วัสดุสำหรับเครื่องมือตรวจสายตา
ดวงตาเป็นอวัยวะรับแสงที่มีอยู่ในมนุษย์ ช่วยให้คุณอ่านบทความฟิสิกส์ได้ 😀 หรือมองหน้าแฟนหนุ่มที่สวยหล่อได้ 🙂 แล้วถ้าดวงตาของคุณทำงานไม่ปกติล่ะ? คุณคงรู้คำตอบของคำถามนี้อยู่แล้ว ดังนั้นจงขอบคุณหากคุณยังมีดวงตาที่แข็งแรงและมองเห็นได้อย่างชัดเจน คนตาบอดไม่สามารถมองเห็นได้ และทำได้เพียงจินตนาการถึงสภาพของโลกที่เราอาศัยอยู่ทุกวันนี้
การมีดวงตาที่แข็งแรงและใช้งานได้ดีเป็นสิ่งที่ทุกคนปรารถนา อย่างไรก็ตาม ความเป็นจริงมักไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง บางคนอาจต้องเผชิญกับความผิดปกติทางสายตา ทำให้มองเห็นไม่ชัด ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะฟิสิกส์ ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ช่วยการมองเห็น เช่น แว่นตาและคอนแทคเลนส์ได้
บทความนี้จะตรวจสอบวิธีการทำงานของดวงตา ซึ่งทำให้มนุษย์สามารถมองเห็นได้ คำอธิบายเกี่ยวกับการทำงานของดวงตาในบทความนี้เกี่ยวข้องกับหัวข้อทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตซึ่งรวมถึงการหักเหของแสง การโฟกัส และการสร้างภาพของวัตถุโดยดวงตา คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับดวงตาและวิธีการทำงานที่แท้จริงของมันอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้ ความผิดปกติของดวงตา วิธี การทำงาน ของแว่นตาและคอนแทคเลนส์จะอธิบายในบทความถัดไป
ส่วนต่างๆ ของดวงตา
กระจกตา atau เยื่อหุ้มตา กระจกตาเป็นเยื่อแข็งโปร่งแสงที่คลุมอยู่ด้านหน้าของดวงตา รังสีแสงที่เข้าสู่ดวงตาจะถูกหักเหโดยกระจกตาในระดับที่มากขึ้น
นักเรียน atau ลูกตา รูม่านตาคือส่วนสีดำของดวงตาของมนุษย์ รูม่านตาเป็นสีดำ จึงดูดซับแสงเกือบทั้งหมดและสะท้อนแสงกลับมาน้อยมาก รูม่านตาเป็นช่องเปิดที่แสงผ่านเข้าไปในดวงตา ยิ่งรูม่านตาใหญ่ แสงก็จะยิ่งเข้าสู่ดวงตามากขึ้น และในทางกลับกัน ยิ่งรูม่านตาเล็ก แสงก็จะยิ่งเข้าสู่ดวงตาน้อยลง
ม่านตา atau ไอริส ม่านตาควบคุมขนาดของรูม่านตา เมื่อสภาพแวดล้อมรอบดวงตาสว่างมาก ม่านตาจะหดตัวทำให้รูม่านตาแคบลง และเมื่อสภาพแวดล้อมมืดลง ม่านตาจะขยายรูม่านตาให้กว้างขึ้น เพื่อให้แสงเข้าสู่ดวงตาได้มากขึ้น หากคุณเคยสังเกตความแตกต่างของรูม่านตาของแมวในเวลากลางวันและกลางคืน คุณจะเข้าใจหน้าที่ของม่านตาได้ง่ายขึ้น
กล้ามเนื้อซิลิอารีทำหน้าที่เปลี่ยนความโค้งของเลนส์ตา การเปลี่ยนแปลงความโค้งของเลนส์ตาจะส่งผลต่อระยะโฟกัสของเลนส์ตา หากดวงตามองวัตถุที่อยู่ไกลมาก กล้ามเนื้อซิลิอารีจะคลายตัว ทำให้รัศมีความโค้งของเลนส์เพิ่มขึ้นและระยะโฟกัสของเลนส์เพิ่มขึ้น หากดวงตามองวัตถุที่อยู่ใกล้ กล้ามเนื้อซิลิอารีจะหดตัว ทำให้รัศมีความโค้งของเลนส์ลดลงและระยะโฟกัสของเลนส์ลดลง ดังนั้นโดยอ้อมแล้ว หน้าที่ของกล้ามเนื้อซิลิอารีคือการควบคุมระยะโฟกัสของเลนส์ตาเพื่อให้ดวงตาสามารถโฟกัสภาพของวัตถุได้ดี การเปลี่ยนแปลงระยะโฟกัสของเลนส์ตาเรียกว่าการปรับโฟกัสของดวงตา
เลนส์ตาเป็นเลนส์รวมแสง หรือที่เรียกว่าเลนส์นูน หรือเลนส์บวกแม้ว่าแสงส่วนใหญ่ที่เข้าสู่ดวงตาจะถูกหักเหในกระจกตา แต่เลนส์ก็ยังหักเหและรวมแสงเพื่อให้ภาพของวัตถุปรากฏบนเรตินาอย่างแม่นยำ ภาพต้องปรากฏบนเรตินาเพื่อให้มองเห็นวัตถุได้อย่างชัดเจน เรตินาจะแปลงคลื่นแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้วส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง
ที่พักสูงสุดและต่ำสุด
การปรับสายตา การปรับระยะโฟกัส (f) ของเลนส์ตาให้เข้ากับระยะห่างของวัตถุที่ตาเห็น เพื่อให้ภาพของวัตถุสามารถโฟกัสบนเรตินาได้ ระยะโฟกัสของเลนส์ตาคือระยะห่างระหว่างเลนส์กับจุดโฟกัส (F) การเปลี่ยนแปลงความโค้งของเลนส์ทำให้รัศมีของความโค้งของเลนส์เปลี่ยนแปลง และด้วยเหตุนี้ระยะโฟกัสของเลนส์จึงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังแสดงในภาพ
ถ้าดวงตาสังเกตเห็นวัตถุบน จุดไกลเมื่อกล้ามเนื้อซิลิอารีคลายตัว (relaxes) ทำให้เลนส์ตาแบนลง ส่งผลให้รัศมีของความโค้งและระยะโฟกัสของเลนส์เพิ่มขึ้น จุดไกลสุดคือระยะทางที่ไกลที่สุดที่ดวงตาสามารถโฟกัสได้ โดยปกติแล้วจุดไกลสุดของดวงตาจะอยู่ที่ระยะอนันต์ เมื่อดวงตาปรับระยะโฟกัสของเลนส์เพื่อโฟกัสวัตถุที่จุดไกลสุดหรือวัตถุที่ระยะอนันต์ ดวงตาจะ... ที่พักขั้นต่ำ.
ในทางกลับกัน เมื่อดวงตาสังเกตวัตถุในระยะใกล้ กล้ามเนื้อซิลิอารีจะตึงตัว (หดตัว) ทำให้เลนส์ตาโค้งมากขึ้น ส่งผลให้รัศมีของความโค้งและระยะโฟกัสของเลนส์เพิ่มขึ้น ระยะห่างของวัตถุที่อยู่ใกล้ดวงตาที่สุดที่ดวงตายังสามารถโฟกัสได้เรียกว่า ระยะโฟกัสใกล้สุด จุดใกล้โดยเฉลี่ยแล้ว มนุษย์มีจุดใกล้สุดที่สามารถมองเห็นได้ชัดที่สุดอยู่ที่ 25 เซนติเมตร เมื่อดวงตาโฟกัสไปที่วัตถุในระยะใกล้ (25 ซม.) ดวงตาจะปรับโฟกัสได้เต็มที่
การเกิดเงาของวัตถุ
ระยะห่างของวัตถุที่อยู่ไกลมาก
ถ้าระยะห่างของวัตถุเป็นอนันต์ เลนส์ตาจะแบนลง ทำให้ระยะโฟกัสของเลนส์เพิ่มขึ้น โดยระยะโฟกัส (f) ต้องเท่ากับระยะภาพ (s') ระยะภาพคือระยะห่างระหว่างเลนส์กับจุดที่ลำแสงหักเหของดวงตาตัดกัน จุดที่ลำแสงตัดกันนั้นตรงกับเรตินา ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า เมื่อดวงตาสังเกตวัตถุที่ระยะอนันต์ ความโค้งของเลนส์ตาจะแบนลงจนกระทั่งระยะโฟกัสของเลนส์ (f) เท่ากับระยะห่างระหว่างเลนส์ตากับเรตินา ลำแสงต้องตัดกันที่เรตินาเพื่อให้แสงถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยเซลล์ประสาทในเรตินา แล้วส่งต่อไปยังสมองโดยเส้นประสาทตา
ต่อไปนี้เป็นการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่าทำไมเมื่อระยะห่างของวัตถุ (s) ไกลมาก หรือสมมติว่าวัตถุอยู่ไกลเป็นอนันต์ ระยะโฟกัสของเลนส์ (f) จะต้องเท่ากับระยะภาพ (s') ความสัมพันธ์ระหว่างระยะโฟกัส (f) ระยะห่างของวัตถุ (s) และระยะภาพ (s') แสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้
1/f = 1/s + 1/s' —– สมการที่ 1
เลนส์ใกล้ตาเป็นเลนส์นูน ดังนั้นความยาวโฟกัส (f) จึงเป็นค่าบวก ระยะห่างของวัตถุ (s) เป็นอนันต์ ดังนั้นให้แทนที่ระยะห่างของวัตถุ (s) ในสมการที่ 1 ด้วยสัญลักษณ์อนันต์
1/f = 1/~ + 1/s'
1/f = 0 + 1/s'
1/f = 1/s'
s' = f —– สมการที่ 2
สมการที่ 2 แสดงให้เห็นว่าในเลนส์รวมแสงหรือเลนส์นูน ถ้าระยะห่างของวัตถุเป็นอนันต์ ระยะโฟกัส (f) จะเท่ากับระยะภาพ (s')
ระยะห่างของวัตถุที่อยู่ใกล้มาก
ถ้าวัตถุอยู่ใกล้ตามากจะเป็นอย่างไร? เลนส์เว้าสามารถสร้างได้ทั้งภาพเสมือนและภาพจริง ภาพจริงจะเกิดขึ้นจากเลนส์นูนเมื่อระยะห่างของวัตถุ (s) มากกว่าความยาวโฟกัส (f) ของเลนส์ เรื่องนี้ได้กล่าวถึงไปแล้วในหัวข้อก่อนหน้า ภาพเลนส์นูน.
ก่อนหน้านี้ได้อธิบายไปแล้วว่า วัตถุที่ใกล้ที่สุดที่ดวงตาปกติสามารถโฟกัสได้อย่างถูกต้องคือ 25 เซนติเมตร ดังนั้น ระยะโฟกัสจึงต้องน้อยกว่า 25 เซนติเมตร และก็ไม่สามารถเป็น 25 เซนติเมตรได้เช่นกัน เพราะถ้าเป็นเช่นนั้น ภาพจะอยู่ที่ระยะอนันต์ ซึ่งไม่สมเหตุสมผลเมื่อพิจารณาจากขนาดรูม่านตาที่เล็ก
การคำนวณเพื่อประมาณค่าความยาวโฟกัส (f) ของระบบเลนส์ตา:
1/f = 1/s + 1/s' —– สมการที่ 1
จุดใกล้สุดของดวงตาปกติอยู่ที่ 25 ซม. ดังนั้นระยะวัตถุที่ใกล้ที่สุด (s) คือ 25 ซม. ระยะห่างระหว่างกระจกตาและดวงตาประมาณ 2,5 ซม. ภาพจะชัดเจนหากลำแสงตกกระทบที่เรตินา ดังนั้นระยะห่างระหว่างกระจกตาและเลนส์จึงถือเป็นระยะภาพ (s')
1/f = 1/s + 1/s'
1/f = 1/25 + 1/2,5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
เอฟ = 25/11
f = 2,27 ซม.
ความแตกต่างระหว่างระยะภาพ (s') และระยะโฟกัส (f) คือ 2,5 ซม. – 2,27 ซม. = 0,23 ซม. จากผลการคำนวณข้างต้น สรุปได้ว่าระยะโฟกัส (f) น้อยกว่าระยะภาพ (s') จุดโฟกัสของดวงตาอยู่ห่างจากจุดภาพหรือเรตินาไปทางซ้าย 0,23 ซม.
เลนส์ตาเป็นเลนส์รวมแสง ดังนั้นภาพที่เกิดขึ้นบนเรตินา แม้จะเป็นภาพจริง แต่ก็กลับหัว ถึงแม้ภาพบนเรตินาจะกลับหัว แต่เส้นประสาทในสมองกลับทำให้ภาพนั้นกลับมาตั้งตรงได้ อธิบายเรื่องนี้ได้อย่างไรครับ 🙂
ตัวอย่างคำถามเกี่ยวกับเครื่องมือตรวจสายตา
1. EBTANAS-SMP-01-15
คำอธิบายเกี่ยวกับการสร้างภาพในความบกพร่องทางสายตาที่เกิดจากภาวะสายตาสั้นคือ...
การอภิปราย
สายตาสั้น หรือ ภาวะสายตาผิดปกติแบบ ไมโอเปียคือความผิดปกติทางสายตาที่ทำให้ดวงตาไม่สามารถมองเห็นวัตถุที่อยู่ไกลได้อย่างชัดเจน
สาเหตุของสายตาสั้นเกิดจากระบบกระจกตาและเลนส์ที่โค้งมากเกินไป (ส่วนแนวนอนของลูกตาจะยาวเกินไป) ทำให้ระยะโฟกัสของระบบกระจกตาและเลนส์ลดลง ส่งผลให้แสงจากจุดไกลๆ ถูกโฟกัสอยู่ด้านหน้าจอประสาทตา ส่วนแสงจากระยะไกลจะไม่ถูกโฟกัสที่จอประสาทตา ทำให้เซลล์ประสาทในจอประสาทตาไม่สามารถแปลงคลื่นแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อส่งไปยังสมองได้
คำตอบที่ถูกต้องคือ B.
2. EBTANAS-SMP-02-15
ภาพด้านขวาแสดงให้เห็นถึงการเกิดเงาในผู้ที่มีสายตาสั้น...
การอภิปราย
สายตาสั้น หรือ ภาวะสายตาผิดปกติแบบ ไมโอเปียคือความผิดปกติทางสายตาที่ทำให้ดวงตาไม่สามารถมองเห็นวัตถุที่อยู่ไกลได้อย่างชัดเจน
สาเหตุของสายตาสั้นเกิดจากระบบกระจกตาและเลนส์ที่โค้งมากเกินไป (ส่วนแนวนอนของลูกตาจะยาวเกินไป) ทำให้ระยะโฟกัสของระบบกระจกตาและเลนส์ลดลง ส่งผลให้แสงจากจุดไกลๆ ถูกโฟกัสอยู่ด้านหน้าจอประสาทตา ส่วนแสงจากระยะไกลจะไม่ถูกโฟกัสที่จอประสาทตา ทำให้เซลล์ประสาทในจอประสาทตาไม่สามารถแปลงคลื่นแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อส่งไปยังสมองได้
คำตอบที่ถูกต้องคือ C.
