液晶自适应光学在人眼眼底高分辨率成像中的应用

为了获得人眼眼底高分辨率图像,将液晶自适应光学(AO)技术引入到传统检眼镜中,采用基于夏克-哈特曼波前探测器(sHwS)和硅基液晶空间光调制器(LCOS-SLM)的自适应光学系统来校正人眼的高低阶像差,获得了细胞量级的高分辨眼底图像,为眼科疾病及其相关疾病的早期诊断提供了有力工具.采用闭环和开环两种校正模式,都获得了清晰的眼底图片,认为液晶自适应光学系统在活体人眼眼底高分辨率成像上具有巨大潜力.     

人眼色差对夏克-哈特曼波前探测器的影响

为获得高分辨率视网膜血管图像,在自适应成像系统中,采用双光源照明模式。由于人眼存在色差,采用双光源照明模式会导致探测到的波前与实际需校正波前不一致。采用36项Zernike多项式拟合人眼波前,利用Liou&Brenann、Navarro模型眼和真实人眼分析了人眼色差对夏克-哈特曼波前探测器的影响:对于Liou&Brenann和Navarro模型眼,561 nm和785 nm光的波前色差均方根值(RMS)分别为0.09λ和1.44λ,去除离焦项后的波前色差RMS值分别为0.0025λ和0.01λ;对于真实人眼,两光源的波前色差RMS值为1.92λ,去除离焦项后的波前色差RMS值为0.04λ。根据Maréchal判据,除离焦项外,色差对其他波前像差的影响均方根值小于衍射极限(1/14λ),故波前像差的影响可忽略。由色差造成的离焦量可通过移动成像相机进行补偿。从结果可以看出采用双光源照明的视网膜血管自适应光学成像方案是可行的。     

提高波前探测精度的高阶矩方法

夏克-哈特曼波前传感器测量畸变波前的探测精度主要取决于光斑质心的测量精度。提出了一种提高光斑质心探测精度的新方法,在优化的探测窗口内使用高阶矩方法计算光斑的质心。首先,在整个子孔径内,通过一阶矩方法获得光斑的近似中心,然后以这个近似中心为中心,包含整个光斑,建立一个矩形窗口,并在该窗口内通过高阶矩方法重新计算光斑的质心。通过该改进的方法,在优化的探测窗口外,噪声的影响基本被消除;在优化的探测窗口内,噪声的影响也因为光斑权值比重的增大而削弱。实验结果证明:与传统方法相比,新方法提高了光斑质心测量的精度、重复性和稳定性。     

高分辨率视网膜成像技术研究进展

分析了影响人眼视网膜成像的各种因素,阐述了基于哈特曼-夏克传感器和可变形镜的自适应光学(AO)原理,研究了激光扫描检眼镜(SLO)和光学相干层析成像(OCT)结合自适应光学来提高视网膜成像分辨率的方法,并对视网膜成像住医学诊断中的应用和发展前景进行了展望.     

开环双波段人眼视网膜成像液晶自适应光学系统设计

设计了一套基于开环双波段模式的人眼视网膜成像液晶自适应光学系统。该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变。探测波段采用830nm近红外光,成像波段采用790nm近红外光。采用开环模式以提高光能利用率和系统的稳定性,采用双波段模式以增大视场。新加入了瞳孔监控子系统和响应矩阵测量子系统,使系统更加灵活方便。介绍了系统的关键参数,并通过ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,认为系统可以达到接近衍射极限的效果。传递函数MTF@50lp/mm达到0.25(对应视网膜上3μm),满足设计要求。     

自适应光学系统光学部分的计算机模拟

利用相位屏（PS）方法通过软件模拟大气湍流,进而研究了自适应光学（AO）系统中哈特曼一夏克（H—S）波前传感器的计算机模拟技术。使用基于Zernike多项式的模式法重构波前,验证了模拟方法的可行性,完成了AO系统光学部分的计算机模拟。     

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。     

自适应光学视网膜细胞成像中像质提升方法研究

为消除或减弱影响视网膜活体细胞成像质量的因素,提高图像质量,提出了增强图像质量的方法.采用Shack-Hartmann波前传感器和37通道微机电系统薄膜变形镜测量和校正人眼及光学系统像差;成像光源采用632.8nm的激光,采用旋转散射体的方法抑制了激光散斑;在成像系统中放置一个和视网膜共轭的光阑消除角膜杂散光;成像CCD曝光时间设置在5～10ms消除细胞运动带来的像面模糊.采用上述方法能显著地提高视网膜成像质量,得到的视网膜图片已能分辨出细胞.     

自适应光学中变形镜的研究

大气对激光束的湍流效应是制约激光通信技术发展的一个主要因素,研究发现自适应光学技术可以有效的缓解激光束在大气中传输受到的影响.自适应光学系统由探测器、控制器和校正器3部分组成.首先由探测单元和控制单元确定控制信号,然后通过控制器改变变形镜的镜面,以达到校正波前的目的.变形镜是自适应光学系统中实现波前校正的关键器件,其特性将直接影响系统对波前光束的改善结果.通过对变形镜的工作原理、分类、技术要求和性能指标的研究,该系统补偿效果达到90%.     

基于图像处理技术的光斑质心高精度测量

针对传统的光斑质心测量方法子孔径窗口内远离光斑的噪声对一阶矩质心算法的影响,本文提出一种利用图像处理技术提高光斑质心探测精度的新方法。在哈特曼-夏克（H-S）波前传感器测得的光斑阵列图像中,采用自适应阈值方法优化每个子孔径的探测窗口,使探测窗口和光斑分布区域最佳匹配;然后在探测窗口内,采用线性插值方法提高图像的分辨率。...     

四通道阵列偏振成像自适应光学系统设计

在大气湍流影响下,为了实现对远距离目标偏振成像,基于孔径分割技术和自适应补偿技术,设计了四通道阵列偏振成像自适应光学系统。偏振成像部分采用四通道阵列结构,每个偏振通道获取目标不同偏振分量的强度图像,从而实现同时偏振成像。采用闭环自适应系统对波前畸变进行实时补偿。光学系统的设计焦距为364 mm,F数为2.5,工作波长为1.06 μm,半视场角为±0.3°。设计结果表明,系统成像性能接近衍射极限,可以实现同时偏振成像和波前畸变的校正。     

眼底自适应成像系统中的二自由度头托设计

眼科临床上所使用的简易头托限定医生与受试者的距离不能超过一臂之长,因此无法用于较为庞大的眼底自适应成像系统。为了达到眼底自适应成像系统与受试者瞳孔快速对准、稳定定位的要求,设计了一种可长距离控制的二自由度的头托。采用具有自锁能力的梯形丝杠驱动头托垂直运动,采用传动效率高的滚珠丝杠驱动头托水平运动,以步进电机提供动力。基于PIC16F877单片机,完成了头托移动控制的软硬件设计,并在MPLAB与Proteus环境下进行了联合仿真实验。仿真结果表明,所设计的头托可在竖直方向和水平方向以20μm的精准度定位,能够实现长距离、快速准确的瞳孔对准和左右瞳孔切换过程,是眼底自适应成像系统的良好辅助工具。     

折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

1.8米望远镜钠信标自适应光学系统的高对比度成像性能研究

系外行星的直接成像是当今国际天文学研究的热点,而对潜在的系外行星候选体进行大面积普查将是未来十年天文学的迫切需要。国际上中小型2 m级望远镜上部署的ROBO-AO瑞利激光信标自适应光学系统（AO）,可以灵敏而快速地删察系外行星候选体。但瑞利信标高度引起的聚焦非等晕效应是限制其行星探测能力的重要因素。基于1.8 m望远镜61单元钠信标自适应光学系统优化构建系外行星高对比度成像系统,它将在近红外波长范围内提供系外行星的高对比度成像。通过对钠信标AO高对比度成像过程的仿真,发现在理论上,钠信标AO系统的系外行星高对比度成像性能优于ROBO-AO,即在2 h曝光时间内,可以实现与母恒星光通量比为4×10?7的行星的直接成像,而相同环境下,ROBO-AO系外行星直接成像能力为1×10?6,其中行星与恒星的角间距为1'。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

自适应光学波前信号提取

天光背景及系统自身探测器件所引入的噪声对自适应光学系统的探测精度具有较大的影响,为消除这两方面噪声的影响,设计并实现了基于FPGA的波前光斑信号提取系统。该系统通过3个算法模块完成噪声的滤除,中值滤波模块用于去除杂散噪声,Top-hat变换模块用于滤除较为平稳的背景噪声,自适应阈值分割模块用于去除残余噪声。基于FPGA平台进行了系统的实现,在室内的自适应光学精跟踪系统平台上对光斑信号的提取效果及提取前后的精度进行了实验测试,结果表明,该处理平台能较好地提取出目标光斑,处理后的质心精度也较高,且该处理平台的延时较小,能够满足自适应光学系统实时性的要求。     

An adaptive error control system using hybrid ARQ schemes

A simple and efficient system utilizing the class of Hamming codes in a cascaded manner is proposed to provide high throughput over a wide range of channel bit error probability. Comparisons with other adaptive schemes indicate that the proposed system is superior from the point of view of throughput, while still providing the same order of reliability as an ARQ (automatic repeat request) system. The main feature of this system is that the receiver uses the same decoder for decoding the received information after each transmission while the error-correcting capability of the code increases. As a result, the system is kept to the minimum complexity and the system performance is improved     

绝对式光电编码器动态误差采集系统

在绝对式小型光电编码器动态特性检测中,为了对匀速变速转动下编码器的高速误差进行数据采集,提出了编码器误差数据准确采集方法,并设计了绝对式光电编码器动态误差采集系统。首先,通过对被测编码器输出角度数据所表达真实角度准确时刻的分析,提出了编码器误差数据的准确采集时刻是在编码器输出数据变化的边沿时刻。然后,通过对误差采集时采集数据量、采集速度及传输速度的分析,确定了以FPGA+USB设计制作硬件电路,实现编码器误差数据的全分辨率采集。最后,通过计算机软件实现对误差数据的计算、显示和打印。经过实验,系统可以高速、准确地采集到快速转动下编码器所有角度的误差数据,能够满足小型绝对式光电编码器动态特性检测的要求。系统具有采集数据高速、准确等优点。可以实现对90 r/min以下转速的16位编码器的数据采集。     

仿生复眼成像系统角度误差

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析,介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型,通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换,推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式,即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程,从而进行误差分析。并且搭建了实验,采集了实验数据,通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为3'14,实际测得的旋转角度误差3'15,理论计算值与实际测量值基本一致,证明该误差分析方法是可行的。