基于人眼光学模型建立的角膜模型

考虑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方法;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,对初始模型眼进行优化,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,切削深度的最大值在角膜中心处,约26.5μm.结果表明:基于人眼光学模型的角膜双二次曲面模型,符合角膜的面型特点,适合临床实际应用,可为波像差引导的个性化角膜切削方案提供更适用的数字化模型.     

波前像差引导的角膜切削模型及实现技术的研究

对波前像差概念和表示方法做了必要的叙述,深入研究了波前像差引导的角膜个性化切削模型,推出了角膜手术区域中角膜修正量的基本公式,给出了实现个性化像差矫正手术的软硬件框图.采用该模型引导的扫描频率为120Hz,光斑直径为0.9mm的准分子激光眼科治疗机做PMMA试验,对比传统的屈光不正矫正模型,在手术区域直径为6.5mm条件下,给出了近视、远视、近视散光各种情况下手术的最大切削深度和切削时间.试验结果表明,各种情况下角膜最大切削深度基本相同,波前像差矫正切削模型的切削时间稍大,PMMA板切削效果良好.     

人眼波前像差客观测量的研究

分析波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式。运用Zernike多项式表示人眼波前像差函数,研究Zernike多项式与人眼波像差的对应关系以及一些高级像差对人眼成像质量的影响。通过对自适应光学中Zernike多项式重建波前理论的研究,重点分析了应用Hartmann-Shack波前传感器测量人眼客观像差并用变形反射镜矫正人眼像差的解决方案。对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。     

准分子屈光手术中非球面系数对球差以及切削深度的影响

角膜前表面是人眼屈光系统的主要组成部分,屈光手术通过角膜模型定量计算角膜的修正值,因此角膜模型的精确与否直接决定了手术的效果。一般认为角膜前表面是旋转对称的二次曲面,该曲面的一个重要参数是非球面系数Q。目前大部分的角膜切削模型都没有考虑Q对切削深度和像差的影响,本文基于Littman-Gullstrand模型眼建立模型,分析Q值对屈光手术中透射率、球差以及切削深度的影响。模拟结果显示,Q值对球差和切削深度有显著影响,Q绝对值逐渐增大时,球差S₁从正变为负,在Q＝－0.528处,可以认为角膜前表面产生的S₁为零。Q绝对值增大时,相对切削深度增大,即角膜边缘与角膜中央切削深度差异减小。     

准分子激光人眼像差矫正系统的研究

准分子激光人眼像差矫正系统旨在实现个体化切削,它不仅能进行正常的角膜屈光矫正,减少高阶像差,而且可以有效的克服传统准分子激光手术引起的球差、彗差以及其他高阶像差而导致的夜问视力下降、光晕、眩光及偏心切削等并发症。准分子激光人眼像差矫正系统包括主观式像差仪进行波前像差的测量、准分子激光系统进行像差矫正两大部分。描述了人眼波前像差的概念、成因以及表示的方法和测量技术;研究了准分子激光人眼像差矫正系统的原理;阐述了准分子激光飞点扫描、主动眼球跟踪、激光的恒能和闭环控制、激光脉冲光斑直径和均匀控制等关键技术。研究成果可直接用于准分子激光人眼像差矫正系统,目前正在进行临床实验,取得了良好效果。     

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.     

准分子激光眼屈光手术中的一种过渡区模型

提出了一种在准分子激光眼屈光手术中过渡区模型的构造方法.首先设计一种修边函数,然后提取光学区边界的切削深度,并将其扩展到整个过渡区,最后通过修边函数和过渡区上扩展切削深度的乘积得到过渡区模型.再将该模型进行计算机仿真研究和临床研究.临床上统计了8名患者16只眼睛接受该模型指导的激光手术情况:术前平均裸眼视力为0.09±0.04,术后第1天平均裸眼视力为1.06±0.24,之后视力逐渐升高,在术后一个月时平均裸眼视力为1.42±0.36,裸眼视力最小值为1.0.仿真结果,特别是临床结果表明:过渡区模型实现了光学区与非切削区之间光滑平坦地过渡.采用参数化控制的模型,特别适用于光学区直径和过渡区宽度经常调整的情况,对各种眼屈光不正情况均适用;在光学区直径确定后,过渡区宽度的改变不影响光学区的切削深度;模型有较强的通用性,适用于传统仅矫正屈光不正(近视、远视、散光)的光学区模型,也适用于波前像差引导的激光眼屈光手术.利用过渡区模型可提高手术后患眼的视觉质量.     

折射/衍射球柱有晶体眼人工晶体的设计

为了提高白光下人眼的视觉质量,设计了一款折射/衍射球柱有晶体眼人工晶体 (Phakic Intraocular Lens, PIOL)。根据实际人眼的角膜地形图、眼内各组分的轴向间距和波前像差,运用ZEMAX光学设计软件,构建了个性化眼模型,然后运用该模型,设计了球柱PIOL和折射/衍射球柱PIOL。研究表明：与球柱PIOL相比,折射/衍射球柱PIOL能够全面提高人眼的白光调制传递函数 (Modulation Transfer Function, MTF) 和非中心波长下的MTF,这有利于获得良好的视觉质量。研究还表明：折射/衍射球柱PIOL只需要在4mm区域设计二元面就能够满足要求。最后分析了加工工艺问题。折射/衍射球柱PIOL在先进视觉矫正方面具有潜在的应用价值。     

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。     

激光视力矫正术的应用研究

人眼屈光不正是眼科常见疾病，可用眼外科术(角膜屈光性手术)改变角膜曲率来矫正。即使角膜曲率变平或变陡，或使整个角膜表面变成正圆球形，改变其屈光力，从而矫治近视、远视和散光。目前临床应用的激光视力矫正术(Laser Vision Correction)有下列几种方法。     

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。     

Second‐harmonic microscopy of ex vivo porcine corneas

The ex vivo cornea of porcine eyes has been studied with second‐harmonic microscopy with a laboratory‐built system to examine the structure of collagen fibrils at different length scales, as well as the image dependence on polarization and wavelength of the illumination source. We found that collagen fibrils can effectively be visualized with second‐harmonic microscopy, in agreement with previous findings, at different wavelengths of the illumination. The same laser source used for imaging may also be used to induce changes to the corneal tissues that are observable both in the linear and second‐harmonic imaging channels. Such studies are essential first steps towards a future high‐resolution optical characterization technique for simultaneous corneal surgery and wound healing of the human eye.     

立体成像眼底相机光学系统设计

为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像,使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能,设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成,在成像系统中,使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼,运用体视显微镜成像原理进行分光设计;在照明系统中,通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光,并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明,本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2,成像系统畸变小于-3%,场曲值小于0.1mm,色差矫正良好,并且具有较强的调焦能力,能对-10~+5m~(-1)的人眼清晰成像。     

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。     

基于多尺度颜色替换的角膜老年环分割

角膜老年环是一种在角膜边缘形成的白色环状改变,主要由于人体脂类代谢异常而产生。通过图像分析的方法对角膜老年环进行检测可以方便、及时帮助人们发现身体脂类代谢异常状况。自然睁开状态下获取的彩色图像,角膜老年环经常被眼睑随机遮挡,而且被光斑、血管等因素的干扰。为了提高算法鲁棒性,减少由于眼睑的随机遮挡造成的定位失误,提出了一种基于多尺度颜色替换的角膜老年环分割方法。首先对图像进行量化;其次,在不同尺度模板下对图像按照本文定义的颜色替换策略进行处理,并最终实现目标分割。实验结果表明,在采集的1 968幅图像中该方法能够达到97.0%的分割正确率,所用算法具有较高的鲁棒性。     

个体眼结构的横向色差随外置光阑偏心和视场的变化

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。研究表明,横向色差随人工光阑的偏移量线性增加;8只人眼存在一定的个体差异,横向色差随人工光阑偏移量增加的速率在5.46 arcmin/mm ~5.95 arcmin/mm 范围之间,平均值为5.7 arcmin/mm。然后研究了在420 nm至700 nm波段边缘横向色差随入射视场角的变化规律。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 arcmin/deg 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,变化范围在0.32 arcmin/deg~0.44 arcmin/deg 之间。同时横向色差在长波段的变化要比短波段处缓慢。 关键词：视觉光学;横向色差;个体化眼模型     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

角膜老年环检测方法研究

当人体脂类物质代谢发生异常时,会在角膜处形成角膜老年环。角膜老年环主要呈云雾环状覆盖在虹膜外环中,角膜老年环的检测可以作为一种辅助手段,对及时方便了解体内脂类代谢异常状况具有重要意义。针对目前方法中由于没有对角膜老年环边界精确检测而造成的鲁棒性不高,以及当存在K-F环时会发生检测错误的问题,提出了一种角膜老年环检测方法。首先,对其彩色图像进行分割与归一化;其次,利用基于梯度响应最优算法提取环状特征内外边界,通过定义的光照影响检测模型提高算法对光照的鲁棒性;最后,通过定义的宽度特征量化算子以及颜色特征量化算子完成角膜老年环的检测。实验结果表明,在采集的1 968幅图像中该方法能够达到96.3%的识别率,算法不仅不受光照影响而且当患者具有K-F环时,本文方法仍能够取得很好的检测效果。