Оптоволоконный корнеарефрактометр
Полезная модель относится к медицине и может использована для измерения коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза. Оптоволоконный корнеарефрактометр состоит из источника оптического излучения, разветвителя Х-типа, измерительного оптического волокна, наконечника с оптическим разъемом и расширителем оптического излучения, приемников отраженного и опорного излучений, устройства обработки сигналов. За счет предложенной конструкции значительно увеличивается площадь соприкосновения с измеряемой средой, что существенно повышает безопасность при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
Полезная модель относится к медицине, а именно к офтальмологии и может применяться для измерения коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
Измерения коэффициента преломления роговицы важно, например, для контроля процесса образования дополнительных поперечных сшивок при облучении роговицы ультрафиолетом А диапазона в сочетании с рибофлавином, введенным в роговицу для предотвращения прогрессирования кератоконуса или предотвращения ятрогенных кератэктазий после лазерных коррекций ошибок рефракции (Wollensak G, Spoeri E, Seiler Т. Riboflavin ultraviolet - A induced collagen crosslinking for treatment of keratoconus // Am J Ophthalmol. 2003. 135. 620-627. Pinelli R. Corneal collagen crosslinking with riboflavm (C3-R) treatment opens new frontiers for keratoconus and comeal ectasia // EyeWorld, May 2007). Измеряя коэффициент преломления, по известным формулам (Lorentz. On the relation between the propagation speed of light and density of a body // Ann Phys. 1880. 9. 641-665. Lorenz L. About the constant of refraction // Ann Phys. 1880. 11. 70-103. Gladstone IM, Dale TP. Research in the refraction dispersion and sensitiveness of liquids // Phil Trans R Soc Lond. 1863. 153. 317-337) рассчитываются гидратация и плотность роговицы.
Известен рефрактометр Аббе - визуальный оптический прибор для измерения показателя преломления жидких и твердых сред. Его действие основано на измерении угла полного внутреннего отражения в случае непрозрачной исследуемой среды или предельного угла преломления на плоской границе раздела прозрачных сред (исследуемой и известной) при распространении света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем (http://www.astronet.ru/db/msg/1172220). Основным недостатком рефрактометра Аббе является большой размер призмы, необходимый для получения результатов измерения коэффициента преломления с высокой точностью. При этом область касания поверхности призмы с измеряемой средой превышает реальные размеры роговицы глаза, что не позволяет измерять коэффициент преломления с хорошей точностью.
Этого недостатка лишен волоконно-оптический измеритель плотности (Авдеев М.В., Баграташвили В.Н., Джи Ке, Коновалов А.Н., Поляков М., Попов В.К., Соколова М., Цыпина С.И. Оптоволоконная денситометрия сверхкритических сред // Электронный журнал «Исследовано в России». 2003. Т.200. С.2369-2378; http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2003/200.pdf), выбранный в качестве прототипа. Прототип фактически измеряет коэффициент преломления измеряемой среды по которому рассчитывается значение плотности. Принцип работы известного устройства основан на измерении величины оптического сигнала, отраженного от свободного торца измерительного волокна, соприкасаемого с измеряемой средой. Величина данного сигнала определяется показателем преломления измеряемой среды, связанным с ее плотностью. Волоконно-оптический измеритель плотности состоит из источника оптического излучения, оптически соединенного с входом оптического разветвителя X-типа, один из выходов которого соединен с измерительным оптическим волокном, приемника опорного излучения, вход которого соединен с вторым выходом разветвителя Х-типа, приемника отраженного излучения, вход которого соединен со вторым входом разветвителя Х-типа, устройства обработки сигналов, соединенного с выходами приемников излучений.
Волоконно-оптический измеритель плотности работает следующим образом. Излучение от источника оптического излучения попадает через разветвитель Х-типа и через измерительное оптическое волокно на свободный торец измерительного оптического волокна, соприкасающегося с измеряемой средой. Отраженный от свободного торца измерительного волокна сигнал через измерительное оптическое волокно и выход разветвителя попадает на приемник отраженного излучения. Излучение от источника излучения через разветвитель Х-типа попадает также на приемник опорного излучения. Сигналы с выходов приемников отраженного и опорного излучений поступают на устройство обработки сигналов, которое осуществляет деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения и вычисление по полученному результату с учетом калибровки показателя преломления и плотности измеряемой среды. Величина отраженного от торца измерительного волокна сигнала чувствительна к показателю преломления среды, то есть к ее плотности.
Осуществление нормировки - деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения позволяет избежать влияния нестабильности амплитуды излучения на выходе источника излучения. Учет калибровки позволяет получить на выходе устройства обработки сигналов величины, соответствующие плотности и показателю преломления среды в точке измерения. Известное устройство позволяет измерить показатель преломления и плотность сред с высокой разрешающей способностью, которая определяется диаметром сердцевины измерительного оптического волокна и длиной волны используемого излучения (для одномодового оптического волокна разрешающая способность составляет около 9 мкм). Волоконно-оптический измеритель плотности позволяет измерять коэффициент преломления основных слоев роговицы глаза с необходимым пространственным разрешением и точностью.
Основными недостатками известного волоконно-оптического измерителя плотности являются малый размер торца измерительного волокна, что создает опасность нанесения травмы при касании торцом измерительного волокна роговицы глаза.
Задачей полезной модели является повышение безопасности при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
Поставленная задача решается оптоволоконным корнеарефрактометром, который состоит из источника оптического излучения, оптически соединенного с входом оптического разветвителя Х-типа, один из выходов которого соединен с измерительным оптическим волокном, свободный торец которого оптически соединен с наконечником, содержащим расширитель оптического излучения, торец которого соприкасается с измеряемой средой, второй выход разветвителя Х-типа соединен с приемником опорного излучения, а второй вход разветвителя Х-типа соединен с приемником отраженного излучения, при этом выходы приемников излучений присоединены к устройству обработки сигналов.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Оптоволоконный корнеарефрактометр состоит из источника (1) оптического излучения, оптически соединенного с входом оптического разветвителя Х-типа (2), выход которого соединен с измерительным оптическим волокном (3), свободный торец которого оптически соединен с наконечником (4), содержащим расширитель оптического излучения (5), приемника (6) отраженного излучения, вход которого соединен со вторым входом разветвителя Х-типа, приемника (7) опорного излучения, вход которого соединен со вторым выходом разветвителя Х-типа, при этом выходы приемников присоединены к устройству (8) обработки сигналов.
Достижение заявленного технического результата, а именно повышение безопасности при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза, происходит за счет существенного увеличения площади контакта торца с роговицей глаза. Технически это достигается тем, что свободный торец измерительного оптического волокна (3) оптически соединен с наконечником (4), содержащим расширитель оптического излучения (5), торец которого соприкасается с измеряемой средой.
Оптоволоконный корнеарефрактометр работает следующим образом. Излучение от источника оптического излучения попадает через разветвитель Х-типа и измерительное оптическое волокно на свободный торец измерительного оптического волокна и далее в наконечник. Выходящее из торца измерительного оптического волокна излучение попадает на расширитель оптического излучения, торец которого соприкасается с измеряемой средой. Отраженный от торца расширителя оптического излучения сигнал попадает через торец измерительного оптического волокна, измерительное оптическое волокно и второй вход разветвителя Х-типа на приемник отраженного излучения. Излучение от источника оптического излучения через разветвитель Х-типа попадает также на приемник опорного излучения. Сигналы с выходов приемников отраженного и опорного излучений поступают на устройство обработки сигналов, которое осуществляет деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения и вычисление по полученному результату с учетом калибровки показателя преломления измеряемой среды. Величина отраженного от торца собирающей линзы сигнала чувствительна к показателю преломления измеряемой среды. Осуществление нормировки - деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения позволяет избежать влияния нестабильности амплитуды излучения на выходе источника оптического излучения. Учет калибровки позволяет получить на выходе устройства обработки сигналов величину, соответствующую показателю преломления измеряемой среды в точке измерения.
В отличие от прототипа, в данном случае с роговицей глаза соприкасается не свободный торец измерительного оптического волокна, а значительно больший по размерам торец расширителя оптического излучения, что приводит к повышению безопасности при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, источник оптического излучения, разветвитель Х-типа, приемники измерительного и опорного сигналов, измерительное оптическое волокно, наконечник, расширитель оптического излучения, а также устройство обработки сигналов являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, оптических характеристик основных слоев роговицы глаза. В качестве источника излучения может быть применен светодиод IDL5S-1300 с длиной волны 1,3 мкм, в качестве приемников излучений - любой стандартный фотоприемник, работающий в используемом диапазоне длин волн, например на основе InGaAs, а устройство обработки сигналов может быть выполнено на базе персонального компьютера или на микропроцессоре. В качестве измерительного оптического волокна может использоваться стандартное оптическое кварц-кварцевое волокно, например, одномодовое с диаметром внутренней жилы, например, 9 мкм. Наконечник может быть выполнен из металла или пластика, а линза изготовлена, например, из фианита. Расширитель оптического излучения может быть изготовлен на основе собирающей или градиентной линзы.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого оптоволоконного корнеарефрактометра. В качестве источника излучения использовался светодиод IDL5S-1300 с длиной волны 1,3 мкм. Использовалось оптическое кварц-кварцевое волокно с диаметром внутренней жилы 9 мкм. Устройство обработки сигналов выполнено на базе персонального компьютера «Pentium 4». Наконечник был выполнен из металла, а расширитель оптического излучения был выполнен из собирающей линзы с диаметром 2.0 мм, изготовленной из фианита (коэффициент преломления 2.15). В созданном варианте заявляемого устройства площадь соприкосновения с измеряемой средой значительно увеличилась (более 4·104 раз), что существенно повышает безопасность при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
Использование в качестве материала для изготовления расширителя оптического излучения, материалов с большим коэффициентом преломления, например, фианита вместо обычного кварцевого стекла позволяет повысить точность измерений коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза. Это связано с тем, что точность измерений увеличивается с увеличением амплитуды отраженного от торца собирающей линзы сигнала, которая пропорциональна разности коэффициентов преломления материала линзы и измеряемой среды (Авдеев М.В., Баграташвили В.Н., Джи Ке, Коновалов А.Н., Поляков М., Попов В.К., Соколова М., Цыпипа С.И. Оптоволоконная денситометрия сверхкритических сред // Электронный журнал «Исследовано в России». 2003. Т. 200. С.2369-2378; http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/200.pdf). Простой расчет показывает, что при использовании вместо кварцевого стекла (коэффициент преломления 1.5) фианита (коэффициент преломления 2.15) амплитуда отраженного от торца собирающей линзы, соприкасающегося с роговицей глаза (коэффициент преломления ~1.37), сигнала возрастает в 24 раза.
В случае если расширитель оптического излучения выполнен из собирающей линзы, то ее форма может быть выполнена не двояковыпуклой, а плосковыпуклой. При этом такая собирающая линза устанавливается в наконечнике плоской стороной наружу. Использование такой собирающей линзы позволит уменьшить давление торца расширителя оптического излучения на роговицу глаза, поскольку при использовании двояковыпуклой линзы потребуется дополнительное усилие для обеспечения полного контакта выпуклого торца с роговицей глаза при измерении.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант оптоволоконного корнеарефрактометра, в котором расширитель оптического излучения был выполнен из плосковыпуклой линзой. Испытание, проведенное на модели роговицы глаза, показало, что такая конструкция позволяет в несколько раз снизить давление на роговицу глаза. Авторами испытан также вариант наконечника, дополнительно содержащем оптический разъем с отрезком оптического волокна, один торец которого, установленный в оптическом разъеме, выполнен плоским, а другой, направленный вдоль оптической оси в сторону расширителя оптического излучения, выполнен сферическим. Оптическое излучение проходит через измерительное оптическое волокно на свободный торец измерительного оптического волокна, установленный в оптическом разъеме, далее поступает через плоский торец отрезка оптического волокна на сферический торец отрезка оптического волокна. Далее оптическое излучение со сферического торца оптического волокна поступает на расширитель оптического излучения, торец которого соприкасается с измеряемой средой. Отраженный от торца расширителя оптического излучения сигнал попадает через сферический торец отрезка оптического волокна на его плоский торец и далее на торец измерительного оптического волокна. Использование дополнительного отрезка оптического волокна, установленного в оптическом разъеме наконечника, позволяет сделать такой наконечник съемным, что повышает безопасность при. измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза из-за выполнения условий стерильности. Выполнение торца отрезка оптического волокна, направленного в сторону расширителя оптического излучения, сферическим, позволяет уменьшить паразитное отражение оптического излучения от торца, что повышает точность измерения коэффициента преломления. Проведенные авторами исследования, показали, что, если измерительное оптическое волокно является одномодовым, то точность измерения также возрастает, поскольку при этом исчезают ошибки измерения, связанные с изгибом измерительного оптического волокна. Это связано с хорошо известным оптикам фактом, что многомодовое оптическое волокно имеют большие потери при его изгибе. Повышение точности измерения коэффициента преломления способствует уменьшению времени измерения коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза и поэтому также повышает безопасность..
Таким образом, созданное устройство, позволило достичь заявленного технического результата, а именно повысить безопасность при измерении коэффициента преломления основных слоев роговицы глаза.
1. Оптоволоконный корнеарефрактометр, состоящий из источника оптического излучения, оптически соединенного с входом оптического разветвителя Х-типа, один из выходов которого соединен с измерительным оптическим волокном, приемника опорного излучения, вход которого соединен со вторым выходом разветвителя Х-типа, приемника отраженного излучения, вход которого соединен со вторым входом разветвителя Х-типа, устройства обработки сигналов, соединенного с выходами приемников излучений, отличающийся тем, что свободный торец измерительного оптического волокна оптически соединен с наконечником, содержащим расширитель оптического излучения, соприкасающийся с измеряемой средой.
2. Оптоволоконный корнеарефрактометр по п.1, отличающийся тем, что расширитель оптического излучения выполнен из собирающей линзы.
3. Оптоволоконный корнеарефрактометр по п.2, отличающийся тем, что собирающая линза является плоско-выпуклой, при этом плоская часть обращена к измеряемой среде.
4. Оптоволоконный корнеарефрактометр по пп.2 и 3, отличающийся тем, что собирающая линза выполнена из фианита.
5. Оптоволоконный корнеарефрактометр по пп.1-3, отличающийся тем, что наконечник дополнительно содержит оптический разъем с отрезком оптического волокна, один торец которого установлен в оптическом разъеме, а другой направлен в сторону расширителя оптического излучения.
6. Оптоволоконный корнеарефрактометр по п.5, отличающийся тем, что торец отрезка оптического волокна, направленный в сторону собирающей линзы, выполнен сферическим.
7. Оптоволоконный корнеарефрактометр по пп.1-3, 6, отличающийся тем, что измерительное оптическое волокно выполнено одномодовым.
