基于人眼光学模型的角膜模型的研究

位于眼球最前端的角膜是人眼光学系统的主要屈光元件之一,建立角膜模型具有重要的研究和临床意义。基于角膜面型的非球面特性,应用光学设计软件Zemax,从光学成像角度,提出了结合人眼光学模型的角膜双二次曲面模型的建立,并结合国人正视眼和近视眼的有关实测数据和分析结果,以人眼的波像差为评价函数,通过对初始模型眼的优化,给出了符合我国人眼特点的正视眼和近视眼模型中的角膜模型,讨论了矫正近视的矫正眼模型中的角膜理想模型和可用于角膜屈光手术中的切削模型。基于人眼光学模型的角膜双二次曲面模型也可为波像差引导的个性化角膜切削方案提供一个更适于实际应用的数字化模型。     

个体眼模型的横向色差随外置光阑偏心和视场的变化

为了研究外界因素,如人工光阑偏心和轴外物点所引入人眼横向色差的变化规律,构建了个体眼模型。由角膜地形图计算了8只人眼视轴与光轴的夹角。依据实际测得的角膜地形图数据、人眼波像差、眼轴数据以及计算的视轴与光轴间夹角,运用ZEMAX光学设计软件构建了考虑视轴方向的个体化眼模型。基于这些眼模型,研究了外置人工光阑相对视轴偏移在中心凹附近所引入的横向色差变化规律,讨论了在420～700nm边缘横向色差随入射视场角的变化规律。研究表明,横向色差随人工光阑的偏移量线性增加,增加的速率为5.46～5.95(′)/mm,平均值为5.7(′)/mm,但8只人眼存在一定的个体差异。在鼻侧和颞侧20°视场范围内,8只人眼的横向色差平均以0.36(′)/(°)的速率随视场角增加而增加,不同个体的增长速率有所差别,变化范围为0.32～0.44(′)/(°)。另外,横向色差在长波段的变化要比短波段处缓慢。由于横向色差随外置光阑偏移和视场有较大的增长,因此,在视网膜成像系统和现代头盔系统的设计中应当考虑横向色差的影响。     

基于个性化眼模型的人眼调焦特性研究

运用光学设计软件ZEMAX分别为10只正常人眼构建了个性化眼模型,这些眼模型由实际测量的人眼参数数据优化而来,具有与实际人眼相同的光学特性.在此基础上分析了0D、-1D、-2D、-3D、-4D状态下的全眼像差与特殊像差项的变化情况.随着调节状态的改变,不同眼睛的波前像差的变化不同,而且变化量的大小与初始状态0D时的波前像差大小无关.将个性化眼模型计算得来的全眼波前像差值与用哈特曼夏克波前传感器实际测量的全眼像差值相比较,结果吻合.     

基于光学相干层析气冲印压技术研究角膜生物力学特性

结合频域光学相干断层层析术(SDOCT)以及空气脉冲印压技术(OCT气冲印压系统)研究了角膜的生物力学特性。采用热成型硅胶模拟角膜形态设计制作了8种不同硬度的角膜仿体,通过联接吊瓶和压力传感器控制并设定角膜仿体的前房压力。运用快速气脉冲作用于角膜,同时用OCT记录角膜整个动态形变过程,测得了角膜仿体形变参数——最大压陷深度(DA),并分析得到了反映角膜生物力学特性的硬度系数。结果显示:角膜仿体中央的实际厚度为(504.12±17.04)μm,不同硬度硅胶的角膜仿体的杨氏模量为90~1 400kPa,同一角膜仿体的杨氏模量值与模拟前房眼内压成正相关。同一眼内压下3次重复性实验表明OCT系统测量参数DA具有很高的重复性(ICC=0.992 6);不同观察者A和B的一致性实验表明,DA具有很好的一致性(差值均值为1.1μm)。不同眼压下所得仿体角膜的硬度系数与传统的拉伸实验测得的该仿体的杨氏模量具有明显的相关性(r=0.99,P0.001)。得到的测试结果表明,OCT气冲印压系统可以用来检测角膜生物力学特性,系统测量结果精确可靠。     

激光眼屈光外科术：回顾与现状

眼角膜屈光外科术是为了修正角膜前表面曲率，从而达到校正近视、远视和散光的目的。空气·泪层的内面为一强折射层，较小的曲率变化就可以引起较大的屈光能力变化。激光和角膜组织的完美作用性使得激光能在眼屈光外科中成功地应用，已为临床应用开发了许多系统。本文对激光眼屈光外科术的临床和研究状况作一个综述。     

基于眼模型的数字眼底相机设计

本文基于Gullstrand-Le Grand眼光学模型设计了一个视场角为30°免散瞳手持式的数字眼底相机,在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰眼底成像;引入眼模型辅助设计,解决了人眼自身的色差问题,从而适用于白光照明。同时,为避免角膜中心曲率大的区域反射引入杂散光,专门设计了环形光阑和共轴照明相结合的照明系统。结果显示,该相机系统成像分辨率高于120lp/mm,场曲值小于0.86mm,畸变仅为7.2%,并且具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用。     

平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究

龙虾眼X射线系统是实现大视场X射线成像的有效手段。现研制了由多组平行玻璃平板构成的Schmidt型X射线龙虾眼光学系统,开展了X射线聚焦和成像的演示实验。基于掠入射反射理论,以210μm厚的超光滑平板玻璃作为光学元件,通过堆叠的方式制作了放大倍数为1的演示系统。用8keV的X射线光源对系统进行了聚焦和实验,直径280μm的光源聚焦半高宽约为320μm,与理论模拟结果基本一致。利用X射线背光照明,得到2mm×2mm大小图样的成像。实验结果表明,该龙虾眼光学系统可以在几毫米视场下达到百微米分辨。     

基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计

运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×106pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12～+12m-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,畸变值3.9%。非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量。     

基于统计概率模型红眼检测消除算法研究

研究红眼检测和消除问题.针对数字照相机在拍摄过程中容易产生红眼的问题,提出了一种全新的利用不同区域红眼出现概率来进行红眼定位和矫正的算法.首先通过对图像中各像素提取特征并初始筛选红眼像素,确定一些红眼可能出现的区域.在这些区域内在进行融合,再次计算红眼出现的概率,并使用支持向量机进行识别.将识别的置信度与红眼的矫正算法充分融合在一起,最终得到红眼定位和矫正的结果.仿真实验表明了该方法能准确定位图像中的红眼,并能平滑的矫正红眼,获得良好的视觉效果.     

三种年龄相关性人眼模型的成像质量比较研究

利用Zemax软件建立了Navarro, Atchison和Zapata-Díaz三种年龄相关性人眼模型的光学系统,评估并比较了各模型眼在不同年龄及不同调节状态下的成像质量。模拟了入瞳直径分别为3 mm和5 mm时,各模型眼在年龄为20～60岁时的成像质量,以及Navarro和Zapata-Díaz模型眼在0.5～2 D范围内的调节。结果表明,三种模型眼的成像质量均随年龄的增长或者入瞳直径的增加而变差,Atchison模型眼在不同年龄下的成像质量更好,且较符合临床实际,Navarro模型眼在调节过程中具有更好的成像质量。研究结果可为视光学领域中年龄相关性人眼模型的选择提供参考。     

基于视场拼接方法的仿生复眼光学系统设计

为解决传统单孔径光学系统存在的大视场与高分辨率之间的矛盾,利用复眼大视场、高分辨率的特点,将大孔径仿生复眼成像技术应用于目标定位系统,并克服了子眼孔径小、视距短的缺陷。首先,通过系统地研究相邻子系统视场间的关系,分析了子系统视场分布形式与总视场角的关系。然后,依据入射窗与出射窗的物象共轭关系,提出了子眼视场拼接的几何模型,并推导了子眼视场拼接与子眼系统参数之间的数学关系。最后,利用该方法设计的31组元仿生复眼成像系统全视场可达53.9°,系统最高角分辨率为0.006°,最低角分辨率为0.017°。13组元样机的仿真与实验结果表明:图像采集与视场重合结果与仿真数据一致,验证了该视场拼接方法理论及31组元仿生复眼成像系统设计的正确性。对视场拼接方法的研究解决了大孔径仿生复眼光学系统中子眼视场分配与布局的问题,为大孔径仿生复眼中子眼系统的设计与结构布局提供了理论依据。     

LCOS人眼像差校正仪的系统控制实现

建立了一套基于LCOS校正器的人眼像差自适应校正系统,并为该系统编写了一套完整的控制软件。该系统采用哈特曼波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过PC计算处理后转化为灰度图,再通过PC把灰度图发送给LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过实测,系统波前误差得到大幅度降低。实测表明,该系统的控制软件算法可以实现低阶大像差情况下人眼视网膜高分辨率成像。