光学眼科機器材料
目は人間に備わっている光学機器です。物理学の記事を読んだり、美しい、あるいはハンサムな恋人の顔を見つめたりすることができます。では、もし目が正常に機能しなくなったらどうなるでしょうか？その答えはきっとお分かりでしょう。ですから、まだ目が健康で、はっきりと見えることに感謝しましょう。盲目の人は確かに物を見ることができず、私たちが今生きている世界の現状を想像することしかできません。
健康で正常に機能する目を持つことは、誰もが望むことです。しかし、現実は時に期待に応えられないこともあります。中には、視力障害によってはっきりと物を見ることができない人もいます。科学、特に物理学の進歩により、眼鏡やコンタクトレンズといった視覚補助具の開発が可能になりました。
この記事では、人間が物を見ることができる仕組み、つまり目の働きについて考察します。目の働きに関する説明は、光の屈折、焦点合わせ、そして目による物体の像の形成といった幾何光学の分野に関連しています。目の構造や実際の働きに関する詳細な説明は、この記事の範囲を超えています。目の機能障害、眼鏡やコンタクトレンズの仕組みについては、後続の記事で解説します。
眼球の各部
角膜 atau 眼膜 角膜は、眼球の前面を覆う硬くて半透明な膜です。眼球に入った光線は、角膜によってより大きく屈折されます。
瞳 atau 眼球 瞳孔は人間の目の黒い部分です。瞳孔は黒いため、ほとんどすべての光を吸収し、ほとんど反射しません。瞳孔は光が目に入る開口部です。瞳孔が大きいほど目に入る光が多くなり、逆に瞳孔が小さいほど目に入る光は少なくなります。
虹彩 atau 虹彩 虹彩は瞳孔の大きさを調節します。目の周りの環境が非常に明るいときは、虹彩は瞳孔を収縮させ、環境が暗いときは、虹彩は瞳孔を拡大させ、より多くの光を目の中に取り込みます。猫の瞳孔が昼と夜で異なる様子を観察したことがあるなら、虹彩の働きは容易に理解できるでしょう。
毛様体筋は、眼の水晶体の曲率を変化させる働きをします。水晶体の曲率の変化は、水晶体の焦点距離に影響を与えます。眼が非常に遠くの物体を観察する場合、毛様体筋は弛緩し、水晶体の曲率半径が大きくなり、焦点距離も長くなります。眼が近い距離の物体を観察する場合、毛様体筋は収縮し、水晶体の曲率半径が小さくなり、焦点距離も短くなります。このように、毛様体筋の機能は、間接的に水晶体の焦点距離を制御し、眼が物体の像をうまく焦点を合わせられるようにすることです。水晶体の焦点距離の変化は、眼の調節と呼ばれます。
眼の水晶体は収束レンズ、または凸レンズ、あるいは正レンズとも呼ばれます。眼に入る光の大部分は角膜で屈折しますが、水晶体も光線を屈折させて焦点を合わせ、物体の像が網膜上に正確に結像するようにします。物体をはっきりと見るためには、像が網膜上に結像する必要があります。網膜は光波を電気信号に変換し、その信号は視神経を通して脳に伝達されます。
最大および最小宿泊人数
眼の調節 焦点距離（f）を、目が捉える物体までの距離に合わせて調整することで、物体の像を網膜上に結像させます。眼のレンズの焦点距離は、レンズと焦点（F）との間の距離です。レンズの曲率が変化すると、レンズの曲率半径が変化し、その結果、図に示すようにレンズの焦点距離も変化します。
目が物体を観察すると 遠い地点毛様体筋が弛緩し、眼の水晶体が平坦になるため、水晶体の曲率半径と焦点距離が増加します。遠点とは、眼が焦点を合わせることができる最も遠い距離であり、通常の遠点は無限遠です。眼が遠点または無限遠にある物体に焦点を合わせるために水晶体の焦点距離を調整すると、眼は 最低限の宿泊施設.
一方、目が近距離の物体を観察するとき、毛様体筋が緊張（収縮）し、水晶体の曲率が大きくなるため、水晶体の曲率半径と焦点距離が増加します。目が焦点を合わせることができる最も近い物体までの距離を焦点距離と呼びます。 近点平均的な人間の近点は25cmである。 目が近距離（25cm）にある物体に焦点を合わせるとき、目は最大限に調節する。
物体の影の形成
非常に遠い物体の距離
物体までの距離が無限大の場合、レンズの焦点距離が増加するようにレンズの曲率が平坦になり、焦点距離 (f) は像距離 (s') と等しくなければなりません。像距離とは、レンズと、眼の屈折光線が交差する点との間の距離です。光線が交差する点は網膜と一致します。したがって、眼が無限遠の物体を観察する場合、レンズの焦点距離 (f) がレンズと網膜の間の距離と等しくなるまで、レンズの曲率は平坦になります。光線は網膜で交差する必要があり、そうすることで光は網膜の神経細胞によって電気信号に変換され、視神経によって脳に伝達されます。
以下は、物体距離(s)が非常に遠い場合、または物体が無限遠にあると仮定した場合に、レンズの焦点距離(f)が像距離(s')と等しくなければならない理由を数学的に証明したものです。焦点距離(f)、物体距離(s)、像距離(s')の関係は、次の式で表されます。
1/f = 1/s + 1/s' —– 式1
接眼レンズは収束レンズであるため、焦点距離（f）は正の値となります。物体距離（s）は無限大であるため、式1の物体距離（s）を無限大記号に置き換えてください。
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– 式2
式2は、収束レンズまたは凸レンズにおいて、物体距離が無限大の場合、焦点距離(f)は像距離(s')と同じであることを示している。
非常に近い物体距離
物体が目に近い場合はどうなるでしょうか？凹レンズは虚像と実像の両方を形成できます。凸レンズは、物体距離(s)がレンズの焦点距離(f)よりも大きい場合に実像を生成します。これについては、このトピックで説明されています。 凸レンズ像.
既に説明したように、通常の目が適切に焦点を合わせられる最も近い物体は25cmです。したがって、焦点距離は25cm未満でなければなりません。また、焦点距離が25cmであれば、像が無限遠に結像してしまうため、瞳孔の小ささを考えると不自然です。
眼球レンズ系の焦点距離（f）を推定するための計算：
1/f = 1/s + 1/s' —– 式1
正常な目の近点は25cmなので、最短物体距離（s）は25cmです。角膜と眼球間の距離は約2,5cmです。光線が網膜に当たると像が鮮明に見えるため、角膜と水晶体間の距離を像距離（s'）とみなします。
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
像距離（s'）と焦点距離（f）の差は2,5cm－2,27cm＝0,23cmです。上記の計算結果から、焦点距離（f）は像距離（s'）よりも小さいことがわかります。眼の焦点は、像点（網膜）から左に0,23cmの位置にあります。
眼の水晶体は収束性を持つため、網膜上に形成される像は実像ではあるものの、倒立像となります。網膜上の像は倒立像であるにもかかわらず、脳の神経はそれを正立像として認識します。これはどのように説明できるのでしょうか？🙂
光学眼科機器に関する質問例
1. EBTANAS-SMP-01-15
近視眼における像形成の記述は…
討論
近視とは、遠くの物体をはっきりと見ることができない目の視覚障害のことです。
近視の原因は、角膜と水晶体の湾曲が強すぎる（眼球の水平部分が長すぎる）ため、角膜と水晶体の焦点距離が短くなり、遠くからの光線が網膜の手前で焦点を結ばなくなることです。無限に続く光線が網膜に焦点を結ばないため、網膜の神経細胞が光波を電気信号に変換して脳に伝達することができなくなります。
正解はBです。
2. EBTANAS-SMP-02-15
近視の人に影ができる様子は、正しい画像に示されています。
討論
近視とは、遠くの物体をはっきりと見ることができない目の視覚障害のことです。
近視の原因は、角膜と水晶体の湾曲が強すぎる（眼球の水平部分が長すぎる）ため、角膜と水晶体の焦点距離が短くなり、遠くからの光線が網膜の手前で焦点を結ばなくなることです。無限に続く光線が網膜に焦点を結ばないため、網膜の神経細胞が光波を電気信号に変換して脳に伝達することができなくなります。
正解はCです。
