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人眼光学数字化模型及其光学参数干涉测试方法的研究

作　者: 孔梅梅
导　师: 陈磊；高志山
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 视觉特性人眼光学模型光学测量移相剪切干涉部分相干
分类号: R77
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

从光学角度而言,眼球是一个典型的成像仪器,人眼光学数字化模型及其光学参数干涉测试方法的研究,一直都是光学、眼科学和视光学领域的热门课题。围绕这个研究主题,主要研究了我国人眼平均模型和个性化模型的建立及应用,并研究人眼角膜地形(面型)和眼内间距的光学干涉测量技术。应用光学设计软件Zemax,研究了人眼内部关键模型,主要包括:建立了角膜双二次曲面面型的光学模型;进行了晶状体梯度渐变折射率分布的光学模型建立,并通过C语言调入Zemax中实现;建立了基于Conrady色散方程拟合的眼内各介质色散模型,并在Zemax中构建了相应的折射率分布数据库。应用统计分析软件SPSS 13.0,对我国人眼参数的大量实测采集数据,进行了正态性检验与95%的置信区间确定等分析。以实测参数的统计处理结果和模拟的眼内关键模型为基础,研究了我国人眼平均模型和个性化模型的建立。在Zemax中通过多重结构功能建立了2个瞳孔直径(3mm和6mm)的人眼光学系统结构,以同时重现2个瞳孔时的实测人眼像差为目标,逆向构建了我国人眼平均模型,其像差重现精度(RMS误差)分别为0.0712μm(小瞳孔3mm)和0.1675μm(大瞳孔6mm)。在个性化人眼模型的研究中,对不同形式的晶状体面型和折射率分布表示分别进行了对比与讨论,提高了实测人眼像差的重现精度,RMS误差分别为0.0089μm(小瞳孔3mm)和0.0098μm(大瞳孔6mm)。在我国人眼模型的基础上,进行了以下三个方面的应用分析:建立可用于角膜屈光手术中的角膜切削模型;通过人工晶体的非球面面型、渐变折射率分布对人眼成像质量的改善,及其边缘形状可能使患者产生眩光等方面的分析,为人工晶体的设计提供了指导作用;通过采用Zernike多项式来描述角膜前表面,进行了超视力人眼模型的建立及其成像质量的分析。结果表明,在眼视光学中,基于人眼模型的分析具有全面性、系统性的特点,进一步证实了人眼模型的研究具有重要意义。从理论和实验上分析了对振动不敏感的横向和径向剪切干涉法,通过引入不同的移相方法进行了移相剪切干涉技术的研究,选用人眼角膜地形的环路径向剪切干涉测量方案,并设计了实验系统,获得了初步的实验结果。对部分相干原理在眼内间距测量中的应用进行了初步探讨。理论分析了部分相干测量原理和眼内测距时存在的色散问题,搭建了部分相干测量的简易实验系统,对不同分界面的光学玻璃薄片进行了实验测量及误差分析,得到了较好的结果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-26
  1.1 课题背景介绍  11-13
  1.2 国内外人眼光学数字化模型建立的研究进展  13-19
    1.2.1 国外早期研究的典型模型眼  13-16
    1.2.2 国外近期发展的典型模型眼  16-18
    1.2.3 国内人眼平均模型的研究  18
    1.2.4 个性化人眼模型的研究  18-19
  1.3 人眼有关光学参数测试的研究进展  19-23
    1.3.1 人眼角膜地形的测量方法  19-21
    1.3.2 眼内间距的测量方法  21-23
  1.4 课题来源  23-24
  1.5 本论文的主要工作和内容安排  24-26
2 人眼内部关键模型的建立  26-42
  2.1 人眼角膜模型  27-31
    2.1.1 角膜的解剖学与组织学结构  27-28
    2.1.2 角膜的光学模型研究  28-31
  2.2 人眼晶状体模型  31-36
    2.2.1 晶状体的形态及其与调节、年龄的关系  31-32
    2.2.2 晶状体的光学模型研究  32-36
  2.3 眼内介质色散模型  36-41
    2.3.1 已有的眼内色散方程或数据  36-38
    2.3.2 基于Conrady色散方程的眼内色散模型  38-41
  2.4 本章小结  41-42
3 我国人眼光学数字化模型研究  42-59
  3.1 我国人眼的数据来源与分析  42-49
    3.1.1 我国人眼的数据来源  42-43
    3.1.2 人眼数据的统计分析  43-49
      3.1.2.1 实测的角膜和眼内间距参数分析  43-47
      3.1.2.2 实测的人眼像差分析  47-49
  3.2 我国人眼平均模型的建立  49-54
    3.2.1 模型建立的方法及步骤  49-50
    3.2.2 人眼平均模型的优化结果  50-54
  3.3 个性化人眼模型的建立  54-58
    3.3.1 个性化模型的实测数据  54-56
    3.3.2 个性化模型的建立及分析  56-58
      3.3.2.1 模型中晶状体面型的表示  56-57
      3.3.2.2 模型中晶状体折射率的表示  57-58
  3.4 本章小结  58-59
4 人眼模型的应用研究  59-76
  4.1 基于人眼模型的角膜切削模型  59-61
  4.2 基于人眼模型的人工晶体研究  61-70
    4.2.1 人工晶体设计的应用  61-66
      4.2.1.1 人工晶体植入术的转变  61-62
      4.2.1.2 晶状体的面型和折射率对人眼成像影响的分析  62-64
      4.2.1.3 人工晶体的非球面面型和变折射率  64-66
    4.2.2 人工晶体植入术后边缘形状对眩光的影响  66-70
  4.3 基于人眼模型的超视力模型  70-74
  4.4 本章小结  74-76
5 人眼有关光学参数的干涉测试方法研究  76-109
  5.1 人眼角膜地形的剪切干涉测量方法  76-93
    5.1.1 会聚光移相剪切干涉测量  77-83
      5.1.1.1 原理分析  77-80
      5.1.1.2 理论模拟分析  80-81
      5.1.1.3 实验系统及结果分析  81-83
    5.1.2 环路径向剪切干涉测量  83-88
      5.1.2.1 测量原理  83-85
      5.1.2.2 角膜地形测量的实验研究  85-88
    5.1.3 基于偏振移相的径向剪切干涉测量原理  88-93
      5.1.3.1 环路径向剪切干涉中的偏振移相原理  89-92
      5.1.3.2 模拟分析及实验验证  92-93
  5.2 人眼内部间距测量方法的初探  93-108
    5.2.1 基于部分相干的间距测量原理  93-97
      5.2.1.1 光的部分相干性  93-95
      5.2.1.2 部分相干测量技术  95-97
    5.2.2 部分相干的测量实验  97-104
      5.2.2.1 实验装置与具体设计  97-99
      5.2.2.2 测量两个分界面厚度  99-102
      5.2.2.3 测量多个分界面厚度  102-104
    5.2.3 眼内间距测量中的色散问题  104-108
      5.2.3.1 部分相干测量中的色散问题  104-106
      5.2.3.2 色散补偿的方法  106-108
  5.3 本章小结  108-109
6 全文总结  109-112
  6.1 本文所做工作  109-110
  6.2 本文的创新点  110-111
  6.3 进一步的提高  111-112
致谢  112-113
参考文献  113-124
附录1  124-126
附录2  126-127

人眼光学数字化模型及其光学参数干涉测试方法的研究

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