为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题，设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先，对测量原理进行了详细介绍；接着，利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟，并分析了实际测量屈光度与仪器-人眼距离的函数关系；最后，成功搭建了试验样机，并通过对中国计量科学研究院模拟眼进行屈光测量来验证函数关系的正确性及测量结果的准确性。实验结果表明该系统能有效地对-10~+10 D范围内的模拟眼进行屈光测量，测量结果显示：球镜度重复测量误差最高不超过0.20 D，变异系数不超过3%；柱镜度重复测量误差最高不超过0.25 D，变异系数不超过9%。此外，该系统结构简单且成本低廉。在满足测量结果准确性、稳定性要求的前提下，该系统更适用于需要仪器小型化的场合，具有广阔的应用前景。

为了精确监测脑血管手术中术野范围内目标血管的流速及流量, 研究了一种基于激光散斑衬比成像(Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI)技术的脑血流分析方法, 来确认血管吻合后血流的流通及脑部血流灌注情况。首先, 搭建LSCI系统采集散斑图像, 对它进行改进的时间衬比分析和伪彩色处理, 得到血流速度图像来监测流速变化。其次, 手动选取感兴趣区域的基准点截取感兴趣区域, 对感兴趣区域图像预处理后利用改进的Canny算法提取血管边缘线并计算血管管径。最后, 通过动物实验验证LSCI系统血流速度变化监测和血管管径测量功能的可靠性。实验结果显示: 改进的Canny算法将血管管径测量的相对误差降低到5.1%。基于LSCI技术的脑血流分析方法可监测血流速度变化, 并测量得到血管的有效流通直径, 结合激光多普勒血流仪可以实现术中血流流速及流量的精确监测。

现行的疲劳监测设备造价昂贵, 便携性差且有效性不高, 正面疲劳监测方案极大地影响了使用者的工作效率, 因此进行实用且准确的疲劳监测方案研究十分有意义。提出了新型的侧眼眼动疲劳监测眼镜并结合N-Range图像处理算法提高眼部定位的鲁棒性与疲劳监测的准确率。在侧眼图像处理过程中, 用N*N的卷积核及Sigmoid函数计算激活图, 采用OTSU阈值分割法对激活图进行阈值分割, 将小于阈值的像素点激活值置于0。据此计算水平方向与垂直方向的标准差投影, 从投影图中通过平均阈值法定位出人眼区域, 随后通过计算人眼高宽比表征眼部闭合度, 采用基于PERCLOS的P80疲劳评测方法为设备的使用者进行实时的疲劳分析。实验结果表明现行设备所存在的问题, 通过我们的方案得到了很好的解决, 即使在复杂的环境中, 本文的方法仍然表现出色, 疲劳判决准确度达到了94%。疲劳监测眼镜与N-Range算法可以实现在不影响使用者作业效率的前提下, 仍然保持着较高的疲劳监测精度, 具有较高的实用价值。

为了对圆锥角膜为代表的角膜扩张类疾病进行安全有效的治疗, 减小手术过程中的人工对准误差, 设计了一种用于角膜交联手术装置的光学系统。根据角膜交联手术治疗光斑尺寸、均匀性及工作距的要求, 基于复眼透镜阵列匀光原理进行了照明系统设计。设计了一种对人眼区域成像, 工作距离为175 mm, 放大率β=-4.2的红外镜头。最后, 搭建了角膜交联装置原理样机, 并对所设计的光学系统进行了测试。实验结果表明, 紫外照明光路工作距离为65 mm, 输出光斑直径为9 mm, 均匀度为90.2%, 达到了国外同类仪器水平, 红外成像光路可以为手术过程中人眼位置的追踪和定位提供清晰、良好的图像。本文设计的角膜交联装置的光学系统具有结构简单、成本低廉、性能良好等特点, 可以很好地满足手术需要。

提出一种基于直方图二值化和改进的轮廓跟踪的瞳孔检测方法。首先对采集的瞳孔图像计算直方图, 根据直方图特征取出合适的阈值进行二值化, 再对二值化后的图像进行轮廓跟踪, 得到精确的轮廓边界, 进而得到直径、中心等信息。对前一帧瞳孔图像进行瞳孔信息计算后, 后一帧图像以该瞳孔中心为中心, 缩小检测区域进行直方图二值化及瞳孔轮廓跟踪, 得到该帧图像的瞳孔信息, 减少运算, 加快检测速率。该算法鲁棒性高, 速度快, 可满足 300帧/s的实时检测速度。

为了降低双目瞳孔检测系统放大率对瞳孔位置的敏感性, 设计了一款基于近红外远心镜头的双目瞳孔检测仪。阐述了系统中的核心部件——近红外远心镜头光学参数的计算过程, 分前后组进行设计, 并运用Zemax完成光学系统优化, 以全视场MTF、全视场最大畸变和物方远心度为指标对系统进行公差分析, 利用标准圆对仪器进行标定, 拟合出像素数和瞳孔大小的对应关系。结果表明, 对于55 mm~75 mm的瞳距, 瞳孔的直径测量精度可达0.05 mm, 满足使用要求。