CN210376861U - 一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于显微镜领域，是一种结合光学成像技术、数码影像技术、及计算机技术制作的新型显微镜，该显微镜具有全视场角立体观察系统。该显微镜由成像装置、数据处理存储装置和观察装置组成，成像装置由两套互成12‑15^o夹角的光学成像系统和两套感光元件组成，成像装置与数据处理存储装置连接，数据处理装置将感光元件传输来的两路信号通过预定的处理程序分别转换成数字图像信息并由观察装置进行分屏播放，观察装置由显示屏、观察镜构成。本实用新型所述的显微镜实现了立体影像的数字化，方便存储、修改、回放、分享观察结果；同时营造出全视场的立体效果，提升了使用者的沉浸感与舒适度；另外其目镜可以灵活的调节高度与角度，提升了使用的便利性。

Description

一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜

技术领域

本实用新型属于显微镜的技术领域，是一种结合光学成像技术、数码影像技术、及计算机技术制作的新型显微镜，尤其涉及一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜。

背景技术

体视显微镜，又称"实体显微镜""立体显微镜"或"操作和解剖显微镜"，是一种具有正像立体感的显微镜，其能够实现立体效果在于其结构包含两个互成12^o-15^o夹角的光路筒，上述两个光路筒所成的左右两路光学成像有视角差，利用人脑的机能，可以将这两个有视角差的图像在人脑中融合，感知物体的距离和体积，形成立体感；如果使用单眼看图像，或者两眼看到视角完全一样的图像，是不会有立体感的。现有的体视显微镜，使用两个目镜观察到的是光学成像，立体影像没有数字化，不可对立体影像进行拍照、录像、传输；即使少数数码体视显微镜的数字化也仅是辅助功能，仅选取左右分光路中的一侧，通过加装一个分光棱镜来导出相应侧的画面到数码成像装置，所以它导出、存储的仍是平面图像或视频，不能将使用目镜观察时看到的立体图像的体积感和深度感全面、真实的还原，这是一大遗憾。

视场角（FOV）是从目镜观察时，看到的图像的最大边界与眼睛之间形成的夹角。视场角越大，视野更开阔，专注度更高，也更舒适，最理想的是实现全视场角。目前常见的体视显微镜，其视场角仅30^o-60^o左右，视场可见大面积的黑色边界。人眼的水平视角是120^o左右，视场角至少达到80^o以上，才可以勉强忽略周边的黑色边界，达到近似的全视场体验。可见传统体视显微镜的视场角离全视场角的要求还很遥远。对于视场角而言，在传统显微镜行业中，无论从技术水平还是生产难度而言，视场角的少量的增加，付出的代价都是非常巨大的，普通30^o-45^o左右视场角的显微镜设备一般在几千元到一两万，这种显微镜无论在国内还是国外，都有众多的生产厂家；而对于60^o左右极限视场角的显微镜而言，其价格则飙升到了十万以上，生产厂家上升到仅限于几大家（徕卡、蔡司、尼康、奥林巴斯）世界顶级显微镜厂商，由此可知视场角的少量增加，无论从价格成本还是生产难度，都有着巨大的差别。

另外，传统的体视显微镜，眼睛看到的是光学成像，目镜要位于光路筒的最上方，不便随意变动。即使稍加改变，如增加一个目镜的倾角调节装置，都需要一个精密的转轴，转轴内部棱镜的设计、加工和装配要求很高，成本居高不下。比如一个带倾角调节（调节范围0-30⁰左右）的双目头，比不能调节倾角的双目头，价格动辄高出万元以上。更多时候，使用者需要通过调节座椅高度来将就显微镜，才能获得舒适的工作位置。

如上所述，目前的体视显微镜，既未完全实现立体影像的数字化，也在观察时的视场角、沉浸感、舒适度等方面仍有很大的提升空间。如今，高清液晶显示屏的发展，及 VR/AR技术、全视场观察体验的兴起，为体视显微镜技术的进步带来了新的契机。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜。上述显微镜，实现了立体影像的数字化，可以方便的存储、修改、回放、分享观察结果；同时营造出全视场的立体效果，提升了使用者的沉浸感与舒适度；另外其目镜可以灵活的调节高度与角度，提升了使用的便利性。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述显微镜由成像装置、数据处理存储装置和观察装置组成，所述的成像装置由光学成像系统和感光元件组成，上述的成像装置设置在显微镜光路筒中，所述的成像装置与数据处理存储装置连接，数据处理存储装置至少由图像处理器构成，数据处理装置将感光元件传输来的信息通过预定的处理程序转换成数字图像信息，并将该数字图像信息传输至观察装置，观察装置由显示屏、目镜构成，所述的显示屏设置在目镜一倍焦距内，所述的显示屏用于显示数据处理存储装置传输来的数字图像信息。

所述的光学成像系统的光路分左右，并成12-15^o视角差；所述的感光元件也是分左右的，各自接收对应侧的分光路图像信号；所述数据处理存储装置将感光元件传输来的光路图像处理后，通过显示屏左右并排显示。

所述的观察装置中的显示屏由外壳构成的两个独立观察腔分割成为相同大小的两个显示分屏，每个观察腔中均设置一个目镜，所述的两个目镜与人双眼瞳孔同宽。

所述的目镜中至少一个设置有目镜瞳距调节机构，所述的目镜瞳距调节机构为通过螺栓旋转拉动目镜，或者将目镜设置在滑槽中，通过滑动调整瞳距，还可以采用铰链机构、连杆机构、齿轮齿条机构等进行瞳距调节。

所述的成像装置与数据处理装置或者数据处理装置和观察装置之间的图像信息传输，既可采用无线方式进行传输，也可采用有线方式传输。

所述数据处理装置还与存储装置连接，将传输给显示屏的左右分光路的视频图像信息同步存储于该存储装置中。

所述的目镜为单片透镜或者多片透镜构成的镜组。

所述的感光元件为CCD或者CMOS，安装在电路板上，该电路板上还连接固定数据处理装置。

通过对图像传感器采集观察到的实时图像信息进行存储，保证了用户得到的视频及图像画面与观察到的画面大小、位置完全一致。

本实用新型通过采用上述的技术解决方案，获得了以下积极的技术效果和优点：首先本实用新型对双光路筒同时采集图像，并同时处理成两路数字图像，将原来的不可纪录的光学立体图像，转化成了可纪录、可存储的数字化立体图像，使科学研究的过程实现完整的纪录和再现；另外传统显微镜很多只能达到30-45^o左右的视场角，高端显微镜耗费十几倍甚至几十倍的成本才能达到60^o左右的极限视场角，而本实用新型利用显示屏配合目镜的方式，巧妙的实现了全视场角（大于90^o）显示，大幅提高了科研工作者工作时的沉浸感，这种沉浸感的跨跃式提升是目前的传统显微镜难以实现的；另外本实用新型通过采用有线或者无线的方式，来实现显微镜本身和观察装置之间的数据传输，这样就可以实现一台显微镜的观察结果，通过设置多台观察装置达到同时显示的技术效果，而多人同时观察研究甚至讨论，这种方式通过网络传输之后，也可以实现异地实时观察研究，这种观察方式可以大幅度的提高科研活动的效率和准确性；另外利用有线和无线传输方式连接观察装置，也使得目镜可以灵活的调节角度与高度,彻底解决了传统显微镜的目镜位置相对固定，使用时坐姿固定导致劳动强度偏高的问题，使科研人员的劳动强度得到显著的降低。

附图说明

图1为本实用新型的体视显微镜工作原理之一成像装置原理图

图2为本实用新型的体视显微镜工作原理之二观察装置全视场原理图

图3为本实用新型的体视显微镜的观察装置位置与角度调节图

图4为本实用新型的体视显微镜局部剖视图

图5为本实用新型的体视显微镜观察装置的立体外观图

图6为本实用新型的体视显微镜观察装置的另外一个视角的立体外观图

图7为本实用新型的体视显微镜观察装置装配图

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，该显微镜在传统显微镜基础上增加了数码成像装置、数据处理存储装置和全视场角观察装置。主要的技术改进在于：所述的数码成像装置由设置在显微镜光路筒中的两套互成夹角的光学成像系统和两套感光元件组成，也就是在传统的光学显微镜的基础上增加了两套感光元件，所述的感光元件为CCD或者CMOS，该感光元件安装在电路板上，该电路板上还连接固定数据处理装置。上述感光元件相当于目镜，对光学图像进行数字信号采集，实现双光路数字成像。如果需要保留原有的体视显微镜双目镜观察的功能，则通过增加分光镜即可。上述成像装置与数据处理存储装置连接，数据处理存储装置至少由图像处理器构成，数据处理存储装置将两套感光元件传输来的两路信号通过预定的处理程序分别转换成数字图像信息,并将该数字图像信息传输至观察装置，如果数据处理存储装置中包含存储设备，则需要将上述的两组信号同时进行存储。所述的显微镜上设置一个以上观察装置，观察装置由设置在观察装置外壳中的至少一块显示屏和一对目镜构成，这里提到的一块显示屏在使用的时候，是要进行分屏显示的，所述的显示屏由外壳构成的两个独立观察腔分割成为相同大小的两个显示分屏，也就是相当于两块显示屏，这样分别对应两个目镜，以实现立体观察的效果。所述的显示屏用于显示数据处理存储装置传输来的两组数字图像信息，显示屏位于目镜一倍焦距内，目镜为透镜或透镜组，通过目镜形成放大的虚像。通过上述的结构可知，本实用新型中的体视显微镜通过双路采集不同角度的两组光学图像，图像经过数字转换之后再通过显示屏分屏显示，最终通过目镜放大得到实时立体图像。采取这种方式，可以通过调整显示屏的大小灵活的调整视场角的大小，轻松达到全视场角显示的要求，其成本增加相对于传统显微镜而言微乎其微。因此本实用新型通过传统光学成像结合数字技术的方式，彻底解决了一直困扰显微镜行业的视场角问题。

所述的观察装置与数据处理存储装置之间通过有线或者无线方式传输数字图像信息，观察装置采用固定在显微镜上或者与显微镜分体设置两种结构。通过上面的描述可知，本实用新型的图像由于将普通的光学图像转换成数字图像，因此可以方便的以有线或者无线的方式进行传输。这种传输方式使本实用新型的观察装置具备了两个与传统显微镜明显的差别：首先就是观察装置可以同时设置一个以上，有线传输的方式可以通过设置多个数据线插口以同时连接多个观察装置，而无线传输的方式则更加简单，直接将多个具有无线接收装置的观察装置连接无线信号即可；其次通过采用数字信号来传输图像，使显微镜的观察装置可以摆脱光学传输的束缚，灵活的调节高度与角度，甚至与显微镜本体分体设置，也就是可将观察装置采用活动连接的方式固定在显微镜上，包括扣合连接、插合连接、快速螺栓连接、夹抱连接等。既可按照传统使用方式操作显微镜，也可以将观察装置拆卸下来，使观察者以更舒服的坐姿进行观察工作，这种观察方式可以显著的降低观察者的劳动强度。而通过对上述两种方式进行组合，本实用新型的显微镜就可以一台显微镜配合多个有线或者无线观察装置，实现实时多人同时观察和讨论，这种工作方式可以大幅提高科研活动的工作效率。所述数据处理装置中还与存储装置连接，将处理后的视频图像信息同步存储于该存储装置中，使科研过程和成果得到纪录和保存，存储装置可以采用常见的硬盘、sd卡、TF卡等常见存储装置。

为了适应不同人的瞳距，所述的一对目镜中至少一个设置有瞳距调节机构，所述的瞳距调节机构为通过螺栓旋转拉动目镜，或者将目镜设置在滑槽中，通过滑动调整瞳距，还可以采用铰链机构、连杆机构、齿轮齿条机构等进行瞳距调节。上述的瞳距调整装置在现有的行业中都属于通用技术，故不做详细描述。

本实用新型的工作原理由图1与图2综合说明。其中图1为成像装置的原理，图2是观察装置全视场原理，这两部分均以有线或无线的方式连接至数据处理与存储装置。

图1是本实用新型的体视显微镜成像装置原理图。其中01为待观察样本，02为物镜组，包括前组物镜、后级物镜、补偿物镜和变倍物镜等，03为适配镜，04为感光元件，样本01反射的光线经过物镜组02放大后再被适配镜03聚焦于感光元件04的靶面上，完成光学信号到数字信号的转换。

图2是本实用新型的观察装置全视场原理图：105是高清显示屏，用于分左右屏显示左右光路筒观察到的图像，较佳尺寸为5.5-6寸，较佳长宽比为2：1，分辨率在2K（2880X1440）以上；106-1为左目镜，106-2为右目镜，显示屏位于目镜的一倍焦距内，使显示屏的图像在明视距离处（250mm）形成放大的虚像，同时获得视场角的大幅增加，实现全视场角的显示效果。

如图3所示，本实用新型实施例显微镜主要由底座1、准焦手轮2、支架3、机身主体4、调节装置5、观察装置6等组成。上述显微镜的组件1至组件4，均与传统体视显微镜原理一致，构造类似，在此不赘述。

如图4，所述感光元件14（本例中使用CCD芯片）及数据处理和存储装置均集成于印刷电路板13（PCB）上，PCB安装于分光路筒11的正上方，感光元件14（CCD芯片）与分光路筒11的中心重合，感光元件14分左右，左感光元件正对左光路筒，右感光元件正对右光路筒。调节准焦手轮2，使得从光学成像系统传来的图像正好投射于上述CCD芯片感光面上，CCD芯片将光学信号转换成电子信号并传于数据处理和存储装置，数据处理和存储装置的处理芯片对收到的电子信号做出优化处理，之后将此信号通过高清图像数据线15传给观察装置6内部的显示屏105，左右并排显示。此过程中，上述高清图像信号亦可作为图片或视频存于上述的数据处理和存储装置的存储媒介（如SD卡、TF卡、U盘等）中。

调节装置5是观察装置6与显微镜机身主体4之间的连接机构，主要由第一部件20和第二部件21组成。第一部件20上有滑槽结构201和圆柱结构202；上述圆柱结构202与体视显微镜机身主体外壳上的孔（主体外壳上有孔）相配组成旋转运动副，使观察装置可沿上述运动副的轴线做90度的转动；第二部件21有板状结构和圆筒结构，上述圆筒结构的轴线与上述板状结构中心点垂直相交；上述圆筒结构外端有螺纹，通过此螺纹连接观察装置；上述板状结构嵌入第一部件20的滑槽结构201内组成移动运动副，可以做行程50mm的滑动。上述旋转运动副和移动运动副通过加入阻尼油与摩擦条的方式保持各配件间位置相对稳定，在无外力作用的情况下不出现转动和位移。通过此调节装置，实现了观察装置大范围的角度和高度调节，使得不同身高的使用者，均可以获得舒适的工作位置，提升了使用的便利度。

由图5-7可见，本实用新型所述显微镜的观察装置6由目镜连接环101，目镜外壳102、目镜固定架103，橡胶护罩104，高清屏105、目镜106等配件组成。目镜连接环101是观察装置6与调节装置5相连的配合件，采用螺纹方式，获得牢固的连接。当然，此处也可以用卡扣等方式，不影响功能使用。目镜外壳由上壳102-1、下壳102-2组成，上壳与下壳共同构成腔体，容纳内部的配件；上壳102-1、下壳102-2的内部形成有长条形的滑槽，两个目镜固定架103-1、103-2可滑动的装配在上述滑槽中。目镜外壳上有两个目镜瞳距调节孔102-11、102-12，这两个孔在左右方向稍长，容纳目镜固定架103-1、103-2上的凸出的拨杆103-11、103-21后还留有调节瞳距的余量，拨动上述拨杆即可使相应侧的目镜固定架在上述滑槽内滑动，实现瞳距调节。左目镜106-1安装在左目镜固定架103-1上，右目镜106-2安装在右目镜固定架103-2上，上述目镜分别正对着高清屏105的左右两边，目镜外壳102-2中央的片状构造102-21和目镜外壳102-1中央的片状构造（图中已经被遮挡，与102-21相似）上下贴合，从正中间隔开显示屏105的左右图像，并形成左右两个观察腔，这样，左右两个目镜106-1、106-2观察到的图像不会相互干扰。在此实施例中，我们采用一块长方形高清屏来显示从图像传感器模块9传来的实时放大图像，但是，也可以采用两块正方形的高清屏来分别显示左右图像，与上述结构是同理的。本实施例中，左目镜106-1和右目镜106-2采用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜成本低，厚度薄，重量轻，而且可以减少球面像差，观察时视角可达90度以上，远远超过传统目镜的视场角（30-60度），达到全视场效果。另外目镜也可使用透镜、透镜组、及棱镜来实现相同的功能。贴合人眼周边外形而设计的橡胶护罩104可以在使用者工作时阻挡外部光线，避免干扰成像效果。本实施例中，是使用拨杆拨动来调节瞳距的，当然，此机构也可以用其它联动机构，如连杆机构、同步轮等机构来代替，甚至可以固定一侧，通过调节另一侧的位置来调节瞳距。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，该显微镜由成像装置、数据处理存储装置和观察装置组成，其特征在于：所述的成像装置由设置在显微镜光路筒中的两套互成夹角的光学成像系统和两套感光元件组成，上述成像装置与数据处理存储装置连接，数据处理存储装置至少由图像处理器构成，数据处理存储装置将两套感光元件传输来的两路信号通过预定的处理程序分别转换成数字图像信息,并将该数字图像信息传输至观察装置，所述的显微镜上设置一个以上观察装置，观察装置由设置在观察装置外壳中的至少一块显示屏和一对目镜构成，所述的显示屏用于显示数据处理存储装置传输来的两组数字图像信息，显示屏位于目镜一倍焦距内。

2.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜,其特征在于：所述的观察装置与数据处理存储装置之间通过有线或者无线方式传输数字图像信息，观察装置采用固定在显微镜上或者与显微镜分体设置两种结构。

3.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜,其特征在于：观察装置采用活动连接的方式固定在显微镜上，包括扣合连接、插合连接、快速螺栓连接、夹抱连接等方式。

4.根据权利要求1或者3任意一个所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述的数据处理存储装置上设置有无线信号发射装置，可将观察得到的数字图像信息通过WiFi或蓝牙等方式传输至观察装置或配对好的接收装置，实现存储与分享。

5.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述的观察装置中的显示屏由外壳构成的两个独立观察腔分割成为相同大小的两个显示分屏，每个观察腔中均设置一个目镜，所述的两个目镜与人双眼瞳孔同宽。

6.根据权利要求1或者5任意一个所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述的一对目镜中至少一个设置有瞳距调节机构，所述的瞳距调节机构为通过螺栓旋转拉动目镜，或者将目镜设置在滑槽中，通过滑动调整瞳距，还可以采用铰链机构、连杆机构、齿轮齿条机构等进行瞳距调节。

7.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述的数据处理存储装置同时处理两个成像装置中的图像信号，并将上述的信号进行存储，同时将处理后的图像信号传输到显示屏中进行播放。

8.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜，其特征在于：所述的成像装置的光学成像系统分左右两条相互独立的光路，且两条光路之间成12-15^o视角差；所述的光学成像系统由透镜组和感光元件构成，且由感光元件进行光电图像转换并将该图形信号传输至数据处理存储装置。

9.根据权利要求1所述的一种带全视场角立体观察功能的体视显微镜,其特征在于：所述的感光元件为CCD或者CMOS，安装在电路板上，该电路板上还连接固定数据处理装置。

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