CN1218978A - 扫描探测显微镜的立体显示方法 - Google Patents

Abstract

一种扫描探测显微镜立体显示方法,其中物体表面形状的三维数据由扫描探测显微镜获取,再转换成至少两幅二维数据。根据视差角的大小,可确定转换后的至少两幅二维数据在显示平面上的显示位置,并且在显示平面上显示该两幅二维数据。通过把两个眼睛对应于视差角,并且根据各自的视线方向观测图像,就可以看到一幅图像,该图像相当于观测三维物体时所看到的图像。

Description

扫描探测显微镜的立体显示方法

本发明涉及一种扫描探测显微镜的立体显示方法，尤其是涉及物体表面形状的显示数据的显示方法，该显示数据是由扫描探测显微镜获取的，是立体可视的。

扫描探测显微镜，如扫描孔道显微镜和原子间的能量显微镜，被认为是分析表面形状的表面分析装置，而物体表面形状的三维数据是由扫描探测显徽镜测试到的。在这种扫描探测显微镜中，理想的情况是，物体的表面形状可以立体观测。根据这种要求，在传统的显示方法中，三维形状的显示方法，举例来说，包括灰度图像、线条图像和网格图像，灰度图像是从上方观测的，线条图像显示外轮廓，网格图像由网格或鸟瞰图像显示表面形状。

在传统的扫描探测显微镜中，立体显示的方法采用灰度图像、线条图像、网格图像和鸟瞰图像，这些图像都是单幅图像，其缺点是不容易抓住物体表面的三维形状。因此，曾经采用了这样的方法，例如，在同一个位置上显示物体的灰度图像和截面图像，并进行比较，从而抓住物体表面的三维形状。然而，通过比较和参考几幅显示图像虽然可以抓住物体表面的三维形状，但是，在这种情况下，观测者必须根据显示的图像推测物体的表面形状，这需要相当高的技能。

因此，用传统的显示方法一直不能获得物体的表面形状，传统的显示方法采用单幅显示图像，如灰度图像、线条图像、网格图像或鸟瞰图像，并且要比较和参考数幅显示图像。因此，物体的表面形状不能进行三维观测。

相应地，本发明的目的是克服现有技术的缺点，并且提供扫描探测显微镜的立体显示方法，其中，所显示的物体的表面形状可以进行立体观测。

通过下文对本发明的说明，本发明的进一步的目的和优点会变得一目了然。

本发明的立体显示方法是为使用扫描探测显微镜而设计的，以获取物体表面形状的三维数据。在扫描探测显微镜中，所获取的三维数据要转换成至少两幅二维数据，该二维数据是按预定的视差角从不同的视线方向能够观测到的，所转换成的至少两幅二维数据的在一个显示平面上的显示位置是根据视差角确定的，从而可以在显示位置上显示二维数据。因此，所显示的物体的表面形状是立体可视的。

至于人能够感觉到自己和物体之间有距离的原因，通常被认为是，如(1)根据经验，通过感知物体的表象尺寸和实际尺寸之间的差别，可以确定大致的距离；(2)根据数个物体的灰度情况，可以确定相对位置关系；和(3)根据眼睛的视差角可以感知物体的距离。

本发明的立体显示方法采用视差角，其中，根据视差角从不同的视线方向观测物体时，至少可以获取两幅二维形状数据，并且所转换成的二维形状数据要根据该视差角在显示位置上进行显示。通过根据视差角把眼睛的视线对准由所述显示方法显示的图像，并且在相应的视线方向上观测图像，在眼睛中就可以形成一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而对物体进行立体的观测。顺便说一句，视差角就是两个眼睛至物体的两条连线之间构成的角度，根据两个眼睛之间的距离和物体至眼睛的距离就可以确定该视差角。

根据本发明的第一方面，根据视差角从三维数据中可以获取从右眼的视线方向看的二维数据和从左眼的视线方向看的二维数据，并且根据该视差角在显示平面上分别显示两幅二维图像。所显示的图像根据视差角相隔一个距离，并且从右眼的视线方向看的二维数据由右眼进行观测，从左眼的见线方向看的二维数据由左眼进行观测。其结果是，在眼睛中形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而物体是三维可视的。

根据本发明的第二方面，根据视差角从三维数据中可以获取从右眼的视线方向看的二维数据和从左眼的视线方向看的二维数据，这与第一实施例的方式是相同的，并且两幅二维数据在显示平面上的同一位置上交替地进行显示。通过根据视差角从相隔一段距离的位置处观测所显示的图像，在眼睛中形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而物体是三维可视的。

根据本发明的第三方面，与第一和第二方面所述的方式不同的是，不在显示平面上进行显示，两幅二维数据均印制在薄膜或纸张上。如本发明的第一方面所述，通过由右眼和左眼从各自的视线方向上观测两幅二维数据，在眼睛中形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而物体是三维可视的。

根据本发明的第四方面，至少两幅二维数据被分成数个部分，两幅被分成数个部分的二维数据在一个显示平面上作为图像交替地进行显示。在所显示的图像的上方设置有圆柱形的凸透镜阵列，通过根据视差角在相隔一段距离的位置处由凸透镜阵列观测所显示的图像，在眼睛中形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而物体是三维可视的。

根据本发明的第五方面，与本发明的第四方面不同的是，不是在显示平面上交替地进行显示，两幅被分成数个部分的二维数据都印制在一张纸上。和第四方面一样，在所显示的图像的上方设置有圆柱形的凸透镜阵列，通过根据视差角在相隔一段距离的位置处由凸透镜阵列观测所显示的图像，在眼睛中形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所获取的图像，从而物体是三维可视的。

附图的简要说明

图1图示了一个过程的框图，该框图表达了根据本发明的扫描探测显微镜的立体显示方法；

图2图示了一个结构的框图，该框图可实现根据本发明的扫描探测显徽镜的立体显示方法；

图3(a)是表明视差角和物体之间的关系的说明图；

图3(b)是表明视差角和二维数据之间关系的说明图；

图4(a)图示了一个例子，其中，物体从两个视线方向进行观测，光源从一个方向进行照明；

图4(b)图示了一个例子，其中，从右眼和左眼视线方向看的二维数据的图像在同一时间内分别进行显示；

图4(c)图示了一个例子，其中，从右眼和左眼视线方向看的二维数据的图像在同一位置上交替地进行显示；

图4(d)图示了另外一个例子，其中，从右眼和左眼视线方向看的二维数据的图像在同一时间内分别进行显示；

图5是从三维数据获取二维数据的坐标图；

图6是说明数据转换过程的流程图；和

图7(a)-(f)是说明获取灰度图像的过程的流程图，其中包括光源和从视线方向看的位置坐标。

推荐实施例的详细说明

附图详细说明了本发明的扫描探测显微镜的立体显示方法的实施例，其中，图1是一个过程的框图，该框图表达了根据本发明的扫描探测显微镜的立体显示方法；图2是一个结构的框图，该框图可实现根据本发明的扫描探测显徽镜的立体显示方法；图3表明了视差角和距离之间的关系；和，图4(a)-(d)说明了立体显示的一个例子。

如图2所示，实现本发明的立体显示方法的扫描探测显微镜的结构包括显示处理器1，由扫描探测显徽镜测试出的三维数据可以输入至显示处理器1中，该三维数据要转换成二维数据，以进行立体显示。输入器11和显示器12，如CRT和打印装置，可以连接在显示处理器1上，转换数据用的参数由输入器11输入。

显示处理器1包括贮存器2、数据转换器3和显示驱动器4，数据转换器3用于把三维数据转换成二维数据，显示驱动器4用于把二维数据显示在显示器12上。贮存器2包括第一贮存器21、第二贮存器22和第三贮存器23，第一贮存器21用于贮存来自扫描探测显微镜10的三维数据，第二贮存器22用于贮存转换成的二维数据，第三贮存器23用于贮存参数。顺便说一句，对显示处理器1中的各部分的控制由控制器，如CPU和类似的元件，来完成，控制器没有示出。

扫描探测显微镜的立体显示方法由如图1所示的过程完成。扫描探测显微镜10对物体的表面形状进行探测，以获取三维数据。顺便说一句，扫描探测显微镜的结构和获取三维数据的过程是熟知的，例如，美国专利No.Re 33387中提及了这一点，该专利与日本专利公开号为(KOKAI)No.62-130302的专利有关，正因如此，此处不再进行说明(步骤S1)。贮存器2把获取的三维数据贮存在第一贮存器21中(步骤S2)。数据转换器3从第一贮存器21中读取三维数据，并把三维数据转换成二维数据，根据视差角从视线方向看物体时看到的就是二维数据。此时，考虑到视线方向和照亮物体的光线的角度就可以进行数据转换。至于转换数据所需的参数，可以采用由输入器11输入并贮存在第三贮存器23中的参数，该参数可以是视差角2θ和照亮物体的光源的角度，光源可以是主光源和辅光源(步骤S3)。转换成的二维数据贮存在贮存器2的第二贮存器22中(步骤S4)。

在显示驱动器4中，可以根据视差角得到在显示器12上显示二维数据的位置。图3(a)说明了视差角和物体之间的关系，其中，假定视差角为2θ，右眼和左眼从各自的视线方向看物体时，视线方向的夹角就是2θ。另一方面，在图3(b)的情况下，可以看到二维数据的显示图像，而不是实际物体的图像。

在同时显示两幅立体可视的二维数据的图像的情况下，右眼和左眼各自的视线方向上的二维数据可分别进行显示，或者说，这两幅图像相隔一段距离。这种情况在图3(b)中由图像A表示。由右眼的视线方向的二维数据形成的图像A1和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像A2在平行于两个眼睛的位置上相互间隔地进行显示。右眼和左眼分别观测图像A1和图像A2，形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像。顺便说一句，两幅图像之间的距离、视差角2θ和眼睛至图像之间的距离LA相互之间的关系是可以用几何方法确定的。

另外，在交替地显示两幅立体可视的二维数据的图像的情况下，右眼和左眼各自的视线方向上的二维数据在同一位置上进行显示。这种情况在图3(b)中由图像B表示。由右眼的视线方向的二维数据形成的图像B1和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像B2交替地在同一位置上进行显示。此时，在右眼和左眼的前面设置有散射器，该散射器没有示出，该散射器可以打开和关闭，协调地显示右图像和左图像。右眼和左眼分别观测图像B1和图像B2，通过影像残留的作用形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像。顺便说一句，眼睛至图像之间的距离LB可以根据视差角2θ和两个眼睛之间的距离用几何方法确定的。

由上述步骤S3转换成的二维数据的在显示器上的显示位置可以根据视差角得到(步骤S5)。

显示驱动器4使得二维数据在显示器12上得以显示，其中的二维数据是在步骤S3中得到的，显示位置是在步骤S5中得到的。顺便说一句，如图3(b)所示，在同一位置上交替地显示图像时，显示器12可以是如CRT一样的显示器，图像的显示由切换装置进行切换，该切换装置没有示出(步骤S6)。

下面结合附图4(a)-(d)说明显示的例子。图4(a)所示的情况是，物体具有坐标X,Y,Z，光源设置在箭头L所示的方向上，物体从箭头VR和VL的方向进行观测。顺便说一句，图中的物体的有灰度的部分是在光源的作用下的物体的阴影部分。如上所述，物体的三维数据由扫描探测显微镜获取，该三维数据要通过数据转换器转换成二维数据，以在显示器上进行显示。

图4(b)示出了一个例子，如图3(b)中的图像A所示，由右眼的视线方向的二维数据形成的图像和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像相隔一段距离，并且同时进行显示。观测者分别用右眼和左眼观测两幅图像，从而形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像，是立体可视的。

另外，图4(c)示出了一个例子，如图3(b)中的图像B所示，由右眼的视线方向的二维数据形成的图像和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像在切换装置的作用下在同一位置上交替地进行显示。观测者分别用右眼和左眼观测两幅图像，从而形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像，是立体可视的。

另外，图4(d)示出了另一个例子，由右眼的视线方向的二维数据形成的图像和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像分别并且是同时进行显示。在这种情况下，图像被分割成许多小块，由右眼的视线方向的二维数据形成的图像和由左眼的视线方向的二维数据形成的图像相隔一段距离，并且交替地进行显示。另外，在所显示的图像上设置了圆柱形的凸透镜通道，由凸透镜通道观测图像，观测位置根据视差角远离一段距离，观测者的眼睛中就会形成了一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像，是立体可视的。顺便说一句，在图中，有灰度的部分就是阴影部分。

下面说明从三维数据转换至二维数据的数据转换过程的一个例子。在数据转换过程中，如图5中的坐标系所示，坐标Y不变，在X,Z坐标平面内把三维数据转换成二维数据，然后，坐标Y发生扫描性的变化，在坐标平面X,Z内重复性地把三维数据转换成二维数据。顺便说一句，θM表示主光源M的角度；θS表示辅光源S的角度；θ表示右眼视线方向VR的角度；和，-θ表示左眼视线方向VL的角度。

图6示出了数据转换过程中的一个例子。在图6中，获取的是三维数据(x,y,z)(步骤S11)、位置(θM,θS)和位置(θ,-θ)(步骤S12和S13)，位置(θM,θS)是主光源M和辅光源S的位置；位置(θ,-θ)是右眼视线方向VR和左眼视线方向VL的位置。

然后，在Y轴上固定扫描起动y0(步骤S14)，从该起动y0开始每间隔一个预定的步长Δy都可以得到物体表面的位置坐标和亮度，其中的位置坐标是从右眼的视线方向VR观测的，从而得到了右眼的视线方向VR的主光源的数据(xv,y,zv,BMR)和辅光源的数据(xv,y,zv,BSR)(步骤S15)；以及左眼的视线方向VL的主光源的数据(xv,y,zv,BML)和辅光源的数据(xv,v,zv,BSL)(步骤S16)。

以每个预定的步长Δy重复步骤S15和步骤S16(步骤S17，步骤S18)，就可以得到从右眼的视线方向VR看的二维数据(xv,yv,zv,BMR)和从左眼的视线方向VL的看的二维数据(xv,yv,zv,BML)。此时，对主光源的亮度数据BMR,BML和辅光源的亮度数据BSR,BSL进行权衡，并且对灰度进行调节。进行权衡所需的参数可以由输入器11输入(步骤S19)。

接下来获取的是根据视差角在显示器上显示二维数据的位置(步骤S20)，并且在显示器上显示从右眼的视线方向VR看的图像和从左眼的视线方向VL看的图像(步骤S21)。

光源的灰度和物体上的位置坐标，举例来说，可以从图7(a)-7(f)所示的流程图中得到，该物体可以从视线方向看到。顺便说一句，下面的过程是步骤S15和步骤S16的过程的例子，其中的坐标Y是固定的。

如图7(a)所示，假定θ表示视线的方向，而-θL表示光源的方向(步骤S31)，得到的是从视线方向θ看的坐标(xv,zv)(步骤S32)。

在步骤S32的过程中，如图7(b)所示，坐标(x,z)转动-θ的角度，从而得到了转动坐标(x’,z’)，通过根据位置数据在Z轴方向上选择更多的数据，在完成了数据转换之后，就可以得到从视线方向θ看的坐标。顺便说一句，图7(b)中的粗线表示从视线方向θ看可以看到的部位。接下来，如图7(c)所示，通过转动θ角度，从视线方向θ看的转动坐标(x’,z’)就还原成初始的坐标(xv,zv)。

接下来，得到的是由光源L照亮的表面的亮度(步骤S33)。在步骤S33的过程中，如图7(d)所示，坐标(x,z)转动θL的角度，从而得到了转动坐标(x”,z”)，通过在Z轴方向上根据经过坐标转换的位置数据选择更多的数据，就可以得到由光源L照亮的坐标。进一步说，通过坐标的转动，就可以得到被照亮的表面上的亮度B”。转动坐标的数据表示为(x”,z”,B”)。进一步说，如图7(e)所示，通过把数据(x”,z”,B”)转动-θL的角度，就可以得到初始的坐标(x,z,B)。

通过得到坐标处的亮度，就可以得到二维数据(xv,zv,B)，该坐标的位置可以从视线方向θ看到，所述亮度要根据在步骤S33中所需的数据在步骤S32中得到，如图7(f)所示，二维数据(xv,zv,B)可以从视线方向θ看到。

如上所述，在扫描探测显微镜中，物体的表面形状可以进行立体可视的显示。

Claims (8)

1．显微镜的立体显示方法，包括：

由显微镜获取物体表面形状的三维数据；

把所述三维数据转换成至少两幅二维数据，根据预定的视差角从不同的视线方向观测时看到的就是该二维数据；

确定转换后的至少两幅二维数据在显示平面上的显示位置，其根据是视差角的大小；和

在显示平面上显示所述至少两幅二维数据，从而可以看到一幅图像，该图像相当于观测三维物体时所看到的图像。

2．如权利要求1所述的立体显示方法，其中，所述的至少两幅二维数据交替地在显示平面的同一位置上进行显示。

3．如权利要求1所述的立体显示方法，其中，所述的至少两幅二维数据打印在薄膜上。

4．如权利要求1所述的立体显示方法，其中，所述的至少两幅二维数据位于所述不同视线方向的光线上，相互隔离一段距离，不相互叠置，并且平行于观测者的眼睛。

5．如权利要求4所述的立体显示方法，其中，所述的至少两幅二维数据被分割成数个部分，所述被分割的二维数据作为图像交替地显示在显示平面上，所述显示图像由凸透镜进行观测。

6．如权利要求5所述的立体显示方法，其中，所述的至少两幅二维数据作为图像印制在薄膜上，所述的印制的图像由凸透镜进行观测。

7．如权利要求5所述的立体显示方法，其中，所述的凸透镜为圆柱形的凸透镜的阵列。

8．如权利要求1所述的立体显示方法，其中，所述的显微镜是扫描探测显微镜。

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