บทความเกี่ยวกับเครื่องมือทางแสงสำหรับดวงตาของมนุษย์
ส่วนต่างๆ ของดวงตา
กระจกตาเป็นเยื่อแข็งโปร่งใสที่คลุมอยู่ด้านหน้าของดวงตา กระจกตาทำหน้าที่หักเหแสงที่เข้าสู่ดวงตา
รูม่านตาคือส่วนสีดำของดวงตา เนื่องจากมีสีดำ จึงดูดซับแสงเกือบทั้งหมด รูม่านตาเป็นรูที่แสงผ่านเข้าไปในดวงตา ยิ่งรูม่านตามีขนาดใหญ่ แสงก็จะยิ่งเข้าสู่ดวงตามากขึ้น และยิ่งรูม่านตามีขนาดเล็ก แสงก็จะยิ่งเข้าสู่ดวงตาน้อยลง
ม่านตาควบคุมขนาดของรูม่านตา เมื่อสภาพแวดล้อมรอบดวงตาสว่างมาก ม่านตาจะหดรูม่านตาลง ในทางกลับกัน เมื่อสภาพแวดล้อมรอบดวงตาสว่างน้อยลง ม่านตาจะขยายรูม่านตาเพื่อให้แสงเข้าสู่ดวงตาได้มากขึ้น หากคุณเคยสังเกตความแตกต่างระหว่างดวงตาของแมวในเวลากลางวันและกลางคืน คุณก็จะเข้าใจหน้าที่ของม่านตาได้ง่ายขึ้น
กล้ามเนื้อซิลิอารีทำหน้าที่เปลี่ยนความโค้งของเลนส์ตา การเปลี่ยนแปลงในเลนส์ตาจะส่งผลต่อระยะโฟกัสของเลนส์ตา หากดวงตามองวัตถุที่อยู่ไกลมาก กล้ามเนื้อซิลิอารีจะคลายตัว ทำให้รัศมีของความโค้งของเลนส์เพิ่มขึ้น และระยะโฟกัสของเลนส์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
เมื่อดวงตาพิจารณาวัตถุในระยะใกล้ กล้ามเนื้อซิลิอารีจะหดตัว ทำให้รัศมีของความโค้งของเลนส์ลดลง และระยะโฟกัสของเลนส์ลดลง ดังนั้นโดยอ้อมแล้ว หน้าที่ของกล้ามเนื้อซิลิอารีคือการควบคุมระยะโฟกัสของเลนส์ตา เพื่อให้ดวงตาสามารถโฟกัสภาพของวัตถุได้อย่างถูกต้อง การเปลี่ยนแปลงระยะโฟกัสของเลนส์ตาเรียกว่า การปรับโฟกัสของดวงตา
เลนส์ตาเป็นเลนส์รวมแสง หรือเลนส์นูน หรือเลนส์บวก แม้ว่าการหักเหของแสงส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่กระจกตา แต่เลนส์ตาก็ยังหักเหและรวมแสงเพื่อให้ภาพเกิดขึ้นบนจอประสาทตา ภาพต้องเกิดขึ้นบนจอประสาทตาเพื่อให้สามารถมองเห็นวัตถุได้อย่างชัดเจน จอประสาทตาทำหน้าที่แปลงคลื่นแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งจากนั้นจะส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง
การปรับโฟกัสของดวงตาปกติ
การปรับโฟกัสของดวงตา คือการปรับความยาวโฟกัส (f) ของเลนส์ตาให้เข้ากับระยะห่างของวัตถุจากดวงตา เพื่อให้ภาพสามารถโฟกัสบนจอประสาทตาได้ ความยาวโฟกัสของเลนส์ตาคือระยะห่างระหว่างเลนส์ตาและจุดโฟกัสของเลนส์ (F) เมื่อดวงตาปรับโฟกัส ความโค้งของเลนส์ตาจะเปลี่ยนไป ทำให้รัศมีของความโค้งของเลนส์ใกล้ตาเปลี่ยนไปด้วย และดังนั้นความยาวโฟกัสของเลนส์ตาจึงเปลี่ยนไปเช่นกัน
หากดวงตาพิจารณาวัตถุที่อยู่ไกลออกไป กล้ามเนื้อซิลิอารีจะคลายตัว ทำให้เลนส์ตาแบนลง ส่งผลให้รัศมีของความโค้งและระยะโฟกัสของเลนส์เพิ่มขึ้น จุดไกลสุดคือระยะทางที่ไกลที่สุดที่ดวงตาสามารถโฟกัสได้ ในขณะที่จุดไกลสุดของดวงตาปกติคือระยะอนันต์ เมื่อกล้ามเนื้อซิลิอารีคลายตัวจนระยะโฟกัสของเลนส์ตาเพิ่มขึ้นและสามารถโฟกัสวัตถุที่อยู่ไกลออกไปได้ ดวงตาจะมีภาวะการปรับโฟกัสขั้นต่ำ
เมื่อดวงตาสังเกตวัตถุในระยะใกล้ กล้ามเนื้อซิลิอารีจะหดตัว ทำให้เลนส์ตาโค้งมากขึ้น ส่งผลให้รัศมีของความโค้งและระยะโฟกัสของเลนส์ลดลง ระยะห่างของวัตถุจากดวงตาที่ใกล้ที่สุดที่ยังสามารถโฟกัสได้เรียกว่าจุดใกล้สุด โดยเฉลี่ยแล้วมนุษย์มีจุดใกล้สุดอยู่ที่ 25 เซนติเมตร เมื่อกล้ามเนื้อซิลิอารีหดตัวจนระยะโฟกัสของเลนส์ตาสั้นลงและสามารถโฟกัสวัตถุในจุดใกล้สุด (25 เซนติเมตร) ได้ ดวงตาจะมีการปรับโฟกัสได้สูงสุด
การสร้างภาพ
จุดที่ไกลออกไป
ถ้าวัตถุอยู่ไกลมาก เลนส์ตาจะแบนลงจนกระทั่งระยะโฟกัส (f) ของเลนส์เท่ากับระยะภาพ (di) ระยะภาพคือระยะห่างระหว่างเลนส์กับจุดที่ลำแสงหักเหโดยดวงตาตัดกับเลนส์ จุดที่ลำแสงตัดกันจะตรงกับเรตินา ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า เมื่อดวงตาสังเกตวัตถุที่อยู่ไกลมาก ความโค้งของเลนส์ตาจะแบนลงจนกระทั่งระยะโฟกัส (f) ของเลนส์เท่ากับระยะห่างระหว่างเลนส์กับเรตินา ลำแสงจะต้องตัดกันที่เรตินาเพื่อให้แสงสามารถถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าในเรตินาได้
ต่อไปนี้เป็นบทพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่าทำไมเมื่อวัตถุอยู่ที่ระยะอนันต์ ระยะโฟกัสของเลนส์ (f) จึงเท่ากับระยะภาพ (di) ความสัมพันธ์ระหว่างระยะโฟกัส (f) ระยะวัตถุ (do) และระยะภาพ (di) แสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้
1/f = 1/do + 1/di —– สมการ 1
เลนส์ตาเป็นเลนส์รวมแสง ดังนั้นระยะโฟกัส (f) จึงเป็นค่าบวก ระยะวัตถุ (do) เป็นอนันต์ ดังนั้นให้แทนที่ระยะวัตถุ (do) ในสมการที่ 1 ด้วยสัญลักษณ์อนันต์
1/f = 1/~ + 1/di
1/f = 0 + 1/di
1/f = 1/di
di = f —– สมการที่ 2
สมการที่ 2 แสดงให้เห็นว่าสำหรับเลนส์นูน ถ้าวัตถุอยู่ที่ระยะอนันต์ ระยะโฟกัส (f) จะเท่ากับระยะภาพ (di)
จุดใกล้เคียง
ถ้าวัตถุอยู่ใกล้ตามากจะเป็นอย่างไร? ก่อนหน้านี้ได้อธิบายไปแล้วว่า จุดใกล้สุดของตาปกติ หรือระยะห่างของวัตถุที่ใกล้ที่สุดที่ตาปกติสามารถโฟกัสได้อย่างถูกต้องคือ 25 เซนติเมตร ดังนั้น ความยาวโฟกัส (f) ของเลนส์ตาจะต้องน้อยกว่าระยะห่างของวัตถุ (do) 25 เซนติเมตร ความยาวโฟกัสของเลนส์ตาต้องน้อยกว่าระยะ 25 เซนติเมตร เพื่อให้เลนส์ตาเกิดภาพจริง เลนส์ตาเป็นเลนส์นูนที่สามารถสร้างทั้งภาพเสมือนและภาพจริงได้ ภาพจริงจะเกิดขึ้นจากเลนส์นูนเมื่อความยาวโฟกัส (f) น้อยกว่าระยะห่างของวัตถุ (do) ซึ่งได้มีการกล่าวถึงไปแล้วในหัวข้อการสร้างภาพของเลนส์นูน
จงประมาณค่าความยาวโฟกัส (f) ของระบบเลนส์ตา:
จุดใกล้สุดของดวงตาปกติคือ 25 ซม. ดังนั้นระยะห่างของวัตถุที่ใกล้ที่สุด (s) คือ 25 ซม. ระยะห่างระหว่างกระจกตาและเรตินาประมาณ 2.5 ซม. ภาพจะชัดเจนหากลำแสงตกกระทบเรตินา ดังนั้นระยะห่างระหว่างกระจกตาและเรตินาจึงถือเป็นระยะภาพ (di) ดังนั้นระยะภาพ (in) คือ 2.5 ซม.
1/f = 1/do + 1/di
1/f = 1/25 + 1/2.5 = 1/25 + 10/25 = 11/25
เอฟ = 25/11
f = 2.27 ซม.
จากผลการคำนวณข้างต้น สรุปได้ว่าระยะโฟกัส (f) มีค่าน้อยกว่าระยะภาพ (di) ความแตกต่างระหว่างระยะภาพ (di) กับระยะโฟกัส (f) คือ 2.5 ซม. – 2.27 ซม. = 0.23 ซม. ดังนั้น จุดโฟกัสของระบบเลนส์ตาและกระจกตาจึงอยู่ห่างจากภาพหรือเรตินาไปทางซ้าย 0.23 ซม.
ระบบเลนส์ตาเป็นเลนส์นูน ดังนั้นภาพที่ปรากฏบนจอประสาทตาจึงเป็นภาพจริงแต่กลับหัว ถึงแม้ภาพบนจอประสาทตาจะกลับหัว แต่เส้นประสาทในสมองจะทำให้ภาพนั้นกลับมาเป็นปกติ
