Khúc xạ ánh sáng: 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.

Chỉ số khúc xạ của một môi trường trong suốt

Ánh sáng đi trong không khí với tốc độ khoảng 300,000km/s, nhưng nó sẽ chậm hơn nhiều khi đi trong các môi trường trong suốt khác. Chỉ số khúc xạ của một môi trường trong suốt là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng khi đi trong không khí và khi đi trong môi trường trong suốt đó. Chỉ số khúc xạ của không khí là 1.00. Do đó, nếu ánh sáng đi trong một loại thủy tinh với tốc độ là 200,000km/s thì chỉ số khúc xạ của loại thủy tinh này 300,000 chia cho 200,000, hay 1.50.

Hình. Tia sáng đi vào, mặt kính vuông góc với tia sáng (A) và mặt kính lệch góc với tia sáng (B). Hình này chứng tỏ rằng khoảng cách giữa các sóng sau khi chúng đi vào kính được rút ngắn khoảng 2/3 so với trong không khí. Nó cũng cho thấy rằng các tia sáng chiếu vào một bề mặt thủy tinh có góc cạnh bị uốn cong.

Hiện tượng khúc xạ những tia sáng ở bề mặt giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau

Khi những tia sáng của một chùm ánh sáng (như hình A) đi tới gặp một bề mặt phân cách vuông góc với hướng đi của chùm ánh sáng, những tia sáng sẽ đi vào môi trường thứ hai mà không bị thay đổi hướng cũ của nó. Tác động duy nhất xảy ra là tốc độ truyền giảm đi và bước sóng ngắn hơn, như trên hình vẽ mô tả khoảng cách giữa các vân sóng bị ngắn hơn.

Nếu những tia sáng đi tới một môi trường tạo thành góc với nó, những tia sáng sẽ bị gấp khúc nếu chỉ số khúc xạ của hai môi trường là khác nhau. Trong hình vẽ, những tia sáng đang đi từ không khí, nơi có chỉ số khúc xạ là 1.00, và đi vào một khối thủy tinh có chỉ số khúc xạ là 1.50. Khi chùm tia sáng đầu tiên đến gặp bề mặt chéo góc, bờ dưới của chùm tia sẽ đi vào khối kính trước bờ trên của chùm tia. Các vân sóng của phần trên chùm tia sáng vẫn tiếp tục đi với vận tốc 300,000km/s, trong khi tốc độ của nó khi đi vào khối kính là 200,000km/s. Sự khác nhau về tốc độ này là nguyên nhân khiến cho phần trên chùm tia đi ra trước phần dưới vì thế làm cho các đỉnh sóng không đi thẳng nữa mà gấp khúc sang bên phải. Bởi vì hướng đi của tia sáng luôn luôn vuông góc với đường vân sáng, nên chiều của chùm sáng bị bẻ cong xuống dưới.

Sự gấp khúc của những tia sáng tại mặt phẳng chéo góc chính là sự khúc xạ. Chú ý đặc biệt là mức độ khúc xạ tăng lên như một hàm số của (1) tỉ lệ chỉ số khúc xạ của hai môi trường và (2) góc tạo bởi bể mặt kính và hướng đi vào của vân sáng.