Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

Таблица 1

N – цена шкалы, а Х соответствующее расстояние, h – расстояние от оптической оси. В знаменателе указана соответствующая данному положению величина аберраций.


Рис. 6 а) Tango N, рефракция +4 дптр.



Рис. 6 б) Tango N, рефракция -1 дптр.

Рис. 6 в) Tango N, рефракция +4 дптр.

Рис. 6 г) Размер пятна изображения

На Рис. 6 б) представлена зависимость размера фокального пятна при смещении относительно плоскости изображения вдоль оптической оси и указан минимальный размер пятна 6,971 мкм.

На Рис. 6 в) представлены зависимости аберраций прибора в плоскости изображения для выбранных длин волн в точке шкалы +4 дптр.

На Рис. 6 г) представлена зависимость величины пятна изображения по полувысоте и по основанию при разных значениях шкалы прибора (соответствует разному положению тест-объекта).

Приведены примеры расчета лишь наиболее важных и типичных зависимостей в отдельных точках шкалы. Всего для каждой линзы, для разных точек шкалы было рассчитано и проанализировано более тысячи аналогичных зависимостей.

Компьютерное моделирование доказало, что дисперсия оптического стекла К-8, хотя и изменяет фокусное расстояние линзы при различном освещении тест-объекта (за счет хроматических аберраций), но слабо влияет на суммарные аберрации прибора. Единственное существенное ограничение при использовании плосковыпуклой линзы связано с предельным размером тест-объекта.

Рис. 7

Результаты расчетов для прибора Tango N сведены в таблицу 2.

Таблица 2

В таблице 2 использованы прежние обозначения, но дополнительно указан расчетный зазор между глазом и линзой d. Во 2 столбце приведены расстояния, рассчитанные собственной программой, а остальные столбцы рассчитаны программой Zemax.

Небольшие различия между 2 и 3 столбцами для одних и тех же значений шкалы связаны с различием использованных критериев для оценки качества изображения. Разница в расчетах двумя программами выглядит как систематическая ошибка и в абсолютных величинах расхождение не превышает допустимые 0,25 дптр.

Таким образом, в результате компьютерного моделирования достигнуты минимальные аберраций (10-20 мкм во всем диапазоне измерений, см. Рис. 6г), проведена оптимизация конструкции, уменьшены массо-габариты прибора и т.д.

В диссертации также представлены основные характеристики тестеров зрения серии Tango (ТУ 4431-001-06705227-00 от 20 апреля 2000г.). Краткая выдержка из утвержденных технических требований прибора представлена ниже:

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1 Требования к конструкторской документации.

1.1.1 Тестеры должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50444-92 и требованиям настоящих технических условий ТУ 4431-001-06705227-00.

1.2 Основные технические характеристики.

1.2.1 Диапазон измерения рефракции:

- тестер зрения Tango F, диоптрии……..........………..-7  +7

- тестер зрения Tangо N, диоптрии…...……..….…… -10  +3

1.2.2 Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности при измерении рефракции, диоптрии ………………………………...........  0.25

1.2.3 Рабочие условия эксплуатации:

- температура, ^оС ………………..….….………… +10  +35

- относительная влажность, %….............…………… 30  80

1.2.4 Габаритные размеры, мм …..…………..……….. 21 х 19 х 155 21 x 19 x 1Масса, не более, Г 40

Масса, г.………………………..…………….……………...….… не более 40
В результате комплекса мер создан простой и компактный оптометрический прибор (тестер зрения). Проведенные в РОСТЕСТ-МОСКВА и другие независимые испытания подтвердили инструментальную точность тестера зрения лучше 0,25 диоптрии во всем диапазоне измерений (14 дптр.). Прибор соответствует всем предъявляемым к массовой продукции требованиям.

Тестер зрения защищен патентами России (А.И. Миланич «Рефрактометр (Тестер Миланича)» № 2137414 от 20.09.1999 и № 2202937 от 27.04.2003).

В диссертации проанализирован ряд технологических проблем и методы их решения, в частности усовершенствована технология изготовления тест-объектов, и т.д.

Кроме измерений рефракции и аккомодации, тестер зрения позволяет улучшать зрение в некоторых пределах, осуществляя «тренировку» зрения за счет создания дозированных нагрузок на мышцы глаза. Инструментальная тренировка зрения и соответствующие «тренажеры зрения» - это совсем новая и еще мало изученная, но весьма перспективная область офтальмологии и оптометрии. Имитируя различный ход лучей можно заставить работать или расслабляться мышцы глаза, а варьируя длительность нагрузки можно изменять в определенных пределах параметры рефракции и объема аккомодации и так адаптировать глаз и зрение к новым условиям. Выполнены предварительные эксперименты.

Таким образом, в результате компьютерного моделирования проведена полная оптимизация прибора, уменьшено влияние фактора расстояния между глазом и линзой при измерении рефракции и аккомодации, что дополнительно повысило точность измерений прибора (тестера зрения) и т.д.
2.6 Метод компенсационного измерения астигматизма

Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, тестер зрения - это многофункциональный, оптометрический прибор, позволяющий измерять базовые параметры зрения с высокой инструментальной точностью.

Конечно, измерение таких параметров, как астигматизм или острота зрения, в индивидуальной оптометрии намного сложнее и требует помощи или совета специалиста. Поэтому в силу указанных особенностей некоторые из «расширенных» возможностей разработанных приборов были реализованы, как дополнительные функции, в виде отдельных узлов и насадок, что прежде всего относится к измерению астигматизма.

Астигматизм – один из наиболее сложных для оптометриста параметров, поскольку при наличии астигматизма измерения основных параметров зрения как минимум затруднены и неточны. Измерению астигматизма сопутствует ряд побочных, неприятных эффектов. Например, измерение рефракции астигматического глаза в обычном понимании теряет смысл, поскольку за рефракцию астигматического глаза принимают среднюю арифметическую рефракцию двух главных меридианов. Ее называют сферическим эквивалентом данного глаза. Разность рефракций двух главных меридианов, называют астигматической разностью или степенью астигматизма глаза.

Использование минусовых цилиндрических линз целесообразнее аналогичных плюсовых не только потому, что врач выписывает именно отрицательные «цилиндры». Помимо этого, измеренное тестером зрения значение рефракции с отрицательными цилиндрическими линзами меньше, чем с положительными линзами, а значит меньше вероятность при измерениях оказаться на краю шкалы прибора, что дополнительно повышает точность измерений.

В предварительных экспериментах получена точность измерения рефракции астигматического глаза 0,5 дптр. (шаг по рефракции цилиндрических линз), что ниже точности тестера зрения при точности определения углов 5 градусов. Это приемлемая точность при экспресс- измерениях астигматизма.

Кроме астигматизма, на схожих принципах «дополнительности» реализована опция тренировки зрения и ряд других оптометрических тестов.

Анализ показал, что большинство существующих методик и стандартных тестов плохо соответствуют требованиям индивидуальной оптометрии, поскольку малая площадь тест-объекта накладывает существенные ограничения на тип изображения.

Поэтому помимо разработки новых приборов и соответствующих методик решалась задача разработки новых оптотипов для приборов класса индивидуальной оптометрии и для некоторых других областей оптометрии (например, компьютерные тесты зрения), где использование обычных таблиц или тестов на основе кольца Ландольта затруднено либо невозможно.

Размеры фигур для контроля остроты зрения, в том числе и в таблицах Головина-Сивцева, строго регламентированы. Так, кольцо Ландольта всегда имеет толщину, ширину и разрыв равные 1/5 диаметра. Данному соотношению 1/5 должны соответствовать минимальная ширина деталей буквы и зазора по отношению к стороне квадрата, в который вписан знак или буква.

Согласно существующим международным стандартам ISO 8597 и 8596, при определении остроты зрения рекомендовано использовать кольцо Ландольта с разрывом. На практике для определения остроты зрения чаще используют знаки в виде букв, цифры или специальные фигуры, как одиночные, так и объединенные в таблицу.

При разработке содержания теста на определение остроты зрения для тестеров зрения возникли специфические, дополнительные ограничения. Например, при микро печати на принтере маленькие окружности и кольца имеют низкое качество по сравнению с линиями и прямоугольниками или фигурами из них составленных. Поэтому от кольца Ландольта (как эталонного знака) пришлось отказаться. В результате был разработан тест (оптотип) на котором пациент должен различить «излом» линии на стороне квадрата и ориентацию крючка Снеллена («буквы» Е или Ш), а врач, контролируя правильность ответов, может оценить остроту его зрения.

В качестве базовой фигуры для проверки остроты зрения в индивидуальных оптиметрах были выбраны «квадрат» и «крест», как фигуры, лучше удовлетворяющие перечисленным выше критериям и занимающие мало места на тест-объекте. У «квадрата» было изменено соотношение 1/5 (на примерно 1/10), но отношение 1/5 сохранено для «креста» (см. Рис.8 и Рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

Для «креста» возможна различная пространственная ориентация, которую описывают словами: вверху, внизу, равно, смещен и т.д. Хотя данное описание сложнее, чем для обычных «крючков», но принцип ломаной линии позволяет точнее измерить остроту зрения, так как оптотип не сводится к стандартной букве Е.

Принцип ломаной линии использован и при построении «квадрата».

Таким образом, отказавшись от кольца Ландольта, можно оценивать остроту зрения пациента в соответствии с остальными требованиями стандартов ISO 8596, ISO 8597. Излом стороны квадрата и размещение крючка Снеллена в центральной части квадрата, служат дополнительным контролем правдивости ответов пациента.

Еще больше проблем возникает при попытке контролировать цветное зрение и совместить тест с компактностью индивидуального оптиметра. Стандартные тесты цветного зрения по полихромным таблицам Рабкина (когда пациент в цветной мозаике из пятен различает ту или иную цифру или фигуру) из-за небольших размеров теста оказались непригодны в индивидуальной оптометрии. Поэтому потребовалось разработать новые методы контроля цветовосприятия.

Единственным, приемлемым решением для контроля цветовосприятия в приборах индивидуальной оптометрии является предложенный метод сравнения близких цветов и контроль правильности ответов пациента. Сформированная на основе компьютерного стандарта RGB цветовая гамма, где оттенки красного (R) , зеленого (G) и голубого (B) соответствуют значениям от 0 до 255 - является основой теста по цветовосприятию. Предложенные идеи реализованы в виде компактных тестов, представляющих графические таблицы, где цвет каждой из ячеек соответствует определенному цвету RGB, а пациент должен определить одинаковые цвета. Цвета в ячейках изменяются от «чистого» цвета (0,0,255) - голубой, (0,255,0) - зеленый и (255,0,0) - красный, до черного (0,0,0) или белого (255,255,255), как это происходит на экране любого цветного монитора.

Метод сравнения цвета полей позволяет легко изменять основные параметры: вид таблицы, «главный цвет» и «шаг» по цвету. Стандартная RGB градация цветов современного компьютера дает в итоге 16777216 возможных оттенков (более 16 миллионов), что превышает примерно 6-10 миллионов оттенков доступных человеческому глазу. Таким образом, готовые компьютерные технологии позволили реализовать проверку цветного зрения человека, причем впервые в численном виде.

Большинство предложенных тестов и оптотипов можно тиражировать на пленке, наклеить на любую ступенчатую основу, реализовать их в виде специализированной компьютерной программы и т.д.