устройство для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии

Формула изобретения

Устройство для исследования рефракции глаз и функционального лечения в офтальмологии, содержащее установленные на оптической оси лазер и неподвижный диффузно рассеивающий экран, отличающееся тем, что дополнительный экран из непрозрачного материала, имеющий прорези или прозрачные для излучения участки, расположен за диффузно рассеивающим экраном, а между лазером и диффузно рассеивающим экраном установлены один или несколько отражателей с криволинейной отражающей поверхностью с возможностью их перемещения относительно пучка лазерного излучения таким образом, что в любой момент времени излучение лазера направлено на отражающую поверхность, по крайней мере, одного отражателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинским приборам, действие которых основано на использовании свойств лазерного излучения, а именно к офтальмологическим приборам, и может быть использовано для выявления аметропии, подбора очковых линз и лечебных упражнений.

Интерференционные картины, возникающие при отражении когерентного лазерного излучения от неоднородной (шероховатой) поверхности, применяются для исследования рефракции и аккомодации глаза. Наблюдаемая человеком подобная интерференционная картина (картина спеклов) обычно имеет вид точечной зернистости, "шагрени". Спекловая структура лазерного излучения формируется на сетчатке глаза в виде четкого изображение зернистости независимо от рефракции, аберрации и незначительных помутнений глазных сред.

При отражении когерентного лазерного излучения от движущейся шероховатой поверхности видимое направление движения спеклов интерференционной картины зависит от рефракции глаз наблюдателя. Если глаз наблюдателя неподвижен, а поверхность, освещаемая лазером, смещается в направлении, перпендикулярном к освещающему ее лучу, то при миопии наблюдается синхронное движение спеклов в сторону, противоположную движению поверхности, а при гиперметропии - в ту же сторону. В случае аметропии упорядоченное движение спеклов наблюдаемой интерференционной картины отсутствует, спеклы просто флуктуируют ("кипят", "мерцают").

Картину спеклов, обладающую такими же свойствами, можно получить не только при отражении когерентного излучения от шероховатой поверхности, но и с помощью ряда других способов, в том числе в результате прохождения когерентного излучения через рассеивающие среды, например, через матированные поверхности прозрачных оптических материалов.

Особенности восприятия человеком пространственных интерференционных картин, создаваемых подобными способами, послужили основой для создания лазерных рефрактометров (иногда их называют "лазерными оптометрами").

Известно устройство для исследования рефракции глаза (см. SU 416065, кл. А 61 В 3/00, 04.12.1974), содержащее источник лазерного излучения, оптическую систему формирования светового пучка, вращающийся экран, выполненный в виде цилиндрической поверхности, оптический ослабитель интенсивности излучения в виде поляризационного фильтра и полевую диафрагму. Выходящее из источника излучение проходит оптическую систему формирования пучка и диафрагму и попадает на экран, выполненный в виде цилиндрической поверхности, ось вращения которой закреплена с возможностью поворота ее в плоскости, перпендикулярной к оптической оси. Движущаяся или неподвижная пространственная интерференционная картина, наблюдаемая пациентом, позволяет установить диагноз таких нарушений зрения, как, например, аметропия, и подобрать корректирующие очковые линзы.

Недостатками известного устройства является разнесенность в пространстве источника лазерного излучения и экрана, что увеличивает габариты прибора.

Известно офтальмологическое устройство для определения аметропии за счет исследования рефракции с помощью лазерного излучения (см. US 3572912, кл. А 61 В 3/02, 30.03.1971). Прибор состоит из источника лазерного излучения, освещающего диффузно отражающий цилиндрический экран. Экран приводится во вращение электродвигателем. Ось вращения экрана имеет возможность изменять свое положение относительно наблюдателя, определяя, таким образом, меридиональное сечение при проведении исследования глаз. Определение рефракции производится путем компенсации аметропии пробными очковыми линзами либо специальной оптической системой типа телескопа, установленной перед наблюдателем. Полная компенсация легко определяется по отсутствию направленного движения спекловой структуры наблюдаемой интерференционной картины.

Недостатками этого устройства является наличие отражающего экрана, требующего освещения его со стороны наблюдателя лазерным источником, и отсутствие расширителя пучка лазерного излучения, что не позволяет создать компактную конструкцию и получить пространственную интерференционную картину достаточно больших угловых размеров, что затрудняет работу с пациентом и не позволяет проводить групповые лечебные сеансы и экспресс-диагностические обследования групп пациентов.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии (см. RU 2039520, кл. А 61 В 3/00, 20.07.1995), содержащее установленные на оптической оси лазер и неподвижный плоский диффузно рассеивающий экран. Прибор выполнен в виде компактного моноблока. Излучение лазера на входе прибора создает низкоинтенсивную интерференционную картину большого объема, являющуюся результатом интерференции вторичных когерентных волн от рассеивающих элементов экрана.

Недостатками данного устройства являются недостаточно высокая надежность при высокой стоимости прибора, обусловленные применением гелий-неонового лазера, и недостаточно проработанная конструкция механизма изменения угла падения излучения на экран, не позволяющая обеспечивать в динамическом режиме работы устройства непрерывное движение спеклов, причем только в одну сторону.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении надежности работы, упрощении технологии изготовления и снижении стоимости устройства, а также повышении эффективности диагностики и лечебных процедур, осуществляемых с помощью данного устройства, и в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии, содержащее установленные на оптической оси лазер и неподвижный диффузно рассеивающий экран, содержит дополнительный экран из непрозрачного материала, имеющий прорези или прозрачные для излучения участки и расположенный за диффузно рассеивающим экраном, а между лазером и диффузно рассеивающим экраном установлены один или несколько отражателей с криволинейной отражающей поверхностью, которые перемещаются относительно пучка лазерного излучения таким образом, что в любой момент времени излучение лазера направлено на отражающую поверхность, по крайней мере, одного отражателя.

На фиг.1 показана принципиальная схема устройства для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии.

На фиг.2 показана схема оптико-механического узла.

На фиг.3 показано положение шторок, экранирующих перекрывающиеся части пучков излучения от соседних отражателей.

Устройство для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии содержит последовательно установленные на оптической оси лазер 1 и стоящий на выходе оптической схемы неподвижный диффузно рассеивающий экран 2 (фиг.1).

Между лазером 1 и диффузно рассеивающим экраном 2 установлены один или несколько отражателей 3 с криволинейной отражающей поверхностью (сферических зеркал), которые перемещаются относительно пучка лазерного излучения таким образом, что в любой момент времени излучение лазера направлено на отражающую поверхность, по крайней мере, одного отражателя.

Механизм изменения угла падения излучения выполнен в виде оптико-механического узла 4, содержащего один или несколько отражателей излучения, например, сферических зеркал 3, установленных на вращающемся барабане 5 (фиг.2), причем каждое зеркало, последовательно вводимое в пучок излучения, одновременно изменяет угол падения лазерного излучения на диффузно рассеивающий экран и расширяет пучок лазерного излучения. Оптико-механический узел 4 может содержать, например, восемь одинаковых сферических зеркал (фиг.2). На барабане по краям каждого зеркала установлены шторки 6, экранирующие перекрывающиеся части пучков излучения (фиг.3).

Устройство содержит установленный за диффузно рассеивающим экраном 2 дополнительный экран 7 из непрозрачного материала, имеющий прорези или прозрачные для излучения участки.

Работа устройства для исследования зрения и функционального лечения в офтальмологии осуществляется следующим образом.

Одномодовый низкоинтенсивный полупроводниковый лазер 1 обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей от узла питания (не показан), в энергию когерентного излучения видимого диапазона. В качестве источника лазерного излучения может быть использован, например, полупроводниковый диод DL-4148-031, японской фирмы Tottori SANYO Electric Co., Lt, излучающий в красной области спектра. Максимальная мощность излучения - 10 мВт. Конструкция диода DL-4148-031 кроме излучающей структуры включает в себя фотоприемник, что позволяет диоду работать в режиме обратной связи для стабилизации уровня выходного излучения.

Излучение полупроводникового лазера 1 попадает на одно или два из восьми сферических зеркал блока зеркал и, отразившись, проходит через диффузно рассеивающий экран 2 устройства. При этом в пространстве за диффузно рассеивающим экраном 2 формируется интерференционная картина (картина спеклов), которая образуется в результате многолучевой интерференции пучков света, создаваемых множеством независимых по фазе и амплитуде когерентных вторичных излучателей, которыми являются отдельные неоднородности матового экрана, рассеивающие попадающее на них излучение.

Сферические зеркала расположены встык на внешней поверхности цилиндрического барабана 5 с радиусом R₁, ось которого закреплена на валу малооборотного электродвигателя, частота вращения которого составляет два оборота в минуту. Этим обеспечивается соответствующее перемещение отражателей (сферических зеркал) относительно пучка лазерного излучения и изменение при этом угла падения волнового фронта излучения на диффузно рассеивающий экран, что в свою очередь приводит к движению спеклов интерференционной картины в горизонтальной плоскости.

При освещении диффузно рассеивающего экрана излучением, формируемым оптико-механическим узлом, распределение излучения на экране по каждому из направлений в своем масштабе соответствует угловому распределению интенсивности излучения на выходе самого излучателя в соответствующем направлении. Заданный угловой размер пространственной интерференционной картины и заданный линейный размер области засветки матового экрана обеспечиваются параметрами сферических зеркал оптико-механического узла с учетом расходимости излучения лазера.

Радиусы R₂ сферических зеркал выбираются из следующих соображений.

Каждое из сферических зеркал, находящихся на пути лазерного излучения излучателя А на расстоянии S от излучателя, формирует мнимое изображение А' излучателя на расстоянии S' от вершины того же зеркала. Из соотношений, приведенных в "Справочнике конструктора оптико-механических приборов" под ред. В.А.Панова (Ленинград, Машиностроение, 1980 г., стр.70), получаем

Так как изменение угловой апертуры w излучения за зеркалом определяется как

то

Абсолютная величина w определяет требуемое увеличение угловой апертуры излучения. Очевидно, что увеличение угловой апертуры излучения будет иметь место при абсолютном значении w, большем 1, т.е. при

Таким образом, использование в предлагаемом устройстве сферических зеркал позволяет обеспечить заданные угловые и линейные размеры пространственной интерференционной картины за счет выбора соотношения радиуса единичных сферических зеркал R ₂ и расстояния лазера от излучателя S.

При выборе радиусов единичных зеркал R₂, радиуса цилиндрического барабана R₁ и количества зеркал, расположенных на барабане, необходимо учитывать, что стыкующиеся на поворотном устройстве поверхности соседних зеркал должны образовывать в главном сечении, включающем оси зеркал, внутренний угол. В этом случае при падении пучка излучения на границу раздела зеркал на экране наблюдается не темная неосвещенная зона, а зона перекрытия пучков от краев соседних зеркал. Ширина этой зоны может быть уменьшена практически до нуля установкой на барабане перед зеркалами шторок 6 (по две по краям каждого зеркала), экранирующих перекрывающиеся части пучков (фиг.3).

Динамика интерференционной картины обеспечивается в результате поворота в горизонтальном направлении поверхности волнового фронта излучения, падающего на плоский неподвижный экран. В динамическом режиме работы устройства пациенты с нормальным зрением (или зрением, полностью скомпенсированным в горизонтальной плоскости очковыми либо контактными линзами) воспринимают это движение как "кипение" спеклов, а пациенты с аметропией - как их синхронное движение в горизонтальной плоскости.

Реализованная в устройстве схема в динамическом режиме работы устройства обеспечивает непрерывное движение картины спеклов в одну сторону. При этом пациенты с миопической рефракцией глаза наблюдают движение картины спеклов в сторону, противоположную движению луча, а пациенты с гиперметропической рефракцией - ту же сторону, в которую поворачивается луч.

В статическом режиме работы устройства (когда барабан не вращается и зеркала неподвижны) упорядоченное движение или "кипение" картины спеклов может наблюдаться при перемещении глаза (головы) пациента в горизонтальной плоскости. При этом пациенты с миопической рефракцией глаза наблюдают движение картины спеклов в сторону, противоположную движению их головы, а пациенты с гиперметропической рефракцией - в ту же сторону. При отсутствии аметропии (или при ее полной компенсации линзами) при подобных движениях наблюдают "кипение" спеклов.

Дополнительный экран 7 из непрозрачного материала, имеющий прорези или прозрачные для излучения участки, установленный после рассеивающего экрана 2, предназначен для повышения эффективности лечебных процедур и диагностики состояния зрения пациентов и для расширения функциональных возможностей устройства, поскольку в зависимости от размеров и формы прорезей или прозрачных участков дополнительного экрана изменяются параметры наблюдаемой пациентом пространственной интерференционной картины (контрастность и размеры наблюдаемых пациентом спеклов) и, тем самым, влияют на ее восприятие наблюдателем.

При отсутствии дополнительного экрана 7 устройство создает в пространстве поле излучения, спекловая структура которого является результатом многолучевой интерференции когерентных пучков света, исходящих из различных точек рассеивающей структуры освещенной части экрана 2. Это поле излучения существует объективно, независимо от наличия наблюдателя, и его структура (размеры спеклов, их интенсивности, формы и распределение по сечению поля) описывается функциями распределения, зависящими от характеристик источника излучения (длины волны излучения, ширины спектра излучения и размера поперечной когерентности излучения) и свойств рассеивающего экрана (размеров и форм элементов рассеивающей структуры). Структура поля излучения может быть зафиксирована с помощью объективных способов регистрации, например, на фотопленке или с использованием известных фотоприемных устройств. Реальный, физический, размер спеклов dсп.ф. может быть даже непосредственно измерен на непрозрачном экране, помещенном в поле излучения.

В общем случае минимальный линейный физический размер спеклов dсп.ф., сформированных в произвольной области пространства, находящейся в дальней зоне на расстоянии L за рассеивающим экраном, определяется (Р.Кольер и др. Оптическая голография. Мир, 1973 г., стр.23) как

где - длина волны излучения,

2 - наибольший угол, под которым в данную область пространства попадают лучи, формирующие данный спекл, т.е. лучи, испускаемые всей освещенной зоной экрана.

На расстоянии от экрана, равном L, и при размере освещенной зоны экрана, равной D(D<L), величина 2 , поскольку угол 2 мал, определяется как

То есть

При размере освещенной зоны экрана D, равной 100 мм, и длине волны лазерного излучения , равной 0,65 мкм, на расстоянии от экрана L, равном 2000 мм, минимальный физический размер спеклов dсп.ф. равен 0,013 мм.

Однако человек, находящийся в той же области пространства, наблюдает данную интерференционную картину с помощью органов зрения, характеристики которых влияют на его восприятие объективно существующей картины спеклов, в частности, влияют на видимые человеком размеры спеклов. Изображение картины спеклов формируется на сетчатке оптической системой глаза, обладающей апертурой зрачка с диаметром Dзр. Если пациент находится на расстоянии L от рассеивающего экрана, то он наблюдает спекловую картину как результат многолучевой интерференции когерентных пучков света, находящихся в угловой апертуре, равной 2 зр, и определяемой как

Аналогично (5) видимый минимальный линейный размер спеклов dсп.в. равен

или, учитывая (8),

Поскольку диаметр зрачка человеческого глаза изменяется в зависимости от освещенности и физиологического состояния человека в пределах от 1 до 10 мм, то размер спеклов наблюдаемой им в разных условиях интерференционной картины будет меняться практически на порядок. Однако в любом случае видимые наблюдателем размеры спеклов будут существенно больше их физических размеров. Так, например, при диаметре зрачка Dзр, равном 3 мм, на расстоянии от рассеивающего экрана L, равном 2000 мм, и длине волны лазерного излучения , равной 0,65 мкм, видимый минимальный размер спеклов dсп.в. равен 0,43 мм.

Из (10) также очевидно, что при удалении наблюдателя от рассеивающего экрана видимый минимальный размер спеклов dсп.в. будет увеличиваться пропорционально увеличению расстояния L.

Поскольку размеры спеклов при прочих равных условиях определяются угловой апертурой излучения, формирующего спекловую структуру интерференционной картины, то введение дополнительной ограничивающей диафрагмы, расположенной между рассеивающим экраном и глазом наблюдателя и уменьшающей реально используемую глазом пациента угловую апертуру пучков, приводит к увеличению размеров спеклов, как физических, так и видимых.

Дополнительный экран 7 представляет собой, по сути, такой диафрагмирующий элемент. Одна или несколько прорезей или прозрачных участков дополнительного экрана, в зависимости от их форм и размеров, позволяют пациенту наблюдать интерференционные картины с различными параметрами их структур, в том числе с существенно большими размерами спеклов, чем он наблюдал бы при отсутствии дополнительного экрана.

Дополнительный экран 7, будучи диафрагмирующим элементом, может изменять не только размеры и форму спеклов, но и контрастность интерференционной картины в том случае, если поперечный размер когерентности излучения меньше поперечных размеров пучка излучения. В этом случае введение диафрагм, уменьшающих поперечные размеры пучка излучения, формирующего пространственную интерференционную картину, снижают долю излучения, не являющегося когерентным для каждой конкретной точки интерференционной картины и дающего при наблюдении картины спеклов фоновую засветку. Подбирая для конкретного источника лазерного излучения диафрагмы тех или иных размеров, можно получить высококонтрастную интерференционную картину даже в том случае, когда излучение лазера обладает не очень высокой поперечной когерентностью.

Таким образом, проведенные оценки позволили разработать дополнительные непрозрачные для излучения экраны, имеющие прорези или прозрачные для излучения участки (набор сменных масок). Эти маски, будучи расположены между рассеивающим экраном устройства и пациентом, позволяют наблюдать различные типы интерференционных картин, содержащих в том числе и спеклы увеличенных размеров.

Разработанный набор масок включает в себя маски трех типов.

Первый тип масок представляет собой условные легко распознаваемые крупные контурные картинки (например, "слоник", "бабочка"), выполненные сквозным прорезанием непрозрачного экрана (или формированием прозрачный области в непрозрачном экране). В этом случае характеристики спеклов и контрастность наблюдаемой через маску интерференционной картины практически не отличаются от характеристик спеклов, наблюдаемых при отсутствии этих масок, однако общая форма наблюдаемой интерференционной картины повторяет форму картинки маски. Цель применения этого типа масок при проведении лечебных сеансов - способствовать фиксации внимания пациентов, особенно детей, на наблюдаемой картине спеклов, причем возможность практически мгновенной смены маски и, соответственно, наблюдаемой картинки делает использование подобных масок особенно эффективным.

Маски второго типа изменяют характеристики наблюдаемой картины спеклов. Опыты показали, что для наблюдателя, находящегося на расстоянии нескольких метров (1-6 метров) от экрана аппарата, создание интерференционной картины высокой контрастности с увеличенными размерами спеклов обеспечивается маской с одним или несколькими отверстиями, имеющими характерный размер 3-5 мм.

Маски третьего типа, в которых излучение проходит через прорези (или прозрачные участки) разных форм и размеров, выполненных в непрозрачном экране, сочетают в себе эффекты увеличения видимого размера спеклов с некой картинкой, являющейся абстрактным образом, который может ассоциироваться с изображением реального объекта (ромашка, рыбка, павлин). При этом наблюдаемая пациентом интерференционная картина отличается от картины прорезей или прозрачных участков маски.

Маски второго и третьего типов позволяют более точно определять рефракцию глаз и выявлять наличие и степень астигматизма, более широко и углубленно исследовать характеристики зрения пациентов.

Наличие набора сменных масок различных типов расширяет возможности применения устройства и повышает эффективность диагностических и лечебных процедур.

Таким образом, устройство обеспечивает получение как подвижной, так и неподвижной картины спеклов, причем движение спеклов в режиме наблюдения динамической картины направлено по горизонтали в одну сторону, а наличие дополнительного экрана позволяет изменять общую форму и характеристики наблюдаемой картины спеклов.

Изобретение позволяет повысить надежность работы устройства, упростить технологию изготовления, а также повысить эффективность диагностики и лечебных процедур в офтальмологии и расширить функциональные возможности устройства.