КЕРАТОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК A61B3/107 

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к офтальмологическим приборам, предназначенным для определения рельефа внешней поверхности роговицы глаза.

Известен кератометр [1] для определения рельефа поверхности роговицы, снабженный коническим зеркалом. Главный недостаток этого кератометра заключается в том, что в процессе измерения пациент располагается в непосредственной близости от прибора или контактирует с ним.

Известен кератометр [2], снабженный комбинированным коническим зеркалом. В кератометре [2] устранен основной недостаток кератометра [1], связанный с малостью расстояния от прибора до зоны размещения роговицы, однако наличие светоделительного устройства и измерительной марки, выполненной в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре, соответственно делает измерения ненадежными и порождает появление разрывов в регистрируемых кольцевых изображениях измерительной марки при поперечных смещениях кератометра относительно глаза пациента и при отступлении формы поверхности роговицы от осесимметричной структуры.

Известен также кератометр [3], наиболее близкий к предлагаемому кератометру по технической сущности, содержащий комбинированное коническое зеркало, в котором конические зеркала и с внешним зеркальным покрытием, и с внутренним зеркальным покрытием выполнены в виде усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, причем количество конических поверхностей с внутренним зеркальным покрытием строго вдвое большее, чем с внешним, а общая ось всех конических зеркал совмещена с оптической осью объектива, в фокальной поверхности которого расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины.

В указанном кератометре [3] устранены недостатки известного кератометра [2] , связанные с наличием светоделительного устройства и измерительной марки, выполненной в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре. Однако комбинированное коническое зеркало имеет значительные габаритные размеры, что отрицательно сказывается на технологичности его изготовления и увеличивает массу прибора. К тому же, количество конических поверхностей с внутренним зеркальным покрытием, строго вдвое большее, чем с внешним, усложняет конструкцию прибора и ужесточает допуски на изготовление комбинированного конического зеркала, а также не позволяет увеличить величину угла между выходящими из объектива лучами и оптической осью, что в свою очередь ограничивает диаметр кольцевой измерительной марки, а следовательно, и допустимую погрешность поперечного наведения.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить надежность и точность измерений, упростить конструкцию кератометра, уменьшить его габаритные размеры и массу, увеличить допустимую погрешность поперечного наведения.

Это достигается тем, что комбинированное коническое зеркало состоит из блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности центрального отверстия, выполненного в виде усеченного конуса, и блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, где блоки выполнены в виде наборов усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, причем общая ось всех конических зеркал в блоках комбинированного конического зеркала совмещена с оптической осью объектива, выполненного в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая на центральную зону, причем в фокальной поверхности первого компонента объектива, являющегося общим для обеих систем, расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины, освещаемого кольцевым источником света, а в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей количество зеркальных поверхностей строго на одну большее, чем количество внешних зеркальных поверхностей в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, а углы наклона образующих конических поверхностей к их оси выбраны так, что лучи света, выходящие из объектива под углом к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки, последовательно отраженные от каждой, кроме первой, при счете от объектива, внешней зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, и каждой, кроме предпоследней, также при счете от объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, или от внутренней зеркальной поверхности центрального отверстия блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, образуют при выходе из системы конических зеркал пучки параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающиеся в зоне размещения роговицы, так что характерные лучи, отраженные от поверхности роговицы, затем последовательно отражаясь от каждой, кроме последней, при счете от объектива, внутренней и каждой внешней конических поверхностей соответствующих блоков или проходя без отражений через центральное отверстие блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, при выходе из системы конических зеркал идут в своем обратном ходе до объектива параллельно оптической оси.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема кератометра и показан ход лучей; на фиг. 2 - схема образования изображений измерительной марки, построенных лучами, отраженными от внешней поверхности исследуемой роговицы; на фиг. 3 - теоретический вид изображений измерительной марки (кератограммы), построенных в плоскости чувствительного элемента блока регистрации центральной зоны; на фиг. 4 - теоретический вид кератограммы, получаемой в плоскости чувствительного элемента блока регистрации периферийной зоны.

Кератометр (см. фиг. 1) содержит измерительную марку 1, представляющую собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины 2, расположенной так, что указанная поверхность совпадает с фокальной поверхностью первого общего коллимирующего компонента 3 объектива, выполненного в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых - компоненты 3 и 12 - работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая - компоненты 3 и 11 - на центральную зону, блок конических зеркал 4 с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности полого усеченного конуса центрального отверстия, блок конических зеркал 5 с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, защитное стекло 6, апертурную диафрагму 8, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом F' объектива 3, кольцевой источник света 9, плоское зеркало 10, проекционный объектив центральной зоны 11, проекционный объектив периферийной зоны 12, регистрирующее устройство центральной зоны 13, например, матрица приборов зарядовой связи - ПЗС, регистрирующее устройство периферийной зоны 14, например, также матрица приборов зарядовой связи - ПЗС; 7 - исследуемая роговица; α - зона размещения роговицы; - углы наклона к оптической оси элементарных пучков параллельных лучей, пересекающихся в зоне размещения роговицы.

Кератометр действует следующим образом (см. фиг. 1). Пучки параллельных лучей, выходящие из объектива 3 под углом наклона к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки 1, после отражения от каждой, кроме первой, при счете от коллимирующего объектива 3, внешней зеркальной поверхности блока конических зеркал 4 и каждой, за исключением предпоследней, также при счете от коллимирующего объектива 3, внутренней зеркальной поверхности блока конических зеркал 5, распадается на ряд элементарных лучей с различными углами α₁, α₂, α₃ наклона к оптической оси кератометра. Углы наклона к оси образующих соответствующих конических зеркальных поверхностей выбраны так, что все пучки пересекаются на оптической оси в зоне размещения а роговицы 7. Кроме того, роговица освещается пучками параллельных лучей, также выходящими из объектива 3 под углом наклона к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки 1, которые после отражения от внутренней зеркальной поверхности центрального отверстия блока конических зеркал 4 падают на роговицу 7 под углом α₀ к оптической оси. Среди лучей, падающих на роговицу 7, имеются характерные лучи. К ним относятся лучи, продолжающие свой путь под углами к оптической оси после отражения от роговицы и до встречи с коническими зеркалами блоков 5 и 4, которые затем, отражаясь от каждой, за исключением последней, при счете от коллимирующего объектива 3, внутренней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 5 и каждой внешней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 4, идут параллельно оптической оси до попадания в объектив 3. Кроме того, существуют лучи, сразу идущие параллельно оси после отражения от роговицы, а также лучи параллельных пучков, попадающих на роговицу после отражения от внутренней зеркальной конической поверхности центрального отверстия блока конических зеркал 4, которые после отражения от роговицы идут под углами к оптической оси. Отраженные от роговицы характерные лучи являются главными лучами узких пучков лучей, апертура которых зависит от выбранного диаметра отверстия апертурной диафрагмы 8. В плоскостях чувствительных элементов 13 и 14 формируются кольцевые изображения измерительной марки соответственно от центральной и периферийной зон поверхности роговицы. Зная конструктивные параметры кератометра и измерив диаметры кольцевых изображений измерительных марок, можно определить геометрическую форму роговицы математическими приемами, суть которых поясняется на фиг. 2, 3 и 4.

Среди параллельных лучей 15...20 (см. фиг. 2), падающих на поверхность роговицы Р под углом α к оси, всегда найдутся два характерных луча 16 и 19. Луч 16 после отражения от роговицы пойдет под углом α′ к оптической оси (луч 16'). Лучи 15 и 17, идущие близко к лучу 16, после отражения от роговицы формируют мнимое изображение M₁ измерительной марки. Луч 19 после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ (луч 19'). Отраженные лучи 18', 19' и 20' формируют мнимое изображение М₂ измерительной марки.

В то же время на роговицу под углом α₀ к оси падает пучок параллельных лучей 21. ..26. Среди этих лучей имеется луч 22, который после отражения от роговицы в точке К ее поверхности идет под углом α′ к оси (луч 22'). Отраженные лучи 21', 22' и 23' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке М₃. Имеется также луч 25, который после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ₀ (луч 25'). Отраженные лучи 24', 25' и 26' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке М₄.

Лучи 16', 19', 22', 25' и лучи, симметричные им относительно оптической оси, являются главными лучами, формирующими кольцевые изображения измерительной марки, причем лучи 19' и 25' формируют центральную систему кольцевых изображений (см. фиг. 3), а лучи 16' и 22' формируют периферийную систему кольцевых изображений (см. фиг. 4). При перемещениях роговицы в пределах зоны размещения α (см. фиг. 1), центральная система кольцевых изображений остается неподвижной, причем радиусы колец этой системы суть масштабированные в соответствии с выбранным линейным увеличением проекционной системы центральной зоны значения величин ρ и ρ₀, а радиусы колец периферийной системы изменяются, но расстояния между дугами колец, соответствующих одному и тому же углу α′, остаются неизменными и равными масштабированным в соответствии с выбранным линейным увеличением проекционной системы периферийной зоны значениям величины с.

Для угла α₀ центральная зона роговицы мало отличается от сферы при вершине О ее поверхности Р. Радиус кривизны вершинной сферы r₀ можно определить по формуле:

Определяя величины ρ путем измерения их масштабированных значений, получают зависимость ρ от α для ряда дискретных значений углов α, определенных конструкцией кератометра. Зная зависимость ρ от α и вычисляя r₀ по формуле (1), поверхность роговицы в центральной зоне аппроксимируют поверхностью второго порядка с двумя плоскостями симметрии. Пользуясь результатом аппроксимации поверхности роговицы в центральной зоне, вычисляются координаты у_с и z_c точки К в системе координат YOZ, связанной с вершиной О поверхности (см. фиг. 2), как точки с известным углом наклона нормали ϕ, который (в отличие от [3]) определяется по формуле:

В той же системе координат YOZ, связанной с вершиной О (см. фиг. 2) поверхности роговицы, характерный луч 2' описывается уравнением прямой линии вида:

Вычисляя координаты точек пересечения прямых линий вида (3), описывающих характерные лучи, отраженные от поверхности роговицы под разными топографическими углами α′ в точках ее поверхности с одним и тем же наклоном нормали к оптической оси прибора, определяется топография внешней поверхности роговицы в периферийной зоне.

Примером конкретного выполнения может служить кератометр (см. фиг. 1), у которого диаметр входного зрачка объектива 3 равен 62 мм, фокусное расстояние 150 мм, диаметр светящегося кольца 1 измерительной марки 42 мм, углы наклона образующих конических зеркал 4 и 5 обеспечивают набор топографических углов а зона размещения а роговицы удалена от прибора на 65 мм.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1762894 СССР, МКИ4 А 61 В 3/10. Кератометр /Федоров С. Н. (СССР), Пуряев Д.Т. (СССР), Ласкин А.В. (СССР) // БИ 35. -1992.

2. Патент 2058109 РФ, А 61 В 3/10. Кератометр / Пуряев Д.Т. (РФ) // БИ 11.-1996.

3. Патент 2166904 РФ, А 61 В 3/107. Кератометр / Малинская М.В. (РФ) // БИ 14.-2001.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к офтальмологическим устройствам, предназначенным для определения формы внешней поверхности роговицы глаза. Кератометр содержит источник света, измерительную марку, систему конических зеркал. Система конических зеркал содержит блок зеркал с зеркальным покрытием внутренних поверхностей и установленный внутри соосно с ним блок зеркал с зеркальным покрытием внешних поверхностей, причем внутри него выполнено зеркальное сквозное центральное отверстие. Блоки выполнены с различными углами наклона образующих соответствующих зеркальных поверхностей. Конфигурация зеркальных поверхностей выбрана так, чтобы упростить конструкцию кератометра, повысить точность измерений и расширить допустимую погрешность поперечного наведения. 4 ил.

Кератометр, содержащий источник света, объектив, в фокальной поверхности которого расположена кольцевая измерительная марка, комбинированное коническое зеркало, включающее блок конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности полого усеченного конуса центрального отверстия и блок конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, при этом блоки выполнены с различными углами наклона образующих конических зеркальных поверхностей к общей оси, совмещенной с оптической осью объектива, и устройства регистрации изображений измерительной марки, отличающийся тем, что в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей количество зеркальных поверхностей строго на одну больше, чем количество зеркальных поверхностей в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, а углы наклона к общей оси образующих конических поверхностей выбраны с возможностью отражения лучей света последовательно от каждой, кроме первой внешней, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, и каждой, кроме предпоследней, при счете от коллимирующего объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, или отражения лучей света, выходящих из объектива от внутренней зеркальной поверхности центрального отверстия блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, и образования при выходе из системы конических зеркал пучков параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающихся в зоне размещения роговицы, и с возможностью последовательного отражения от роговицы, от каждой, кроме последней, при счете от коллимирующего объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей и каждой зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, или с возможностью прохождения отраженных от роговицы лучей света без отражений через центральное отверстие блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, и хода лучей из системы конических зеркал до коллимирующего объектива параллельно оптической оси.