СТЕРЕОМИКРОСКОП С ОДНИМ ОБЪЕКТИВОМ
STEREOMICROSCOPE WITH ONE LENS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к стереоскопическим микроскопу. В частности, изобретение относится к узлу для микроскопа, стереоскопическому микроскопу, содержащему этот узел, и способу модернизации микроскопа с использованием этого узла.
Уровень техники
Для облегчения описания уровня техники и настоящего описания ниже определены несколько терминов:
"моно" - (об изображении) кажущееся наблюдателю "плоским" или двумерным, или (об устройстве), создающее моноизображение;
"стерео" - (об изображении) кажущееся наблюдателю имеющим глубину или трехмерным, или (об устройстве) создающее стереоизображение;
монокулярный - просматриваемый только одним глазом;
бинокулярный - просматриваемый обоими глазами.
На фиг. 1 показан обычный составной моноскопический микроскоп (не в масштабе - длина уменьшена для ясности). Этот микроскоп содержит узел 101 объектива (обычно составная линза, состоящая из нескольких сложных линз), имеющий апертурную диафрагму 102. Узел 101 объектива выполнен таким образом, что он формирует изображение объекта 111, скорректированное на бесконечность. Тубусная линза 103 фокусирует свет от узла 101 объектива для получения промежуточного изображения 112 внутри микроскопа. Окуляр 104 увеличивает промежуточное изображение 112, создавая мнимое изображение большего размера. Это мнимое изображение просматривают через выходной зрачок 113, который представляет собой уменьшенное изображение апертурной диафрагмы 102.
Простой бинокулярный стерео микроскоп может быть обеспечен путем, по существу, размещения двух микроскопов фиг. 1 рядом друг с другом и под углом друг к другу для обеспечения параллакса, необходимого для стереоскопичности. Однако, поскольку узлы 101 объективов являются объемными, рабочее расстояние микроскопа (то есть расстояние между узлом 101 объектива и объектом 111) должно быть большим, чтобы обеспечить достаточно места для размещения узлов 101 объективов рядом друг с другом. Разрешение микроскопа имеет обратную корреляцию с апертурой и глубиной поля зрения, поэтому стереомикроскопы с такой структурой не могут обеспечивать такое же полезное увеличение, как монокулярный мономикроскоп.
На фиг. 2 изображен бинокулярный мономикроскоп - то есть микроскоп, формирующий моноизображение, которое можно наблюдать обоими глазами. Узел 201 объектива, апертура 202 и тубусная линза 203 эквивалентны таковым в монокулярном мономикроскопе. В тубусе микроскопа предусмотрен светоделитель 221, разделяющий свет на два пути. Каждый путь содержит окуляр 204 и зеркала 222, выполненные с возможностью направления света к наблюдателю и обеспечения одинаковой длины каждого из путей. На каждом пути создается отдельное промежуточное изображение 212, и каждый путь имеет свой собственный выходной зрачок 214, расположенный таким образом, что наблюдатель может разместить глаз у каждого зрачка для просмотра изображения.
Опыт использования бинокулярного мономикроскопа скорее похож на просмотр фотографии - наблюдатель может видеть изображение обоими глазами, но отсутствует параллакс и поэтому нет никакой информации о глубине, и может быть трудно определить профиль элементов изображения. Таким образом, бинокулярные моносистемы могут быть более удобными для пользователя, но они не воспроизводят преимущества стереосистем в отношении восприятия глубины. Однако, поскольку используется только один узел объектива, апертура и увеличение не ограничены так, как в стереомикроскопах.
Раскрытие сущности изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагается узел для использования в микроскопе, содержащий узел объектива с апертурой. Узел содержит линзу и светоделитель. Линза и светоделитель выполнены с возможностью формирования соответствующего апертурного изображения на каждом из двух оптических путей. Кроме того, узел содержит на каждом оптическом пути диафрагменную структуру. Каждая диафрагменная структура расположена на плоскости соответствующего апертурного изображения так, чтобы перекрывать часть соответствующего апертурного изображения для обеспечения выходного зрачка, таким образом, что стереоскопическое изображение объекта, просматриваемого через микроскоп, может быть образовано сочетанием изображений объекта, видимых через каждый из выходных зрачков. Узел дополнительно содержит два датчика изображения и цифровой процессор изображений. Каждый датчик изображения выполнен с возможностью захвата изображения, видимого через соответствующий выходной зрачок, и вывода цифрового изображения. Цифровой процессор изображения выполнен с возможностью применения коррекции к соответствующему цифровому изображению, выдаваемому каждым датчиком изображения, причем коррекция основана на положении соответствующей диафрагменной структуры.
Согласно дополнительному аспекту изобретения, предложен стереомикроскоп, содержащий узел объектива, содержащий апертуру и узел в соответствии с первым аспектом.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ модернизации микроскопа. Способ включает в себя удаление окуляра микроскопа; и размещение узла в соответствии с первым аспектом таким образом, чтобы линза находилась в положении, из которого удален окуляр.
Дополнительные варианты осуществления представлены в пункте 2 и последующих пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию монокулярного мономикроскопа;
Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию бинокулярного мономикроскопа;
Фиг. 3А представляет собой схематическую иллюстрацию стереомикроскопа с разделенной апертурой;
Фиг. 3В представляет собой схематичный вид спереди разделенной апертуры по фиг. 3;
На фиг. 4А и 4В показаны пути лучей через узел объектива и апертура микроскопа, показанного на фиг. 3;
Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию стереомикроскопа;
На фиг. 6А-6С показаны несколько возможных вариантов формы диафрагменной структуры в микроскопе, показанном на фиг. 5;
Фиг. 7А-7С иллюстрируют влияние различных положений диафрагменной структуры в микроскопе, показанном на фиг. 5;
Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию подвижной диафрагменной структуры;
Фиг. 9 представляет собой схематическую иллюстрацию стереоскопического просмотрового аппарата;
Фиг. 10 представляет собой схематическую иллюстрацию системы микроскопа.
Осуществление изобретения
Для получения стереоизображения микроскоп должен обеспечивать изображение для каждого глаза с разных ракурсов (под углом, имитирующим нормальное стереоскопическое зрение). В известных конструкциях это сделано путем обеспечения отдельных узлов объективов, каждый из которых обеспечивает отдельное изображение, по одному для каждого глаза пользователя. Это приводит к уменьшению увеличения, доступного стереомикроскопам по сравнению с мономикроскопами. Альтернативный способ обеспечения различных ракурсов показан на фиг. 3А. Узел 301 объектива содержит апертурную диафрагму 302, которая показана на фиг. 3В. Апертурная диафрагма 302 разделена на две отдельные апертуры 311 и 312. Свет из каждой апертуры 311, 312 направляют через отдельную оптику 303 к окулярам (не показаны).
На фиг. 4А и В показаны пути лучей через каждую из апертур 311 и 312 соответственно. Как видно, ракурс каждой из апертур отличается, поэтому результирующие изображения из каждой апертуры могут быть направлены в разные глаза наблюдателя так, что они воспринимаются как стереоизображение.
Тем не менее, наличие разделенной апертуры создает несколько проблем. Во-первых, сама апертура является небольшой и обычно встроена в узел объектива, и поэтому технология изготовления такой апертуры является сложной. Во-вторых, каждая из апертур 311 и 312 меньше, чем одна апертура 102. В результате разрешение микроскопа ниже, чем может быть достигнуто с одной апертурой (хотя достигаемое разрешение все еще больше, чем для стереомикроскопа с двумя объективами), а также по сравнению с одним апертурой происходит некоторое затемнение и дисторсия изображения. Это также приводит к тому, что выходные зрачки меньше, чем они были бы с одной апертурой, что делает такой микроскоп непрактичным для реального использования (поскольку наблюдатель должен держать свою голову крайне неподвижной, чтобы не потерять изображения, а оптические характеристики глаза ухудшаются за счет того, что диафрагма радужной оболочки заполнена не полностью).
Фиг. 5 представляет собой схематическую диаграмму микроскопа, в конструкции которого обеспечены разделенные апертуры. Микроскоп содержит узел 501 объектива, имеющий (одну) апертуру 502 и тубусную линзу 503, предназначенный для создания изображения объекта 530. Микроскоп дополнительно содержит промежуточную линзу 504, светоделитель 505 и зеркала 506. Линза 504, светоделитель 505 и зеркала 506 вместе образуют соответствующие изображения 512а, 512b апертуры 502 (далее упоминаемое как апертурное изображение) на каждом из двух оптических путей 521а, 521b. В плоскости каждого апертурного изображения 512а, 512b предусмотрена соответствующая диафрагменная структура 507а, 507b, таким образом, что каждая диафрагменная структура 507а, 507b перекрывает отличную от другой часть соответствующего апертурного изображения, определяя выходной зрачок 513а, 513b. Линзы 508а, 508b окуляров и датчики 509а, 509b изображения расположены таким образом, что датчики изображения захватывают действительное изображение объекта 520 через каждый из выходных зрачков 513а, 513b. На практике за апертурными изображениями требуется дополнительная оптика (не показана) для получения действительных изображений 531а, 531b объекта за выходными зрачками 513а, 513b, которые затем просматривают через окуляры 508а, 508b. Диафрагменные структуры 507а, 507b располагают таким образом, что соответствующие изображения, захваченные датчиками 509а, 509b изображения, могут быть отображены на стереоскопическом просмотровом аппарате в качестве стереоизображения объекта, то есть при этом один датчик изображения обеспечивает вид для левого глаза, а другой обеспечивает вид для правого глаза, благодаря расположению соответствующих диафрагменных структур.
Апертурное изображение 512а, 512b больше размера самой апертуры, и каждая диафрагменная структура должна обеспечивать только один из ракурсов. Поэтому диафрагменные структуры могут быть изготовлены гораздо проще, чем разделенная апертура, как показанное на фиг. 4, хотя и также обладают возможностью обеспечения стереоизображения.
Диафрагменная структура 507а, 507b может иметь любую подходящую форму. Несколько возможных вариантов показаны на фиг. 6А-6С. Например, диафрагменная структура 507а, 507b может иметь апертуру, которая определяет выходной зрачок (61), или может быть "шторкой", которая перекрывает только одну сторону апертурного изображения 512а, 512b с прямым (62) или изогнутым (63) краем. Для обеспечения полного, чистого стереоизображения диафрагменные структуры 507а, 507b должны быть расположены так, чтобы выходной зрачок для каждого глаза соответствовал части апертуры, которая не находится в другом выходном зрачке. Менее выраженный стереофонический эффект достигается, если выходные зрачки немного перекрывают друг друга (т. е. каждый содержит часть апертуры, которая находится в другом выходном зрачке, и часть, которая не находится в другом выходном зрачке). Если выходные зрачки полностью перекрывают друг друга, результатом является бинокулярное моноизображение.
Фиг. 7А, 7В и 7С иллюстрируют влияние различных положений диафрагменной структуры для диафрагменных структур типа "шторка". Те же принципы справедливы и для других форм диафрагменной структуры. В верхней части каждой фигуры показаны апертурные изображения и диафрагменные структуры, средняя часть показывает результирующие выходные зрачки (наложенные друг на друга таким образом, чтобы были видны различия), а нижняя часть показывает представление степени стереоскопии (насколько это можно представить в двумерной среде). Как видно на фиг. 7А, если нет диафрагменной структуры 507а, 507b, перекрывающей апертурные изображения 512а, 512b, выходные зрачки 513а, 513b для каждого глаза точно соответствуют друг другу, и в результате получается бинокулярное моноизображение 71. Это также может иметь место для диафрагменных структур, содержащих симметричную апертуру, расположенную таким образом, что выходные зрачки соответствуют точно друг другу. Как показано на фиг. 7С, если каждая диафрагменная структура 507а, 507b частично перекрывает соответствующие апертурные изображения 512а, 512b так, что выходные зрачки 513а, 513b являются полностью отдельными областями апертуры, получается полное стереоизображение 73. Как показано на фиг. 7В, если каждая диафрагменная структура 507а, 507b перекрывает отдельную часть каждого апертурного изображения 512а, 512b так, что выходные зрачки 512а, 513b являются перекрывающимися областями апертуры, но имеется часть каждого выходного зрачка, не соответствующая части другого выходного зрачка, то получается менее выраженное стереоизображение 72.
Разрешение изображения зависит от размеров эффективного отверстия, образованного апертурой 502 и диафрагменной структурой 507а, 507b (т.е. отверстия, которое при расположении у апертуры 502 образует выходной зрачок 513а, 513b), при этом разрешение тем ниже, чем меньше эффективное отверстие (хотя точное значение зависит от формы эффективного отверстия). Таким образом, позиционирование диафрагменной структуры 507а, 507b обусловлено компромиссом между разрешением и стереоскопическим эффектом.
Другие влияния диафрагменных структур на получаемые стереоизображения могут быть скомпенсированы перед отображением изображений. На фигуре 10 показана схематическая иллюстрация микроскопа 1001. Микроскоп 1001 содержит диафрагменные структуры 1011 и датчики 1012 изображения, как описано выше. Кроме того, микроскоп содержит цифровой процессор 1013 изображений, который принимает выходные данные 1021 датчиков 1012 изображения и выходные данные 1023 системы управления диафрагменными структурами, и корректирует их для компенсации нежелательных изменений изображения, возникающих в результате регулировок диафрагменных структур 1011, причем корректировки выполняются на основе формы и положения 1023 диафрагменных структур. Затем цифровой процессор изображения выдает скорректированное изображение в качестве выходных данных 1022 микроскопа (например, на стереоскопический дисплей).
Например, в зависимости от положения диафрагменных структур 1011 изменяется интенсивность изображения. Это происходит как из-за различных долей перекрытой площади апертуры 502, так и из-за изменений интенсивности при прохождении через апертуру 502 (то есть, изменения интенсивности имеют место даже для таких структур, как показаны на фиг.6А, которые всегда перекрывают одну и ту же часть площади апертуры). Интенсивность зависит как от положения, так и от формы диафрагменных структур.
Профиль интенсивности апертуры 502 является функцией, описывающей влияние каждой точки апертуры на интенсивность окончательного изображения. Уменьшение интенсивности, обусловленное диафрагменными структурами, может быть определено сравнением интеграла этого профиля интенсивности по эффективному отверстию, образованному каждой диафрагменной структурой, с интегралом профиля интенсивности по всей апертуре 502. Тогда цифровой процессор изображения может корректировать яркость выходных данных каждого датчика изображения для обеспечения видимой постоянности интенсивности для пользователя при изменении положений диафрагменных структур.
Изменение интенсивности также зависит от формы диафрагменных структур. Микроскоп может быть снабжен множеством различных наборов диафрагменных структур, из которых выбирают используемые в определенный момент диафрагменные структуры. Цифровой процессор изображений должен быть выполнен с возможностью применения различных соотношений между положением диафрагменной структуры и корректировкой яркости изображения для каждого набора диафрагменных структур. Набор диафрагменных структур может быть идентифицирован пользователем в программном обеспечении цифрового процессора изображений, или может происходить автоматическая идентификация при установке диафрагменных структур в микроскоп (например, могут быть предусмотрены оптические или электронные идентификаторы на диафрагменных структурах, которые взаимодействуют с датчиками на микроскопе, или другие подходящие средства). Если микроскоп предназначен для работы только с одним типом диафрагменных структур, цифровому процессору изображения необходима только одна взаимосвязь между положением диафрагменной структуры и яркостью изображения.
Подобным образом, окклюзия различных областей апертуры 502 влияет на дисторсию изображения (из-за аберраций линз и других оптических эффектов). Эта дисторсия также может быть скорректирована цифровым процессором изображений, причем параметры используемого преобразования зависят от формы и положения диафрагменных структуры.
Взаимосвязь между положением диафрагменной структуры (и формой, если может быть использовано множество наборов диафрагменных структур) и требуемая обработка цифрового изображения могут быть предварительно заданы, например, с помощью справочной таблицы, запрограммированной в процессоре цифрового изображения, или могут быть вычислены в процессе работы по известным параметрам. Справочная таблица или заданная функция могут быть получены посредством этапа калибровки, например, измерения интенсивности, дисторсии изображения или других свойств для диапазона положений диафрагменных структур и использования этих данных (с подходящей интерполяцией) для вычисления справочной таблицы.
Диафрагменная структура может быть регулируемой для того, чтобы пользователь мог переходить от моноскопического к стереоскопическому представлению и управлять степенью стереоскопии. Конструкция, обеспечивающая такую возможность, показана на фиг.8. Каждая диафрагменная структура включает в себя подвижную шторку 801, которая может быть введена в оптический путь управляемым образом так, чтобы перекрывать изменяемую долю апертурного изображения 512а, 512b. Оптический путь для другого изображения имеет эквивалентную систему, и шторки соединены таким образом, что каждая из них перекрывает одну и ту же долю соответствующего апертурного изображения 512а, 512b. Подвижные шторки 801 могут быть переведены из положения, в котором каждая из них не перекрывает апертурное изображение (в результате чего получается бинокулярное моноскопическое изображение) к положению, в котором выходные зрачки являются неперекрывающимися частями апертурного изображения 512а, 512b (в результате чего получается чисто стереоскопическое изображение). Подвижные шторки 801 выполнены с возможностью перемещения таким образом, что каждая из них перекрывает часть соответствующего апертурного изображения 512а, 512b на противоположных сторонах соответствующего изображения.
Конструкция на фиг. 8 обеспечивает возможность непрерывного и постепенного перехода между стереоскопическими и бинокулярными моноскопическими режимами микроскопа, без препятствий наблюдению изображения наблюдателем. При использовании этого устройства было неожиданно обнаружено, что при плавном переходе от стереоизображения к моноизображению с более высоким разрешением пользователь испытывает ощущение глубины у моноизображения, которое не присутствует, если моноизображение просматривают без такого перехода. Это означает, что описанная выше система позволяет сохранить значительную часть преимуществ стереоскопического изображения, при обеспечении более высокого разрешения, характерного для моноскопического изображения.
Из приведенного выше описания можно отметить, что структура однообъективного стереомикроскопа от узла 501 объектива до линзы 504, не включительно, является такой же, как и у обычного мономикроскопа от узла 101 объектива, до окуляра 104, не включительно. Головка и окуляр многих коммерчески доступных микроскопов являются съемными, и, следовательно, существующий мономикроскоп (бинокулярный или монокулярный) может быть модернизирован с оснащением системой, содержащей линзу 504, светоделитель 505, зеркала 506 и диафрагменные структуры 507а, 507b, причем система выполнена с возможностью крепления вместо головки и окуляра мономикроскопа таким образом, что линза 504 находится на пути света микроскопа - то есть, на пути прохождения света от объекта через микроскоп. В исходном мономикроскопе могут быть применены или не применены оптические коррекции, например, кривизны поля, хроматических аберраций и так далее, с использованием окуляра, соответственно, для модернизации микроскопов, где эти коррекции применяются, линза 504 и/или окуляры 508а, 508b могут быть выполнены с возможностью применения эквивалентных коррекций.
Датчиками изображения могут быть датчики на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью, от англ. CCD, charge-coupled device) или другие датчики изображения. Дополнительное преимущество использования датчиков изображения заключается в том, что для их обозрения нет необходимости в точном совмещении выходных зрачков с левым и правым глазами наблюдателя, что обеспечивает упрощение конструкции микроскопа.
Один из примеров стереоскопического дисплея описан в заявке GB 2524609 и показан на фиг. 9. Дисплей содержит два проектора 20а и 20b, которые отображают изображения для левого и правого глаза соответственно. Каждый проектор содержит дисплей 21 и оптическое устройство 25 (содержащее одну или более линзу 29 и/или одно или более зеркало 31) для обеспечения сфокусированных изображений как для левого, так и для правого глаза на зеркале 35. Зеркало 35 отражает выходные зрачки проекторов на плоскость наблюдения (от англ. VP, viewing plane) для просмотра наблюдателем, в качестве варианта, через обзорную линзу 37. Другие оптические компоненты, кроме зеркала 35 и обзорной линзы 37, могут быть расположены вне линии прямой видимости наблюдателя, для обеспечения ощущений просмотра без каких-либо помех.
К другим примерам стереоскопических дисплеев относятся гарнитуры "виртуальной реальности", трехмерные дисплеи с активными очками (т.е. очками, которые синхронизированы с частотой обновления телевизора и поочередно перекрывают изображение для каждого глаза), и трехмерные дисплеи с пассивными очками (например, дисплеи, которые представляют обеспечивают представление изображений для левого глаза и правого глаза с различной поляризацией и используются с очками, имеющими соответствующий поляризационный фильтр для каждого глаза).
Преимущество использования датчика изображения, соединенного со стереоскопическим дисплеем, по сравнению с непосредственным наблюдением пользователем микроскопа через выходные зрачки, заключается в том, что размер выходных зрачков, доступных для наблюдателя, не ограничен оптикой микроскопа и не ограничен диафрагменными структурами 507а, 507b. Выходные зрачки большего размера обеспечивают более комфортный просмотр. Это объясняется тем, что, если выходные зрачки малы, пользователь должен держать голову в определенном положении, чтобы видеть стереоизображение. Если выходные зрачки меньше определенного размера, что вероятно в случае использования диафрагменных структур, пользователю может быть трудно вообще увидеть изображение, так как человеческий глаз функционирует не слишком хорошо, когда выходной зрачок меньше, чем зрачок глаза. Фактически, при использовании оптических систем, типичных для большинства существующих микроскопов, выходной зрачок уже меньше, чем входной зрачок глаза пользователя, что ограничивает разрешающую способность и приводит к тому, что любая неоднородность в глазу (например, плавающие помутнения) оказывает значительно большее влияние на зрительное восприятие пользователя.
Следует понимать, что приведенное выше описание дано только в качестве примера, и возможны вариации, в то же время не отходящие от принципа изобретения. Также следует понимать, что конкретные признаки не зависят друг от друга, если не указано иное.