способ оптической коррекции зрения человека и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ оптической коррекции зрения человека, включающий воздействие переменного физического поля на хотя бы один оптический элемент для изменения его фокусного расстояния, отличающийся тем, что амплитуду переменного физического поля задают в пределах, соответствующих полной аккомодации глаза, а частоту физического поля устанавливают больше критической частоты слияния мельканий для глаза человека.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве переменного поля используют упругое поле.

3. Способ по 1, отличающийся тем, что в качестве переменного физического поля используют тепловое поле.

4. Устройство для оптической коррекции зрения человека, содержащее хотя бы один оптический элемент, выполненный в виде прозрачной кюветы, на противоположные стенки которой, расположенные на пути распространения лучей света в глаз, нанесены прозрачные пленочные электроды и в полость которой помещена прозрачная диэлектрическая жидкая среда, а электроды соединены с источником питания посредством цепей управления, отличающееся тем, что внутренний размер кюветы в направлении распространения лучей света меньше величины капиллярной постоянной системы жидкость материал внутренней поверхности кюветы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к офтальмологии, и касается способа оптической коррекции зрения человека и устройства для его осуществления.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является способ оптической коррекции зрения человека, включающий воздействие переменного физического поля на оптический элемент для изменения его фокусного расстояния, реализованный в устройстве оптической коррекции зрения человека, выполненным в виде очков, содержащих оптические элементы в виде прозрачных кювет, каждая из которых заполнена прозрачной диэлектрической жидкой средой, при этом на противоположные стенки каждой кюветы, расположенные на пути распространения лучей света в глаз, нанесены прозрачные пленочные электроды, соединенные с источником питания посредством цепей управления.

Известный способ оптической коррекции зрения человека позволяет осуществить только статическую коррекцию зрения. В каждом конкретном случае необходимо устанавливать свою заданную величину напряжения, подаваемого на электроды. Кроме того, в известном устройстве оптической коррекции зрения человека преломляющая сила оптического элемента определяется, в основном, кривизной поверхностей кювет, заполненных жидким кристаллом. Это устройство, индивидуальной коррекции зрения. Люди с существенно различной степенью гиперметропии пользоваться одним и тем же устройством не смогут. Несмотря на то, что пользование очками позволяет отказаться от нескольких различных пар очков благодаря возможности их ручной перестройки на заранее выбранные фокусные расстояния, однако в том случае, когда требуется частный перевод взгляда на рассматривание различных объектов, применение очков, оснащенных такими линзами, становится весьма затруднительным. Именно такие ситуации чаще всего встречаются в жизнедеятельности человека (управление транспортным средством, отбор товаров при покупках, осмотр местностей, осмотр сооружений, строительство, сборочные операции и т.д.). Кроме того, физическое состояние человека может в целом ряде случаев сделать ручную наводку на резкость невозможной. Кроме того, естественное старение организма, изменение самочувствия человека, в том числе кратковременные колебания артериального и внутриглазного давления, нарушают установленную статическую коррекцию зрения и, как хорошо известно, ухудшают восприятие человеком визуальной информации, а также способствуют усталостным явлениям мышечной системы глаза.

Задача изобретения создание способа оптической коррекции зрения человека, который позволял бы поддерживать восприятие человеком визуальной информации на уровне, характерном для нормального глаза вне зависимости от изменений индивидуальных оптических свойств глаза в результате старения организма человека, его эмоционального и физического состояния, влияния окружающей среды и не требовал бы для его осуществления хирургического вмешательства, а также создание устройства для осуществления такого способа, которое было бы удобно в обращении, безвредно для человека и достаточно просто в изготовлении.

Способ оптической коррекции зрения человека, выполненный согласно изобретению, обеспечивает нормальное восприятие визуальной информации человеком вне зависимости от индивидуальных оптических свойств глаза (аметропия, прессбиопия, афакия).

Устройство коррекции, реализующие указанный способ, универсально, не требуют индивидуального подбора, как при назначении традиционных очков, безвредно для здоровья человека, удобно и надежно в эксплуатации, имеет достаточно простую конструкцию.

На фиг.1 изображена схема построения изображения наблюдаемого объекта в глазу человека при изменении фокусного расстояния оптического элемента для трех различных моментов времени; на фиг.2 зависимость изменения во времени t расстояния l между плоскостью изображения объекта в глазу и главной выходной оптической плоскостью системы "оптическая среда глаз" при воздействии на оптический элемент переменным физическим полем, где по оси ординат отложено расстояние в относительных единицах, по оси абсцисс время t (с); на фиг.3 схематически устройство для оптической коррекции зрения, продольный разрез, вариант с оптическим элементом в форме кюветы с жидкой средой.

Предлагаемый способ оптической коррекции зрения человека состоит в том, что на пути распространения лучей света от объекта 1 (фиг.1) в оптическую систему глаза 2 человека размещают оптический элемент 3, прозрачный для видимых глазом 2 лучей света и способный смещать изображение 4 объекта 1 относительно сетчатки глаза вдоль его оптической оси 5 при воздействии на элемент 3 переменным физическим полем n(t), условно показанным стрелками, индуцирующим изменение фокусного расстояния оптического элемента 3. При этом энергию поля n(t) изменяют с амплитудой, достаточной для перемещения изображения 4¹-4-4¹¹ объекта 1 на сетчатку R глаза 2, а число N изменений поля в секунду устанавливают большим критической частоты слияния мельканий для глаза человека, которая обычно составляет 50-90 Гц. Лучи света от объекта 1 проходят через оптически прозрачный элемент 3, расположенный между рассматриваемым объектом 1 и глазом 2 человека, главные оптические плоскости которого обозначены Н1 и Н2. В свою очередь, оптически прозрачный элемент 3 управляется поляризующим физическим полем n(t), что приводит к изменению показателя преломления элемента 3. Для простоты система, обеспечивающая возникновение, поддержание и временные вариации физического поля, на схеме не показаны. После выхода лучей из элемента 3 они попадают в оптическую систему глаза 2. Главная выходная оптическая плоскость составной системы "оптическая среда глаз" обозначена Н3. В глазу 2 формируется перевернутое уменьшенное изображение 4 объекта 1 на расстоянии l от оптической плоскости Н3.

При изменении оптической силы оптической среды 3 и, следовательно, оптических свойств составной системы "оптическая среда глаз", величина l также изменяется, поскольку изменяется положение главных оптических плоскостей Н2 и Н3. Аналогичное изменение величины l происходит при вариациях под действием поля n(t) кривизны хотя бы одной из поверхностей, ограничивающих оптическую среду (показано пунктирной линией на фиг.1), расположенных на пути распространения лучей света от объекта в оптическую систему глаза 2. Указанное изменение качественно представлено на графике (фиг.2), из которого следует, что в определенные моменты времени, пронумерованные от 1 до N и соответствующие равенству l l_R, образуется резкое изображение 4 рассматриваемого объекта 1 на сетчатке R глаза 2. При числе вариаций величины l, происходящих между некоторыми l_min (когда изображение 4" объекта находится перед сетчаткой R и l_max (когда изображение 4¹¹ находится за сетчаткой R), в одну секунду, равном N, что определяется числом изменений в секунду энергии физического поля n(t), превышающим критическую частоту слияния мельканий, на сетчатке R возникает слитное резкое изображение 4 рассматриваемого объекта 1. Обычно N выбирают в пределах 100-120 Гц. Амплитуда l_max-l_min смещения плоскости изображения рассматриваемого объекта путем изменений фокусного расстояния элемента 3 может быть установлена таким образом, чтобы обеспечить на сетчатой оболочке глаза 2 резкое изображение удаленных предметов при покое аккомодации вне зависимости от геометрических и оптических параметров такого реального глаза, а также вне зависимости от влияния факторов внешней по отношению к человеку среды (физическая нагрузка, вариации атмосферного давления, перегрев, гипоксия), которые, как известно, влияют на естественную аккомодацию реального глаза.

С учетом сказанного, амплитуда переменного физического поля n(t), определяющая величину смещения плоскости изображения, может быть выбрана с учетом обеспечения перемещения изображения объекта 1 в пределах, определяемых объемом полной аккомодации нормального глаза, среднестатическая величина которой составляет от +15 до -40 Д.

В качестве оптического элемента 3 может быть использован пьезоэлектрический материал, например LiNbO₃. В этом случае в качестве физического поля n(t) следует использовать переменное упругое поле. Кроме того, в качестве оптического элемента 3 может быть использован пироэлектрический материал, представляющий собой монокристаллическую структуру, например, LiTaO₃ или LiNbO₃. В качестве оптической среды могут быть также использованы поликристаллические пироэлектрики, которые по своим физическим свойствам не уступают монокристаллам. Они допускают широкое варьирование свойств изменением химического состава и режимов поляризации.

В этом случае в качестве переменного физического поля используют тепловое поле.

В варианте осуществления предлагаемого способа, когда оптическую коррекцию зрения человека осуществляют путем изменения кривизны, по крайней мере, одной граничной поверхности оптически прозрачной среды 3 под действием физического поля n(t) в качестве оптической среды 3 используют прозрачные среды. По механическим свойствам в качестве таких сред могут быть использованы нъютоновские и неньютоновские чистые жидкости, прозрачные смеси, коллоиды, золи (студни). Примером таких сред могут служить: вода, глицерин, касторовое масло и так далее. В качестве переменного физического поля n(t) в этом случае может быть использовано переменное электрическое поле.

Предлагаемый способ оптической коррекции зрения человека может быть реализован в устройстве, представленном на фиг.3. Устройство оптической коррекции зрения человека, в котором изменение оптической силы оптической среды осуществляется за счет изменения геометрии (кривизны) граничной поверхности этой среды (фиг.3), содержит оптический элемент 3, выполненный в виде дискообразной кюветы, изготовленной из прозрачного для видимых глазом лучей света диэлектрического материала, например, из прозрачной пластмассы. Лицевая, расположенная первой со стороны светового потока (показано стрелками), стенка 4 кюветы имеет круглую выемку 5 постоянной глубины. В полость кюветы помещена прозрачная жидкая диэлектрическая среда 6, например глицерин (показатель преломления для глицерина 1,47, диэлектрическая проницаемость 4,5). Характерный размер h максимальный размер в направлении светового потока (полости кюветы выбран меньшим величины капиллярной постоянной системы "жидкость материал кюветы"). Для случая выполнения кюветы и заполнения ее глицерином характерный размер h может быть выбран h 0,6 мм. Благодаря этому капля глицерина имеет упругую границу q в зоне выемки 5. На наружные поверхности стенок 4 кюветы, расположенных на пути светового потока, нанесены прозрачные пленочные электроды 8, 9 соответственно. Кроме того, на внутреннюю поверхность стенки 4 нанесен прозрачный пленочный электрод 10 кольцевой формы. Электроды 8, 9 и 10 могут быть выполнены, например из, In₂O₃. Устройство включает в себя также источник питания и переключатель 12, к клеммам которого подключены электроды 8-10 и 9.

В целом, устройство оптической коррекции зрения содержит две кюветы, имеющие каждая форму линзы очков, укрепленные в очковой оправе и подключенные как параллельные емкостные нагрузки к выходу источника питания 11, размещенного в одной из дужек оправы.

Устройство оптической коррекции зрения человека использующее эффект изменения кривизны преломляющей поверхности в оптическом элементе 3, работает следующим образом. Импульсы электрического напряжения, вырабатываемые источником питания 11, поступают на прозрачные электроды 8, 9, 10, которые являются обкладками составного конденсатора. Возникающие поочередно разности потенциалов U₁ (между электродами 8 и 10) и U₂ (между электродами 9 и 10) создают в зазорах между электродами 8, 10 и 9, 10 неоднородное электрическое поле. Диэлектрическая жидкость (глицерин, касторовое масло) испытывает действия, индуцированные этим полем сил F_r F_B поверхностного натяжения (или эквивалентных сил объемных давлений).

Результатом такого действия является периодическая деформация поверхности q (показано пунктирными линиями) диэлектрической жидкости рабочего элемента 6, при которой меняется ее кривизна и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния (оптической силы) оптического элемента. Следствием этого является смещение изображения объекта, который рассматривается через такой оптический элемент. После окончания действия импульса электрического напряжения силы поверхностного натяжения, действующие на границах "диэлектрическая жидкость материал внутренней поверхности полости" (т.е. "глицерин пластмасса"), возвращают каплю глицерина к прежней форме.

Будучи размещенными между глазами человека и рассматриваемым объектом и осуществляя перемещение изображения объекта через сетчатку глаза примерно 100 раз в секунду описанное устройство реализует предлагаемый способ коррекции зрения. Вместо глицерина в описанном варианте устройства могут быть использованы другие прозрачные диэлектрические жидкие среды, такие как дистиллированная вода, касторовое масло, толуол, этиловый спирт, минеральные иммерсионные масла.

Способ коррекции зрения и устройство для его осуществления применимы не только к аметропическому или преобиологическому глазу, но и в том случае, когда удален хрусталик (афакия) и глаз человека вообще не способен к самостоятельной аккомодации. Применение способа позволяет восстановить утраченную функцию зрительной системы нехирургическим методом. Кроме того, способ и устройство для коррекции зрения человека окажется весьма эффективным для лиц с большой разницей в аметропии обоих глаз (анизейкония).