專利名稱：可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)空間濾波技術(shù)，特別涉及一種可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法。
背景技術(shù)：
許多微小樣品與其周圍介質(zhì)有近似的吸收系數(shù)與顏色，只是折射率稍有差別，因此用一般顯微鏡觀察非常困難。一種解決的辦法是將被檢物染色，然后再用顯微鏡觀測。但這種方法對(duì)有機(jī)體的生命力有害，甚至?xí)怪劳觥榇?，人們發(fā)展出一些使顯微物體產(chǎn)生三維立體浮雕顯微圖像的方法，使得在無需染色的情況下，不但清楚地將微小樣品與周圍介質(zhì)分辨出來，而且可把其表面立體分布情況，有關(guān)細(xì)微結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出來。現(xiàn)有使顯微物體產(chǎn)生三維立體浮雕顯微圖像的方法主要有微分干涉法(即Differential InterfereContrast通常簡稱為DIC法或Normarski DIC法)和霍夫曼調(diào)制相襯法(Hoffman Modulation Contrast)。微分干涉法的原理是利用偏振器及諾馬斯基(Normarski)或華拉斯頓棱鏡將自然光分成尋常光與非常光后，使之通過樣品物體，然后在兩光線經(jīng)過物鏡后再使之通過另一諾馬斯基(或華拉斯頓)棱鏡，然后經(jīng)過檢偏鏡，使兩束光線重合，并在像平面上發(fā)生干涉。由于兩束光線在樣品不同部位通過，若其縱向厚度不同其光程也不同，便引起兩束光線有位相差。兩個(gè)諾馬斯基棱鏡附加的橫向剪切量再進(jìn)一步放大這兩列光波在縱向的光程差，從而使兩列光波各自形成的像在縱向有一合適的分離，使相物體上縱向光學(xué)厚度梯度以光強(qiáng)度襯比形式體現(xiàn)，因而在像元上出現(xiàn)陰影效果，對(duì)像起襯托作用，從而產(chǎn)生三維立體感浮雕圖像。微分干涉法起碼需要四個(gè)專用附件，其中尤其兩個(gè)諾馬斯基棱鏡光學(xué)質(zhì)量要求甚高，結(jié)構(gòu)精密，價(jià)格昂貴。
霍夫曼調(diào)制相襯法的基本原理也是將相位梯度的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度或圖像灰度等級(jí)的變化。它需要三個(gè)專用附件，首先一偏振片將光線起偏并起控制襯度作用，然后一置于聚光鏡前焦面處，部分由另一偏振片覆蓋的狹縫使光線分成直射線與衍射線并相互間帶有光程差。安置在物鏡上與狹縫共軛的一振幅濾光片起相板作用，使不同位相的光線其光強(qiáng)振幅差異增大，從而使最后成像形成襯度，產(chǎn)生三維立體感浮雕圖像。但其相襯效果比不上微分干涉法。
上述兩種方法在使用不同放大倍數(shù)物鏡時(shí)都需要與之對(duì)應(yīng)的一套專用附件，故部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，價(jià)格昂貴，有的價(jià)值幾乎接近一臺(tái)顯微鏡的價(jià)值，故在應(yīng)用方面有一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種成像襯度高、立體感強(qiáng)、邊界清楚、細(xì)微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)豐富的可產(chǎn)生三維立體浮雕顯微圖像的光學(xué)空間濾波方法；這種方法適用于對(duì)各種微小或遙遠(yuǎn)物體樣品的成像，無論其厚薄如何、染色與否、是否活體、是否透明、折射率與周圍介質(zhì)是否相差大，均能使之形成三維立體感浮雕圖像，可應(yīng)用于組織胚胎、血液、神經(jīng)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)、立體生物學(xué)以及各種有機(jī)、無機(jī)物的觀察測定領(lǐng)域。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法是將物體影像經(jīng)過顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡的物鏡后像方空間的空間頻譜單邊的部分高頻分量濾除。
所述將部分高頻分量濾除是采用空間濾波器設(shè)置在物鏡后像方空間中，空間濾波器將通過物鏡的任一單邊邊緣部分的頻譜分量過濾掉。
所述將部分高頻分量濾除也可采用攔截器設(shè)置在物鏡后像方空間中，攔截器將通過物鏡的單邊部分高頻分量截除。
濾波器或攔截器的形狀根據(jù)視場形狀來選擇，如對(duì)應(yīng)于圓型的視場，所述空間濾波器為一個(gè)月牙型的攔截物；對(duì)應(yīng)于矩型的視場，所述的空間濾波器或攔截器為一個(gè)矩型的攔截物；若視場為其它形狀，則攔截物(空間濾波器)的形狀也作相應(yīng)的變化，但要點(diǎn)是使之只濾去空間頻譜單邊邊緣處的部分高頻分量即可產(chǎn)生同樣效果。
所述空間頻譜單邊部分高頻分量為任一單邊靠近邊緣的頻譜部分。
本發(fā)明的作用原理是本光學(xué)空間濾波方法是采取在物鏡后像方空間頻譜平面上，設(shè)置空間濾波器(或攔截器)將其單邊部分高頻分量截除，使得所成像元一邊光強(qiáng)振幅較大，另一邊光強(qiáng)振幅較小，在像元上出現(xiàn)陰影效果，陰影效果對(duì)像起襯托作用，從而使得最后成像形成較為強(qiáng)烈的反差對(duì)照，這樣就可使物體產(chǎn)生三維立體浮雕圖像。
本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果本光學(xué)空間濾波方法相對(duì)于其它可產(chǎn)生三維立體浮雕圖像的方法如微分干涉法和霍夫曼法等，具有方法簡單易行，效果顯著的特點(diǎn)；如前所述，微分干涉法等需要在顯微鏡光路上設(shè)置多個(gè)光學(xué)元件，不但所設(shè)置的光學(xué)元件(特別是有關(guān)棱鏡)光學(xué)要求比較精細(xì)、價(jià)格昂貴，而且使得光路的設(shè)置比較復(fù)雜，使光路準(zhǔn)直和調(diào)整困難，若使用不同倍率的物鏡，還得另外配置相應(yīng)一整套棱鏡等元件，十分麻煩；相比之下，本技術(shù)非常簡便，只需將一空間濾波攔截物設(shè)置于適當(dāng)?shù)奈恢眉纯蓪?shí)現(xiàn)產(chǎn)生三維立體浮雕圖像的目的，無論是器件還是設(shè)置都十分簡單，方便易行，在各種顯微鏡(正立、倒置、立體顯微鏡、偏光顯微鏡和熒光顯微鏡等)上采用不同倍率的物鏡都可應(yīng)用，還可適用于望遠(yuǎn)鏡等其它成像裝置，應(yīng)用前景較廣。


圖1是利用本發(fā)明技術(shù)在同一倒置顯微鏡上所成的活態(tài)成纖維細(xì)胞圖像。
圖2是沒有使用本技術(shù)在一顯微鏡下所成的亞微米顆粒的圖像。
圖3是利用本發(fā)明技術(shù)在同一顯微鏡下所成的亞微米顆粒的圖像。
圖4是沒有利用本發(fā)明技術(shù)在一偏振顯微鏡下對(duì)一樣品所成的紅細(xì)胞像。
圖5是利用本發(fā)明技術(shù)在同一偏振顯微鏡下對(duì)同一樣品所成的紅細(xì)胞像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1以本可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法在一倒置顯微鏡上實(shí)現(xiàn)對(duì)無染色活態(tài)成纖維細(xì)胞的觀察與成像。所使用的物鏡為40×平場消色差物鏡，具體方法為在物鏡后像方傅里葉頻譜平面上，以一新月型為空間濾波器將頻譜單邊邊緣約1/4處的部分高頻分量截除，使像元上出現(xiàn)陰影效果，對(duì)像起襯托作用而產(chǎn)生浮雕效果，使得未經(jīng)染色，在通用顯微鏡下難以辨別的活態(tài)成纖維細(xì)胞形成清晰、輪廓分明的浮雕圖像，具體圖像如圖1所示，由圖1可見，所成的細(xì)胞圖像不但邊界清楚，且細(xì)節(jié)豐富，可清楚辨別細(xì)胞核及其內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2以本可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法在一通用正立顯微鏡上實(shí)現(xiàn)對(duì)亞微米微小顆粒的分辨。所使用的物鏡為40×平場消色差物鏡。具體方法為在物鏡后像方傅里葉頻譜平面上，以一月牙型空間濾波器將頻譜單邊邊緣約1/3處的部分高頻分量濾除，使像元上出現(xiàn)陰影效果，對(duì)像起襯托作用而產(chǎn)生立體浮雕效果，具體圖像如圖3所示，由圖3可見，顯微鏡下的亞微米(≥0.2微米)微細(xì)顆粒不但清晰可辯，而且其立體形狀結(jié)構(gòu)及大小也清楚表現(xiàn)。相比之下，沒有采用本技術(shù)以相同顯微鏡在同一物鏡下觀察的相同的樣品，各亞微米顆粒的像僅為一模糊難辨的小黑點(diǎn)，如圖2所示。
實(shí)施例3以本可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法在一偏振顯微鏡上實(shí)現(xiàn)對(duì)活態(tài)紅細(xì)胞的成像。所使用的物鏡為20×平場消色差物鏡，物鏡前的起偏鏡使投射到樣品上的光為偏振光。具體方法為在物鏡后像方傅里葉頻譜平面上，以一月牙型空間濾波器將頻譜單邊邊緣約1/5處的部分高頻分量濾除，使像元上出現(xiàn)陰影效果，對(duì)像起襯托作用而產(chǎn)生立體浮雕效果，具體圖像如圖5所示，由圖5可見，所成的紅細(xì)胞像凹凸分明，表面曲率明顯，細(xì)節(jié)清楚。相比之下，沒有利用本技術(shù)以相同偏振顯微鏡在同一物鏡下觀察同一樣品的成像如圖4所示，由圖4可見，許多紅細(xì)胞難以辨別是否有表面曲率，僅為一平面像，不知凹凸，更看不清有關(guān)細(xì)節(jié)的具體情況。
由上述實(shí)施例可見，利用本光學(xué)空間濾波方法可產(chǎn)生成像襯度高、立體感強(qiáng)、邊界清楚、細(xì)微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)豐富三維立體圖像，效果非常明顯。
權(quán)利要求
1.一種可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于將物體影像經(jīng)過顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡的物鏡后像方空間的空間頻譜單邊的部分高頻分量濾除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于所述將部分高頻分量濾除是采用空間濾波器設(shè)置在物鏡后像方空間中，空間濾波器將通過物鏡的任一單邊邊緣部分的頻譜分量過濾掉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于所述將部分高頻分量濾除是采用攔截器設(shè)置在物鏡后像方空間中，攔截器將通過物鏡的任一單邊部分高頻分量截除。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于濾波器或攔截器的形狀對(duì)應(yīng)于視場的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于對(duì)應(yīng)于圓型的視場，所述的空間濾波器或攔截器為一個(gè)月牙型的攔截物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于對(duì)應(yīng)于矩型的視場，所述的空間濾波器或攔截器為一個(gè)矩型的攔截物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，其特征在于所述空間頻譜單邊部分高頻分量為任一單邊靠近邊緣的頻譜部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可產(chǎn)生三維立體圖像的光學(xué)空間濾波方法，具體是將物體影像經(jīng)過顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡的物鏡后呈現(xiàn)的空間頻譜任一單邊邊緣部分的頻譜分量去除，使所觀察的物體形成具有襯度高、立體感強(qiáng)、邊界清楚、細(xì)微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)豐富等特性的三維立體浮雕圖像。本發(fā)明簡單易行，效果顯著，可適用于對(duì)各種物體樣品的成像，無論其厚薄如何、染色與否、是否活體、是否透明、與周邊介質(zhì)折射率是否相差大等，均可形成三維立體浮雕圖像。本發(fā)明可在組織胚胎、血液、神經(jīng)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)、立體生物學(xué)以及各種有機(jī)、無機(jī)物的等觀察測定領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，應(yīng)用前景較廣。
文檔編號(hào)G02B21/22GK1456918SQ0312673
公開日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月3日
發(fā)明者黃耀熊 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)