Растровая дифракционно-апертурная маска для коррекции недостатков зрения

 

Растровая дифракционно-апертурная маска для коррекции недостатков зрения относится к области оптического приборостроения и медицинской технике, в частности к очковой оптике, и позволяет корректировать недостатки зрения. Растровая дифракционно-апертурная маска состоит из непрозрачной маски с набором прозрачных областей и элементов для крепления перед глазами. Прозрачные области выполнены в виде овалов, размеры которых в выбранном направлении связаны с рефракцией глаза в этом меридиане, длина оси овала изменяется от 2,6 до 0,1 мм. Массив прозрачных областей выполнен в виде гексагонального растра с шагом 1-6 мм, шаг растра определяется диаметром зрачка пользователя. Технический результат от использования предлагаемой растровой дифракционно-апертурной маски заключается в выборе оптимальных формы, размеров и расположения прозрачных областей на маске в зависимости от характеристик глаза пользователя, что и обеспечивает возможность коррекции недостатков зрения, а также улучшение цветового восприятия и улучшение визуальной оценки расстояний между предметами. 2 з.п.ф-лы, 5 ил, 1табл.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и медицинской технике, в частности к очковой оптике, и позволяет корректировать недостатки зрения.

Известны оптические устройства, состоящие из маски с отверстиями и очковой оправы [1,2] . На непрозрачной маске имеется длинное отверстие (или прозрачная область) в виде горизонтальной щели [1], расширяющейся в боковой части маски [2], и набор дискретных круглых отверстий (прозрачных областей), имеющих диаметры от 0,5 до 1,2 мм. Размер и расположение щели, набора отверстий и расстояние между отверстиями выполнены таким образом, чтобы одновременно обеспечить возможно большее поле зрения и уменьшить до минимума световой поток, попадающий в глаза пациента. Конструкция в устройстве [2] позволяет увеличить боковое поле зрения по сравнению с конструкцией [1]. Устройство предназначается для облегчения состояния больных катарактой.

Недостатком данного устройства является невозможность связать размеры и расположение прозрачных областей с рефракцией глаза и корректировать недостатки зрения.

Известна так же оптическая сетка для коррекции оптических аберраций [3], содержащая сквозные ячейки в виде одинаковых квадратных усеченных пирамид, большие основания которых расположены на внешней по направлению света поверхности оптической сетки. С целью улучшения качества изображения, ячейки оптической сетки образованы двумя наборами параллельных стержней, имеющих треугольное поперечное сечение, стержни обоих наборов взаимно перпендикулярны. Ширина стержней равна 1 мм, а площадь меньшего основания квадратной усеченной пирамиды - 0,4 - 4 мм², при этом отношение площади большего основания каждой квадратной усеченной пирамиды к площади ее меньшего основания должно составлять (2,25-36):1. Оптическая сетка может применяться в оптическом приборостроении для коррекции оптических аберраций линз, в частности очковых линз.

Недостатком данного устройства является: сложность конструкции, отсутствие связи между конструктивными параметрами и характеристиками глаза.

Известно так же оптическое устройство [4] для послеоперационных больных катарактой, заключающее в себе непрозрачную маску, закрепленную в очковой оправе или другом средстве для крепления перед глазами. Маска включает набор прозрачных областей, размер и положение которых взаимосвязанных таким образом, чтобы, во-первых, уменьшить поток проходящего через маску света до величины примерно 1,23% от падающего, и, во-вторых, увеличить изображающую и фокусирующую способность глаза. Прозрачные области являются круглыми с диаметрами от 0,375 мм до 0,8 мм. Прозрачные области образуют прямоугольный растр, расстояние между центрами областей вдоль одного ряда от 2 мм до 5,5 мм.

Недостатком данного устройства является следующее: - размеры и форма отверстий выбираются таким образом, чтобы ослабить световой поток в требуемой степени. Это делает невозможным использование таких масок для коррекции недостатков зрения.

- прозрачные области на маске располагаются таким образом, чтобы максимально увеличить обзор, не нанося вреда глазам пациента. В способе расположения прозрачных областей размер зрачка не принимается во внимание. Это приводит к значительному двоению и троению изображения на сетчатке и к неудовлетворительному видению.

Наиболее близким техническим решением является устройство, состоящее из непрозрачной маски, закрепленной в очковой оправе или другом средстве для крепления перед глазами, включающей набор прозрачных областей [4].

Для обеспечения возможности коррекции недостатков зрения, а также улучшения цветового восприятия и улучшения визуальной оценки расстояний между предметами предлагается следующее техническое решение.

В растровой дифракционно-апертурной маске для коррекции недостатков зрения, состоящей из непрозрачной маски с набором прозрачных областей и элементов для крепления перед глазами, прозрачные области имеют вид овалов, размеры d_г которых в выбранном направлении связаны с рефракцией глаза в этом меридиане. Диаметр проекции прозрачной области в плоскость зрачка в выбранном меридиане в случае гиперметропии равен: где A - степень аметропии, для фовелярной области длина световой волны λ = 550 нм. В случае миопии диаметр проекции прозрачной области в плоскость зрачка в выбранном меридиане равен: где F_о - редуцированное расстояние от сетчатки до главной плоскости глаза.

По Гульстранду F_о = 22,8 мм. Овалы являются эллипсами, длина осей которых связана с рефракцией глаза по этим меридианам, в случае правильного астигматизма глаза. Оси эллипса имеют одинаковые длины и эллипс вырождается в круг в случае гиперметропии или миопии. При изменении степени аметропии от 1 до 5 дптр длина оси проекции изменяется от 1,3 мм до 0,44 мм.

Кроме того, массив прозрачных областей представляет из себя гексагональный растр. Шаг растра определяется диаметром D зрачка пользователя, зависимость оптимального шага Δ проекции растра в плоскость зрачка задается выражением: Расстояние между центрами прозрачных областей лежит в диапазоне 1 - 6 мм. Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в выборе оптимальной формы, размеров и расположения прозрачных областей на маске в зависимости от характеристик глаза пользователя, что и обеспечивает возможность коррекции недостатков зрения, а также улучшение цветового восприятия и улучшение визуальной оценки расстояний между предметами.

Новыми отличительными признаками являются то, что прозрачные области имеют вид овалов, а массив прозрачных областей на маске образует гексагональный растр с шагом 1 - 6 мм. Кроме того, размеры овалов d_г в выбранном направлении связаны с рефракцией глаза в этом меридиане. Диаметр проекции прозрачной области в плоскость зрачка в выбранном меридиане в случае гиперметрапии равен: где A - степень аметропии, для фовелярной области длина световой волны λ = 550 нм. В случае миопии диаметр проекции прозрачной области в плоскость зрачка в выбранном меридиане равен:

где F_о - редуцированное расстояние от сетчатки до главной плоскости глаза. Кроме того, овалы являются эллипсами, длина осей которых связана с рефракцией глаза по этим меридианам, в случае правильного астигматизма глаза. Оси эллипса имеют одинаковые длины и эллипс вырождается в круг в случае гиперметропии или миопии. При увеличении степени аметропии длина оси изменяется от 1,6 мм до 0,1 мм.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующим графическим материалом.

На фиг. 1 представлен пример использования растровой маски в оправе очков.

На фиг. 2 представлена проекция растровой маски в плоскость зрачка.

На фиг. 3 дается чертеж для расчета расстояния между центрами проекций прозрачных областей на зрачок.

На фиг. 4 схематически изображено сечение глаза с установленной перед ним растровой маской.

На фиг. 5 представлено сечение оптической системы, состоящей из линзы и диафрагмы в главной плоскости и ход лучей через систему.

Предложенная растровая дифракционно-апертурная маска для коррекции недостатков зрения (фиг. 1) состоит из непрозрачной подложки 1 с гексагональным растром овальных прозрачных областей 2 и элементов 3 для крепления перед глазами. Подложка может иметь любую форму - плоскую, сферическую, она может быть вогнутой или выпуклой. В оправе очков 3 центр одного из прозрачных овалов маски совпадает с центром зрачка A правого глаза, аналогично для левого глаза и центра зрачка B. Ряды овалов в масках перед обеими глазами направлены вдоль линии AB, соединяющей центры зрачков глаз. Проекция растра маски в плоскость зрачка имеет вид полиапертурной диафрагмы 4 с овальными прозрачными областями 2, она показана на фиг. 2. Форма овала 2, его размеры d_г1 и d_г2 и расположение его осей относительно линии AB, соединяющей центры зрачков глаз, определяются характеристиками глаза. Диаметр d_г прозрачной области в выбранном меридиане глаза в случае гиперметропии равен:

где A - степень аметропии, для фовелярной области длина световой волны λ = 550 нм. Диаметр d_м прозрачной области в выбранном меридиане глаза в случае миопии равен:

где F_о - редуцированное расстояние от сетчатки до главной плоскости глаза. Эллипс 2 на фиг. 2 соответствует астигматизму сложному гиперметропическому. На фиг. 3 большой круг 5 изображает зрачок диаметром D, маленькие - прозрачные области маски. Расстояние Δ между центрами прозрачных областей 2 на полиапертурной диафрагме в плоскости зрачка равно

Оптимальный шаг растра Δ для различных зрачков D дается в таблице (см. в конце описания).

Боковые стенки любой прозрачной области 2 внутри подложки 1 направлены вдоль линии, соединяющей центр O вращения глаза 6 и центр O' овала (фиг. 4).

Растровая дифракционно-апертурная маска функционирует совместно с глазом следующим образом. Поле изображения на сетчатке глаза является суммой полей изображений, создаваемых прозрачными областями.

Для удобства рассмотрения на фиг. 5 главное сечение реального глаза изображено в виде одной линзы, расположенной в главной плоскости, и подразумевается, что аметропии и астигматизм вызываются дефектами линзы-хрусталика 8. То есть аметропия глаза обусловливается тем, что оптическая система глаза строит изображение звезды не на сетчатке глаза в плоскости P₁, а ближе (миопия) - в плоскости P₂, или дальше ее (гиперметропия) - в плоскости P₃. Сетчатка же располагается на фиксированном расстоянии от главной плоскости F_о. Диафрагма является проекцией любой из прозрачных областей маски 1 в главную плоскость глаза, выполненной при таком положении глаза, когда ось глаза и ось прозрачной области совпадают. В главном сечении глаза (фиг. 5) световой поток от звезды проходит через диафрагму 7, прозрачные среды глаза 8 и фокусируется ближе сетчатки в случае миопии - плоскость P₂, или на сетчатке в случае эмметропии плоскость P₁, или за сетчаткой в случае гиперметропии - плоскость P₃. Уменьшение диафрагмы приводит к сдвигу фокуса по направлению к главной плоскости и одновременно - к увеличению глубины фокуса.

В случае гиперметропии коррекция зрения сводится к смещению фокусного расстояния оптической системы глаз - диафрагма по направлению к главной плоскости глаза в точку в плоскости P₁. Поэтому диаметр диафрагмы, расположенной в главной плоскости глаза, необходимый для обеспечения требуемого сдвига фокуса, находим как диаметр диафрагмы в камере-обскуре, работающей совместно с линзой 8. Наличие линзы 8 приводит к преобразованию плоской световой волны в сходящуюся в точку фокуса в плоскости P₃. Определяя радиус первой зоны Френеля, необходимо учитывать как разницу хода между волной, распространяющейся вдоль осевого луча и волной, распространяющейся вдоль краевого луча, так и дополнительную разницу хода, обусловленную формой волнового фронта.

Радиус первой зоны Френеля r_ог находится следующим образом:

где F_г - радуцированное заднее фокусное расстояние гиперметропического глаза.

Используя тот факт, что для глаза справедлива также и формула Аббе, запишем выражение для r_ог в следующем виде:

где A - степень аметропии, для фовелярной области для длины световой волны выбираем значение λ = 550 нм.

Необходимо также учесть и тот факт, что согласно [5] оптимальный диаметр d_o отверстия в камере-обскуре равен;
d_г = 1,8 · r_ог.

Окончательно для диаметра d_г проекции прозрачной области в плоскость зрачка, которую необходимо поместить на оптической оси гиперметропического глаза, чтобы получить на сетчатке четкое изображение, находим

В случае миопии для коррекции зрения сохраняются возможности, связанные с увеличением глубины фокуса при диафрагмировании. Дифракционная глубина фокальной области пропорциональна квадрату ее диаметра. При уменьшении диаметра диафрагмы в k раз, глубина фокуса увеличится в k² раз. Оптимальной является прозрачная область с наибольшим диаметром d_м проекций прозрачной области в плоскость зрачка из всех возможных:

где F_о - редуцированное расстояние от сетчатки до главной плоскости глаза.

При правильном глазном астигматизме проекция прозрачной области в плоскость зрачка должна иметь вид эллипса, ориентированного согласно положению главных сечений глаза. Величина каждой оси эллипса рассчитывается по формулам (1) и (2) согласно виду и степени аметропии в соответствующем главном сечении.

Диафрагмирование зрачка существенно уменьшает диаметр изображения звезды на сетчатке, увеличивая при этом разрешающую способность глаза.

Угловой размер 2·α поля зрения глаза, коррегированного одной прозрачной областью, равен: tgα = D/(2·z), d ≪ D. Поле зрения зависит от поля зрения самого глаза, диаметра зрачка D и отстояния z маски от главной плоскости глаза. Если прозрачную область приблизить к зрачку вплотную, что возможно в случае искусственного хрусталика с диафрагмой, то глаз не ощутит изменения поля зрения.

Поле изображения от растра прозрачных областей является суммой полей изображений ("пятен") от каждой из прозрачных областей. Расстояние между центрами "пятен" зависит от отношения расстояния между центрами отверстий к диаметру зрачка, оно может быть меньше диаметра "пятна" и в этом случае "пятна" перекрываются. В областях перекрытия двух "пятен" будет наблюдаться двоение изображения, если глаз не способен аккомодировать на расстояние до предмета. Наиболее удачным с нашей точки зрения следует признать случай, когда в поле зрения площадь перекрытия "пятен" минимальна, но при этом отсутствуют темные провалы в местах, равноудаленных от центров трех ближайших "пятен". В приближении d << D наиболее близкий к оптимальному вид поля зрения удается получить, если на поверхности зрачка помещается одна прозрачная область.

На чертеже фиг. 3 большой круг изображает зрачок, маленькие - отверстия маски. Расстояние между центрами прозрачных областей Δ определяется из треугольников и оно равно:

Таким образом, шаг растра зависит от диаметра зрачка. На практике диаметр зрачка измеряется при стандартном освещении, а во время использования готовой маски нужный вид поля зрения выбирается с помощью дополнительного освещения.

Основные преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. Предлагаемая растровая дифракционно-апертурная маска при использовании ее в любом приспособлении для крепления перед глазами обеспечивает принципиально новые возможности применения, отсутствующие у известных аналогов - возможность согласовать параметры растра прозрачных областей с характеристиками глаза. Это дает возможность корректировать недостатки зрения. Улучшение цветового восприятия и улучшение визуальной оценки расстояний между предметами обусловливается отсутствием между глазом и предметом оптической линзы из стекла, вносящей рефракционные искажения цветового восприятия и потери света на отражения.

Литература
1. US 4012129, G 02 C 7/16.

2. US 4249803, G 02 C 7/16.

3. SU 1286118 A3, G 02 C 7/00.

4. US 3967885, G 02 C 7/16.

5. Вуд.Р. Физическая оптика. -М.: ОНТИ, 1936.

Формула изобретения

1. Растровая дифракционно-апертурная маска для коррекции недостатков зрения, включающая непрозрачную маску с набором прозрачных областей и элементы для крепления перед глазами, отличающаяся тем, что прозрачные области выполнены в виде овалов, размеры которых в выбранном направлении связаны с рефракцией глаза в этом меридиане, длина оси овала изменяется от 1,6 до 0,1 мм, диаметр d_г проекции прозрачной области в плоскости зрачка в выбранном меридиане в случае гиперметропии равен

где А - степень аметропии,
для фовелярной области длина световой волны λ = 550 нм, диаметр проекции прозрачной области в плоскости зрачка в выбранном меридиане в случае миопии равен

где F_о - редуцированное расстояние от сетчатки до главной плоскости глаза.

2. Растровая дифракционно-апертурная маска по п.1, отличающаяся тем, что набор прозрачных областей представляет собой гексагональный растр с шагом 1-6 мм, шаг растра определяется диаметром D зрачка пользователя, зависимость оптимального шага Δ проекции растра в плоскости зрачка задается выражением
3. Растровая дифракционно-апертурная маска по п.1, отличающаяся тем, что овал модифицирован в круг в случае миопии или гиперметропии глаза и в эллипс - в случае астигматизма.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6