광학 기기 재료
눈은 인간에게 내재된 광학 기관입니다. 눈 덕분에 물리학 논문을 읽을 수도 있고, 멋진 남자친구의 얼굴을 바라볼 수도 있죠. 만약 눈이 제대로 기능하지 않는다면 어떨까요? 아마 답을 알고 계실 겁니다. 그러니 건강한 눈으로 선명하게 볼 수 있다는 것에 감사해야 합니다. 시각 장애인은 볼 수 없기에 우리가 살고 있는 세상을 상상만 할 수 있을 뿐입니다.
건강하고 정상적인 눈을 갖는 것은 모든 사람의 소망입니다. 하지만 현실은 기대에 미치지 못하는 경우도 있습니다. 어떤 사람들은 선천적으로 시력 장애를 겪어 선명하게 보는 데 어려움을 겪습니다. 과학, 특히 물리학의 발전 덕분에 안경이나 콘택트렌즈와 같은 시력 보조 기구를 개발할 수 있게 되었습니다.
이 글에서는 인간의 시각을 가능하게 하는 눈의 작동 원리를 살펴봅니다. 눈의 작동 원리에 대한 설명은 빛의 굴절, 초점 형성, 그리고 눈에 의한 물체의 상 형성 등을 포함하는 기하 광학 의 주제와 관련이 있습니다. 눈의 구조와 실제 작동 방식에 대한 자세한 설명은 이 글의 범위를 벗어납니다. 눈 질환, 안경 및 콘택트렌즈의 작동 원리 는 후속 글에서 다룹니다.
눈의 부분들
각막 atau 눈막 각막은 눈 앞쪽을 덮는 단단하고 반투명한 막입니다. 눈으로 들어오는 빛은 각막에 의해 더 많이 굴절됩니다.
학생 atau 눈알 동공은 사람 눈의 검은 부분입니다. 동공이 검은색이기 때문에 거의 모든 빛을 흡수하고 거의 반사하지 않습니다. 동공은 빛이 눈으로 들어가는 구멍입니다. 동공이 클수록 눈으로 들어오는 빛의 양이 많아지고, 반대로 동공이 작을수록 눈으로 들어오는 빛의 양이 줄어듭니다.
조리개 atau 아이리스 홍채는 동공의 크기를 조절합니다. 눈 주변이 매우 밝을 때는 홍채가 동공을 수축시키고, 어두울 때는 동공을 확장시켜 더 많은 빛이 눈으로 들어오도록 합니다. 고양이의 동공이 낮과 밤에 어떻게 다른지 관찰해 본 적이 있다면 홍채의 기능을 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.
모양체근은 눈 수정체의 곡률을 변화시키는 기능을 합니다. 수정체 곡률의 변화는 수정체의 초점 거리에 영향을 미칩니다. 눈이 아주 먼 곳에 있는 물체를 볼 때는 모양체근이 이완되어 수정체의 곡률 반경이 증가하고 초점 거리가 길어집니다. 반대로 눈이 가까운 곳에 있는 물체를 볼 때는 모양체근이 수축하여 수정체의 곡률 반경이 감소하고 초점 거리가 짧아집니다. 따라서 모양체근은 간접적으로 눈 수정체의 초점 거리를 조절하여 눈이 물체의 상을 잘 맺을 수 있도록 합니다. 눈 수정체의 초점 거리 변화를 눈의 조절 이라고 합니다.
눈의 수정체는 볼록 렌즈 또는 양의 렌즈라고도 하는 수렴 렌즈 입니다 . 눈으로 들어오는 빛의 대부분은 각막에서 굴절되지만, 수정체 또한 빛을 굴절시키고 초점을 맞춰 물체의 상이 망막에 정확하게 맺히도록 합니다. 물체를 선명하게 보기 위해서는 상이 망막에 맺혀야 합니다. 망막은 빛을 전기 신호로 변환하고, 이 신호는 시신경을 통해 뇌로 전달됩니다.
최대 및 최소 숙박 시설
눈 조절 눈의 렌즈 초점 거리(f)를 물체와의 거리에 맞춰 조정하여 물체의 상이 망막에 맺히도록 하는 것이 바로 배율 조정입니다. 눈 렌즈의 초점 거리는 렌즈와 렌즈의 초점(F) 사이의 거리입니다. 렌즈의 곡률이 변하면 렌즈의 곡률 반경이 변하고, 따라서 그림에서처럼 렌즈의 초점 거리도 변합니다.
눈이 어떤 물체를 관찰할 때 원점섬모근이 이완되면 눈의 수정체가 평평해져서 수정체의 곡률 반경과 초점 거리가 증가합니다. 원점은 눈이 초점을 맞출 수 있는 가장 먼 거리이며, 정상적인 원점은 무한대입니다. 눈이 원점에 있는 물체나 무한대에 있는 물체에 초점을 맞추기 위해 수정체의 초점 거리를 조절할 때, 눈은 최소 숙박 시설.
반면에 눈이 가까운 물체를 관찰할 때는 모양체 근육이 긴장(수축)되어 수정체가 더 휘어지게 되므로 수정체의 곡률 반경과 초점 거리가 증가합니다. 눈이 초점을 맞출 수 있는 가장 가까운 물체의 거리를 근접 거리라고 합니다. 근점일반적인 사람의 근점은 25cm입니다. 눈이 가까운 거리(25cm)의 물체에 초점을 맞추면 눈은 최대한으로 조절됩니다.
물체의 그림자 형성
매우 먼 물체 거리
물체와의 거리가 무한대일 경우, 눈의 수정체는 평평해져서 초점 거리가 늘어나게 되는데, 이때 초점 거리(f)는 상 거리(s')와 같아야 합니다. 상 거리는 수정체와 눈에서 굴절된 빛줄기가 만나는 지점 사이의 거리입니다. 빛줄기가 만나는 지점은 망막입니다. 따라서 눈이 무한대 거리의 물체를 관측할 때, 수정체의 곡률은 초점 거리(f)가 수정체와 망막 사이의 거리와 같아질 때까지 평평해진다는 결론을 내릴 수 있습니다. 빛줄기는 망막에서 만나야 하며, 망막의 신경 세포에서 빛이 전기 신호로 변환되어 시신경을 통해 뇌로 전달될 수 있습니다.
다음은 물체 거리(s)가 매우 멀거나 물체가 무한히 멀리 있다고 가정할 때 렌즈의 초점 거리(f)가 상 거리(s')와 같아야 하는 이유를 수학적으로 증명한 것입니다. 초점 거리(f), 물체 거리(s), 상 거리(s') 사이의 관계는 다음 방정식으로 표현됩니다.
1/f = 1/s + 1/s' —– 방정식 1
접안렌즈는 볼록렌즈이므로 초점거리(f)는 양수입니다. 물체거리(s)는 무한대이므로 방정식 1에서 물체거리(s)를 무한대 기호로 대체합니다.
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– 방정식 2
식 2는 볼록 렌즈 또는 수렴 렌즈에서 물체 거리가 무한대이면 초점 거리(f)가 상 거리(s')와 같다는 것을 보여줍니다.
매우 가까운 물체 거리
물체가 눈에 매우 가까우면 어떻게 될까요? 오목 렌즈는 허상과 실상을 모두 형성할 수 있습니다. 볼록 렌즈는 물체 거리(s)가 렌즈의 초점 거리(f)보다 클 때 실상을 생성합니다. 이 내용은 앞서 설명한 주제에서 다루었습니다. 볼록 렌즈 이미지.
앞서 설명했듯이 일반적인 눈으로 초점을 맞출 수 있는 가장 가까운 물체는 25cm입니다. 따라서 초점 거리는 25cm보다 작아야 합니다. 또한 초점 거리가 25cm일 수도 없는데, 만약 25cm라면 동공의 크기가 작은 것을 고려할 때 상이 무한대에 맺히게 되어 부당하기 때문입니다.
눈 렌즈 시스템의 초점 거리(f)를 추정하기 위한 계산:
1/f = 1/s + 1/s' —– 방정식 1
정상인의 근점은 25cm이므로 가장 가까운 물체 거리(s)는 25cm입니다. 각막과 눈 사이의 거리는 약 2,5cm입니다. 빛이 망막에 닿으면 상이 선명하게 보이므로 각막과 수정체 사이의 거리를 상 거리(s')라고 합니다.
1/f = 1/s + 1/s'
1/f = 1/25 + 1/2,5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
f = 25/11
f = 2,27cm
상 거리(s')와 초점 거리(f)의 차이는 2,5cm - 2,27cm = 0,23cm입니다. 위 계산 결과에 따르면 초점 거리(f)가 상 거리(s')보다 작다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 눈의 초점은 상 또는 망막에서 왼쪽으로 0,23cm 떨어진 곳에 위치합니다.
눈의 수정체는 수렴 렌즈이기 때문에 망막에 맺히는 상은 실상이지만 뒤집혀 있습니다. 망막에 맺힌 상이 뒤집혀 있음에도 불구하고 뇌의 신경은 이를 바로잡아 줍니다. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 🙂
광학 기기에 관한 예시 문제
1. EBTANAS-SMP-01-15
근시안 결함에서의 상 형성 과정에 대한 설명은 다음과 같습니다...
논의
근시는 눈 이 멀리 있는 물체를 선명하게 볼 수 없는 시력 장애입니다.
근시의 원인은 각막-수정체 시스템의 곡률(안구의 수평 부분이 지나치게 긴 것) 때문에 초점 거리가 짧아져 먼 곳에서 오는 빛이 망막 앞쪽에 초점을 맺게 되는 것입니다. 무한히 긴 빛이 망막에 초점을 맺지 못하므로 망막의 신경 세포가 빛을 전기 신호로 변환하여 뇌로 전달할 수 없게 됩니다.
정답은 B입니다.
2. EBTANAS-SMP-02-15
오른쪽 이미지는 근시가 있는 사람에게서 그림자가 생기는 모습을 보여줍니다.
논의
근시는 눈 이 멀리 있는 물체를 선명하게 볼 수 없는 시력 장애입니다.
근시의 원인은 각막-수정체 시스템의 곡률(안구의 수평 부분이 지나치게 긴 것) 때문에 초점 거리가 짧아져 먼 곳에서 오는 빛이 망막 앞쪽에 초점을 맺게 되는 것입니다. 무한히 긴 빛이 망막에 초점을 맺지 못하므로 망막의 신경 세포가 빛을 전기 신호로 변환하여 뇌로 전달할 수 없게 됩니다.
정답은 C입니다.
