Оптичний низькочастотний фільтр для діагностики та лікування амбліопії та диплопії

Реферат: Оптичний низькочастотний фільтр для діагностики та лікування амбліопії та диплопії складається з плоскопаралельної пластини з прозорого для світла матеріалу, на одній стороні пластини сформовано рельєф періодичної структури у вигляді граней ешелету. Робочі грані ешелету паралельні або з малим кутом до протилежної сторони пластини, висота сходів ешелету не менше 5 мікрометрів, а ширина робочих граней ешелету обчислюється за формулою. UA 76127 U (54) ОПТИЧНИЙ НИЗЬКОЧАСТОТНИЙ ФІЛЬТР ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ТА ЛІКУВАННЯ АМБЛІОПІЇ ТА ДИПЛОПІЇ UA 76127 U UA 76127 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, зокрема до офтальмології, і може використовуватись для діагностики та лікування хворих на амбліопію та диплопію. Конкретно мова іде про оптичний фільтр Бангертера або набір фільтрів Бангертера (Bangerter Occlusion Foil Bar). Головне призначення фільтрів Бангертера (далі ФБ) - послаблення в певній градації гостроти зору (роздільної здатності) ока людини. ФБ по принципу дії належать до класу пристроїв із загальною назвою оптичні низькочастотні фільтри (далі ОНФ) (optical low pass filters). З фізичної точки зору ОНФ працюють як фільтри низьких просторових частот, тобто пропускають низькі просторові частоти, а великі затримують. Ця їх здатність використовується в фото- та відеокамерах для усунення муарової картини. ФБ, як вказано вище, мають зовсім інше призначення - послаблення гостроти зору (роздільної здатності) ока людини. Сформулюємо вимоги до ФБ. По рекомендації офтальмологів [1] набір ФБ повинен охоплювати п'ятнадцятикратний діапазон зміни коефіцієнта послаблення гостроти зору, від найбільшого V=1.0 до найменшого V=0.067, що відповідає певним рядкам таблиці Сівцева або Снеллена (дивись таблицю 1). В літературі, як мірило гостроти зору, більше вживається термін кутова гострота зору або кутова роздільна здатність , причому  є обернено пропорційна до V, тобто  = 1/V. Спрощена фізична інтерпретація кутової роздільної здатності при роботі ФБ з оком людини така: ФБ розширює зображення в оці тонкої освітленої щілини на кут . Саме це розширення (точніше функція розширення лінії - ФРЛ та оптична передаточна функція - ОПФ) є головними факторами в побудові якісних ФБ. На Фіг.4 умовно показано зображення в оці людини тонкої освітленої щілини. Це зображення представлено у вигляді графіка, де по вертикалі інтенсивність світла, а по горизонталі кут зору. На Фіг. 5 теж саме, але перед оком встановлено ФБ з коефіцієнтом гостроти зору V. В результаті зображення розширилося на кут . Інша вимога до ФБ - фактичний коефіцієнт послаблення гостроти зору V повинен мати мінімальне відхиленням від номінального значення, що пов'язано з ФРЛ. Однак на практиці ця вимога виконується незадовільно. Наведемо характерний приклад. Відома офтальмологічна фірма США "Fresnel Prism & Lens Co", виготовляє серед іншого набір фільтрів Бангертера (Bangerter Occlusion Foil Bar) [2]. Було проведено дослідження оптичних параметрів чотирьох фільтрів з цього набору, яке викладено в [3]. Автори статті зауважують на те, що ці ФБ мають недолік, який полягає в тому, що фактичне поміряне на оптичних приладах значення коефіцієнтів гостроти зору V в цих фільтрах сильно відрізняється від того, що на них позначено ([3] стор.609). Різниця між фактичним значенням та номіналом мінімум 13 %, а максимум 47 % ([3] стор.612). Така велика різниця можливо пояснюється невідповідною ОПФ або невідповідною ФРЛ цих фільтрів. Детальніше фізика цього явища розглядається далі, в критиці аналогів. Запропонована заявка спрямована на вирішення проблеми побудови якісних ФБ з мінімальним відхиленням від номінального значення коефіцієнта послаблення гостроти зору. Оскільки в відомих джерелах ОНФ із призначенням ФБ аналогів не виявлено, тому будемо розглядати всі аналоги як ОНФ із призначенням усунення муару на зображенні в фото- та відеокамерах. Аналогом може бути патент США [4], де зокрема розглядаються 7 типів ОНФ із різним рельєфом поверхні, а саме: трикутний тип, 2 типи у вигляді трапеції, 3 хвилястих типи, прямокутний тип. Рельєфи поверхні у вигляді трикутного та трапеції для ФБ використати неможливо, тому що вони дають декілька зображень. Використання хвилястих типів рельєфу теж неможливо, тому що вони перетворюють плоский хвильовий фронт на такий, що сходиться або розходиться. Для ФБ можливо використати тільки прямокутний тип рельєфу поверхні (дивись Фіг.6), який детально розглядається в наступних аналогах. Інший аналог це патент США [5], де розглядається ОНФ із прямокутним типом рельєфу поверхні. Цей фільтр має плоску прозору основу, на якій сформовано періодичну структуру у вигляді колоподібних виступів з плоскими прозорими верхівками (дивись [5] FIG 7B). Якщо змінювати діаметри та висоти цих виступів, то можливо отримати набір ФБ, що саме і виробляє офтальмологічна фірма "Fresnel Prism & Lens Co". (Bangerter Occlusion Foil Bar) [2]. Недолік ОНФ [5] (як ФБ) та ФБ [2] це невідповідна ОПФ або ФРЛ. Це веде до того, що коефіцієнт гостроти зору кожного фільтра V дуже відрізняється від номінального значення (дивись приклад вище). Для більш детального пояснення розглянемо фізику цього явища. Принцип роботи таких фільтрів низьких частот оснований на дифракції світла. Для того, щоб не спотворювати зображення фільтр повинен складатися з плоских поверхонь. При проходженні світла через структуру, що складається з плоских паралельних поверхонь у вигляді послідовності виступів або ямок, світло дифрагує і на кожній плоскій ділянці поверхні плоский фронт перетворюється на сферичний з кутовою розбіжністю  = 1,22 / d, де  кут в радіанах,  довжина хвилі світла , d діаметр ділянки ([6] стор.380). Так як поверхня фільтра є 1 UA 76127 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 набором таких елементів то світло, що пройшло через них, інтерферує і створює дифракційні максимуми. Внаслідок існування дифракційних максимумів в оці створюється декілька зображень, накладених один на один без погіршення гостроти кожного із зображень. Це пояснюється за допомогою ілюстрацій, На Фіг.4 умовно показано зображення в оці людини тонкої освітленої щілини. Це зображення представлено у вигляді графіка, де по вертикалі інтенсивність світла, а по горизонталі кут зору. На Фіг.6 теж саме, але перед оком встановлено ОНФ з рельєфом прямокутної структури. Замість зображення однієї щілини око бачить декілька зображень, утворених дифракційними порядками структури фільтра без додаткового розмивання, тобто послаблення гостроти зору немає. Така сама картина, що на Фіг.6 зображена в патенті (дивись [5] FIG 8B). Інше пояснення може бути таке. ФБ [2] а також фільтр низьких частот [5] є дворівневими структурами (складаються з плоских паралельних елементів, що розташовані на певній відстані один від одного). У таких структур основним дифракційним максимумом є нульовий (в який дифрагує більше 50 % енергії), а також ±1 та ±2 дифракційні порядки. Дисперсія дифракційних порядків визначається за формулою  = n/Τ, де n - номер дифракційного порядку, Τ - період структури ([6] стор.375). З формули випливає, що дифракційні структури, запропоновані в [2,5] мають малу кутову дисперсію (так як світло дифрагує в нижні дифракційні порядки) і тому ФБ, створені на їх основі не мають розмитих дифракційних максимумів. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип є пристрій патенту США [7]. В ньому зокрема розглядається ОНФ, що складається з двох однакових фільтрів з прямокутними рельєфами. Рельєфи фільтрів мають періодичну структуру у вигляді ряду паралельних заглиблень (пазів), причому рельєфи розташовані назустріч один до одного, а напрямки рельєфів перпендикулярно (дивись [7] FIG.12A, FIG 12B). Якщо змінювати період такої структури, то можливо отримати набір ФБ. ФБ з прямокутним рельєфом у вигляді ряду паралельних заглиблень [7] та ФБ з рельєфом періодичної структури у вигляді колоподібних плоских виступів [5] мають однаковий вигляд на зрізі фільтрів і, як наслідок, мають однакову ОПФ та ФРЛ. Тому недоліки прототипу [7] повторюють недоліки аналога [5]. В основу корисної моделі поставлено задачу створення ФБ у всьому потрібному діапазоні коефіцієнта послаблення гостроти зору та з мінімальним відхиленням від номінального значення цього коефіцієнта. Суть технічного рішення в оптичному фільтрі, що складається з плоско паралельної пластини з прозорого для світла матеріалу, на одній стороні пластини сформовано періодичну структуру у вигляді прямокутного рельєфу полягає в тому, що на одній стороні пластини замість рельєфу прямокутного типу сформовано періодичну структуру з рельєфом у вигляді сходів, оптична назва ешелет (далі будемо вживати саме цю назву, тому що ешелет в перекладі з французької це і є сходи). Порівняльний аналіз технічного рішення, яке заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що рельєф поверхні у вигляді граней ешелету відрізняється від прямокутного рельєфу поверхні. Суть винаходу пояснюється за допомогою креслень. На Фіг. 1 зображено оптичний фільтр, що складається з плоско паралельної пластини з прозорого для світла матеріалу, на одній стороні пластини сформовано періодичну структуру з рельєфом у виглядіграней ешелету, в якому робочі грані ешелету паралельні до протилежної сторони пластини. Такий фільтр працює тільки в одній площині, в площині зрізу фільтра. На Фіг. 2 зображено фільтр як комбінацію з двох однакових фільтрів, що на Фіг. 1, причому рельєфи фільтрів розташовані назустріч один до одного, а напрямки рельєфів перпендикулярно. Направленість рельєфів фільтрів один до одного дозволяє зробити герметичну конструкцію і захистити робочі поверхні рельєфів фільтрів. На Фіг. 3 зображено оптичний фільтр, в якому на кожній стороні одної пластини сформовано рельєф у вигляді сходів ешелету, причому напрямки рельєфів перпендикулярно. Оптичні фільтри, зображені на Фіг. 2 та на Фіг. 3, працюють в горизонтальній та вертикальній площинах. Розглянемо детальніше оптичний фільтр, зображений на Фіг. 1. Головним елементом рельєфу і всього фільтра є робоча грань ешелету шириною d. Бажано, щоб робочі грані ешелету були паралельні до протилежної сторони фільтра. Це обумовлюється тому, що фільтр не повинен відхиляти кут зору пацієнту від прямої лінії. Висота сходів ешелету h бажано мала, але не менше ніж 10 мікрометрів. Це обмеження знизу пояснюється далі. Товщина фільтра не є принциповою і визначається конструктивно. Усе це стосується геометричних параметрів оптичного фільтра. Важливо також відмітити фізичні принципи, які показують перевагу ОНФ ешелет як фільтри Бангертера в порівнянні з ОНФ прямокутного типу. ОНФ ешелет працює як звичайна дифракційна ґратка. Для монохроматичного світла така структура розділить світло на декілька дифракційних порядків і око утворить декілька зображень, роздільна здатність яких буде визначатися оком, а не елементами дифракційної ґратки. Світло в структурі мікропризм 2 UA 76127 U 5 10 15 20 25 30 дифрагує у вищі дифракційні порядки, номер яких оцінюється за формулою N=h(n-1) /, де Ν номер дифракційного порядку, h - висота сходів, n - індекс заломлення матеріалу,  - довжина хвилі світла ([8] стор.364). Не важко порахувати, що при h=10 мкм та N~10 дифракційні порядки мають велику кутову дисперсію (швидку зміну кута дифракційного порядку при зміні довжини хвилі). При використанні білого світла кутова дисперсія дифракційних порядків призведе до швидкого кутового зміщення зображень, створених окремими дифракційними порядками і злиттям їх в одне розмите зображення. Роздільна здатність такої системи буде вже визначатися не параметрами ока, а дифракційним кутом розходження світла при проходженні його через одну ділянку (оскільки саме цей параметр визначає інтенсивність кутового розподілу дифракційних порядків такої оптичної системи). Це дозволяє використати періодичну структуру з рельєфом поверхні у вигляді граней ешелету як фільтри Бангертера. На фіг.6 перед оком пацієнта встановлено ОНФ ФБ з рельєфом поверхні у вигляді граней ешелету. Око бачить одне розмите зображення дифракційних порядків або іншими словами криву, яка їх огинає. Головний параметр цієї огинаючої це кутова гострота зору а, яка пов'язана з шириною робочих граней ешелету d через формулу (1) (1) d=1,22/, де: d - ширина робочих граней ешелету в міліметрах;  - довжина хвилі світла в міліметрах;  - кутова гострота зору в радіанах. Пояснення що до формули (1). З точки зору дифракційної теорії усі безабераційні оптичні системи, що будують зображення (в основному це об'єктиви), є дифракційно обмеженими, тобто їх здатність розрізняти малі деталі на зображенні (роздільна здатність) обмежена дифракційними явищами. По критерію Релєя для роздільної здатності безабераційного об'єктива існує формула (1), в якій d це є діаметр об'єктива ([6] стор.380). В нашому випадку кожний елемент ешелету має розмір d і працює окремо та незалежно від інших елементів. Крім того, гострота зору теж саме, що і роздільна здатність об'єктива. Таким чином формула (1) є універсальною, яка цілком стосується нашої задачі. Результати обчислення ширини робочих граней ешелету d в міліметрах для довжини хвилі світла  = 0.55 мікрометрів приведені в таблиці 1. Для практичної перевірки теоретичних результатів по використанню фільтрів з профілем у вигляді граней ешелету як ФБ авторами заявки було виконано на спеціальному обладнанні чотири зразки фільтрів, які відрізняються за шириною робочої грані. Також було виконано оптичний стенд, який дозволяє виміряти кутову гостроту зору ФБ. Результати вимірювання цих зразків приведені в таблиці 2. Таблиця 1 Оптичний низькочастотний фільтр для діагностики та лікування амбліопії та диплопії Коефіцієнт Гострота зору по Гострота зору по гостроти зору V таблиці Снеллена таблиці Сівцева V 1.0 0.8 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1 0.067 20/20 20/25 20/30 20/50 20/70 20/100 20/200 20/300 1.0 0.8 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1 0.067 35 3 Кутова гострота зору в кутових хвилинах = 1/V 1.0’ 1.25' 1.5' 2.5' 3.5' 5.0' 10.0' 15,0' Ширина робочих граней ешелету в міліметрах d=1,22/ 2.30 1.84 1.53 0.92 0.66 0.46 0.23 0.15 UA 76127 U Таблиця 2 Оптичний низькочастотний фільтр для діагностики та лікування амбліопії та диплопії Ширина робочих граней ешелету в міліметрах d 0.8 0.6 0.3 0.15 5 10 15 20 Теоретично обчислена за формулою (1) кутова гострота зору = 1,22 /d 2.87' 3.83' 7.5' 15' Практично виміряна на оптичному стенді кутова гострота зору  Різниця між теоретичною і практичною кутовою гостротою зору в % 2.7' 3.6' 7.1' 14' -6 % -6 % -5 % -7 % Джерела інформації:. 1. Malhotra R. The Effect of Bangerter Occlusion Foils on Blepharospasm and Hemifacial Spasm in Occlusion-Positive and Occlusion-Negative Patients / Raman Malhotra. Siew-Yin Then, Alison Richards, Elizabeth Cheek. // The Open Ophthalmology Journal, 2010, 4, 1-6 2. Bangerter Occlusion Foil Bar [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.fresnelprism.com/products/bangerter-occlusion-foil-bar/ 3. Perez G. Optical Characterization of Bangerter Foils / Guillermo Perez, Steven M.Archer Pablo Artal. // JOVS, January 2010, Vol. 51, No. 1 4. Пат. 6 147 732 США. Int.CI. G02F 1/1335. Dot matrix-type display device with optical low-pass filter fixed to a member via an adhesive bonding. Aoyama, Shigeru (Kyoto, JP), Nishizaki, Osamu (Takatsuki, JP). Omron Co. (Kyoto, JP). Nov. 14, 2000. 5. Пат. 6 404 554 США. Int.CI G02B 27/44. Optical phase grating low pass filter. Lee, Jae Chul (Seoul, KR), Lim, Sung Woo (Chonlabuk-Do, KR), Ко, Chun Soo (Daejeon, KR), Kim, Shi Ho (Daejeon, KR), Oho, Yong Ho (Daejeon, KR). Havit Co., Ltd. (Daejeon, KR). Jun 11, 2002. 6. Борн Μ. Основы оптики / Μ. Борн, Э. Вольф. - М.: Наука, 1973.-723 с. 7. Пат. 6 819 361 США. Int.CI H04N 5/225. Phase-noise type broad spectral bandwidth optical low-pass anti-aliasing filter. Hirsh, Jeffrey I. (Rochester, NY), Revelli Jr., Joseph F. (Rochester, NY), Nutt, Alan С G. (Rochester, NY). Eastman Kodak Company (Rochester, NY). Nov. 16, 2004. 8. Greisukh G. J. Optics of diffractive and gradient index elements and systems / Greisukh G.J., Bobrov S.T., Stepanov S.A. // SPIE, 1997. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 1. Оптичний низькочастотний фільтр для діагностики та лікування амбліопії та диплопії, що складається з плоскопаралельної пластини з прозорого для світла матеріалу, на одній стороні пластини сформовано періодичну структуру, який відрізняється тим, що на одній стороні пластини сформовано рельєф періодичної структури у вигляді граней ешелету, в якому робочі грані паралельні або з малим кутом до протилежної сторони пластини, висота сходів ешелету не менше 5 мікрометрів, а ширина робочих граней ешелету обчислюється за формулою: d=1,22λ/α, де: d - ширина робочих граней ешелету в міліметрах; λ - довжина хвилі світла в міліметрах; α - кутова гострота зору в радіанах. 2. Оптичний низькочастотний фільтр за п. 1, який відрізняється тим, що фільтр складається з двох однакових фільтрів, складених разом, причому рельєфи фільтрів розташовані назустріч один до одного, а напрямки рельєфів перпендикулярно. 3. Оптичний низькочастотний фільтр за п. 1, який відрізняється тим, що сформовано однакові рельєфи на кожній стороні однієї пластини, причому напрямки рельєфів перпендикулярні один до одного. 4 UA 76127 U 5 UA 76127 U 6 UA 76127 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7