Áp dụng nguyên lý khúc xạ cho các thấu kính: nguyên lý quang học nhãn khoa

Để hiểu được hệ thống quang học của mắt, chúng ta cần nắm được những nguyên tắc cơ bản của quang học, bao gồm vật lí về khúc xạ ánh sáng, tiêu điểm, tiêu cự, vv... Đầu tiên những nguyên tắc vật lý sẽ được trình bày một cách ngắn gọn, sau đó chúng ta sẽ thảo luận về quang học của mắt.

Thấu kính lồi làm hội tụ các tia sáng

Hình. Uốn cong các tia sáng tại mỗi bề mặt của thấu kính cầu lồi, chứng tỏ rằng các tia sáng song song được hội tụ thành một tiêu điểm.

Các tia sáng song song đang đi vào một thấu kính lồi. Các tia sáng đi xuyên qua đúng điểm trung tâm của thấu kính sẽ vuông góc với bề mặt kính, nên vì thế, nó xuyên qua thấu kính mà không bị đổi hướng. Các tia sáng khác sẽ dần đi về phía bờ của thấu kính, vì thế, những tia sáng sẽ tạo ra góc càng lớn với bề mặt kính.

Các tia sáng càng ở phía ngoài thì càng bị hướng vào trung tâm, đó chính là sự hội tụ của các tia sáng. Một nửa sự gấp khúc xảy ra khi những tia sáng đi vào thấu kính, và nửa kia sẽ xảy ra khi các tia sáng đi ra ở mặt kia của thấu kính. Nếu thấu kính có các mặt cong cân bằng nhau, những tia sáng song song khi xuyên qua các phần thấu kính sẽ bị gấp khúc đủ chính xác để tất cả các tia sáng sẽ đi qua một điểm duy nhất, điểm đó gọi là tiêu cự.

Hình. Uốn các tia sáng tại mỗi bề mặt của thấu kính cầu lõm, chứng tỏ rằng các tia sáng song song bị phân kì.

Thấu kính lõm phân kì các tia sáng

Tác dụng của thấu kính lõm lên các tia sáng. Các tia sáng đi qua điểm trung tâm của thấu kính sẽ gặp bề mặt kính vuông góc với chùm tia, vì thế, sẽ không bị khúc xạ. Các tia sáng ở bờ của thấu kính đi vào thấu kính trước các tia ở trung tâm. Tác dụng này ngược lại so vớit ác dụng của thấu kính lồi, và đó chính là nguyên nhân làm các tia sáng ở ngoại biên bị phân kì so với tia sáng đi qua trung tâm của thấu kính. Như vậy, thấu kính lõm sẽ phân kì các tia sáng, nhưng thấu kính lồi sẽ hội tụ các tia sáng.

Hình. A, Tiêu điểm của tia sáng song song bởi thấu kính cầu lồi. B, Tiêu điểm vạch của tia sáng song song bởi thấu kính cầu lồi hình trụ.

Thấu kính hình hình trụ bẻ cong các tia sáng trong một mặt phẳng duy nhất - so với thấu kính hình cầu. Thấu kính lồi hình cầu và một thấu kính lồi hình trụ. Lưu ý rằng thấu kính hình trụ bẻ cong các tia sáng ở cả 2 mặt của thấu kính nhưng không phải ở phía trên hay phía dưới của nó, sự gấp khúc chỉ xảy ra trong một mặt phẳng mà không xảy ra ở các mặt phẳng khác. Như vậy, các tia sáng song song sẽ bị gấp khúc tạo thành một đường tiêu điểm. Ngược lại, các tia sáng đi qua thấu kính hình cầu sẽ bị khúc xạ ở mọi bờ của thấu kính (ở cả 2 mặt) để hướng về phía tia trung tâm, và tất cả các tia sẽ hội tụ tại tiêu điểm.

Thấu kính trụ có thể được hình dung như một cái ống đựng đầy nước. Nếu thử đặt ống ở nơi có chùm ánh sáng mặt trời hướng đến và đặt một mảnh giấy ở phía bên kia rồi dần đưa lại gần ống, ở một khoảng cách phù hợp sẽ tìm thấy nơi các tia sáng hướng đến đó là đường tiêu điểm. Thấu kính cầu có thể hình dung như một cái kính lúp thông thường. Nếu cũng đặt kính ở nơi có chùm ánh sáng mặt trời chiếu đến và dùng tờ giấy đưa dần lại gần thấu kính thì các tia sáng sẽ tập trung tại tiêu điểm chung ở một khoảng cách phù hợp.

Thấu kính lõm hình trụ sẽ phân kì các tia sáng trên một mặt phẳng duy nhất cũng giống như cách mà thấu kính lồi hình trụ hội tụ các tia sáng trên một mặt phẳng.

Hình. A, Hội tụ ánh sáng từ nguồn điểm thành tiêu điểm đoạn thẳng bằng thấu kính hình trụ. B, Hai thấu kính lồi hình trụ đặt vuông góc với nhau, chứng tỏ một thấu kính hội tụ tia sáng trong một mặt phẳng và thấu kính kia hội tụ tia sáng trong mặt phẳng một góc vuông. Hai thấu kính kết hợp cho cùng một tiêu điểm thu được bởi một thấu kính cầu lồi duy nhất.

Kết hợp hai thấu kính hình trụ đặt vuông góc sẽ như một thấu kính hình cầu

Hai thấu kính lồi hình trụ đặt vuông góc với nhau. Thấu kính hình trụ đứng sẽ hội tụ các tia sáng ở hai bên, và thấu kính hình trụ ngang sẽ hội tụ các tia sáng ở trên và dưới. Do đó, tất cả các tia sáng sẽ đi tới một điểm duy nhất-tiêu điểm. Nói cách khác, hai thấu kính hình trụ đặt vuông góc với nhau sẽ có tác dụng giống như một thấu kính hình cầu với cùng độ hội tụ.