显微镜/望远镜的数字图像硬件接口与软件接口设计

　　1　引　言

　　显微镜是一种用来观察微观世界的有效和必备的工具,传统的光学显微镜和望远镜是用眼睛直接观察被观测的物体,观测者的眼睛容易疲劳,无法进行长时间观察。不但观察者的主观差异将影响到观察结果的客观性,而且这样的系统还具有无法保留观测图像(尤其是活体观测)等诸多缺点。

　　为了将观测的图像保存下来,显微摄影应运而生。使用传统相机摄影时,将镜头去除,装在显微镜上,拍摄显微镜下看到的切片,或者使用专门的照相显微镜,有自己的专门片盒,可以拍35mm胶片,也可拍一次成像和4英寸×5英寸页片。传统显微摄影有着和传统相机一样的缺点:拍摄的照片不能立拍即现,照片必须经过冲洗,在做成电子文档时,细节有损失,并且普通相机进行显微摄影技术要求过高、操作复杂等[1]。随着计算机技术以及信息处理技术的发展,特别是随着网络技术的发展,不但可以应用图像传感器采集图像,将输出的视频信号直接输入到计算机上进行显示,图像数据也可以存储为静态和动态的数据资料,而且可以通过INTERNET进行远程多方观测和数据共享。应用图像处理软件还可以完成图像的采集,测量数据的精确处理和分析。

　　目前图像传感器以CCD和CMOS图像传感器为主。其中CMOS图像传感器由于具有体积小、功耗小、价格低廉等优点其应用范围越来越广[2]。

　　2　在显微镜/望远镜中应用CMOS图像传感器的几种实现方式

　　2.1　直接接收

　　这种方式是将CMOS图像传感器直接放在显微镜的物镜像面位置上。这种方式不需要其它的辅助光学系统,实现起来比较容易,结构相对简单易做,成本也相对较低。但由于显微镜物镜标准的像面是Φ18mm,而望远镜物镜的像面更大,故就要使用大尺寸的CMOS图像传感器芯片才能将中间像面上的全部信息采集到。而当前CMOS图像传感器芯片以小型为主,使用较多的是1/4英寸、1/3英寸或1/2英寸的芯片,若使用这些规格的芯片采集图像则会造成信息丢失。

　　2.2　间接接收(目镜后加镜头成像)

　　这种方式是在显微镜或望远镜的目镜后方放置一只数码相机用的镜头,用CMOS图像传感器接收图像,如图1所示。

　　目镜在设计时只校正倍率色差、彗差和像散,而不考虑位置色差和球差[3]。这样,经过目镜后方的光学系统成像时,会使目镜的残余像差被放大,从而使整个系统的成像质量下降。而且以人眼直接观察时,人眼能在近点和远点之间自行调节,从而加大系统的景深。由于传统的目镜在设计时就已经考虑了人眼的调节范围来校正像面弯曲,因此不同倍率的目镜,场曲各不相同。如果此时图像通过不具备自行调节能力的镜头成像于CMOS图像传感器,不同倍率目镜像差之间的差异势必会影响整个系统的性能。这种实现方式虽然成像质量不太理想,但可以在目镜不方便拆卸的仪器中使用。