RU2781475C2

RU2781475C2 - Stereomicroscope with one lens

Info

Publication number: RU2781475C2
Application number: RU2020114987A
Authority: RU
Inventors: Грэхем Питер Френсис МЁРСЕР
Original assignee: Вижен Инжиниринг Лимитед
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2022-10-12

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to a stereoscopic microscope. A node for obtaining a stereo-image for use in the microscope contains a lens and a beam splitter made with the possibility of generation of a corresponding aperture image on each of two optical paths. The node also contains a diaphragm structure on each optical path. Each diaphragm structure is located on a plane of the corresponding aperture image so that to block a part of the corresponding aperture image to provide an exit pupil in such a way that a stereoscopic image of an object viewed through the microscope can be generated by combination of image objects visible through each of exit pupils. The node additionally contains two image sensors and a digital image processor. Each image sensor is made with the possibility of capture of an image visible through the corresponding exit pupil and output of a digital image. The digital image processor is made with the possibility of correction of the corresponding digital image output by each image sensor, wherein the correction is based on a position of the corresponding diaphragm structure.

EFFECT: obtaining a stereomicroscope with one lens.

15 cl, 16 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к стереоскопическим микроскопу. В частности, изобретение относится к узлу для микроскопа, стереоскопическому микроскопу, содержащему этот узел, и способу модернизации микроскопа с использованием этого узла.The invention relates to a stereoscopic microscope. In particular, the invention relates to a microscope assembly, a stereoscopic microscope containing the assembly, and a method for retrofitting a microscope using the assembly.

Уровень техникиState of the art

Для облегчения описания уровня техники и настоящего описания ниже определены несколько терминов:To facilitate the description of the prior art and the present description, several terms are defined below:

"моно" - (об изображении) кажущееся наблюдателю "плоским" или двумерным, или (об устройстве), создающее моноизображение;"mono" - (of an image) appearing "flat" or two-dimensional to an observer, or (of a device) producing a mono image;

"стерео" - (об изображении) кажущееся наблюдателю имеющим глубину или трехмерным, или (об устройстве) создающее стереоизображение;"stereo" - (about the image) appearing to the observer to have depth or three-dimensionality, or (about the device) creating a stereo image;

монокулярный - просматриваемый только одним глазом;monocular - viewed with only one eye;

бинокулярный - просматриваемый обоими глазами.binocular - viewed with both eyes.

На фиг. 1 показан обычный составной моноскопический микроскоп (не в масштабе - длина уменьшена для ясности). Этот микроскоп содержит узел 101 объектива (обычно составная линза, состоящая из нескольких сложных линз), имеющий апертурную диафрагму 102. Узел 101 объектива выполнен таким образом, что он формирует изображение объекта 111, скорректированное на бесконечность. Тубусная линза 103 фокусирует свет от узла 101 объектива для получения промежуточного изображения 112 внутри микроскопа. Окуляр 104 увеличивает промежуточное изображение 112, создавая мнимое изображение большего размера. Это мнимое изображение просматривают через выходной зрачок 113, который представляет собой уменьшенное изображение апертурной диафрагмы 102.In FIG. 1 shows a conventional compound monoscopic microscope (not to scale - length reduced for clarity). This microscope includes an objective lens assembly 101 (typically a composite lens consisting of several composite lenses) having an aperture stop 102. The objective lens assembly 101 is configured to form an infinity-corrected image of the object 111. The tube lens 103 focuses light from the lens assembly 101 to produce an intermediate image 112 within the microscope. The eyepiece 104 enlarges the intermediate image 112, creating a larger virtual image. This virtual image is viewed through the exit pupil 113, which is a reduced image of the aperture stop 102.

Простой бинокулярный стерео микроскоп может быть обеспечен путем, по существу, размещения двух микроскопов фиг. 1 рядом друг с другом и под углом друг к другу для обеспечения параллакса, необходимого для стереоскопичности. Однако, поскольку узлы 101 объективов являются объемными, рабочее расстояние микроскопа (то есть расстояние между узлом 101 объектива и объектом 111) должно быть большим, чтобы обеспечить достаточно места для размещения узлов 101 объективов рядом друг с другом. Разрешение микроскопа имеет обратную корреляцию с апертурой и глубиной поля зрения, поэтому стереомикроскопы с такой структурой не могут обеспечивать такое же полезное увеличение, как монокулярный мономикроскоп.A simple binocular stereo microscope can be provided by essentially placing the two microscopes of FIG. 1 next to each other and at an angle to each other to provide the parallax required for stereoscopicity. However, since the lens assemblies 101 are bulky, the working distance of the microscope (i.e., the distance between the lens assembly 101 and the object 111) must be large in order to provide enough space to place the lens assemblies 101 next to each other. Microscope resolution is inversely correlated with aperture and depth of field, so stereomicroscopes with this structure cannot provide the same useful magnification as a monocular monomicroscope.

На фиг. 2 изображен бинокулярный мономикроскоп - то есть микроскоп, формирующий моноизображение, которое можно наблюдать обоими глазами. Узел 201 объектива, апертура 202 и тубусная линза 203 эквивалентны таковым в монокулярном мономикроскопе. В тубусе микроскопа предусмотрен светоделитель 221, разделяющий свет на два пути. Каждый путь содержит окуляр 204 и зеркала 222, выполненные с возможностью направления света к наблюдателю и обеспечения одинаковой длины каждого из путей. На каждом пути создается отдельное промежуточное изображение 212, и каждый путь имеет свой собственный выходной зрачок 214, расположенный таким образом, что наблюдатель может разместить глаз у каждого зрачка для просмотра изображения.In FIG. 2 shows a binocular monomicroscope - that is, a microscope that forms a monoimage that can be observed with both eyes. The lens assembly 201, aperture 202, and tube lens 203 are equivalent to those of a monocular monomicroscope. A beam splitter 221 is provided in the microscope tube, dividing the light into two paths. Each path contains an eyepiece 204 and mirrors 222 configured to direct light towards the observer and provide the same length for each of the paths. Each path creates a separate intermediate image 212, and each path has its own exit pupil 214 positioned so that an observer can place an eye at each pupil to view the image.

Опыт использования бинокулярного мономикроскопа скорее похож на просмотр фотографии - наблюдатель может видеть изображение обоими глазами, но отсутствует параллакс и поэтому нет никакой информации о глубине, и может быть трудно определить профиль элементов изображения. Таким образом, бинокулярные моносистемы могут быть более удобными для пользователя, но они не воспроизводят преимущества стереосистем в отношении восприятия глубины. Однако, поскольку используется только один узел объектива, апертура и увеличение не ограничены так, как в стереомикроскопах.The experience of using a binocular monomicroscope is rather like looking at a photograph - the observer can see the image with both eyes, but there is no parallax and therefore no depth information, and it can be difficult to determine the profile of the image elements. Thus, binocular mono systems may be more user-friendly, but they do not replicate the depth perception advantages of stereo systems. However, since only one objective lens assembly is used, aperture and magnification are not as limited as they are with stereo microscopes.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Согласно первому аспекту изобретения предлагается узел для использования в микроскопе, содержащий узел объектива с апертурой. Узел содержит линзу и светоделитель. Линза и светоделитель выполнены с возможностью формирования соответствующего апертурного изображения на каждом из двух оптических путей. Кроме того, узел содержит на каждом оптическом пути диафрагменную структуру. Каждая диафрагменная структура расположена на плоскости соответствующего апертурного изображения так, чтобы перекрывать часть соответствующего апертурного изображения для обеспечения выходного зрачка, таким образом, что стереоскопическое изображение объекта, просматриваемого через микроскоп, может быть образовано сочетанием изображений объекта, видимых через каждый из выходных зрачков. Узел дополнительно содержит два датчика изображения и цифровой процессор изображений. Каждый датчик изображения выполнен с возможностью захвата изображения, видимого через соответствующий выходной зрачок, и вывода цифрового изображения. Цифровой процессор изображения выполнен с возможностью применения коррекции к соответствующему цифровому изображению, выдаваемому каждым датчиком изображения, причем коррекция основана на положении соответствующей диафрагменной структуры.According to a first aspect of the invention, there is provided an assembly for use in a microscope comprising an aperture lens assembly. The assembly contains a lens and a beam splitter. The lens and the beam splitter are configured to form a corresponding aperture image on each of the two optical paths. In addition, the assembly contains a diaphragm structure in each optical path. Each diaphragm structure is located on the plane of the corresponding aperture image so as to overlap a part of the corresponding aperture image to provide an exit pupil, so that a stereoscopic image of an object viewed through a microscope can be formed by a combination of images of an object seen through each of the exit pupils. The node further comprises two image sensors and a digital image processor. Each image sensor is configured to capture an image seen through a respective exit pupil and output a digital image. The digital image processor is configured to apply a correction to a respective digital image produced by each image sensor, the correction being based on the position of the respective diaphragm structure.

Согласно дополнительному аспекту изобретения, предложен стереомикроскоп, содержащий узел объектива, содержащий апертуру и узел в соответствии с первым аспектом.According to a further aspect of the invention, a stereo microscope is provided, comprising an objective lens assembly comprising an aperture and an assembly according to the first aspect.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ модернизации микроскопа. Способ включает в себя удаление окуляра микроскопа; и размещение узла в соответствии с первым аспектом таким образом, чтобы линза находилась в положении, из которого удален окуляр.According to another aspect of the invention, a method for retrofitting a microscope is provided. The method includes removing the microscope eyepiece; and placing the assembly according to the first aspect such that the lens is in the position from which the eyepiece is removed.

Дополнительные варианты осуществления представлены в пункте 2 и последующих пунктах формулы изобретения.Additional options for implementation are presented in paragraph 2 and subsequent paragraphs of the claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию монокулярного мономикроскопа;Fig. 1 is a schematic illustration of a monocular monomicroscope;

Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию бинокулярного мономикроскопа;Fig. 2 is a schematic illustration of a binocular monomicroscope;

Фиг. 3А представляет собой схематическую иллюстрацию стереомикроскопа с разделенной апертурой;Fig. 3A is a schematic illustration of a split aperture stereo microscope;

Фиг. 3В представляет собой схематичный вид спереди разделенной апертуры по фиг. 3;Fig. 3B is a schematic front view of the split aperture of FIG. 3;

На фиг. 4А и 4В показаны пути лучей через узел объектива и апертура микроскопа, показанного на фиг. 3;In FIG. 4A and 4B show the paths of rays through the objective assembly and aperture of the microscope shown in FIG. 3;

Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию стереомикроскопа;Fig. 5 is a schematic illustration of a stereo microscope;

На фиг. 6А-6С показаны несколько возможных вариантов формы диафрагменной структуры в микроскопе, показанном на фиг. 5;In FIG. 6A-6C show several possible forms of the diaphragm structure in the microscope shown in FIG. 5;

Фиг. 7А-7С иллюстрируют влияние различных положений диафрагменной структуры в микроскопе, показанном на фиг. 5;Fig. 7A-7C illustrate the effect of different positions of the diaphragm structure in the microscope shown in FIG. 5;

Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию подвижной диафрагменной структуры;Fig. 8 is a schematic illustration of a movable diaphragm structure;

Фиг. 9 представляет собой схематическую иллюстрацию стереоскопического просмотрового аппарата;Fig. 9 is a schematic illustration of a stereoscopic viewing apparatus;

Фиг. 10 представляет собой схематическую иллюстрацию системы микроскопа.Fig. 10 is a schematic illustration of a microscope system.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Для получения стереоизображения микроскоп должен обеспечивать изображение для каждого глаза с разных ракурсов (под углом, имитирующим нормальное стереоскопическое зрение). В известных конструкциях это сделано путем обеспечения отдельных узлов объективов, каждый из которых обеспечивает отдельное изображение, по одному для каждого глаза пользователя. Это приводит к уменьшению увеличения, доступного стереомикроскопам по сравнению с мономикроскопами. Альтернативный способ обеспечения различных ракурсов показан на фиг. 3А. Узел 301 объектива содержит апертурную диафрагму 302, которая показана на фиг. 3В. Апертурная диафрагма 302 разделена на две отдельные апертуры 311 и 312. Свет из каждой апертуры 311, 312 направляют через отдельную оптику 303 к окулярам (не показаны).To obtain a stereo image, the microscope must provide an image for each eye from different angles (at an angle that mimics normal stereoscopic vision). Known designs do this by providing separate lens assemblies, each providing a separate image, one for each user's eye. This results in a reduction in the magnification available for stereomicroscopes compared to monomicroscopes. An alternative way of providing different views is shown in FIG. 3A. The lens assembly 301 includes an aperture stop 302, which is shown in FIG. 3B. The aperture stop 302 is divided into two separate apertures 311 and 312. Light from each aperture 311, 312 is directed through a separate optic 303 to eyepieces (not shown).

На фиг. 4А и В показаны пути лучей через каждую из апертур 311 и 312 соответственно. Как видно, ракурс каждой из апертур отличается, поэтому результирующие изображения из каждой апертуры могут быть направлены в разные глаза наблюдателя так, что они воспринимаются как стереоизображение.In FIG. 4A and B show the beam paths through each of the apertures 311 and 312, respectively. As can be seen, the view of each of the apertures is different, so the resulting images from each aperture can be directed to different eyes of the observer so that they are perceived as a stereo image.

Тем не менее, наличие разделенной апертуры создает несколько проблем. Во-первых, сама апертура является небольшой и обычно встроена в узел объектива, и поэтому технология изготовления такой апертуры является сложной. Во-вторых, каждая из апертур 311 и 312 меньше, чем одна апертура 102. В результате разрешение микроскопа ниже, чем может быть достигнуто с одной апертурой (хотя достигаемое разрешение все еще больше, чем для стереомикроскопа с двумя объективами), а также по сравнению с одним апертурой происходит некоторое затемнение и дисторсия изображения. Это также приводит к тому, что выходные зрачки меньше, чем они были бы с одной апертурой, что делает такой микроскоп непрактичным для реального использования (поскольку наблюдатель должен держать свою голову крайне неподвижной, чтобы не потерять изображения, а оптические характеристики глаза ухудшаются за счет того, что диафрагма радужной оболочки заполнена не полностью).However, having a split aperture poses several problems. First, the aperture itself is small and is usually built into the lens assembly, and therefore the manufacturing technology of such an aperture is complex. Secondly, apertures 311 and 312 are each smaller than one aperture 102. As a result, the resolution of the microscope is lower than can be achieved with a single aperture (although the resolution achieved is still greater than for a stereo microscope with two objectives), and also in comparison with one aperture there is some darkening and distortion of the image. It also results in exit pupils that are smaller than they would be with a single aperture, making such a microscope impractical for real-world use (because the observer must keep their head extremely still to avoid losing the image, and the optical performance of the eye is degraded by that the diaphragm of the iris is not completely filled).

Фиг. 5 представляет собой схематическую диаграмму микроскопа, в конструкции которого обеспечены разделенные апертуры. Микроскоп содержит узел 501 объектива, имеющий (одну) апертуру 502 и тубусную линзу 503, предназначенный для создания изображения объекта 530. Микроскоп дополнительно содержит промежуточную линзу 504, светоделитель 505 и зеркала 506. Линза 504, светоделитель 505 и зеркала 506 вместе образуют соответствующие изображения 512а, 512b апертуры 502 (далее упоминаемое как апертурное изображение) на каждом из двух оптических путей 521а, 521b. В плоскости каждого апертурного изображения 512а, 512b предусмотрена соответствующая диафрагменная структура 507а, 507b, таким образом, что каждая диафрагменная структура 507а, 507b перекрывает отличную от другой часть соответствующего апертурного изображения, определяя выходной зрачок 513а, 513b. Линзы 508а, 508b окуляров и датчики 509а, 509b изображения расположены таким образом, что датчики изображения захватывают действительное изображение объекта 520 через каждый из выходных зрачков 513а, 513b. На практике за апертурными изображениями требуется дополнительная оптика (не показана) для получения действительных изображений 531а, 531b объекта за выходными зрачками 513а, 513b, которые затем просматривают через окуляры 508а, 508b. Диафрагменные структуры 507а, 507b располагают таким образом, что соответствующие изображения, захваченные датчиками 509а, 509b изображения, могут быть отображены на стереоскопическом просмотровом аппарате в качестве стереоизображения объекта, то есть при этом один датчик изображения обеспечивает вид для левого глаза, а другой обеспечивает вид для правого глаза, благодаря расположению соответствующих диафрагменных структур.Fig. 5 is a schematic diagram of a microscope in which split apertures are provided. The microscope includes an objective assembly 501 having a (single) aperture 502 and a tube lens 503 for imaging an object 530. The microscope further includes an intermediate lens 504, a beam splitter 505, and mirrors 506. The lens 504, beam splitter 505, and mirrors 506 together form respective images 512a. , 512b of the aperture 502 (hereinafter referred to as the aperture image) on each of the two optical paths 521a, 521b. In the plane of each aperture image 512a, 512b, a corresponding diaphragm structure 507a, 507b is provided such that each diaphragm structure 507a, 507b overlaps a different part of the respective aperture image, defining an exit pupil 513a, 513b. The eyepiece lenses 508a, 508b and the image sensors 509a, 509b are positioned such that the image sensors capture a real image of the object 520 through each of the exit pupils 513a, 513b. In practice, behind the aperture images, additional optics (not shown) are required to obtain actual images 531a, 531b of the object behind the exit pupils 513a, 513b, which are then viewed through eyepieces 508a, 508b. The aperture structures 507a, 507b are positioned such that the respective images captured by the image sensors 509a, 509b can be displayed on a stereoscopic viewer as a stereo image of the object, i.e., one image sensor provides the left eye view and the other provides the left eye view. right eye, due to the location of the corresponding diaphragmatic structures.

Апертурное изображение 512а, 512b больше размера самой апертуры, и каждая диафрагменная структура должна обеспечивать только один из ракурсов. Поэтому диафрагменные структуры могут быть изготовлены гораздо проще, чем разделенная апертура, как показанное на фиг. 4, хотя и также обладают возможностью обеспечения стереоизображения.The aperture image 512a, 512b is larger than the aperture itself, and each aperture structure need only provide one of the views. Therefore, diaphragm structures can be made much more simply than a split aperture as shown in FIG. 4, although also capable of providing a stereo image.

Диафрагменная структура 507а, 507b может иметь любую подходящую форму. Несколько возможных вариантов показаны на фиг. 6А-6С. Например, диафрагменная структура 507а, 507b может иметь апертуру, которая определяет выходной зрачок (61), или может быть "шторкой", которая перекрывает только одну сторону апертурного изображения 512а, 512b с прямым (62) или изогнутым (63) краем. Для обеспечения полного, чистого стереоизображения диафрагменные структуры 507а, 507b должны быть расположены так, чтобы выходной зрачок для каждого глаза соответствовал части апертуры, которая не находится в другом выходном зрачке. Менее выраженный стереофонический эффект достигается, если выходные зрачки немного перекрывают друг друга (т. е. каждый содержит часть апертуры, которая находится в другом выходном зрачке, и часть, которая не находится в другом выходном зрачке). Если выходные зрачки полностью перекрывают друг друга, результатом является бинокулярное моноизображение.The diaphragm structure 507a, 507b may have any suitable shape. Several options are shown in Fig. 6A-6C. For example, diaphragm structure 507a, 507b may have an aperture that defines the exit pupil (61), or may be a "shutter" that covers only one side of the aperture image 512a, 512b with a straight (62) or curved (63) edge. To provide a complete, clear stereo image, diaphragm structures 507a, 507b must be positioned so that the exit pupil for each eye matches the portion of the aperture that is not in the other exit pupil. A less pronounced stereo effect is achieved if the exit pupils slightly overlap each other (i.e. each contains a part of the aperture that is in a different exit pupil and a part that is not in the other exit pupil). If the exit pupils completely overlap each other, the result is a binocular mono image.

Фиг. 7А, 7В и 7С иллюстрируют влияние различных положений диафрагменной структуры для диафрагменных структур типа "шторка". Те же принципы справедливы и для других форм диафрагменной структуры. В верхней части каждой фигуры показаны апертурные изображения и диафрагменные структуры, средняя часть показывает результирующие выходные зрачки (наложенные друг на друга таким образом, чтобы были видны различия), а нижняя часть показывает представление степени стереоскопии (насколько это можно представить в двумерной среде). Как видно на фиг. 7А, если нет диафрагменной структуры 507а, 507b, перекрывающей апертурные изображения 512а, 512b, выходные зрачки 513а, 513b для каждого глаза точно соответствуют друг другу, и в результате получается бинокулярное моноизображение 71. Это также может иметь место для диафрагменных структур, содержащих симметричную апертуру, расположенную таким образом, что выходные зрачки соответствуют точно друг другу. Как показано на фиг. 7С, если каждая диафрагменная структура 507а, 507b частично перекрывает соответствующие апертурные изображения 512а, 512b так, что выходные зрачки 513а, 513b являются полностью отдельными областями апертуры, получается полное стереоизображение 73. Как показано на фиг. 7В, если каждая диафрагменная структура 507а, 507b перекрывает отдельную часть каждого апертурного изображения 512а, 512b так, что выходные зрачки 512а, 513b являются перекрывающимися областями апертуры, но имеется часть каждого выходного зрачка, не соответствующая части другого выходного зрачка, то получается менее выраженное стереоизображение 72.Fig. 7A, 7B, and 7C illustrate the effect of different positions of the diaphragm structure for curtain diaphragm structures. The same principles are valid for other forms of diaphragm structure. The top of each figure shows aperture images and diaphragm structures, the middle shows the resulting exit pupils (overlaid so that differences are visible), and the bottom shows a representation of the degree of stereoscopy (as far as it can be represented in a 2D environment). As seen in FIG. 7A, if there is no diaphragm structure 507a, 507b overlapping the aperture images 512a, 512b, the exit pupils 513a, 513b for each eye exactly match each other, resulting in a binocular mono-image 71. This may also be the case for diaphragm structures containing a symmetrical aperture. positioned so that the exit pupils match exactly. As shown in FIG. 7C, if each aperture structure 507a, 507b partially overlaps the respective aperture images 512a, 512b so that the exit pupils 513a, 513b are completely separate aperture areas, a full stereo image 73 is obtained. As shown in FIG. 7B, if each aperture structure 507a, 507b overlaps a different portion of each aperture image 512a, 512b such that the exit pupils 512a, 513b are overlapping aperture regions, but there is a portion of each exit pupil that does not correspond to a portion of the other exit pupil, then a less pronounced stereo image is obtained. 72.

Разрешение изображения зависит от размеров эффективного отверстия, образованного апертурой 502 и диафрагменной структурой 507а, 507b (т.е. отверстия, которое при расположении у апертуры 502 образует выходной зрачок 513а, 513b), при этом разрешение тем ниже, чем меньше эффективное отверстие (хотя точное значение зависит от формы эффективного отверстия). Таким образом, позиционирование диафрагменной структуры 507а, 507b обусловлено компромиссом между разрешением и стереоскопическим эффектом.The image resolution depends on the dimensions of the effective aperture formed by the aperture 502 and the diaphragm structure 507a, 507b (i.e., the aperture which, when located at the aperture 502, forms the exit pupil 513a, 513b), with the resolution being lower the smaller the effective aperture (although the exact value depends on the shape of the effective orifice). Thus, the positioning of the diaphragm structure 507a, 507b is due to a trade-off between resolution and stereoscopic effect.

Другие влияния диафрагменных структур на получаемые стереоизображения могут быть скомпенсированы перед отображением изображений. На фигуре 10 показана схематическая иллюстрация микроскопа 1001. Микроскоп 1001 содержит диафрагменные структуры 1011 и датчики 1012 изображения, как описано выше. Кроме того, микроскоп содержит цифровой процессор 1013 изображений, который принимает выходные данные 1021 датчиков 1012 изображения и выходные данные 1023 системы управления диафрагменными структурами, и корректирует их для компенсации нежелательных изменений изображения, возникающих в результате регулировок диафрагменных структур 1011, причем корректировки выполняются на основе формы и положения 1023 диафрагменных структур. Затем цифровой процессор изображения выдает скорректированное изображение в качестве выходных данных 1022 микроскопа (например, на стереоскопический дисплей).Other influences of aperture structures on the resulting stereo images can be compensated for before the images are displayed. Figure 10 shows a schematic illustration of a microscope 1001. The microscope 1001 includes diaphragm structures 1011 and image sensors 1012 as described above. In addition, the microscope includes a digital image processor 1013 that receives the output 1021 of the image sensors 1012 and the output 1023 of the diaphragm structure control system, and corrects them to compensate for unwanted image changes resulting from adjustments of the diaphragm structures 1011, the corrections being made based on the shape and positions of 1023 diaphragm structures. The digital image processor then outputs the corrected image as microscope output 1022 (eg, to a stereoscopic display).

Например, в зависимости от положения диафрагменных структур 1011 изменяется интенсивность изображения. Это происходит как из-за различных долей перекрытой площади апертуры 502, так и из-за изменений интенсивности при прохождении через апертуру 502 (то есть, изменения интенсивности имеют место даже для таких структур, как показаны на фиг.6А, которые всегда перекрывают одну и ту же часть площади апертуры). Интенсивность зависит как от положения, так и от формы диафрагменных структур.For example, depending on the position of the diaphragm structures 1011, the intensity of the image changes. This is due both to different proportions of the area covered by the aperture 502, and due to changes in intensity as it passes through the aperture 502 (i.e., changes in intensity occur even for structures such as shown in FIG. 6A, which always overlap one and the same the same part of the aperture area). The intensity depends on both the position and the shape of the diaphragm structures.

Профиль интенсивности апертуры 502 является функцией, описывающей влияние каждой точки апертуры на интенсивность окончательного изображения. Уменьшение интенсивности, обусловленное диафрагменными структурами, может быть определено сравнением интеграла этого профиля интенсивности по эффективному отверстию, образованному каждой диафрагменной структурой, с интегралом профиля интенсивности по всей апертуре 502. Тогда цифровой процессор изображения может корректировать яркость выходных данных каждого датчика изображения для обеспечения видимой постоянности интенсивности для пользователя при изменении положений диафрагменных структур.The aperture intensity profile 502 is a function describing the effect of each aperture point on the intensity of the final image. The reduction in intensity due to diaphragm structures can be determined by comparing the integral of this intensity profile over the effective aperture formed by each diaphragm structure with the integral of the intensity profile over the entire aperture 502. The digital image processor can then adjust the brightness of the output of each image sensor to provide apparent intensity consistency. for the user when changing the positions of diaphragm structures.

Изменение интенсивности также зависит от формы диафрагменных структур. Микроскоп может быть снабжен множеством различных наборов диафрагменных структур, из которых выбирают используемые в определенный момент диафрагменные структуры. Цифровой процессор изображений должен быть выполнен с возможностью применения различных соотношений между положением диафрагменной структуры и корректировкой яркости изображения для каждого набора диафрагменных структур. Набор диафрагменных структур может быть идентифицирован пользователем в программном обеспечении цифрового процессора изображений, или может происходить автоматическая идентификация при установке диафрагменных структур в микроскоп (например, могут быть предусмотрены оптические или электронные идентификаторы на диафрагменных структурах, которые взаимодействуют с датчиками на микроскопе, или другие подходящие средства). Если микроскоп предназначен для работы только с одним типом диафрагменных структур, цифровому процессору изображения необходима только одна взаимосвязь между положением диафрагменной структуры и яркостью изображения.The change in intensity also depends on the shape of diaphragm structures. The microscope may be provided with a variety of different sets of diaphragm structures, from which the diaphragm structures used at any given time can be selected. The digital image processor must be configured to apply different relationships between the position of the aperture structure and the image brightness correction for each set of aperture structures. The set of diaphragm structures may be identified by the user in the digital image processor software, or automatic identification may occur when the diaphragm structures are installed in the microscope (for example, optical or electronic identifiers may be provided on the diaphragm structures that interact with sensors on the microscope, or other suitable means ). If the microscope is designed to work with only one type of diaphragm structures, the digital image processor needs only one relationship between the position of the diaphragm structure and image brightness.

Подобным образом, окклюзия различных областей апертуры 502 влияет на дисторсию изображения (из-за аберраций линз и других оптических эффектов). Эта дисторсия также может быть скорректирована цифровым процессором изображений, причем параметры используемого преобразования зависят от формы и положения диафрагменных структуры.Similarly, occlusion of different regions of aperture 502 affects image distortion (due to lens aberrations and other optical effects). This distortion can also be corrected by a digital image processor, and the parameters of the transformation used depend on the shape and position of the aperture structures.

Взаимосвязь между положением диафрагменной структуры (и формой, если может быть использовано множество наборов диафрагменных структур) и требуемая обработка цифрового изображения могут быть предварительно заданы, например, с помощью справочной таблицы, запрограммированной в процессоре цифрового изображения, или могут быть вычислены в процессе работы по известным параметрам. Справочная таблица или заданная функция могут быть получены посредством этапа калибровки, например, измерения интенсивности, дисторсии изображения или других свойств для диапазона положений диафрагменных структур и использования этих данных (с подходящей интерполяцией) для вычисления справочной таблицы.The relationship between the position of the iris structure (and the shape, if multiple sets of iris structures can be used) and the required digital image processing may be predetermined, for example, using a look-up table programmed into the digital image processor, or may be computed on the fly from known parameters. A lookup table or predetermined function can be obtained by a calibration step, such as measuring intensity, image distortion, or other properties for a range of aperture structure positions, and using that data (with suitable interpolation) to calculate the lookup table.

Диафрагменная структура может быть регулируемой для того, чтобы пользователь мог переходить от моноскопического к стереоскопическому представлению и управлять степенью стереоскопии. Конструкция, обеспечивающая такую возможность, показана на фиг.8. Каждая диафрагменная структура включает в себя подвижную шторку 801, которая может быть введена в оптический путь управляемым образом так, чтобы перекрывать изменяемую долю апертурного изображения 512а, 512b. Оптический путь для другого изображения имеет эквивалентную систему, и шторки соединены таким образом, что каждая из них перекрывает одну и ту же долю соответствующего апертурного изображения 512а, 512b. Подвижные шторки 801 могут быть переведены из положения, в котором каждая из них не перекрывает апертурное изображение (в результате чего получается бинокулярное моноскопическое изображение) к положению, в котором выходные зрачки являются неперекрывающимися частями апертурного изображения 512а, 512b (в результате чего получается чисто стереоскопическое изображение). Подвижные шторки 801 выполнены с возможностью перемещения таким образом, что каждая из них перекрывает часть соответствующего апертурного изображения 512а, 512b на противоположных сторонах соответствующего изображения.The aperture structure may be adjustable so that the user can switch from monoscopic to stereoscopic view and control the degree of stereoscopy. The design that provides this possibility is shown in Fig.8. Each diaphragm structure includes a movable shutter 801 that can be introduced into the optical path in a controlled manner so as to cover a variable portion of the aperture image 512a, 512b. The optical path for the other image has an equivalent system, and the shutters are connected in such a way that each of them covers the same proportion of the corresponding aperture image 512a, 512b. The movable shutters 801 can be moved from a position where each of them does not overlap the aperture image (resulting in a binocular monoscopic image) to a position in which the exit pupils are non-overlapping portions of the aperture image 512a, 512b (resulting in a purely stereoscopic image ). The movable shutters 801 are movable so that they each cover a portion of the respective aperture image 512a, 512b on opposite sides of the respective image.

Конструкция на фиг. 8 обеспечивает возможность непрерывного и постепенного перехода между стереоскопическими и бинокулярными моноскопическими режимами микроскопа, без препятствий наблюдению изображения наблюдателем. При использовании этого устройства было неожиданно обнаружено, что при плавном переходе от стереоизображения к моноизображению с более высоким разрешением пользователь испытывает ощущение глубины у моноизображения, которое не присутствует, если моноизображение просматривают без такого перехода. Это означает, что описанная выше система позволяет сохранить значительную часть преимуществ стереоскопического изображения, при обеспечении более высокого разрешения, характерного для моноскопического изображения.The structure in Fig. 8 allows a continuous and gradual transition between stereoscopic and binocular monoscopic modes of the microscope, without obstructing the observer's view of the image. Using this device, it has been unexpectedly found that when smoothly transitioning from a stereo image to a higher resolution mono image, the user experiences a sense of depth in the mono image, which is not present if the mono image is viewed without such a transition. This means that the system described above retains much of the benefits of a stereoscopic image while providing the higher resolution of a monoscopic image.

Из приведенного выше описания можно отметить, что структура однообъективного стереомикроскопа от узла 501 объектива до линзы 504, не включительно, является такой же, как и у обычного мономикроскопа от узла 101 объектива, до окуляра 104, не включительно. Головка и окуляр многих коммерчески доступных микроскопов являются съемными, и, следовательно, существующий мономикроскоп (бинокулярный или монокулярный) может быть модернизирован с оснащением системой, содержащей линзу 504, светоделитель 505, зеркала 506 и диафрагменные структуры 507а, 507b, причем система выполнена с возможностью крепления вместо головки и окуляра мономикроскопа таким образом, что линза 504 находится на пути света микроскопа - то есть, на пути прохождения света от объекта через микроскоп. В исходном мономикроскопе могут быть применены или не применены оптические коррекции, например, кривизны поля, хроматических аберраций и так далее, с использованием окуляра, соответственно, для модернизации микроскопов, где эти коррекции применяются, линза 504 и/или окуляры 508а, 508b могут быть выполнены с возможностью применения эквивалентных коррекций.From the above description, it can be noted that the structure of a single-lens stereo microscope from the lens assembly 501 to and including the lens 504 is the same as that of a conventional monomicroscope from the objective assembly 101 to and including the eyepiece 104. The head and eyepiece of many commercially available microscopes are removable and therefore an existing monomicroscope (binocular or monocular) can be retrofitted with a system comprising lens 504, beam splitter 505, mirrors 506 and diaphragm structures 507a, 507b, the system being mountable. instead of the head and eyepiece of a monomicroscope, such that the lens 504 is in the path of the microscope's light—that is, in the path of light from an object through the microscope. In the original monomicroscope, optical corrections such as field curvature, chromatic aberrations, etc., may or may not be applied using an eyepiece, respectively, for retrofit microscopes where these corrections are applied, lens 504 and/or eyepieces 508a, 508b can be performed with the possibility of applying equivalent corrections.

Датчиками изображения могут быть датчики на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью, от англ. CCD, charge-coupled device) или другие датчики изображения. Дополнительное преимущество использования датчиков изображения заключается в том, что для их обозрения нет необходимости в точном совмещении выходных зрачков с левым и правым глазами наблюдателя, что обеспечивает упрощение конструкции микроскопа.The image sensors can be CCD (Charge Coupled Device, charge-coupled device) or other image sensors. An additional advantage of using image sensors is that for their viewing there is no need to accurately align the exit pupils with the observer's left and right eyes, which simplifies the microscope design.

Один из примеров стереоскопического дисплея описан в заявке GB 2524609 и показан на фиг. 9. Дисплей содержит два проектора 20а и 20b, которые отображают изображения для левого и правого глаза соответственно. Каждый проектор содержит дисплей 21 и оптическое устройство 25 (содержащее одну или более линзу 29 и/или одно или более зеркало 31) для обеспечения сфокусированных изображений как для левого, так и для правого глаза на зеркале 35. Зеркало 35 отражает выходные зрачки проекторов на плоскость наблюдения (от англ. VP, viewing plane) для просмотра наблюдателем, в качестве варианта, через обзорную линзу 37. Другие оптические компоненты, кроме зеркала 35 и обзорной линзы 37, могут быть расположены вне линии прямой видимости наблюдателя, для обеспечения ощущений просмотра без каких-либо помех.One example of a stereoscopic display is described in GB 2524609 and shown in FIG. 9. The display includes two projectors 20a and 20b which display images for the left and right eyes, respectively. Each projector includes a display 21 and an optical device 25 (comprising one or more lenses 29 and/or one or more mirrors 31) to provide focused images for both the left and right eyes on the mirror 35. The mirror 35 reflects the exit pupils of the projectors onto a plane observation plane (from the English VP, viewing plane) for viewing by the observer, as an option, through the survey lens 37. Other optical components, except for the mirror 35 and the survey lens 37, can be located outside the line of sight of the observer, to provide viewing sensations without any or interference.

К другим примерам стереоскопических дисплеев относятся гарнитуры "виртуальной реальности", трехмерные дисплеи с активными очками (т.е. очками, которые синхронизированы с частотой обновления телевизора и поочередно перекрывают изображение для каждого глаза), и трехмерные дисплеи с пассивными очками (например, дисплеи, которые представляют обеспечивают представление изображений для левого глаза и правого глаза с различной поляризацией и используются с очками, имеющими соответствующий поляризационный фильтр для каждого глаза).Other examples of stereoscopic displays include "virtual reality" headsets, 3D displays with active glasses (i.e., glasses that are synchronized to the TV's refresh rate and alternately cover the image for each eye), and 3D displays with passive glasses (i.e., displays that which provide a representation of images for the left eye and right eye with different polarization and are used with glasses that have an appropriate polarizing filter for each eye).

Преимущество использования датчика изображения, соединенного со стереоскопическим дисплеем, по сравнению с непосредственным наблюдением пользователем микроскопа через выходные зрачки, заключается в том, что размер выходных зрачков, доступных для наблюдателя, не ограничен оптикой микроскопа и не ограничен диафрагменными структурами 507а, 507b. Выходные зрачки большего размера обеспечивают более комфортный просмотр. Это объясняется тем, что, если выходные зрачки малы, пользователь должен держать голову в определенном положении, чтобы видеть стереоизображение. Если выходные зрачки меньше определенного размера, что вероятно в случае использования диафрагменных структур, пользователю может быть трудно вообще увидеть изображение, так как человеческий глаз функционирует не слишком хорошо, когда выходной зрачок меньше, чем зрачок глаза. Фактически, при использовании оптических систем, типичных для большинства существующих микроскопов, выходной зрачок уже меньше, чем входной зрачок глаза пользователя, что ограничивает разрешающую способность и приводит к тому, что любая неоднородность в глазу (например, плавающие помутнения) оказывает значительно большее влияние на зрительное восприятие пользователя.The advantage of using an image sensor coupled to a stereoscopic display, as compared to the user's direct observation of the microscope through the exit pupils, is that the size of the exit pupils available to the observer is not limited by the microscope optics and is not limited by diaphragm structures 507a, 507b. Larger exit pupils provide more comfortable viewing. This is because if the exit pupils are small, the user must keep their head in a certain position in order to see the stereo image. If the exit pupils are smaller than a certain size, which is likely with diaphragm structures, it may be difficult for the user to see the image at all, since the human eye does not function well when the exit pupil is smaller than the pupil of the eye. In fact, with optical systems typical of most existing microscopes, the exit pupil is already smaller than the entrance pupil of the user's eye, which limits resolving power and causes any inhomogeneity in the eye (such as floaters) to have a much greater impact on visual user perception.

Следует понимать, что приведенное выше описание дано только в качестве примера, и возможны вариации, в то же время не отходящие от принципа изобретения. Также следует понимать, что конкретные признаки не зависят друг от друга, если не указано иное.It should be understood that the above description is given by way of example only, and variations are possible without departing from the principle of the invention. It should also be understood that specific features are independent of each other, unless otherwise indicated.

Claims

1. A stereo imaging assembly for use in a microscope, comprising an aperture lens assembly, the assembly comprising a lens (504) and a beam splitter (505);

moreover, the lens (504) and the beam splitter (505) are configured to form a corresponding aperture image (512a, 512b) on each of the two optical paths;

the assembly further comprises, in each optical path, a diaphragm structure (507a, 507b);

moreover, when the node is located relative to the aperture so that each aperture image (512a, 512b) is located in the plane of the corresponding diaphragm structure (507a, 507b), each diaphragm structure (507a, 507b) overlaps a part of the corresponding aperture image (512a, 512b) to provide an exit pupil (513a, 513b) such that a stereoscopic image of an object viewed through a microscope can be formed by a combination of images of an object seen through each exit pupil (513a, 513b);

where the node additionally contains:

two image sensors, each image sensor configured to capture an image seen through a respective exit pupil and output a digital image;

a digital image processor configured to apply correction to a respective digital image output by each image sensor to compensate for distortion associated with a position of the diaphragm structure, the correction being based on the position of the respective diaphragm structure.

2. The node according to claim. 1, characterized in that the correction includes correcting the brightness of the corresponding image in a proportion based on the position of the corresponding diaphragm structure.

3. The device according to claim 1, characterized in that the correction includes performing a spatial transformation of the corresponding image to correct distortions introduced by the optical structures of the microscope and / or assembly, and the spatial transformation has at least one parameter depending on the position of the corresponding diaphragm structure.

4. Node according to claim 1, characterized in that

the diaphragm structures are one set of a plurality of diaphragm structure sets, and the diaphragm structure sets can be inserted into the assembly;

the digital image processor is configured to apply correction based on the position of the respective diaphragm structure and which particular set of diaphragm structures is installed.

5. The node according to claim 1, characterized in that each diaphragm structure contains a circular aperture.

6. The node according to claim. 1, characterized in that each diaphragm structure contains a shutter, made with the possibility of overlapping one side of the corresponding aperture image.

7. The node according to claim 6, characterized in that each shutter contains a straight edge with which it overlaps the aperture.

8. The node according to claim 1, characterized in that each diaphragm structure is movable from a position in which the aperture image is not overlapped, to a position in which the exit pupils 513a, 513b are non-overlapping parts of the aperture image.

9. The node according to claim 8, characterized in that each diaphragm structure is made with the possibility of continuous movement.

10. The node according to claim 8, characterized in that each diaphragm structure is movable to allow switching between mono and stereo images captured by the image sensors without interrupting the image.

11. The node according to claim 1, characterized in that each of the image sensors is a CCD-based sensor.

12. The node according to claim. 1, characterized in that it further comprises a stereoscopic display configured to present the corrected digital images to the user in the form of a stereoscopic image.

13. The node according to claim 12, characterized in that the stereoscopic display contains two projectors and a mirror, each projector is configured to provide on the mirror a focused image of a corrected digital image captured by the corresponding image sensor, and the mirror is configured to transmit the exit pupils of the projectors to the viewing plane for viewing by an observer.

14. Stereo microscope, containing:

a lens assembly (501) containing an aperture (502); node according to any of the preceding paragraphs.

15. The way to upgrade the microscope, including: removing the eyepiece of the microscope;

installation of the node according to any one of paragraphs. 1-13 so that the lens (504) is placed in the optical path of the microscope.