ТРЕХМЕРНЫЙ ГЛАЗНОЙ ТРЕНАЖЕР Российский патент 2002 года по МПК A61F9/00 A61H5/00 

Изобретение относится к видеотренажерной технике и предназначено для проведения упражнений для глаз, преимущественно с целью снятия усталости глаз операторов (пользователей) компьютерных или иных устройств, которые неизбежно подвергаются постоянному вредному воздействию излучений дисплея.

В настоящее время широко известны и используются в практике различные методики и разнообразные видеотренажеры, предназначенные для снятия какого-либо вида усталости глаз.

Например, для тренировки окологлазных мышц, осуществляющих поворот глазного яблока в различных направлениях, предложено устройство "Видеотренажер" (см. Патент РФ 1802704 от 07.05.91, МКИ: А 61 F 9/00, А 61 Н 5/00), содержащее средство для поочередного включения объектов слежения, выполненное в виде блока индикации, управляемого генератором импульсов, имеющим возможность регулировки необходимой заранее заданной частоты формирования импульсов, прямой и инверсионный выходы которого соединены с соответствующими входами блока индикации. К выходам блока индикации подключены два светодиода, по существу являющихся поочередно включаемыми объектами слежения. Светодиоды расположены на концах дугообразной рамки, подвижно установленной на основании для обеспечения возможности ее установки на уровне глаз. Управление объектами слежения осуществляется автоматически, с заранее заданной частотой, которую можно регулировать. Электрическое питание на устройство подается от блока питания. Визуальное слежение глазами за поочередно включающимися объектами слежения создает тренирующее воздействие на окологлазные мышцы. Тренировка окологлазных мышц позволяет снизить зрительное утомление, является профилактикой нарушений зрительной рефракции, в частности, близорукости, дальнозоркости. Однако эффективность тренировки окологлазных мышц невысока, т.к. тренажер не обеспечивает возможности слежения за объектами, при которой глаза осуществляют круговые движения или движения по другим траекториям. Также не обеспечивается эффективная тренировка внутриглазной (цилиарной) мышцы глаза и четкое видение самих объектов слежения.

Другие известные методики и устройства предназначены для снятия одновременно двух видов усталости глаз. В частности, разработанный во Всероссийском НИИ физкультуры и спорта глазной тренажер (см. Демирчоглян Г.Г. "Как сохранить и улучшить зрение", Сб. М.: КРОН-ПРЕСС, 1995) содержит объект слежения (в частности, некий текст), набор слабых оптических линз, а также устройство для автоматической поочередной смены линз. В процессе тренировки человек (оператор) читает текст через автоматически сменяемые линзы; чередование отрицательных и положительных линз соответственно облегчает или затрудняет чтение. При этом происходит сокращение или расслабление цилиарных мышц глаза, т. е. осуществляется их тренировка, в результате чего снимается аккомодационная усталость. Такой оптический массаж внутриглазных мышц дополнительно может предотвратить прогрессирование близорукости или дальнозоркости.

Однако приведенные выше известные устройства имеют небольшие функциональные возможности, заключающиеся в снятии, как правило, одного-двух видов усталости глаз, в результате чего они не могут быть эффективно применены в качестве видеотренажеров для снятия усталости глаз операторов, подвергающихся вредному воздействию излучений дисплея. Автоматические видеотренажеры для тренировки цветового зрения нам не известны. Существующие методики тренировки цветового зрения не позволяют эффективно повышать цветовую чувствительность и практически не пригодны для их оперативного использования.

В качестве прототипа выбран "Компьютеризированный глазной тренажер" (см. Патент РФ 2066167 от 13.07.93 г., МКИ: А 61 Н 5/00, А 61 F 9/00), включающий средства для формирования набора заданных изображений с блоком управления. Средства формирования набора заданных изображений включают в себя набор объектов слежения - световых индикаторов, которые размещены на горизонтальных и вертикальных дугах и горизонтальной штанге, закрепленных на вертикальной стойке, установленной на подставке; объекты слежения из указанного набора связаны посредством соответствующих ключей и блоков сопряжения с блоком управления, в качестве которого использована ЭВМ. Два световых индикатора, размещенных на горизонтальной штанге, укреплены в полости соответствующих узлов крепления, имеющих возможность перемещения вдоль штанги, и закрыты масками, с выполненными на них прозрачными буквой, либо цифрой, либо другим значком. Тренажер устанавливается перед человеком так, чтобы дуги и штанга были на уровне глаз человека. Световые индикаторы (объекты слежения) срабатывают под действием сигналов, поступающих от ЭВМ. Программа, заложенная в ЭВМ, управляет формированием требуемого трехмерного изображения, т. к. ею может определяться длительность, очередность и совокупная работа индикаторов. В зависимости от используемой в ЭВМ программы возможно осуществлять тренировку окологлазных и внутриглазных (цилиарных) мышц путем слежения глазами за включающимися по программе индикаторами на дугах, фокусировку глаз на ближнем и дальнем индикаторах на штанге, а также определять критическую частоту слияния мельканий с помощью использования в ЭВМ программы, изменяющей частоту мельканий любого индикатора. Таким образом, прототип позволяет осуществлять снятие глазодвигательной и аккомодационной усталости глаз оператора. Однако эффективность такой тренировки глаз ограничена конструктивными возможностями устройства прототипа.

Кроме того, функциональная схема и конструктивные особенности прототипа не позволяют снимать сетчаточную усталость, цветовую усталость, а также делают прототип малоэффективным для тренировки периферического зрения и центрального поля зрения человека-оператора. Указанные особенности прототипа ограничивают его эффективность.

Задача изобретения заключается в создании высокоэффективного универсального трехмерного глазного тренажера, который позволяет осуществлять устранение любого вида усталости глаз человека-оператора (глазодвигательной, аккомодационной, сетчаточной, цветовой или любой их комбинации), а также тренировать основные характеристики зрительной системы человека (остроту и поле зрения, цветовое ощущение, глазомер и др.).

Реализация изобретения обеспечивает достижение следующего технического результата:
- формирование набора любых заданных трехмерных голографических изображений и изменение их параметров, таких как размер, ракурс, цвет, яркость, азимутальное расположение, расположение по дальности;
- перемещение изображений объектов по заданным траекториям;
- формирование серии (библиотеки) наборов заданных изменяющихся по своим параметрам трехмерных голографических изображений и чередование этих наборов в любой заданной последовательности;
- формирование динамического видеосюжета, составленного из различных изменяющихся по своим параметрам трехмерных изображений;
- отсутствие мерцания трехмерного изображения, которое присуще трехмерным телевизионным изображениям.

Указанный технический результат достигается в глазном тренажере, включающем средство для формирования набора заданных трехмерных изображений с блоком управления благодаря тому, что в нем использовано средство для формирования набора заданных трехмерных изображений, содержащее носитель набора заданных голографических изображений, связанный с устройством воспроизведения заданного голографического изображения.

Носитель набора заданных голографических изображений выполнен в виде мультиплексной голограммы. При этом в качестве устройства воспроизведения заданного трехмерного изображения использован источник излучения видимого диапазона, оптически связанный с мультиплексной голограммой, а в качестве блока управления - средство для последовательного выведения для просмотра требуемого трехмерного изображения из набора заданных голографических изображений мультиплексной голограммы, в качестве которого может быть использовано устройство для последовательной установки мультиплексной голограммы в положение, при котором угол восстановления требуемого голографического изображения из набора соответствует углу его записи.

Одним из возможных средств выполнения такого устройства может служить шаговый двигатель, шаг которого равен углу между соседними изображениями в наборе. При этом, мультиплексная голограмма расположена на диске, имеющем возможность вращения относительно своей оси, а вал шагового двигателя закреплен в центре диска, перпендикулярно его поверхности.

Наличие в трехмерном глазном тренажере указанного средства для формирования набора заданных изображений с блоком управления, которое имеет в своем составе носитель набора заданных голографических изображений, обеспечивает возможность использования заранее созданных носителей необходимых наборов изображений с требуемыми изменениями параметров, учитывающими физиологические особенности зрительной системы человека, и тем самым исключает проблему (для врача, консультанта, инструктора, оператора) выбора и создания подходящих изображений для конкретных целей тренинга непосредственно в процессе сеанса тренинга. Кроме того, обеспечивается использование огромного разнообразия наборов изображений (библиотеки наборов изображений), каждый из которых соответствует определенному виду тренинга. Этим достигается высокая эффективность и универсальность тренажера, как по отношению снятия различных видов усталости глаз, так и по отношению улучшения основных параметров зрительной системы.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлена функциональная блок-схема трехмерного глазного тренажера;
- на фиг.2 - схема трехмерного глазного тренажера с одним носителем набора заданных голографических изображений;
- на фиг.3 - схема трехмерного глазного тренажера, в котором использована серия заданных голографических изображений.

Трехмерный глазной тренажер (фиг.1) состоит из средства 1 для формирования набора заданных голографических изображений, включающего носитель 2 набора заданных голографических изображений и связанного с ним устройства 3 воспроизведения заданного голографического изображения. Блок управления 4 осуществляет управление средством 1 для формирования набора заданных голографических изображений. Глаза 5 человека-оператора наблюдают за сформированными на носителе 2 изображениями (или динамической картиной).

Носитель 2 набора заданных голографических изображений выполнен в виде мультиплексной голограммы, на которой заранее записаны несколько последовательных изображений, позволяющих осуществлять определенный вид тренинга. Так, для снятия глазодвигательной усталости глаз каждое последующее изображение записано с некоторым смещением по азимуту относительно предыдущего изображения. При этом, для тренировки периферического зрения изображения на голограмме должны быть достаточно широкоугольными. Для тренировки цилиарной мышцы глаз (снятия аккомодационной усталости) изображения записаны с соответствующим изменением расстояния до глаз (удалением или приближением); для тренировки цветоощущения изображения должны быть записаны с изменением цвета на другой, либо с постепенным изменением интенсивности цвета (использование цветовых нюансов); для снятия сетчаточной усталости изображения записаны с постепенным или резким изменением его размеров, либо с изменениями цвета.

Обычно мультиплексная голограмма обеспечивает возможность записи на ней с удовлетворительным качеством порядка 5-6 изображений, что является вполне достаточным для осуществления любого выбранного вида тренинга.

Для воспроизведения заданного голографического изображения, записанного на мультиплексной голограмме-носителе 2 (см. фиг.2), в состав тренажера входит источник 3 излучения видимого диапазона, в качестве которого может быть использован лазерный источник когерентного монохроматического излучения в случае, если в качестве носителя 2 использована мультиплексная голограмма, работающая на пропускание. Оптическая связь между лазером и носителем осуществляется с помощью телескопической системы 6. Однако в таком варианте использования средства 1 для формирования набора заданных голографических изображений имеется существенное ограничение - невозможность осуществлять тренинг цветового зрения (повышать цветовую чувствительность), т.к. изображения объектов являются монохроматическими. Этот недостаток легко устраним, если в качестве носителя 2 использовать мультиплексную голограмму, записанную во встречных пучках, которая работает на отражение, позволяющую получать цветные изображения. При этом воспроизведение заданного голографического изображения из набора осуществляется с помощью источника 3 излучения видимого диапазона, в качестве которого используется некогерентный полихроматический источник, например, лампа накаливания, а в качестве оптической системы связи между источником и носителем используется осветительная система с конденсором 6. На фиг.2 изображен вариант тренажера с использованием лазерного источника излучения, на фиг.3 - вариант тренажера с использованием некогерентного полихроматического источника.

Для реализации программы тренинга, заложенной в соответствующем носителе 2 (в мультиплексной голограмме), в тренажере предусмотрено в качестве блока управления 4 средство для последовательного выведения для просмотра требуемого голографического изображения из набора изображений, записанных на мультиплексной голограмме, которое по существу может работать на основе различных принципов, например, с помощью оптических либо механических средств. Целесообразно использовать в тренажере устройство для последовательной установки носителя 2 - мультиплексной голограммы в положение, при котором угол восстановления требуемого голографического изображения из набора соответствует углу его записи (т.е. поворот носителя на соответствующий угол). Таким устройством может служить шаговый двигатель 4 (см. фиг.2). При этом очевидно, что целесообразно при записи изображений на мультиплексную голограмму установить угол между соседними изображениями, равным шагу шагового двигателя. Это максимально упрощает работу с тренажером.

Для обеспечения возможности необходимого доворота носителя 2 он расположен на диске 7 со смещением относительно его центра. Диск имеет возможность вращения относительно своей оси, а выходной вал 8 шагового двигателя 4 закреплен в центре диска перпендикулярно его поверхности.

Трехмерный глазной тренажер (фиг.3) может содержать серию носителей 2 наборов заданных голографических изображений - мультиплексных голограмм, которые расположены на диске 7, равномерно по линии окружности. Диск 7 имеет возможность вращения относительно своей оси. Здесь использован шаговый двигатель, выходной вал 8 которого закреплен в центре диска. Шаговый двигатель производит поворот диска с помощью шагов двух типов. Один тип шагов двигателя соответствует углу между записанными соседними изображениями в наборе - для осуществления доворота носителя 2, а второй тип шагов предназначен для перехода к требуемому набору заданных голографических изображений.

Трехмерный глазной тренажер работает следующим образом.

Тренажер устанавливается перед человеком так, чтобы в поле его зрения попадало сформированное изображение (фиг.2, 3). Из имеющейся библиотеки носителей наборов заданных изображений выбирается тот носитель 2 (мультиплексная голограмма), который необходим для проведения определенного вида тренинга. Он устанавливается на отведенное для него место (положение на диске 7, фиг.2). После чего тренажер подключается к источнику питания (либо к сети) - на представленных схемах не показан. С помощью средства (шагового двигателя) в зону просмотра последовательно выводятся требуемые голографические изображения из набора изображений на данном носителе 2. При освещении носителя 2 излучением от источника 3 наблюдатель видит сформированные в определенной последовательности трехмерные изображения объекта (ов). При использовании в качестве носителя 2 мультиплексной голограммы, работающей на пропускание, и, соответственно, лазерного источника когерентного монохроматического излучения, наблюдатель видит "мнимые" изображения объекта - фиг. 2. В случае использования мультиплексной голограммы, работающей на отражение и, соответственно, некогерентного полихроматического источника излучения, эти изображения будут действительными - фиг.3. В процессе наблюдения человеком за формируемыми голографическими изображениями из выбранного набора осуществляется определенный вид тренинга соответственно этому набору. При переходе на другой вид тренинга необходимо отключить тренажер от источника питания и заменить носитель 2 на требуемый имеющийся в библиотеке носитель.

Тренажер по фиг.3 позволяет во время одного сеанса проводить несколько видов тренинга без смены носителей 2 в процессе сеанса. Из имеющейся библиотеки носителей выбирают серию тех наборов заданных голографических изображений, которые требуются в данном сеансе, и устанавливают их в отведенные на диске 7 места в том порядке, который отвечает выбранной программе тренинга. Смену изображений в мультиплексной голограмме-носителе 2 осуществляют с помощью поворота диска посредством шагового двигателя, используя его первый шаг, а переход к другой (соседней либо выборочно к любой из установленных на диске мультиплексных голограмм), используя второй шаг шагового двигателя. Другую программу тренинга можно осуществить, выбрав для установки на диске 7 серию соответствующих ему носителей наборов заданных голографических изображений из имеющейся библиотеки.

"Программа" каждой мультиплексной голограммы (т.е. набор записанных на ней изображений) строится с учетом физиологических особенностей элементов глаза человека (цилиарных мышц, сетчатки), подвергающихся соответствующему виду тренинга.

При повороте носителя, находящегося в зоне просмотра, меняется угол падения восстанавливающего пучка от источника 3 и тем самым в зону просмотра из набора изображений на носителе выводится очередное изображение, параметры которого отличаются от параметров предыдущего изображения. Если таким параметром является расстояние до глаза, то "программа" мультиплексной голограммы составлена с учетом физиологических особенностей цилиарных мышц и она позволяет тренировать функции аккомодации зрения и эффективно снимать аккомодационную усталость. Если параметром является азимутальное положение объекта, то тренируются окологлазные мышцы, осуществляющие повороты глазных яблок, что способствует улучшению кровообращения в области глаз, снимая тем самым усталостное напряжение. Если "программа" носителя дает различный размер изображения на сетчатке и(или) в ней использованы изображения различной интенсивности, которая воздействует на сетчатку с различной световой нагрузкой, то чередование таких изображений дает возможность воздействовать на различные площади сетчатки, а также воздействует на фоторецепторы сетчатки и пигментный эпителий чередующимися по мощности световыми потоками. Это при определенном подборе изображений позволяет эффективно снимать сетчаточную усталость глаз.

Использование тренажера (фиг.3) позволяет осуществить комплексную программу тренинга, в том числе с применением динамических картин.

Универсальность и эффективность предлагаемого тренажера может быть увеличена, если в нем предусмотреть возможность управления сменой наборов изображений (шаговым двигателем) с помощью ЭВМ и составленных для этого специальных компьютерных программ. Однако в данном изобретении этот вариант нами не рассматривается. При формировании мультиплексных голограмм могут использоваться как голограммы реально существующих объектов, так и голограммы, синтезированные с помощью компьютерной техники.

Сформированные трехмерные голографические изображения в отличие от телевизионных изображений не будут мерцать с кадровой ТВ-частотой, что полностью исключает возможность возникновения дополнительной усталостной нагрузки на зрение оператора от указанного фактора. Это является значительным дополнительным преимуществом глазного тренажера.

Оператор дисплея с помощью данного тренажера имеет возможность радиально изменить режим работы зрения по сравнению с наблюдением плоского экрана дисплея при восприятии монотонной цифробуквенной информации; такое переключение режима работы зрения способствует эффективному снятию усталости его зрительной системы. Тренажер может быть дополнительно снабжен средствами для создания звукового сопровождения (в данном описании они не рассматриваются) и тем самым создать приятные комфортные условия для проведения сеанса тренинга.

Тренажер был экспериментально исследован с целью определения его эффективности. При этом проводилась количественная оценка уровня зрительной усталости группы операторов из пяти человек. В эксперименте проводился сравнительный анализ частотно-контрастных характеристик, полученных по стандартной методике "визоконтрастометрия" после 4-х часовой работы операторов на компьютере, после 15-минутного пассивного отдыха и после 15-минутного сеанса видеотренинга на трехмерном глазном тренажере, в котором были использованы серии носителей голографических изображений. Эксперимент подтвердил высокую эффективность тренажера, причем контрольные замеры частотно-контрастных характеристик показали более чем трехкратное улучшение зрительных функций глаз операторов после сеанса на тренажере по сравнению с незначительным улучшением зрительных функций после пассивного отдыха.

Изобретение относится к видеотренажерной технике и предназначено для проведения упражнений для глаз, преимущественно с целью снятия усталости глаз операторов-пользователей компьютерных или иных устройств, которые неизбежно подвергаются постоянному вредному воздействию излучений дисплея. Трехмерный глазной тренажер содержит средство для формирования набора заданных трехмерных изображений, включающее носитель набора, например, в виде мультиплексной голограммы, установленной со смещением на диске. Диск имеет возможность вращения и связан с устройством воспроизведения заданного голографического изображения. Блок управления устанавливает мультиплексную голограмму в требуемое положение. В качестве блока управления используют шаговый двигатель. На диске может быть установлено несколько различных носителей. Трехмерный глазной тренажер является универсальным и высокоэффективным, т.к. позволяет осуществить снятие любого вида усталости глаз (глазодвигательной, аккомодационной, сетчаточной, цветовой или любой их комбинации) и позволяет тренировать основные характеристики зрительной системы человека (остроту и поле зрения, цветовое ощущение, глазомер и пр.). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Глазной тренажер, включающий средство для формирования набора заданных изображений с блоком управления, отличающийся тем, что в нем использовано средство для формирования набора заданных трехмерных изображений, содержащее носитель набора заданных голографических изображений, выполненный в виде мультиплексной голограммы и связанный с устройством воспроизведения заданного голографического изображения. 2. Глазной тренажер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства воспроизведения заданного трехмерного изображения использован источник излучения видимого диапазона, оптически связанный с мультиплексной голограммой, а в качестве блока управления - средство для последовательного выведения для просмотра требуемого трехмерного изображения из набора заданных голографических изображений мультиплексной голограммы. 3. Глазной тренажер по п. 2, отличающийся тем, что в нем средство для последовательного выведения требуемого трехмерного изображения для просмотра выполнено в виде устройства для последовательной установки мультиплексной голограммы в положение, при котором угол восстановления требуемого трехмерного изображения из набора соответствует углу его записи. 4. Глазной тренажер по п. 3, отличающийся тем, что устройство для последовательной установки мультиплексной голограммы в требуемое положение выполнено в виде шагового двигателя, шаг которого равен углу между соседними изображениями в наборе, при этом мультиплексная голограмма расположена на диске, имеющем возможность вращения вокруг своей оси, а вал шагового двигателя закреплен в центре диска перпендикулярно его поверхности.