Optikai eszközök emberi szem
A szem részei
A szaruhártya egy átlátszó, kemény hártya, amely a szem elülső részét borítja. A szaruhártya megtöri a szembe jutó fénysugarat.
A pupilla a szem fekete része. A pupilla fekete, ezért szinte az összes fényt elnyeli. A pupilla egy lyuk, amelyen keresztül a fény a szembe jut. Minél nagyobb a pupilla átmérője, annál több fény jut be a szembe, és minél kisebb a pupilla mérete, annál kevesebb fény jut be a szembe.
Az írisz szabályozza a pupilla méretét. Amikor a szem körüli környezet nagyon világos, az írisz összehúzza a pupillát. Fordítva, amikor a szem körüli környezet kevésbé világos, az írisz kitágítja a pupillát, így a szembe jutó fény mennyisége nagy. Ha megfigyelte a macskaszem nappali és éjszakai fényviszonyai közötti különbséget, akkor könnyen megértheti az írisz funkcióját.
A sugárizmok feladata a szemlencse görbületének megváltoztatása. A szemlencsében bekövetkező változások befolyásolják a szemlencse fókusztávolságát. Ha a szem nagy távolságra lévő tárgyakat figyel meg, a sugárizmok ellazulnak, így a lencse görbületi sugara megnő, és a lencse fókusztávolsága is megnő.
Amikor a szem közeli tárgyakat figyel, a sugárizmok összehúzódnak, így a lencse görbületi sugara csökken, és a lencse fókusztávolsága is csökken. Tehát közvetve a sugárizmok funkciója a szemlencse fókusztávolságának szabályozása, hogy a szem helyesen tudja fókuszálni a tárgy képét. A szemlencse fókusztávolságának változását szem akkomodációnak nevezzük.
A szemlencse egy gyűjtőlencse, domború lencse vagy pozitív lencse. Bár a szaruhártyában nagyobb a fénytörés, a szemlencse is megtöri és fókuszálja a fénysugarat, így a kép közvetlenül a retinán alakul ki. A képnek a retinán kell kialakulnia ahhoz, hogy a tárgyak tisztán láthatók legyenek. A retina feladata a fényhullámok elektromos jelekké alakítása, amelyek aztán a látóidegen keresztül az agyba jutnak.
Akkomodáció normál szemmel
A szem akkomodációja a szemlencse fókusztávolságának (f) beállítását jelenti a tárgy szemtől való távolságának függvényében, hogy a kép a retinára fókuszálhasson. A szemlencse fókusztávolsága a szemlencse és a lencse fókuszpontja közötti távolság (F). Amikor a szem akkomodál, a szemlencse görbülete megváltozik, ami a szemlencse görbületi sugarának megváltozását, és így a szemlencse fókusztávolságának változását is okozza.
Ha a szem egy távoli ponton lévő tárgyat figyel, a sugárizmok ellazulnak, aminek következtében a szemlencse ellaposodik, így a görbületi sugár és a lencse fókusztávolsága megnő. A távoli pont a legtávolabbi távolság, amelyre a szem képes fókuszálni, míg a normál szem távoli pontja végtelen. Amikor a sugárizmok ellazulnak, a szemlencse fókusztávolsága megnő, és a távoli ponton lévő tárgyra tud fókuszálni, a szem minimális akkomodációval rendelkezik.
Amikor a szem közeli tárgyakat figyel, a sugárizmok összehúzódnak, aminek következtében a szemlencse görbültebbé válik, így a görbületi sugár és a lencse fókusztávolsága csökken. A tárgynak a legközelebbi szemtől való távolságát, amelyre a szem még képes fókuszálni, közelpontnak nevezzük. Egy átlagos ember közelpontja 25 cm. Amikor a sugárizmok összehúzódnak, így a szemlencse fókusztávolsága lerövidül, és a tárgyra egy közeli pontban (25 cm) tud fókuszálni, a szem maximális akkomodációval rendelkezik.
A kép kialakulása
A távoli pont
Ha a tárgy végtelen, a szemlencse ellaposodik, amíg a lencse fókusztávolsága (f) meg nem egyezik a képtávolsággal (di). A képtávolság a lencse és a szem által megtört fénysugár metszéspontja közötti távolság. A fénysugarak metszéspontja egybeesik a retinával. Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy amikor a szem egy végtelen tárgyat figyel meg, a szemlencse görbülete ellaposodik, amíg a lencse fókusztávolsága (f) meg nem egyezik a lencse és a retina közötti távolsággal. A fénysugárnak a retinában kell metszeni a fényt ahhoz, hogy a retina elektromos jelekké alakulhasson.
A következő matematikai bizonyítás arra mutat, hogy miért egyenlő a lencse fókusztávolsága (f) a képtávolsággal (di), amikor egy tárgy végtelenben van. A fókusztávolság (f), a tárgytávolság (do) és a képtávolság (di) közötti összefüggést a következő egyenlet fejezi ki.
1/f = 1/do + 1/di —– 1. egyenlet
A szemlencse egy gyűjtőlencse. Ezért a fókusztávolság (f) pozitív. A tárgytávolság (do) végtelen, ezért az 1. egyenletben a tárgytávolságot (do) helyettesítsük be egy végtelen jellel.
1/f = 1/~ + 1/di
1/f = 0 + 1/di
1/f = 1/di
di = f —– 2. egyenlet
A 2. egyenlet azt mutatja, hogy gyűjtőlencsék esetén, ha a tárgy a végtelenben van, a fókusztávolság (f) megegyezik a képtávolsággal (di).
A közeli pont
Mi a teendő, ha a tárgy közel van a szemhez? Korábban elmagyaráztuk, hogy a normál szem közelpontja, vagyis a legközelebbi tárgy távolsága, amelyre a normál szem megfelelően fókuszálni tud, 25 cm. Így a szemlencse fókusztávolságának (f) kisebbnek kell lennie, mint a tárgytávolság (do), ami 25 cm. A szemlencse fókusztávolságának kisebbnek kell lennie, mint a 25 cm távolság, hogy a szemlencse a valódi képet hozza létre. A szemlencse egy domború lencse, amely képes virtuális és valós képet alkotni. Valós képet a domború lencse hoz létre, ha a fókusztávolság (f) kisebb, mint a tárgytávolság (do). Ezt a domború lencse képalkotása című részben tárgyaltuk.
Becsülje meg a szemlencse-rendszer fókusztávolságát (f):
A normál szem közelpontja 25 cm-re van, tehát a legközelebbi tárgy(ok) távolsága 25 cm. A szaruhártya és a retina közötti távolság körülbelül 2.5 cm. A kép éles, ha a fénysugár a retinára esik, így a szaruhártya és a retina közötti távolságot tekintjük képtávolságnak (di). Tehát a képtávolság (in) 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
A fenti számítások eredményei alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy a fókusztávolság (f) kisebb, mint a képtávolság (di). A képtávolság (di) és a fókusztávolság (f) közötti különbség 2.5 cm – 2.27 cm = 0.23 cm. A szaruhártya-szemlencse rendszer fókuszpontja a képtől vagy retinától 0.23 cm-re balra található.
A szaruhártya-szemlencse rendszer egy domború lencse, így a kép a retinán alakul ki, annak ellenére, hogy valódi, de fordított állapotban van. Annak ellenére, hogy a retinán lévő kép fordított állapotban van, az agy idege függőlegesen fordítja.
