CN111480104A - 具有单物镜的立体显微镜 - Google Patents

Abstract

一种在具有包括孔径的物镜配件的显微镜中使用的配件。该配件包括透镜和分光器。该透镜和分光器被配置成在两条光学路径中的每一条路径上形成相应的孔径图像。该配件进一步包括位于每一条光学路径上的光阑结构。每一个光阑结构都位于相应孔径图像的平面上，由此将会阻挡相应孔径图像的一部分，以便提供出射光瞳，由此可以通过组合可通过每一个出射光瞳看到的物体图像来产生通过显微镜查看的物体的立体图像。该配件进一步包括两个图像感测器以及数字图像处理器。每一个图像感测器都被配置成捕获可通过相应出射光瞳看到的图像并输出数字图像。该数字图像处理器被配置成对由每个图像感测器输出的相应数字图像应用校正，校正基于相应光阑结构的位置。

Description

具有单物镜的立体显微镜

技术领域

本发明涉及立体显微镜。特别地，本发明涉及一种用于显微镜的配件，并入了该配件的立体显微镜，以及一种使用该配件来改装显微镜的方法。

背景技术

为了帮助描述背景技术以及本公开，现在将定义若干术语：

“单目”——(图像)在观察者看来是“平坦”或2D的，或者(设备)产生单目图像；

“立体”——(图像)在观察者看来具有深度或者是3D的，或者(设备)产生立体图像；

单眼——只用一只眼睛查看；

双眼——使用双眼查看。

图1示出了一个典型的单眼用单目复合显微镜(没有按比例缩放——为了清晰起见减小了长度)。该显微镜包括具有孔径光阑102的物镜配件101(通常是由若干个复杂透镜组成的复合透镜)。该物镜配件101被配置成致使其在无穷远处产生物体111的图像。镜筒透镜103聚焦来自物镜配件101的光，以便在显微镜内部产生中间图像112。目镜104放大该中间图像112，由此产生更大的虚像。这个虚像是通过出射光瞳113的，该虚像是孔径光阑102的缩小图像。

通过以并排以及彼此成角度的方式来有效放置图1的两个显微镜可以提供一个简单的双眼立体显微镜，以便提供立体感所需要的视差。然而，由于物镜配件101体积庞大，显微镜的工作距离(也就是物镜配件101与物体111之间的距离)必须很大，以便有足够的空间来并排放置物镜配件101。显微镜的解析度与光圈和景深是负相关的，因此，具有这种结构的立体显微镜无法提供单眼单显微镜的有效倍率。

图2示出了一个双眼单目显微镜——也就是产生可以用双眼查看的单目图像的显微镜。物镜配件201、孔径202以及镜筒透镜203与单眼单目显微镜中的配件是等同的。在显微镜镜筒内部提供了一个分光器221，由此沿着两条路径来分离光。每一条路径都包括目镜204和反射镜224，其被布置成将光引导至观察者，以及确保每一条路径的长度都是相同的。在每一条路径上都会产生单独的中间图像212，并且每一条路径都具有自己的出射光瞳214——其被定位成致使观看者可以将眼睛放在光瞳处，以便查看该图像。

使用双眼单目显微镜的体验就像看照片一样——观察者能用双眼看到图像，然而，视差是不存在的，因此没有深度资讯并且很难确定图像特征的高度。如此一来，双眼单目系统对于使用者而言有可能更为舒适，但其并未复制立体系统在深度感知方面的优点。然而，由于仅仅使用了单个物镜配件，因此，孔径和放大倍率并未受到与立体显微镜相同的限制。

发明内容

根据本发明的第一个方面，所提供的是一种在具有包括孔径的物镜配件的显微镜中使用的配件。该配件包括透镜和分光器。该透镜和分光器被配置成在两条光学路径中的每一条路径上形成相应的孔径图像。该配件进一步包括位于每一条光学路径上的光阑结构。每一个光阑结构都位于相应孔径图像的平面上，由此将会阻挡相应孔径图像的一部分，以便提供出射光瞳，由此可以通过组合可通过每一个出射光瞳看到的物体图像来产生通过显微镜查看的物体的立体图像。该配件进一步包括两个图像感测器以及数字图像处理器。每一个图像感测器都被配置成捕获可通过相应出射光瞳看到的图像并输出数字图像。所述数字图像处理器被配置成对每个图像感测器输出的相应数字图像应用校正，该校正基于相应光阑结构的位置。

根据本发明的另一个方面，所提供的是一种立体显微镜，包括具有孔径的物镜配件以及根据第一个方面的配件。

根据本发明的另一个面，所提供的是一种用于改装显微镜的方法。该方法包括：移除显微镜的目镜；以及放置根据第一个方面的配件，以使所述透镜位于移除了目镜的位置。

其他实施例是在权利要求2等等中给出的。

附图说明

图1是一个关于单眼单目显微镜的示意图；

图2是一个关于双眼单目显微镜的示意图；

图3A是一个关于具有分离孔径的立体显微镜的示意图；

图3B是关于图3A中的分离孔径的示意性前视图；

图4A和4B显示了穿过物镜配件和图3中的显微镜的孔径的射线路径；

图5是一个关于立体显微镜的示意图；

图6A-C显示了关于图5的显微镜中的光阑结构的形状的若干种可能性；

图7A-C显示了图5的显微镜中的不同光阑结构位置的效果；

图8是一个关于可移动光阑结构的示意图；

图9是一个关于立体观看装置的示意图；

图10是显微镜系统的示意图。

具体实施方式

为了提供立体图像，显微镜必须从不同视角(以某个类比正常立体视觉的角度)来为每一只眼睛提供一个图像。在先前设计中，这一点是通过提供单独的物镜配件来完成的，其中每一个物镜配件都提供了单独的图像，每一个图像针对使用者的一只眼睛。，这样做导致立体显微镜与单目显微镜相比放大倍率降低的可能。在图3A中显示了一种用于提供不同视角的备选方法。物镜配件301包括在图3B中示出的孔径光阑302。该孔径光阑302被分成两个单独的孔径311和312。然后，来自每一个孔径311、312的光会经由单独的光学器件303而被路由到目镜(未显示)。

图4A和B分别显示了穿过每一个孔径311和312的射线路径。可以看出，每一个孔径的视角都是不同的——这意味着每一个孔径所产生的图像可以被引导至观看者的不同眼睛，以使其被感知成是立体图像。

然而，提供分离的孔径会出现若干难题。首先，孔径本身很小并且通常是被嵌入在物镜配件内部的，因此，生产这种孔径所需的制造过程会很复杂。其次，孔径311和312中每一个都小于单个孔径102。而这会导致显微镜的解析度低于可通过单个孔径实现的解析度(但是可实现的解析度仍旧大于具有两个物镜的立体显微镜)，以及与单个孔径相比图像的调暗和失真。此外，这样做还会导致出射光瞳小于在具有单个光圈的情况下的出射光瞳，由此会使此类显微镜不切合实际使用(因为观察者必须保持其头部极度静止以免丢失图像,而且,当光圈孔未被完全填满时，眼睛的光学性能会被降低)。

图5是一个关于被配置成提供分离孔径的显微镜的示意图。该显微镜包括具有(单个)孔径502的物镜配件501以及镜筒透镜503,镜筒透镜503被布置成提供物体530的图像。该显微镜进一步包括中间透镜504、分光器505以及反射镜506，并且其共同形成了在两条光学路径521a、521b中的每一条光学路径上孔径502的相应图像512a、512b(以下将其称为孔径图像)。在每一个孔径图像512a、512b的平面中都提供了相应的光阑结构507a、507b，以使每一个光阑结构507a、507b都会阻挡相应孔径图像的不同部分，由此限定了出射光瞳513a、513b。目镜透镜508a、508b和图像感测器509a、509b被定位成致使图像感测器通过每一个出射光瞳513a、513b捕获物体520的真实图像。在实践中，在孔径图像之外还会需要其他光学器件(未显示)，以便在出射光瞳513a、513b之外产生物体的真实图像531a、531b，然后，所述图像会通过目镜508a、508b而被查看。光阑结构507a、507b被安置成致使图像感测器509a、509b捕获的相应图像可在立体镜上被显示成是物体的立体图像，也就是说，由于相应光阑结构的安置，其中一个图像感测器提供了左眼视图，而另一个则提供右眼视图。

孔径图像512a、512b将会大于孔径本身，并且每一个光阑结构只需要提供其中一个视角。因此，与图4显示的分离孔径相比，该光阑结构制造起来要容易的多，同时在提供立体图像方面具有相同的效果。

光阑结构507a、507b可以采用任何适当的形状。在图6A-6C中显示了若干种可能性。例如，光阑结构507a、507b可以具有一个孔径,该孔径限定了出射光瞳61,或者可以为“帘幕”,该“帘幕”仅仅用平坦62或弯曲63的边缘阻挡了孔径图像512a、512b的一侧。为了提供完整的纯立体图像，有必要对光阑结构507a、507b进行定位，以使针对每一只眼睛的出射光瞳都对应于不在另一个出射光瞳中的孔径的一部分。如果出射光瞳轻微重迭(也就是说，每一个都包含了处于另一个出射光瞳中的孔径的一部分以及不在另一个出射光瞳中的一部分)，那么将会产生不太明显的立体效果。如果出射光瞳完全重迭，则产生双眼单目图像。

图7A、7B和7C示出了不同光阑结构位置用于“帘幕”式光阑结构的效果。相同原理适用于其他形状的光阑结构。每一个图的顶部都显示了孔径图像和光阑结构，中间部分显示了所产生的出射光瞳(所述出射光瞳是被覆盖的，由此可以看出差异)，并且底部显示关于立体视觉程度的表示(尽可能多地在2D介质中呈现)。如图7A所示，如果没有遮挡孔径图像512a、512b的光阑结构507a、507b，那么针对每一只眼睛的出射光瞳513a、513b完全对应，并且将会产生双眼单目图像71。对于包括对称孔径的光阑结构,也可以发生这种情况，该对称孔径被定位使得出射光瞳完全对应。如图7C所示，如果每一个光阑结构507a、507b遮挡相应的孔径图像512a、512b，以使出射光瞳513a、513b是孔径的完全分离的区域，那么将会产生完整的立体图像73。如图7B所示，如果每一个光阑结构507a、507b遮挡了每一个光圈图像512a、512b的单独的部分，以使出射光瞳513a、513b是孔径的重迭区域，但是每一个出射光瞳都有一部分不与其他出射光瞳的一部分相对应，那么结果会产生不太明显的立体图像72。

图像的解析度取决于孔径502和光阑结构507a、507b形成的有效孔径的尺寸(也就是说，如果将所述孔径定位在孔径502处，那么该孔径将会形成出射光瞳513a、513b)，其中解析度越低，则有效孔径越小(但是确切的值取决于有效孔径的形状)。如此一来，光阑结构507a、507b的安置是解析度与立体效果之间的平衡。

可以在显示图像之前补偿光阑结构对产生的立体图像的其他影响。图10示出了显微镜1001的示意图。显微镜1001包括如上所述的光阑结构1011和图像感测器1012。另外，显微镜包括数字图像处理器1013，其取得图像感测器1012的输出1021和光阑结构控制的输出1023，并调整它以补偿对光阑结构1011的调整而对图像产生不希望的变化，该调整在光阑结构的形状和位置1023的基础上进行。然后，数字图像处理器将已校正的图像作为输出1022从显微镜提供(例如，提供给立体显示器)。

例如，图像的强度将随着光阑结构1011的位置而变化。这是由于孔径502的不同面积被阻挡，并且由于穿过孔径502的强度变化(这意味着即使对于诸如总是阻挡相同量的孔径面积的图6A的光阑结构也存在强度变化)而发生的。强度将取决于光阑结构的位置和形状。

孔径502将具有强度分布曲线，该强度分布曲线是描述孔径上的每个点对最终图像的强度有多大贡献的函数。通过比较由每个光阑结构形成的有效孔径上的这个强度分布曲线的积分与整个孔径502上的强度分布曲线的积分，可以确定由光阑结构所引起的强度的减小。然后，数字图像处理器可以调整每个图像感测器的输出的亮度，确保在不同的光阑结构位置之间的强度对用户明显为恒定。

强度变化也将取决于光阑结构的形状。显微镜可以设置有多个不同的光阑结构组，从中选择要使用的光阑结构。数字图像处理器应配置为对每个光阑结构组应用光阑结构位置和图像亮度调整之间的不同关系。光阑结构组可以由用户在数字图像处理器的软件中识别，或者，当光阑结构安装在显微镜中时可以发生自动识别(例如，通过在与显微镜上的感测器接口的光阑结构上提供光学或电子标识符，或通过其他合适的方法)。在显微镜仅用于单一类型的光阑结构的情况下，数字图像处理器仅需要光阑结构位置和图像亮度之间的单一关系。

类似地，遮挡孔径502的不同区域将影响图像的失真(由于透镜像差和其他光学效应)。这种失真也可以由数字图像处理器校正，所使用的变换的参数取决于光阑结构的形状和位置。

光阑结构位置(和形状，如果可以使用多个光阑结构组)和所需的数字图像处理之间的关系可以例如使用具有编程到数字图像处理器中的查找表预先配置，或者可以从已知参数即时计算。查找表或预定功能可以通过校准步骤获得，例如，测量一系列光阑结构位置的强度，图像失真或其他属性，并使用该数据(具有合适的插值)来计算查找表。

光阑结构可以是可调节的，以便允许用户从单目视图转换到立体视图以及控制立体视觉程度。在图8中显示了用于实现此目的的设置。每一个光阑结构都包括可移动帘幕801，所述可移动帘幕801能被以可控的方式引入光学路径，以便遮挡总量可变的孔径图像512a、512b。用于另一个图像的光学路径具有等同的系统，并且所述幕帘被耦合成致使每一个幕帘都会遮蔽相同比例的相应孔径图像512a、512b。可移动帘幕801可被从每一个幕帘都不遮挡孔径图像的位置(由此导致产生双眼单目图像)调整到出射光瞳是孔径图像512a、512b的非重迭部分的位置(由此导致产生纯立体图像)。所述可移动幕帘801被配置成是移动的，以使每一个幕帘在相应图像的对端阻挡相应孔径图像512a、512b的相等尺寸部分。

图8的设置允许在显微镜的立体和双眼单目模式进行连续的渐进式转变，而不会中断观看者查看的图像。通过使用该装置可以惊讶地发现，在从立体图像平滑转变到更高解析度的单目图像时，使用者会凭借单目图像体验到深度感，然而如果是在没有这种转变的情况下查看单目图像，那么这种感觉是不存在的。这意味着上述系统允许保留立体图像的诸多优点，同时还具有单目图像的更高解析度。

从以上描述中可以注意到，从物镜配件501直至透镜504(但不包括该透镜)的单物镜立体显微镜的结构与从物镜配件101直至目镜104(但不包括该目镜)的常规单目显微镜的结构是相同的。很多市售显微镜的观察头和目镜配件都是可以移除的，并且由此可以用包含透镜504、分光器505、反射镜506以及光阑结构507a、507b的系统来改进现有的单目显微镜(无论是双眼还是单眼)，其中该系统被配置成以取代单目显微镜的观察头和目镜配件的方式来进行附着,使得透镜504处于显微镜的光路中-即在来自物体的光通过显微镜的路径中。原始的单目显微镜即有可能应用也有可能没有应用使用了目镜的光学校正，例如像场弯曲、像差等等——在用于改装应用了这些校正的显微镜的系统中，透镜504和/或目镜508a、508b可被配置成应用等效的校正。

该图像感测器可以是CCD或其他图像感测器。使用图像感测器的另一个优点是不需要将出射光瞳布置成与对其进行查看的观察者的左眼和右眼精确校准，由此允许简化显微镜的结构。

在GB2524609中描述并且在图9中显示了关于立体显示器的一个示例。该显示器包括两个投影器20a和20b，其分别显示了左眼图像和右眼图像。每一个投影器都包括显示器21以及光学装置25(其中包括一个或多个透镜29和/或反射镜31)，以便在反射镜35上提供左眼和右眼图像中的每一个的聚焦图像。反射镜35将投影器的出射光瞳反射在观察平面(VP)上，以供观察者查看(可选地借助观察透镜37)。除了反射镜35和观察透镜37之外，其他光学元件可被置于观察者的直接视线之外，以便提供清晰的观看体验。

关于立体显示器的其他示例包括“虚拟实境”耳机，具有主动式眼镜的3D显示器(即与电视的刷新率同步并且针对交替的帧而阻挡每一只眼睛的眼镜)，以及具有被动式眼镜的3D显示器(例如将左眼图像和右眼图像作为不同的偏振态呈现并与具有用于每一只眼睛的相应偏振滤光器的眼镜一起使用的显示器)。

使用与立体显示器耦合的图像感测器而不是让使用者通过出射光瞳直接观察显微镜的优点在于：可供观看者使用的出射光瞳的尺寸不会受到显微镜光学器件的限制，并且不会受到光阑结构507a、507b的限制。较大的出射光瞳将会提供更舒适的观看体验。其原因在于事实上，在出射光瞳很小的情况下，使用者必须将其头部保持在特定位置才能看到立体图像。如果出射光瞳小于特定尺寸(如果使用光阑结构，则有可能发生这种情况)，那么使用者可能很难看到图像，因为人眼在出射光瞳小于眼睛瞳孔的时候将不能很好地发挥作用。实际上，对于大多数现有显微镜中使用的光学系统来说，出射光瞳已经小于用户眼睛的入射光瞳，由此限制了解析度，并且导致眼睛的任何不均匀性(例如漂浮物)都会对使用者视觉产生极大的影响。

应该理解的是，上述公开仅仅是例示性的，并且在保持本公开的原理的同时，多种变化都是可行的。此外还应该了解，除非另有所指，否则特定的特征并不是相互依赖的。

Claims (15)

1.一种在具有包括孔径的物镜配件的显微镜中使用的配件，该配件包括透镜(504)和分光器(505)；

其中，该透镜(504)和该分光器(505)被配置成在两个光学路径中的每一个光学路径上形成相应的孔径图像(512a，512b)；

该配件进一步包括位于每一个光学路径上的光阑结构(507a，507b)；

其中，每一个光阑结构(507a，507b)位于相应的孔径图像(512a，512b)的平面上，从而阻挡相应的孔径图像(512a，512b)的一部分，以便提供出射光瞳(513a，513b)，由此可以通过组合可通过每一个出射光瞳(513a，513b)看到的物体图像来产生通过该显微镜查看的物体的立体图像；

该配件进一步包括：

两个图像感测器，每一个图像感测器被配置成捕获可通过相应出射光瞳看到的图像并输出数字图像；

数字图像处理器，其被配置成对由每个图像感测器输出的相应数字图像应用校正，该校正基于相应光阑结构的位置。

2.根据权利要求1所述的配件，其中，该校正包括基于相应光阑结构的位置按比例调整相应图像的亮度。

3.根据权利要求1或2所述的配件，其中，该校正包括执行相应图像的空间变换以校正由该显微镜和/或组件的光阑结构引入的失真，该空间变换具有取决于相应的光阑结构的位置的至少一个参数。

4.根据前述任一权利要求所述的配件，其中：

该光阑结构是多个光阑结构组的其中一组，其中，光阑结构组可以交换到配件中；

该数字图像处理器被配置为基于相应的光阑结构的位置及在哪个光阑结构组上存在来应用校正。

5.根据前述任一权利要求所述的配件，其中，每一个光阑结构包括圆形孔径。

6.根据前述任一权利要求所述的配件，其中，每一个光阑结构包括幕帘，该幕帘被配置成阻挡相应孔径图像的一侧。

7.根据权利要求6所述的配件，其中，每一个幕帘具有平直边缘，其在该平直边缘处阻挡该孔径。

8.根据前述任一权利要求所述的配件，其中，每一个光阑结构可从孔径图像未被阻挡的位置移动到出射光瞳513a、513b是孔径图像的非重迭部分的位置。

9.根据权利要求8所述的配件，其中，每个光阑结构可连续移动。

10.根据权利要求8或9所述的配件，其中，每一个光阑结构是可移动的，由此在不中断图像的情况下提供由图像感测器捕获的单目和立体图像之间的转变。

11.根据前述任一权利要求所述的配件，其中，每一个图像感测器是CCD。

12.根据前述任一权利要求所述的配件，并且还包括立体显示器，该立体显示器被配置成将已校正的数字图像作为立体图像呈现给用户。

13.根据权利要求12所述的配件，其中，该立体显示器包括两个投影器以及反射镜，每一个投影器被配置成提供由该反射镜上的相应图像感测器所捕获的已校正的数字图像的聚焦图像，以及该反射镜被配置成将投影器的出射光瞳传至观察平面，以供观察者查看。

14.一种立体显微镜，包括：

具有孔径(502)的物镜配件(501)；

根据前述任一权利要求所述的配件。

15.一种改进显微镜的方法，该方法包括：

移除显微镜的目镜；

放置根据权利要求1至13中任一项所述的配件，以使透镜(504)放置于显微镜的光路中。

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