为了实现所研制的角膜地形图仪应用于临床检验, 将Klyce经典的三维形貌重构模型改成光线逆追踪法进行建模: 获得24环每环256个点的亚像素级二维数据; 将这些数据由最小二乘法估算出原始假设椭球面; 对该椭球面进行修正, 得到最符合真实角膜的曲面。先采用Canny算法得到像素级的二维数据; 然后对数据的灰度进行平滑降噪; 之后对数据的灰度梯度进行3次拟合以获得亚像素级数据; 最后, 用标准的角膜地形图仪获得的清晰图片实现三维重构。通过分析两者获得的曲率半径及屈光度数据, 发现其误差小于0.9%, 表明该方法具有可行性。

为实现角膜地形图仪中实时图像检测, 找到一种图像清晰度评价函数对实时角膜图像进行快速、稳定、精确的判别至关重要。基于角膜地形图仪中光学成像系统, 分析系统离焦对图像清晰度的影响, 并提出一种关于图像清晰度的评价方法。该方法选择拉普拉斯函数作为全局图像粗调的评判参数, 通过霍夫圆变换及亚像素边缘检测来确定图像的中心点, 并采用Sobel算子与Canny算子相结合的边缘检测方法根据中心点找出最清晰边缘, 从而实时获得最清晰的角膜图像。实验表明, 该方法具有很好的稳定性和抗噪性, 能够准确、有效地评价角膜图像的清晰度, 可用于角膜地形图仪中实时图像的精准检测。

为了实现检测角膜的表面形貌, 设计了基于Placido盘的角膜地形图仪投射照明系统。首先, 根据人眼的明视觉光谱光视效率、CCD元件光谱响应曲线以及仪器对面光源照度与发光均匀性的要求, 进行了LED背光源设计。其次, 根据角膜地形图仪检测原理, 比较了球形和椭球形Placido盘的利弊, 在背光源照明下分析了这两种面型Placido盘的光照情况。分析显示, 椭球形Placido盘的最大辐照度优于球形盘。采用反向逆推法建立数学模型, 利用Matlab软件求解确定了盘上黑白条纹环的分布。最后, 根据上述设计参数进行了Placido盘加工, 搭建了投影照明实验装置, 并利用标准模型眼对所获得的投射照明系统进行检测。实验结果表明: 在主波长为625 nm的AlGalnP红色LED面光源照明的情况下, 采用所设计的24环椭球型Placido盘成像到CCD上的黑白条纹环满足等间隔均匀分布的要求, 检测精度可达到0.05 m-1, 较好地满足了角膜地形图仪对投射照明系统的高对比度、高精度的要求。

为实现基于Placido盘的角膜地形图仪中图像的有效采集, 根据人眼角膜的特点以及所选用的CCD面阵参数, 设计了一套对称式消色差物镜及准直照明透镜系统。利用初级像差理论及PW法计算成像镜头的初始结构, 根据近轴光线追迹公式计算准直照明透镜参数, 利用Zemax光学软件进行系统优化。成像镜头结构由2组4片镜片组成, 有效焦距为20 mm, 后工作距离为19.2 mm, 相对孔径为1/3, 全视场角为8°, 光学总长控制在20 mm以内。在镜头分辨率66 lp·mm－1处, 所有视场的调制传递函数值均大于0.3, 全视场畸变量小于0.5%。该系统具有整体结构简单、紧凑、易加工、成本低、成像质量好等特点, 其性能很好地满足了整机的要求。

选取适合角膜地形图仪的调焦函数并设计搜索方法。基于角膜地形图仪的图像拍摄要求及调焦系统原理,采用八种调焦评价函数对实验图像进行处理,对比分析不同调焦函数的单峰性、一致性、灵敏度、计算速度等指标。结果显示:除了Variance函数的单峰性较差,其他七种函数都有良好的单峰性、一致性和计算速度,而Laplacian函数灵敏度最高,有效测量范围小,适合精确调焦;NRSS函数灵敏度低,有效测量范围大,适合粗调焦。基于所选取的调焦评价函数,针对角膜地形图仪调焦系统,设计了一种基于阈值判别条件的搜索方法,确定其调焦阈值,并通过实验验证该方案的有效性。