本發(fā)明屬于光學顯微立體成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于空間光調(diào)制器的裸眼立體顯微成像裝置及方法。

背景介紹

隨著人類觀察物質(zhì)世界向著微米、納米尺度邁進，對微小物體三維觀測的需要推動著立體顯微成像技術(shù)的發(fā)展。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。人類感知自然界深度是由于左、右眼觀看真實世界有輕微的差異造成的，人的雙眼有4～6cm的距離，所以實際上我們看到物體時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。這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠近，從而產(chǎn)生立體視覺，我們看到的是有景深的圖像。人們對物體的三維立體視覺是由雙眼視差產(chǎn)生的，所以一切能使人眼產(chǎn)生雙眼視差的光學裝置或結(jié)構(gòu)就能產(chǎn)生三維立體視覺。傳統(tǒng)立體顯微鏡由一個共用的初級物鏡對物體成像后，經(jīng)過兩組倍率可以調(diào)節(jié)的中間物鏡組分開，然后經(jīng)過角度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圖像。

傳統(tǒng)的立體顯微鏡優(yōu)點很明顯：使用方便，操作簡便。但是它存在的問題也是無法彌補的：(1)由于人眼瞳距個體差異，人眼的體視角不一定都在12度～15度的角度范圍內(nèi)，這樣會導致個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加大；(3)成像視野小，成像質(zhì)量較差，不可以觀看到物體的詳細信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種裝置簡單、不需要佩戴3D眼鏡、成像效果好、提升觀察者體驗度的裸眼立體顯微成像裝置及方法，以實現(xiàn)對樣品立體結(jié)構(gòu)進行清晰觀看。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于空間光調(diào)制器的裸眼立體顯微成像裝置，包括LED陣列、樣品載物臺、物鏡、空間光調(diào)制器、透鏡、相機、計算機和3D顯示器；其中LED陣列、樣品載物臺、物鏡、空間光調(diào)制器、透鏡、相機從下至上依次設(shè)置，且LED陣列的中心位于物鏡、透鏡的中心軸線上；LED陣列、空間光調(diào)制器和 相機均與計算機連接；

將待成像的樣品置于樣品載物臺，計算機向LED陣列發(fā)送控制信號，使LED陣列產(chǎn)生半徑為R個像素點的白色圓形照明光，該照明光透過樣品載物臺被物鏡收集，物鏡將收集的照明光進行放大成像后經(jīng)過空間光調(diào)制器入射至透鏡，計算機驅(qū)動相機對穿過透鏡的樣品圖像進行采樣，相機將采集的樣品圖像輸入3D顯示器進行顯示，觀察者通過觀看3D顯示器即可觀看到樣品圖像的立體顯微結(jié)構(gòu)。

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、藍色、青色、粉色、黃色、白光七種顏色的照明光，本裝置采用白色照明光；P4系列LED陣列的單元板尺寸為128mm*128mm、像素個數(shù)為32*32、像素間距4mm，每個像素點均可單獨點亮。

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

優(yōu)選地，所述空間光調(diào)制器在隨時間變化的電驅(qū)動信號控制下，改變空間上光分布的振幅、相位、偏振態(tài)以及波長；通過計算機控制空間光調(diào)制器，使空間光調(diào)制器一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)；通過光柵改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向，空間光調(diào)制器設(shè)置于物鏡的后焦面上，將物鏡所成的像分開，從而在相機的CCD鏡頭不同位置成像。

優(yōu)選地，所述相機的CCD鏡頭位于透鏡的后焦面上。

一種基于空間光調(diào)制器的裸眼立體顯微成像方法，步驟如下：

步驟1，將待成像的樣品置于樣品載物臺，計算機向LED陣列發(fā)送控制信號，使LED陣列產(chǎn)生半徑為R的白色圓形照明光，其中R為像素點的個數(shù)；

步驟2，計算機控制空間光調(diào)制器：使空間光調(diào)制器一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，通過光柵改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向；

步驟3，步驟1產(chǎn)生的照明光透過樣品載物臺被物鏡收集，物鏡將收集的照明光進行放大成像后經(jīng)過空間光調(diào)制器入射至透鏡；

步驟4，計算機驅(qū)動相機對穿過透鏡的樣品圖像進行采樣，相機將采集的樣品圖像輸入3D顯示器進行顯示；

步驟5，觀察者通過觀看3D顯示器即可實現(xiàn)對待測試樣品的立體顯微觀看。

優(yōu)選地，步驟3所述空間光調(diào)制器設(shè)置于物鏡的后焦面上，將物鏡所成的像分開，從而在相機的CCD鏡頭不同位置成像。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)通過在顯微鏡物鏡后焦面上加入空間光調(diào)制器，從而取代傳統(tǒng)立體顯微鏡的雙光路，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，不僅使成像系統(tǒng)簡便而且有效降低成本；(2)通過采用LED陣列作為照明光源，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，在暗背景下能夠進行觀看；(3)通過將相機采集到的圖像傳到3D顯示器上，從而可以實現(xiàn)對樣品立體結(jié)構(gòu)的清晰觀看(4)不需要佩戴3D眼鏡、成像效果好、提升觀察者體驗度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于空間光調(diào)制器的裸眼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)明中經(jīng)計算機調(diào)制后的空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例中相機所拍攝到的樣品圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明基于空間光調(diào)制器的裸眼立體顯微成像裝置，包括LED陣列1、樣品載物臺2、物鏡3、空間光調(diào)制器4、透鏡5、相機6、計算機7和3D顯示器8；其中LED陣列1、樣品載物臺2、物鏡3、空間光調(diào)制器4、透鏡5、相機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、空間光調(diào)制器4和相機6均與計算機7連接；

將待成像的樣品置于樣品載物臺2，計算機7向LED陣列1發(fā)送控制信號，使LED陣列1產(chǎn)生半徑為R個像素點的白色圓形照明光，如圖2所示，該照明光透過樣品載物臺2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進行放大成像后經(jīng)過空間光調(diào)制器4入射至透鏡5，計算機7驅(qū)動相機6對穿過透鏡5的樣品圖像進行采樣，相機6將采集的樣品圖像輸入3D顯示器8進行顯示，觀察者通過觀看3D顯示器8即可觀看到樣品圖像的立體顯微結(jié)構(gòu)。

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、藍色、青色、粉色、黃色、白光七種顏色的照明光，本裝置采用白色照明光；P4系列LED陣列的單元板尺寸為128mm*128mm、像素個數(shù)為32*32、像素間距4mm，每個像素點均可單獨點亮。

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

進一步地，如圖3所示，空間光調(diào)制器4可在隨時間變化的電驅(qū)動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態(tài)以及波長。本裝置中，通過計算機控制空間光調(diào)制器：使其一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，用復振幅表示光波W的方程為W＝Ae^iφ，其中A代表光波的振幅，φ代表光波的相位即方向，光柵可以改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向。空間光調(diào)制器4設(shè)置于物鏡3的后焦面上，將物鏡3所成的像分開，從而在相機6的CCD鏡頭不同位置成像。

進一步地，所述相機6的CCD鏡頭位于透鏡5的后焦面上。

本發(fā)明基于空間光調(diào)制器的裸眼立體顯微成像方法，步驟如下：

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

步驟2，計算機7控制空間光調(diào)制器4：使空間光調(diào)制器4一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，通過光柵改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向；

步驟3，步驟1產(chǎn)生的照明光透過樣品載物臺2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進行放大成像后經(jīng)過空間光調(diào)制器4入射至透鏡5；

步驟4，計算機7驅(qū)動相機6對穿過透鏡5的樣品圖像進行采樣，相機6將采集的樣品圖像輸入3D顯示器8進行顯示；

步驟5，觀察者通過觀看3D顯示器8即可實現(xiàn)對待測試樣品的立體顯微觀看。

步驟3所述空間光調(diào)制器4設(shè)置于物鏡3的后焦面上，將物鏡3所成的像分開，從而在相機6的CCD鏡頭不同位置成像。

實施例1

下面結(jié)合附圖詳細介紹該發(fā)明裝置和實現(xiàn)對樣品立體觀看的步驟。

(1)結(jié)合附圖詳細介紹該發(fā)明裝置：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于空間光調(diào)制器的立體顯微成像裝置，包括P4系列LED陣列1、樣品載物臺2、物鏡3、空間光調(diào)制器4、透鏡5、相機6、計算機7和3D顯示器8。其中P4系列LED陣列1安裝于樣品載物臺2下方，距樣品載物臺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。計算機7控制P4系列LED陣列1產(chǎn)生所需半徑R(這里的半徑R指像素點個數(shù))的白色照明光，產(chǎn)生的白色照明光透過樣品載物臺2被物鏡3收集，然后經(jīng)過放大處理成像后被空間光調(diào)制器4分光，再經(jīng)透 鏡5的進一步成像處理，在計算機7的控制下驅(qū)動相機6采圖。計算機7與P4系列LED陣列1、空間光調(diào)制器4和相機6相連，通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對其控制。

P4系列LED陣列1，可以提供紅色、綠色、藍色、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，像素個數(shù)32*32，像素間距4mm)被直接安置在樣品載物臺2下方，其距離載物臺上表面距離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系統(tǒng)的光軸上。每個像素點均可單獨點亮，在P4系列LED單元板上顯示的圓形半徑R、顏色可控、圓心坐標設(shè)定在LED陣列的中央位置，如圖2所示。通過計算機7控制照明光源的半徑R以及顏色，本實施例只用到了白色光?？臻g光調(diào)制器4置于物鏡的后焦面上，可在隨時間變化的電驅(qū)動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態(tài)以及波長。本裝置中，通過計算機編程控制空間光調(diào)制器：使其一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，光柵可以改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向，空間光調(diào)制器設(shè)置于物鏡的后焦面上，將物鏡所成的像分開，從而在相機CCD的不同位置成像，如圖3所示。透鏡5為鏡筒透鏡，實現(xiàn)對所成像的進一步放大以及處理。相機6在計算機7的控制下采集圖像，顯示在3D顯示器上，觀察者通過觀看3D顯示器即可實現(xiàn)對樣品的立體觀看。

(2)實現(xiàn)對該裝置所呈現(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2，計算機7向LED陣列1發(fā)送控制信號，使LED陣列1產(chǎn)生半徑為R的白色圓形照明光，其中R為像素點的個數(shù)；

步驟2，計算機7控制空間光調(diào)制器4：使空間光調(diào)制器4一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，通過光柵改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向；

步驟3，步驟1產(chǎn)生的照明光透過樣品載物臺2被物鏡3收集，物鏡3將收集的照明光進行放大成像后經(jīng)過空間光調(diào)制器4入射至透鏡5；所述空間光調(diào)制器4設(shè)置于物鏡3的后焦面上，將物鏡3所成的像分開，從而在相機6的CCD鏡頭不同位置成像；

步驟4，計算機7驅(qū)動相機6對穿過透鏡5的樣品圖像進行采樣，相機6將采集的樣品圖像輸入3D顯示器8進行顯示；

步驟5，觀察者通過觀看3D顯示器8即可實現(xiàn)對待測試樣品的立體顯微觀看。

本發(fā)明中，通過計算機控制空間光調(diào)制器4：使其一半為光柵結(jié)構(gòu)，一半為不攜帶載頻信息結(jié)構(gòu)，如圖3所示，光柵可以改變透過光的相位信息，從而改變光的傳播方向， 空間光調(diào)制器4設(shè)置于物鏡3的后焦面上，透鏡5為鏡筒透鏡，實現(xiàn)對所成像的進一步放大以及處理。相機6在計算機7的控制下采集圖像，由于空間光調(diào)制器4的調(diào)制作用使得在相機6的CCD鏡頭不同位置拍攝到同一物體的兩幅圖像，如圖4所示。顯示在3D顯示器上，觀察者通過觀看3D顯示器即可實現(xiàn)對樣品的立體觀看。

綜上，本發(fā)明通過在顯微鏡物鏡后焦面上加入空間光調(diào)制器，從而取代傳統(tǒng)立體顯微鏡的雙光路，簡化了系統(tǒng)設(shè)計、降低了成本、提高了成像質(zhì)量；通過采用P4系列LED陣列作為照明光源，實現(xiàn)對顯微鏡焦深的靈活可調(diào)，系統(tǒng)本身自帶光源，受外界干擾較小；通過將相機采集到的圖像傳到3D顯示屏，不需要佩戴3D眼鏡、成像效果好、提升觀察者體驗度，能夠?qū)悠妨Ⅲw結(jié)構(gòu)進行清晰觀看。