Увеличивающее стереоскопическое устройство

 

Изобретение относится к оптико-механическим приборам медицинской техники, в частности бинокулярным приборам наблюдения стереоскопического изображения мелкоструктурных объектов в увеличенном масштабе. Направляющая выполняется в виде двух параллельных стержней с наконечниками, двух кареток с поводковой втулкой каждая и держателя с двумя параллельными отверстиями, в которые установлены стержни с возможностью независимых вращений. Дистальные участки одного стержня, отвечающего за синхронные продольные перемещения монокуляров, сопряжены посредством резьбовых соединений правого и левого вращения с правой и левой каретками, а дистальные участки другого стержня, отвечающего за синхронные повороты монокуляров в сагиттальной плоскости, оснащены поводками и сопряжены посредством поводковых втулок с наружными резьбами правого и левого вращения со вторыми резьбовыми отверстиями кареток. При этом каждая из втулок выполнена с продольным пазом, в который входит поводок стержня, и поперечным кольцевым пазом, в который входит поводок монокуляра. В свою очередь, каждая из кареток сопряжена с монокуляром посредством вертикальной оси, являющейся центром вращения монокуляра в сагиттальной плоскости. При этом отверстия для стержней в держателе сформированы параллельными призматическими пазами и замыкающей их пружинной накладкой, а каретки выполнены с продольными и поперечными незамкнутыми пазами, обеспечивающими упругую выборку люфтов в резьбовых соединениях. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к приборам для наблюдения стереоскопического (трехмерного) изображения объектов, расположенных преимущественно в пределах расстояния наилучшего зрения, в увеличенном масштабе. Оно может использоваться в различных областях человеческой деятельности, связанных с необходимостью наблюдения увеличенного в заданном масштабе объемного изображения предмета труда, например, при проведении операций на коронарных сосудах сердца малого диаметра.

Известны увеличивающие стереоскопические устройства (в дальнейшем - УСУ) для работы с мелкоструктурными предметами труда в различных областях человеческой деятельности, содержащие два монокуляра, сформированные механизмом их перемещения в бинокулярную увеличивающую систему ближнего действия.

Однако такие УСУ имеют функционально незавершенную конструкцию механизмов управления монокулярами для регулировки глазного базиса и параллактического угла между оптическими осями монокуляров, в силу того что каждый монокуляр сопряжен независимым сферическим шарниром с соединяющим их в бинокулярную систему механизмом, а сами шарниры соединены с ним жестко без возможности перемещений в процессе эксплуатации.

Известно [1], что допустимое для человека отклонение в непараллельности вертикальных направлений осей глаз составляет 7-8 угловых минут, а с учетом кратности увеличения Г монокуляров 7,5 угл.мин./-/(Г-1). Очевидно, что при такой конструкции с независимыми вращениями монокуляров в сферических шарнирах двумя руками одновременно в меридиональной и сагиттальной плоскостях невозможно обеспечить установку надлежащим образом оптических осей монокуляров, не создав при этом дискомфорта для системы "глаз - мозг".

Кроме того, поскольку в естественном зрении поддерживается тесная связь между аккомодацией и конвергенцией, то соответственно в бинокулярной системе УСУ установка необходимого параллактического угла, соответствующего расстоянию до наблюдаемого объекта, вызывает изменение расстояния между выходными зрачками монокуляров, которое необходимо приводить в соответствие с глазной базой пользователя и тем точнее, чем меньше диаметр выходных зрачков УСУ. Однако это возможно в конструкции "БЕЛОМО" только при снятии с головы пользователя УСУ при помощи отвертки для обеспечения перемещения шарниров с монокулярами методом последовательных приближений, что противоречит условиям эксплуатации их в медицине.

Известно также УСУ [2], которое по своей технической сущности является наиболее близким к предложенному техническому решению и принято за прототип.

Оно содержит два монокуляра, сформированные в бинокулярную систему ближнего действия механизмом синхронного перемещения, обеспечивающего регулировку межцентрового расстояния. В этом УСУ совмещение выходных зрачков монокуляров со зрачками глаз пользователя осуществляется поворотом монокуляров относительно их общей оси вращения (аналогично полевому биноклю). Поскольку монокуляры жестко установлены под определенным углом к оси вращения, то траектория перемещения их оптических осей является поверхностью конуса, основание которого лежит в плоскости "входные зрачки УСУ - зрачки глаз пользователя", а вершина, являющаяся точкой пересечения оптических осей, определяет положение плоскости предмета труда. Поэтому высота конуса является фиксированной величиной, соответствующей расстоянию наилучшего видения для данной конструкции.

Существенными недостатками данного УСУ являются: - отсутствие возможности пользователю в зависимости от условия и вида выполняемой работы устанавливать удобное и привычное расстояние до предмета труда, что вынуждает его во избежание двоения изображения нарушать привычную координацию движений и подстраивать ее под рабочее расстояние, заложенное в конструкции УСУ; - ограничение функциональных возможностей из-за отсутствия корректировки параллактического угла - угла между оптическими осями монокуляров, в результате чего, даже наличие диоптрийной коррекции (фокусировки) в монокулярах не дает возможности использовать их слабовидящим людям, например, в режиме бинокля для видения разноудаленных объектов; - сравнительно большая масса и сложность конструкции из-за наличия механизма перемещения монокуляров в вертикальной плоскости для совмещения выходных зрачков со зрачками глаз при регулировке межокулярного расстояния: масса призматических очков (прототипа) серии E составляет 165 г, а серии F - 265 г [2]; естественно, УСУ с такой массой не может удерживаться на голове пользователя стандартной очковой оправой, использование же для их ношения головного шлема ограничивает их широкое применение.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, упрощение управления монокулярами и улучшение эргономичного дизайна за счет обеспечения точного согласования оптических осей с визирными осями глаз пользователя в независимости от изменения величины аккомодации, т.е. изменения рабочего расстояния до наблюдаемого предмета, и глазного базиса пользователя.

Эта цель достигается тем, что в устройстве, содержащем два монокуляра, установленные с возможностью перемещений в сагиттальной плоскости на дистальных участках направляющей, которая шарнирно соединена посредством кронштейна, преимущественно со стандартной очковой оправой, направляющая выполнена в виде двух параллельных стержней с наконечниками, двух кареток с поводковой втулкой каждая и держателя с двумя параллельными отверстиями, в которые установлены стержни с возможностью независимых вращений, дистальные участки одного стержня, отвечающего за синхронные продольные перемещения монокуляров, сопряжены посредством резьбовых соединений правого и левого вращений с правой и левой каретками, а дистальные участки другого стержня, отвечающего за синхронные повороты монокуляров в сагиттальной плоскости, оснащены поводками и сопряжены посредством поводковых втулок с наружными резьбами правого и левого вращений со вторыми резьбовыми отверстиями кареток, при этом каждая из втулок выполнена с продольным пазом, в который входит поводок стержня, и поперечным кольцевым пазом, в который входит поводок монокуляра, в свою очередь, каждая из кареток сопряжена с монокуляром посредством вертикальной оси, являющейся центром вращения монокуляра в сагиттальной плоскости.

Кроме того, с целью обеспечения безлюфтового сопряжения стержней с держателем и параллельности стержней между собой, отверстия в держателе сформированы параллельными призматическими пазами и замыкающей их пружинной накладкой, а с целью обеспечения упругой выборки люфтов в резьбовых сопряжениях, каретки выполнены с продольными и поперечными незамкнутыми пазами.

В патентной и технической литературе авторы не обнаружили подобных технических решений и на этом основании пришли к заключению о наличии в заявленном техническом предложении существенных отличий, определяющих его новизну.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема конструкции УСУ; на фиг. 2 - размещение устройства с автономным осветителем на стандартной очковой оправе.

Стереоскопическое устройство представляет собой оптико-механическую бинокулярную систему, включающую в себя монокуляры 1, каретки 2 и 3, стержни 4 и 5 с наконечниками 6 и 7, держатель 8, горизонтальную ось вращения 9, кронштейн 10 и носитель 11.

Монокуляры представляют собой зрительные трубки прямого изображения от двух до двенадцатикратного увеличения, преимущественно с фокусирующей системой (аналоговой, дискретной или комбинированной) на разноудаленные объекты от 160 мм до бесконечности.

Механизм управления монокулярами для изменения межокулярного расстояния B и параллактического угла α между их оптическими осями в сагиттальной плоскости состоит из направляющей, выполненной в виде двух параллельно установленных в отверстия держателя 8 стержней 4 и 5 с возможностью их независимых вращений, а также кареток 2 и 3 с параллельными резьбовыми отверстиями соответственно правого и левого вращений. Опорная поверхность кареток параллельна продольным осям стержней и сопряжена с базовой плоскостью монокуляров 1, параллельной их оптическим осям, посредством двух вертикальных осей 12 и 13. Таким образом, дистальные участки стержня 4 с наконечником 6, предназначенного для обеспечения продольных перемещений монокуляров, сопряжены непосредственно при помощи резьбовых соединений правого и левого вращений с каретками, а дистальные участки стержня 5 с наконечником 7, предназначенного для поворота монокуляров 1 в сагиттальной плоскости (относительно кареток), оснащены поводками 14 и сопряжены посредством поводковых втулок с наружными резьбами соответственно правого (не показана) и левого 16 вращений со вторыми резьбовыми отверстиями кареток. Каждая из поводковых втулок выполнена с продольным пазом 17, в который входит поводок 14 стержня 5, и поперечным кольцевым пазом 18, в который входит поводок 19, жестко соединенный с оправой монокуляра. Для сопряжения поводкой 19 с кольцевыми пазами втулок 16 в опорной поверхности каждой каретки выполнен сквозной паз 20. Для установки автономного осветителя на держателе выполнено два резьбовых отверстия 21.

Стержни 4 и 5 помещены в параллельные призматические пазы 22, которые замкнуты пружинной накладкой 23 при помощи винтов 24.

В каретках 2 и 3 выполнены незамкнутые пазы 25 и 26 и установлены стягивающие регулировочные винты 27.

УСУ работает следующим образом.

Информация об изображении наблюдаемого объекта 28, освещенного естественным или искусственным источником света, трансформируется пучками лучей посредством оптических систем (не показаны) монокуляров 1 через зрачки на сетчатки глаз пользователя. Для создания естественного впечатления о пространственном образе наблюдаемого объекта (на основании сформированных на сетчатках двух изображений), имеющего место при рассматривании предметов невооруженными глазами, в устройстве предусмотрена возможность поддержания тесной связи конвергенции и аккомодации.

Так, при выборе пользователем рабочего расстояния L (расстояния наилучшего видения) до предмета труда, удобного для выполнения определенного вида работ, например при реконструктивных операциях на органах человека, обеспечение комфортного наблюдения стереоскопического изображения и точной координационной связи замкнутой системы "предмет труда - оптическое изображение - зрительно-мозговой аппарат - стереоскопический образ - руки - предмет труда" достигается следующим образом. Сфокусировав монокуляры на данное расстояние до получения резкого изображения предмета труда, приводят в соответствие расстояния аккомодации и конвергенции с удержанием их расхождения в зоне комфорта, определяемой величиной в 1 дптр. Для чего вращением правого наконечника 6 стержня 4 каретки 2 и 3 с монокулярами 1 синхронно перемещаются в противоположных направлениях по резьбам направляющего стержня 4 и посредством поводковых втулок 16 по образующей направляющего стержня 5. Таким образом изменяют расстояние B между выходными зрачками монокуляров, устанавливая его соответствующим глазному базису пользователя. Вращением левого наконечника 7 стержня 5 синхронно перемещают в каретках поводковые втулки 16 вдоль стержня в пределах паза 17. Соответственно, посредством паза 18 и поводка 19, перемещают монокуляры радиально относительно оси 12 в противоположных направлениях, изменяя параллактический угол между их оптическими осями до устранения двоения изображения рассматриваемого предмета. Очевидно, что чем точнее производится совмещение точки пересечения оптических осей монокуляров с предметной плоскостью, тем меньше расхождение между параллактическим углом α_o и углом конвергенции α_в (углом между визирными осями) и, следовательно, меньше нагрузка на зрительно-мозговой аппарат и комфортнее наблюдение вооруженными глазами.

При необходимости наблюдения предмета невооруженными глазами без снятия УСУ с головы пользователя монокуляры с механизмом их управления могут откидываться в верхнее положение путем поворота вокруг горизонтальной оси 9. Надежная фиксация устройства в любом положении относительно очковой оправы обеспечивается за счет силы трения в сопряжении оси с кронштейном, которая регулируется стягивающим винтом 29.

С помощью винтов 24 и пружинной накладки 23 регулируется усилие прижатия стержней к стенкам призматических пазов 22, чем обеспечивается устранение люфтов между стержнями 4, 5 и держателем 8, а также величина усилия, необходимого для управления монокулярами.

Винтом 27 обеспечивается выборка люфтов в резьбовых сопряжениях между каретками 2, поводковыми втулками 16 и стержнем 4.

Данное техническое решение обеспечивает изменение величины параллактического угла α_o между оптическими осями монокуляров от 25^o (при b = 72 мм, L = 100 мм) до 0^o (при L = бесконечности).

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает оперативную корректировку параллактического угла для точного совмещения оптических осей монокуляров с визирными осями глаз, а также расширяет функциональные возможности УСУ, обеспечивая его работу в двух режимах: мобильного стереоскопического микроскопа с большим рабочим расстоянием до предмета труда (бинокулярного прибора ближнего действия) и бинокля (наблюдательного стереоприбора дальнего действия). А расположение органов управления межзрачковым расстоянием и параллактическим углом с внешних сторон УСУ обеспечивает свободное и удобное управление устройством непосредственно в рабочем процессе, не отвлекая пользователя от выполняемой работы. Все это вместе придает УСУ функциональную и конструктивную завершенность, отвечающую требованиям современного эргономичного дизайна.

По данному техническому решению изготовлены экспериментальные образцы со следующими техническими характеристиками: Стереоскопическая разрешающая способность, лин/мм - 84 Пластика, крат - 74 Рабочее расстояние, изменяющееся окулярными насадками, мм - 250 - 350 - 300 - 400 - 350 - 450 - 400 - 550 - 500 - 1000 - 1000 - бесконечность Линейное поле зрения, мм, при рабочем расстоянии: 450 - 250 мм - 90 - 185 100 м - 30500
Угловое поле зрения, град - 17
Световые диаметры линз, мм:
фронтальной - 30
глазной - 12
Удаление выходного зрачка, мм - 12,5
Диапазон изменения межзрачкового расстояния, мм - 56 - 74
Диапазон изменения параллактического угла между осями монокуляров, град - 0 - 25
Масса устройства без очковой оправы, г, не более - 48
Масса осветителя, г, не более - 15
При необходимости дополнительного освещения рабочего поля может быть использован автономный осветитель, который закрепляется на держателе механизма перемещения монокуляров.

Формула изобретения

1. Увеличивающее стереоскопическое устройство, содержащее два монокуляра, установленные с возможностью перемещений в сагиттальной плоскости на дистальных участках направляющей, которая шарнирно соединена посредством кронштейна преимущественно со стандартной очковой оправой, отличающееся тем, что направляющая выполнена в виде двух параллельных стержней с наконечниками, двух кареток с поводковой втулкой каждая и держателя с двумя параллельными отверстиями, в которые установлены стержни с возможностью независимых вращений, дистальные участки одного стержня, отвечающего за синхронные продольные перемещения монокуляров, сопряжены посредством резьбовых соединений правого и левого вращений с правой и левой каретками, а дистальные участки другого стержня, отвечающего за синхронные повороты монокуляров в сагиттальной плоскости, оснащены поводками и сопряжены посредством поводковых втулок с наружными резьбами правого и левого вращений со вторыми резьбовыми отверстиями кареток, при этом каждая из втулок выполнена с продольным пазом, в который входит поводок стержня, и поперечным кольцевым пазом, в который входит поводок монокуляра, в свою очередь, каждая из кареток сопряжена с монокуляром посредством вертикальной оси, являющейся центром вращения монокуляра в сагиттальной плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия для стержней в держателе сформированы параллельными призматическими пазами и замыкающей их пружинной накладкой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каретки выполнены с продольными и поперечными незамкнутыми пазами, обеспечивающими упругую выборку люфтов в резьбовых соединениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2