По заказу Агентства перспективных оборонных исследований США (DARPA) в швейцарском Институте микроинженерии при поддержке специалистов Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали первые в мире телескопические контактные линзы.

Линзы используют два независимых оптических пути с возможностью переключения между ними, но сохраняют и способность их одновременного использования. В рабочем прототипе достигнуто увеличение изображения в 2,8 раза. Оно сравнимо с таковым у театральных биноклей, компактных цифровых фотоаппаратов и оптических прицелов небольшой кратности.

Пользователь может в любой момент времени выбрать один из трёх режимов работы линз: обычное изображение, увеличенное или их комбинацию. В последнем случае полупрозрачный фрагмент увеличенной картинки воспринимается как наложенный поверх основного.

Обычное (слева), увеличенное (справа) и смешанное (посередине) изображение при взгляде через телескопические контактные линзы (фото: E. Tremblay, I. Stamenov et al / EPFL, UCSD)
Обычное (слева), увеличенное (справа) и смешанное (посередине) изображение при взгляде через телескопические контактные линзы (фото: E. Tremblay, I. Stamenov et al / EPFL, UCSD)

Через центральную часть линзы свет, отражённый от различных объектов, проходит без изменений. Пользователь видит обычную картину окружающего мира, и восприятие расстояния до них остаётся прежним.

Эффект увеличения основан на многократном отражении лучей света, происходящем в призматических и асферических элементах. Они расположены вокруг центральной части и по краю линзы.

Асферическая часть оптической системы нужна для уменьшения габаритов и отклонения хода краевых лучей без влияния на путь центральных, лежащих близко к оптической оси. Такой же принцип используется в объективах фотоаппаратов и компактных биноклей.

Для выбора режима работы линз используются поляризационные фильтры. У прототипа они размещены в модифицированных активных 3D-очках для Smart TV (Samsung SSG-3100GB с электрическим приводом), но возможны и другие технические решения – например, визор шлема с аналогичной способностью менять направление поляризации на заданное.

Очки с поляризационными фильтрами Samsung SSG-3100GB
Очки с поляризационными фильтрами Samsung SSG-3100GB

Телескопические контактные линзы хотя и разрабатывались на деньги DARPA, найдут применение не только в армии. Это удобный инструмент техника (вроде очков часовщика или ювелира) и реальная помощь многим больным. Их создание было нацелено в том числе и на решение весьма актуальной проблемы – снижения остроты зрения у лиц с возрастной макулярной дегенерацией (ВМД).

Это широко распространённое (15 случаев на 1000 по России) хроническое прогрессирующее заболевание с поражением центральной зоны сетчатки (макулы). Оно встречается у людей старше пятидесяти лет, часто протекая бессимптомно на первых стадиях.

Лечение большинства форм ВМД – сложное и редко эффективное. Оно обычно включает в себя как хирургическое вмешательство, так и длительную (порой – пожизненную) медикаментозную терапию.

Страдающие ВМД люди используют различные вспомогательные средства, чтобы рассмотреть мелкий текст и детали предметов. Обычно это увеличительные стёкла, но в тяжёлых случаях поверх стёкол очков устанавливаются линзы с сильным увеличением.

Телескопические очки для слабовидящих (фото: Dr. Randolph Kinkade)
Телескопические очки для слабовидящих (фото: Dr. Randolph Kinkade)

Такие комбинированные очки называют телескопическими, или биоптическими. Пациенты нередко носят их большую часть дня. Они довольно громоздкие, тяжёлые, имеют малое поле зрения и причиняют своим обладателям целый ряд неудобств, затрудняя социальное взаимодействие. Во многих странах в таких очках запрещено водить автомобиль, да и просто в быту человек в них выглядит странно.

В последние годы предпринимались попытки добавить функцию увеличения для интраокулярных линз (ИОЛ), имплантируемых вместо хрусталика, но такой подход не получил широкого клинического распространения.

Созданные телескопические контактные линзы в разы уменьшают габариты вспомогательной оптической системы и устанавливаются без хирургического вмешательства.

Схема оптических путей в телескопических контактных линзах

С их помощью обеспечивается максимально возможное поле зрения и повышается его острота. Часть лучей, собранных краевой зоной, перенаправляется на неповреждённую область сетчатки, позволяя лучше видеть.

Радует, что среди авторов проекта есть и русские имена. Игорь Стаменов в последние годы занимается разработкой ультракомпактных оптических систем в лаборатории Photonic Systems Integration при университете в Сан-Диего. Благодаря его вкладу были созданы, просчитаны и опробованы различные варианты оптических схем.

До недавнего времени специалисты в области оптики крайне скептически относились к самой идее “уместить бинокль в линзе”. Однако подлинное научное достижение и состоит в том, чтобы найти способ решить сложную проблему.

Разумеется, созданный вариант – лишь первый шаг, демонстрация практической возможности изготовления такого оптического устройства. Из недостатков прототипа сильнее всего заметна необычная форма линзы. Она усложняет их изготовление и затрудняет ношение.

Телескопическая контактная линза: а) - вид спереди; b) - вид сзади; c) на макете глаза; d) и e) - за поляризационным фильтром очков в разных режимах (фото: E. Tremblay, I. Stamenov et al / EPFL, UCSD)
Телескопическая контактная линза: а) – вид спереди; b) – вид сзади; c) на макете глаза; d) и e) – за поляризующим фильтром очков в разных режимах (фото: E. Tremblay, I. Stamenov et al / EPFL, UCSD)

Предстоит решить проблему с падением светосилы, сравнительно большой толщиной периферийной части линз и их массой. Сейчас жёсткий и довольно толстый край причиняет дискомфорт, вызывая ощущение инородного тела в глазу. Верхнее веко задевает край линзы при моргании и движении глаз, что приводит к временному размытию изображения.

В своё время схожая проблема была и с обычными контактными линзами. Прошли годы, появились новые материалы и технологии обработки. Современные линзы стали мягкими, лёгкими, “дышащими”, и теперь многие просто забывают их снимать, поскольку совершенно не ощущают. Вероятно, серийные образцы телескопических линз пройдут похожий путь доработки.