基于自適應光學高分辨率微型成像系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、自適應光學技術是一種以光學波前像差為研究對象、實時校正光學系統(tǒng)像差的新技術，它使光學成像系統(tǒng)能適應使用條件的變化而保持良好性能。該技術的發(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。論文以自適應光學原理、視光學理論為基礎，研究微型成像系統(tǒng)中相關原理、關鍵技術、軟硬件技術等。結合微機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、優(yōu)化變形鏡的像差校正控制模型，提高像差校正性能;

2、在獲得自適應光學視網(wǎng)膜圖像基礎上運用圖像后處理復原技術靜態(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，最終建立達到臨床應用要求的眼底視網(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質量的影響關系、瞳孔直徑變化對人眼像差及光學質量的影響;分析了Zernike模式相關性，

3、提出了Zernike模式像差線性共軛組合模型，重點研究分析組合模型對光學質量的影響。
　　(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算法。根據(jù)波前傳感器結構特征和實際人眼H-S光斑圖畸變以及各種噪聲影響的特點，提出了一種動態(tài)定位光斑區(qū)域、動態(tài)分割區(qū)域內部閾值以及鎖定最優(yōu)探測窗口的自適應光斑質心探測方法。根據(jù)Zernike模式波前重構模型，為了滿足自適應光學系統(tǒng)中的實時性要求和自適應光學圖像

4、復原時的高精度要求，分別提出基于SVD的波前重構算法和基于LGRE的的波前重構算法。
　　(3)研究微機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對變形鏡影響函數(shù)進行主成分分析，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)建立了自適應光學系統(tǒng)閉環(huán)控制模型?；谧詣涌刂评碚摚岢隽俗赃m應光學連續(xù)系統(tǒng)模型和自適應光學采樣系統(tǒng)模型，并分析了在連續(xù)系統(tǒng)模型的純積分、PI、Smith預補償?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)空間分析的自適應光學離散系統(tǒng)模型、自適應光學狀態(tài)空間模型和基于Kalman濾波的LQG優(yōu)化控制模型。設計了基于純積分、PI、Smith預補償

6、、最少拍控制器的像差校正算法，進行仿真和實驗，實現(xiàn)了高帶寬動態(tài)像差校正;進一步設計了基于LQG優(yōu)化控制的像差校正控制算法，并通過仿真驗證了算法的可行性。
　　(5)為進一步提高圖像質量，對自適應光學系統(tǒng)得到的圖像進行圖像復原處理。充分利用成像的殘余波前信息，論文提出了自適應光學圖像Semi-IBD復原算法，算法采用相對準確的圖像和PSF初始估計，引入了內外循環(huán)迭代的頻域收斂準則、PSF頻域帶寬約束和PSF空間可支持域自動調整方法。

7、采用該算法對模擬退化視網(wǎng)膜圖像和實際受試者視網(wǎng)膜圖像進行處理，結果表明Semi-IBD復原算法能有效地提高圖像質量。
　　(6)搭建了基于自適應光學高分辨率微型成像系統(tǒng)樣機并經(jīng)國家有關機構檢測。設計自適應光學微型成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)、系統(tǒng)結構、電氣系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等;完成了成像系統(tǒng)的性能測試和實驗;實現(xiàn)了自適應光學技術和眼底成像技術結合的工程化工作。經(jīng)國家有關機構檢測，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