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基于微机械薄膜变形镜的像差校正技术及其应用

李邦明  
【摘要】:自适应光学技术是近年来发展迅速的一门新兴综合性技术,将其应用到人眼眼底的显微观察中,可以准确、快速的对人眼像差进行实时测量、控制和校正,提高眼底成像系统的分辨率,为人类眼科疾病及其它全身性疾病的诊断和治疗提供新的手段。论文以自适应光学理论、视光学理论为基础,深入研究基于微机械薄膜变形镜的人眼像差校正理论及其技术,为低成本高精度活体人眼视网膜成像系统的研发提供理论支持和工程应用的新途径。主要内容包括: (1)详细介绍了人眼眼球的结构,定义了人眼波前像差,建立了以Zernike多项式为基函数的人眼像差表达模型,系统研究了基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼波前像差重建原理和方法,提出了基于奇异值分解的人眼波前像差重建算法,为人眼像差的校正奠定了基础。 (2)详细介绍了微机械薄膜变形镜的结构和原理,理论分析和实验验证了微机械薄膜变形镜镜面形变和驱动电极控制信号之间的关系,建立了以影响函数矩阵为基础的变形镜控制信号和待补偿像差模式系数之间的关系模型,分析了微机械薄膜变形镜对Zernike模式像差的拟合能力和校正范围,为基于微机械薄膜变形镜的像差补偿算法设计提供了理论依据。 (3)建立了基于微机械薄膜变形镜空间域像差补偿问题的模型,在开环校正模式下,提出了的基于乘子罚函数方法和基于有效约束集方法的控制信号求解算法,前者通过乘子向量和罚函数将原问题逐步转化为一个无约束的最优化问题,后者通过有效约束集方法将原问题转化为等式约束问题,两种方法具有速度快、精度高等优点,特别适用于系统误差较小、影响函数标定准确的的系统。 (4)在闭环校正模式下,提出了基于奇异值分解的控制信号求解算法,构建了微机械薄膜变形镜可校正像差模式空间,详细分析了系统对构造正交基模式像差的校正特性和算法通过模式选择校正以提高变形镜校正能力的原理,通过计算机仿真和模拟眼校正实验,分析了模式像差选择对校正效果的影响,确立基于奇异值分解以实现校正模式滤除的像差补偿算法为最优的人眼像差校正算法。 (5)总结了人眼像差的动态特性,建立了自适应光学系统的控制模型,推导了系统的传递函数,以提高控制系统的带宽为优化目标,对比分析了积分控制算法和Smith控制算法下系统的性能,提出了基于Smith控制和奇异值分解的波前校正算法,为基于微机械薄膜变形镜的人眼像差实时校正提供了算法支持。 (6)根据论文理论研究成果,设计了国内首套基于微机械薄膜变形镜的视网膜细胞显微镜硬件系统和软件系统,设备具有人眼像差实时测量、校正和视网膜细胞成像功能,通过模拟眼和人眼校正实验,成功拍摄到高清晰度模拟眼眼底图像和活体人眼视网膜细胞图像,目前仪器已顺利通过杭州医疗器械质量监督检验中心的检测。


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