掃描探測顯微鏡的立體顯示方法
2023-10-07 05:42:54 1
專利名稱：掃描探測顯微鏡的立體顯示方法
技術領域：
本發明涉及一種掃描探測顯微鏡的立體顯示方法，尤其是涉及物體表面形狀的顯示數據的顯示方法，該顯示數據是由掃描探測顯微鏡獲取的，是立體可視的。
掃描探測顯微鏡，如掃描孔道顯微鏡和原子間的能量顯微鏡，被認為是分析表面形狀的表面分析裝置，而物體表面形狀的三維數據是由掃描探測顯徽鏡測試到的。在這種掃描探測顯微鏡中，理想的情況是，物體的表面形狀可以立體觀測。根據這種要求，在傳統的顯示方法中，三維形狀的顯示方法，舉例來說，包括灰度圖像、線條圖像和網格圖像，灰度圖像是從上方觀測的，線條圖像顯示外輪廓，網格圖像由網格或鳥瞰圖像顯示表面形狀。
在傳統的掃描探測顯微鏡中，立體顯示的方法採用灰度圖像、線條圖像、網格圖像和鳥瞰圖像，這些圖像都是單幅圖像，其缺點是不容易抓住物體表面的三維形狀。因此，曾經採用了這樣的方法，例如，在同一個位置上顯示物體的灰度圖像和截面圖像，並進行比較，從而抓住物體表面的三維形狀。然而，通過比較和參考幾幅顯示圖像雖然可以抓住物體表面的三維形狀，但是，在這種情況下，觀測者必須根據顯示的圖像推測物體的表面形狀，這需要相當高的技能。
因此，用傳統的顯示方法一直不能獲得物體的表面形狀，傳統的顯示方法採用單幅顯示圖像，如灰度圖像、線條圖像、網格圖像或鳥瞰圖像，並且要比較和參考數幅顯示圖像。因此，物體的表面形狀不能進行三維觀測。
相應地，本發明的目的是克服現有技術的缺點，並且提供掃描探測顯微鏡的立體顯示方法，其中，所顯示的物體的表面形狀可以進行立體觀測。
通過下文對本發明的說明，本發明的進一步的目的和優點會變得一目了然。
本發明的立體顯示方法是為使用掃描探測顯微鏡而設計的，以獲取物體表面形狀的三維數據。在掃描探測顯微鏡中，所獲取的三維數據要轉換成至少兩幅二維數據，該二維數據是按預定的視差角從不同的視線方向能夠觀測到的，所轉換成的至少兩幅二維數據的在一個顯示平面上的顯示位置是根據視差角確定的，從而可以在顯示位置上顯示二維數據。因此，所顯示的物體的表面形狀是立體可視的。
至於人能夠感覺到自己和物體之間有距離的原因，通常被認為是，如(1)根據經驗，通過感知物體的表象尺寸和實際尺寸之間的差別，可以確定大致的距離；(2)根據數個物體的灰度情況，可以確定相對位置關係；和(3)根據眼睛的視差角可以感知物體的距離。
本發明的立體顯示方法採用視差角，其中，根據視差角從不同的視線方向觀測物體時，至少可以獲取兩幅二維形狀數據，並且所轉換成的二維形狀數據要根據該視差角在顯示位置上進行顯示。通過根據視差角把眼睛的視線對準由所述顯示方法顯示的圖像，並且在相應的視線方向上觀測圖像，在眼睛中就可以形成一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而對物體進行立體的觀測。順便說一句，視差角就是兩個眼睛至物體的兩條連線之間構成的角度，根據兩個眼睛之間的距離和物體至眼睛的距離就可以確定該視差角。
根據本發明的第一方面，根據視差角從三維數據中可以獲取從右眼的視線方向看的二維數據和從左眼的視線方向看的二維數據，並且根據該視差角在顯示平面上分別顯示兩幅二維圖像。所顯示的圖像根據視差角相隔一個距離，並且從右眼的視線方向看的二維數據由右眼進行觀測，從左眼的見線方向看的二維數據由左眼進行觀測。其結果是，在眼睛中形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而物體是三維可視的。
根據本發明的第二方面，根據視差角從三維數據中可以獲取從右眼的視線方向看的二維數據和從左眼的視線方向看的二維數據，這與第一實施例的方式是相同的，並且兩幅二維數據在顯示平面上的同一位置上交替地進行顯示。通過根據視差角從相隔一段距離的位置處觀測所顯示的圖像，在眼睛中形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而物體是三維可視的。
根據本發明的第三方面，與第一和第二方面所述的方式不同的是，不在顯示平面上進行顯示，兩幅二維數據均印製在薄膜或紙張上。如本發明的第一方面所述，通過由右眼和左眼從各自的視線方向上觀測兩幅二維數據，在眼睛中形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而物體是三維可視的。
根據本發明的第四方面，至少兩幅二維數據被分成數個部分，兩幅被分成數個部分的二維數據在一個顯示平面上作為圖像交替地進行顯示。在所顯示的圖像的上方設置有圓柱形的凸透鏡陣列，通過根據視差角在相隔一段距離的位置處由凸透鏡陣列觀測所顯示的圖像，在眼睛中形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而物體是三維可視的。
根據本發明的第五方面，與本發明的第四方面不同的是，不是在顯示平面上交替地進行顯示，兩幅被分成數個部分的二維數據都印製在一張紙上。和第四方面一樣，在所顯示的圖像的上方設置有圓柱形的凸透鏡陣列，通過根據視差角在相隔一段距離的位置處由凸透鏡陣列觀測所顯示的圖像，在眼睛中形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所獲取的圖像，從而物體是三維可視的。
附圖的簡要說明
圖1圖示了一個過程的框圖，該框圖表達了根據本發明的掃描探測顯微鏡的立體顯示方法；圖2圖示了一個結構的框圖，該框圖可實現根據本發明的掃描探測顯徽鏡的立體顯示方法；
圖3(a)是表明視差角和物體之間的關係的說明圖；圖3(b)是表明視差角和二維數據之間關係的說明圖；圖4(a)圖示了一個例子，其中，物體從兩個視線方向進行觀測，光源從一個方向進行照明；圖4(b)圖示了一個例子，其中，從右眼和左眼視線方向看的二維數據的圖像在同一時間內分別進行顯示；圖4(c)圖示了一個例子，其中，從右眼和左眼視線方向看的二維數據的圖像在同一位置上交替地進行顯示；圖4(d)圖示了另外一個例子，其中，從右眼和左眼視線方向看的二維數據的圖像在同一時間內分別進行顯示；圖5是從三維數據獲取二維數據的坐標圖；圖6是說明數據轉換過程的流程圖；和圖7(a)-(f)是說明獲取灰度圖像的過程的流程圖，其中包括光源和從視線方向看的位置坐標。
推薦實施例的詳細說明附圖詳細說明了本發明的掃描探測顯微鏡的立體顯示方法的實施例，其中，圖1是一個過程的框圖，該框圖表達了根據本發明的掃描探測顯微鏡的立體顯示方法；圖2是一個結構的框圖，該框圖可實現根據本發明的掃描探測顯徽鏡的立體顯示方法；圖3表明了視差角和距離之間的關係；和，圖4(a)-(d)說明了立體顯示的一個例子。
如圖2所示，實現本發明的立體顯示方法的掃描探測顯微鏡的結構包括顯示處理器1，由掃描探測顯徽鏡測試出的三維數據可以輸入至顯示處理器1中，該三維數據要轉換成二維數據，以進行立體顯示。輸入器11和顯示器12，如CRT和列印裝置，可以連接在顯示處理器1上，轉換數據用的參數由輸入器11輸入。
顯示處理器1包括貯存器2、數據轉換器3和顯示驅動器4，數據轉換器3用於把三維數據轉換成二維數據，顯示驅動器4用於把二維數據顯示在顯示器12上。貯存器2包括第一貯存器21、第二貯存器22和第三貯存器23，第一貯存器21用於貯存來自掃描探測顯微鏡10的三維數據，第二貯存器22用於貯存轉換成的二維數據，第三貯存器23用於貯存參數。順便說一句，對顯示處理器1中的各部分的控制由控制器，如CPU和類似的元件，來完成，控制器沒有示出。
掃描探測顯微鏡的立體顯示方法由如圖1所示的過程完成。掃描探測顯微鏡10對物體的表面形狀進行探測，以獲取三維數據。順便說一句，掃描探測顯微鏡的結構和獲取三維數據的過程是熟知的，例如，美國專利No.Re 33387中提及了這一點，該專利與日本專利公開號為(KOKAI)No.62-130302的專利有關，正因如此，此處不再進行說明(步驟S1)。貯存器2把獲取的三維數據貯存在第一貯存器21中(步驟S2)。數據轉換器3從第一貯存器21中讀取三維數據，並把三維數據轉換成二維數據，根據視差角從視線方向看物體時看到的就是二維數據。此時，考慮到視線方向和照亮物體的光線的角度就可以進行數據轉換。至於轉換數據所需的參數，可以採用由輸入器11輸入並貯存在第三貯存器23中的參數，該參數可以是視差角2θ和照亮物體的光源的角度，光源可以是主光源和輔光源(步驟S3)。轉換成的二維數據貯存在貯存器2的第二貯存器22中(步驟S4)。
在顯示驅動器4中，可以根據視差角得到在顯示器12上顯示二維數據的位置。圖3(a)說明了視差角和物體之間的關係，其中，假定視差角為2θ，右眼和左眼從各自的視線方向看物體時，視線方向的夾角就是2θ。另一方面，在圖3(b)的情況下，可以看到二維數據的顯示圖像，而不是實際物體的圖像。
在同時顯示兩幅立體可視的二維數據的圖像的情況下，右眼和左眼各自的視線方向上的二維數據可分別進行顯示，或者說，這兩幅圖像相隔一段距離。這種情況在圖3(b)中由圖像A表示。由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像A1和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像A2在平行於兩個眼睛的位置上相互間隔地進行顯示。右眼和左眼分別觀測圖像A1和圖像A2，形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像。順便說一句，兩幅圖像之間的距離、視差角2θ和眼睛至圖像之間的距離LA相互之間的關係是可以用幾何方法確定的。
另外，在交替地顯示兩幅立體可視的二維數據的圖像的情況下，右眼和左眼各自的視線方向上的二維數據在同一位置上進行顯示。這種情況在圖3(b)中由圖像B表示。由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像B1和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像B2交替地在同一位置上進行顯示。此時，在右眼和左眼的前面設置有散射器，該散射器沒有示出，該散射器可以打開和關閉，協調地顯示右圖像和左圖像。右眼和左眼分別觀測圖像B1和圖像B2，通過影像殘留的作用形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像。順便說一句，眼睛至圖像之間的距離LB可以根據視差角2θ和兩個眼睛之間的距離用幾何方法確定的。
由上述步驟S3轉換成的二維數據的在顯示器上的顯示位置可以根據視差角得到(步驟S5)。
顯示驅動器4使得二維數據在顯示器12上得以顯示，其中的二維數據是在步驟S3中得到的，顯示位置是在步驟S5中得到的。順便說一句，如圖3(b)所示，在同一位置上交替地顯示圖像時，顯示器12可以是如CRT一樣的顯示器，圖像的顯示由切換裝置進行切換，該切換裝置沒有示出(步驟S6)。
下面結合附圖4(a)-(d)說明顯示的例子。圖4(a)所示的情況是，物體具有坐標X,Y,Z，光源設置在箭頭L所示的方向上，物體從箭頭VR和VL的方向進行觀測。順便說一句，圖中的物體的有灰度的部分是在光源的作用下的物體的陰影部分。如上所述，物體的三維數據由掃描探測顯微鏡獲取，該三維數據要通過數據轉換器轉換成二維數據，以在顯示器上進行顯示。
圖4(b)示出了一個例子，如圖3(b)中的圖像A所示，由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像相隔一段距離，並且同時進行顯示。觀測者分別用右眼和左眼觀測兩幅圖像，從而形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像，是立體可視的。
另外，圖4(c)示出了一個例子，如圖3(b)中的圖像B所示，由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像在切換裝置的作用下在同一位置上交替地進行顯示。觀測者分別用右眼和左眼觀測兩幅圖像，從而形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像，是立體可視的。
另外，圖4(d)示出了另一個例子，由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像分別並且是同時進行顯示。在這種情況下，圖像被分割成許多小塊，由右眼的視線方向的二維數據形成的圖像和由左眼的視線方向的二維數據形成的圖像相隔一段距離，並且交替地進行顯示。另外，在所顯示的圖像上設置了圓柱形的凸透鏡通道，由凸透鏡通道觀測圖像，觀測位置根據視差角遠離一段距離，觀測者的眼睛中就會形成了一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像，是立體可視的。順便說一句，在圖中，有灰度的部分就是陰影部分。
下面說明從三維數據轉換至二維數據的數據轉換過程的一個例子。在數據轉換過程中，如圖5中的坐標系所示，坐標Y不變，在X,Z坐標平面內把三維數據轉換成二維數據，然後，坐標Y發生掃描性的變化，在坐標平面X,Z內重複性地把三維數據轉換成二維數據。順便說一句，θM表示主光源M的角度；θS表示輔光源S的角度；θ表示右眼視線方向VR的角度；和，-θ表示左眼視線方向VL的角度。
圖6示出了數據轉換過程中的一個例子。在圖6中，獲取的是三維數據(x,y,z)(步驟S11)、位置(θM,θS)和位置(θ,-θ)(步驟S12和S13)，位置(θM,θS)是主光源M和輔光源S的位置；位置(θ,-θ)是右眼視線方向VR和左眼視線方向VL的位置。
然後，在Y軸上固定掃描起動y0(步驟S14)，從該起動y0開始每間隔一個預定的步長Δy都可以得到物體表面的位置坐標和亮度，其中的位置坐標是從右眼的視線方向VR觀測的，從而得到了右眼的視線方向VR的主光源的數據(xv,y,zv,BMR)和輔光源的數據(xv,y,zv,BSR)(步驟S15)；以及左眼的視線方向VL的主光源的數據(xv,y,zv,BML)和輔光源的數據(xv,v,zv,BSL)(步驟S16)。
以每個預定的步長Δy重複步驟S15和步驟S16(步驟S17，步驟S18)，就可以得到從右眼的視線方向VR看的二維數據(xv,yv,zv,BMR)和從左眼的視線方向VL的看的二維數據(xv,yv,zv,BML)。此時，對主光源的亮度數據BMR,BML和輔光源的亮度數據BSR,BSL進行權衡，並且對灰度進行調節。進行權衡所需的參數可以由輸入器11輸入(步驟S19)。
接下來獲取的是根據視差角在顯示器上顯示二維數據的位置(步驟S20)，並且在顯示器上顯示從右眼的視線方向VR看的圖像和從左眼的視線方向VL看的圖像(步驟S21)。
光源的灰度和物體上的位置坐標，舉例來說，可以從圖7(a)-7(f)所示的流程圖中得到，該物體可以從視線方向看到。順便說一句，下面的過程是步驟S15和步驟S16的過程的例子，其中的坐標Y是固定的。
如圖7(a)所示，假定θ表示視線的方向，而-θL表示光源的方向(步驟S31)，得到的是從視線方向θ看的坐標(xv,zv)(步驟S32)。
在步驟S32的過程中，如圖7(b)所示，坐標(x,z)轉動-θ的角度，從而得到了轉動坐標(x』,z』)，通過根據位置數據在Z軸方向上選擇更多的數據，在完成了數據轉換之後，就可以得到從視線方向θ看的坐標。順便說一句，圖7(b)中的粗線表示從視線方向θ看可以看到的部位。接下來，如圖7(c)所示，通過轉動θ角度，從視線方向θ看的轉動坐標(x』,z』)就還原成初始的坐標(xv,zv)。
接下來，得到的是由光源L照亮的表面的亮度(步驟S33)。在步驟S33的過程中，如圖7(d)所示，坐標(x,z)轉動θL的角度，從而得到了轉動坐標(x」,z」)，通過在Z軸方向上根據經過坐標轉換的位置數據選擇更多的數據，就可以得到由光源L照亮的坐標。進一步說，通過坐標的轉動，就可以得到被照亮的表面上的亮度B」。轉動坐標的數據表示為(x」,z」,B」)。進一步說，如圖7(e)所示，通過把數據(x」,z」,B」)轉動-θL的角度，就可以得到初始的坐標(x,z,B)。
通過得到坐標處的亮度，就可以得到二維數據(xv,zv,B)，該坐標的位置可以從視線方向θ看到，所述亮度要根據在步驟S33中所需的數據在步驟S32中得到，如圖7(f)所示，二維數據(xv,zv,B)可以從視線方向θ看到。
如上所述，在掃描探測顯微鏡中，物體的表面形狀可以進行立體可視的顯示。
權利要求
1．顯微鏡的立體顯示方法，包括由顯微鏡獲取物體表面形狀的三維數據；把所述三維數據轉換成至少兩幅二維數據，根據預定的視差角從不同的視線方向觀測時看到的就是該二維數據；確定轉換後的至少兩幅二維數據在顯示平面上的顯示位置，其根據是視差角的大小；和在顯示平面上顯示所述至少兩幅二維數據，從而可以看到一幅圖像，該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像。
2．如權利要求1所述的立體顯示方法，其中，所述的至少兩幅二維數據交替地在顯示平面的同一位置上進行顯示。
3．如權利要求1所述的立體顯示方法，其中，所述的至少兩幅二維數據列印在薄膜上。
4．如權利要求1所述的立體顯示方法，其中，所述的至少兩幅二維數據位於所述不同視線方向的光線上，相互隔離一段距離，不相互疊置，並且平行於觀測者的眼睛。
5．如權利要求4所述的立體顯示方法，其中，所述的至少兩幅二維數據被分割成數個部分，所述被分割的二維數據作為圖像交替地顯示在顯示平面上，所述顯示圖像由凸透鏡進行觀測。
6．如權利要求5所述的立體顯示方法，其中，所述的至少兩幅二維數據作為圖像印製在薄膜上，所述的印製的圖像由凸透鏡進行觀測。
7．如權利要求5所述的立體顯示方法，其中，所述的凸透鏡為圓柱形的凸透鏡的陣列。
8．如權利要求1所述的立體顯示方法，其中，所述的顯微鏡是掃描探測顯微鏡。
全文摘要
一種掃描探測顯微鏡立體顯示方法,其中物體表面形狀的三維數據由掃描探測顯微鏡獲取,再轉換成至少兩幅二維數據。根據視差角的大小,可確定轉換後的至少兩幅二維數據在顯示平面上的顯示位置,並且在顯示平面上顯示該兩幅二維數據。通過把兩個眼睛對應於視差角,並且根據各自的視線方向觀測圖像,就可以看到一幅圖像,該圖像相當於觀測三維物體時所看到的圖像。
文檔編號G02B27/22GK1218978SQ97122178
公開日1999年6月9日 申請日期1997年11月27日 優先權日1997年11月27日
發明者粉川良平, 松田政夫, 丸井隆雄 申請人:株式會社島津製作所