Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

Х = f /(1-f*N) (10)

где f - фокусное расстояние оптического элемента, N - значение диоптрий на шкале с учетом знака, а Х - соответствующее данному N расстояние.

Формула (10) предполагает тонкую линзу (объектив или зеркало) и малое расстояние между глазом и линзой.

Рис. 3

Проведенный анализ показал, что как и в других оптометрических приборах, измерения которых основаны на анализе остроты зрения, главный вклад в снижение результирующей точности тестера зрения вносит ошибка, связанная с аккомодацией глаза. Глаз имеет некоторое постоянное, аккомодационное напряжение («привычный тонус»), что существенно влияет на точность измерения не только рефракции, но и других параметров зрения.

С целью устранения аккомодационной ошибки был предложен и успешно реализован новый принцип построения тест-объектов (принцип «ступеньки»). Для этого тест-объект был искусственно разделен на две примерно равные части, отстоящие друг от друга приблизительно на 0,25 дптр. вдоль оптической оси, что соответствует ранее выполненной оценке для предельной точности измерения рефракции. Изображения теста выполнялись на стекле окислами хрома методом фотолитографии.

Переход к принципу «ступеньки» для тест-объектов новое техническое решение, которое следует пояснить подробнее. Глаз очень хорошо «замечает» мельчайшие различия, но лишь при возможности сравнения изображений, и значительно хуже «измеряет» абсолютные величины. Предложенный тест-объект подчеркивает малейшие отличия при измерении рефракции за счет возможности точной фокусировки на сетчатку лишь части изображения. В результате удалось существенно снизить вклад аккомодационной ошибки и значительно повысить точность измерения рефракции.

По принципу «ступеньки» тест-объект может быть разделен на три и на большее число частей, отстоящих на различном расстоянии друг относительно друга вдоль оптической оси и обеспечивающих требуемую точность, например, 0,25 дптр., 0,4 дптр. и 0,6 дптр. Конструктивно «ступенька» между частями изображения тест-объекта может быть выполнена самыми различными способами. Например, можно использовать дисперсию и разность показателей преломления для красных и фиолетовых лучей (хроматическая аберрация специальных стекол) и др.

В процессе работы экспериментально установлено, что уменьшение величины «ступеньки» между частями тест-объекта до 0,15-0,2 дптр. значительно затрудняет процесс сравнения частей тест-объекта, что соответствует ранее сделанным выводам о предельной точности измерения клинической рефракции.

Для нового тест-объекта была разработана новая методика измерений и соответствующая инструкция. При использовании предложенных тест-объектов не только значительно повышается точность измерений, но сам процесс измерений существенно упрощается, поскольку измерения рефракции и аккомодации свелись к некоторой последовательности изменений вида изображения оптотипа тест-объекта.

+ Рис. 4 -

Так при приближении тест-объекта начиная от максимальных плюсовых диоптрий (крайний левый рисунок) до минимальных минусовых (крайний правый рисунок), происходит следующая последовательность смены изображений (см. Рис. 4). Сначала (см. крайний левый рисунок), глаз ничего не видит четко, так как на сетчатку проецируются сходящиеся лучи. Затем в какой-то момент возникает лишь одно четкое изображение. Это соответствует полностью расслабленному глазу и надписи рефракция на Рис.4. Затем, при частично напряженном и деформированном хрусталике (следующий рисунок), за счет быстрой аккомодации одинаково хорошо видны обе части рисунка тест-объекта и так продолжается по мере приближения тест-объекта к объективу вплоть до максимально напряженного состояния глаза (предельная аккомодация и надпись аккомодация). Далее оба изображения снова становятся размытыми.

Смена вида изображения понятна любому (даже ребенку) и не требует специальных навыков и знаний, но в тоже время указанная последовательность изображений точно соответствует определенным состояниям рефракции глаза, что является следствием применения нового типа тест-объекта и предложенной методики.

Данный тип тест-объектов и предложенный принцип уменьшения влияния аккомодации можно успешно применять в других оптических устройствах.

Необходимость компьютерного моделирования оптической системы глаз - оптометрический прибор связана со сложностью решаемой задачи. Даже без требования проверки остроты зрения (что соответствует дифракционному пределу разрешения), для точных оптометрических измерений требуется максимально качественное изображение применяемых оптотипов и полная оптимизация оптической системы тестера зрения.

Аналитические принципы компенсации аберраций, разработанные в начале 20 века в работах Чернина, Волластона и Оствальда для очковой оптики и основанные на исправлении астигматизма для аберраций 3-го порядка за счет обращения в ноль соответствующей суммы Зайделя, мало пригодны для тестеров зрения. Это связано с тем, что для тестера зрения необходимо минимизировать аберрации как для действительных, так и для мнимых изображений в достаточно широком диапазоне измерений рефракции.

Кроме того, при моделировании прибора требуется учесть систематическую ошибку, связанную с конечным расстоянием между линзой и глазом (см. Рис. 5), которая возрастает на краях шкалы и искажает результаты измерений.

Рис. 5

Пример расчета аберраций линзового прибора с помощью разработанной программы представлен в таблице 1.

Далее моделирование хода лучей осуществлялось при помощи профессиональной программы Zemax. При компьютерном моделировании хроматические аберрации учитывались посредством введения весовых коэффициентов, соответствующих стандартной функции видности глаза: 1 – для 555 нм, 0,091 - для 470 нм и 0,107 – для 650 нм.

Кроме учета хроматических аберраций, необходимо оценить влияние температуры и других внешних параметров на точность измерений и на стабильность параметров оптической системы. Выполненные оценки показали, что суммарная поправка во всем диапазоне рабочих температур 10-35 градусов Цельсия не превысила 20 мкм изменения шкалы прибора и пренебрежимо мала.