人眼大视场波前像差特性研究

应用改进的Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪,测量了5只5.2 mm瞳孔的正常眼,向鼻侧和颞侧两个水平方向50°视场角Zernike第二级到第十级的波前像差. 视场角从鼻侧和颞侧两个水平方向从0°增大到50°时,Zernike第三级波前像差的rms值平均增大2倍;Zernike第四级波前像差的rms值平均增大1.8倍;Zernike第五级到第十级波前像差的rms值平均增大1.7~1.3倍.     

泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响

基于两个人眼光学质量客观评价标准同心相对瞳孔平面(PFWc)和区域调制传递函数(Marea MTF),研究和分析了波前像差均方根值WRMS处于0.05~1.00μm较大范围内泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响。分析结果表明,泽尼克各项在WRMS一定时,瞳孔中心区域的光学质量差距明显,离焦(C4)和球差(C12)项的MPFWc值最小,而五叶草(C15、C20)项的MPFWc值最大。五叶草项在WRMS值处于0.05~1.00μm的范围内,其Marea MTF值均大于0.94,表明该像差项对光学质量的影响可以忽略。MPFWc值和Marea MTF值随着WRMS值的增大而减小,但不是简单的线性关系,随着WRMS值的增大,它们的变化趋于平缓。各项泽尼克像差对人眼光学质量的影响存在较大差别,对人眼光学质量的影响从大到小依次为:球差、离焦、散光、彗差、三叶草、四叶草、五叶草等。     

矫正器平移和旋转对人眼高阶像差矫正的容限分析

人眼像差矫正器的位置变化对矫正人眼像差能力的容限分析有重要的意义.在基于哈特曼-夏克人眼像差仪对三只人眼像差准确测量的基础上,比较了人眼高阶像差矫正器与人眼低阶像差矫正器矫正效果的不同,从理论上计算了在平移和旋转下高阶像差矫止器矫正效果优于低阶像差矫正器的移动容限.三组被测试像差对旋转的容限均在20°左右,而对平移的容限差异较大.结果表明,位置变化对不同的像差有着不同的影响,人眼波前像差越大对位置变化越敏感,高阶矫正优势越不明显;高阶像差矫正对不同类型的位置变化有不同的容限度.其中平移的容限较小而旋转的容限较大.     

基于个体眼光学结构的角膜与晶状体的像差补偿

研究角膜对晶状体波前像差的影响对现行的个性化视觉矫正手术有-定的参考价值.运用光学设计软件Zemax,根据个体人眼的角膜地形图、眼内各部分轴向间距和全眼波前像差数据,为22只人眼构建了个体眼光学结构.基于个体眼光学结构和衍射光学理论计算了眼内、外不同位置处的波前,获得了角膜对晶状体波前像差的影响.结果表明,角膜和品状体像差存在补偿和叠加两种关系.大多数眼睛,角膜对晶状体像差有一定补偿作用.总体像散的均方根(RMS)值比品状体像散的RMS值减小0.08～1.48μm,相当于10.1%～77.5%.总体高阶像差的RMS值比晶状体高阶像差的RMS值减小了0.06～0.85 μm,相当于3.8%～79.4%,平均减小了50.7%.其中,球差和彗差的Zernike系数绝对值总体比晶状体分别减小了0.02～0.60μm和0.01～0.39μm,相当于4.3%～98.4%和2.5%～91.4%.     

人眼的高级像差对视功能的影响

准确测量和分析人眼的高级像差有助于更好地改善视觉,具有重要的实验和临床意义。测量了实际人眼的波前像差,分析了高级像差对人眼视功能的影响。像差数据由哈特曼-夏克（Hartmann-Shack）波前传感器分别对不同瞳孔的人眼进行测量而获得,视功能的评价方法采用了调制传递函数（MTF）、对比敏感度函数（CSF）、斯特雷尔（Strehl）比率。由人眼的波前像差数据和视网膜空间像调制度（AIM）曲线直接给出了视锐度值与对比敏感度值。矫正了离焦与像散后．被测者的平均视锐度值达到了1．0,对比敏感度在低频（20c／mm）处约为52,高频（80c／mm）处约为1;矫正了前4阶像差后,平均视锐度值可提高到1．2,对比敏感度在低频（20c／mm）处提高到96,高频（80c／mm）处提高到7。实际人眼各不相同,达到理想成像需矫正高级像差的阶数也不同。矫正了前九阶像差后,均可达到理想成像,斯特雷尔比率值大于0．8。     

高频采样下人眼波像差特性研究

为提高自适应光学人眼波像差校正和视网膜成像效果,研究了人眼动态波像差的特性。利用采样频率为300Hz、曝光时间为3ms的哈特曼传感器,搭建波像差探测系统。误差分析和模拟人眼实验表明,该系统对动态波像差的测量误差均方根(RMS)均值仅为0.01λ。人眼波像差探测结果表明,人眼存在150Hz以上的波像差,可能对自适应波像差校正造成影响。这种影响可通过延长探测和成像曝光时间的方法来抑制。为了达到衍射极限,对于稳定盯视状态下的人眼,3ms探测曝光、探测校正周期不超过45ms的自适应系统,其校正残差均方根在λ/14以下;当曝光时间增加到6ms时,该周期可放宽至62ms。研究了倾斜像差的波动对成像的影响,确定了高分辨率人眼眼底成像中,成像曝光时间最长不能超过9ms。上述结果表明,将自适应光学视网膜成像的探测曝光与成像曝光时间均定在6ms左右,可获得更好的校正和成像效果。     

微机械薄膜变形镜在人眼像差校正中的波前控制算法研究

借助影响函数矩阵,分析了变形镜拟合波前像差的性能。提出了一种滤除高阶像差模式影响的波前控制算法,弥补了最速下降法无法通过模式选择优化校正过程的缺点,提高了变形镜的校正能力。对人眼出射的畸变波前进行实验,结果表明,经过6次迭代以后,波前的均方根值(RMS)达到衍射极限,系统闭环校正频率为15 Hz。说明基于该控制算法的微机械薄膜变形镜自适应光学系统能够实时校正动态人眼像差,为搭建小型化、低成本的人眼波前像差校正系统提供了算法支持。     

人眼像差校正仪视网膜动态稳像研究

针对人眼无意识的抖动导致图像位置在眼底成像设备上无规律变化而无法有效观察指定区域的问题,提出了一种视网膜图像实时动态稳像算法.该算法依据图像匹配理论,在图像探测的同时引入图像有效区域实时“计算-移位”.利用时间上相邻的视频序列图像近似对应于眼底同一位置的特点,通过“采集-运算”找到当前采集图像的中心区域.把当前图像的中心区域与第一帧采集图像的中心区域进行相关匹配,获取当前视网膜图像相对第一帧图像抖动的偏移方向和偏移量,然后把当前图像移位,循环执行此过程,并剔除无法匹配的图像,使得屏幕上的图像始终是在同一个位置的静态图像.实验证明：本文提出的算法解决了自适应眼底成像设备在对视网膜细胞观测时因为人眼自然抖动而造成的图像不稳定问题;解决了人眼在可见光波段的激光照明下受到较强刺激而无法长时观测的问题,实现了细胞和微血管同平台同算法观测;是采用拼接技术实现大视场图像的前提.     

波像差的梯度偏离值评价方法

针对成像光学系统的波像差检测,提出波像差梯度偏离值评价方法,用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值,相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关,其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明,成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好,分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况,可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标,进行波前质量控制.     

人眼波前像差的动态特性研究

人眼波前像差随时间涨落会引起人眼光学性能和视觉功能的改变.采用改进的HartmannShack波前传感器人眼像差仪对10只屈光度为0D~-5.0D、直径为3mm和6mm的人眼瞳孔的波前像差进行测量,其中每只人眼在5s内连续测量125次,测量频率为25Hz.为确定测量过程中是否引入人为像差,对人造眼3mm和6mm瞳孔的动态波前像差进行测量比对.结果表明:所测量的10只人眼3mm和6mm瞳孔总的Zernike波前像差均方根涨落幅度的平均值分别为0.087μm和0.105μm,均大于Marechal衍射极限;Zernike第3阶到第7阶波前像差均方根涨落幅度随像差阶数的递增而下降,涨落幅度为0.06~0.02μm;人眼波前像差的涨落频率达6Hz.     

考虑视轴方向的个性化眼模型的构建

包含更多人眼解剖学特性的个性化眼模型具有重要的实验和临床意义。由角膜地形图计算了8只人眼视轴与光轴之间的夹角,水平分量平均值为4.23°±1.51°,竖直分量平均值为-0.40°±1.27°。根据视轴与光轴之间的夹角、角膜地形数据、眼内各部分轴向间距和人眼波像差,运用光学设计软件Zemax分别为这8只人眼构建了考虑视轴方向的个性化眼模型。在此基础上,计算了波前引导的个性化角膜切削深度,并与光程差方法计算的切削深度进行了比较。在切削光区中心处,两者相差不大,平均值为(0.09±0.04)μm;随着半径增大,两者之间的差值逐渐增大。对于所研究的实例,光区外围处的最大差值为0.59μm。个性化眼模型为设计波前引导的个性化角膜切削方案提供了一个有效工具。     

眼波前像差检测实验研究

根据哈特曼-夏克波前检测理论,设计一个简单的眼波前像差检测系统。本文介绍了其工作原理和实验装置,通过对模拟眼球的波前像差检测,证明该系统可用于实验教学。     

基于大视场人工复眼定位技术

针对大视场目标探测提出了一种基于人工复眼大视场定位方法.通过分析子眼视场角与总视场角之间的关系,并结合多目视觉定位对子眼排布方式的要求,研究了包含多个子眼的人工复眼结构设计方法.通过分析子眼图像与三维空间映射关系,对二维图像进行裁剪并映射于三维立体空间,实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.利用子眼图像坐标、空间三维坐标及系统参数间的关系,建立了空间点多目定位数学模型,并编制目标定位算法.制备了包含19个子眼可实现120°大视场角的样机,通过张正友标定法获得系统参数,并进行目标定位实验.实验结果表明,使用设计的人工复眼大视场成像系统对5.35m处目标进行探测,定位误差为0.19%.     

基于无穷单应的大视场摄像机标定方法

在大视场摄像机标定中,常常会出现由于场景过于单一而很难达到自标定所需要的场景约束和运动约束条件、立体标定所需要的强立体条件或者平面靶板标定所需要的绝对共面条件,如指向高空区域的摄像机标定任务就很难满足上述要求,因而大视场摄像机标定需要较为弹性的标定算法。提出一种基于无穷单应的大视场摄像机标定方法,该方法最少只需要4个非共线控制点和摄像机粗略的位置即可求解无穷单应,并且提出一种坐标变换方法以保证线性求解和优化无穷单应时的稳定性。从无穷单应中分解得到摄像机参数初始值,通过Levenberg-Marquardt(LM)优化算法最终实现摄像机的标定。在优化过程中,通过假设图像中心为主点和采用一阶径向畸变模型,相对增加了优化过程中的剩余自由度,能够实现4个像点为观测值的参数优化。相比于强立体或共面的条件,此方法所需条件很容易满足。仿真和实际实验验证了此方法的正确性和高精度,以及重复测量实验的灵活易实施。     

基于P3近似的空间分辨漫反射研究

光源附近组织的空间分辨漫反射是近年来生物医学光子学领域的一个研究热点,其目的是发展一种能够测定活体生物组织光学参量的新技术。漫射近似理论研究光源附近组织的空间分辨漫反射具有很大局限性。P3近似理论考虑了相函数的三阶矩,能较准确地描述光源附近组织的光辐射分布。研究了基于P3近似的空间分辨漫反射,从输运理论的PN方程组出发,导出了P3近似方程组和P3近似的格林函数解;阐述了漫射近似与P1近似的关系,给出了外推边界条件下,准直光束近似后的P3近似漫反射率的完整表示,讨论了相函数二阶参量对P3近似漫反射的影响,并与漫射近似和蒙特卡罗模拟结果进行了比较,指出了P3近似的应用范围。