CN1273368A - 三维物体观测显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够很容易地以三维的方式观测三维物体的三维物体观测显微镜。三维物体观测显微镜包括一个其上放置有三维物体的工作台,一个包括在上部倾斜位置对三维物体成象的成象透镜和照相机的成象部分,和一个以水平方向旋转支撑成象部分并整体支撑工作台和成象部分的套管。

Description

三维物体观测显微镜

本发明涉及一个三维物体观测显微镜，用于以三维方式观测一个三维物体。

通常，在观测一个三维物体特别是微小的三维物体的相关技术中，这样的微小物体要使用显微镜从物体的上面进行观测。

因此，以三维方式对微小的三维物体进行观测是困难的，并且实质上不可能获取三维形状。

相反，在从倾斜的上部位置观测微小的三维物体的情况下，有可能以三维的方式观测微小的三维物体。但是在这种采用相关的显微镜或类似物进行观测的方式中，必须安置微小的三维物体，以构成用倾斜的方法进行观测的物体。

因此，根据用于显微镜的透镜的放大倍数，关于微小的三维物体的聚焦由于焦距的差异或视场的狭小深度而变得困难，并因此从上部倾斜的位置对微小的三维物体的观测实质上很困难。

另外，在使用显微镜的观测中，只有使用显微镜的人才能进行观测，但很难把在观测时得到的信息传递给其他人。

另一方面，可考虑一种方法，即微小的三维物体放在工作台上，该微小的三维物体通过成象透镜由照相机成象，然后把由照相机成象的图象显示在显示屏上。

由于这样的构造，微小的三维物体从上部倾斜的位置通过成象透镜由照相机成象，然后把图象显示在显示屏上，以使从上部倾斜的位置对微小的三维物体的三维观测成为可能，并且多人观测也成为可能。

在使用这种成象透镜和照相机的微小的三维物体的观测中，成象透镜、照相机和显示器分别可从商店得到，并因而可容易地得到他们。但要通过组合这些部件构成观测装置，必须稳定地固定成象透镜和照相机以对微小的三维物体成象，并且还必须通过工作台固定微小的三维物体。因此，就出现了这样的问题，即观测的准备需要花费时间并且移动已安装的观测装置的准备工作也需要时间。

另外，因为显示器构成一个分离的主体，因此，当观看显示在显示屏上的显微物体的图象时，观看者进行不同的操作的情况下，观察者的视线移动变大，因此降低了可操作性。

另外，在成象的放大倍数较高的情况下，放大倍数越高，观测的视线范围越窄，则在观测的视线场之内安置微小的三维物体变得困难。特别是，在观测微小的三维物体时很难得到实际的观测位置，其中三维物体通过安放相同的部件如安装板等形成，或者是由重复相同的图形构成。

根据如上所述，本发明的一个目的是提供一个三维物体观测显微镜，该显微镜具有以三维方式观测三维物体的能力。

上述目的通过三维物体观测显微镜而得到，其中显微镜具有如下特征，显微镜包括一个其上放置有三维物体的工作台，一个成象部分，包括一个在上部倾斜位置对三维物体成象的成象透镜和一个照相机，和一个以水平方向旋转支撑成象部分并整体支撑工作台和成象部分的套管。

介于上述结构，通过成象部分从上部倾斜位置对放置在工作台上的三维物体成象，三维物体可以三维方式观测。

在这种情况下，因为工作台和成象部分由套管整体支撑，不必进行观测的准备并且可快速进行观测，以及在三维物体观测显微镜被移动到其他地方的情况下，整个三维物体观测显微镜可容易地移动并且在移动后的地方可进行快速地观测。

图1是根据本发明实施例的三维微小物体观察显微镜的总体构成透视图。

图2是图1所示三维微小物体观察显微镜的后表面局部放大透视图。

图3是图1所示三维微小物体观察显微镜的成象部分放大透视图。

图4是图1所示三维微小物体观察显微镜的成象部分和照相机水平旋转部分透视图。

图5是图1所示三维微小物体观察显微镜的照相机水平旋转部分透视图。

图6A和图6B分别是图1所示三维微小物体观察显微镜中照相机水平旋转部分的操作的平视图和侧视图。

图7A-7C是关于激光指示器和图1所示三维微小物体观察显微镜中成象部分的光轴之间的关系，成象部分所处的一种状态的侧视图，图7A表示微小物体处于基准高度的状态，图7B表示微小物体处于高于基准高度的状态，图7C表示微小物体处于低于基准高度的状态。

图8是图1所示三维微小物体观察显微镜的电路构成框图。

图9A-9C是由图1所示三维微小物体观察显微镜所获得的(图9A)激光束对微小物体的照射，(图9B)用于由成象部分定位的图象和(图9C)观察时的图象。

图10A-10C表示由图1所示三维微小物体观察显微镜所得的螺丝成象屏处于(图10A)右倾斜45度方向，(图10B)前方和(图10C)左倾斜45度方向的示图。

图11A-10C表示由图1所示三维微小物体观察显微镜所得的在(图11A)右倾斜45度方向，(图11B)前方和(图11C)左倾斜45度方向的半导体装置连线部分的成象屏示图。

图12A至12C表示由图1所示三维微小物体观察显微镜所得的成象部分的(图12A)侧视，(图12B)象屏和(图12C)成象部分的光轴移动之后的象屏示图。

图13表示视频打印机连接到图1所示三维微小物体观察显微镜的状态透视图。

图14表示个人电脑连接到图1所示三维微小物体观察显微镜的状态透视图。

下面将参考图1至图14对本发明的优选实施例进行详细地描述。

虽然对在此解释的实施例做各种技术上的优选限定，因为它们是本发明的优选实施例，但本发明的范围并不局限于这些实施例，除非有一些在下列解释中具体限定本发明的描述。

图1和图2表示三维微小物体观察显微镜，它们是本发明三维微小物体观察显微镜的一个实施例。

在图1和图2中，三维微小物体观察显微镜10包括一个成象部分11，一个作为旋转机构的照相机水平旋转部分12，一个作为照明装置的荧光发光装置13，一个激光指示器14，一个作为显示部分的液晶显示监视器，一个XY台16，一个套管(casing)17和一个输出端18。

如图3和4所示，成象部分11由一个CCD(固态图象传感装置)照相机11a，一个作为成象透镜的超近变焦距(macro zoom)镜头11b，通过小螺丝分别连接到超近变焦距镜头11b的变焦调节环和聚焦调节环的一个变焦调节杆11c和聚焦调节杆11d以及保护滤光片11e组成。成象部分11由照相机水平旋转部分12的透镜臂12a支撑。

CCD照相机11a和超近变焦距镜头11b由已知的结构，并且可以使用市场上可得到的那些产品。

作为超近(低倍)变焦距镜头11b，例如，可以使用有最短焦距150mm的超近变焦距镜头11b，并由此，可以确保三维实体的微小物体19和上述超近变焦距镜头11b之间有足够的距离。因此，涉及到此微小物体19的各种操作可以不受超近变焦距镜头11b妨碍的进行。

另外，可分别利用变焦调节杆11c和聚焦调节杆11d旋转超近变焦距镜头11b的变焦调节环和聚焦调节环来调节超近变焦距镜头11b的放大率和焦距。

因此，通过利用此超近变焦距镜头11b的功能，可以进行有效地调节，使得微小物体19完全占据成象部分11的视场。

另外，保护滤光片11e安置在超近变焦距镜头11b的远端以保护超近变焦距镜头11b的最前方透镜。例如，在关于微小物体19执行焊接操作的情况下，使透镜免受焊接的烟灰和高温的焊铁。

顺便说一下，如图4所示，照相机水平旋转部分12配置有一个镜头臂12a，在镜头臂12a的一端(自由端)设置一个以倾斜的形式形成的镜头支撑部分12b。

然后，关于镜头支撑部分12b，如图3所示，装配在超近变焦距镜头11b上的镜头座架11f由支撑轴12c相对于水平方向可倾斜地支撑，倾斜角为θ(例如45度)。同时，使镜头座架11f的一侧(图中的左上侧)通过弹簧12d与镜头12a接触，另一侧(图中的右下侧)通过调节螺丝12e支撑。

此处如图3所示，弹簧12d和调节螺丝12e布置在光轴方向上相对于支撑轴12c移动距离d的位置。

介于这种结构，通过旋转调节螺丝12e，调节螺丝12e的远端顶着弹簧12的张力推动并移动超近变焦距镜头11b的镜头座架11f并使超近变焦距镜头11b的镜头座架11f绕支撑轴12c在箭头A的方向(见图3)或反方向倾斜。

另外，镜头12a有水平可旋转地安装在固定到套管17的底盘17a(见图4)上的另一端。

即如图4和5所示，在其上端设置有向外延伸的凸缘的轴12h通过套筒12b和拧进底盘17a中的轴12h装配到形成在镜头臂12a另一端中的转孔12f里。

另外，镜头臂12a设置有多个以相同的角间隔环绕转孔12f的插塞12I，图中是四个插塞。

这些插塞12I有一致的结构，其结构使得其小球通过弹簧向下突伸。

另一方面，在底盘17a中以转孔12f为中心的一个圆周上设置有多个以等角间隔如15度角分布的定位孔17b，其中，形成的这些定位孔17b具有略小于上述插塞12i的小球直径的直径。

介于这种结构，如图6所示，镜头臂12a可旋转地支撑在相对于底盘17a的水平方向+45°的角度范围内(见图5)。

当这些镜头臂12a绕转孔12f旋转时，各个插塞12i的小球因弹簧的弹力装配到转孔12f中。然后，在水平旋转镜头臂12a时，镜头臂12a以定位孔17b的角度间隔定位。

如图6B所示，镜头臂12a的旋转中心设置成定位在从超近变焦距镜头11b的光轴和XY工作台16的上表面的焦点发出的垂直线上。

如图1所示，荧光发光装置13设置在XY工作台之上和套管17的内部，对放置在XY工作台16上的微小物体发射照明光。因此，即使在暗处，也可以执行微小物体19在明亮视场下的观察。

招纳装置不局限于荧光灯。只要照明灯可以对微小物体照明，其它的照明装置也可以采用。照明装置可以省去，或采用外照明装置。

激光指示器14整体地组装在套管17的内部。例如，可见光氦-氖(He-Ne)红色激光器用作激光指示器，使得激光束从照相机水平旋转部分12的旋转轴以上的一个位置向下照射。

介于这种结构，如图7A所示，当放置在XY工作台16上的微小实体19处于基准水平时，成象部分11的光轴0和激光指示器14发出的激光束L在微小物体19的表面上相交。

相反，当微小物体19表面的高度位置改变时，激光束L对微小物体19表面的照射位置错离成象部分11的视场。但如图7B所示，在微小物体19表面的高度位置高于基准高度的情况下，通过松开上述调节螺丝12e，把成象部分11的光轴01调节到微小物体19上的激光束照射位置。

另外，如图7C所示，在微小物体19表面的高度位置低于基准高度的情况下，通过松开上述调节螺丝12e，把成象部分11的光轴02调节到微小物体19上的激光束照射位置。

因此，通过使激光束L入射到微小物体19上，微小物体19可以很容易地放置到成象部分11的视场中，并且在观察期间，微小物体19被观察的部位可以通过注视L的照射位置而黑容易地捕捉。

上述液晶显示监视器15有一个公知的结构，并固定地持着在套管之上，如图1所示。因此，此液晶显示监视器15设计成在监视器15上显示的微小物体19可以由多人同时观察。另外，此液晶显示监视器15由套管17整体地支撑，并因而当观察者执行操作并同时观察微小物体19时，视场的移动可以很小，因而可操作性增强。

液晶显示监视器15可以与套管17分离地构成或可被省去。

如图1所示，上述XY工作台16可以在双轴方向或水平方向移动。例如，在观察IC的引线或连结器时，通过在一个方向上移动XY工作台16，可以连续地观察各个引线，并且同时可以执行微小物体19的精确定位。因此，放置在XY工作台16上的微小物体19可以很容易地被聚焦在成象部分11的视场之内。

XY工作台16可以用XYZ工作台或在XY中具有旋转轴的工作台代替，或者还可以采用在水平方向能够移动的工作台。

图8表示在上述三维微小物体观察范围10的XY工作台16以下接入的电路结构。

如图8所示，电路20包括一个放大CCD照相机11a的图象信号的放大器21，一个分配由放大器21放大的图象信号的图象信号分配电路22，一个响应于视频信号分配电路22输出的图象信号执行液晶显示监视器15的驱动控制的监视器控制电路23，一个执行激光指示器14的驱动控制的激光指示器控制电路24，一个给放大器21提供直流电的直流恒压源电路25，监视器控制电路23、激光指示器控制电路24和通过开关13a向荧光发光装置13提供交变电路的发光源电路26通过开关24a同时向激光指示器控制电路24提供交变电路。通过保险丝28和电源开关29从AC电源输入端27向各个电路25、26送入市电。

此处一旦打开电源开关29，电即供应到各个电路25、26。因此，直流恒压源电路25整流并把AC电流转换成调节的直流电并将此电供给放大器21、监视器控制电路23和激光指示器控制电路24。

由CCD照相机11a成象的图象信号被放大器21放大并转换成适配信号。然后由视频信号分配电路22分配此视频信号并输入给监视器控制电路23。因此，由CCD照相机11a成象的图象信号被显示在液晶显示监视器15的屏幕上。

另外，由视频信号分配电路22分配的视频信号可以从输出端18输送到外部。

虽然视频信号(模拟RF信号)从输出端18输出，但信号并不局限于视频信号。例如，可以输出S视频输出信号、模拟RGB信号、数字RGB信号和遵从IEEE1394标准的数字视频信号等。

另外，一旦打开激光按钮开关24a，激光指示器14即发射给定时间的激光束并当给定时间结束时停滞发射。因此，只有在需要的时刻，如对放置在XY工作台16上的微小物体19定位或确定观察位置时，才发射激光束，因而避免了激光束的无用的连续发射。

三维微小物体观察显微镜10有上述的结构并在观察微小物体时以下列方式使用。

首先，把待观察的微小物体19放置到XY工作台16上。然后，通过手动操作图1所示的激光指示器开关24a，从激光束指示器14中发出给定时间的激光束，如图9A所示。

然后，微调XY工作台16，使得激光束照射到待观测的微小物体19的部位上。或者可以直接移动微小物体19而不调节XY工作台16。

此处，在成象部分11的超近变焦距镜头11b被调节到较低放大率的情况下，如图9B所示，微小物体19的整个图象或宽范围的图象显示在液晶显示监视器15上，并因而可以通过向屏幕的中心移动待观测物体19的位置简便且迅速地执行微小物体19的定位。

之后，当通过手动操作图9C所示的变焦调节杆11c把超近变焦距镜头11b设置在给定的放大率时，因照相机水平旋转部分12(见图1)成象部分11(见图1)转圈，并进行对微小物体19的观测。

此处，把成象部分11和微小物体19之间的距离确定为近似等于超近变焦距镜头11b的焦距。在此时刻，因为所成的图象显示在设置在如图1所示套管17的上部的液晶显示监视器15的屏幕上，所以微小物体19和监视器屏幕之间视线的移动角度可以很小，并因而可实现更灵活的操作性。

此处，如图6所示，当成象部分11通过照相机水平旋转部分12从向右倾斜45度角的位置移动到中心位置或向左倾斜45度角的位置时，在微小物体19是一个螺丝的情况下，如图10A、图10B和图10C，使得成象部分11观察微小物体19并同时绕微小物体19转动而不移动被观察的螺丝成为可能，以致能够很容易地捕获螺丝的三维形状。此处，螺丝总是定位在成象视场的中心附近，便利于三维观测。

在微小物体19是用于表面安装的半导体元件并且要观测连接引线的焊接状态的情况下，如图11A、图11B和图11C所示，以同样的方式使得成象部分11观察微小物体19并同时绕连接引线部分转动而不移动被观察的螺丝成为可能，以致能够三维地观测连接到板的每个引线的焊接状态。因此，可以很容易地判断焊接的失败如焊料提升、架空等。另外，也可以很容易地观察到IC引线向内弯曲的J引线型ICs和位于连接物的较深部分的跨桥。

另外，在如图12A所示的观测安装板30的情况下，当障碍物32如其它的电阻元件放置在成象部分11的视场以内被观测的电阻元件31的焊接部位31a之前时，如图12B所示，拧紧上述调节螺丝12e以增大成象部分11的光轴倾角，如图12A中的符号所示。

因此，可以观测电阻元件31的焊接部分31a，如图12C所示。

另外，如图13所示，通过把视频打印机40连接到三维微小物体观测显微镜10，由成象部分11成象的图象信号被从输出端18输出到视频打印机40。

另外，如图14所示，通过把个人电脑41连接到输出端18(见图2)，如图14所示，成象部分11成象的图象信号进入个人电脑41，并且通过利用可由个人电脑41操作的图象处理软件对图象信号进行适当的图象处理。

外部监视器可以连接到输出端18。在这种情况下，成象的图象布局显示在液晶显示监视器15上，而且还显示在外部监视器的屏幕上，使得人们可以进行观测。

在这种情况下，因为成象部分11从向上倾斜的位置对微小物体19成象，所以可以很容易地进行对微小物体19的三维观测，并且此时因为成象部分11对微小物体19成象，同时通过照相机水平旋转部分12绕微小物体19的周围转动，所以可以很清晰地捕获微小物体19的三维形状。

另外，三维微小物体观测显微镜10的所有组成元件整体地组成到套管17中，使得观测的准备工作变得不必要，并且可以迅速地进行观测。另外，三维微小物体观测显微镜10可以很容易地被移动，并且因此可以在移动的位置上进行迅速地观测。

另外，通过利用激光指示器，可以用人眼很容易地辨认观测位置，并且同时可以很容易地确认微小物体的观测位置。

通过这种方式，本发明的三维微小物体观测显微镜10例如可以用于珠宝或珠宝制品的质量鉴定，微小食品如大米的质量评估、微小物品在各种展示、展览或展示窗中的显示或微小的加工产品的显示。本发明的三维微小物体观测显微镜10可用作对民间工艺品的精细的手工制品的手工加工工具，修理精确的仪表，如手表、照相机、手工艺品或prickle omission。另外，三维微小物体观测显微镜10可用作医学领域、理发或美容领域，如头发油脂的诊断、皮肤油脂的诊断或牙齿形状的构造的工具，或教学工具，如植物、昆虫的观测等，课堂、讲演或物理、化学实验的样品显示，或摄取微小物体图象的工具和获取计算机图象的工具如数字微观照相机等。

在上述实施例中，虽然成象部分11的构成使得相对于微小物体19倾斜大约45度的角度，但倾角并不局限于此角度值。因为，只要排出从右上方的垂直观测就可以得到同样的效果，所以可以把倾角设置在大于0小于90度的范围内。

另外，在上述实施例中，虽然照相机水平旋转部分12被设计成在±45°的范围内相对于旋转中心转动成象部分11，所以很明显，旋转角不局限于此角度值，并且照相机水平旋转部分12可以在整个圆周上旋转。

另外，在上述实施例中，虽然把具有最短焦距150mm的透镜用作成象部分11的超近变焦距镜头11b，所以超近变焦距镜头11b并不局限于这种透镜。只要确保观测时成象部分11和微小物体19之间的一个允许的操作空间，可以使用具有不同焦距的透镜，并且超近变焦距镜头11b不局限于变焦透镜。

另外，在上述实施例中，虽然He-Ne红激光器用作激光指示器14，但指示器14不局限于此激光器。可以使用在可见光区域内有不同波长的激光，或者可以用从普通光源发射出的光斑代替He-Ne红激光。

Claims (12)

1.一种三维物体观测显微镜，其特征在于包括一个其上放置有三维物体的工作台，一个包括在上部倾斜位置对三维物体成象的成象透镜和成象照相机的成象部分，和一个以水平方向旋转支撑成象部分并整体支撑工作台和成象部分的套管。

2.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于上述工作台是一个在水平面上可在双轴方向移动的XY工作台。

3.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于上述成象部分的成象镜头是一个超近变焦距镜头。

4.如权利要求3所述的三维物体观测显微镜，其特征在于上述成象部分的成象镜头有大约150mm的焦距。

5.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜包括向三维物体辐射光束的发光装置。

6.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜还包括一个用于显示成象部分成象的图象的显示部分。

7.如权利要求6所述的三维物体观测显微镜，其特征在于显示部分由套筒整体支撑。

8.如权利要求7所述的三维物体观测显微镜，其特征在于显示部分是液晶显示监视器。

9.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜还包括一个激光指示器，该指示器从工作台上观测位置的右上方辐射激光束。

10.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜还包括一个旋转机构，该机构在水平方向以工作台上的三维物体作为旋转中心旋转支撑成象部分。

11.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜包括一个角变换机构，该机构改变成象部分相对于三维物体的倾角。

12.如权利要求1所述的三维物体观测显微镜，其特征在于三维物体观测显微镜包括一个输出端，把成象部分成象的图象信号输出到三维物体观测显微镜的外部。

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