Material für optische Augeninstrumente
Das Auge ist ein dem Menschen innewohnendes optisches Instrument. Es ermöglicht dir, einen Physikartikel zu lesen 😀 oder das Gesicht deines schönen oder gutaussehenden Freundes zu betrachten 🙂 Was aber, wenn deine Augen nicht richtig funktionieren? Du kennst die Antwort auf diese Frage sicherlich. Sei also dankbar, wenn du noch gesunde Augen hast und klar sehen kannst. Ein blinder Mensch kann nicht sehen und sich den Zustand der Welt, in der wir heute leben, nur vorstellen.
Gesunde, gut funktionierende Augen sind der Wunsch eines jeden. Doch die Realität entspricht nicht immer diesen Erwartungen. Manche Menschen sind von Natur aus mit Sehschwächen konfrontiert, die ihr scharfes Sehen beeinträchtigen. Fortschritte in der Wissenschaft, insbesondere in der Physik, haben die Entwicklung von Sehhilfen wie Brillen und Kontaktlinsen ermöglicht.
Dieser Artikel untersucht die Funktionsweise des Auges und dessen Bedeutung für das Sehen. Die Erklärung der Augenfunktion in diesem Artikel bezieht sich auf das Gebiet der geometrischen Optik , das die Lichtbrechung, die Fokussierung und die Bildentstehung durch das Auge umfasst. Eine detaillierte Beschreibung des Auges und seiner Funktionsweise würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Sehstörungen sowie die Funktionsweise von Brillen und Kontaktlinsen werden in späteren Artikeln erläutert.
Teile des Auges
Hornhaut atau Augenmembran Die Hornhaut ist eine harte, durchscheinende Membran, die die Vorderseite des Auges bedeckt. Lichtstrahlen, die ins Auge eintreten, werden von der Hornhaut in hohem Maße gebrochen.
Schüler atau Augäpfel Die Pupille ist der schwarze Teil des menschlichen Auges. Da sie schwarz ist, absorbiert sie fast das gesamte Licht und reflektiert kaum etwas. Die Pupille ist die Öffnung, durch die das Licht ins Auge gelangt. Je größer die Pupille, desto mehr Licht fällt ins Auge; umgekehrt gilt: Je kleiner die Pupille, desto weniger Licht gelangt ins Auge.
Iris atau Iris Die Iris reguliert die Pupillengröße. Bei hellem Licht verengt die Iris die Pupille, bei schwachem Licht erweitert sie sie, sodass mehr Licht ins Auge gelangt. Wer schon einmal den Unterschied in der Pupillenweite einer Katze tagsüber und nachts beobachtet hat, versteht die Funktion der Iris sofort.
Der Ziliarmuskel verändert die Krümmung der Augenlinse. Diese Veränderungen beeinflussen die Brennweite. Betrachtet das Auge ein weit entferntes Objekt, entspannt sich der Ziliarmuskel, wodurch sich der Krümmungsradius der Linse und somit die Brennweite erhöht. Betrachtet das Auge hingegen ein nahes Objekt, zieht sich der Ziliarmuskel zusammen, wodurch sich der Krümmungsradius und die Brennweite verringern. Indirekt steuert der Ziliarmuskel also die Brennweite der Augenlinse, damit das Auge das Bild des Objekts scharf sehen kann. Diese Veränderungen der Brennweite der Augenlinse werden als Akkommodation bezeichnet.
Die Linse des Auges ist eine Sammellinse, auch Konvexlinse oder positive Linse genannt . Obwohl der größte Teil des einfallenden Lichts in der Hornhaut gebrochen wird, bricht und bündelt die Linse die Lichtstrahlen ebenfalls, sodass sich das Bild eines Objekts präzise auf der Netzhaut abbildet. Nur so können Objekte scharf gesehen werden. Die Netzhaut wandelt Lichtwellen in elektrische Signale um, die dann über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet werden.
Maximale und minimale Unterbringung
Augenakkommodation Die Fokussierung ist die Anpassung der Brennweite (f) der Augenlinse an die Entfernung des vom Auge betrachteten Objekts, sodass das Bild des Objekts auf der Netzhaut scharf abgebildet wird. Die Brennweite der Augenlinse ist der Abstand zwischen der Linse und ihrem Brennpunkt (F). Änderungen der Linsenkrümmung bewirken eine Änderung des Krümmungsradius und somit der Brennweite, wie in der Abbildung dargestellt.
Wenn das Auge ein Objekt auf dem fernster PunktDer Ziliarmuskel entspannt sich (relaxiert), wodurch die Augenlinse flacher wird und sich ihr Krümmungsradius und ihre Brennweite vergrößern. Der Fernpunkt ist die größte Entfernung, die das Auge scharfstellen kann; normalerweise liegt der Fernpunkt des Auges im Unendlichen. Wenn das Auge die Brennweite der Linse anpasst, um Objekte im Fernpunkt oder im Unendlichen scharfzustellen, … Mindestunterkunft.
Wenn das Auge hingegen ein Objekt in der Nähe betrachtet, spannt sich der Ziliarmuskel an (kontrahiert), wodurch sich die Augenlinse stärker krümmt und somit ihr Krümmungsradius und ihre Brennweite zunehmen. Die Entfernung des Objekts, das dem Auge am nächsten liegt und auf das es noch scharf fokussieren kann, wird als Brennweite bezeichnet. NahpunktDer durchschnittliche Mensch hat einen Nahpunkt von 25 cm. Wenn das Auge auf ein Objekt in der Nähe (25 cm) fokussiert, akkommodiert das Auge maximal.
Entstehung des Schattens eines Objekts
Sehr große Objektentfernung
Bei unendlicher Objektentfernung flacht die Augenlinse ab, wodurch sich ihre Brennweite (f) vergrößert. Diese Brennweite entspricht dann der Bildweite (s'). Die Bildweite ist der Abstand zwischen Linse und dem Schnittpunkt der gebrochenen Lichtstrahlen im Auge. Dieser Schnittpunkt liegt auf der Netzhaut. Daraus lässt sich schließen, dass sich die Krümmung der Augenlinse bei der Betrachtung eines unendlich weit entfernten Objekts so weit verringert, bis die Brennweite (f) dem Abstand zwischen Linse und Netzhaut entspricht. Die Lichtstrahlen müssen sich auf der Netzhaut schneiden, damit das Licht von den Nervenzellen der Netzhaut in elektrische Signale umgewandelt und anschließend über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet werden kann.
Im Folgenden wird mathematisch bewiesen, warum die Brennweite (f) der Linse der Bildweite (s') entsprechen muss, wenn die Gegenstandsweite (s) sehr groß ist oder der Gegenstand als unendlich weit entfernt angenommen wird. Der Zusammenhang zwischen Brennweite (f), Gegenstandsweite (s) und Bildweite (s') wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
1/f = 1/s + 1/s' —– Gleichung 1
Das Okular ist eine Sammellinse, daher ist die Brennweite (f) positiv. Die Gegenstandsweite (s) ist unendlich, daher ersetzen Sie die Gegenstandsweite (s) in Gleichung 1 durch das Unendlichkeitssymbol.
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– Gleichung 2
Gleichung 2 zeigt, dass bei einer Sammellinse oder Konvexlinse die Brennweite (f) gleich der Bildweite (s') ist, wenn die Objektentfernung unendlich groß ist.
Sehr geringe Objektentfernung
Was passiert, wenn sich das Objekt nahe am Auge befindet? Eine Zerstreuungslinse kann sowohl virtuelle als auch reelle Bilder erzeugen. Eine Sammellinse erzeugt ein reelles Bild, wenn die Objektentfernung (s) größer als die Brennweite (f) der Linse ist. Dies wurde bereits im entsprechenden Abschnitt behandelt. konvexes Linsenbild.
Wie bereits erläutert, beträgt die nächste Entfernung, die ein normales Auge scharf fokussieren kann, 25 cm. Daher muss die Brennweite kleiner als 25 cm sein. Sie kann aber auch nicht genau 25 cm betragen, da das Bild sonst im Unendlichen läge, was angesichts der geringen Pupillengröße unrealistisch ist.
Berechnung zur Abschätzung der Brennweite (f) des Augenlinsensystems:
1/f = 1/s + 1/s' —– Gleichung 1
Der Nahpunkt eines normalen Auges liegt bei 25 cm, daher beträgt die Entfernung zum nächsten Objekt (s) ebenfalls 25 cm. Der Abstand zwischen Hornhaut und Auge beträgt etwa 2,5 cm. Das Bild erscheint scharf, wenn der Lichtstrahl auf die Netzhaut fällt; daher wird der Abstand zwischen Hornhaut und Linse als Bildweite (s') bezeichnet.
1/f = 1/s + 1/s'
1/f = 1/25 + 1/2,5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
f = 25/11
f = 2,27 cm
Die Differenz zwischen Bildweite (s') und Brennweite (f) beträgt 2,5 cm – 2,27 cm = 0,23 cm. Aus den obigen Berechnungen lässt sich schließen, dass die Brennweite (f) kleiner als die Bildweite (s') ist. Der Brennpunkt des Auges liegt 0,23 cm links vom Bildpunkt bzw. der Netzhaut.
Die Linse des Auges ist konvergent, daher ist das auf der Netzhaut entstehende Bild zwar real, aber umgekehrt. Obwohl das Bild auf der Netzhaut umgekehrt ist, richten die Nerven im Gehirn es auf. Wie lässt sich das erklären? 🙂
Beispielfragen zu optischen Augeninstrumenten
1. EBTANAS-SMP-01-15
Die Beschreibung der Bildentstehung bei myopen Sehfehlern lautet...
Diskussion
Kurzsichtigkeit oder Myopie ist eine optische Störung des Auges, bei der das Auge Objekte in der Ferne nicht klar sehen kann.
Die Ursache für Kurzsichtigkeit liegt in einer stärker gekrümmten Hornhaut-Linsen-Struktur (der horizontale Teil des Augapfels ist zu lang). Dadurch ist die Brennweite der Hornhaut-Linsen-Struktur verkürzt, sodass Lichtstrahlen aus der Ferne vor der Netzhaut gebündelt werden. Da unendlich viele Lichtstrahlen nicht auf der Netzhaut fokussiert werden, können die Nervenzellen in der Netzhaut die Lichtwellen nicht in elektrische Signale umwandeln, die an das Gehirn weitergeleitet werden.
Die richtige Antwort ist B.
2. EBTANAS-SMP-02-15
Die Schattenbildung bei Kurzsichtigen ist in der richtigen Abbildung dargestellt...
Diskussion
Kurzsichtigkeit oder Myopie ist eine optische Störung des Auges, bei der das Auge Objekte in der Ferne nicht klar sehen kann.
Die Ursache für Kurzsichtigkeit liegt in einer stärker gekrümmten Hornhaut-Linsen-Struktur (der horizontale Teil des Augapfels ist zu lang). Dadurch ist die Brennweite der Hornhaut-Linsen-Struktur verkürzt, sodass Lichtstrahlen aus der Ferne vor der Netzhaut gebündelt werden. Da unendlich viele Lichtstrahlen nicht auf der Netzhaut fokussiert werden, können die Nervenzellen in der Netzhaut die Lichtwellen nicht in elektrische Signale umwandeln, die an das Gehirn weitergeleitet werden.
Die richtige Antwort ist C.
