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视网膜细胞显微镜波前重建技术研究

作　者: 高玮玮
导　师: 沈建新
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 自适应光学人眼波前像差 Hartman-Shack波前传感器 Zernike多项式波前重建算法重建误差
分类号: R774.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
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内容摘要

高分辨率视网膜图像能够为视网膜疾病的早期诊断、治疗、人眼视觉的科学研究提供重要依据。但人眼作为光学系统,其系统内部存在的低阶和高阶像差,使得对视网膜的成像很难达到衍射极限水平,采用常规成像方法无法得到高分辨率视网膜图像。近几年发展起来的自适应光学技术,使观察细胞级别的视网膜图像成为可能。论文以基于自适应光学技术的视网膜细胞显微镜开发为背景,对人眼视网膜成像系统中的关键技术之一——像差重建进行了深入的研究。论文的主要内容如下:1、论述了人眼的基本结构﹑视网膜成像特点以及人眼波前像差的定义和成因,建立了基于正交归一化Zernike多项式表达人眼波前像差的理论模型。2、研究了利用Hartmann-Shack波前传感器进行像差测量的原理,在对光斑图像预处理的基础上,提出了利用六角点原理确定子光斑的方法,实现了子光斑及其质心的准确定位。3、重点研究了基于Zernike模式的波前重建算法,研究了基于最小二乘准则的直接法方程组﹑基于Gram-Schmidt正交变换﹑基于Householder变换﹑基于奇异值分解在内的四种模式重建方法,通过理论分析以及仿真实验证明,各算法精度相当,能够满足人眼波前重建的精度要求。但基于奇异值分解的模式算法由于其理论简单,计算步骤较少,易于编程等优点作为人眼波前像差重建算法性能更优。4、分析了基于Zernike多项式模式进行波前重建的误差问题,讨论了模式重建过程中截断误差﹑混淆误差以及耦合系数与重建项数的关系,并以此为依据选择人眼波前像差重建过程中Zernike多项式的最优项数。在上述基础上,开发了人眼波前像差测量及重建模块,实现了人眼像差的准确测量和重建,为人眼视网膜成像系统中后续的像差循环矫正提供了像差数据,经实际运用,满足了视网膜细胞显微镜对视网膜细胞成像的要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-21
  1.1 研究背景  13-16
    1.1.1 自适应光学系统的基本工作原理  13-14
    1.1.2 人眼视网膜成像系统  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
  1.3 课题选题意义和依据  18
  1.4 论文的主要研究内容和层次结构  18-21
第二章人眼波前像差及其数学表示  21-33
  2.1 人眼的基本结构及视网膜成像  21-24
    2.1.1 眼球的基本结构及相关功能描述  21-23
    2.1.2 视网膜及视网膜成像  23-24
  2.2 眼波前像差  24-26
    2.2.1 像差的概念与成因  24
    2.2.2 人眼波前像差的概念及形成原因  24-26
  2.3 人眼波前像差的数学表示  26-32
    2.3.1 人眼波前像差函数坐标系的建立  27-28
    2.3.2 基于 Zernike 多项式的人眼波前像差表示法  28-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章 Hartmann-Shack 波前传感器测量人眼像差  33-43
  3.1 Hartmann-Shack 传感器的波前探测原理  33-37
  3.2 Hartmann-Shack 传感器测量人眼像差原理  37-38
  3.3 Hartmann-Shack 传感器的质心探测  38-42
    3.3.1 Hartmann-Shack 传感器的质心探测误差  38-40
    3.3.2 子光斑及其质心确定  40-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章人眼波前像差重建算法  43-62
  4.1 人眼波前像差的重建  43-47
    4.1.1 人眼波前像差重建方法分类及比较  43-44
    4.1.2 基于 Zernike 多项式的模式法波前重建模型  44-47
  4.2 Zernike 模式波前重建算法  47-57
    4.2.1 基于最小二乘准则的直接法方程组法  47-48
    4.2.2 基于 Gram-Schmidt 正交变换的波前模式重建算法  48-50
    4.2.3 基于 Householder 变换的波前模式重建算法  50-53
    4.2.4 基于奇异值分解的波前模式重建算法  53-55
    4.2.5 仿真结果  55-57
  4.3 模式波前重建误差分析  57-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章人眼波前像差测量及重建模块设计与开发  62-71
  5.1 模块总体功能介绍与结构设计  62-63
  5.2 功能子模块的具体实现与描述  63-69
    5.2.1 光斑位图读取显示子模块  63-65
    5.2.2 光斑图图像处理子模块  65-66
    5.2.3 波前像差重建及显示子模块  66-69
  5.3 像差校正及视网膜成像  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章总结与展望  71-73
  6.1 全文总结  71-72
  6.2 研究展望  72-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
在学期间的研究成果及发表的学术论文  77-78
  攻读硕士学位期间发表（录用）论文情况  77
  攻读硕士学位期间参加科研项目情况  77-78
附录  78-79
  附录1：第0～7 阶36 项Zernike 多项式的直角坐标形式  78-79
  附录2：第0～7 阶36 项Zernike 多项式的波前模式图  79

视网膜细胞显微镜波前重建技术研究

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