自适应光学瞳面滤波超分辨成像技术及其对视功能的影响研究

发布时间：2020-09-28 08:05

　　 成像技术的发展是推动科技进步的重要驱动力,对外界能够进行高分辨率或超分辨率成像有助于人类更深入地了解外部世界。光学成像分辨力客观上受到衍射极限的物理限制,如何突破衍射极限实现超分辨成像,是众多学科领域亟待解决的一个热点问题。光瞳滤波技术是超分辨成像技术中的核心分支。目前成熟的光瞳滤波器主要是应用二元光学加工工艺制作而成,也有研究者采用液晶空间光调制器作为光瞳滤波器实现超分辨效果,本文提出使用变形反射镜(变形镜)作为光瞳滤波器,实现超分辨效果。通过对比发现,变形镜能够克服已有光瞳滤波器的局限性,光能损失小,使用灵活,无波长和光偏振态限制。迄今为止,超分辨成像技术主要应用于生物显微镜、激光加工系统及光盘存储系统等众多领域,本文将超分辨技术思想创新性地应用在提升人眼视觉性能,探索突破人眼视功能极限的途径,具有实际应用意义。围绕本文的研究目的和研究方法,主要开展了如下几项核心工作。论文先后设计了两种形式的相位型光瞳滤波器函数:多项式型和Zernike多项式加权型。对得到的多项式光瞳滤波器函数分别用37单元和145单元的变形镜进行仿真拟合,仿真结果证明由于37单元变形镜驱动器单元数有限,导致分辨率过低,无法满足所设计的相位结构的精度要求;而145单元变形镜极间距小,空间分辨率高,可以较好地拟合设计的光瞳滤波器相位结构。Zernike多项式型光瞳滤波器的设计中,运用遗传算法寻找全局最优解,得到了符合设计要求的Zernike多项式光瞳滤波器。为了体现变形镜的可编程性和灵活性,以及对比不同特性光瞳滤波器函数的超分辨性能,本章选取两个Zernike多项式相位光瞳滤波器函数作为研究对象,一个光瞳滤波器(SR1)的超分辨因子(G_T)较小,超分辨效果较为明显;另一个光瞳滤波器(SR2)的斯特列尔比(S)较大,光能损耗小。超分辨滤波器设计好后,依据不同阶段的实验目的,先后设计和搭建不同的自适应光学系统。各自适应光学系统的核心工作原理是将变形镜置于光学系统瞳面,通过程序控制变形镜产生所需的超分辨光瞳滤波器相位面形,由波前传感器实时测量出射波前,测量结果与设定的波前位相进行对比,根据对比结果调整变形镜面形,重复这一过程,直至变形镜面形达到设计要求,完成对超分辨位相结构的闭环拟合,实现超分辨效果。接下来进行超分辨效果测试。首先进行的是点扩散函数测试,得到衍射矫正和不同特性超分辨滤波器矫正下焦面处的光斑,对采集到的光斑做横向截面曲线,对比发现实验超分辨效果与理论计算基本相符,证明研究思路可行。然后重新搭建实验系统,对标准分辨率板(USAF1951)上第6组第2个元素进行超分辨效果测试,对CCD相机采集到的不同矫正条件下得到的图像进行处理,对比结果显示变形镜作为相位型光瞳滤波器,能够对图像产生超分辨效果,但由于主瓣的压缩,旁瓣的增强,导致超分辨成像对比度降低,图像清晰度不高。进一步,改进自适应超分辨光学系统,重新设计性能更好的Zernike超分辨函数,将本文提出的超分辨技术应用于人眼视功能影响测试。在两种不同超分辨光瞳滤波器调制下,先后对人眼点扩散函数(PSF)和对比敏感度函数(CSF)进行测试。实验结果证明人眼点扩散函数在不同光瞳滤波器的作用下会有不同变化,变化的规律符合预期超分辨效果。对比灵敏度函数测试结果及对实验结果的统计性分析表明,在光瞳滤波器(SR1)的矫正下,两名被试的对比灵敏度函数增益均有显著提升,而在另一个光瞳滤波器(SR2)的矫正下,人眼对比灵敏度函数并没有获得显著性增益。针对这一结果,论文进行了深入分析和讨论。本文研究了一种新的超分辨光瞳滤波器设计及实现方法,仿真和测试了不同情况下的超分辨效果,并测试了这种技术对于人眼视功能的影响,研究获得了初步成果,但在这一过程中也发现了有待思考和解决的许多问题,值得再做进一步深入的钻研。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN713;TP391.41
【部分图文】：

斑与点扩散函数[2]。(a)艾利斑成像示意图;(b)点扩散函数三维光强图;(c)曲线;(d)艾利斑成像起初认为只要把显微镜片制作得足够精细，理论上可以观察到然而，1873 年，德国物理学家阿贝（Ernst KarlAbbe）发现显微辨率极限（Diffraction resolution limit）的约束[3][4]：任何完美的器能够分辨的物体最小细节为02dNA 中，λ0是照明波长，NA 是光学系统数值孔径（Numerical Apertu多年后，英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）提出了物体两点分Rayleigh Criterion）[4][5]。根据瑞利判据，非相干成像条件下,两好被分辨的条件是，当一个像斑的中心落到另一个像斑的边缘好被分辨，即显微成像系统可分辨的两点最小距离等于光学系径

图 1-2 Rayleigh Criterion 示意图[6] Rayleigh 判据，根据不同的应用场合，衍射分辨率极限的标准据（Dawes Criterion）、斯派罗判据（Sparrow Criterion）[6][7]等单介绍。Dawes Criterion 认为人眼刚刚能分辨的两个衍射斑之间00 . 5 1dNA 中黑实线所示。

图 1-2 Rayleigh Criterion 示意图[6]ayleigh 判据，根据不同的应用场合，衍射分辨率极限的标准（Dawes Criterion）、斯派罗判据（Sparrow Criterion）[6][7]等介绍。Dawes Criterion 认为人眼刚刚能分辨的两个衍射斑之间00 . 5 1dNA 黑实线所示。d>0.61λ0/NA d=0.61λ0/NA d<0.61λ0/NA完全分辨 刚好分辨 不能分辨

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本文编号：2828548