Способ получения увеличенного изображения объекта Российский патент 2024 года по МПК G02B17/06 

Изобретение относится к оптике, в частности к системам и способам получения увеличенных изображений объектов малого размера, и может найти применение в различных отраслях научного и прикладного характера, например, в медицине, геологии и биологии при работе в полевых условиях.

При наблюдении объектов малого размера их приближают как можно ближе к глазу. Наименьшее расстояние, определяемое возможностями аккомодации, составляет около 10 см [1]. При дальнейшем приближении к глазу оптической силы глаза не хватает и изображение объекта становится все менее резким, а при расстоянии меньше переднего фокуса оптической системы глаза (около 17 мм) - исчезает, так как по законам геометрической оптики изображение становится мнимым. Мнимое изображение находится перед глазом, оно существенно увеличено относительно объекта, но не проецируется на сетчатку и поэтому его не видно. Для восполнения оптической силы глаза и ухода от мнимых изображений обычно используют дополнительные устройства - лупы. Авторами обнаружено, что с помощью дополнительного устройства - зеркала - появления мнимого изображения можно избежать за счет повторного использования оптической системы глаза.

Из уровня техники известен способ получения увеличенного изображения малоразмерного объекта с помощью лупы [1], при котором, с целью изучения внутренней структуры малоразмерного объекта (например, определения нарушений однородности цвета или оптического пропускания микрокристаллов в геологии, а также повреждения оболочек и органелл в растительных клетках в биологии), его рассматривают «на просвет», причем просвечивающее объект излучение формируют путем расположения источника излучения непосредственно (прямо) на зрительной оси глаза, ориентированной на малоразмерный объект, при этом на этой же оси располагают оптическую ось лупы, через которую наблюдают увеличенное изображение объекта, а объект размещают между источником излучения и лупой.

Однако существенным недостатком такого способа являются риски необратимого повреждения сетчатки глаза прямым сфокусированным световым излучением, проходящим мимо краев объекта.

Технической проблемой является создание эффективного и безопасного способа получения увеличенного изображения объекта.

Техническим результатом является исключение попадания прямого излучения от источника света (светового излучения) на сетчатку глаза.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения увеличенного изображения объекта, при котором формируют просвечивающее объект излучение за счет пространственного расположения относительно глаза наблюдателя источника света, вспомогательного средства и объекта, согласно изобретению, в качестве вспомогательного средства используют зеркало, а просвечивающее объект излучение формируют путем переотражения излучения источника света от роговицы и зеркала, которое располагают на зрительной оси глаза в промежутке между поверхностью роговицы глаза наблюдателя и передней фокальной точкой этого глаза при расположении объекта в этом же промежутке.

В частных вариантах реализации способа в качестве источника света используют такие, которые имеют ограниченные размеры, например солнце или искусственный источник света (лампа); источник света располагают на расстоянии не менее 1 м под углом к зрительной оси 80-100° градусов.

Заявленный способ позволяет получать увеличенное изображение внутренней структуры объектов очень малых размеров, например волоса человека или микрокристаллов, в полевых условиях без использования сложных оптических приборов (микроскопов) и исключая повреждение сетчатки глаза при этом.

Изобретение иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 представлена схема расположения объекта, зеркала и источника света относительного глаза (наблюдателя) согласно заявленному способу получения увеличенного изображения объекта, на фиг. 2 - схема редуцированного (упрощенного) глаза (схема «глаза Эмсли»), обычно применяемая для построения изображений при ручной трассировке лучей, на фиг. 3 - схема получения увеличенного изображения объекта, построенная с учетом параметров «глаза Эмсли» заявленным способом, на фиг. 4 - схема получения расфокусированного изображения блика, построенная заявленным способом, на фиг. 5 - схема углового положения источника света относительно зрительной оси и периферического угла зрения глаза, где 1 - зрительная ось; 2 - передняя фокальная точка фокусирующей системы глаза; 3 - изображение в зеркале объекта наблюдения; 4 - зеркало; 5 - объект наблюдения; 6 - роговица глаза; 7 - траектория оси светового излучения, преломленного роговицей; 8 - изображение блика в зеркале; 9 - блик, сформированный роговицей от внешнего источника света; 10 - центр кривизны роговицы; 11 - сетчатка глаза; 12 - траектория светового потока, просвечивающего объект наблюдения; 13 - глаз наблюдателя; 14 - самосветящийся либо светоотражающий (переизлучающий) внешний источник света; 15 - задняя фокальная точка фокусирующей системы глаза; 16 - изображение объекта на сетчатке глаза; 17 - мнимое изображение объекта в случае отсутствия зеркала; 18 - изображение блика при его наблюдении с помощью зеркала; 19 - направление светового потока от источника света; 20 - периферический угол зрения глаза со стороны источника света; 21 - угол расположения источника света относительно зрительной оси.

Способ получения увеличенного изображения объекта 5 реализуют следующим образом. Источник света 14, выбранный наблюдателем, располагают вне поля зрения глаза (под углом к зрительной оси глаза таким образом, чтобы излучение, преломляемое роговицей и распространяющееся в полости глаза, не попадало на сетчатку). Источником света 14 могут выступать различные объекты (природные или искусственные), определяющей характеристикой которых являются ограниченность их размеров для формирования блика на роговице, занимающего незначительную площадь, например, десятую часть от площади роговицы глаза. Такими источниками является солнце, а также лампы различного типа (лампа накаливания, светодиодная лампа и т.п.). Геометрические размеры источника света должны быть, как минимум, на порядок меньше, чем расстояние от источника света до поверхности роговицы. Неограниченно большие источники света (например, равномерно светящееся небо) формируют блик, который невозможно зафиксировать, поскольку он занимает всю площадь роговицы, поэтому они не могут быть использованы в качестве источника света в заявленном способе.

На зрительной оси 1 глаза наблюдателя 13 располагают зеркало 4 на расстоянии, находящемся в промежутке между поверхностью роговицы 6 глаза и передней фокальной точкой 2 (поверхностью) этого глаза 13. В среднем для физиологически нормального глаза передняя фокальная точка находится на расстоянии около 17 мм, [6]. Для глаза, не являющимся физиологически нормальным, при наличии близорукости или дальнозоркости положение передней фокальной точки может быть больше или меньше, чем 17 мм (в зависимости от уровня патологии). Зеркало 4 может иметь любые размеры, в частности таким, чтобы удобно было его держать одной рукой (например, размером 40х40 мм). В зеркале наблюдают расфокусированное изображение блика, созданного источником света на роговице глаза.

Между зеркалом 4 и глазом 13 на линии наблюдения изображения блика, располагают объект исследования. Объект 5 может удерживаться на линии наблюдения второй рукой наблюдателя (свободной от зеркала) с помощью, например, пинцета или может быть прикреплен к нерабочей поверхности зеркала, например, с помощью липкой полоски скотча. Увеличенное изображение объекта, который просвечен переотраженным излучением блика, получают в зеркале 4.

Просвечивающее объект излучение формируют путем переотражения излучения источника света 14 от роговицы 6 и зеркала 4, для чего наблюдатель поворачивается под нужным углом относительно источника света, излучение которого отражается от внешней поверхности роговицы, падает на зеркало 4, которое при необходимости поворачивают на несколько градусов, и затем переотражается от зеркала по направлению вдоль зрительной оси глаза на сетчатку глаза. При этом источник света 14 образует блик от поверхности роговицы глаза наблюдателя. Поскольку роговица 6 играет роль выпуклого зеркала [1], то наблюдателю кажется, что изображение источника света в этом зеркале, то есть блик от этого источника света находится внутри глаза (между поверхностью роговицы и центром кривизны роговицы). Зрительной реакцией глаза на излучение, распространяющееся по траектории 12, является появление в зеркале изображения блика и на его фоне - увеличенного изображения объекта. Яркость блика на роговице определяется коэффициентом отражения роговицей неполяризованного светового излучения, который не превышает 4% от полного уровня светового потока при углах падения светового излучения до 50° [1]. Относительно невысокая яркость блика (4%) определяется качеством поверхности роговицы глаза. Мощность блика может меняться синхронно с изменением мощности источника освещения в широких пределах, в таких же широких, как индивидуально может изменяться световая чувствительность глаза. Важно, чтобы наблюдатель не видел в зеркале сам источник освещения, он должен видеть только его блик.

Полученное изображение 8 блика в зеркале визуально фиксируют. В связи с тем, что изображение блика от роговицы находится внутри глаза, то это изображение в зеркале всегда находится левее изображения в зеркале объекта наблюдения, который находится вне глаза. Поэтому при наблюдении в зеркале резкого изображения объекта наблюдения изображение в зеркале блика всегда будет не резким, как схематично показано на фиг. 4. Расплывчатое (не сфокусированное) изображение блика будет светлым фоном, не мешающим рассматриванию четкого увеличенного изображения объекта и не опасным для сетчатки глаза.

Перемещая зеркало вдоль зрительной оси между передней фокальной точкой и поверхностью роговицы, изменяют размер и фокусировку наблюдаемого увеличенного изображения 3 объекта, которое кажется перевернутым, показано на фиг. 3 стрелкой. Эти изменения зависят от аккомодационных возможностей и аметропии глаза конкретного наблюдателя.

Во избежание попадания на сетчатку глаза прямого излучения от источника света, преломляемого роговицей и распространяющегося внутри глаза, в процессе «улавливания» блика, описанного выше, наклоняют ось распространения этого прямого излучения относительно зрительной оси глаза на угол, превышающий периферический угол зрения этого глаза (периферический угол зрения, определяемый угловым полем зрения глаза человека [1] со стороны источника света, изменяется в пределах 55-90°). Наклон оси распространения прямого излучения от источника света в виде солнца к зрительной оси выбирают равным 80-100°.

Заявленный способ получения увеличенного изображения объекта позволяет решать широкий спектр задач. Так впервые в уровне техники глаз наблюдателя выполняет одновременно биологическую и техническую функции. Под технической функцией имеется в виду функция оптической системы (лупы, микроскопа) - системы увеличения мелких объектов. Поскольку каждый человек имеет индивидуальные физиологические особенности и оптические свойства глаз, то при стандартизации технических параметров освещения и объекта наблюдения можно изучать неизвестные биологические особенности строения глаза, важные для офтальмологии, например возможность самоконтроля качества поверхности роговицы глаза или анализ состояния стекловидного тела глаза.

В качестве обоснования возможности реализации заявленного способа, а именно возможности использования глаза человека в качестве «физиологической лупы», авторами проведены исследования, отработанные на схемах редуцированного (упрощенного) глаза. Основной особенностью глаза как оптической системы является динамическая рефракция, заключающаяся в способности изменения оптической силы глаза в диапазоне 58-70 диоптрий [1, 2]. В этой связи статические построения изображений на основе геометрической оптики для глаза отображают принципиальную схему заявленного способа.

Использованные для исследований схемы редуцированного глаза учитывают то, что глаз имеет одну внешнюю преломляющую поверхность, контактирующую с воздушной средой, и сложную многослойную структуру внутренних преломляющих поверхностей, что обуславливает наличие множества смещенных друг относительно друга главных и узловых точек в оптической системе глаза.

Для исследований авторами взята за основу схема редуцированного глаза, именуемая как «глаз Эмсли», имеющий постоянную оптическую силу в 60 диоптрий [3, 4, 5, 6]. В схеме главная преломляющая плоскость 6 касается вершины роговицы. От поверхности 6 на расстоянии 5,5 мм, равном радиусу кривизны роговицы, лежит узловая точка 10, в которой попадающие в глаз лучи света пересекают главную оптическую ось 1. На расстоянии 22,22 мм и 16,67 мм от вершины роговицы лежат соответственно задняя 15 и передняя 2 фокальные точки редуцированного глаза. С точкой 15 совмещена сетчатка глаза 11. Оптическая ось 1 и зрительная ось глаза совпадают. Глаз заполнен однородной прозрачной средой с показателем преломления n=1,33. Этот показатель определяет величину френелевского отражения роговицы. Схема соответствует глазу, настроенного на расстояние наилучшего зрения - 250 мм.

Схема получения увеличенного изображения объекта, построенная с учетом параметров глаза Эмсли, приведена на фиг. 3. С целью пояснения процесса получения увеличенного изображения на схеме положение объекта 5 и зеркала 4 выбрано произвольным образом. Объект 5, его изображение 3 в зеркале 4 и на сетчатке глаза 16 условно показаны стрелками. Изображения получены стандартной трассировкой лучей [1] с учетом кардиальных точек 2, 10, 15 и главной преломляющей плоскости 6. В отсутствии зеркала 4 изображение объекта 5 строят в месте пересечения тонких сплошных линий. Получают изображение 17, которое не попадает на сетчатку 15, поэтому объект 5 не виден. Ситуация меняется при наличии зеркала 4: изображение 3 объекта проецируется на сетчатку, создавая изображение 16.

Зрительный образ, создаваемый изображением объекта 16 на сетчатке глаза, строят в месте пересечения сплошных линий со стрелками. Этот зрительный образ большого размеры может не помещаться на схеме, но можно представить, что он перевернут относительно положения объекта 5 и существенно больше объекта по размеру. Исходя из формулы видимого увеличения лупы Г = Ф/4 при аккомодации глаза на расстояние наилучшего зрения в 250 мм [1] с учетом оптической силы Ф глаза Эмсли, равной 60 диоптрий, получаем 15 - кратное увеличение размера объекта 5.

Схема получения зрительного образа 18 блика 9 с учетом изображения блика 8 в зеркале 4 показана на фигуре 4. Как видно, изображение 18 отстоит от сетчатки глаза 11 на значительном расстоянии, поэтому его наблюдают как расфокусированное, расплывчатое светлое пятно.

Оценим минимальные размеры объекта, которые доступны для предлагаемого способа наблюдения. Известно, что для физиологически нормально глаза минимальный угол зрения, который доступен для рассмотрения объекта составляет 1 минуту, или 3⋅10^-4 радиан. Из этого следует, что в фокальной точке 2 (фиг. 2), в которой возможно рассматривать объект, его размер, доступный для прямого наблюдения, составит:

L=0,01667х 3⋅10^-4=0,5001·10^-4 м (или 50 мкм)

Из этого следует, что на расстоянии наилучшего зрения 250 мм, минимальный размер микрообъекта, доступный для наблюдения по предлагаемому способу составит:

L₁= 50 мкм/15=3,33 мкм.

Таким образом, заявленный способ позволяет эффективно, т.е. с высокой степенью кратности увеличения, рассматривать объекты очень малых размеров (от 3,33 мкм), исключая при этом попадание прямого излучения от источника света (светового излучения) на сетчатку глаза.

Список использованных источников:

1. Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. Н. Кузичев. Теория оптических систем: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 448 с.

2. Основы офтальмологии: Учебное пособие, 3-е изд. Рухлова С.А. Год издания: 2009, 304 с.

3. D.A. Atchison, L.N. Thibos. Optical models of the human eye // Clinical and Experimental Optometry. 2016; V.99, issue 2, pages 99-106. Published online: 15 Apr 2021.

4. В.К. Вербицкий. Оптическая система глаза // Русск. офтальмол. ж. 1928. Т.8. № 2. С. 210-232.

5. H.H. Emsley. Visual optics, 4th edn. Hatton, London, 1948: P. 647.

6. A.G. Bennett, R.B. Rabbetts. “The eye’s optical system” Clinical visual optics, 2nd ed. Butterworth-Heinemann Ltd., London, 1989.

Изобретение относится к оптике, в частности к системам и способам наблюдения увеличенных изображений объектов малого размера, и может найти применение в различных отраслях научного и прикладного характера, например, в медицине, геологии и биологии при работе в полевых условиях. Способ наблюдения увеличенного изображения объекта, при котором формируют просвечивающее объект излучение за счет пространственного расположения относительно глаза наблюдателя источника света, вспомогательного средства и объекта. В качестве вспомогательного средства используют зеркало. Просвечивающее объект излучение формируют путем переотражения излучения источника света от роговицы и зеркала, которое располагают на зрительной оси глаза в промежутке между поверхностью роговицы глаза наблюдателя и передней фокальной точкой этого глаза при расположении объекта в этом же промежутке. Технический результат - исключение попадания прямого излучения от источника света (светового излучения) на сетчатку глаза. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения увеличенного изображения объекта, при котором формируют просвечивающее объект излучение за счет пространственного расположения относительно глаза наблюдателя источника света, вспомогательного средства и объекта, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного средства используют зеркало, а просвечивающее объект излучение формируют путем переотражения излучения источника света от роговицы и зеркала, которое располагают на зрительной оси глаза в промежутке между поверхностью роговицы глаза наблюдателя и передней фокальной точкой этого глаза при расположении объекта в этом же промежутке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света используют такие, которые имеют ограниченные размеры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света используют солнце или искусственный источник света.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что источник света располагают на расстоянии не менее 1 м под углом 80-100° к зрительной оси.