Moduł 09 kursu Optyka: Budowa oka z perspektywy optyki, akomodacja soczewki oka, cechy obrazu na siatkówce, plamka żółta i ślepa, krótkowzroczność i dalekowzroczność oraz ich fizyczna korekcja soczewkami.
Optyka — kurs podstawowy › Blok III: Układy optyczne, oko i barwy
Który element oka wnosi największą część jego zdolności skupiającej?
Poprawna: d) Rogówka odpowiada za ok. $+40$–$+43\text{ D}$, czyli około dwóch trzecich mocy oka, bo na granicy powietrze–rogówka występuje największa różnica współczynników załamania. Soczewka oka dodaje tylko ok. $+15$–$+20\text{ D}$.
Oko można traktować jako złożony układ optyczny skupiający promienie świetlne na światłoczułej warstwie receptorów. Łączna zdolność skupiająca całego układu optycznego oka w stanie spoczynku wynosi około $+59\text{ do }+60\text{ dioptrii}$…
Oko można traktować jako złożony układ optyczny skupiający promienie świetlne na światłoczułej warstwie receptorów. Łączna zdolność skupiająca całego układu optycznego oka w stanie spoczynku wynosi około $+59\text{ do…
| Element oka | Rola fizyczna i optyczna | Odpowiednik w aparacie |
|---|---|---|
| Rogówka (cornea) | Przezroczysta, wypukła zewnętrzna część oka. Załamuje światło najsilniej spośród wszystkich ośrodków oka (odpowiada za ok. $+40\text{--}43\text{ D}$, czyli aż $2/3$ całej mocy optycznej oka!), ponieważ na granicy powietrze–rogówka występuje największa różnica współczynników załamania ($1{,}00 \to 1{,}376$). | Przednia soczewka obiektywu o stałej ogniskowej |
| Tęczówka i źrenica | Tęczówka to barwna przesłona mięśniowa, a źrenica to otwór w jej środku. W jasnym świetle źrenica zwęża się (do ok. $2\text{ mm}$), ograniczając strumień światła; w ciemności rozszerza się (do ok. $8\text{ mm}$), wpuszczając go więcej. Zjawisko to nazywamy adaptacją oka. | Przysłona (apertura) aparatu |
| Soczewka oka | Przezroczysta, elastyczna, dwuwypukła soczewka skupiająca o regulowanej mocy (ok. $+15\text{ do }+20\text{ D}$). Pod wpływem mięśnia rzęskowego może zmieniać swoją grubość i promień krzywizny, umożliwiając ostre widzenie z różnych odległości (akomodacja). | Układ autofokusa (regulacja ostrości) |
| Ciało szkliste | Przezroczysta galaretowata substancja wypełniająca wnętrze gałki ocznej ($n \approx 1{,}336$). Nadaje oku kulisty kształt i utrzymuje siatkówkę na właściwym miejscu. | Korpus aparatu (przestrzeń między obiektywem a matrycą) |
| Siatkówka (retina) | Światłoczuła błona wyściełająca dno oka, złożona z milionów fotoreceptorów (czopków i pręcików). Zamienia energię pochłoniętych fotonów na impulsy nerwowe przekazywane nerwem wzrokowym do mózgu. | Matryca światłoczuła (CMOS/CCD) |
Który element oka wnosi największą część jego zdolności skupiającej?
Poprawna: d) Rogówka odpowiada za ok. $+40$–$+43\text{ D}$, czyli około dwóch trzecich mocy oka, bo na granicy powietrze–rogówka występuje największa różnica współczynników załamania. Soczewka oka dodaje tylko ok. $+15$–$+20\text{ D}$.
Przedmioty, na które patrzymy w codziennym życiu, znajdują się w odległości znacznie większej niż podwójna ogniskowa oka ($x > 2f$, pamiętając że $f \approx 17\text{ mm} = 1{,}7\text{ cm}$).
Dlaczego nie widzimy świata do góry nogami, choć obraz na siatkówce jest odwrócony?
Poprawna: c) Siatkówka rejestruje odwrócony obraz, a kora wzrokowa interpretuje impulsy i na podstawie doświadczenia odwraca go. Żaden element oka nie wykonuje dodatkowego obrotu.
Gdy w aparacie fotograficznym chcesz zrobić ostre zdjęcie przedmiotu leżącego bliżej, silnik przesuwa cały obiektyw do przodu (zwiększa odległość obrazu $y$).
Co dzieje się z soczewką oka przy przenoszeniu wzroku z dalekiego przedmiotu na bliski?
Poprawna: b) Przy stałej odległości od siatkówki oko musi zwiększyć moc, czyli skrócić ogniskową — osiąga to przez uwypuklenie soczewki (skurcz mięśnia rzęskowego). Spłaszczenie i wydłużenie ogniskowej to stan patrzenia w dal.
Gdy budowa geometryczna gałki ocznej nie współgra ze zdolnością skupiającą rogówki i soczewki, promienie świetlne nie ogniskują się precyzyjnie na siatkówce. Wtedy obraz staje się rozmyty.
| Wada wzroku | Przyczyna geometryczna i optyczna | Gdzie powstaje obraz w dali? | Soczewka korygująca | Znak mocy ($Z$) |
|---|---|---|---|---|
| Krótkowzroczność (miopia) |
Gałka oczna jest zbyt długa (w osi przód-tył) LUB układ optyczny oka skupia zbyt silnie (zbyt duża krzywizna rogówki/soczewki). | PRZED siatkówką (na siatkówkę pada rozmyta plama) |
Soczewka rozpraszająca (dwuwklęsła / wklęsło-wypukła) Wstępnie rozprasza równoległe promienie, przesuwając ognisko w głąb oka — dokładnie na siatkówkę! |
Ujemna ($Z < 0$) tzw. „minusy”, np. $-2{,}5\text{ D}$ |
| Dalekowzroczność (nadwzroczność, hipermetropia) |
Gałka oczna jest zbyt krótka LUB układ optyczny oka skupia zbyt słabo (zbyt mała krzywizna, zbyt płaska rogówka). | ZA siatkówką (promienie nie zdążą się zbiec) |
Soczewka skupiająca (dwuwypukła / wypukło-wklęsła) Wstępnie załamuje zbieżnie promienie, dodając brakującą moc i przesuwając ognisko do przodu na siatkówkę! |
Dodatnia ($Z > 0$) tzw. „plusy”, np. $+2{,}0\text{ D}$ |
| Starczowzroczność (prezbiopia) |
Fizjologiczny proces starzenia (zwykle po 40–45. roku życia): soczewka traci elastyczność i twardnieje. Mięsień rzęskowy nie jest w stanie jej wystarczająco uwypuklić przy patrzeniu z bliska. | Obraz z bliska powstaje za siatkówką (punkt bliży odsuwa się powyżej $40\text{--}60\text{ cm}$). | Soczewka skupiająca (okulary do czytania) lub szkła progresywne o zmiennej ogniskowej od góry do dołu. | Dodatnia ($Z > 0$) np. $+1{,}5\text{ D}$ do czytania |
| Astygmatyzm (niezborność) |
Niesferyczna asymetria rogówki (lub soczewki) — rogówka ma kształt fragmentu piłki do rugby zamiast piłki nożnej (inna krzywizna w pionie niż w poziomie). | Światło ogniskuje się w dwóch różnych odległościach (dwie linie ogniskowe), zniekształcając linie proste. | Soczewka cylindryczna (załamywana silniej tylko w wybranej płaszczyźnie, wyrównując asymetrię rogówki). | Wartość w dioptriach cylindrycznych (Cyl) wraz z kątem osi (oś w stopniach $0^\circ\text{--}180^\circ$) |
Gdzie powstaje ognisko promieni równoległych w oku krótkowzrocznym?
Poprawna: a) W krótkowzroczności gałka jest zbyt długa lub układ skupia zbyt mocno, więc promienie zbiegają się przed siatkówką, a na siatkówkę pada plama rozproszenia. Ognisko za siatkówką to dalekowzroczność.
Treść: Kasia jest krótkowidzem. Bez okularów widzi ostro przedmioty leżące w odległości najwyżej $r = 50\text{ cm} = 0{,}5\text{ m}$ od oka (jest to jej punkt dali wzrokowej).
Krótkowidz widzi ostro najdalej z odległości $50\text{ cm}$. Jaką moc powinny mieć jego okulary do patrzenia w dal?
Poprawna: d) Obraz przedmiotu z nieskończoności musi powstać w punkcie dali: $Z=0+\frac{1}{-0{,}5\text{ m}}=-2\text{ D}$. Znak dodatni oznaczałby soczewkę skupiającą, czyli korekcję przeciwnej wady.
W symulatorze wydłużasz gałkę oczną przy patrzeniu w dal. Jaki efekt zobaczysz?
Poprawna: c) Dłuższa gałka oznacza dalszą siatkówkę, więc promienie zbiegają się wcześniej — przed nią; to model krótkowzroczności. Ognisko za siatkówką daje skrócenie gałki.
Spojrzałeś w słoneczny dzień przez okno na wysokie drzewo rosnące w odległości 30 metrów od budynku. Wyjaśnij:
Maksymilian ma punkt dali $80\text{ cm}$. Jaką moc okularów potrzebuje do patrzenia w dal?
Poprawna: b) $Z=\frac{1}{\infty}+\frac{1}{-0{,}8\text{ m}}=-1{,}25\text{ D}$, czyli soczewka rozpraszająca. Wartość $-0{,}8$ to odwrotność odległości podanej wprost, a nie wynik równania soczewki.