基于led陣列照明的體視顯微成像裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像技術(shù)，特別是一種基于LED陣列照明的體視顯微成像裝 置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 體視顯微鏡又可稱為立體顯微鏡或稱作為解剖顯微鏡，是一種具有正像立體感地 目視儀器。在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛用于切片操作和顯微外科手術(shù)；在工業(yè)中用于微小零件和 集成電路的觀測(cè)、裝配、檢查等工作。
[0003] 現(xiàn)有傳統(tǒng)體式顯微鏡的光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其利用雙通道光路：由一個(gè) 共用的初級(jí)物鏡對(duì)物體成像后的兩光束被兩組中間物鏡，即變焦鏡分開，并組成一定的角 度稱為體視角，其一般為12-15度。然后再經(jīng)各自的目鏡成像，它的倍率變化是由改變中 間鏡組之間的距離而獲得，利用雙通道光路，雙目鏡筒中的左右兩光束不是平行，而是具有 一定的夾角，為左右兩眼提供一個(gè)具有立體感的圖像。因此又稱為〃連續(xù)變倍體視顯微鏡 〃 (Zoom-stereomicroscope)(王良誠，趙建文.連續(xù)變倍體視顯微鏡的設(shè)計(jì)及性能擴(kuò)展 [J].光學(xué)儀器，1996，（1):6-12.)。它實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)單鏡筒顯微鏡并列放置，兩個(gè)鏡筒的光 軸構(gòu)成相當(dāng)于人們用雙目觀察一個(gè)物體時(shí)所形成的視角，以此形成三維空間的立體視覺圖 像。
[0004] 傳統(tǒng)體式顯微鏡使用方便，操作簡(jiǎn)便，但是也存在幾大問題：（1)雙通道光路使得 系統(tǒng)變得龐大而復(fù)雜，提高了儀器成本。（2)體視角無法自由調(diào)節(jié)：由于人眼瞳距個(gè)體差異 較大，采用單一體視角對(duì)于一些觀察者容易出現(xiàn)雙像不能重合的情況，使得觀察效果大打 折扣。（3)傳統(tǒng)體式顯微鏡只能實(shí)現(xiàn)雙目觀察，無法實(shí)現(xiàn)立體視頻顯示，從而無法同時(shí)發(fā)揮 體視顯微技術(shù)和數(shù)碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于LED陣列照明的體視顯微成像裝置及其方法，以 單通道光路實(shí)現(xiàn)了體式顯微成像，很便捷的觀察到所觀測(cè)物體的三維立體影像。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于LED陣列照明的體視顯微成像裝置 及其方法，包括LED陣列、顯微鏡成像系統(tǒng)、電路控制裝置、計(jì)算機(jī)、顯示器、3D眼鏡，所述 的LED陣列作為顯微鏡成像系統(tǒng)的照明光源，該顯微鏡成像系統(tǒng)包括樣品載物臺(tái)、顯微物 鏡、鏡筒透鏡以及相機(jī)，其中透射過樣品載物臺(tái)的光被顯微物鏡收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡放大 后成像在相機(jī)的圖像平面；所述的電路控制裝置分別與LED陣列、相機(jī)、計(jì)算機(jī)相連接，所 述的計(jì)算機(jī)控制電路控制裝置使LED陣列顯示兩個(gè)圓形圖案，分別以不同角度照射待測(cè)樣 品；兩個(gè)圓形圖案光照之間的夾角構(gòu)成相當(dāng)于人們用雙目觀察一個(gè)物體時(shí)所形成的視角， 該兩個(gè)圓形圖案照明分別對(duì)應(yīng)左右眼的兩通道圖像，將這兩通道圖像通過顯示器分別顯 示，觀察者佩戴相配套的3D眼鏡即可形成所觀測(cè)物體的三維空間的立體視覺圖像。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)采用基于LED陣列的雙光源照明的方 式，以單通道光路實(shí)現(xiàn)了體式顯微成像，單通道光路簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效降低成本。（2)雙 光源可控照明可實(shí)現(xiàn)觀察體視角、焦深的靈活可調(diào)，并可有助于方便實(shí)現(xiàn)紅/藍(lán)或基于時(shí) 分復(fù)用的三維立體顯示/觀察方式。其可廣泛應(yīng)于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的切片操作；工業(yè)檢測(cè)領(lǐng) 域中微小零件和集成電路的觀測(cè)、裝配、檢查等，這種三維立體視覺影像可提供所觀測(cè)樣品 更大的信息量。
[0008] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0009] 圖1是傳統(tǒng)體視顯微鏡裝置原理圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明基于LED陣列照明的體視顯微成像裝置原理圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明所采用LED陣列所顯示圖案的示意圖，其中兩個(gè)圓心之間的水平間 隔為D，半徑為R個(gè)元素。
[0012] 圖4是本發(fā)明雙色3D體式顯微方案所拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品的顯示圖像，可 以佩戴紅藍(lán)3D眼鏡觀察到立體圖像。
[0013] 圖5 (a)是本發(fā)明偏振式/快門式3D體式顯微方案所拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的顯示圖像的左眼圖像。
[0014] 圖5 (b)是本發(fā)明偏振式/快門式3D體式顯微方案所拍攝到的衍射光學(xué)元件樣品 的顯示圖像的右眼圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 結(jié)合圖2,本發(fā)明基于LED陣列照明的體視顯微成像裝置，包括LED陣列1、顯微鏡 成像系統(tǒng)2、電路控制裝置3、計(jì)算機(jī)4、顯示器5、3D眼鏡6,所述顯微鏡成像系統(tǒng)2包括樣 品載物臺(tái)7、顯微物鏡8、鏡筒透鏡9以及相機(jī)10 (彩色或者灰度相機(jī)），其中透射過樣品載 物臺(tái)7的光被顯微物鏡8收集，并經(jīng)過鏡筒透鏡9放大后成像在相機(jī)10的圖像平面。電路 控制裝置3分別與LED陣列1、相機(jī)10、計(jì)算機(jī)4相連接。顯示器5為傳統(tǒng)顯示器（即一般 的CRT或者IXD液晶顯示器）、偏振式3D顯示器或者快門式3D顯示器；3D眼鏡6為傳統(tǒng)雙 色3D眼鏡、偏振式3D眼鏡或者快門式3D眼鏡，3D眼鏡6與顯示器5的顯示機(jī)理相配套，即 如果3D眼鏡6采用傳統(tǒng)雙色3D眼鏡，則顯示器5為傳統(tǒng)顯示器即可，如果3D眼鏡6采用 偏振式或者快門式3D眼鏡，則顯示器5為偏振式或者快門式3D顯示器，以此類推。
[0016] LED陣列1作為顯微鏡的照明光源，其被直接安置在樣品載物臺(tái)7下方，其距離載 物臺(tái)的上表面距離H-般在20-100mm之間，并且LED陣列1的中心處于顯微鏡成像系統(tǒng)2 的光軸上。LED陣列1中單個(gè)LED元素為紅綠藍(lán)三色LED，其典型波長(zhǎng)為紅光635nm、綠光 525nm和藍(lán)光475nm。每個(gè)LED元素之間中心間距典型值為3-10mm。LED陣列1并不需要 進(jìn)行單獨(dú)加工，一般在市場(chǎng)上可直接購置。其包含呈陣列排列的一組多個(gè)LED，這些LED通 過固定基板實(shí)現(xiàn)物理與電路連接，如表1給出了一個(gè)市面上可購置的LED陣列的產(chǎn)品參數(shù)。 在此LED陣列中，LED元素共有32行、32列，一共1024個(gè)，單個(gè)LED的亮度在2000cd/m 2以 上。
[0017] 表1LED陣列的物理參數(shù)
[0018] CN 105158889 A ^ 3/4 貝
[0019]
[0020] LED陣列I中每個(gè)LED元素均可通過計(jì)算機(jī)4的主機(jī)控制電路控制裝置3實(shí)現(xiàn)單 獨(dú)點(diǎn)亮，形成不同空間分布的彩色圖案。類似地，通過計(jì)算機(jī)主機(jī)4控制電路控制裝置3還 可實(shí)現(xiàn)不同空間分布的彩色圖案的快速切換，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上快速變化的彩色圖案。電路控 制裝置3還用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖使LED陣列1精確地與相機(jī)10實(shí)現(xiàn)同步采集。所述的電路 控制裝置3的具體實(shí)現(xiàn)電路方案可以采用（但不限于）單片機(jī)、ARM、或者可編程邏輯器件 等現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)，如郭寶增，鄧淳苗：基于FPGA的LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2010, 25(3) :424-428。
[0021] 本發(fā)明基于LED陣列照明的體視顯微成像方法，以LED陣列1作為顯微鏡成像系 統(tǒng)2的照明光源，通過計(jì)算機(jī)4控制電路控制裝置3使LED陣列1顯示兩個(gè)圓形圖案，分別 以不同角度照射待測(cè)樣品；兩個(gè)圓形圖案光照之間的夾角構(gòu)成相當(dāng)于人們用雙目觀察一個(gè) 物體時(shí)所形成的視角，該兩個(gè)圓形圖案照明分別對(duì)應(yīng)左右眼的兩通道圖像，將這兩通道圖 像通過顯示器5分別顯示，觀察者佩戴相配套的3D眼鏡6即可形成所觀測(cè)物體的三維空間 的立體視覺圖像；如果顯示器5為傳統(tǒng)顯示器，3D眼鏡6為傳統(tǒng)雙色3D眼鏡，通過雙色3D 體式顯微實(shí)現(xiàn)體視顯微成像；如果顯示器5為偏振式或者快門式3D顯示器，且3D眼鏡6為 偏振式或者快門式3D眼鏡，通過偏振式或快門式3D體式顯微實(shí)現(xiàn)體視顯微成像。這兩種 方案的共同點(diǎn)為它們均在LED陣列中（同時(shí)或者先后）顯示兩個(gè)圓形圖案以獲得兩個(gè)不同 角度照明物體所得到的左右眼圖像，這也是本發(fā)明的創(chuàng)造性所在。
[0022] 其中雙色3D體式顯微實(shí)現(xiàn)體視顯微成像的步驟如下：
[0023] 第一步，采用LED陣列1作為顯微鏡成像系統(tǒng)2的光源，通過計(jì)算機(jī)4控制電路控 制裝置3顯示圓心水平間隔為D，半徑為R個(gè)LED元素的兩個(gè)圓形圖案；針對(duì)3D眼鏡6是傳 統(tǒng)雙色3D眼鏡（如紅藍(lán)時(shí)），則兩個(gè)圓形圖案其中一個(gè)為紅色，一個(gè)為藍(lán)色；同理，針對(duì)3D 眼鏡6是紅綠3D眼鏡的情況，則兩個(gè)圓形圖案一個(gè)為紅色，一個(gè)為綠色；控制兩個(gè)圓形圖案 的圓心的水平間隔為D可實(shí)現(xiàn)對(duì)體視角Θ的控制：Θ = arctanD/2H，其中H為L(zhǎng)ED陣列1 距離樣品載物臺(tái)7上表面距離；控制兩個(gè)圓心的半徑R可實(shí)現(xiàn)對(duì)于照明數(shù)值孔徑角θ NA的 控制：ΘΝΑ= arctanR/H，數(shù)值孔徑角θ NA反比于焦深。
[0024] 第二步，在顯示器5上顯示相機(jī)10拍攝到的彩色圖像。
[0025] 第三步，