一种新型角膜微变形测量系统及关键理论与技术研究

人眼角膜的轮廓变化与引起青光眼的眼压升高及其波动有主要关系，可将角膜微变形作为青光眼诊断和治疗的相应依据。传统青光眼诊断主要是眼压计等，其关键问题是接触式单次测量，无法得到某段时间内眼压变化的数据等。本项目提出一种自主式、非接触、无引线的长程便携式角膜微变形测量系统，通过建立个体角膜轮廓变形和眼内压变化的关系模型，可实现眼内压实时监控。系统采用焦深长、线宽细的无衍射结构光做主动测量，是青光眼检测领域的一个新方法。项目重点研究测量用可调制无衍射结构光光源及相关测量系统、标定方法、数据传输、信号处理等关键技术，以及微光机电系统（MOEMS）的集成设计等。光源调制主要实现间歇测量，减少长时间光照对眼睛的损害，系统集成后可如眼罩戴于眼睛上。系统设计一切以人为本，其实现将对青光眼疾病的诊断与治疗提供一个全面、可靠的依据，为病人提供一种舒适、方便的诊断仪器。

本研究项目基本达到预期研究目标.项目针对可用于角膜微变形精密测量系统的栅型无衍射结构光的实现方法进行了理论及实验研究，对测量系统建模、标定、条纹图像处理、3D形貌重构、误差分析等关键技术展开了深入的研究。主要工作如下：.提出利用三角截面棱镜实现无衍射栅型结构光的方法。用几何光学、衍射理论及数值仿真分析了三角截面棱镜产生栅型结构光的无衍射特性，讨论了其边缘孔径及棱脊衍射、光源误差及器件本身制造误差对光场分布的影响，给出了ZEMAX建模仿真结果，为实验中非理想现象分析提供了理论基础。利用改进的马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉光路实现了较大投影视场无衍射栅型结构光条纹投影，该方法还可实现光栅参数的便捷调整。.提出采用无衍射栅型结构光作为投影条纹的三维形貌精密测量模型，包括摄像机模型、条纹相位获取技术、高度相位关系模型等。该三维形貌还原模型不存在近似等效，保证了三维形貌还原精度。.研究并提出了基于摄像机针孔模型透视投影关系及栅型结构光投影的精密标定方法，实现摄像机光心及工作范围内焦距的精确标定。提出了栅型结构光投影系统投影光平面方程与光平面相位关系的标定方法。对系统进行了实际标定实验，验证了所提标定方法的可靠性与准确性。.提出一种基于功率谱密度的无衍射栅型结构光条纹图像散斑抑制的算法。通过分析散斑噪声与载波条纹的功率谱密度分布，发现散斑噪声的功率谱密度分布比有用的载波条纹及物面变化的功率谱密度小的多，以此构建合适的滤波器，可去除相干光照明引起的图像散斑，获得很好的散斑抑制结果。.无衍射栅型结构光的条纹相位计算采用傅里叶变换方法，该方法只需一副条纹图像，适合于快速形貌测量。利用投影参考条纹为基础对投影栅型结构光条纹进行编码，并提出利用相位跳变点实现整体相位解包裹算法，可有效抑制由噪声引起的孤立相位跳变及累计误差。实验结果验证了算法的通用性与可靠性。.用无衍射栅型结构光条纹投影系统对一些物体表面及涂有荧光素钠的活体兔眼角膜表面轮廓进行了精密快速测量。观察了兔眼注射生理盐水后眼压升高引起角膜变形的现象。实验结果表明，利用无衍射栅型结构光投影实现角膜表面轮廓测量的可行性，以及通过测量角膜曲率半径变化实现眼内压力非接触测量的可行性。.项目已发表及录用论文11篇，获批及申请专利4项，培养硕士博士研究生多名，培养青年教师3名。