CN1456918A - 可产生三维立体图像的光学空间滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，具体是将物体影像经过显微镜或望远镜的物镜后呈现的空间频谱任一单边边缘部分的频谱分量去除，使所观察的物体形成具有衬度高、立体感强、边界清楚、细微结构表现丰富等特性的三维立体浮雕图像。本发明简单易行，效果显著，可适用于对各种物体样品的成像，无论其厚薄如何、染色与否、是否活体、是否透明、与周边介质折射率是否相差大等，均可形成三维立体浮雕图像。本发明可在组织胚胎、血液、神经、微生物、细胞生物学、立体生物学以及各种有机、无机物的等观察测定领域中广泛应用，应用前景较广。
Description
技术领域
本发明涉及光学空间滤波技术，特别涉及一种可产生三维立体图像的光学空间滤波方法。
背景技术
许多微小样品与其周围介质有近似的吸收系数与颜色，只是折射率稍有差别，因此用一般显微镜观察非常困难。一种解决的办法是将被检物染色，然后再用显微镜观测。但这种方法对有机体的生命力有害，甚至会使之死亡。为此，人们发展出一些使显微物体产生三维立体浮雕显微图像的方法，使得在无需染色的情况下，不但清楚地将微小样品与周围介质分辨出来，而且可把其表面立体分布情况，有关细微结构都表现出来。现有使显微物体产生三维立体浮雕显微图像的方法主要有微分干涉法(即Differential InterfereContrast通常简称为DIC法或Normarski DIC法)和霍夫曼调制相衬法(Hoffman Modulation Contrast)。微分干涉法的原理是利用偏振器及诺马斯基(Normarski)或华拉斯顿棱镜将自然光分成寻常光与非常光后，使之通过样品物体，然后在两光线经过物镜后再使之通过另一诺马斯基(或华拉斯顿)棱镜，然后经过检偏镜，使两束光线重合，并在像平面上发生干涉。由于两束光线在样品不同部位通过，若其纵向厚度不同其光程也不同，便引起两束光线有位相差。两个诺马斯基棱镜附加的横向剪切量再进一步放大这两列光波在纵向的光程差，从而使两列光波各自形成的像在纵向有一合适的分离，使相物体上纵向光学厚度梯度以光强度衬比形式体现，因而在像元上出现阴影效果，对像起衬托作用，从而产生三维立体感浮雕图像。微分干涉法起码需要四个专用附件，其中尤其两个诺马斯基棱镜光学质量要求甚高，结构精密，价格昂贵。
霍夫曼调制相衬法的基本原理也是将相位梯度的变化转化为光强度或图像灰度等级的变化。它需要三个专用附件，首先一偏振片将光线起偏并起控制衬度作用，然后一置于聚光镜前焦面处，部分由另一偏振片覆盖的狭缝使光线分成直射线与衍射线并相互间带有光程差。安置在物镜上与狭缝共轭的一振幅滤光片起相板作用，使不同位相的光线其光强振幅差异增大，从而使最后成像形成衬度，产生三维立体感浮雕图像。但其相衬效果比不上微分干涉法。
上述两种方法在使用不同放大倍数物镜时都需要与之对应的一套专用附件，故部件繁多，结构复杂，调节困难，价格昂贵，有的价值几乎接近一台显微镜的价值，故在应用方面有一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种成像衬度高、立体感强、边界清楚、细微结构表现丰富的可产生三维立体浮雕显微图像的光学空间滤波方法；这种方法适用于对各种微小或遥远物体样品的成像，无论其厚薄如何、染色与否、是否活体、是否透明、折射率与周围介质是否相差大，均能使之形成三维立体感浮雕图像，可应用于组织胚胎、血液、神经、微生物、细胞生物学、立体生物学以及各种有机、无机物的观察测定领域。
本发明的目的通过下述技术方案实现：本可产生三维立体图像的光学空间滤波方法是将物体影像经过显微镜或望远镜的物镜后像方空间的空间频谱单边的部分高频分量滤除。
所述将部分高频分量滤除是采用空间滤波器设置在物镜后像方空间中，空间滤波器将通过物镜的任一单边边缘部分的频谱分量过滤掉。
所述将部分高频分量滤除也可采用拦截器设置在物镜后像方空间中，拦截器将通过物镜的单边部分高频分量截除。
滤波器或拦截器的形状根据视场形状来选择，如对应于圆型的视场，所述空间滤波器为一个月牙型的拦截物；对应于矩型的视场，所述的空间滤波器或拦截器为一个矩型的拦截物；若视场为其它形状，则拦截物(空间滤波器)的形状也作相应的变化，但要点是使之只滤去空间频谱单边边缘处的部分高频分量即可产生同样效果。
所述空间频谱单边部分高频分量为任一单边靠近边缘的频谱部分。
本发明的作用原理是：本光学空间滤波方法是采取在物镜后像方空间频谱平面上，设置空间滤波器(或拦截器)将其单边部分高频分量截除，使得所成像元一边光强振幅较大，另一边光强振幅较小，在像元上出现阴影效果，阴影效果对像起衬托作用，从而使得最后成像形成较为强烈的反差对照，这样就可使物体产生三维立体浮雕图像。
本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：本光学空间滤波方法相对于其它可产生三维立体浮雕图像的方法如微分干涉法和霍夫曼法等，具有方法简单易行，效果显著的特点；如前所述，微分干涉法等需要在显微镜光路上设置多个光学元件，不但所设置的光学元件(特别是有关棱镜)光学要求比较精细、价格昂贵，而且使得光路的设置比较复杂，使光路准直和调整困难，若使用不同倍率的物镜，还得另外配置相应一整套棱镜等元件，十分麻烦；相比之下，本技术非常简便，只需将一空间滤波拦截物设置于适当的位置即可实现产生三维立体浮雕图像的目的，无论是器件还是设置都十分简单，方便易行，在各种显微镜(正立、倒置、立体显微镜、偏光显微镜和荧光显微镜等)上采用不同倍率的物镜都可应用，还可适用于望远镜等其它成像装置，应用前景较广。
附图说明
图1是利用本发明技术在同一倒置显微镜上所成的活态成纤维细胞图像。
图2是没有使用本技术在一显微镜下所成的亚微米颗粒的图像。
图3是利用本发明技术在同一显微镜下所成的亚微米颗粒的图像。
图4是没有利用本发明技术在一偏振显微镜下对一样品所成的红细胞像。
图5是利用本发明技术在同一偏振显微镜下对同一样品所成的红细胞像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
以本可产生三维立体图像的光学空间滤波方法在一倒置显微镜上实现对无染色活态成纤维细胞的观察与成像。所使用的物镜为40×平场消色差物镜，具体方法为：在物镜后像方傅里叶频谱平面上，以一新月型为空间滤波器将频谱单边边缘约1/4处的部分高频分量截除，使像元上出现阴影效果，对像起衬托作用而产生浮雕效果，使得未经染色，在通用显微镜下难以辨别的活态成纤维细胞形成清晰、轮廓分明的浮雕图像，具体图像如图1所示，由图1可见，所成的细胞图像不但边界清楚，且细节丰富，可清楚辨别细胞核及其内部细微结构。
实施例2
以本可产生三维立体图像的光学空间滤波方法在一通用正立显微镜上实现对亚微米微小颗粒的分辨。所使用的物镜为40×平场消色差物镜。具体方法为：在物镜后像方傅里叶频谱平面上，以一月牙型空间滤波器将频谱单边边缘约1/3处的部分高频分量滤除，使像元上出现阴影效果，对像起衬托作用而产生立体浮雕效果，具体图像如图3所示，由图3可见，显微镜下的亚微米(≥0.2微米)微细颗粒不但清晰可辩，而且其立体形状结构及大小也清楚表现。相比之下，没有采用本技术以相同显微镜在同一物镜下观察的相同的样品，各亚微米颗粒的像仅为一模糊难辨的小黑点，如图2所示。
实施例3
以本可产生三维立体图像的光学空间滤波方法在一偏振显微镜上实现对活态红细胞的成像。所使用的物镜为20×平场消色差物镜，物镜前的起偏镜使投射到样品上的光为偏振光。具体方法为：在物镜后像方傅里叶频谱平面上，以一月牙型空间滤波器将频谱单边边缘约1/5处的部分高频分量滤除，使像元上出现阴影效果，对像起衬托作用而产生立体浮雕效果，具体图像如图5所示，由图5可见，所成的红细胞像凹凸分明，表面曲率明显，细节清楚。相比之下，没有利用本技术以相同偏振显微镜在同一物镜下观察同一样品的成像如图4所示，由图4可见，许多红细胞难以辨别是否有表面曲率，仅为一平面像，不知凹凸，更看不清有关细节的具体情况。
由上述实施例可见，利用本光学空间滤波方法可产生成像衬度高、立体感强、边界清楚、细微结构表现丰富三维立体图像，效果非常明显。
Claims (7)
1、一种可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：将物体影像经过显微镜或望远镜的物镜后像方空间的空间频谱单边的部分高频分量滤除。
2、根据权利要求1所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：所述将部分高频分量滤除是采用空间滤波器设置在物镜后像方空间中，空间滤波器将通过物镜的任一单边边缘部分的频谱分量过滤掉。
3、根据权利要求1所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：所述将部分高频分量滤除是采用拦截器设置在物镜后像方空间中，拦截器将通过物镜的任一单边部分高频分量截除。
4、根据权利要求2或3所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：滤波器或拦截器的形状对应于视场的形状。
5、根据权利要求4所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：对应于圆型的视场，所述的空间滤波器或拦截器为一个月牙型的拦截物。
6、根据权利要求4所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：对应于矩型的视场，所述的空间滤波器或拦截器为一个矩型的拦截物。
7、根据权利要求1所述的可产生三维立体图像的光学空间滤波方法，其特征在于：所述空间频谱单边部分高频分量为任一单边靠近边缘的频谱部分。
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