本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種立體顯微成像裝置及方法。

背景介紹

顯微鏡作為一種通用的觀察、計(jì)量?jī)x器，其應(yīng)用早就滲透到我們身邊的各行各業(yè)中，它是當(dāng)今社會(huì)的“物化法官”，又是一把“探索微觀世界的鑰匙”。隨著人類(lèi)觀察物質(zhì)世界向著微米、納米尺度邁進(jìn)，對(duì)微小物體三維觀測(cè)的需要推動(dòng)著立體顯微成像技術(shù)的發(fā)展。立體顯微鏡又可稱為體視顯微鏡或稱作為解剖顯微鏡，廣泛地用于生物、化學(xué)、物理、冶金、釀造、醫(yī)學(xué)等各種科研活動(dòng)，對(duì)人類(lèi)的發(fā)展和進(jìn)步有重大的影響。

現(xiàn)有傳統(tǒng)立體顯微鏡，其核心思路是模擬人眼的雙目視差形成立體成像。人類(lèi)感知自然界深度是由于左、右眼觀看真實(shí)世界有輕微的差異造成的，人的雙眼有4～6cm的距離，所以實(shí)際上我們看到物體時(shí)兩只眼睛中的圖像是有差別的，左眼看到物體左側(cè)面的成分較多，右眼看到物體右側(cè)面的成分較多。這兩個(gè)像經(jīng)過(guò)大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺(jué)，我們看到的是有景深的圖像。人們對(duì)物體的三維立體視覺(jué)是由雙眼視差產(chǎn)生的，所以一切能使人眼產(chǎn)生雙眼視差的光學(xué)裝置或結(jié)構(gòu)就能產(chǎn)生三維立體視覺(jué)。傳統(tǒng)立體顯微鏡由一個(gè)共用的初級(jí)物鏡對(duì)物體成像后，經(jīng)過(guò)兩組倍率可以調(diào)節(jié)的中間物鏡組分開(kāi)，然后經(jīng)過(guò)角度12度～15度的目鏡組成像，這樣的話便可以為左右眼分別提供角度不同的圖像，經(jīng)過(guò)大腦的綜合處理后，人眼看到的就是一幅有景深的立體視覺(jué)圖像。

傳統(tǒng)的立體顯微鏡優(yōu)點(diǎn)很明顯：使用方便，操作簡(jiǎn)便。但是它存在的問(wèn)題也是無(wú)法彌補(bǔ)的：(1)兩個(gè)目鏡的筒鏡的夾角為12度～15度，這樣的顯微鏡批量生產(chǎn)后體視角是一定的。但是現(xiàn)實(shí)生活中由于人眼瞳距個(gè)體差異，人眼的體視角不一定都在這個(gè)角度范圍內(nèi)，這樣會(huì)導(dǎo)致個(gè)人觀看效果的不理想；(2)雙通道光路不僅使儀器笨重而且成本也會(huì)加大；(3)焦深的不可調(diào)整，觀察者無(wú)法自主控制所觀測(cè)樣品的觀察厚度；(4)成像質(zhì)量較差，不可以觀看到物體的詳細(xì)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效果好的立體顯微成像裝置及方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰觀看。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種立體顯微成像裝置，包括LED陣列、樣品載物臺(tái)、物鏡、紅藍(lán)濾色片、透鏡、相機(jī)、計(jì)算機(jī)和紅藍(lán)立體眼鏡；其中LED陣列、樣品載物臺(tái)、物鏡、紅藍(lán)濾色片、透鏡、相機(jī)從下至上依次設(shè)置，且LED陣列的中心位于物鏡、透鏡的中心軸線上；LED陣列和相機(jī)均與計(jì)算機(jī)連接；

將待成像的樣品置于樣品載物臺(tái)，計(jì)算機(jī)向LED陣列發(fā)送控制信號(hào)，使LED陣列產(chǎn)生半徑為R個(gè)像素點(diǎn)的白色圓形照明光，該照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)被物鏡收集，物鏡將收集的照明光進(jìn)行放大成像后經(jīng)過(guò)紅藍(lán)濾色片入射至透鏡，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)對(duì)穿過(guò)透鏡的樣品圖像進(jìn)行采樣，相機(jī)將采集的樣品圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，通過(guò)紅藍(lán)立體眼鏡對(duì)計(jì)算機(jī)顯示的樣品圖像進(jìn)行立體顯微觀看。

優(yōu)選地，所述LED陣列采用P4系列LED陣列，P4系列LED陣列提供紅色、綠色、藍(lán)色、青色、粉色、黃色、白光七種顏色的照明光，本發(fā)明采用白色照明光；P4系列LED陣列的單元板尺寸為128mm*128mm、像素個(gè)數(shù)為32*32、像素間距4mm，每個(gè)像素點(diǎn)均可單獨(dú)點(diǎn)亮。

優(yōu)選地，所述LED陣列距離樣品載物臺(tái)上表面的距離為75～85mm。

進(jìn)一步地，所述紅藍(lán)濾色片為圓形的透光片，該濾光片均分為兩個(gè)半圓，該兩個(gè)半圓分別為紅色濾光片和藍(lán)色濾光片；紅藍(lán)濾色片設(shè)置于物鏡的后焦面上，將物鏡所成的像分開(kāi)。

進(jìn)一步地，所述相機(jī)的CCD鏡頭位于透鏡的后焦面上。

進(jìn)一步地，所述紅藍(lán)立體眼鏡和紅藍(lán)濾色片的顏色一致。

一種立體顯微成像方法，步驟如下：

步驟1，將待成像的樣品置于樣品載物臺(tái)，計(jì)算機(jī)向LED陣列發(fā)送控制信號(hào)，使LED陣列產(chǎn)生半徑為R的白色圓形照明光，其中R為像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

步驟2，步驟1產(chǎn)生的照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)被物鏡收集，物鏡將收集的照明光進(jìn)行放大成像后經(jīng)過(guò)紅藍(lán)濾色片入射至透鏡；

步驟3，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)對(duì)穿過(guò)透鏡的樣品圖像進(jìn)行采樣，相機(jī)將采集的樣品圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示；

步驟4，通過(guò)紅藍(lán)立體眼鏡對(duì)計(jì)算機(jī)顯示的樣品圖像進(jìn)行立體顯微觀看，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)LED陣列所產(chǎn)生白色圓形照明光的半徑R，改變照明數(shù)值孔徑角以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同厚度層的成像。

進(jìn)一步地，步驟4所述通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)LED陣列所產(chǎn)生白色圓形照明光的半徑R，改變照明數(shù)值孔徑角以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同厚度層的成像，其中照明數(shù)值孔徑角θ_NA和圓形照明光的半徑R之間的關(guān)系如下：

θ_NA＝arctan R/H

其中，H為L(zhǎng)ED陣列距離樣品載物臺(tái)上表面的距離。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)通過(guò)在顯微鏡物鏡后焦面上加入紅藍(lán)濾色片，從而取代傳統(tǒng)立體顯微鏡的雙光路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅使成像系統(tǒng)簡(jiǎn)便而且有效降低成本；(2)通過(guò)采用LED陣列作為照明光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡焦深的靈活可調(diào)；(3)通過(guò)將相機(jī)采集到的圖像傳到計(jì)算機(jī)顯示屏上，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品立體結(jié)構(gòu)的清晰觀看；(4)具有系統(tǒng)本身的光源，受外界干擾較小，觀察條件的限制性降低，在暗背景下能夠進(jìn)行觀看。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明立體顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中LED陣列產(chǎn)生的白色圓形照明光示意圖。

圖3是本發(fā)明中紅藍(lán)濾色片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算機(jī)所顯示的樣品圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明立體顯微成像裝置，包括LED陣列1、樣品載物臺(tái)2、物鏡3、紅藍(lán)濾色片4、透鏡5、相機(jī)6、計(jì)算機(jī)7和紅藍(lán)立體眼鏡8；其中LED陣列1、樣品載物臺(tái)2、物鏡3、紅藍(lán)濾色片4、透鏡5、相機(jī)6從下至上依次設(shè)置，且LED陣列1的中心位于物鏡3、透鏡5的中心軸線上；LED陣列1和相機(jī)6均與計(jì)算機(jī)7連接；

將待成像的樣品置于樣品載物臺(tái)2，計(jì)算機(jī)7向LED陣列1發(fā)送控制信號(hào)，使LED陣列1產(chǎn)生半徑為R個(gè)像素點(diǎn)的白色圓形照明光，如圖2所示，該照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進(jìn)行放大成像后經(jīng)過(guò)紅藍(lán)濾色片4入射至透鏡5，計(jì)算機(jī)7驅(qū)動(dòng)相機(jī)6對(duì)穿過(guò)透鏡5的樣品圖像進(jìn)行采樣，相機(jī)6將采集的樣品圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行顯示，通過(guò)紅藍(lán)立體眼鏡8對(duì)計(jì)算機(jī)7顯示的樣品圖像進(jìn)行立體顯微觀看。

優(yōu)選地，所述LED陣列1采用P4系列LED陣列，P4系列LED陣列提供紅色、綠色、藍(lán)色、青色、粉色、黃色、白光七種顏色的照明光，本發(fā)明采用白色照明光源；P4系列LED陣列的單元板尺寸為128mm*128mm、像素個(gè)數(shù)為32*32、像素間距4mm，每個(gè)像素點(diǎn)均可單獨(dú)點(diǎn)亮。

優(yōu)選的，所述LED陣列1距離樣品載物臺(tái)2上表面的距離為75～85mm。

進(jìn)一步地，如圖3所示，所述紅藍(lán)濾色片4為圓形的透光片，該濾光片均分為兩個(gè)半圓，該兩個(gè)半圓分別為紅色濾光片和藍(lán)色濾光片；紅藍(lán)濾色片4設(shè)置于物鏡3的后焦面上，將物鏡3所成的像分開(kāi)。

進(jìn)一步地，所述相機(jī)6的CCD鏡頭位于透鏡5的后焦面上。

進(jìn)一步地，所述紅藍(lán)立體眼鏡8和紅藍(lán)濾色片4的顏色一致。

本發(fā)明立體顯微成像方法，步驟如下：

步驟1，將待成像的樣品置于樣品載物臺(tái)2，計(jì)算機(jī)7向LED陣列1發(fā)送控制信號(hào)，使LED陣列1產(chǎn)生半徑為R的白色圓形照明光，其中R為像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

步驟2，步驟1產(chǎn)生的照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進(jìn)行放大成像后經(jīng)過(guò)紅藍(lán)濾色片4入射至透鏡5；

步驟3，計(jì)算機(jī)7驅(qū)動(dòng)相機(jī)6對(duì)穿過(guò)透鏡5的樣品圖像進(jìn)行采樣，相機(jī)6將采集的樣品圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行顯示；

步驟4，通過(guò)紅藍(lán)立體眼鏡8對(duì)計(jì)算機(jī)7顯示的樣品圖像進(jìn)行立體顯微觀看，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)7調(diào)節(jié)LED陣列1所產(chǎn)生圓形照明光的半徑R，改變照明數(shù)值孔徑角以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同厚度層的成像，其中照明數(shù)值孔徑角θ_NA和圓形照明光的半徑R之間的關(guān)系如下：

θ_NA＝arctan R/H

其中，H為L(zhǎng)ED陣列1距離樣品載物臺(tái)2上表面的距離。

實(shí)施例1

下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹該發(fā)明裝置和實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品立體觀看的步驟。

(1)結(jié)合附圖詳細(xì)介紹該發(fā)明裝置：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的立體顯微成像裝置，包括P4系列LED陣列1、樣品載物臺(tái)2、物鏡3、紅藍(lán)濾色片4、透鏡5、相機(jī)6、計(jì)算機(jī)7和紅藍(lán)立體眼鏡8。其中P4系列LED 陣列1安裝于樣品載物臺(tái)2下方，距樣品載物臺(tái)2上表面約80mm左右且其中心位于物鏡3以及透鏡5的中心軸線上。計(jì)算機(jī)7控制P4系列LED陣列1產(chǎn)生所需半徑R(這里的半徑R指像素點(diǎn)個(gè)數(shù))的白色照明光，產(chǎn)生的白色照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)2被物鏡3收集，然后經(jīng)過(guò)放大處理成像后被紅藍(lán)濾色片4分光，再經(jīng)透鏡5的進(jìn)一步成像處理，在計(jì)算機(jī)7的控制下驅(qū)動(dòng)相機(jī)6采圖。計(jì)算機(jī)7與P4系列LED陣列1和相機(jī)6相連，通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。

P4系列LED陣列1，可以提供紅色、綠色、藍(lán)色、青色、粉色、黃色、白光七種顏色的照明光。P4系列LED陣列1(單元板尺寸128mm*128mm，像素個(gè)數(shù)32*32，像素間距4mm)被直接安置在樣品載物臺(tái)2下方，其距離載物臺(tái)上表面距離H一般在80mm左右，并且P4系列LED陣列1的中心處于顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的光軸上。每個(gè)像素點(diǎn)均可單獨(dú)點(diǎn)亮，在P4系列LED單元板上顯示的圓形半徑R、顏色可控、圓心坐標(biāo)設(shè)定在LED陣列的中央位置，如圖2所示。通過(guò)計(jì)算機(jī)7控制照明光源的半徑R以及顏色，本實(shí)施例只用到了白色光。紅藍(lán)濾光片4放于顯微鏡物鏡的后焦面上，這樣便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所成像進(jìn)行分光，如圖3所示。透鏡5為鏡筒透鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)所成像的進(jìn)一步放大以及處理。相機(jī)6在計(jì)算機(jī)7的控制下采集圖像，顯示在計(jì)算機(jī)7的顯示屏上，觀察者佩戴紅藍(lán)立體眼鏡8就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的立體觀看。

(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置所呈現(xiàn)的三維物體觀看的具體步驟包括：

步驟1，將待成像的樣品置于樣品載物臺(tái)2，計(jì)算機(jī)7向LED陣列1發(fā)送控制信號(hào)，使LED陣列1產(chǎn)生半徑為R的白色圓形照明光，其中R為像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

步驟2，步驟1產(chǎn)生的照明光透過(guò)樣品載物臺(tái)2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進(jìn)行放大成像后經(jīng)過(guò)紅藍(lán)濾色片4入射至透鏡5；

步驟3，計(jì)算機(jī)7驅(qū)動(dòng)相機(jī)6對(duì)穿過(guò)透鏡5的樣品圖像進(jìn)行采樣，相機(jī)6將采集的樣品圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行顯示；

步驟4，通過(guò)紅藍(lán)立體眼鏡8對(duì)計(jì)算機(jī)7顯示的樣品圖像進(jìn)行立體顯微觀看，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)7調(diào)節(jié)LED陣列1所產(chǎn)生圓形照明光的半徑R，改變照明數(shù)值孔徑角以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品不同厚度層的成像，其中照明數(shù)值孔徑角θ_NA和圓形照明光的半徑R之間的關(guān)系如下：

θ_NA＝arctan R/H

其中，H為L(zhǎng)ED陣列1距離樣品載物臺(tái)2上表面的距離，本實(shí)施例取80mm。

圖4為采用本裝置拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品的顯示圖像，將其顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上，并佩戴紅藍(lán)立體眼鏡即可觀察到清晰的立體圖。

綜上，本發(fā)明通過(guò)在顯微鏡物鏡后焦面上加入紅藍(lán)濾色片，從而取代傳統(tǒng)立體顯微鏡的雙光路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低了成本、提高了成像質(zhì)量；通過(guò)采用LED陣列(單元板尺寸128mm*128mm，像素個(gè)數(shù)32*32，像素間距4mm)作為照明光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡焦深的靈活可調(diào)，系統(tǒng)本身自帶光源，受外界干擾較??；通過(guò)將相機(jī)采集到的圖像傳到顯示屏可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品立體結(jié)構(gòu)的清晰觀看。