ოპტიკური თვალის ინსტრუმენტის მასალა
თვალი ადამიანის თანდაყოლილი ოპტიკური ინსტრუმენტია. ის საშუალებას გაძლევთ წაიკითხოთ ფიზიკის სტატია 😀 ან შეხედოთ ლამაზი ან სიმპათიური შეყვარებულის სახეს 🙂 რა მოხდება, თუ თქვენი თვალები სწორად არ ფუნქციონირებს? თქვენ ნამდვილად იცით ამ კითხვაზე პასუხი. ასე რომ, მადლიერი იყავით, თუ ჯერ კიდევ გაქვთ ჯანმრთელი თვალები და კარგად ხედავთ. უსინათლო ადამიანს ნამდვილად არ შეუძლია დანახვა და მხოლოდ წარმოიდგინოს, თუ რა მდგომარეობაში ვცხოვრობთ დღეს.
ჯანმრთელი, კარგად მომუშავე თვალები ყველას იმედია. თუმცა, რეალობა ზოგჯერ მოლოდინს ვერ ამართლებს. ზოგიერთ ადამიანს თვალის დისფუნქცია ემუქრება, რაც მათ მკაფიოდ ხედვის უნარს უკარგავს. მეცნიერების, განსაკუთრებით ფიზიკის მიღწევებმა შესაძლებელი გახადა ისეთი ვიზუალური საშუალებების შექმნა, როგორიცაა სათვალე და კონტაქტური ლინზები.
ეს სტატია განიხილავს, თუ როგორ მუშაობს თვალი, რაც ადამიანებს ხედვის საშუალებას აძლევს. ამ სტატიაში თვალის მუშაობის ახსნა ეხება გეომეტრიული ოპტიკის თემას , რომელიც მოიცავს სინათლის გარდატეხას, ფოკუსირებას და თვალის მიერ ობიექტების გამოსახულების ფორმირებას. თვალის დეტალური ახსნა და მისი რეალური მუშაობის პრინციპი ამ სტატიის ფარგლებს სცილდება. თვალის დისფუნქციები, სათვალისა და კონტაქტური ლინზების მუშაობის პრინციპი ახსნილია შემდგომ სტატიებში.
თვალის ნაწილები
რქოვანა ატაუ თვალის მემბრანა არის მაგარი, გამჭვირვალე მემბრანა, რომელიც ფარავს თვალის წინა ნაწილს. თვალში შემავალი სინათლის სხივები უფრო დიდი რაოდენობით გარდაიქმნება რქოვანას მიერ.
მოსწავლე ატაუ თვალის კაკლები გუგა ადამიანის თვალის შავი ნაწილია. გუგა შავია, ამიტომ თითქმის მთლიანად შთანთქავს სინათლეს და თითქმის არ ირეკლავს უკან. გუგა არის ღიობი, რომლის მეშვეობითაც სინათლე გადის თვალში. რაც უფრო დიდია გუგა, მით უფრო მეტი სინათლე შედის თვალში და პირიქით, რაც უფრო პატარაა გუგა, მით უფრო ნაკლები სინათლე შედის თვალში.
Iris ატაუ ირისი ფერადი გარსი აკონტროლებს გუგის ზომას. როდესაც თვალის გარშემო გარემო ძალიან კაშკაშაა, ფერადი გარსი ავიწროებს გუგას, ხოლო როდესაც გარემო ბნელია, ფერადი გარსი აფართოებს მას, რაც თვალში მეტ სინათლეს შეღწევის საშუალებას აძლევს. თუ ოდესმე შეგინიშნავთ კატის გუგებს შორის განსხვავებას დღისით და ღამით, ადვილად მიხვდებით ფერადი გარსის ფუნქციას.
წამწამოვანი კუნთის ფუნქციაა თვალის ბროლის სიმრუდის შეცვლა. ბროლის სიმრუდის ცვლილებები გავლენას ახდენს მის ფოკუსურ სიგრძეზე. თუ თვალი ძალიან შორს აკვირდება ობიექტს, წამწამოვანი კუნთი მოდუნდება ისე, რომ ბროლის სიმრუდის რადიუსი იზრდება და ბროლის ფოკუსური სიგრძე იზრდება. თუ თვალი ახლო მანძილიდან აკვირდება ობიექტს, წამწამოვანი კუნთი იკუმშება ისე, რომ ბროლის სიმრუდის რადიუსი მცირდება და ბროლის ფოკუსური სიგრძე მცირდება. ამგვარად, ირიბად წამწამოვანი კუნთის ფუნქციაა თვალის ბროლის ფოკუსური სიგრძის კონტროლი, რათა თვალმა კარგად შეძლოს ობიექტის გამოსახულების ფოკუსირება. ბროლის ფოკუსური სიგრძის ცვლილებებს თვალის აკომოდაცია ეწოდება.
თვალის ბროლი არის კონვერგენტული ბროლი, ასევე ცნობილი როგორც ამოზნექილი ბროლი ან დადებითი ბროლი . მიუხედავად იმისა, რომ თვალში შემავალი სინათლის უმეტესი ნაწილი რქოვანაში გარდაიქმნება, ბროლი ასევე გარდაქმნის და ფოკუსირდება სინათლის სხივებზე ისე, რომ ობიექტის გამოსახულება ზუსტად ყალიბდება ბადურაზე. იმისათვის, რომ ობიექტები მკაფიოდ დაინახონ, გამოსახულება ბადურაზე უნდა ჩამოყალიბდეს. ბადურა სინათლის ტალღებს ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნის, რომლებიც შემდეგ მხედველობის ნერვის მეშვეობით ტვინში გადაიცემა.
მაქსიმალური და მინიმალური განთავსება
თვალის აკომოდაცია არის თვალის ლინზის ფოკუსური მანძილის (f) რეგულირება თვალით დანახული ობიექტის მანძილზე, რათა ობიექტის გამოსახულება ფოკუსირებული იყოს ბადურაზე. თვალის ლინზის ფოკუსური მანძილი არის მანძილი ლინზასა და ლინზის ფოკუსურ წერტილს შორის (F). ლინზის სიმრუდის ცვლილებები იწვევს ლინზის სიმრუდის რადიუსის ცვლილებას და შესაბამისად, ლინზის ფოკუსური მანძილის ცვლილებას, როგორც ეს სურათზეა ნაჩვენები.
თუ თვალი აკვირდება ობიექტს შორეული წერტილი, წამწამოვანი კუნთი დუნდება (მოდუნდება), რაც იწვევს თვალის ბროლის გაბრტყელებას ისე, რომ იზრდება ბროლის სიმრუდის რადიუსი და ფოკუსური მანძილი. შორეული წერტილი არის ყველაზე შორეული მანძილი, რომელზეც თვალს შეუძლია ფოკუსირება, მაშინ როდესაც თვალის ნორმალური შორეული წერტილი უსასრულობაა. როდესაც თვალი არეგულირებს ბროლის ფოკუსურ სიგრძეს, რათა ფოკუსირება მოახდინოს შორეულ წერტილში ან უსასრულობაში მყოფ ობიექტებზე, თვალი მინიმალური საცხოვრებელი.
მეორე მხრივ, როდესაც თვალი ახლო მანძილიდან აკვირდება ობიექტს, წამწამოვანი კუნთი იჭიმება (იკუმშება), რაც იწვევს თვალის ბროლის უფრო გამრუდებას, რის შედეგადაც იზრდება ბროლის გამრუდების რადიუსი და ფოკუსური მანძილი. თვალთან ყველაზე ახლოს მდებარე ობიექტის მანძილს, რომელზეც თვალს კვლავ შეუძლია ფოკუსირება, ეწოდება ახლო წერტილისაშუალო ადამიანის წვერის სიგრძე 25 სმ-ია. როდესაც თვალი ახლო წერტილში (25 სმ) ობიექტზე ფოკუსირდება, თვალი მაქსიმალურად ადაპტირდება.
ობიექტის ჩრდილის ფორმირება
ძალიან შორს მდებარე ობიექტის მანძილი
თუ ობიექტამდე მანძილი უსასრულოა, თვალის ბროლი ბრტყელი ხდება ისე, რომ ლინზის ფოკუსური მანძილი იზრდება, სადაც ფოკუსური მანძილი (f) უნდა იყოს ტოლი გამოსახულების მანძილის (s'). გამოსახულების მანძილი არის მანძილი ლინზასა და თვალის გარდატეხილი სინათლის სხივების გადაკვეთის წერტილს შორის. სინათლის სხივების გადაკვეთის წერტილი ემთხვევა ბადურას. ამგვარად, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ როდესაც თვალი აკვირდება ობიექტს უსასრულო მანძილზე, თვალის ბროლის სიმრუდე ბრტყელი ხდება მანამ, სანამ ლინზის ფოკუსური მანძილი (f) არ გაუტოლდება თვალის ბროლსა და ბადურას შორის მანძილს. სინათლის სხივები უნდა გადაიკვეთოს ბადურაზე, რათა სინათლე გარდაიქმნას ელექტრულ სიგნალებად ბადურაში არსებული ნერვული უჯრედების მიერ და შემდეგ გადაეცეს ტვინს მხედველობის ნერვით.
ქვემოთ მოცემულია მათემატიკური დასაბუთება იმისა, თუ რატომ უნდა იყოს ობიექტის მანძილი (s) ძალიან შორს ან უსასრულოდ შორს, ლინზის ფოკუსური მანძილი (f) იგივე, რაც გამოსახულების მანძილი (s'). ფოკუსურ სიგრძეს (f), ობიექტის მანძილს (s) და გამოსახულების მანძილს (s') შორის დამოკიდებულება გამოისახება შემდეგი განტოლებით.
1/f = 1/s + 1/s' —– განტოლება 1
ოკულარი კონვერგენტული ლინზაა, შესაბამისად, ფოკუსური მანძილი (f) დადებითია. ობიექტის მანძილი (s) უსასრულოა, ამიტომ განტოლებაში 1 ობიექტის მანძილი (s) უსასრულობის სიმბოლოთი შეცვალეთ.
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– განტოლება 2
განტოლება 2 გვიჩვენებს, რომ კონვერგენციულ ან ამოზნექილ ლინზაში, თუ ობიექტის მანძილი უსასრულოა, მაშინ ფოკუსური მანძილი (f) იგივეა, რაც გამოსახულების მანძილი (s').
ძალიან ახლო მანძილი ობიექტზე
რა მოხდება, თუ ობიექტი თვალთან ახლოსაა? ჩაზნექილ ლინზას შეუძლია როგორც ვირტუალური, ასევე რეალური გამოსახულების წარმოქმნა. ამოზნექილი ლინზა რეალურ გამოსახულებას მაშინ იღებს, როდესაც ობიექტის მანძილი (s) მეტია ლინზის ფოკუსურ სიგრძეზე (f). ეს თემაში განხილულია. ამოზნექილი ლინზის გამოსახულება.
ადრე იყო ახსნილი, რომ უახლოესი ობიექტი, რომლის ფოკუსირებაც ნორმალური თვალით სწორად შეიძლება, 25 სმ-ია. შესაბამისად, ფოკუსური მანძილი 25 სმ-ზე ნაკლები უნდა იყოს. ის ასევე არ შეიძლება იყოს 25 სმ, რადგან ამ შემთხვევაში გამოსახულება უსასრულობაში იქნებოდა, რაც გაუმართლებელია გუგის მცირე ზომის გათვალისწინებით.
თვალის ლინზების სისტემის ფოკუსური მანძილის (f) შესაფასებლად გამოთვლა:
1/f = 1/s + 1/s' —– განტოლება 1
ნორმალური თვალის უახლოესი წერტილი 25 სმ-ია, შესაბამისად, უახლოესი ობიექტის მანძილი (s) 25 სმ-ია. რქოვანასა და თვალს შორის მანძილი დაახლოებით 2,5 სმ-ია. გამოსახულება მკაფიოდ ჩანს, თუ სინათლის სხივი ბადურაზე ეცემა, ამიტომ რქოვანასა და ლინზას შორის მანძილი გამოსახულების მანძილად (s') ითვლება.
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 სმ
გამოსახულების მანძილს (s') და ფოკუსურ მანძილს (f) შორის სხვაობაა 2,5 სმ – 2,27 სმ = 0,23 სმ. ზემოთ მოცემული გამოთვლების შედეგების საფუძველზე, შეიძლება დავასკვნათ, რომ ფოკუსური მანძილი (f) უფრო მცირეა გამოსახულების მანძილზე (s'). თვალის ფოკუსური წერტილი გამოსახულების წერტილიდან ანუ ბადურიდან მარცხნივ 0,23 სმ-ითაა დაშორებული.
თვალის ბროლი კონვერგენტულია, ამიტომ ბადურაზე წარმოქმნილი გამოსახულება, თუმცა რეალურია, შებრუნებულია. მიუხედავად იმისა, რომ ბადურაზე გამოსახულება შებრუნებულია, ტვინის ნერვები მას ვერტიკალურ მდგომარეობაში აქცევს. რით შეიძლება ამის ახსნა? 🙂
ოპტიკური თვალის ინსტრუმენტების შესახებ კითხვების მაგალითები
1. EBTANAS-SMP-01-15
მიოპიური თვალის დეფექტების დროს გამოსახულების ფორმირების აღწერაა...
დისკუსია
ახლომხედველობა ან მიოპია თვალის ოპტიკური დარღვევაა, რომლის დროსაც თვალი ვერ ხედავს შორს მდებარე ობიექტებს მკაფიოდ.
ახლომხედველობის მიზეზი რქოვანა-ლინზის სისტემის უფრო მოხრილია (თვალის კაკლის ჰორიზონტალური ნაწილი ძალიან გრძელია), რის გამოც რქოვანა-ლინზის სისტემის ფოკუსური მანძილი მცირდება, რაც იწვევს შორეული წერტილებიდან სინათლის სხივების ბადურის წინ ფოკუსირებას. უსასრულო სინათლის სხივები არ ფოკუსირდება ბადურაზე, რის გამოც ბადურაში არსებული ნერვული უჯრედები ვერ გარდაქმნიან სინათლის ტალღებს ელექტრულ სიგნალებად, რომლებიც ტვინში გადაიცემა.
სწორი პასუხია B.
2. EBTANAS-SMP-02-15
მიოპიის მქონე ადამიანებში ჩრდილების წარმოქმნა სწორ სურათზეა ნაჩვენები...
დისკუსია
ახლომხედველობა ან მიოპია თვალის ოპტიკური დარღვევაა, რომლის დროსაც თვალი ვერ ხედავს შორს მდებარე ობიექტებს მკაფიოდ.
ახლომხედველობის მიზეზი რქოვანა-ლინზის სისტემის უფრო მოხრილია (თვალის კაკლის ჰორიზონტალური ნაწილი ძალიან გრძელია), რის გამოც რქოვანა-ლინზის სისტემის ფოკუსური მანძილი მცირდება, რაც იწვევს შორეული წერტილებიდან სინათლის სხივების ბადურის წინ ფოკუსირებას. უსასრულო სინათლის სხივები არ ფოკუსირდება ბადურაზე, რის გამოც ბადურაში არსებული ნერვული უჯრედები ვერ გარდაქმნიან სინათლის ტალღებს ელექტრულ სიგნალებად, რომლებიც ტვინში გადაიცემა.
სწორი პასუხია C.
