自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用

视网膜光学相干层析（OCT）技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。     

光学元件表面疵病标准板系统设计

为解决大口径光学元件表面疵病检测设备的精确测量、校准和溯源问题。设计了用于标定表面疵病检测系统的标准板,通过电子束曝光将定标图案转移至掩模板,再采用反应离子束刻蚀的方法制作标准板。通过扫描电镜测量标准板上各标准线的真实线宽尺寸,并以扫描电镜测量结果为参考值标定大口径表面疵病检测系统。利用所设计的标准板标定基于散射成像法的大口径表面疵病检测系统。结果表明,当疵病线宽尺寸大于45 μm时,疵病的散射像满足几何成像原理,当疵病宽度尺寸小于45 μm时,需按标定结果进行计算。     

基于泰伯-莫尔干涉技术的焦距测量系统校准技术研究

研制了一套用于测量超长焦距的泰伯-莫尔干涉仪,并设计了一套校准设备和方法对泰伯-莫尔干涉仪的测量不确定度进行评定,核准焦距范围达100 m。校准设备包括了一套焦距发生器和激光光源,利用经过计量的标准透镜和实验对焦距发生器进行标定、测量和量值溯源。通过实验结果分析和计算,可知该校准技术具有良好的测量不确定度,能够对基于泰伯-莫尔方法的焦距测量系统进行精确校准。     

便携式免散瞳眼底相机光学系统设计

设计了一种便携式免散瞳眼底相机光学系统,达到了全视场300万像素的高清眼底成像。在考虑人眼生理特征和光学特性的基础上,引入Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟被测屈光度正常的人眼,用Schematic眼模型来检验屈光度异常人眼对成像光路的影响。在成像系统中,首先采用接目物镜会聚从人眼视网膜反射出瞳孔的光线,然后再由成像物镜将视网膜的像成像到CCD上。在照明系统中,为避免角膜中心区域产生杂散光,采用环形光阑和共轴照明相结合的照明方式给眼底照明。仿真结果表明:该系统视场角为30,成像分辨率高于120 lp/mm,场曲值小于0.12 mm,畸变仅为-1.2%,全视场色差值均在艾里斑之内,且该光学系统具有较大的调焦能力,对-10 D~+10 D的人眼普遍适用。所用的光学元件均为普通的球面玻璃,便于加工制造且能有效降低实际的制作成本。     

可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法

针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程（MOR）定义等问题，提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法，确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构，优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%，发散角为1.48°；光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°～50°，散射角度分辨率为1°，周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法，利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差，其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大，为2.28%。据此，基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明：标准朗伯散射体散射角度20°～50°所表征的MOR量值范围为6.54～45.74 m，符合世界气象组织对MOR的定义，最大绝对误差为-2.41 m，优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10，为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。     

复合型高深宽比沟槽标准样板

硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构,对这些结构进行线宽和深度的无损检测,是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准,采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板,宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm,其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能,设计了多种特征结构,包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等,还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试,结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

一种激光搜跟器的光学设计

为提高激光搜跟器对地目标的搜索范围和成像分辨率,提出了一种机载平台下的共孔径激光搜跟器扫搜和跟踪目标的方法,并进行了光学系统的设计。激光搜跟器采用捷联的方式固定于飞行器上,提高了其稳定性;激光的出射和回波的接收,采用共孔径的R-C式反射望远系统实现,缩小了其整体尺寸,并提高了成像分辨率;扫描搜索目标采用双光楔组件实现,并提高了搜索频率和扩大了搜索视场;给出了双光楔旋转角和出射光偏转角之间的关系。设计结果表明,当系统通光孔径为φ300 mm,焦距为2 100 mm时,总体尺寸为685 mm,可扫描搜索视场为±5°,成像视场为±0.08°,成像点弥散斑最大为2.417 μm,系统MTF值在50 lp/mm时大于0.4,满足成像要求;当目标距离为3 km时,可搜索范围达到526 m,可实现对4 m大小目标的成像,成像分辨率为2″。     

基于激光位移传感器圆径测量的角度安装误差研究

基于激光位移传感器的工件圆径和圆度测量被广泛应用于工业现场的产品质量检测过程中。文中研究了激光位移传感器的角度安装误差对工件圆径测量结果的影响,并提出校准方法。首先,将定量分析位移传感器的角度安装误差与计算得到的圆径结果的误差之间的关系。其次,提出了一种位移传感器角度安装误差校准方法,该方法可在标准圆圆径未知的情况下,根据不同位置下的3个位移传感器的测量值,精确计算出传感器的角度安装误差。详细说明了该校准方法的建模过程,通过仿真确认角度安装误差校准方法的有效性。最后,利用三坐标测量仪对角度安装误差进行校准。实验结果表明,校准后的圆径测量误差从20 μm提高到1.5 μm。     

基于双F-P标准具的直接探测测风激光雷达

研制了基于双F-P标准具直接探测的地基测风激光雷达.简要回顾了双边缘直接探测技术,介绍了系统结构与控制.为验证系统测量结果的准确性,研制了多普勒校准仪.在+40 m/s动态范围内的校准实验表明:当累计光子数达到2 000时,测风激光雷达系统对靶盘径向转速测量的标准误差为0.6 m/s.风场观测初步对比实验时,测风激光雷达的测量结果与风廓线测量结果一致.给出了24 h连续大气风场观测的结果:风场观测的垂直分辨率为21.2m,每个径向观测的累积时间1 min,当激光雷达扫描视场内有云层时,测风激光雷达的探测高度可达10 km.     

光纤型光学相干层析技术系统的眼科成像

建立了一套单模光纤型光学相干层析(OCT)成像系统,开展了动物眼睛的成像实验,实现了高信噪比、高分辨率、大成像深度的层析图像的获取.系统纵向分辨率达到9μm,横向分辨率为10μm,最大层析成像深度可达3.4 mm.实验图像和商业蔡氏三代光学相干层析技术成像的对比结果表明,研制的OCT系统已经能展示视网膜的基本分层结构,而且能分辨脉络膜的分层结构和脉络膜血管,后者是蔡氏三代OCT系统所无法实现的.     

基于快速扫描延迟线相位调制的光纤型光学相干层析系统

采用中心波长为840 nm,带宽为50 nm的宽带近红外光源,基于低相干干涉原理和快速扫描延迟线(RSOD)相位调制的外差探测方法,建立了单模光纤型光学相干层析(OCT)成像系统,依此获得自然状态下活体组织的二维纵向截面成像图像。实验结果表明,系统的轴向分辨率为6.7μm,接近理论分辨率,纵向成像范围高达3 mm,横向分辨率为4.7μm;入射到样品的光功率低于300μW,系统探测灵敏度大于88 dB。在保证样品入射光功率相同的情况下,与中心波长为1310 nm,带宽为65 nm的单模光纤型光学相干层析成像系统对含水量高的新鲜橙子果肉的成像结果进行对比,验证了该系统用于眼后段组织成像的优越性,给出了活体动物视网膜的成像结果。     

基于眼底OCT图像识别青光眼病症的算法研究

青光眼是目前常见的眼部疾病之一,具有较强的隐蔽性和突发性。由于光学相干层析成像(OCT)具有无创性、高探测灵敏度等特点,在临床上被广泛用于眼科疾病的诊断,但如何准确、高效地基于OCT眼底图像识别青光眼病症仍然是一个难题。为此提出了一种新的基于眼底OCT图像识别青光眼病症的算法,该算法首先对OCT图像进行直方图均匀化,解决其灰度不均匀的问题,然后再用数学形态学闭操作去除图像中视盘周围血管与神经干扰,之后使用自适应阈值分割和边缘检测canny算法对视盘视杯进行边界追踪,最后统计特征区域内像素个数获取CDR参数。通过实验将本方法应用于成人OCT眼底图上,结果显示本方法提取出的CDR参数与专家手绘CDR参数相比平均相似率在94.9%以上,可以作为临床诊断的定量分析工具。     

基于LED照明的时域全场OCT成像系统设计

为了进一步降低成本并提高成像的速度与精度,提出了一种基于发光二极管(LED)照明的全场时域光学相干层析成像技术(OCT)系统。用LED作光源、采用带反馈的闭环四步移相法采集信号,阐述了其成像原理,并进行了系统结构研究、理论分析和实验验证。结果表明,系统的相干长度为23μm,轴向分辨率达到了11.8μm,横向分辨率为19.8μm,单幅图的采集时间为2.15 ms;与以往的OCT扫描方式相比,该方法减小了实现成本,并具有更快的扫描速率以及更高的精度,有着很大的使用价值。该研究为开发超高速、高精度的低成本OCT系统提供了参考。     

基于ardunio的3D打印控制系统设计

3D打印技术给社会生产生活带来很多便利,但目前市面上销售的3D打印设备造价昂贵,精度难以控制.基于此,设计开发出一款基于ardunio的3D打印控制系统,并进行硬件电路和软件设计,实现硬件各模块的高耦合性.所设计的3D打印控制系统能够实现精度达标、价格低廉、设备小型,具有很好的应用前景.     

Tracking the optic nervehead in OCT video using dual eigenspaces and an adaptive vascular distribution model

Optical coherence tomography (OCT) is a new ophthalmic imaging modality generating cross sectional views of the retina. OCT systems are essentially Michelson interferometers that form images in 1.5 s by directing a superluminescent diode (SLD) beam over the retinal surface. Involuntary eye motions frequently cause incorrect locations to be imaged. This motion may leave no obvious artifacts in the scan data and can easily go undetected. For glaucoma monitoring especially, knowing the measurement path, typically a circle concentric with the nerve head, is crucial. The commercially available OCT system displays a near-infrared video of the retina showing the SLD beam. This paper presents a prototype system to detect the nerve head and SLD beam in the video, and report the true scan path relative to the nerve head. Low image contrast and limited resolution make the reliable detection of retinal features difficult. In an adaptive model construction phase, the system directly detects retinal vasculature and the nerve head and incrementally builds a model of the current subject's vascular pattern relative to the optic disk. The nerve head identification is multitiered, using a novel dual eigenspace technique and a geometric comparison of detected vessel positions and nerve head hypotheses. In its operational phase, a correspondence is achieved between the currently detected vasculature and the model. Using subjects not included in training, the system located the optic nerve head to within 5 pixels (0.07 optic disk diameters, an error well below clinical significance) in 99.75% of 2800 video fields. In current clinical practice, motions as large as 1-2 disc diameters may go undetected, so this is a vast improvement.     

应用于珍珠检测的光学相干层析技术

珍珠质的内部微观分辨和测量是珍珠产业发展和学术研究的核心难题.光学相干层析(OCT)高清晰深度分辨技术通过探测珍珠质的光学反射散射特性,提供了研究其结构形态和分布规律的新途径.阐述了对珍珠质进行成像扫描的原理和实验装置,以光纤迈克尔逊干涉仪为主体,利用中心波长1310 nm的宽带光源和傅里叶域光学延迟线实现了扫描速度1 frame/s,纵向分辨率15μm,成像深度3 mm的光学相干层析成像系统.实验结果验证了光学相干层析检测方法适用于珍珠质的定量检测和定性分辨的可行性,初步的报道包括珍珠质层和珠核贝壳层的分辨鉴别,珍珠质层平均测量误差在20μm以内,珍珠质内部各种反常生长分布信息也清晰可见.     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

光学相干层析系统的信噪比分析及优化

为提高光学相干层析(OCT)系统的信噪比(SNR),改进系统的探测灵敏度,保证系统的成像质量,从理论上详细分析了光学相干层析成像系统中的主要噪声源,建立了系统噪声的理论模型,分析了光学相干层析成像系统中的各个组成单元对系统信噪比的影响.建立了一套实用型的光学相干层析成像系统,对该探测系统中的噪声进行了测量,得到系统噪声的实验模型.然后对理论分析的结果进行一定的修正,并对实验系统进行优化,得到了16μm的纵向分辨率,-90 dB的探测灵敏度.