一種新型角膜微變形測量系統及關鍵理論與技術研究

《一種新型角膜微變形測量系統及關鍵理論與技術研究》是依託華中科技大學，由周莉萍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：一種新型角膜微變形測量系統及關鍵理論與技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周莉萍
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

人眼角膜的輪廓變化與引起青光眼的眼壓升高及其波動有主要關係，可將角膜微變形作為青光眼診斷和治療的相應依據。傳統青光眼診斷主要是眼壓計等，其關鍵問題是接觸式單次測量，無法得到某段時間內眼壓變化的數據等。本項目提出一種自主式、非接觸、無引線的長程攜帶型角膜微變形測量系統，通過建立個體角膜輪廓變形和眼內壓變化的關係模型，可實現眼內壓實時監控。系統採用焦深長、線寬細的無衍射結構光做主動測量，是青光眼檢測領域的一個新方法。項目重點研究測量用可調製無衍射結構光光源及相關測量系統、標定方法、數據傳輸、信號處理等關鍵技術，以及微光機電系統（MOEMS）的集成設計等。光源調製主要實現間歇測量，減少長時間光照對眼睛的損害，系統集成後可如眼罩戴於眼睛上。系統設計一切以人為本，其實現將對青光眼疾病的診斷與治療提供一個全面、可靠的依據，為病人提供一種舒適、方便的診斷儀器。

結題摘要

本研究項目基本達到預期研究目標.項目針對可用於角膜微變形精密測量系統的柵型無衍射結構光的實現方法進行了理論及實驗研究，對測量系統建模、標定、條紋圖像處理、3D形貌重構、誤差分析等關鍵技術展開了深入的研究。主要工作如下： 提出利用三角截面稜鏡實現無衍射柵型結構光的方法。用幾何光學、衍射理論及數值仿真分析了三角截面稜鏡產生柵型結構光的無衍射特性，討論了其邊緣孔徑及棱脊衍射、光源誤差及器件本身製造誤差對光場分布的影響，給出了ZEMAX建模仿真結果，為實驗中非理想現象分析提供了理論基礎。利用改進的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉光路實現了較大投影視場無衍射柵型結構光條紋投影，該方法還可實現光柵參數的便捷調整。 提出採用無衍射柵型結構光作為投影條紋的三維形貌精密測量模型，包括攝像機模型、條紋相位獲取技術、高度相位關係模型等。該三維形貌還原模型不存在近似等效，保證了三維形貌還原精度。 研究並提出了基於攝像機針孔模型透視投影關係及柵型結構光投影的精密標定方法，實現攝像機光心及工作範圍內焦距的精確標定。提出了柵型結構光投影系統投影光平面方程與光平面相位關係的標定方法。對系統進行了實際標定實驗，驗證了所提標定方法的可靠性與準確性。 提出一種基於功率譜密度的無衍射柵型結構光條紋圖像散斑抑制的算法。通過分析散斑噪聲與載波條紋的功率譜密度分布，發現散斑噪聲的功率譜密度分布比有用的載波條紋及物面變化的功率譜密度小的多，以此構建合適的濾波器，可去除相干光照明引起的圖像散斑，獲得很好的散斑抑制結果。 無衍射柵型結構光的條紋相位計算採用傅立葉變換方法，該方法只需一副條紋圖像，適合於快速形貌測量。利用投影參考條紋為基礎對投影柵型結構光條紋進行編碼，並提出利用相位跳變點實現整體相位解包裹算法，可有效抑制由噪聲引起的孤立相位跳變及累計誤差。實驗結果驗證了算法的通用性與可靠性。 用無衍射柵型結構光條紋投影系統對一些物體表面及塗有螢光素鈉的活體兔眼角膜表面輪廓進行了精密快速測量。觀察了兔眼注射生理鹽水後眼壓升高引起角膜變形的現象。實驗結果表明，利用無衍射柵型結構光投影實現角膜表面輪廓測量的可行性，以及通過測量角膜曲率半徑變化實現眼內壓力非接觸測量的可行性。 項目已發表及錄用論文11篇，獲批及申請專利4項，培養碩士博士研究生多名，培養青年教師3名。