一种基于双光源离轴照明的高倍率三维成像显微镜及成像方法，涉及用一片ＣＣＤ采集左右两路图像装置、改变景深的方法、两路图像的采集和分离方法、系统标定方法、目标的三维坐标计算方法。三维成像显微镜主要包括左右对称的两个离轴光源及聚光投影组件、显微物镜和ＣＣＤ。成像方法包括标定显微镜离焦量与双像间距的关系、采集图像、图像处理、目标识别、计算二维坐标和换算成三维坐标。左右图像同步采集方法有双色法和偏振法，异步采集方法有ＬＥＤ切换照明法。可以快速计算物体的三维坐标。将照明光束会聚于显微物镜的入射光瞳上，通过可变光阑限制光束直径，改变景深，保持像面照度基本不变。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学仪器
，涉及实时采集高倍三维显微图像的成像原理、图 像处理和三维坐标计算方法。
技术介绍
在光学仪器领域中，实时采集和显示高倍立体显微图像一直是人类探索微观世界 的难题之一。为了实现对微小物体的高精度、高效率、高可靠性操作，人们专利技术了微操作机 器人。在微操作机器人系统中，反馈三维位置信息的唯一途径是通过显微视觉获得带有三 维位置信息的显微图像，经过图像处理、模式识别、计算，得到目标的三维坐标，由此，对光 学系统即显微镜提出了实时反馈微小目标三维坐标的要求。因此，研制高倍立体显微镜的 难点表现在以下5个方面①高倍显微物镜的工作距离太短，没有用两个显微物镜采集图 像的空间；②传统光学显微镜中必须用大数值孔径的显微物镜才能获得高分辨率，而数值 孔径越大，景深越小，因此，景深范围受分辨率的制约，搜索目标困难；③很多生物医学实验 面向微小细胞操作，体视显微镜的放大倍率和分辨率都不能满足要求；④现有从平面显微 图像提取纵向位置信息的方法计算量大，用于位置反馈时存在滞后，影响控制系统的性能； ⑤共聚焦显微镜采集和重构三维图像无法满足实时性要求。现有获取立体显微图像的仪器或方法有体视显微镜、半孔径立体显微镜、共聚焦 显微镜；从平面显微图像中获取三维位置信息的方法主要有快速傅立叶变换法、图像辨识 法。用以上仪器或方法可以获取立体图像或微小物体的三维位置信息，但是都无法获取高 倍率高分辨率三维视频显微图像，例如“新型体视显微镜”申请号CN90202741. 7，该显微镜从显微物镜开始分成两路 光，为了满足安装空间要求，显微物镜必须有很长的工作距离，所以，体视显微镜中只能使 用低倍显微物镜。“半孔径立体显微镜”程永男，丁秀兰，曹雅琴，半孔径立体显微镜，细胞生物学杂 志，13，2 :95，将显微物镜的孔径光阑分成两个半孔径，通过左半孔径的光束只进入观察者 的右眼，通过右半孔径的光束只进入观察者的左眼。当倍率很高时，由于所用的数值孔径很 大，景深很短，不容易得到很好的立体效果。对于观察者的每只眼睛来讲，显微物镜在左右 方向上的数值孔径减小到原来的一半，分辨本领也降低到原来的一半。“一种微型三维自扫描共焦显微镜”申请号CN200510018429.4，通过针孔光阑 照明，再通过共轭的另一个针孔光阑成像，逐点采集图像，可以重构超高分辨率的立体显微 图像。受扫描周期的限制，目前还无法得到视频图像。“通过显微图像特征抽取获得微操作目标纵向信息”张建勋，薛大庆，卢桂章，李 彬，通过显微图像特征抽取获得微操作目标纵向信息，机器人，2001,23 (1) :73-77，用快速 傅立叶变换处理图像，计算量很大。“基于显微图像处理的微操作工具深度信息提取方法及装置”申请号 CN200510011629.7，通过建立点扩散函数与离焦量的关系获取深度信息，计算一个深度值的时间大约0. 2秒。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是在采集高倍立体显微图像时，解决高倍显微物镜工作距离 短，没有足够空间安装两个显微物镜的问题，提供一种能采集并实时显示高倍视频立体图 像的高倍率立体显微镜，并给出计算物体三维位置信息的方法，为人类观测动态的三维微 观世界提供实用的窗口，也为微操作机器人系统实现高精度的三维机器视觉提供实用的装 置和方法。本专利技术采用双光源照明、单路成像的光学系统，取代体视显微镜中单光源照明、双 光路成像的光学系统。本专利技术提供的基于双光源离轴照明的高倍率三维成像显微镜包括左右两组光源两组光源的光轴分居显微物镜光轴两侧，左右两组光源的光轴与 显微物镜光轴之间的夹角均小于显微物镜的物方孔径角，且三个光轴共面；光源对物体透 射照明；显微物镜左右两组光源产生的照明光束照亮显微物镜的整个视场，并成像在显 微物镜的入瞳面上的两点；双孔可变光阑设置于显微物镜后面，并使成像在显微物镜入瞳面上的两点与双 孔可变光阑中心重合；CXD 安装在显微镜的标准C⑶接口上，用于接收显微物镜所成的像并输送到计算 机的图像采集卡。所述的左右两组光源结构相同，每组光源依次包括一个灯泡或LED光源、两组聚 光镜以及两组聚光镜之间的一个针孔光阑；针孔光阑设置在显微物镜的出瞳平面上，孔径 光阑中心在照明光束光轴与显微物镜出瞳平面的交点上，如图1所示。所述的左右两组光源还可以采用相同结构的单色LED照明，即每组光源依次包括 一个LED光源、一个针孔光阑和一组聚光镜。用本专利技术提供的三维成像显微镜获得物体三维位置信息的成像方法的步骤如 下第1、标定显微镜离焦量与双像间距的关系第1. 1、用十字分划板作为目标，沿纵向即显微物镜光轴方向移动分划板，采集图 像，得到包括聚焦、上下离焦的一组图像对，记录每对图像中十字线在CXD上的中心间隔d 和分划板的纵向坐标z，以左右十字线中心重合d = 0即聚焦时的分划板位置为纵向坐标的 零点，确定纵向坐标随十字线在CCD上的中心间隔变化的关系ζ = f (d)其中d包括十字线中心间隔的大小和方向；依据从左到右的先后顺序规定，若左光源的图像中的十字线先出现，则d > 0，即 所观察到的十字线为经过显微物镜成像在CCD上方的前离焦情况，则左光源照明得到的左 投影图像向左平移，右光源照明得到的右投影图像向右平移，即左投影图像在左，右投影图 像在右，此时定义纵向坐标ζ为正；若右光源的图像中的十字线先出现，则d < 0，即所观察到的十字线为经过显微物镜成像在CCD下方的后离焦情况，则左光源照明得到的左投影图像向右平移，右光源照明 得到的右投影图像向左平移，即左投影图像在右，右投影图像在左，此时对应纵向坐标ζ为 负；第1.2、或者依据上步记录的每对图像中十字线在CXD上的中心间隔d和分划板的 纵向坐标z，拟合离焦量即纵向坐标ζ随十字线在CCD上的中心间隔d变化的曲线；第1. 3、按常规方法标定成像的横向放大倍率β和畸变Q ；第2、采集图像左右两组光源分别采用两种不同颜色的光同时照明，由CCD采集图像，该图像可 以按颜色分离成带视差的左右图像对；第3、图像处理将第2步得到的重叠在一起的两种颜色的图像分离成左右图像对；两幅单色图像 分别校正畸变后构成左右图像对；将两种颜色的图像分别转化为灰度图像，经过去除噪声处理后，根据图像特点计 算灰度阈值，再将图像转化为二值图像；第4、目标识别对图像中特征不同的目标，按照每个目标各自的特征自动识别目标，并确定各目 标图像的边缘；第5、计算二维坐标根据第4步各目标图像的边缘计算各目标上特征点在左右图像中的二维坐标，记左图中目标像在C⑶上的二维坐标为PL(xL, yL)右图中目标像在CXD上的二维坐标为Pe (xE, yE)同一目标按第1. 1步中正负号的规定，记入变量S，即按从左到右的先后顺序排 丨1，当左图中指定目标先出现时 =1-1,当右图中指定目标先出现时；第6、换算成三维坐标用左右图像中目标像二维坐标的平均值除以β计算目标在物空间的xy坐标，即 用左右图像中目标像的平面距离计算目标在物空间的ζ坐标，即z = f(Sx^J(xL -Xr)2+(yL-yR)2)(3)。用本专利技术所述的结构可以改变显微镜搜索目标的性能，该光学系统设置双孔可变 光阑如下第一、通过缩小光阑口径，加大的景深，便于发现目标；第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于双光源离轴照明的高倍率三维成像显微镜，其特征在于该显微镜包括：左右两组光源：两组光源的光轴分居显微物镜光轴两侧，左右两组光源的光轴与显微物镜光轴之间的夹角均小于显微物镜的物方孔径角，且三个光轴共面；光源对物体透射照明；显微物镜：左右两组光源产生的照明光束照亮显微物镜的整个视场，并成像在显微物镜的入瞳面上的两点；双孔可变光阑：设置于显微物镜后面，并使成像在显微物镜入瞳面上的两点与双孔可变光阑中心重合；ＣＣＤ：安装在显微镜的标准ＣＣＤ接口上，用于接收显微物镜所成的像并输送到计算机的图像采集卡。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄大刚，赵新，孙明竹，车秀阁，方勇纯，张蕾，卢桂章，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12
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