Artikkeli Optiset instrumentit ihmissilmä
Silmän osat
Sarveiskalvo on läpinäkyvä, kova kalvo, joka peittää silmän etuosan. Sarveiskalvo taittaa silmään tulevan valonsäteen.
Pupilli on silmän musta osa. Pupilli on musta, joten se absorboi lähes kaiken valon. Pupilli on aukko, jonka läpi valo kulkee silmään. Mitä suurempi pupillin halkaisija on, sitä enemmän valoa pääsee silmään, ja mitä pienempi pupilli on, sitä vähemmän valoa pääsee silmään.
Iiris säätelee pupillin kokoa. Kun silmää ympäröivä ympäristö on hyvin kirkas, iiris pienentää pupillia. Kääntäen, kun silmiä ympäröivä ympäristö on himmeämpi, iiris laajentaa pupillia, jolloin silmään tulevan valon määrä on suuri. Jos olet havainnut kissan silmän eron päivällä ja yöllä, voit helposti ymmärtää iiriksen toiminnan.
Sädelihakset muuttavat silmän linssin kaarevuutta. Silmän linssin muutokset vaikuttavat linssin polttoväliin. Jos silmä havaitsee esineitä kaukana, sädelihakset rentoutuvat, jolloin linssin kaarevuussäde kasvaa ja linssin polttoväli kasvaa.
Kun silmä tarkkailee läheltä olevia kohteita, sädelihakset supistuvat, jolloin linssin kaarevuussäde pienenee ja linssin polttoväli lyhenee. Epäsuorasti sädelihasten tehtävänä on siis kontrolloida silmän linssin polttoväliä, jotta silmä voi tarkentaa kohteen kuvan oikein. Okulaarin polttovälin muutosta kutsutaan silmän akkommodaatioksi.
Silmän linssi on konvergentti linssi, kupera linssi tai positiivinen linssi. Vaikka sarveiskalvossa tapahtuu enemmän valon taittumista, silmän linssi myös taittaa ja kohdistaa valonsäteen siten, että kuva muodostuu suoraan verkkokalvolle. Kuvan on muodostuttava verkkokalvolle, jotta esineet näkyvät selvästi. Verkkokalvon tehtävänä on muuntaa valoaallot sähköisiksi signaaleiksi, jotka sitten kulkevat näköhermon kautta aivoihin.
Akkommodaatio normaalilla silmällä
Silmän akkommodaatio tarkoittaa silmän linssin polttovälin (f) säätämistä kohteen etäisyyden mukaan siten, että kuva voidaan tarkentaa verkkokalvolle. Silmän linssin polttoväli on etäisyys silmän linssin ja linssin polttopisteen välillä (F). Kun silmä akkommodaatio tapahtuu, silmän linssin kaarevuus muuttuu, jolloin okulaarin kaarevuussäde muuttuu ja siten myös silmän linssin polttoväli muuttuu.
Jos silmä havaitsee kohdetta kaukaisessa pisteessä, sädelihas rentoutuu, jolloin silmän linssi kallistuu niin, että linssin kaarevuussäde ja polttoväli kasvavat. Kaukainen piste on kaukaisin etäisyys, johon silmä voi tarkentaa, kun taas normaalin silmän kaukainen piste on ääretön. Kun sädelihakset rentoutuvat niin, että silmän linssin polttoväli pitenee ja silmä voi tarkentaa kohteeseen kaukaisessa pisteessä, silmän akkommodaatio on minimissä.
Kun silmä tarkkailee läheltä olevia kohteita, sädelihakset supistuvat, jolloin silmän linssi kaareutuu enemmän, jolloin linssin kaarevuussäde ja polttoväli pienenevät. Lähimpään silmään nähden olevaa etäisyyttä, johon silmä vielä pystyy tarkentamaan, kutsutaan lähipisteeksi. Keskimääräisellä ihmisellä lähipiste on 25 cm. Kun sädelihakset supistuvat niin, että silmän linssin polttoväli lyhenee ja silmä voi tarkentaa kohteeseen lähipisteessä (25 cm), silmän akkommodaatio on maksimaalinen.
Kuvan muodostuminen
Kaukaisin piste
Jos kohde on ääretön, silmän linssi kaareutuu, kunnes linssin polttoväli (f) on yhtä suuri kuin kuvaetäisyys (di). Kuvaetäisyys on etäisyys linssin ja pisteen välillä, jossa silmän valonsäde taittuu. Piste, jossa valonsäteet leikkaavat, osuu verkkokalvon kanssa. Voidaan siis päätellä, että kun silmä havaitsee ääretöntä kohdetta, silmän linssin kaarevuus litistyy, kunnes linssin polttoväli (f) on yhtä suuri kuin linssin ja verkkokalvon välinen etäisyys. Valonsäteen on osuttava verkkokalvoon, jotta valo voi muuttua sähköisiksi signaaleiksi verkkokalvolla.
Seuraavassa on matemaattinen todistus siitä, miksi äärettömyyden etäisyydellä olevan kohteen linssin polttoväli (f) on yhtä suuri kuin kuvan etäisyys (di). Polttovälin (f), kohteen etäisyyden (do) ja kuvan etäisyyden (di) välinen suhde ilmaistaan seuraavalla yhtälöllä.
1/f = 1/do + 1/di — Yhtälö 1
Silmän linssi on kokoava linssi. Siksi polttoväli (f) on positiivinen. Kohteen etäisyys (do) on ääretön, joten korvaa kohteen etäisyys (do) yhtälössä 1 äärettömyyden merkillä.
1/f = 1/~ + 1/di
1/f = 0 + 1/di
1/f = 1/di
di = f —– Yhtälö 2
Yhtälö 2 osoittaa, että kokoavissa linsseissä, jos kohde on äärettömyydessä, polttoväli (f) on yhtä suuri kuin kuvaetäisyys (di).
Lähin piste
Entä jos kohde on lähellä silmää? Aiemmin selitettiin, että normaalin silmän lähipiste tai lähimmän kohteen etäisyys, johon normaali silmä voi tarkentaa kunnolla, on 25 cm. Näin ollen silmän linssin polttovälin (f) on oltava pienempi kuin kohteen etäisyys (do) 25 cm. Silmän linssin polttovälin on oltava pienempi kuin 25 cm:n etäisyys, jotta silmän linssi tuottaa todellisen kuvan. Silmän linssi on kupera linssi, joka voi muodostaa sekä virtuaalikuvan että todellisen kuvan. Todellinen kuva syntyy kuperalla linssillä, kun polttoväli (f) on pienempi kuin kohteen etäisyys (do). Tätä on käsitelty kuperan linssin kuvanmuodostusta käsittelevässä aiheessa.
Arvioi silmän linssijärjestelmän polttoväli (f):
Normaalin silmän lähipiste on 25 cm, joten lähimmän kohteen (kohteiden) etäisyys on 25 cm. Sarveiskalvon ja verkkokalvon välinen etäisyys on noin 2.5 cm. Kuva on selkeä, jos valonsäde osuu verkkokalvolle, joten sarveiskalvon ja verkkokalvon välistä etäisyyttä pidetään kuvaetäisyytenä (di). Kuvaetäisyys (in) on siis 2.5 cm.
1/f = 1/do + 1/di
1/f = 1/25 + 1/2.5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
f = 25/11
f = 2.27 cm
Yllä olevien laskelmien tulosten perusteella voidaan päätellä, että polttoväli (f) on pienempi kuin kuvaetäisyys (di). Kuvaetäisyyden (di) ja polttovälin (f) välinen ero on 2.5 cm – 2.27 cm = 0.23 cm. Sarveiskalvo-silmä-linssi-järjestelmän polttopiste on 0.23 cm kuvan tai verkkokalvon vasemmalla puolella.
Sarveiskalvon ja silmän linssijärjestelmä on kupera linssi, joten kuva muodostuu verkkokalvolle, vaikka se on todellinen mutta käänteinen. Vaikka verkkokalvon kuva on käänteinen, aivojen hermo kääntää sen pystyasentoon.
