Zastosowanie filtrów optycznych u osób słabowidzących

Abstract

W obliczu wzrastającej długości życia i starzejącego się społeczeństwa liczba osób słabowidzących rośnie. Pomoc tym osobom staje się coraz istotniej- szym zagadnieniem w rozwijającej się dziedzinie optometrii. Optometrysta zajmujący się doborem pomocy optycznych musi zapewnić swoim pacjentom coraz to szersze możliwości wykorzystania nowoczesnych metod i sposobów stosowanych w optyce, aby zadbać o bezpieczeństwo i ochronę ich wzroku. Do bardzo ważnych pomocy optycznych zaliczają się ltry, których głównym celem jest funkcja ochronna. Poznanie mechanizmu działania ltrów zwią- zane jest z zagadnieniem spektrum fali elektromagnetycznej i jej wpływu na zewnętrzne i wewnętrzne struktury oka.

Full text

50
OPTYKA 1(56)2019
/
Wstęp
Wobliczu wzrastającej długości życia istarzejącego się społeczeństwa liczba
osób słabowidzących rośnie. Pomoc tym osobom staje się coraz istotniej-
szym zagadnieniem wrozwijającej się dziedzinie optometrii. Optometrysta
zajmujący się doborem pomocy optycznych musi zapewnić swoim pacjentom
coraz to szersze możliwości wykorzystania nowoczesnych metod isposobów
stosowanych woptyce, aby zadbać obezpieczeństwo iochronę ich wzroku.
Do bardzo ważnych pomocy optycznych zaliczają się filtry, których głównym
celem jest funkcja ochronna. Poznanie mechanizmu działania filtrów zwią-
zane jest zzagadnieniem spektrum fali elektromagnetycznej ijej wpływu na
zewnętrzne iwewnętrzne struktury oka.
Światło jako fala elektromagnetyczna
Promieniowanie optyczne, zwane światłem, jest tylko fragmentem duże-
go widma promieniowania elektromagnetycznego. Samo promieniowanie
optyczne mieści się wzakresie od 100 nm do 1 mm idzieli się na trzy za-
kresy. Pierwszy zakres obejmuje widmo między 100 a380 nm ijest potocz-
nie zwane nadfioletowym. Kolejny zakres to 380–760 nm ijest to światło
widzialne, czyli takie, które ludzkie oko jest wstanie zarejestrować. Nato-
miast trzeci zakres fali świetlnej to promieniowanie podczerwone, miesz-
czące się wzakresie 760 nm–1 mm [1].
Promieniowanie nadfioletowe, czyli UV, dzieli się na trzy zakresy: UVA,
UVB, UVC [2]. Promieniowanie zzakresu UVC mieści się wgranicach od 200
do 280 nm ijest falą bardzo krótką, która niesie dużą ilość energii. Promie-
niowanie to jest wznacznej części zatrzymywane przez w arstwę ozonową ido
Ziemi dociera wznikomej ilości. Drugim zakresem jest UVB, obejmujący fale
od 280 do 315 nm. Światło ztego zakresu widma dociera do Ziemi imoże po-
wodować zagrożenie dla organizmów żywych, zbyt długo wystawionych na
jego ekspozycję. Trzeci zakres to UVA, obejmuje on fale od 315 nm do 400 nm
iczęściowo wchodzi wzakres światła widzialnego. Całe spektrum promienio-
wania UV zzakresu niewidzialnego (200–380 nm) odpowiada za letnie popa-
rzenia podczas zbyt długiego korzystania zkąpieli słonecznych.
Promieniowanie zzakresu UVC jest promieniowaniem onajwiększej ener-
gii, dlatego jest najbardziej szkodliwe. Dzięki wspomnianej już wcześniej na-
turalnej ochronie warstwy ozonowej, jesteśmy wmiarę bezpieczni. Nie ozna-
cza to jednak, że to promieniowanie nam zupełnie nie zagraża. Efekt dziury
ozonowej jest powszechnie znany, co pozwala temu szkodliwemu promienio-
waniu przedostawać się przez ziemską atmosferę, docierać do powierzchni
Ziemi, wywołując różne choroby wśród żywych organizmów – od oparzeń
rogówkowych iskórnych zaczynając, na zmianach nowotworowych kończąc.
Promieniowania UVA iUVB niosą ze sobą mniejszą ilość energii, lecz rów-
nież mają negatywny wpływ na organizmy żywe oraz układ wzrokowy czło-
wieka. Głównym, lecz nie jedynym źródłem promieniowania UV jest Słońce.
Innymi źródłami promieniowania nadfioletowego mogą być: łuk elektryczny
wytwarzany podczas procesu spawania, lampy wyładowcze, używane do ste-
optyka
Zastosowanie filtrów optycznych
u osób słabowidzących
rylizacji, awykorzystujące promieniowanie UVC, jak również diody LED stoso-
wane wlampach glonobójczych wprzydomowych oczkach wodnych.
Kolejnym zakresem niewidzialnego promieniowania, które ma wpływ na
człowieka i układ wzrokowy, jest promieniowanie podczerwone (IR, infra-
red). Promieniowanie to zwane jest także termicznym, ponieważ odczuwane
jest jako ciepło. Słońce jest naturalnym źródłem promieniowania IR, ale cia-
ło organizmów żywych również wytwarza IR emitowane wpostaci ciepła. IR
dzieli się na trzy zakresy: podczerwień bliską – wzakresie od 760 nm do 1 mm,
podczerwień średnią – od 2,5 mm do 50 mm idaleką – od 50 mm do zakresu
fal mikrofalowych, około 100 mm [3]. Głównym zagrożeniem tego promie-
niowania są oparzenia termiczne. Światło podczer wone jest falą długą, która
niesie ze sobą znacznie mniejszą ilość energii. To promieniowanie wdużym
stopniu pochłaniane jest przez atmosferę ziemską, dwutlenek węgla oraz
parę wodną (chmury). Poprzez zwiększające się stężenie dwutlenku węgla
watmosferze dochodzi do powstania efektu cieplarnianego ze względu na
brak możliwości „wypromieniowywania” ciepła poza ziemską atmosferę.
Powyższe zależności prowadzą do wzrostu temperatury atmosfery ziemskiej
ipowierzchni Ziemi. Warto wspomnieć, że promieniowanie IR wykorzystywa-
ne jest wmedycynie do różnego rodzaju naświetleń oraz do transmisji danych
wtechnologii światłowodowej ibezprzewodowej.
Światło widzialne rejestrowane przez ludzkie oko mieści się w zakresie
pomiędzy 380 a760 nm. Uludzi występują pewne różnice osobnicze, które
dotyczą siatkówki oka, co wpływa na wrażliwość świetlną oraz na subiektyw-
ne odczucia barwne, które mogą się nieco różnić między osobami. Światło
widzialne jest tylko małym wycinkiem promieniowania optycznego, amimo
to jest bardzo zróżnicowane pod względem długości fali świetlnej odbieranej
przez ludzkie oko. Zależność ta zapewnia nam widzenie barwne otaczającej
nas rzeczywistości. Zdolności ludzkiego oka do rozróżniania barw można ba-
dać, stosując tablice Ishihary, test HRR czy anomaloskop.
Dzięki falowej naturze światła możemy manipulować długością fali, która
dociera do wnętrza oka. Do tego celu używa się filtrów absorpcyjnych, które
nie przepuszczają, adokładniej pochł aniają fale świetlne ookreślonej długo-
ści. Jednocześnie inne długości fali przechodzą przez filtr swobodnie.
Mgr inż. JACEK ZABEL1,3
Dr ANNA PRZEKORACKAKRAWCZYK1,2
Mgr TOMASZ KIĆ3
Dr hab. JAN OLSZEWSKI4
Dr n. med. inż. KRZYSZTOF MICHALAK1,2
1 Pracownia Fizyki Widzenia i Optometrii, Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
2 Pracownia Fizyki Widzenia i Neuronauki, Centrum NanoBioMedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
3 Poradnia Okulistyczna i Optyk Zabel sc. w Pile
4 Zakład Bioniki i Bioimpedancji, Wydział Nauk o Zdrowiu, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Ryc. 1. Spektrum fali elektromagnetycznej [4]

www.gazeta-optyka.pl
51
22/2
Budowa izasada działania filtrów
Różnego rodzaju filtry są podstawowym narzędziem stosowanym woptyce.
Według definicji, filtry optyczne to elementy służące do kształtowania widma
światła, aich działanie polega na selektywnej transmisji lub selektywnym po-
chłanianiu promieniowania świetlnego [5]. Definicja ta jest bardzo obszerna
i idealnie przedstawia szerokie spektrum możliwości zastosowania filtrów
optycznych, zaczynając od zastosowań przemysłowych, gdzie są one wyko-
rzystywane do formowania ikierunkowania wiązek promieni laserów, przez
fotografię ikinematografię, ana optyce kończąc. Woptyce okularowej filtry
są głównie stosowane do ochrony przed szkodliwym promieniowaniem oraz
wcelu poprawy jakości widzenia uosób słabowidzących.
Wpraktyce optycznej stosuje się dwa rodzaje filtrów: absorpcyjne oraz
dyfrakcyjne. Pierwsze działają na zasadzie pochłaniania oczekiwanych fal
oraz przepuszczania pozostałych długości [6]. Ze względu na relatywnie
niskie koszty produkcji oraz prostą budowę, stanowią one szeroką ofertę
najpopularniejszych filtrów dostępnych na rynku. Poprzez zastosowanie
na soczewce odpowiedniej powłoki bądź odpowiedniego zabarwienia, uzy-
skiwane jest bardzo precyzyjne pochłanianie blokowanych fal. Kolejną za-
letą tego rodzaju filtrów jest ich jednakowa wysoka efektywność, niezależ-
na od kąta padania światła. Natomiast minusem jest efekt ich nagrzewania
się podczas absorbcji. Ten negatywny efekt nagrzewania się filtr a wywołany
jest energią wiązki świetlnej, która kumuluje się wnim, co skutkuje emisją
energii cieplnej.
Filtry interferencyjne, inaczej dyfrakcyjne, to narzędzia optyczne, któ-
re działają na zasadzie odbicia od powierzchni soczewki jednego rodza-
ju fal, aprzepuszczaniu innych. Budowa tego rodzaju filtra jest bardziej
skomplikowana od filtrów absorpcyjnych, ponieważ składa się on zwie-
lu warstw odbijających oraz przepuszczających różne długości wiązki
świetlnej. Dlatego wymaga to zastosowania warstwy antyodbiciowej dla
jednej długości wiązki światła oraz warstw lustrzanych (odbijających)
dla innych długości fali. Filtry tego typu są niestety znacznie droższe
wprodukcji, co przekłada się na rzadsze ich stosowanie. Oprócz wysokiej
precyzji filtrowania kolejną ich zaletą jest odbijanie niepożądanej wiązki
światła od powierzchni, dzięki czemu filtr y te nie nagrzewają się. Pomimo
wielu zalet filtry tego rodzaju mają również wady. Podstawowym proble-
mem jest różne nachylenie padającej wiązki świetlnej, albowiem docho-
dzi wówczas do zmiany kąta padania, co zmienia charakterystykę filtra.
Filtry tego typu najczęściej znajdują zastosowanie w różnego rodzaju
urządzeniach laserowych iprojektorach cyfrowych. Woptyce okularowej
tego rodzaju filtry mają zastosowanie najczęściej do redukcji światła nie-
bieskiego, na którego ekspozycję jesteśmy narażeni podczas pracy przed
komputerem [7].
optyka2
Kolejną grupę filtrów stanowią polaryzatory. Polaryzacja to kierunek
oscylacji fali elektromagnetycznej. Światło jako fala elektromagnetyczna
jest poprzeczna, awahnięcia jej są prostopadłe do kierunku, wktórym się
przemieszcza. Polar yzacja wiązki światła polega na całkowitym lub częścio-
wym uporządkowaniu drgań tej fali [8], natomiast światło niespol aryzowa-
ne jest wiązką światła onieuporządkowanych drganiach. Filtry polaryza-
cyjne mają za zadanie ją uporządkować, zmieniając płaszczyznę pol aryzacji
światła. Dzieli się je na dwa główne rodzaje: liniowe i kołowe. Woptyce
okularowej najczęściej zastosowanie znajduje polaryzacja liniowa, która
przepuszcza światło spolaryzowane tylko w jednej płaszczyźnie. Kołowa
polaryzacja natomiast znalazła zastosowanie głównie wfotografii, ponie-
waż filtry takie mają zdolność przepuszczania światła spolaryzowanego
wróżnych płaszczyznach, co wpływa na prawidłową pracę innych urządzeń
pomiarowych waparatach fotograficznych.
Jak przedstawiono na rycinie 2, światło niespolaryzowane po przejściu
przez polaryzator będzie drgało tylko wjednej konkretnej płaszczyźnie.
Natomiast wiązka świetlna spolar yzowana wpłaszczyźnie innej niż filtr bę-
dzie blokowana. Precyzja wykonania takiego filtra będzie miała wpływ na
dokładność polar yzacji.
Okulary / soczewki zfiltrem krawędziowym
Najczęściej stosowanym filtrem uosób słabowidzących są okulary zfiltrem
krawędziowym. Zazwyczaj są to gotowe okulary z soczewkami z filtrem
absorpcyjnym, które precyzyjnie odcinają całość promieniowania poniżej
zadanej długości fali. Znaczenie takiego rodzaju filtra uosoby słabowidzą-
cej polega na ochronie oczu przed szkodliwym promieniowaniem światła
oraz na wzmocnieniu kontrastu. Zastosowanie takich okularów poprawia
wyostrzenie krawędzi obserwowanych przedmiotów oraz podnosi komfort
widzenia. Powszechnie stosowane są filtry zprogami odcięcia: 450 nm,
Ryc. 2. Zasada działania ltra polaryzacyjnego liniowego dla światła niespolaryzowanego i spolaryzowanego [9]

52
OPTYKA 1(56)2019
/
511 nm, 527 nm i550
nm (ryc. 3). Warto
zauważyć, że poszcze-
gólni producenci nie-
ustannie wprowadzają
coraz to nowsze roz-
wiązania i proponują
indywidualne dosto-
sowanie swojej oferty
do potrzeb pacjenta. Dobranie rodzaju filtra odbywa się indywidualnie na
podstawie oceny subiektywnej pacjenta. Ponadto większość producentów
wswoich materiałach firmowych sugeruje specjalistom, jakie rodzaje fil-
trów będą optymalne dla danych schorzeń. Można tu wspomnieć okilku
znaczących firmach obecnych na polskim rynku imających wofercie tego
typu filtry. Do tych firm należą: Eschenbach, Schweizer, Multilens, Zeiss.
Istnieje także możliwość zastosowania filtrów absorpcyjnych wraz zko-
rekcją okularową. Innym rozwiązaniem jest stosowanie „okularów na oku-
lary”, gdzie powiększony rozmiar okularów zfiltrem nakłada się na oprawę
własną zkorekcją refrakcji pacjenta. Rozwiązanie to jest bardzo korzystne,
ponieważ daje możliwość stosowania wielu par okularów korekcyjnych do
konkretnych okularów zfiltrem. Dodatkowo pacjent może skorzystać zróż-
nych rodzajów filtrów, wzależności od rodzaju ijakości oświetlenia woto-
czeniu.
Kolejne rozwiązanie na rynku filtrów optycznych wprowadziła firma
JZO, amianowicie barwienia selektywne, które mają podobne parametry
jak klasyczne filtry krawędziowe, lecz odcięcie fal świetlnych jest w nich
łagodniejsze. Filtry tego rodzaju zaliczamy do grupy filtrów dolnoprzepu-
stowych, które blokują 100% promieniowania zzakresu UV oraz odcinają
różne długości fali świetlnej, jak zostało to przedstawione na rycinie 4.
Ochrona wzroku oraz wpływ na poprawę komfortu widzenia
Podstawową funkcją filtrów jest ochrona oczu przed szkodliwym promienio-
waniem zarówno osób słabowidzących, jak iosób zdrowych. Po przeprowa-
dzeniu ankiet na temat szkodliwości promieniowania UV można stwierdzić,
że wspołeczeństwie jest dość wysoka świadomość na ten temat. Inaczej
jest wprzypadku wiedzy owpływie świata niebieskiego na wzrok. Przecięt-
ny użytkownik okularów nie ma wiedzy na temat światła niebieskiego ijego
wpływu na życie. Dlatego ważne jest, aby nieustannie zwiększać świado-
mość osób wzakresie zarówno pozytywnego wpływu tego światła, jak ijego
niepożądanych efektów.
Stymulacja światłem niebieskim wgłównej mierze wpływa na regulację
wytwarzania przez podwzgórze hormonu kortyzonu, który odpowiada za
aktywność dobową iobniżenie poziomu melatoniny związanej zczasem snu
iczuwania. Nadmierna ekspozycja na światło niebieskie będzie zaburzać
regulacje cyklu dobowego człowieka. Natomiast długotrwałe zastosowa-
nie filtrów krawędziowych odcinających promieniowanie świetlne powyżej
490 nm będzie skutkowało całkowitym odcięciem światła niebieskiego,
powodując większe wydzielanie melatoniny [7]. Nadmierna produkcja me-
latoniny może wpływać na wzmożoną senność. Co więcej, najnowsze ba-
dania sugerują, że lipofuscyna, czyli wewnątrzkomórkowy barwnik będący
markerem starzenia się komórek, może być mediatorem przy powstawaniu
uszkodzeń siatkówki podczas długotrwałej ekspozycji na wysokoener-
getyczne światło niebieskie. Szczyt absorpcji światła niebieskiego przez
lipofuscynę wynosi około 450 nm [11], dlatego funkcja ochronna filtrów
wprzypadku osób słabowidzących jest wręcz niezbędna. Wprzypadku nie-
których schorzeń promieniowanie UV oraz wysokoenergetyczne światło
niebieskie mogą znacząco wpłynąć na progresję choroby oczu. Zastosowa-
nie filtra krawędziowego będzie zatem chroniło przed takim promieniowa-
niem oraz wpłynie na poprawę kontrastu ilepsze postrzeganie przeszkód
wotoczeniu.
Dla kogo filtry absorpcyjne?
Dowody eksperymentalne wskazują, że światło niebieskie zzakresu 400–
440 nm jest bardziej szkodliwe dla siatkówki niż to zzakresu 460–490nm
ze względu na swoją wyższą energię. Dlatego filtry oabsorpcji do 440nm
można polecać każdej osobie wcelach ochronnych przed promieniowaniem
UV iwysokoenergetycznym światłem niebieskim. Wfiltrach tych jednocze-
śnie przepuszczane jest światło niebieskie powyżej 450 nm, które pozwa-
la na zachowanie prawidłowej regulacji cyklu dobowego [11]. Dobierając
filtry krawędziowe powyżej 450 nm u osób słabowidzących, należy kiero-
wać się przede wszystkim subiektywnymi odczuciami pacjenta. Stosując
takie rozwiązanie wpływa się na poprawę wrażliwości na kontrast iochro-
nę przed olśnieniem, aponadto dochodzi do przesunięcia progu adapta-
cyjnego przy zmiennych warunkach oświetlenia. Na wstępie można także
posłużyć się sugestiami zmateriałów firmowych. Każdy producent filtrów
zazwyczaj sugeruje, jak dobrać odpowiedni rodzaj filtra wzależności od ro-
dzaju schorzenia. Na przykł ad firma Eschenbach proponuje: filtr 450 nm do
zaćmy, jaskry, zwyrodnienia barwnikowego; filtr 511 nm do zwyrodnienia
barwnikowego, jaskry, afakii, AMD; filtr 527 nm do albinizmu iAMD; filtr
550 nm do albinizmu oraz nadwrażliwości na światło.
Podczas doboru już
konkretnego filtra,
jego długości i pro-
gu odcięcia należy
dysponować odpo-
wiednim zestawem
okularów prezenta-
cyjnych (ryc. 3) oraz
flipperami (ryc. 5) z zamontowanymi w nich soczewkami z filtrem.
Takie rozwiązanie znacznie ułatwia dobranie odpowiedniego filtra. Na
koniec powinno się wykonać próbę zwłaściwymi okularami wróżnych
warunkach oświetlenia. Ostatecznie decyzję podejmujmy na podstawie
subiektywnych odczuć pacjenta.
Piśmiennictwo
1. Encyklopedia internetowa PWN. Światło. www.encyklopedia.pwn.pl/haslo/swiatlo;3984392.html, data wejścia
9.10.2018
2. Encyklopedia internetowa PWN. Promieniowanie nadfioletowe.
www.encyklopedia.pwn.pl/haslo/promieniowanie-nadfioletowe;3962661.html, data wejścia 9.10.2018
3. Encyklopedia internetowa PWN. Promieniowanie podczerwone.
www.encyklopedia.pwn.pl/haslo/promieniowanie-podczerwone;3962663.html, data wejścia 9.10.2018
4. https://pl.khanacademy.org/science/physics/light-waves/introduction-to-light-waves/a/lightand-theelectro-
magnetic-spectrum.html
5. Encyklopedia internetowa PWN. Filtr optyczny.
www.encyklopedia.pwn.pl/haslo/filtroptyczny;3901049.html, data wejścia 9.10.2018
6. Optical Filters. www.edmundoptics.com/resources/application-notes/optics/opticalfilters/, data wejścia
9.10.2018
7. Tsz Wing Leung, Roger Wing-Hong Li, Chea-su Kee. Blue light filtering spectacle lenses: optical and clinical
performances. PLoS ONE 12(1)2017: e0169114. DOI 101371/Journal.pone.0169114
8. Encyklopedia internetowa PWN. Polaryzacja światł a.
www.encyklopedia.pwn.pl/haslo/polaryzacjaswiatla;3959321.html, data wejścia 14.10.2018
9. Źródło: https://bokehphotos.pl/polaryzacja-polaryzator-kolowy-czy-war to/, data wejścia 13.12.2018
10. M. Frączek. Barwienia selektywne. Izoptyka marzec 2017, 80, 6–7
11. G. Tosini, I. Ferguson, K. Tsubota. Eects of blue light on the circadian system and eye phy siology. Molecular
Vision 2016; 22: 61–72
optyka
Ryc. 5. Flippery z soczewkami z ltrem rmy Schweizer (źródło własne)
Ryc. 3. Przykładowe rodzaje opraw i zastosowanych w nich ltrów (źródło
własne)
Ryc. 4. Barwienia selektywne JZO i krzywe widmowe [10]