样品载物台7下方，其距离载物台的上表面距离H一般在20-100mm之间，并且LED阵列1的中心处于显微镜成像系统2的光轴上。LED阵列1中单个LED元素为红绿蓝三色LED，其典型波长为红光635nm、绿光525nm和蓝光475nm。每个LED元素之间中心间距典型值为3-10mm。LED阵列1并不需要进行单独加工，一般在市场上可直接购置。其包含呈阵列排列的一组多个LED，这些LED通过固定基板实现物理与电路连接，如表1给出了一个市面上可购置的LED阵列的产品参数。在此LED阵列中，LED元素共有32行、32列，一共1024个，单个LED的亮度在2000cd/m2以上。
表1 LED阵列的物理参数
LED阵列1中每个LED元素均可通过计算机4的主机控制电路控制装置3实现单独点亮，形成不同空间分布的彩色图案。类似地，通过计算机主机4控制电路控制装置3还可实现不同空间分布的彩色图案的快速切换，实现在时间上快速变化的彩色图案。电路控制装置3还用于产生触发脉冲使LED阵列1精确地与相机10实现同步采集。所述的电路控制装置3的具体实现电路方案可以采用(但不限于)单片机、ARM、或者可编程逻辑器件等现有技术即可实现，具体实现方法可参考相关文献，如郭宝增,邓淳苗：基于FPGA的LED显示屏控制系统设计[J].液晶与显示,2010,25(3):424-428。
本发明基于LED阵列照明的体视显微成像方法，以LED阵列1作为显微镜成像系统2的照明光源，通过计算机4控制电路控制装置3使LED阵列1显示两个圆形图案，分别以不同角度照射待测样品；两个圆形图案光照之间的夹角构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，该两个圆形图案照明分别对应左右眼的两通道图像，将这两通道图像通过显示器5分别显示，观察者佩戴相配套的3D眼镜6即可形成所观测物体的三维空间的立体视觉图像；如果显示器5为传统显示器，3D眼镜6为传统双色3D眼镜，通过双色3D体式显微实现体视显微成像；如果显示器5为偏振式或者快门式3D显示器，且3D眼镜6为偏振式或者快门式3D眼镜，通过偏振式或快门式3D体式显微实现体视显微成像。这两种方案的共同点为它们均在LED阵列中(同时或者先后)显示两个圆形图案以获得两个不同角度照明物体所得到的左右眼图像，这也是本发明的创造性所在。
其中双色3D体式显微实现体视显微成像的步骤如下：
第一步，采用LED阵列1作为显微镜成像系统2的光源，通过计算机4控制电路控制装置3显示圆心水平间隔为D，半径为R个LED元素的两个圆形图案；针对3D眼镜6是传统双色3D眼镜(如红蓝时)，则两个圆形图案其中一个为红色，一个为蓝色；同理，针对3D眼镜6是红绿3D眼镜的情况，则两个圆形图案一个为红色，一个为绿色；控制两个圆形图案的圆心的水平间隔为D可实现对体视角θ的控制：θ＝arctanD/2H，其中H为LED阵列1距离样品载物台7上表面距离；控制两个圆心的半径R可实现对于照明数值孔径角θNA的控制：θNA＝arctanR/H，数值孔径角θNA反比于焦深。
第二步，在显示器5上显示相机10拍摄到的彩色图像。
第三步，观察者佩戴3D眼镜6即可观察到样品的立体图像。
上述双色3D体式显微方案中显示器5为传统显示器(即一般的CRT或者LCD液晶显示器)，3D眼镜6为传统双色3D眼镜。作为实施的结果，图4给出了采用是本发明双色3D体式显微方案所拍摄到的衍射光学元件样品的显示图像，将其显示在传统显示器上，并佩戴红蓝3D眼镜即可观察到清晰的立体图像。
通过偏振式或快门式3D体式显微实现体视显微成像的步骤如下：
第一步，采用LED阵列1作为显微镜成像系统2的光源，通过计算机4控制电路控制装置3显示圆心水平间隔为D，半径为R个元素的两个圆形图案，二者颜色相同，为红、绿或蓝，或者是红绿蓝混合中的任何一种；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，其中H为LED阵列1距离样品载物台7上表面距离；控制两个圆心的半径R可实现对于照明数值孔径角θNA的控制：θNA＝arctanR/H。
第二步，通过计算机4控制电路控制装置3实现两个圆形图案交替点亮，即在某一个时刻LED阵列1中只有一个圆形图案是点亮的。
第三步，相机10与LED阵列1利用电路控制装置3产生的触发信号保持同步，拍摄到分别对应于两个圆形图案照明时的显微图像，并输入给显示器5分别作为左右眼图像显示。这里将左右眼图像输入给3D显示器进行分别显示为现有技术，具体实现方法可参考方勇,吕国强,彭良清等：3D显示器视频转换系统设计及其FPGA实现[J].液晶与显示,2007,22(1):94-98。
第四步，观察者佩戴相对应的3D眼镜6即可观察到样品的立体图像。
上述偏振式/快门式3D体式显微方案中显示器5为偏振式或者快门式3D显示器，且3D眼镜6为偏振式或者快门式3D眼镜。作为实施的结果，图5(a)与5(b)分别给出了本发明偏振式/快门式3D体式显微方案中摄像机10所拍摄到的衍射光学元件样品的显示图像的左眼图像与右眼图像。将其输入给偏振式3D显示器或者快门式3D显示器分别作为左右眼图像分别显示并相应的偏振式3D眼镜或者快门式3D眼镜即可观察到清晰的立体图像。
Claims (2)
1.一种基于LED阵列照明的体视显微成像方法，其特征在于以LED阵列(1)作为显微镜成像系统(2)的照明光源，通过计算机(4)控制电路控制装置(3)使LED阵列(1)显示两个圆形图案，分别以不同角度照射待测样品；两个圆形图案光照之间的夹角构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，该两个圆形图案照明分别对应左右眼的两通道图像，将这两通道图像通过显示器(5)分别显示，观察者佩戴相配套的3D眼镜(6)即可形成所观测物体的三维空间的立体视觉图像；如果显示器(5)为传统显示器，3D眼镜(6)为传统双色3D眼镜，通过双色3D体式显微实现体视显微成像；如果显示器(5)为偏振式或者快门式3D显示器，且3D眼镜(6)为偏振式或者快门式3D眼镜，通过偏振式或快门式3D体式显微实现体视显微成像；
双色3D体式显微实现体视显微成像的步骤如下：
第一步，采用LED阵列(1)作为显微镜成像系统(2)的光源，通过计算机(4)控制电路控制装置(3)显示圆心水平间隔为D，半径为R个LED元素的两个圆形图案；针对3D眼镜(6)是传统双色3D眼镜，则两个圆形图案其中一个为红色，一个为蓝色；同理，针对3D眼镜(6)是红绿3D眼镜的情况，则两个圆形图案一个为红色，一个为绿色；控制两个圆形图案的圆心的水平间隔为D可实现对体视角θ的控制：θ＝arctan D/2H，其中H为LED阵列(1)距离样品载物台(7)上表面距离；控制两个圆心的半径R可实现对于照明数值孔径角θNA的控制：θNA＝arctanR/H，数值孔径角θNA反比于焦深；
第二步，在显示器(5)上显示相机(10)拍摄到的彩色图像；
第三步，观察者佩戴3D眼镜(6)即可观察到样品的立体图像。
2.根据权利要求1所述的基于LED阵列照明的体视显微成像方法，其特征在于通过偏振式或快门式3D体式显微实现体视显微成像的步骤如下：
第一步，采用LED阵列(1)作为显微镜成像系统(2)的光源，通过计算机(4)控制电路控制装置(3)显示圆心水平间隔为D，半径为R个元素的两个圆形图案，二者颜色相同，为红、绿或蓝，或者是红绿蓝混合中的任何一种；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＝arctan D/2H，其中H为LED阵列1距离样品载物台(7)上表面距离；控制两个圆心的半径R可实现对于照明数值孔径角θNA的控制：θNA＝arctan R/H；
第二步，通过计算机(4)控制电路控制装置(3)实现两个圆形图案交替点亮，即在某一个时刻LED阵列(1)中只有一个圆形图案是点亮的；
第三步，相机(10)与LED阵列(1)利用电路控制装置(3)产生的触发信号保持同步，拍摄到分别对应于两个圆形图案照明时的显微图像，并输入给显示器(5)分别作为左右眼图像显示；
第四步，观察者佩戴相对应的3D眼镜(6)即可观察到样品的立体图像。
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