Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

Для моделирования оптической системы прибора была разработана компьютерная программа, которая в рамках геометрической оптики рассчитывала ход лучей не только для сферической, но и для параболической оптики. Позднее расчеты данной программы сравнивались с аналогичными расчетами, полученными при помощи коммерческих, профессиональных программ и отмечено хорошее взаимное соответствие результатов.

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.

Tango F

плосковыпуклая линза из стекла К-8, толщина 3 мм, n=1.5173, радиус кривизны сферической поверхности 32,4 мм

N/аберрация h = 3	Х/аберрация h= 1	Х/аберрация h = 2	Х/аберрация h = 3	Х/аберрация h = 4	Х min/Х max h = 4
+7 /0.2622	111.5/0.084	111.8/0.108	113.2/0.265	114.0/0492
+6.5	105.6/0.082	105.7/0.088	106.8/0.224	108.5/0.422	108.1/108.9
+6 /0.1826	100.3/0.083	100.3/0.069	101.2/0.187	102.4/0.359	102.1/102.7
+5.5	95.5/0.0896	95.5/0.0687	96.1/0.1549	97.0/0.3036	96.7/97.3
+5 /0.1151	91.2/0.1118	91.2/0.0740	91.5/0.1135	92.2/0.2400	91.9/92.5
+4.5	87.2/0.1180	87.2/0.0744	87.4/0.0864	87.9/0.1948	87.6/88.1
+4 /0.0585	83.6/0.1465	83.6/0.959	83.6/0.582	84.0/01359	83.7/84.2
+3.5	80.2/0.1487	80.2/0.1051	80.2/0.586	80.4/0.1024	80.2/80.6
+3 /0.0836	77.1/0.1690	77.1/0.1321	77.1/0.0726	77.2/0.0696	77.0/77.4
+2.5	74.3/0.2375	74.3/0.2076	74.3/0.1612	74.3/0.1002	74.1/74.5
+2 /0.2136	71.6/0.2542	71.6/0.2426	71.6/0.2121	71.6/0.1746	71.5/71.8
+1.5	69.2/0.4263	69.2/0.4152	69.2/0.4054	69.2/0.3988	69.0/69.3
+1 /0.5521	66.8/0.4909	66.8/0.4980	66.8/0.5248	66.8/0.5733	66.7/67.0
+0.75/0.771
+0.5/1.2021	64.7/1.1679	64.7/1.2219	64.7/1.344	64.7/1.539	64.6/64.8
+0.25/2.493
0			62.61
-0.25/2.643
-0.5/1.3557	60.8/1.2444	60.8/1.3637	60.8/1.600	60.8/1.955	60.6/60.9
-0.75/0.922
-1 /0.7063	59.0/0.6000	59.0/0.6729	59.0/0.8142	59.0/1.024	58.9/59.1
-1.5	57.3/0.3812	57.3/0.4375	57.3/0.5451	57.3/0.7035	57.2/57.4
-2 /0.3756	55.7/0.2770	55.7/0.3242	55.7/0.4135	55.7/0.5445	55.6/55.8
-2.5	54.2/0.2252	54.2/0.2664	54.2/0.3438	54.2/0.4569	54.1/54.3
-3 /0.2599	52.8/0.2049	52.8/0.2418	52.8/0.3106	52.8/0.4109	52.7/52.8
-3.5	51.4/0.1472	51.4/0.1806	51.4/0.2428	51.4/0.3331	51.3/51.5
-4 /0.1993	50.1/0.1200	50.1/0.1507	50.1/0.2075	50.1/0.2898	50.0/50.2
-4.5	48.9/0.1168	48.9/0.1452	48.9/0.1975	48.9/0.2734	48.8/49.0
-5 /0.1614	47.7/0.0884	47.7/0.1147	47.7/0.1632	47.7/0.2333	47.7/47.8
-5.5	46.6/0.0837	46.6/0.1083	46.6/0.1535	46.6/0.2187	46.6/46.7
-6 /0.1348	45.6/0.0996	45.6/0.1227	45.6/0.1651	45.6/0.2262	45.5/45.6
-6.5	44.6/0.0964	44.6/0.1182	44.6/0.1580	44.6/0.2153	44.5/44.6
-7 /0.1155	43.6/0.0783	43.6/0.0988	43.6/0.1362	43.6/0.1901	43.5/43.6

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 а) представлен пример компьютерного моделирования основных оптических параметров прибора в точке шкалы +4 дптр. В левом верхнем квадранте представлено сечения пятна точечного изображения, а рядом справа вверху соответствующий волновой фронт. В левом нижнем квадранте рассчитаны продольные хроматические аберрации для длин волн 470, 550 и 650 нм и в нижнем правом квадранте расчетное поле интерферограммы с эталонным пучком.

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

На следующем этапе была разработана конструкция и изготовлены пресс-формы для опытной партии тестеров зрения. Представленная конструкция прибора серии Tango (см. Рис. 7) была выбрана среди других вариантов из соображений компактности, простоты, надежности и дешевизны.

Результаты расчетов для прибора Tango N сведены в таблицу 2.

Tango N плосковыпуклая линза из стекла К-8, толщина 3 мм, n=1.5173, радиус сферической поверхности 43,772 мм, h = 2 мм

Таблица 2

N	Х d = 0	Х (Zemax) d = 0	Х (Zemax) d = 5	Х (Zemax) d = 10
+3	111.4	110.475	109.920	109.387
+2.5	105.3	104.520	104.173	103.836
+2	99.8	99.161	98.960	98.764
+1.5	94.9	94.314	94.419	94.110
+1	90.4	89.908	89.866	89.825
+0.75		87,852	87,829	87,807
+0.5	86.4	85.886	85.876	85.867
+0.25		84,003	84,001	83,999
0	82.579	82,363
-0.25		80,469	80,466	80,465
-0.5	79.2	78.808	78.800	78.792
-0.75		77,212	77,195	77,177
-1	76.0	75.678	75.648	75.617
-1.5	73.1	72.780	72.717	72.653
-2	70.4	70.090	69.985	69.879
-2.5	67.9	67.585	67.432	67.276
-3	65.5	65.247	65.042	64.831
-3.5	63.3	63.061	62.798	62.528
-4	61.2	61.011	60.689	60.356
-4.5	59.3	59.086	58.702	58.304
-5	57.5	57.274	56.826	56.363
-5.5	55.8	55.566	55.054	54.522
-6	54.2	53.953	53.376	52.776
-6.5	52.6	52.427	51.786	51.117
-7	51.2	50.981	50.276	49.538
-7.5	49.8	49.610	48,840	48.034
-8	48.5	48.307	47.474	46.599
-8.5	47.3	47.068	46.172	45.230
-9	46.1	45.888	44.930	43.921
-9.5	44.9	44.711	43.744	42.669
-10	43.9	43.689	42.610	41.469

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.

Сегодня существует много способов качественного определения и количественного измерения астигматизма. Например, рассматривая соответствующие «астигматические фигуры» (или «лучистые фигуры») в виде радиальных лучей, можно довольно просто самостоятельно определить главные меридианы астигматического глаза. Но это принципиально субъективный и качественный тест, поскольку только пациент знает его результат.

За основу метода измерений астигматизма индивидуальными оптиметрами выбран метод компенсации астигматизма набором цилиндрических линз, поскольку астигматизм успешно компенсируется цилиндрическими линзами, причем как положительными, так и отрицательными (компенсаторный метод).

Чтобы измерить астигматизм, необходимо и достаточно: поместить цилиндрическую линзу непосредственно перед астигматическим глазом, подобрать оптическую силу цилиндрической линзы, точно компенсирующую астигматическую разность, соответствующим образом сориентировать цилиндрическую линзу для компенсации астигматизма и определить направление ее оси, что соответствует направлению одного из главных меридианов глаза. Отметим, что хотя оси положительной и отрицательной цилиндрической линзы совмещают с различными главными меридианами астигматического глаза, обе цилиндрические линзы должны иметь одинаковую по величине рефракцию, точно равную астигматической разности.

Если оптическая сила цилиндрической линзы не соответствует астигматической разности глаза, то измерения будут затруднены, а результат сомнителен.

Требования к точности угловой ориентации следующие: +5 градусов при астигматической разности менее 0,5 диоптрии, +3 градуса при астигматической разности от 0,5 до 3 дптр. и +2 градуса свыше 3 диоптрий.

Как и при измерении остроты зрения, при проверке астигматизма в соответствии со стандартом необходимо обеспечить требуемый уровень освещенности теста 700 или 1000 лк.

При производстве цилиндрических линз оказалось более технологичным изготовить положительные линзы из стекла (вес цилиндрической линзы при измерениях не имеет значения). Для экспериментов использовали два комплекта положительных цилиндрических линз из стекла К-8 с шагом по рефракции 0,5 дптр. в диапазоне от +0,5 до +3 дптр. Предельная оптическая сила +3 дптр. выбрана равной оптической силе стандартных астигмометров. Каждая из цилиндрических линз закреплялась в оправу из черненого дюраля, на которую гравировкой наносилась шкала ТАБО. Испытания подтвердили работоспособность такого простого приспособления в полном соответствии с теорией компенсации астигматизма цилиндрическими линзами.

При изготовлении цилиндрических линз из пластика, оказалось технологически более предпочтительным использовать отрицательные линзы. В случае отрицательной, цилиндрической линзы ось линзы совмещают с главным меридианом глаза с большей рефракцией. Тогда происходит полная компенсация астигматизма.

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 результате проделанной работы разработана техническая документация на комплекты сменных, цилиндрических линз из оптического пластика ЛСО-М с показателем преломления 1,49.

Комплекты цилиндрических линз можно использовать отдельно от тестера зрения с любой таблицей для измерения астигматической разности и определения главных меридианов, поскольку комплект линз можно модифицировать в самостоятельное, автономное устройство для выявления астигматизма. Кроме того, комплекты цилиндрических линз легко адаптировать для работы с другими оптометрическими приборами.

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.

На примере измерения астигматизма доказана возможность раздельного измерения основных оптометрических параметров зрения одним прибором без корреляционного влияния измеряемых параметров друг на друга.

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

2.7 Разработка новых оптотипов и контроль цветовосприятия

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

На Рис. 8, 9 представлены не все возможные сочетания, в частности пропущен симметричный крест.

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.

2.8 Метод калибровки приборов и результаты натурных испытаний

Значительные усилия были направлены на точную калибровку и поверку приборов, поскольку не надо объяснять, что ошибка в калибровке негативным образом сказывается на точности любых измерений. Разработка методики поверки не простой вопрос, поскольку тестер зрения относился к приборам нового класса и ранее не выпускался в России.

При проверке инструментальной точности фактически проверяется правильность рассчитанной на компьютере шкалы, обоснованность метода настройки прибора и всех предложенных принципов конструирования и оптимизации приборов. Для выполнения поверки приборов предложена соответствующая методика и совместно с автором диссертации разработано и изготовлено специальное, поверочное оборудование для РОСТЕСТ-МОСКВА (обозначено как ППТ-1 в описании испытаний), см. Рис. 10



Рис. 10

Целью комплекса испытаний в РОСТЕСТ-МОСКВА была не только проверка инструментальной точности измерений рефракции тестером зрения во всем диапазоне измерений, но и проведение климатических и других испытаний по регламентам промышленного оборудования.

Принцип поверки инструментальной точности состоит в проецировании изображения тест-объекта на экран и в экспериментальной проверке соответствия шкалы прибора расчетному расстоянию до экрана.

Конструкция тестера зрения успешно выдержала все испытания (в том числе климатические и д.р.), поэтому в заключении РОСТЕСТ-МОСКВА сказано: «утвердить тип тестеров зрения Tango N, Tango F и внести их в Государственный реестр средств измерений». Так же в Акте Испытаний от 10.10.2000г. отмечено, что «предел абсолютной погрешности измерений оптической силы составляет +0,05 диоптрии». Таким образом, в результате комплекса мер достигнута высокая инструментальная точность измерений рефракции и объема аккомодации соответствующая точности профессионального, оптометрического оборудования.

Пример одного из протоколов натурных испытаний прибора серии Tango F представлен ниже.

Проводимые впоследствии другие независимые испытания подтвердили заявленную инструментальную точность прибора.

Протокол испытаний тестера зрения Tango F 19.05.2000

JOB типа OPTIC зав.номер 4

Изготовитель: НITON Владелец: HITON

Поверитель : Чупраков Доверительная вероятность:.95

Наблюд.|Перев.|Средн.|Эталон|Пог.эт| НСП |Гр.НСП| СКО |Гр.СКО| Погр.|

Dс | T | | | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. |

Функция преобразования: T = Dс.

Измерение N 1 Комментарий: Tango+7

Число наблюдений: 5

6.89 6.89 7.002 7 0 0.00 0.00 0.07 0.190 0.190

6.99 6.99 Коэффициент Стьюдента = 2.776

7.24 7.24

6.85 6.85

7.04 7.04

Измерение N 2 Комментарий: Tango+6

Число наблюдений: 5

6.06 6.06 5.922 6 0 0.08 0.09 0.04 0.113 0.135

5.95 5.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.23

5.84 5.84

5.84 5.84

5.92 5.92

Измерение N 3 Комментарий: Tango+5

Число наблюдений: 5

4.95 4.95 4.902 5 0 0.10 0.108 0.02 0.06 0.124

4.95 4.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.03

4.88 4.88

4.9 4.9

4.83 4.83

Измерение N 4 Комментарий: Tango+4

Число наблюдений: 5

3.95 3.95 3.97 4 0 0.03 0.03 0.02 0.050 0.06

3.92 3.92 СКОсумм = 0.025 Коэффициент = 2.27

3.97 3.97

4.03 4.03

3.98 3.98

Измерение N 5 Комментарий: Tango+3

Число наблюдений: 5

3.01 3.01 3.008 3 0 0.01 0.01 0.01 0.03 0.03

3.02 3.02 Коэффициент Стьюдента = 2.776

3.01 3.01

3.03 3.03

2.97 2.97

Измерение N 6 Комментарий: Tango+2

Число наблюдений: 5

1.97 1.97 1.968 2 0 0.03 0.04 0.00 0.01 0.04

1.96 1.96 Коэффициент Стьюдента = 2.776

1.96 1.96

1.97 1.97

1.98 1.98

Измерение N 7 Комментарий: Tango 0

Число наблюдений: 5

3.95 3.95 3.936 4 0 0.06 0.07 0.02 0.05 0.09

3.98 3.98 СКОсумм = 0.04 Коэффициент = 2.09

3.92 3.92

3.87 3.87

3.96 3.96

Измерение N 8 Комментарий: Tango-1

Число наблюдений: 5

2.96 2.96 2.97 3 0 0.03 0.03 0.01 0.02 0.04

2.97 2.97 СКОсумм = 0.02 Коэффициент = 2.05

2.96 2.96

3 3

2.96 2.96

Измерение N 9 Комментарий: Tango-2

Число наблюдений: 5

2 2 1.986 2 0 0.01 0.02 0.01 0.01 0.02

1.98 1.98 СКОсумм = 0.01 Коэффициент = 2.14

1.99 1.99

1.99 1.99

1.97 1.97

Измерение N 10 Комментарий: Tango-3

Число наблюдений: 5

4.88 4.88 4.912 5 0 0.088 0.10 0.03 0.08 0.124

4.95 4.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.11

5 5

4.9 4.9

4.83 4.83

Измерение N 11 Комментарий: Tango-4

Число наблюдений: 5

3.95 3.95 3.97 4 0 0.03 0.03 0.01 0.04 0.05

4.02 4.02 СКОсумм = 0.02 Коэффициент = 2.19

3.97 3.97

3.97 3.97

3.94 3.94

Измерение N 12 Комментарий: Tango-6

Число наблюдений: 5

2.01 2.01 1.994 2 0 0.01 0.01 0.01 0.03 0.03

1.98 1.98 Коэффициент Стьюдента = 2.776

1.99 1.99

1.97 1.97

2.02 2.02

В результате проделанной работы была поставлена и успешно решена практически задача создания компактного оптометрического прибора для мониторинга параметров зрения. Кроме того, разработаны, обоснованы и экспериментально проверены принципы конструирования приборов класса индивидуальной оптометрии.

Третья Глава, Другие Варианты Рефрактометров -посвящена инженерно-техническим аспектам решаемой задачи разработки различных модификаций тестеров зрения и анализу существующих технологических проблем. Кроме того, проведен детальный, сравнительный анализ различных модификаций оптометров, определены перспективные направления развития и области применения приборов данного класса.

3.1 Другие варианты и схемы реализации тестеров зрения

Разнообразие предложенных в патенте №2202937 от 27.04.2003 модификаций прибора, обусловлено разнообразием существующих в индивидуальной оптометрии задач. Как наиболее перспективная рассматривается схема прибора, вовсе лишенная подвижных частей. В таком приборе, следует использовать формулу (11) для расчета шкалы клинической рефракции, которая аналогична приведенной ранее формуле (10).

Х = n*R /(n-1-R*N) (11)

Здесь Х расстояние до тест-объекта в стекле измеренное от вершины линзы с радиусом R и показателем преломления n, N - численное значение диоптрий шкалы прибора с учетом знака.

Формула (11) предполагает «тонкую линзу» и небольшое расстояние между глазом и линзой, что соответствует малым углам и небольшой апертуре.

Были изготовлены первые образцы тестера-тренажера GNOMe (ТУ 4431-003-06705227-08) из стекла размером 8х8х70 мм для самоконтроля рефракции и аккомодации, где шкала совмещена с тестом и наносится лазером внутри стекла. Предварительные эксперименты по созданию протяженных тест-объектов в стекле К-8 показали, что необходима оптимизация параметров лазерного излучения и совершенствование технологии лазерного пробоя для устранения сколов заготовки. Сегодня основные технологические трудности успешно преодолены (см. Рис. 11).

Из-за компактности и простоты изготовления целиком стеклянного прибора, а также благодаря исключительно высоким эксплутационным характеристикам по отношению к вибрации, к влиянию климатических изменений и т.п., данный прибор выглядит весьма перспективным. Кроме того, в приборе из стекла автоматически присутствует функция тренировки зрения, что является важным преимуществом данного прибора.



Рис. 11 Тестеры зрения серии GNOMe

Другие предложенные в патентах схемы приборов технически осуществимы и реализованы на разработанных единых принципах конструирования и оптимизации. Большинство исследованных моделей и прототипов легко модифицируются, в том числе и в «электронный» вариант прибора (см. Рис. 12).

Результаты испытаний электронной схемы тестера зрения выявили не только высокие эксплуатационные характеристики, но и определенные технологические проблемы, которые ждут своего решения.

В данном разделе проведен сравнительный анализ различных кинематических схем тестеров зрения, рассмотрены варианты возможных цифровых приборов, выбраны и уточнены принципы оцифровки расстояний и др. Выполнены предварительные работы по полномасштабному 3-Д макетированию ряда перспективных моделей приборов.



Рис. 12 Прототип электронного тестера зрения

В патентах для кинематических схем с подвижными элементами заявлен метод контроля межзрачкового расстояния, но конструктивно предложенный метод пока не реализован в разрабатываемых приборах из-за отсутствия спроса на данную опцию.

В результате анализа представленных в разделе 3.1 ряда кинематических схем сделан вывод, что оптические схемы приборов позволяют на единой основе и общих принципах реализовать разные модификации оптиметров. Но именно удачный выбор кинематики предопределяет простоту, удобство, стоимость и надежность прибора.

3.2 Области применения приборов индивидуальной оптометрии

Поскольку тестер зрения можно сравнить с термометром для глаз, то, как и термометр, тестер зрения не лечит, а лишь предупреждает об опасности и «советует», когда следует обратиться к врачу.

На практике сформировались следующие основные области применения приборов индивидуальной оптометрии:

1. Прежде всего, тестер зрения широко используют школьники и студенты.

2. Тестеры зрения опробованы для контроля зрения у водителей легкового и грузового транспорта.

3. Самое большое число приборов приобретено врачами, причем самых различных профилей и специализаций.

4. Также тестер зрения приобретали магазины по продаже очков и оптических приборов.

5. Функция тренировки зрения имеет большой спрос и в этом направлении получены предварительные результаты.

Это далеко не полный перечень, поскольку проводились пробные продажи, а массовое применение приборов может внести в данный перечень существенные коррективы.

3.3 Сравнительные характеристики индивидуальных оптометров

В этом разделе проведено сравнение технических характеристик тестера зрения с аналогичными характеристиками других приборов.

Сравнение параметров тестера зрения и Фокометра выполнено на основе сравнительного анализа литературы и патентов. Выявлены существенные преимущества тестера зрения перед Фокометром по ряду важнейших параметров, например:

1. Для обеспечения линейности шкалы Фокометр использует более сложную оптическую систему.

2. Размещение призмы Пехана на оптической оси Фокометра привносит дополнительные аберрации и снижает точность измерения рефракции.

3. Вероятно, у Фокометра существуют трудности при калибровке прибора, поэтому точность измерений тестера зрения ВЫШЕ.

4. По ряду методик отмечено как сходство, так и различие между Фокометром и Тестером зрения даже при решении схожих задач, например, при измерении астигматизма. Методики Фокометра накладывают ряд существенных ограничений на расстояние до таблицы, которых нет у Тестера Зрения.

5. Тестер зрения имеет некоторые дополнительные функции, которые не заявлены в Американском патенте и отсутствуют в конструкции Фокометра. При этом все функции, доступные Фокометру, доступны и для Тестера зрения.

6. Тестер зрения легче модифицировать под новые задачи.

7. Диапазон измерений у Тестера зрения 14 дптр., вместо 9 дптр. для Фокометра, что является дополнительным преимуществом Тестера зрения.

8. Фокометр более дорогой прибор (495 долларов) по сравнению с Тестером (1200 р.).

9. Вес Фокометра около 1 кГ, против 40 Грамм у Тестера зрения.

Ряд сделанных выше выводов нашел подтверждение у независимых оптометристов, непосредственно использовавших Фокометр в Индии и проверивших при помощи Фокометра 188 глаз пациентов.

Кроме Фокометра, проанализирован продукт компании Edmund Scientific - Vision Tester CR38-624 из каталога 2000г, который из-за невысокой точности, вероятно, уже снят с производства.

Сравнительный анализ оптиметров показал, что тестер зрения превосходит известные аналоги по основным техническим параметрам (точность, вес, простота и т.д.). При небольшом весе, компактности и простоте эксплуатации точность измерений тестера зрения соответствует точности профессионального оборудования.

В ЗАКЛЮЧЕНИИИ представлены основные результаты:

1. В результате проделанной работы разработаны и обоснованы принципы конструирования и на их основе реализован простой, компактный и надежный прибор индивидуальной оптометрии (тестер зрения) пригодный как для врачебного мониторинга, так и для и самоконтроля основных параметров зрения (рефракции, объема аккомодации, остроты зрения, астигматизма и т.д.).

2. Предложена модель работы глаза, которая дополняет модель аккомодации Гельмгольца и позволяет точнее рассчитывать ход лучей в частности в неоднородных оптических средах.

3. Предложен новый принцип и новая конструкция тест-объекта пригодная для ряда других оптометрических приборов, которая значительно повышает точность измерений и существенно снижает вклад в измерения «аккомодационной ошибки».

4. Выполнены исследования по оптимизации основных параметров прибора, что обеспечило высокую, официально подтвержденную (*прибор внесен в госреестр средств измерений) инструментальную точность измерений лучше 0,25дптр. во всем диапазоне измерений.

5. Разработаны новые методики измерений и новые тесты, которые адаптированы к специфическим условиям индивидуальной оптометрии.

6. Разработана и успешно применена на практике новая система калибровки тестера зрения пригодная для поверки других приборов данного класса.

7. Проработана эскизная документация на различные варианты и модификации тестера зрения, а также на ряд дополнительных устройств расширяющих функциональные возможности прибора.

8. Подтвержден международный приоритет на изобретение, как посредством оформления заявки по форме PCT и Американского патента, так и путем участия в международных выставках (тестер зрения удостоен золотой медали на выставке в Париже в 2000 году), что юридически гарантирует беспрепятственную продажу тестера зрения на любых внешних рынках.

9. Оформлены основные сертификаты и получены необходимые документы, дающие право начать серийное производство двух моделей тестеров зрения серии Tango (*приборы Tango N и F имеют соответствующие ТУ, методику поверки, Акт испытаний и т.д.)

ОСНОВЕЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

i А.И. Миланич патент РФ «Рефрактометр (Тестер Миланича)» №2137414 от 20.09.1999.

ii А.И. Миланич патент РФ «Рефрактометр (Тестер Миланича)» от №2202937 от 27.04.2003.

iii А.И Миланич международный приоритет WO1999RU0000356U от 04.05.2000 на REFRACTOMETER (MILANICH'S TESTER).

iv Заявка на Американский Патент, Alexander I. Milanich REFRACTOMETER (MILANICH'S TESTER) Application Number 10/123,286 Date 17.04.2002.

v Диплом выставки изобретений 2000 года в Париже о присуждении Тестеру Зрения золотой медали (Concours Lepine, Salon International de L'Invention de Paris 2000).

vi А.И. Миланич «Новинка на оптическом рынке России», Независимый оптический журнал «Веко» №6 (50), сентябрь 2001, стр. 58.

vii А.И. Миланич «Индивидуальные оптиметры и их сравнение» Биомеханика Глаза 2007, стр. 241 (сборник трудов межрегиональной конференции с иностранным участием).

viii Участие в конкурсе изобретений в США в 2004 году «Search For Invention 2004».

ix Участие в телевизионном конкурсе изобретений «Идеи для России» в 2007-2008 годах.

x А.И. Миланич «Теоретический предел точности измерения клинической рефракции» Измерительная техника №3 2008, стр. 51-53.

xi А.И. Миланич «Количественный контроль аномалий цветовосприятия методом сравнения цвета полей», Метрология №11 2008, стр. 31-36.

xii А.И. Миланич «Новые оптотипы для проверки остроты зрения» Измерительная техника №8 2008, стр. 37-39.

xiii А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «История оптометрии» Биомедицинская радиоэлектроника №11 2008, стр. 71-76.

xiv А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «Технические характеристики индивидуальных оптиметров» Биомедицинская радиоэлектроника №12 2008, стр. 63-68.

xv А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «Измерения в оптометрии и контроль остроты зрения по таблицам Головина-Сивцева» Труды 51-научной конференции Московского физико-технического института, часть 2, г. Долгопрудный Моск. обл. 27-30 ноября 2008, стр. 97-100.

xvi А.И. Миланич «Особенности измерения астигматизма в индивидуальной оптометрии при помощи набора цилиндрических линз» Труды 51-научной конференции Московского физико-технического института, часть 2, г. Долгопрудный Моск. обл. 27-30 ноября 2008, стр. 93-96.

xvii А.И. Миланич «О точности измерения клинической рефракции» тезисы доклада на первой международной медико-технической офтальмологической конференции (фев. 2008 стр.38).

xviii А.И. Миланич «Особенности тестов индивидуальной оптометрии» тезисы доклада на первой международной медико-технической офтальмологической конференции (фев. 2008 стр.37).

xix А.И. Миланич «Влияние компьютера на зрение и обзор некоторых индивидуальных оптометрических приборов», Успехи теоретической и клинической медицины т.2 вып. 7 2008 стр. 113-116.

xx А.И. Миланич «Технические характеристики индивидуального оптиметра из стекла» Биомедицинская радиоэлектроника №8-9 2008, стр. 86-88.

xxi A.I. Milanich “The Theoretical Limit to the Accuracy of Clinical Refraction Measurement” Measurement Techniques, Vol. 51, No. 3, 2008, p. 317-319.

xxii A.I. Milanich “New Optotypes for Checking Visual Acuity” Measurement Techniques, Vol. 51, No. 8, 2008, p. 865-867.

xxiii А.Г. Гудков, В.Ю. Леушин, А.И. Миланич «Новые приборы для измерения рефракции глаз и функционального лечения в офтальмологии» Медико-фармацевтический вестник Татарстана, № 45 (371), 2008, стр. 20.

xxiv А.И. Миланич, В.А. Ночевкин «Уточненная модель человеческого глаза» доклад на 5 Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва 16-20 марта 2009, часть 1 стр. 101-102.

xxv А.И. Миланич «Фовеа и механизм быстрой аккомодации» тезисы доклада на 2-ой международной научно-практической офтальмологической конференции «Функциональные методы диагностики и лечения рефракционных нарушений», Москва 26 марта 2009г. стр. 32.

ВЫВОДЫ

- В результате проделанной работы заложены принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии, а также решена проблема создания индивидуального оптометрического прибора, имеющая важное научно-практическое и народнохозяйственное, социальное значение.

- На основании патентов России реализован прибор нового для оптометрии класса «индивидуальных» (домашних) оптометров, позволяющий с помощью специалиста или самостоятельно измерять рефракцию, объем аккомодации, астигматизм, остроту зрения и цветовосприятие, проводить широкий мониторинг параметров зрения населения и т.д.

- Заложенные в конструкции прибора принципы, позволяют инструментально реализовать функцию тренировки зрения, что является новым, перспективным направлением современной оптометрии.

- При габаритах 155х21х19 мм и весе менее 40 грамм инструментальная точность прибора лучше +0,25 дптр. соответствует точности профессионального оптометрического оборудования, что официально подтверждено актами государственных испытаний.

- Высокая точность прибора явилась следствием использования новых идей и принципов, всего комплекса мер по оптимизации оптической и кинематической схемы прибора, а также результатом применения разработанного принципиально нового типа тест-объекта сочетающего компактность, технологичность и экономичность.

- По своим техническим характеристикам прибор не уступает, а по основным параметрам и превосходит известные зарубежные аналоги.

- Разработаны и успешно реализованы новые принципы и методики измерения основных параметров зрения, при которых измеряемым параметрам зрения (рефракции и аккомодации) однозначно сопоставлены определенные, субъективные последовательности «изображений».

- В результате анализа и оптимизации конструкции тестера зрения удалось достичь высоких потребительских свойств прибора, а также успешно выполнить весь комплекс организационно правовых мер предшествующих массовому производству оптического прибора.

Размещено на Allbest.ru

...