Оптический интерференционный ретинометр

Изобретение относится к офтальмологии и предназначено для определения ретинальной остроты зрения. Оптический интерференционный ретинометр содержит последовательно расположенные по оптической оси зрения источник оптического излучения и делитель пучка света в виде экрана с множеством пар микронеоднородностей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга в одном заданном направлении. Изобретение позволяет увеличить интенсивность света в образующейся на сетчатке глаза интерференционной картине при сохранении простоты конструкции. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к офтальмологии и предназначено для определения ретинальной остроты зрения.

Известны устройства для определения ретинальной остроты зрения, с помощью которых на сетчатке глаза с использованием когерентного лазерного излучения создается система светлых и темных интерференционных полос, угловой период которых может тем или иным образом изменяться.

В частности, известен оптический интерференционный ретинометр [см. Патент ФРГ №2616139, МПК А 61 В 3/10, 1978], содержащий источник света - лазер, делитель пучка света, выполненный в виде стеклянной пластины определенной толщины, поворотные зеркала или призмы, фокусирующий объектив. В данном устройстве пучок света делится на два взаимно когерентных пучка света. Пучки с помощью оптических элементов направляются в глаз пациента таким образом, чтобы на сетчатке глаза образовалась интерференционная картина.

Основным недостатком данного устройства является сложная конструкция, сложность настройки интерферометра и необходимость использования высоко когерентного лазерного источника света. Другой недостаток заключается в невозможности использования одновременно нескольких источников с различными длинами волн, формирующих одновременно несколько (например, три) пространственно разнесенных интерференционных картины в различных цветах, например в красном, зеленом и синем.

Известен также оптический интерференционный ретинометр [см. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989. 238 с.], содержащий источник света - лазер, делители пучка, выполненные в виде двух плоскопараллельных стеклянных пластин, оптического клина с изменяющимся углом, выполненного в виде двух несоосных линз, фокусирующего объектива.

Однако данный ретинометр обладает теми же недостатками, что и вышеупомянутый аналог.

Наиболее близким к заявляемому устройству является оптический интерференционный ретинометр [В.Е.А. Saleh. Optic treatment of information and vision of man, Applications of Fourier-optics methods, Edited by G. Stark, Academic Press, New York, pp. 412-439, 1982. (Салех Б.Е.А. Оптическая обработка информации и зрение человека. В кн.: Применение методов фурье-оптики: Пер с англ. / Под ред. Г.Старка. Пер. с англ. под ред. И.Н.Компанца. - М.: Радио и связь, 1988. - с.412-439) ], содержащий последовательно расположенные по оптической оси зрения источник оптического излучения и делитель пучка света в виде непрозрачного экрана с парой микронеоднородностей в виде отверстий.

В этом устройстве источник света освещает два малых отверстия в непрозрачном экране, расположенном в непосредственной близости от глаза (роговицы глаза). Световые волны, прошедшие через эти два отверстия и через прозрачные среды глаза, формируют на его сетчатке параллельные интерференционные полосы, называемые полосами Юнга. Отверстия должны быть достаточно малыми, поскольку полосы наблюдаются в области наложения дифрагированных на них световых волн, которые должны иметь достаточную угловую расходимость, чтобы наблюдать интерференционные полосы в световом поле с достаточно большой угловой апертурой. Поэтому только очень малая часть световой энергии достигает сетчатки глаза и для наблюдения интерференционной картины требуется достаточно мощный источник света со сравнительно малым телом светимости, что необходимо для обеспечения достаточной степени пространственной когерентности света на экране с отверстиями. Это основной недостаток схемы такого ретинометра при очевидно простом его устройстве.

Задачей предлагаемого устройства является увеличение интенсивности света в образующейся на сетчатке глаза интерференционной картине при сохранении простоты конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в оптическом интерференционном ретинометре, содержащем последовательно расположенные по оптической оси зрения источник оптического излучения и делитель пучка света в виде экрана с парой микронеоднородностей, согласно изобретению делитель пучка света содержит дополнительно множество пар микронеоднородностей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга в одном заданном направлении.

Микронеоднородности могут быть выполнены либо в виде отверстий в непрозрачном или частично прозрачном экране, либо в виде прозрачных участков на прозрачном экране, имеющих другую толщину и/или показатель преломления.

В заявляемом изобретении увеличение интенсивности света происходит за счет увеличения числа пар микронеоднородностей. Средняя интенсивность света в интерференционной картине при увеличении числа пар отверстий будет увеличиваться пропорционально числу пар отверстий. В пределе это увеличение интенсивности определяется отношением площади зрачка к общей площади двух отверстий. В частности, для наблюдения интерференционных полос в пределах угловой апертуры дифрагированного света γ ≈ 6° (≈ 0.1 рад) необходимо, чтобы диаметр каждого отверстия d был равен d≈ λ /γ ≈ 5.5 мкм. Площадь двух отверстий 2S_d≈45 мкм². Будем считать, что максимальное число пар отверстий может заполнять половину площади зрачка глаза S_p, которая при среднем диаметре зрачка глаза равна S_p≈12· 10⁶ мкм². Отсюда получаемое увеличение интенсивности света в интерференционной картине на сетчатке глаза равно N≈ 0.5S_p/2S_d≈10⁵ раз, что подтверждается экспериментальными наблюдениями.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена оптическая схема интерференционного ретинометра;

на фиг.2 - интерференционные полосы различного периода и ориентации, наблюдаемые в плоскости изображения источника света с длиной волны λ =0,65 мкм при прохождении световых волн через различные делители пучка света с множеством пар идентичных микронеоднородностей с различньм расстоянием между идентичными неоднородностями Δ х: a) Δ x₁=7 мкм; б) Δ х₂=7 мкм; в) Δ х₃=14 мкм;

на фиг.3 - интерференционные полосы, одновременно наблюдаемые в плоскости изображения трех пространственно разнесенных источников света с различными длинами волн λ ₁, λ ₂, и λ ₃ при прохождении световых волн через делитель пучка света с множеством пар идентичных микронеоднородностей, расположенных на расстоянии Δ х=5 мкм друг от друга: а) - λ ₁≈0.47 мкм; б) - λ ₂≈0.57 мкм; в) - λ ₃≈0.65 мкм.

на фиг.4 и фиг.5 представлены оптические схемы, поясняющая эффект совпадения интерференционных картин от различных пар микронеоднородностей.

на фиг.6 и фиг.7 представлены схемы получения делителя с множеством пар идентичных микронеоднородностей путем записи на высокоразрешающую фотопластинку двух идентичных взаимносмещенных лазерных спекл-структур, при этом на фиг.6 представлена запись спекл-структур в свободном пространстве, а на фиг.7 - запись спекл-структур в пространстве изображений.

Устройство содержит (см. фиг.1):

1, 2, 3 - источники оптического излучения (например, светодиоды с различным цветом излучения);

4 - делитель пучка света;

5 - оптическая ось зрения;

6 - пара микронеоднородностей;

7, 8, 9 - системы интерференционных полос на сетчатке глаза от источников оптического излучения 1, 2 и 3.

При этом источники оптического излучения 1, 2, 3, делитель пучка света 4 и глаз пациента 10, для которого определяется ретинальная острота зрения, расположены последовательно друг за другом.

Устройство работает следующим образом.

Глаз 10 смотрит на источники света 1, 2, 3, иными словами, поверхность сетчатки оптически сопряжена с плоскостью (поверхностью расположения) источников. Световые волны, проходя через делитель пучка 4, испытывают дифракцию на парах 6 идентичных неоднородностей делителя 4, дифрагированные волны интерферируют на сетчатке глаза 10 и образуют системы интерференционных полос 7, 8, 9. Поскольку плоскость источников и поверхности сетчатки оптически сопряжены, то на сетчатке формируется картина дифракции дальнего поля (дифракция Фраунгофера) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. Под ред. Г.П.Мотулевич. - 2-е изд., - М.: Наука, 1973. - 720 с.]. Следовательно, комплексная амплитуда светового поля на сетчатке определяется фурье-преобразованием функции пропускания делителя пучка 4 [Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. Пер. с англ. - М.: Мир, 1970. - 364с.]. Интерференционные картины, образующиеся при наложении волн от каждой пары идентичных неоднородностей делителя, имеют одинаковый период Λ и пространственно совпадают (вследствие свойства таутохронности линзы) - светлые полосы накладываются на светлые, а темные - на темные полосы. Таким образом, при множестве пар идентичных неоднородностей делителя наблюдается результирующая интерференционная картина высокой интенсивности. Примеры таких картин, полученных с помощью специальных делителей с множеством пар идентичных микронеоднородностей, приведены на фиг.2 и фиг.3. На фиг.2 приведены черно-белые фотографии интерференционных полос разного периода, наблюдаемых в красном излучении светодиода. На фиг.3 приведены фотографии интерференционных полос, одновременно наблюдаемых с помощью специального делителя в свете трех светодиодов, излучающих свет трех различных цветов. В этих иллюстративных экспериментах глаз наблюдателя был заменен фотоаппаратом, объектив которого сфокусирован на плоскость источников света.

Совпадение интерференционных картин от каждой пары идентичных неоднородностей вследствие свойства таутохронности линзовой оптической системы наиболее наглядно можно показать для случая удаленного в бесконечность источника света, когда экран с микронеоднородностями - делитель пучка света освещается параллельным пучком света. Такая схема показана на фиг.4. Рассмотрим две пары неоднородностей а, а' и b, b', расположенных в плоскости делителя. Видно, что лучи света, параллельные оптической оси, проходят через микронеоднородности и собираются в фокусе F' линзы, в котором формируется изображение источника света S, который находится в бесконечности и не показан на фиг.4. Между этими прямо прошедшими лучами от пар идентичных микронеоднородностей в силу таутохронности линзы разность фаз равна 0, поскольку лучи пересекаются в плоскости изображения источника света. Поэтому в F' будет формироваться светлая интерференционная полоса от пар отверстий а, а' и b, b’. Рассмотрим теперь точку В в плоскости наблюдения интерференционной картины, не лежащую на оптической оси. В эту точку собираются лучи света, дифрагированные на неоднородностях делителя, под одним и тем же углом α . На рисунке показаны эти лучи света. Разность хода Δ между лучами от пары идентичных микронеоднородностей возникает из-за наклонного хода лучей света Δ =Δ x· sinα ≈ α · Δ х, где Δ х - расстояние между микронеоднородностями, α - угол дифракции. В силу свойства таутохронности линзы эта разность хода остается неизменной при распространении лучей света в свободном пространстве и через линзу до точки В схождения этих лучей, поскольку эта точка лежит в плоскости изображения источника света S. Если разность хода Δ между лучами от каждой пары идентичных неоднородностей а, а' и b, b' окажется равной λ /2, где λ - длина волны света, то в точке В будет наблюдаться темная интерференционная полоса для каждой интерференционной картины в лучах света от идентичных микронеоднородностей а, а' ив лучах от b, b' вне зависимости от их расположения в плоскости делителя. При этом пространственный период Λ наблюдаемых интерференционных полос Юнга равен Λ =λ f/Δ х, что следует из соотношений Λ /2=tgα · f≈ α f, Δ =Δ x· sinα ≈ α · Δ x=λ /2. Таким образом, имеем совпадение и светлых и темных интерференционных полос в интерференционных картинах от каждой пары идентичных микронеоднородностей в делителе.

Если источник света S находится на конечном расстоянии от делителя и линзы, то рассмотренный процесс образования и наложения интерференционных картин от каждой пары идентичных микронеоднородностей остается таким же, как и для бесконечно удаленного источника, если плоскость наблюдения интерференционной картины, важно подчеркнуть, располагается в плоскости действительного изображения источника S, которая теперь не будет совпадать с задней фокальной плоскостью линзы, а будет находиться за ней. Такая схема показана на фиг.5. Поскольку плоскость наблюдения интерференционной картины совпадает с плоскостью формирования действительного изображения источника света S, то лучи света прямо, прошедшие через микронеоднородности делителя, в силу таутохронности линзы будут иметь нулевую разность хода в точке изображения S' источника S. Следовательно, в S' будет формироваться светлая интерференционная полоса. Рассматривая дифрагированные на неоднородностях лучи света, можно показать, как и в случае удаленного в бесконечность источника света S, что темные полосы интерференционных картин от каждой пары идентичных неоднородностей будут совпадать. При этом период интерференционных полос Λ будет определяться выражением Λ =λ /(f+Δ z), где Δ z - расстояние от задней фокальной плоскости линзы до плоскости изображения источника света (см. фиг.5).

Если наблюдение ведется не в плоскости изображения освещающего источника света, то свойство таутохронности не выполняется. Интерференционные картины от различных пар идентичных микронеоднородностей оказываются сдвинутыми друг относительно друга, и контраст суммарной интерференционной картины уменьшается по мере удаления плоскости наблюдения от изображения источника света. Таким образом, суммарная интерференционная картина оказывается пространственно локализованной в области изображения источника света.

Определим теперь влияние интерференции лучей света от пар неидентичных микронеоднородностей. Поскольку разность фаз между лучами от двух микронеоднородностей определяется взаимным положением этих микронеоднородностей в плоскости делителя, то для пар неидентичных микронеоднородностей эта разность фаз будет различной для разных пар и будет иметь случайный характер в силу случайного расположения микронеоднородностей в плоскости делителя. Однако, поскольку в плоскости делителя имеется две идентичные системы микронеоднородностей, имеющие взаимный поперечный сдвиг Δ х, то все микронеоднородности делителя можно разбить на пары идентичных микронеоднородностей с одинаковым взаимным сдвигом Δ х в одном и том же направлении. Следовательно, лучи света, дифрагировавшие на этих парах идентичных микронеоднородностей в направлении, определяемом углом α , погасят друг друга, если выполняется условие противофазности , где m=0, ±1, ±2,... . Следовательно, в этом направлении α распространения дифрагированного света будет наблюдаться темная интерференционная полоса для всей совокупности микронеоднородностей делителя. Световое поле от одной системы микронеоднородностей погасит световое поле от другой, идентичной первой, системы микронеоднородностей.

Аналогично для светлой интерференционной полосы, когда волны от пар неидентичных микронеоднородностей будут усиливать друг друга. Однако в этом случае имеются отличия, обусловленные интерференцией волн от различных, неидентичных микронеоднородностей. Действительно, в световом поле от одной системы микронеоднородностей будет наблюдаться сложная мелкомасштабная интерференционная картина - спекл-картина, обусловленная интерференцией волн от случайно расположенных микронеоднородностей [Laser speckle and related phenomena. Topics in Applied Physics. Ed. J.C.Dainty. V.9. - Berlin: Springer-Verlag, 1975. - 286 p.; Франсон М. Оптика спеклов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 171с.]. В этой спекл-картине будут наблюдаться локальные интерференционные минимумы и максимумы в виде пятен - спеклов, средний поперечный размер которых (размер спеклов) ε ⊥ будет определяться выражением ε ⊥ ≈ λ f/D, где D - диаметр апертуры линзы. Таким образом, если делитель имеет две системы идентичных микронеоднородностей, то световые поля от каждой системы имеют идентичные спекл-картины, и в результате интерференции этих полей в светлых интерференционных полосах наблюдаются локальные минимумы - темные спеклы, как и в отдельных световых полях от каждой системы микронеоднородностей. Поскольку Δ х<<D, то период интерференционных полос Λ >>ε ⊥ , и темные спеклы практически не мешают восприятию целостной картины интерференционных полос Юнга. Фактически воспринимается интерференционная картина с усредненной освещенностью в светлых полосах. Более того, при использовании частично когерентного света с ограниченным радиусом пространственной поперечной когерентности ρ ⊥ , меньшим D, ρ ⊥ <D, спекл-картина усредняется и сглаживается из-за неинтерференции волн от микронеоднородностей, находящихся на расстоянии d, превышающем радиус когерентности ρ ⊥ , d>ρ ⊥ .

Приведенные выше суждения относительно процессов формирования интерференционной картины от множества пар идентичных неоднородностей имеют полное экспериментальное подтверждение. Фиг.2 и фиг.3 демонстрируют суммарные интерференционные картины, получаемые с помощью делителей с множеством пар идентичных микронеоднородностей.

Период интерференционных полос Λ в предлагаемом ретинометре можно изменять путем смены делителей, имеющих различный сдвиг микронеоднородностей Δ х. Ориентацию полос можно изменять путем поворота делителя в собственной плоскости. Для плавного (непрерывного) изменения периода Λ можно использовать делитель с переменным значением Δ x. На таких делителях, например, можно создать две идентичные структуры микронеоднородностей, например, с вращательным сдвигом друг относительно друга , где - вектор вращательного сдвига, - радиус-вектор в плоскости делителя с началом в центре вращения. Можно создать делитель с радиальным взаимным сдвигом идентичных микронеоднородностей , где М - коэффициент пропорциональности. Поскольку зрачок глаза имеет относительно малые размеры, то в его пределах при сравнительно малых значениях угла поворота и коэффициента М взаимный сдвиг микронеоднородностей может быть почти неизменным ≈ const и изменяться при изменении положения делителя относительно зрачка глаза. Таким образом, смещая такой делитель в собственной плоскости относительно зрачка глаза, можно непрерывно изменять период и ориентацию интерференционных полос на сетчатке глаза.

Можно создать несколько модификаций делителя пучка света, создающего на сетчатке глаза интерференционные полосы Юнга высокой интенсивности. Отверстия или прозрачные участки в непрозрачном экране при их освещении создают квазиточечные вторичные источники света, волны от которых интерферируют в дальней области дифракции. Следовательно, экран может быть полностью прозрачным, а вторичные источники света в таком экране могут создаваться микронеоднородностями рельефа поверхности экрана или его показателя преломления, выполняющих роль микролинз, фокусирующих лучи освещающего излучения. Такие делители можно создать средствами фотолитографии или простой фотографии, записывая на высокоразрешающую фотопластинку (или соответствующий фоточувствительный материал другого типа, например, фототермопластик) изображения взаимно смещенных микроструктур. Примером такого способа получения делителя может служить запись спекл-структуры, формирующейся в рассеянном когерентном (лазерном) свете. На одну и ту же фотопластинку записывают две взаимно смещенные идентичные спекл-структуры, образующиеся при отражении или прохождении когерентного лазерного пучка через рассеивающую среду, например матовое стекло [Laser speckle and related phenomena. Topics in Applied Physics. Ed. J.C.Dainty. V.9. - Berlin: Springer-Verlag, 1975. - 286 p.; Франсон М. Оптика спеклов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 171с.].

На приведенных на фиг.6 и фиг.7 оптических схемах получения делителя с множеством пар идентичных микронеоднородностей путем записи на фотопластинку двух идентичных взаимносмещенных спекл-структур: 11 - освещающий лазерный пучок; 12 - рассеиватель (матовое стекло); 13 - диафрагма (апертура); 14 - фотопластинка; 15 - подвижная платформа с микрометрическим отсчетом; 16 - линза.

Для получения двойной структуры микронеоднородностей высокоразрешающую фотопластинку 14 (например, голографическую фотопластинку) необходимо закрепить на подвижную платформу 15 с возможностью поперечного перемещения с микрометрическим отсчетом. Спекл-структура рассеянного лазерного излучения записывается на фотопластинку дважды при смещении фотопластинки на заданную величину Δ x между экспозициями. Таким образом получается двухэкспозиционная спеклограмма сдвига с множеством пар идентичных микронеоднородностей. Поперечные размеры микронеоднородностей структуры фоточувствительного слоя фотопластинки могут изменяться на стадии записи спекл-структуры путем изменения угловой апертуры светового поля, падающего на фотопластинку. Средний поперечный размер спеклов ε ⊥ записываемого поля определяется соотношением ε ⊥ ≈ λ /θ , где θ - угловой размер рассеивателя, видимый из плоскости фотопластинки (угловая апертура светового поля), или угловая апертуры линзы, используемой для записи спеклограммы; λ - длина волны лазерного излучения.

После проявления и закрепления фоточувствительный слой можно подвергнуть процессу отбеливания, в результате которого почерневшие участки слоя превращаются в прозрачные с изменившимся показателем преломления. При этом вследствие вымывания серебра изменяется и толщина слоя. Поэтому отбеленные спеклограммы имеют пространственные вариации и показателя преломления n(х,у), и толщины h(x,y), которые создают фазовые микронеоднородности, выполняющие роль микролинз.

Очевидно, процесс отбеливания может быть использован и для делителей, получаемых, например, фотографированием системы темных пятен на белом экране в некогерентном (не лазерном) свете.

Используя другие регистрирующие среды, например фототермопластик, можно сразу же получать фазовые делители.

1. Оптический интерференционный ретинометр, содержащий последовательно расположенные по оптической оси зрения источник оптического излучения и делитель пучка света в виде экрана с парой микронеоднородностей, отличающийся тем, что делитель пучка света содержит дополнительно множество пар микронеоднородностей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга в одном заданном направлении.

2. Оптический интерференционный ретинометр по п.1, отличающийся тем, что микронеоднородности выполнены в виде отверстий.

3. Оптический интерференционный ретинометр по п.1, отличающийся тем, что микронеоднородности выполнены в виде отверстий в непрозрачном или частично прозрачном экране.

4. Оптический интерференционный ретинометр по п.1, отличающийся тем, что микронеоднородности выполнены в виде прозрачных участков на прозрачном экране, имеющих другую толщину и/или показатель преломления.