立體成像光學組件及基於單物鏡的數字三維立體顯微系統的製作方法
2023-07-17 22:31:46
專利名稱：立體成像光學組件及基於單物鏡的數字三維立體顯微系統的製作方法
技術領域：
立體成像光學組件及基於單物鏡的數字三維立體顯微系統技術領域：
本實用新型涉及立體顯微鏡領域，具體為一種採用單物鏡雙光路視差數字三維立體(3D)顯微成像及顯示的立體成像光學組件及基於單物鏡的數字三維立體顯微系統。
背景技術：
立體顯微鏡是由不同功能的透鏡和顯微鏡機械本體共同組合而，其可以將受觀察的微小物體形成放大、且正立的三維立體空間影像。在觀察眼睛無法直接看到的微小物體和物體微細構造等方面，立體顯微鏡具有其它任何顯微裝置無法替代的效果。而且，迄今為止，一直是人類認識與操縱微觀世界的主要手段之一。但是，傳統的立體顯微鏡以一對目鏡來輸出影像，為了觀看到清晰的立體影像，要求觀看者雙目的瞳孔要與顯微鏡目鏡的出瞳重合。這就使得觀看者的體位受到嚴重的限制，觀看者的眼睛和肌體非常容易疲勞。長期使用者由於長時間處於同一靜止體位狀態，因 此極其容易患上頸椎、腰椎等方面的疾病。為此，世界各國研究者和立體顯微鏡生產商一直致力於新型立體顯微鏡的研究與開發，目的在於設計出符合人體工程學要求的立體顯微鏡，從而消除長時間觀察引起的視覺和身體疲勞。在20世紀90年代的中國以及早在80年代末的其它世界範圍內，顯微鏡的研究與製造商為顯微系統增加了一套電視攝像裝置，藉助CXD攝像機將顯微圖像在平面的顯示器或者監視器上顯示出來，從一定程度上解決了一些問題。但是，由於這種方式只能顯示平面的顯微圖像，所以僅僅從顯示器或者電視機上是無法觀看到顯微立體圖像的。因此，只能作為對顯微對象的定性的粗略觀看或觀看範圍的搜索之用，尚無法通過觀看電視圖像對微小物體進行操作，最終還必須用雙筒目鏡來觀看和操縱微觀物體。徹底解決顯微系統的人機接口一直是世界各國相關研究者和製造商努力的方向。進入21世紀以來，西方先進的光學儀器生產企業中，少數企業採用了立體圖像技術，希望能從根本上解決體視顯微鏡存在的人體工程學方面的問題。在西方發達國家中，少數的世界著名的光學儀器企業先後推出一些具有新型人機接口的顯微裝置。英國的Vision公司採用視野擴展技術(Expand pupil)研製了無目鏡的體視顯微鏡，擴大顯微鏡出瞳的工作距離，使觀看者可以在一定的範圍內自由觀看，從而在一定程度上消除了視覺疲勞，使操作者頭部和軀幹活動自如。採用各種可行的技術，使得體視顯微鏡在使用過程中，觀看者的雙眼擺脫目鏡的束縛，這是體視顯微技術在數位化時代的必然發展趨勢。目前傳統的體視顯微鏡在生物、醫學、礦產、公安、檢察等領域得到了廣泛的應用，開發打破傳統體視顯微概念的數字式體視顯微系統，必將對各相關應用領域帶來革命性的影響；同時，由於它突破了現有體視顯微鏡的人機方式和觀察效果，也將有效地擴展該產品的應用領域及範圍，其市場前景是不言而喻的，具有良好的社會效益與經濟效益。然而現有實現顯微鏡立體視顯微技術存在局限，且不夠成熟，實現起來也非常困難。
實用新型內容本實用新型的目的在於針對以上所述現有技術存在的不足，提供一種總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像的立體成像光學組件。本實用新型的另一目的是以現有顯微光學技術為基礎，結合數字三維立體(3D)成像技術，數位化立體顯微系統的一種基於單物鏡 的數字三維立體顯微系統，其顯微的三維立體圖像以雙筒目鏡、立體液晶顯示器、大屏幕立體投影系統或者頭戴式立體顯示設備等幾種方式作為人機接口。為達到上述目的，本實用新型的技術方案是立體成像光學組件，包括顯微物鏡組和分光組件，所述顯微物鏡組生成的實像經分光組件分成單獨的兩路，所述顯微物鏡組內的兩個物鏡組的光軸互相成可調的夾角，從而形成立體視差可調的一對光學像，對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。本實用新型構成對微小物體的顯微成像，為目鏡組和圖像傳感器提供關於微小物體的正立放大的實像。所述顯微物鏡組可以是由單物鏡組構成，將物方平面上的物體成像於物鏡的像方焦平面上，形成正立的實像。所述顯微物鏡組的實像經分光組件分成單獨的兩路後再經轉像光學組由目鏡組成像，形成完整的物鏡-目鏡組合的顯微光學系統。兩路上述顯微光學系統組合使用，相互獨立並從不同方位觀看目標成像。一種基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，其包括立體成像光學組件、三維立體圖像數字模塊、三維立體圖像輸出顯示模塊，所述立體成像光學組件的成像經三維立體圖像數字模塊處理後，由所述三維立體圖像輸出顯示模塊進行顯示。所述立體成像光學組件，包括顯微物鏡組和分光組件，所述顯微物鏡組生成的實像經分光組件分成單獨的兩路，所述顯微物鏡組內的兩個物鏡組的光軸互相成可調的夾角，從而形成立體視差可調的一對光學像，對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。本實用新型構成對微小物體的顯微成像，為目鏡組和圖像傳感器提供關於微小物體的正立放大的實像。所述顯微物鏡組可以是由單物鏡組構成，將物方平面上的物體成像於物鏡的像方焦平面上，形成正立的實像。所述顯微物鏡組的實像經分光組件分成單獨的兩路後再經轉像光學組由目鏡組成像，形成完整的物鏡-目鏡組合的顯微光學系統。兩路上述的顯微光學系統組合使用，相互獨立並從不同方位對觀看目標成像。所述三維立體圖像數字模塊包括分別接收所述兩個分光組件光路成像的兩個電子成像組件和用於處理所述兩個電子成像組件中成像的數字三維圖像處理系統。分光組件以及電子立體成像組件為後續電路提供原始的立體圖像信號。其中分光組件將顯微物鏡的圖像進行分路，為電子成像組件提供可進行放大倍率調節的實像；電子成像組件將光學圖像轉換成高解析度的數字三維立體圖像信號；數字三維圖像處理系統則對數字三維立體圖像信號作處理及優化，對三維立體圖像信號輸出接口起到阻抗匹配和圖像合成的作用，數字三維圖像處理系統的另一個作用是，對原始的立體圖像信號進行格式轉換，從而適應不同格式要求的立體圖像顯示裝置。所述三維立體圖像輸出顯示模塊，包括配套使用的時分立體眼鏡的高刷新率的立體液晶顯示屏器和大屏幕立體圖像顯示系統；所述大屏幕立體投影系統包括偏振式立體投影機和時分式快門立體投影機、也可以輸出給頭戴式立體顯示設備顯示。其中可以依託於立體視差顯示原理。與現有技術相比，本實用新型有如下優點結合數字三維立體(3D)成像技術和數位化立體顯微技術，將其顯微的三維立體圖像以雙筒目鏡、立體液晶顯示器、大屏幕立體投影系統或者頭戴式立體顯示設備等幾種方式作為人機接口 ；對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。
圖I是本實用新型基於單物鏡的數字三維立體顯微系統的原理框圖；圖2是本實用新型基於單物鏡的數字三維立體顯微系統的所依賴的體視顯微鏡示意圖；圖3是本實用新型基於單物鏡的數字三維立體顯微系統中立體成像光學組件的成像光學原理圖；圖4是本實用新型基於單物鏡的數字三維立體顯微系統中三維立體圖像數字模塊的電路原理框圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細的說明。立體成像光學組件，如圖2和圖3所示，包括顯微物鏡組5和分光組件4，所述顯微物鏡組5生成的實像經分光組件4分成單獨的兩路，所述顯微物鏡組5內的兩個物鏡組的光軸互相成可調的夾角，從而形成立體視差可調的一對光學像，對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。本實用新型構成對微小物體的顯微成像，為目鏡組和圖像傳感器提供關於微小物體的正立放大的實像。所述顯微物鏡組5可以是由單物鏡組16構成，將物方共軛平面上的物體17成像於物鏡的像方平面上，形成正立的實像。所述物體17 —般放置於載物臺7上，所述顯微物鏡組5與鏡臂6連接。所述顯微物鏡組5的實像經分光組件4分成單獨的兩路後再經轉像光學組由目鏡成像，形成完整的物鏡-目鏡組合的顯微光學系統。兩路上述的顯微光學系統組合使用，相互獨立並從不同方位觀看目標成像。所述分光組件4可以是由兩個成像物鏡15組成。所述成像物鏡組15的光路經半透半反稜鏡組14、自聚焦光路13和0. 75倍物鏡組12進入圖像傳感器11。所述成像物鏡組15的光路經半透半反稜鏡組14、全反稜鏡10、轉像鏡9進入f25目鏡組8。一種基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，如圖I所示，其包括立體成像光學組件、三維立體圖像數字模塊、三維立體圖像輸出顯示模塊，所述立體成像光學組件的成像經三維立體圖像數字模塊處理後，由所述三維立體圖像輸出顯示模塊進行顯示。所述立體成像光學組件，包括顯微物鏡組和分光組件，所述顯微物鏡組生成的實像經分光組件分成單獨的兩路，所述顯微物鏡組內的兩個物鏡的光軸互相成可調的夾角，從而形成立體視差可調的一對光學像，對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。本實用新型構成對微小物體的顯微成像，為目鏡組和圖像傳感器提供關於微小物體的正立放大的實像。所述顯微物鏡組可以是由單物鏡組構成，將物方平面上的物體成像於物鏡的像方焦平面上，形成正立的實像。所述顯微物鏡組的實像經分光組件分成單獨的兩路後再經轉像光學組後由目鏡成像，形成完整的物鏡-目鏡組合的顯微光學系統。兩路上述的顯微光學系統組合使用，相互獨立並從不同方位對觀看目標成像。所述三維立體圖像數字模塊包括分別接收所述兩個分光組件成像的兩個電子成像組件和用於處理所述兩個電子成像組件中成像的數字三維圖像處理系統。分光組件及電子立體成像組件為後續電路提供原始的立體圖像信號。其中分像組件將顯微物鏡的圖像進行分路，為電子成像組件提供可進行放大倍率調節的實像；電子成像組件將光學圖像轉換成高解析度的數字三維立體圖像信號；數字三維圖像處理系統，則對數字三維立體圖像信 號作處理及優化，對三維立體圖像信號輸出接口起到阻抗匹配和圖像合成的作用，數字三維圖像處理系統的另一個作用是，對原始的立體圖像信號進行格式轉換，從而適應不同格式要求的立體圖像顯示裝置。所述電子立體成像組件在物鏡組的像方合適的位置，布置分光組件，將雙光路成像物鏡組的光線分別分成兩部分.並經由電子成像組件中的成像透鏡部分，將來物鏡組的無窮遠處的虛像轉換成實像並投影於圖像傳感器的感光面。採用Omnivision公司的高解析度CMOS圖像傳感器晶片，設計成高集成化、重量輕的雙路圖像傳感電路。兩路電路在同一時序驅動下工作，以並行方式輸出同步的立體圖像信號。數字三維圖像處理系統包括圖像信號緩衝、初級圖像處理、圖像匹配、圖像合成、圖像輸出接口等電路。電路原理框圖如圖2所示。雙路數字RGB信號及同步信號(幀同步、行同步信號)直接輸入數字三維圖像處理系統，其中幀同步信號經相位檢測後得到兩路信號的幀脈衝相位差，再由延時電路對其中一路信號進行延時處理，最後兩幅人工同步視頻RGB信號送入圖像處理單元。延時電路同時產生幀同步脈衝信號直接輸出。數字三維圖像處理系統經初級圖像處理、圖像匹配、圖像合成後得到立體圖像信號，該信號經立體顯示接口輸出。數字三維圖像處理系統的具體設計還包括以下幾個輔助電路多種類信號接收電路、預處理、圖像同步電路、圖像合成電路、電源電路等。三維立體圖像輸出顯示模塊是數字三維圖像處理系統的輸出立體視頻信號，通過純數字接口電纜連接至高刷新率液晶顯示屏的雙通道數字視頻的純數字接口。高刷新率液晶顯示屏使用刷新率至少為120Hz，解析度至少為1680*1050的商用液晶顯示屏(IXD)，配合時分立體眼鏡可時時觀看三維立體影像。還可以輸出信號直接用於投影式大屏幕立體圖像顯示系統的顯示.大屏幕立體投影系統接受來自數字三維圖像處理系統的圖像信號流，並將立體圖像投影形成大屏幕圖像，圖像對角線尺寸在40-100英寸之間，可由用戶自由選擇。大屏幕立體投影系統，可以供多人觀看，適合教學、演示等場合。大屏幕立體投影系統包括偏振式立體投影機和時分式快門立體投影機。所述者，僅為本實用新型的較佳實施例而已，當不能以此限定本實用新型實施的範圍，即大凡依本實用新型申請專利範圍及實用新型說明內容所作的簡單的等效變化與修 飾，皆仍屬本實用新型專利涵蓋的範圍內。
權利要求1.立體成像光學組件，包括顯微物鏡組和分光組件，其特徵在於，所述顯微物鏡組生成的實像經分光組件分成單獨的兩路，所述顯微物鏡組內的兩個物鏡的光軸互相成可調的夾角。
2.根據權利要求I所述的立體成像光學組件，其特徵在於，所述顯微物鏡組是由單物鏡組構成，將物方平面上的物體成像於物鏡的像方焦平面上，形成正立的實像。
3.根據權利要求2所述的立體成像光學組件，其特徵在於，所述顯微物鏡組的實像經分光組件分成單獨的兩路後再經轉像光學組後由目鏡成像，形成完整的物鏡-目鏡組合的顯微光學系統。
4.帶有根據權利要求1-3任一所述的立體成像光學組件的基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，其特徵在於，其包括立體成像光學組件和三維立體圖像輸出顯示模塊，所述立體成像光學組件的成像由所述三維立體圖像輸出顯示模塊進行顯示。
5.根據權利要求4所述的基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，其特徵在於，所述三維立體圖像輸出顯示模塊，包括配套使用時分立體眼鏡的高刷新率的立體液晶顯示屏和大屏幕立體圖像顯示系統。
6.根據權利要求5所述的基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，其特徵在於，所述大屏幕立體投影系統包括偏振式立體投影機和時分式快門立體投影機或者頭戴式立體顯示設備顯示。
專利摘要本實用新型公開一種基於單物鏡的數字三維立體顯微系統，其包括立體成像光學組件、三維立體圖像數字模塊、三維立體圖像輸出顯示模塊，所述立體成像光學組件的成像經三維立體圖像數字模塊處理後，由所述三維立體圖像輸出顯示模塊進行顯示。本實用新型有如下優點結合數字三維立體(3D)成像技術和數位化立體顯微技術，將其顯微的三維立體圖像以雙筒目鏡、立體液晶顯示器、大屏幕立體投影系統或者頭戴式立體顯示設備等幾種方式作為人機接口；對於不同深度的觀察物體，雙目圖像總是具有允許範圍內視差的立體圖像對，從而總是能在立體液晶顯示器上顯示理想的立體圖像。
文檔編號H04N13/00GK202548430SQ20112052501
公開日2012年11月21日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者俞小進, 馮志堅, 曾德祥, 李建奇 申請人:南京大學, 廣州博冠企業有限公司