基于自適應(yīng)光學(xué)高分辨率微型成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是一種以光學(xué)波前像差為研究對象、實(shí)時(shí)校正光學(xué)系統(tǒng)像差的新技術(shù)，它使光學(xué)成像系統(tǒng)能適應(yīng)使用條件的變化而保持良好性能。該技術(shù)的發(fā)展正好在眼科醫(yī)療方面使人眼像差校正以及高分辨率活體人眼視網(wǎng)膜成像成為可能。論文以自適應(yīng)光學(xué)原理、視光學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究微型成像系統(tǒng)中相關(guān)原理、關(guān)鍵技術(shù)、軟硬件技術(shù)等。結(jié)合微機(jī)械薄膜變形鏡的校正范圍和校正能力，研究人眼像差的動態(tài)特性、組合特性，并以此指導(dǎo)、優(yōu)化變形鏡的像差校正控制模型，提高像差校正性能;

2、在獲得自適應(yīng)光學(xué)視網(wǎng)膜圖像基礎(chǔ)上運(yùn)用圖像后處理復(fù)原技術(shù)靜態(tài)消除殘余像差對圖像的影響，獲得高清晰、高分辨率視網(wǎng)膜圖像，最終建立達(dá)到臨床應(yīng)用要求的眼底視網(wǎng)膜高分辨率成像系統(tǒng)。論文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)研究了人眼像差特性和像差組合特性。采用基于Zernike模式人眼波前像差表示模型;系統(tǒng)分析了人眼像差波動特性、Zernike人眼像差與人眼光學(xué)質(zhì)量的影響關(guān)系、瞳孔直徑變化對人眼像差及光學(xué)質(zhì)量的影響;分析了Zernike模式相關(guān)性，

3、提出了Zernike模式像差線性共軛組合模型，重點(diǎn)研究分析組合模型對光學(xué)質(zhì)量的影響。
　　(2)研究了Hartmann-Shack(H-S)波前傳感器的像差測量原理和波前重構(gòu)算法。根據(jù)波前傳感器結(jié)構(gòu)特征和實(shí)際人眼H-S光斑圖畸變以及各種噪聲影響的特點(diǎn)，提出了一種動態(tài)定位光斑區(qū)域、動態(tài)分割區(qū)域內(nèi)部閾值以及鎖定最優(yōu)探測窗口的自適應(yīng)光斑質(zhì)心探測方法。根據(jù)Zernike模式波前重構(gòu)模型，為了滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性要求和自適應(yīng)光學(xué)圖像

4、復(fù)原時(shí)的高精度要求，分別提出基于SVD的波前重構(gòu)算法和基于LGRE的的波前重構(gòu)算法。
　　(3)研究微機(jī)械薄膜變形鏡的影響函數(shù)、波前擬合及像差校正。以奇異值分解為基礎(chǔ)對變形鏡影響函數(shù)進(jìn)行主成分分析，采用對影響函數(shù)矩陣低秩近似的方法濾除校正性能較差的鏡面模式像差，建立了變形鏡補(bǔ)償像差的電壓控制信號求解通用模型，以此模型分析了OKO和BMC兩種變形鏡的性能，考察變形鏡對Zernike模式像差和Thibos模型人眼像差的擬合、校正能力，

5、為成像系統(tǒng)選擇變形鏡提供理論方法。
　　(4)建立了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)閉環(huán)控制模型?；谧詣涌刂评碚?，提出了自適應(yīng)光學(xué)連續(xù)系統(tǒng)模型和自適應(yīng)光學(xué)采樣系統(tǒng)模型，并分析了在連續(xù)系統(tǒng)模型的純積分、PI、Smith預(yù)補(bǔ)償?shù)瓤刂破饕约安蓸酉到y(tǒng)模型的最少拍控制器下的閉環(huán)系統(tǒng)性能;基于現(xiàn)代控制理論，提出了基于狀態(tài)空間分析的自適應(yīng)光學(xué)離散系統(tǒng)模型、自適應(yīng)光學(xué)狀態(tài)空間模型和基于Kalman濾波的LQG優(yōu)化控制模型。設(shè)計(jì)了基于純積分、PI、Smith預(yù)補(bǔ)償

6、、最少拍控制器的像差校正算法，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高帶寬動態(tài)像差校正;進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于LQG優(yōu)化控制的像差校正控制算法，并通過仿真驗(yàn)證了算法的可行性。
　　(5)為進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)得到的圖像進(jìn)行圖像復(fù)原處理。充分利用成像的殘余波前信息，論文提出了自適應(yīng)光學(xué)圖像Semi-IBD復(fù)原算法，算法采用相對準(zhǔn)確的圖像和PSF初始估計(jì)，引入了內(nèi)外循環(huán)迭代的頻域收斂準(zhǔn)則、PSF頻域帶寬約束和PSF空間可支持域自動調(diào)整方法。

7、采用該算法對模擬退化視網(wǎng)膜圖像和實(shí)際受試者視網(wǎng)膜圖像進(jìn)行處理，結(jié)果表明Semi-IBD復(fù)原算法能有效地提高圖像質(zhì)量。
　　(6)搭建了基于自適應(yīng)光學(xué)高分辨率微型成像系統(tǒng)樣機(jī)并經(jīng)國家有關(guān)機(jī)構(gòu)檢測。設(shè)計(jì)自適應(yīng)光學(xué)微型成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等;完成了成像系統(tǒng)的性能測試和實(shí)驗(yàn);實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和眼底成像技術(shù)結(jié)合的工程化工作。經(jīng)國家有關(guān)機(jī)構(gòu)檢測，成像系統(tǒng)在人眼視網(wǎng)膜上分辨尺寸約為2.36μm，視場角約為±3.0