CN106680271A - 基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置及方法 - Google Patents

基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置及方法。该装置包括从下至上依次设置的LED阵列、样品载物台、物镜、空间光调制器、透镜、相机，还包括计算机和3D显示器；其中LED阵列的中心位于物镜、透镜的中心轴线上；LED阵列、空间光调制器和相机均与计算机连接。方法为：将待成像的样品置于样品载物台，计算机控制LED阵列产生白色圆形照明光，透过样品载物台被物镜收集，并进行放大成像后经过空间光调制器后入射至透镜，计算机驱动相机对穿过透镜的样品图像进行采样，相机将采集的样品图像输入3D显示屏，观察者即可对样品图像进行立体显微观看。本发明装置简单、不需要佩戴3D眼镜、成像效果好、提升观察者体验度，能够对样品立体结构进行清晰观看。

Description

基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置及方法
技术领域
本发明属于光学显微立体成像技术领域，特别是一种基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置及方法。
背景介绍
随着人类观察物质世界向着微米、纳米尺度迈进，对微小物体三维观测的需要推动着立体显微成像技术的发展。现有传统立体显微镜，其核心思路是模拟人眼的双目视差形成立体成像。人类感知自然界深度是由于左、右眼观看真实世界有轻微的差异造成的，人的双眼有4～6cm的距离，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，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。这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉，我们看到的是有景深的图像。人们对物体的三维立体视觉是由双眼视差产生的，所以一切能使人眼产生双眼视差的光学装置或结构就能产生三维立体视觉。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度～15度的目镜组成像，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)由于人眼瞳距个体差异，人眼的体视角不一定都在12度～15度的角度范围内，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；(3)成像视野小，成像质量较差，不可以观看到物体的详细信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装置简单、不需要佩戴3D眼镜、成像效果好、提升观察者体验度的裸眼立体显微成像装置及方法，以实现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：一种基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，包括LED阵列、样品载物台、物镜、空间光调制器、透镜、相机、计算机和3D显示器；其中LED阵列、样品载物台、物镜、空间光调制器、透镜、相机从下至上依次设置，且LED阵列的中心位于物镜、透镜的中心轴线上；LED阵列、空间光调制器和相机均与计算机连接；
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物镜收集，物镜将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器入射至透镜，计算机驱动相机对穿过透镜的样品图像进行采样，相机将采集的样品图像输入3D显示器进行显示，观察者通过观看3D显示器即可观看到样品图像的立体显微结构。
优选地，所述LED阵列采用P4系列LED阵列，P4系列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，本装置采用白色照明光；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LED阵列距离样品载物台上表面的距离为75～85mm。
优选地，所述空间光调制器在随时间变化的电驱动信号控制下，改变空间上光分布的振幅、相位、偏振态以及波长；通过计算机控制空间光调制器，使空间光调制器一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构；通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向，空间光调制器设置于物镜的后焦面上，将物镜所成的像分开，从而在相机的CCD镜头不同位置成像。
优选地，所述相机的CCD镜头位于透镜的后焦面上。
一种基于空间光调制器的裸眼立体显微成像方法，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阵列产生半径为R的白色圆形照明光，其中R为像素点的个数；
步骤2，计算机控制空间光调制器：使空间光调制器一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向；
步骤3，步骤1产生的照明光透过样品载物台被物镜收集，物镜将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器入射至透镜；
步骤4，计算机驱动相机对穿过透镜的样品图像进行采样，相机将采集的样品图像输入3D显示器进行显示；
步骤5，观察者通过观看3D显示器即可实现对待测试样品的立体显微观看。
优选地，步骤3所述空间光调制器设置于物镜的后焦面上，将物镜所成的像分开，从而在相机的CCD镜头不同位置成像。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过在显微镜物镜后焦面上加入空间光调制器，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)通过将相机采集到的图像传到3D显示器上，从而可以实现对样品立体结构的清晰观看(4)不需要佩戴3D眼镜、成像效果好、提升观察者体验度。
附图说明
图1是本发明基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置的结构示意图。
图2是本发明中LED阵列产生的白色圆形照明光示意图。
图3是本发明中经计算机调制后的空间光调制器的结构示意图。
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、物镜3、空间光调制器4、透镜5、相机6、计算机7和3D显示器8；其中LED阵列1、样品载物台2、物镜3、空间光调制器4、透镜5、相机6从下至上依次设置，且LED阵列1的中心位于物镜3、透镜5的中心轴线上；LED阵列1、空间光调制器4和相机6均与计算机7连接；
将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生半径为R个像素点的白色圆形照明光，如图2所示，该照明光透过样品载物台2被物镜3收集，物镜3将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器4入射至透镜5，计算机7驱动相机6对穿过透镜5的样品图像进行采样，相机6将采集的样品图像输入3D显示器8进行显示，观察者通过观看3D显示器8即可观看到样品图像的立体显微结构。
优选地，所述LED阵列1采用P4系列LED阵列，P4系列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，本装置采用白色照明光；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。
优选的，所述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，如图3所示，空间光调制器4可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。本装置中，通过计算机控制空间光调制器：使其一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，用复振幅表示光波W的方程为W＝Aeiφ，其中A代表光波的振幅，φ代表光波的相位即方向，光栅可以改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向。空间光调制器4设置于物镜3的后焦面上，将物镜3所成的像分开，从而在相机6的CCD镜头不同位置成像。
进一步地，所述相机6的CCD镜头位于透镜5的后焦面上。
本发明基于空间光调制器的裸眼立体显微成像方法，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LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生半径为R的白色圆形照明光，其中R为像素点的个数；
步骤2，计算机7控制空间光调制器4：使空间光调制器4一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向；
步骤3，步骤1产生的照明光透过样品载物台2被物镜3收集，物镜3将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器4入射至透镜5；
步骤4，计算机7驱动相机6对穿过透镜5的样品图像进行采样，相机6将采集的样品图像输入3D显示器8进行显示；
步骤5，观察者通过观看3D显示器8即可实现对待测试样品的立体显微观看。
步骤3所述空间光调制器4设置于物镜3的后焦面上，将物镜3所成的像分开，从而在相机6的CCD镜头不同位置成像。
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，本发明的基于空间光调制器的立体显微成像装置，包括P4系列LED阵列1、样品载物台2、物镜3、空间光调制器4、透镜5、相机6、计算机7和3D显示器8。其中P4系列LED阵列1安装于样品载物台2下方，距样品载物台2上表面约80mm左右且其中心位于物镜3以及透镜5的中心轴线上。计算机7控制P4系列LED阵列1产生所需半径R(这里的半径R指像素点个数)的白色照明光，产生的白色照明光透过样品载物台2被物镜3收集，然后经过放大处理成像后被空间光调制器4分光，再经透镜5的进一步成像处理，在计算机7的控制下驱动相机6采图。计算机7与P4系列LED阵列1、空间光调制器4和相机6相连，通过软件系统实现对其控制。
P4系列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。P4系列LED阵列1(单元板尺寸128mm*128mm，像素个数32*32，像素间距4mm)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P4系列LED阵列1的中心处于显微镜光学系统的光轴上。每个像素点均可单独点亮，在P4系列LED单元板上显示的圆形半径R、颜色可控、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以及颜色，本实施例只用到了白色光。空间光调制器4置于物镜的后焦面上，可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。本装置中，通过计算机编程控制空间光调制器：使其一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，光栅可以改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向，空间光调制器设置于物镜的后焦面上，将物镜所成的像分开，从而在相机CCD的不同位置成像，如图3所示。透镜5为镜筒透镜，实现对所成像的进一步放大以及处理。相机6在计算机7的控制下采集图像，显示在3D显示器上，观察者通过观看3D显示器即可实现对样品的立体观看。
(2)实现对该装置所呈现的三维物体观看的具体步骤包括：
步骤1，将待成像的样品置于样品载物台2，计算机7向LED阵列1发送控制信号，使LED阵列1产生半径为R的白色圆形照明光，其中R为像素点的个数；
步骤2，计算机7控制空间光调制器4：使空间光调制器4一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向；
步骤3，步骤1产生的照明光透过样品载物台2被物镜3收集，物镜3将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器4入射至透镜5；所述空间光调制器4设置于物镜3的后焦面上，将物镜3所成的像分开，从而在相机6的CCD镜头不同位置成像；
步骤4，计算机7驱动相机6对穿过透镜5的样品图像进行采样，相机6将采集的样品图像输入3D显示器8进行显示；
步骤5，观察者通过观看3D显示器8即可实现对待测试样品的立体显微观看。
本发明中，通过计算机控制空间光调制器4：使其一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，如图3所示，光栅可以改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向，空间光调制器4设置于物镜3的后焦面上，透镜5为镜筒透镜，实现对所成像的进一步放大以及处理。相机6在计算机7的控制下采集图像，由于空间光调制器4的调制作用使得在相机6的CCD镜头不同位置拍摄到同一物体的两幅图像，如图4所示。显示在3D显示器上，观察者通过观看3D显示器即可实现对样品的立体观看。
综上，本发明通过在显微镜物镜后焦面上加入空间光调制器，从而取代传统立体显微镜的双光路，简化了系统设计、降低了成本、提高了成像质量；通过采用P4系列LED阵列作为照明光源，实现对显微镜焦深的灵活可调，系统本身自带光源，受外界干扰较小；通过将相机采集到的图像传到3D显示屏，不需要佩戴3D眼镜、成像效果好、提升观察者体验度，能够对样品立体结构进行清晰观看。

Claims (7)

1.一种基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，其特征在于，包括LED阵列(1)、样品载物台(2)、物镜(3)、空间光调制器(4)、透镜(5)、相机(6)、计算机(7)和3D显示器(8)；其中LED阵列(1)、样品载物台(2)、物镜(3)、空间光调制器(4)、透镜(5)、相机(6)从下至上依次设置，且LED阵列(1)的中心位于物镜(3)、透镜(5)的中心轴线上；LED阵列(1)、空间光调制器(4)和相机(6)均与计算机(7)连接；
将待成像的样品置于样品载物台(2)，计算机(7)向LED阵列(1)发送控制信号，使LED阵列(1)产生半径为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)被物镜(3)收集，物镜(3)将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器(4)入射至透镜(5)，计算机(7)驱动相机(6)对穿过透镜(5)的样品图像进行采样，相机(6)将采集的样品图像输入3D显示器(8)进行显示，观察者通过观看3D显示器(8)即可观看到样品图像的立体显微结构。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，其特征在于，所述LED阵列(1)采用P4系列LED阵列，P4系列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，本装置采用白色照明光；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。
3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，其特征在于，所述LED阵列(1)距离样品载物台(2)上表面的距离为75～85mm。
4.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，其特征在于，所述空间光调制器(4)在随时间变化的电驱动信号控制下，改变空间上光分布的振幅、相位、偏振态以及波长；通过计算机(7)控制空间光调制器(4)，使空间光调制器(4)一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构；通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向，空间光调制器(4)设置于物镜(3)的后焦面上，将物镜(3)所成的像分开，从而在相机(6)的CCD镜头不同位置成像。
5.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像装置，其特征在于，所述相机(6)的CCD镜头位于透镜(5)的后焦面上。
6.一种基于权利要求1所述装置的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像方法，其特征在于，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LED阵列(1)发送控制信号，使LED阵列(1)产生半径为R的白色圆形照明光，其中R为像素点的个数；
步骤2，计算机(7)控制空间光调制器(4)：使空间光调制器(4)一半为光栅结构，一半为不携带载频信息结构，通过光栅改变透过光的相位信息，从而改变光的传播方向；
步骤3，步骤1产生的照明光透过样品载物台(2)被物镜(3)收集，物镜(3)将收集的照明光进行放大成像后经过空间光调制器(4)入射至透镜(5)；
步骤4，计算机(7)驱动相机(6)对穿过透镜(5)的样品图像进行采样，相机(6)将采集的样品图像输入3D显示器(8)进行显示；
步骤5，观察者通过观看3D显示器(8)即可实现对待测试样品的立体显微观看。
7.根据权利要求6所述的基于空间光调制器的裸眼立体显微成像方法，其特征在于，步骤3所述空间光调制器(4)设置于物镜(3)的后焦面上，将物镜(3)所成的像分开，从而在相机(6)的CCD镜头不同位置成像。
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