微观平面物体的三维成像技术

　　0　引　言

　　显微镜在微观物体的观察中起着重要的作用[1-2]。但是在特殊的场合,需要对显微镜进行改进,打破传统显微镜的局限来满足特殊的使用要求[3]。但对于特殊物体,包括有毒等特殊性质物体和非正常存在环境的物体等无法放置在载物台上进行直接观察,需要对传统显微镜进行改进以满足特殊要求的需要[4]。为了实现对特殊物体的观察,可以将物体先进行二维成像,再利用改进的三维成像显微镜进行观察。本文介绍了三维显微成像的设计原理,给出了设计结果,并对结果进行了分析。

　　1　系统设计原理

　　偏振器件能够改变物体发出光线的偏振方向,立体电影等技术中通常采用偏振技术来实现对平面物体的三维成像。本文利用偏振技术的特殊作用,结合传统的显微成像技术,设计了一套显微三维成像系统,系统原理如图1所示。

　　系统采用的是双目显微镜,图中标号为1和2的分别为适应于双眼不同视角的平面物体。在平面物体1和2的前方分别放置偏振片,偏振片的作用是使平面物体发出的光成为偏振光,两个偏振片的偏振方向互相垂直。在人眼的前方分别放置偏振片,偏振方向互相垂直,且与同侧的平面物体前偏振片的偏振方向相同。此种安排使得平面物体1发出的光线只能进入左眼,而不进入右眼,同理物体2发出的光线只进入右眼,两束光线不发生干扰。物体1经半反半透镜成像在1′处,物体2经半反半透镜成像在位置2′处,两束光线在空间相遇,利用人眼的双眼视差在空间形成三维像。

　　2　系统设计结果

　　显微成像系统是实现微观平面物体的三维成像的设计重点。由于系统结构的特殊之处在显微系统设计中做了如下改进:

　　(1)该系统中两次使用偏振片,使得进入人眼的光通量降低,为了保证满足人眼观察的光照度,需要在系统中使用照明系统,因此需要设计结构简单、照度均匀的照明系统;

　　(2)由于照明系统、半反半透镜等器件的安装,使得显微成像系统的前工作距离要求至少大于50 mm;

　　(3)减少了透镜个数,降低光能量的吸收,提高成像质量。

　　2.1　显微系统设计

　　显微系统的性能参数为:工作波段为350~760 nm,放大倍率为100,共轭距195 mm(标准),视觉放大倍率250。设计并优化后系统结构见图2。

　　该显微成像系统物镜共包括6片透镜,目镜共包括2片透镜,设计后系统的前工作距离为56 mm,满足设计要求。该系统具有较高的成像质量,系统的光学传递函数见图3。图3给出了系统在不同视场以及衍射限光学传递函数曲线,给出系统在5 lp/mm的光学传递函数值为0.15,通过计算得到空间分辨率为0.004 mm。利用瑞利判据计算系统的空间分辨率为0.004 6 mm,经过比较,系统的成像质量高于瑞利判据的要求。