光纤模场直径测量的两段多项式函数拟合法

光纤的模场直径对于评价光纤性能非常重要。远场可变孔径法是工业中测量模场直径的常用方法。目前基于远场可变孔径法的各类测量仪器使用较多的孔径,测量时间长,效率较低。针对这些问题,文中用OFM光纤测量仪测量得到光功率数据,并将两段多项式函数拟合法运用于模场直径数据的处理中。实验结果显示,该方法在20个孔径时的测量结果稳定性优于原直接拟合的结果,且在满足测量精度的前提下,能将原来的20个测量孔径光阑减少至10孔,提高了仪器的测量速度,可满足光纤生产厂家在现场质量控制中快速测试的需求。

分段多项式拟合法测量光纤几何参数

光纤几何参数是影响光纤性能的一个重要指标。灰度法为光纤几何参数测量的一种常用方法,测量时需要对光纤通光照明以区分纤芯和包层。由于光并不完全集中于纤芯传播(部分光在包层中传播),导致纤芯与包层的界面难以区分。为了准确找出纤芯边缘,本文利用两段多项式分别拟合纤芯和包层区域的光强灰度分布,求得两段多项式的交点对应的灰度值作为纤芯和包层的分界点,从而得到纤芯的边缘数据。利用分段三次Hermite插值对测量数据进行矫正,降低误差点对拟合的影响。通过对两组成像质量不同的光纤端面图像进行测量,用标准仪器先后测得纤芯的直径和不圆度为10.068μm、0.616%和10.397μm、0.766%,本文方法的测量值为9.999μm、0.716%和10.020μm、0.857%。实验表明,本文方法对光纤几何参数的测量具有较好的准确性和稳定性,而且从理论上讲,本文方法较之常用的灰度法更具有物理意义和测量原理上的合理性。

眼镜镜片尖边轮廓的五轴数控加工

为了改善和优化眼镜镜片的加工流程,避免镜片尖边加工过程中刀轴矢量变化剧烈、影响工件表面的加工质量,提出了一种基于UG NX的五轴数控加工路径。利用智能镜框扫描仪对镜框边缘进行扫描,获得镜框凹槽点云数据文件,编写相应程序对符合眼镜片加工标准的OMA文件中的球坐标数据进行坐标及格式转换等处理。基于NURBS曲线拟合算法,实现刀路轨迹的连续性并保证拟合曲线的精度。设计和建立一种控制刀轴矢量平滑变化的刀轴驱动约束方法,依靠曲线驱动刀轴及镜片曲面法向量约束刀轴使刀头平滑进给,并将刀轨文件经过后处理转换为NC文件。最后,对加工后的镜片进行误差测量,结果表明,通过点云数据拟合刀路曲线的方法提高了加工面的精确度和光滑性,有效缩减了加工流程,提高了加工效率。

角膜塑形镜不同后光学区直径设计参数对角膜生物力学的影响

目的研究角膜塑形镜(orthokeratology lens,OK镜)不同后光学区直径(back optical zone diameter,BOZD)设计参数对角膜生物力学特性的影响,探究OK镜对角膜的作用机制,为临床戴镜和OK镜的设计提供理论依据。方法基于角膜非球面结构和微创视神医疗科技(上海)有限公司合作提供的OK镜设计参数,建立对应OK镜与角膜的三维有限元模型,研究不同后光学区直径(5.0~6.6 mm,步长0.2 mm)设计的OK镜对角膜前表面的应力、位移曲线特征及位置差异的影响,并对应力曲线上10处特征位置(S1~S10)进行细化分析。结果不同BOZD设计的OK镜对角膜应力的影响在中央区差异较为明显,应力随BOZD的减小而增大,在S1和S2处最大分别增大66.6%、62.0%,表明小BOZD的OK镜可能会加快角膜的塑形速度并产生更显著的塑形效果;应力与位移中周区最大值的位置随BOZD的减小而减小,表明小BOZD的OK镜会促使角膜形成更小的离焦环或治疗区,但BOZD与中周最大值的位置变化关系并不是一种确定的线性关系。结论小BOZD的OK镜会加快促进角膜中央区平坦化和中周区陡峭化,提高OK镜的近防控和疗效,但BOZD并非是影响角膜离焦环或治疗区的唯一因素。

角膜塑形镜几何设计参数对角膜生物力学影响的有限元研究

目的探究角膜塑形镜(OK镜)不同几何设计参数对角膜生物力学影响的差异,揭示OK镜影响角膜塑形机制。方法建立非球面OK镜和角巩膜耦合三维有限元模型,数值分析OK镜不同近视矫正度数对应几何设计参数改变对角膜前表面轮廓和曲率分布规律、角膜前表面和角膜基质层上表面von Mises应力(von Mises stress,VMS)和眼轴位移变化的影响。结果角膜前表面的应力集中出现在中周区和周边区,而基质层上表面的应力集中仅出现在中周区。OK镜基弧的矢高随着近视矫正度数增加而减小,矫正度数为-2.0、-3.0、-4.0、-5.0、-6.0 D时,角膜最大VMS比-1.0 D增加0.81%、1.86%、2.84%、3.81%和7.04%,角膜中央区的曲率比未戴镜时平均减少2.59、3.78、4.51、4.99、5.33、6.41 D。结论近视矫正度数增加使OK镜基弧的矢高减小,导致角膜中央曲率更加平坦。OK镜的基弧区对于近视矫正和控制起着十分重要的作用。

基于Blinn-Phong技术的颈部弱脉搏振动连续拍照法获取脉搏波信号

目的颈动脉在振动较弱情况下仍保留大多数的主波、潮波、重搏波等完整信息。本文提出通过Blinn-Phong模型放大颈动脉皮肤表面振动的原始信号来获取颈动脉脉搏波。方法在近红外光照明环境中,在颈动脉皮肤上静电吸附一张光滑圆形薄膜片,建立一个局部Blinn-Phong模型。使用相机连续拍摄颈动脉处皮肤振动的图像序列,再通过对图像序列选取感兴趣区域(region of interest,ROI)的像素变化获取脉搏波原始信号。采用带通滤波和经验模态分解与重构算法,最后得到特征点保留完整及周期状态稳定的脉搏波信号。在采集颈动脉脉搏波信号时,同时用一款目前临床使用的接触式动脉血压及血流动力学检测设备TL-400,测量桡动脉脉搏波及心率等生理参数并与实验数据对比。结果在获取的15名弱脉搏受试者的颈部脉搏波信号中,其中13名受试者主波信号可以完全测得,信号周期稳定且特征点明显,潮波和重搏波信号的获取率分别为81%和72%。2名受试者由于体脂过高,获取了较少完整周期的脉搏波。与TL-400设备获取的心率具有一致性,且获取的脉搏波波形与TL-400所获取的波形特征细节及趋势一致。结论本文提出的方法可以获取颈动脉弱振动下,周期稳定并保留大多数潮波和重搏波等特征的完整脉搏波信号,为后续的心率、心率变异性、血氧甚至血压等生理参数的测量提供稳定和可靠的信号源。

多光轴渐进变焦眼镜设计

提出了一种多光轴渐进多焦点镜片设计方法,选取人眼观察使用的实际光瞳为眼镜通光口径内的小光瞳对应的元透镜设计。在子午面上,镜片视远点与视近点之间的光焦度由8次多项式确定。在光瞳面内,包含远视区和邻近视近区光瞳的光焦度分别取双曲线类型和抛物线类型分布。鉴于元透镜都是小像差系统,把元透镜看作是中心厚度已知的薄透镜,采用高斯光学方法设计面型,不必进行光路追迹和像差平衡。实验结果表明,多光轴渐进多焦点镜片屈光度和像散符合理论设计分布要求。为渐进多焦点镜片设计提供了一种新的途径。

渐进环焦自由曲面镜片设计

提出一种渐进环焦自由曲面镜片设计,从周边离焦防控及光焦度渐变的角度出发构建一个多焦点镜片。在镜片的中心部位形成有一个圆形的中心定焦区,在外周形成多个环形的周边定焦区,镜片的光焦度沿着镜片子午线及镜片水平轴按设定的光焦度高阶多项式从内至外渐变;依据相邻定焦区边缘点切平面重合的原则,由内至外依序计算各个定焦区后表面上所有点的矢高,再根据所有定焦区后表面的所有点的矢高数据生成镜片后表面。与传统非球面镜片仿真结果对比,表明渐进环焦自由曲面镜片光焦度和散光符合理论设计要求,符合正常人眼在看物体时眼球的调节功能,镜片边缘也较薄,镜片的棱镜度也较小。设计为渐进多焦点自由曲面镜片提供了一种新的途径。

渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计內移量对光学性能影响的研究

探究渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计过程中,内偏移量对镜片光学性能的影响。推导人眼在观察物体时,双眼汇聚而内转的偏移量计算公式。仿真在同等参数条件下,为实现左右眼平衡设计及在视觉生理上的视像对称,渐进多焦点自由曲面镜片下加光区四种不同的内偏移量产生的光焦度和散光分布图。通过仿真结果得出,不同的内偏移量对镜片的光焦度和散光分布有一定的影响,特别是周边像散区的分布大小;渐进多焦点自由曲面镜片的内偏移量应根据屈光不正患者实际的验光参数计算得到。

渐进自由曲面镜片光学性能仿真方法研究

提出了一种渐进自由曲面镜片的光学性能仿真方法,能够在镜片的设计阶段对镜片的光焦度和散光分布进行仿真分析。采用双三次样条曲面拟合法,通过计算自由曲面镜片面型离散点数据局部点云拟合曲面的函数,得到曲面上各点的主曲率,进而得到渐进自由曲面镜片的光焦度和散光分布。结果显示仿真方法得到的镜片光焦度和散光分布图与基于莫尔偏折法原理的FFV软件仿真和实际加工得到镜片的测量结果相类似。

负缩镜片设计方法对比

通过对比3种负缩透镜优化设计方法来选择易精密加工、质量减轻和佩戴美观的高度近视镜片。在相同的光学参数下,运用双三次样条插值法、高阶多项式和几何构造法设计了3组-10 m^(-1)的负缩镜片,对比了矢高和光焦度的分布,加工了设计的负缩镜片,比较了3种设计镜片的中心定焦区、最大厚度和边缘厚度。几何构造法镜片中心定焦区面积与双三次样条插值法相同,比高阶多项式大20.99%,最大厚度较高阶多项式法薄0.7%,比双三次样条插值法薄13.26%。同时,几何构造法边缘厚度较高阶多项式法薄80.3%,比双三次样条插值法薄92.42%;双三次样条插值法的中心光焦度与仿真结果的差值为0.06 m^(-1),几何构造法的差值为0.11 m^(-1),高阶多项式的差值为0.15 m^(-1)。几何构造法设计的镜片能够满足佩戴者的需求,亦适用于其他类型光学元件的设计。

生物医学工程专业基础课程中思政教育探索——以“微机原理与接口计算”课程为例

“微机原理与接口技术”是生物医学工程(BME)重要的计算机专业基础课,其内容多而枯燥乏味,因此在传统的教学过程中,理论知识的讲解往往占用了大量的时间,忽略了课程中所蕴含的爱国主义情怀教育。从“微机原理与接口计算”课程的教学内容中,挖掘相应的爱国主义情怀教育资源,通过与知识点的融合与穿插教学,将爱国主义情怀教育融入生物医学工程专业基础课程的教学过程中。

基于光学外差干涉的折射率测量方法

基于光学折射率是材料的一个重要的物理参数,提出了一种在泰曼格林干涉系统基础上的光学外差干涉折射率测量方法及系统。测量系统将样品放置在系统外,采用双光束干涉探测,使系统更加稳定、调整简单、测量更加精准。实验上测量了K9玻璃块样品在超连续激光光源中心波长790nm、带宽20nm下的折射率,验证了方法的有效性和可靠性。实验结果表明,系统能够准确测量出样品的折射率,测量稳定性较高,精度可以达到10-4;适用于可见光和近红外波段透明物质的折射率测量,应用领域广泛。

基于聚类算法的血管直径测量研究

血管形态的变化与疾病密切相关,血管直径是血管形态的主要参数之一,测量血管直径有助于疾病的筛查与预防。提出一种基于聚类算法的血管直径测量方法,对微血管进行测量。大多数显微血管图像(如光学显微成像或光声显微成像)中存在噪声,通过非线性变换函数对显微图像进行增强;使用训练后的U-Net网络模型进行图像分割;利用结合聚类算法以及射线算法的测量方法对分割得到的血管进行测量,得到血管直径。实验表明,算法与传统测量结果一致(P>0.05),与传统算法相比,本算法的测量精度得到提升,将测量误差由4.21%降低至2.27%,满足血管测量的准确度需求。

基于口腔自体荧光效应和深度学习的牙菌斑的分割及量化

牙菌斑是牙齿表面一层难以观测的生物膜,是导致龋齿、牙龈炎等一系列疾病的直接诱因。牙菌斑的早期定量化无损检测具有重要的临床意义。短波长光激发下,牙菌斑的细菌及其代谢产物可以产生自体荧光。基于前期成像系统的基础上,采集大量牙菌斑在405nm蓝光激发下产生的红色荧光;牙菌斑越成熟红色荧光强度越高;采用改进的U-net网络对该红色荧光进行分割,对分割出来的牙菌斑进行轮廓提取获得质心,并利用区域生长算法分割出牙菌斑所附着的牙齿,综合牙菌斑成熟程度及面积来评估牙菌斑指数。结果表明改进的U-net网络分割精度优于传统方法。将牙菌斑的面积和成熟程度结合对牙菌斑进行量化,一定程度上可以消除人为诊断的差异性。

用反射率和低相干技术测容器内液体的折射率

为测量透明容器内液体的折射率,建立了基于容器内表面反射率测量的低相干技术实验系统。系统采用宽带低相干半导体激光光源和改进的迈克尔逊干涉仪,将装有待测液体的容器放入测量臂光路中,调节参考臂的光程,使由容器前壁内表面反射光的光程与来自参考臂反射光的光程相等,出现干涉现象。捕捉并记录下此干涉信号,并从中求出容器前壁内表面反射光的强度,再结合菲涅尔公式及反射率的定义,即可求出待测液体的折射率,其测量精度与阿贝折射仪相当。方法能够方便、快捷、准确地测出容器内液体的折射率,可用于食品、生物医学检验等领域内液体浓度或折射率的实时非接触监测。

食用油折射率的光干涉快速测量方法

折射率是食用油品质的一项重要指标。为测量食用油折射率,基于泰曼-格林干涉仪,在室温20℃、光源波长632.8nm条件下,通过面阵CCD相机拍照获取食用油的干涉条纹图像,并利用图像处理技术,快速测量出不同食用油样品干涉条纹的移动量,进而求得其折射率。对几种常见的食用油进行了测量,得到花生油、玉米油、大豆油、菜籽油、橄榄油以及葵花和玉米油1∶1混合后的折射率分别为1.470 9、1.473 5、1.472 9、1.471 8、1.469 4、1.473 8。结果表明,利用该方法能够对食用油折射率进行快速测定,同时实验结果精度高,能为食用油品质及地沟油的现场检测提供一种简便有效的手段。

内渐进镜片加工中的过切判据的研究

针对内渐进镜片在加工过程中出现过切的情况,提出一种判断方法。该方法使用双三次样条曲面参数方程计算自由曲面各点曲率半径最小值,通过三维软件对曲面曲率半径进行计算,研究镜片在机床上实现加工的判据。由分析和计算表明,若曲面加工范围内存在某些点的曲率半径小于给定的机床刀具半径,则机床无法加工内渐进镜片的曲面。

内表面污染物的低相干光干涉检测法

为检测透明容器内表面是否存在污染物,建立了基于容器壁内表面反射的低相干光干涉测量系统。实验采用宽带低相干半导体激光光源和改进的迈克尔逊干涉仪。将测量臂光路对准透明容器,并调节参考臂的光程,使容器内表面反射光的光程与参考臂反射光的光程相等,并出现干涉现象,捕捉并记录此动态干涉信号。经MATLAB软件处理并提取此信号,根据干涉光强度的不同即可辨别透明容器内是否存在污染物。该检测法可为生物医学、食品质检等领域检测透明容器内表面污染物提供一种方便快捷的新方法。

生物医学工程专业(BME)微机原理及应用课程混合式教学探索

随着信息时代的到来和互联网的发展,教学模式也在发生着深刻变化,线上线下混合式教学模式成为高校教学改革研究的重要方向。通过分析微机原理及应用课程的特点和教学中存在的问题,重点阐述了线上线下混合式教学模式在课程中的具体运用,包括线上课程资源建设、线上线下教学过程设计和过程化考核等。该教学模式从课前、课中和课后三个阶段将线上学习与线下课堂教学有机结合,同时融入生物医学工程专业(BME)知识,以期提升本课程的教学质量和学习效果。