Tài liệu Bài giảng Khúc xạ pdf

N= Vận tốc ánh sáng truyền trong chân không Vận tốc ánh trong môi truờng Vì coi mật độ quang học của không khí bằng với chân không trong các điều kiện bình thường cho nên có các chỉ số

Khúc xạ

Tiến sĩ Nguyễn Văn Đàm

I Nhắc lại về khúc xạ ánh sáng,

Thấu kính cầu và thấu kính trụ

1.1 Hiện tượng khúc xạ: ánh sáng khi đi từ một môi trường trong suốt này sang môi

trường trong suốt khác sẽ bị đổi hướng, đó là hiện tượng khúc xạ Tia tới, tia khúc xạ và pháp tuyến cùng nằm trong một mặt phẳng

1.2 Chỉ số khúc xạ: Vận tốc ánh sáng truyền đi trong chân không khác với truyền đi

trong những môi trường khác Từ đó nảy sinh khái niệm chỉ số khúc xạ tuyệt đối n của môi trường

N= Vận tốc ánh sáng truyền trong chân không

Vận tốc ánh trong môi truờng

Vì coi mật độ quang học của không khí bằng với chân không trong các điều kiện bình thường cho nên có các chỉ số sau:

Chỉ số khúc xạ: Không khí =1

Nước (thuỷ dịch ) =1,33 Giác mạc =1,37 Thuỷ tinh thể =1,38 – 1,42

Không khí

Thuỷ tinh

Khi đi từ môi trường ít đậm đặc vào môi trường đậm đặc thì tia khúc xạ lệch về hướng pháp tuyến P (đường vuông góc với mặt ngăn cách giữa 2 môi trường)

α: Góc tới

β: Góc khúc xạ

1.3 Khúc xạ bởi lăng kính: Khi ánh sáng đi qua 1 môi trường có hai bản mặt song song

thì tia tới và tia ló song song Nhưng nếu hai bản mặt không song song thì hướng của tia sáng bị thay đổi Môi trường có hai bản mặt không song song này gọi là lăng kính Vậy lăng kính là một môi trường trong suốt được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song với nhau Hai mặt này sẽ cắt nhau ở cạnh của lăng kính Mặt thứ 3 là đáy của lăng kính Đáy lăng kính không có vai trò quang học

EKH: Góc lệch

Để mắt ở G sẽ thấy điểm D như là ở vị trí H

Tia ló bao giờ cũng lệch về phía đáy lăng kính

1cm ở khoảng cách 1m của vật được nhìn qua lăng kính

ứng dụng:

- Điều trị thiểu năng phân kỳ:

- Điều trị thiểu năng qui tụ:

- Điều chỉnh lác đứng trên:

- Điều chỉnh lác đứng dưới:

1.4 Khúc xạ bởi thấu kính: Có 2 lăng kính để áp đáy vào nhau thì các tia khi đi qua

thấu kính sẽ hội tụ Khi để hai lăng kính đối đỉnh: các tia sẽ phân kỳ Vô số các thấu kính đặt như vậy sẽ tạo ra thấu kính phân kỳ Trên thực tế chúng ta hay gặp các loại thấu kính: Thấu kính hội tụ Thấu kính phân kỳ

Thấu kính lồi 2 mặt Thấu kính lõm 2 mặt

Thấu kính lồi 1 mặt Thấu kính lõm 1 mặt

Thấu kính lồi dạng liềm Thấu kính lõm dạng liềm

Các tiêu điểm của thấu kính lồi mỏng:

Tia sáng song song tới từ vô cực, qua Tia sáng tới từ 1 điểm gần hơn vô cực, thấu kính sẽ hội tụ ở tiêu điểm F2 ảnh ở A’ Avà A’là 2 điểm tương ứng

Các tia sáng đi ra từ tiêu điểm, Vật A ở phía trong tiêu cự: Tia ló sẽ phân kỳ tạo tia ló sẽ đi song song ảnh ảo ở phía sau A, cùng bên với thấu kímh

Cách xác định ảnh qua thấu kính lồi cực mỏng: Có 3 tia chính để xác định 1 ảnh

- Tia đi qua quang tâm: không lệch

- Tia đi song song với trục: qua tiêu điểm chính

- Tia đi qua tiêu điểm: khi ló ra sẽ song song với trục chính

Vật ở ngoài tiêu điểm F1: ảnh thật và ngược chiều

Vật ở trong tiêu điểm F1: ảnh ảo, cùng chiều, ở xa thấu kính hơn và lớn hơn vật

Vật ở F1: ảnh ảo, ở xa vô cực

Cách xác định ảnh qua thấu kính phân kỳ:

ảnh luôn luôn là 1 ảnh ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật

1.5 Kính trụ: Thấu kính trụ được coi như một loạt các lăng kính chồng lên nhau theo

dãy ảnh do đó sẽ là một đường tiêu chứ không phải là một điểm Với thấu kính trụ lõm, ảnh sẽ là một đường tiêu ảo

Một hệ quang học phức tạp hơn: Một mặt cầu có hai kinh tuyến thẳng góc với nhau nhưng không cùng độ cong (ví dụ giác mạc) sẽ là hai kính trụ, chúng sẽ tạo hai đường tiêu khác nhau và cũng thẳng góc với nhau Kính trụ nào cong hơn thì đường tiêu của nó ở phía trước Kính trụ ít cong hơn có đường tiêu ở phía sau hơn Đó chính là sơ đồ mắt loạn thị

1.6 Nhận dạng và đo thấu kính: Người ta có thể dùng ảnh để nhận diện và xác định

công suất khúc xạ của thấu kính

- ảnh nghịch chuyển: Thấu kính lồi vì như ta đã biết với kính hội tụ, vật ở xa cho ảnh thật ngược chiều Dùng các kính (+) đã biết công suất để trung hoà cho đến khi…… chúng ta sẽ có được công suất của thấu kính lồi

- ảnh cùng chiều: Thấu kính phân kỳ (ảnh cùng chiều khi vật ở xa) Trung hoà bằng các kính phân kỳ đã biết số……

- Kính trụ: Đưa theo trục, ảnh không di động, đưa theo hướng vuông góc với trục mà ảnh chuyển động:

- Nếu ngược chiều: kính trụ lồi

- Nếu cùng chiều: kính trụ lõm

II Mắt về phương diện quang học

1 Sơ đồ quang hệ mắt : Có thể ví cấu tạo quang học mắt tương đương như một máy

ảnh: vật kính gồm giác mạc, thể thuỷ tinh, thuỷ dịch, dịch kính Cửa sổ ánh sáng Diafam

là mống mắt và đồng tử Buồng tối là khoang nội nhãn có hắc mạc bao bọc Phim là võng mạc

Sự khác nhau giữa mắt và máy ảnh là ở chỗ: vật kính máy ảnh là một thấu kính Ơ mắt đó là một hệ thống các môi trường trong suốt có khúc xạ mạnh Buồng tối của máy ảnh là không khí, buồng tối của nhãn cầu thì chứa dịch kính

Các nhà vật lý quang học coi quang hệ mắt như một con mắt ước lược với các chỉ

số (Listing - 1853):

- Điểm chính P: 1,33mm

- Điểm nút N: 7,08m Sau giác mạc

- Tiêu điểm 1: -15,7mm

- Tiêu điểm 2: 24,13mm So với mặt trước của giác mạc

- Công xuất khúc xạ: 58,6 D

Điểm chính: Các mặt phẳng chính với trục chính nơi ngăn cách hai môi trường khúc xạ khác nhau

Điểm nút: ở ngay cực sau thể thuỷ tinh

2 Sự tạo ảnh trên võng mạc: Có ba yếu tố ảnh hưởng

* Chiều dài trục nhãn cầu Hai yếu tố này thay đổi rất nhiều

* Lực khúc xạ của quang hệ mà ảnh vẫn rơi đúng vào võng mạc

* Chỉ số khúc xạ của quang hệ: Trung bình khoảng 1,33

- ở những người tật khúc xạ <1diop, trục nhãn cầu có thể từ 20,5 - 29,15mm (bình thường 23,5 - 24,5mm)

- ở mắt người bình thường, 1mm trục tương đương 3 diop lực khúc xạ

Khi cận thị nặng,1mm trục tương đương 2 diop lực khúc xạ

Mắt viễn thị nặng: 1mm trục tương đương >3 diop lực khúc xạ

- Lực khúc xạ chung của quang hệ có thể thay đổi từ 52,69diop - 64,27diop ở mắt bình thưòng

Sự phối hợp giữa chiều dài của trục với lực khúc xạ tạo ra mắt bình thưòng Vậy mắt chính thị là kết quả của sự phối hợp hài hoà giữa chiều dài của trục và lực quang học của mắt Và như thế nếu sự phối hợp này không xảy ra hài hoà thì ảnh sẽ không rơi vào võng mạc đó là mắt không chính thị, có hai loại mắt không chính thị:

- Không chính thị hình cầu: Cận thị ảnh ở phía trước võng mạc Viễn thị ảnh ở sau võng mạc

- Không chính thị không hình cầu: Loạn thị

III Đo khúc xạ

3.1 Phương pháp chủ quan (phương pháp Donders): Bệnh nhân ở cách xa bảng thị lực

5m, thử từng mắt một với bảng thị lực thông thường, sẽ có các tình huống xảy ra:

* Bệnh nhân đọc được dòng 10/10: Có thể là chính thị hoặc viễn thị nhẹ Nếu mắt chính thị, để kính +0,5D trước mắt, mắt sẽ mờ đi vì kính hội tụ đã đưa ảnh về phía trước võng mạc Nếu mắt viễn thị, để kính +0,5D trước mắt, mắt sẽ nhìn dễ chịu hơn do đỡ phải điều tiết Khi đó ta tăng dần số kính cho đến mức kính cao nhất mà thị lực vẫn đạt10/10 là mức viễn thị biểu hiện

Phương pháp đo khúc xạ chủ quan không cho ta biết mức viễn thị toàn bộ vì trên trẻ

em viễn thị thường hay có co quắp điều tiết

* Bệnh nhân có thị lực nhỏ hơn 10/10: Có thể là cận thị, cũng có thể là viễn thị nặng

- Cận thị : Cận thị nhẹ có thể đạt thị lực không kính 3/10 – 4/10 nhưng cận 3D,4D trở lên có khi thị lực không kính nhỏ hơn 1/10 Dùng kính phân kỳ cho đến khi đạt thị lực 10/10 Có thể có 2 đến 3 mức kính phân kỳ mà bệnh nhân đọc được thị lực 10/10, số kính phân kỳ có giá trị tuyệt đối bé nhất trong đó là mức cận thị của mắt

-Viễn thị nặng: Dùng kính hội tụ để chỉnh cho tăng thị lực Khi mang kính cũng vẫn không tăng thị lực thì dùng đồng hồ Parent để chẩn đoán xem có phải là loạn thị không

3.2 Phương pháp khách quan (Skiascopie)

Phương pháp này cần phải được thực hiện ở trong buồng tối với đèn chéo, gương phẳng có lỗ ở chính giữa và các kính cầu phân kỳ, hội tụ đã biết công suất

Từ nguồn sáng là đèn chéo, luồng sáng phản xạ qua gương chiếu tới mắt bệnh nhân tạo ra ánh đồng tử, khi quay gương theo cấc tuyến ngang hoặc tuyến đứng của giác mạc

sẽ tạo ra bóng đồng tử, dựa vào đặc điểm chuyển động của bóng này để chẩn đoán tật khúc xạ Muốn để dễ soi và chẩn đoán chính xác tật khúc xạ thì cần tra giãn đồng tử Với khoảng cách 1m từ gương tới mắt người bệnh, nếu bóng đồng tử di động cùng chiều với gương thì mắt ấy có 3 khả năng:

- Chính thị

- Viễn thị Viễn điểm của mắt bệnh nhân ở phía sau gương

- Cận thị <1D

Số kính đạt bóng toả lan cộng thêm -1D đó là công thức chung nhất

Để trước mắt bệnh nhân kính hội tụ +1D bóng đồng tử lan toả thì đó là mắt chính thị Nếu để trước mắt bệnh nhân kính +1D mà bóng đồng tử trở thành ngược chiều, mắt

đó là cận thị <1D

Nếu với kính +1D bóng vẫn cùng chiều, mắt đó là viễn thị, ta dùng kính (+) để trung hoà dần Số kính đạt được sự toả lan bớt đi1D là độ viễn của mắt Sẽ có các tình huống sau:

- Bóng lan toả ngay: Mắt cận thị -1D Bóng lan toả ngay là do viễn điểm của mắt bệnh nhân đúng ở vị trí của gương

- Bóng ngược chiều: Viễn điểm của mắt bệnh nhân ở phía trước, giữa gương và mắt bệnh nhân Dùng kính (- ) để trung hoà dần, số kính tạo bóng lan toả thêm 1D bằng độ cận (quang hệ khúc xạ mạnh )

IV Điều tiết 4.1 Khái niệm: ở trạng thái nghỉ ngơi hoặc ở mắt tra atropin, mắt người ta vẫn thấy rõ

những thay đổi vật ở xa vô cực (> 5m) Tuy nhiên trên thực tế những vật ở gần cũng vẫn được quan sát rõ Đó chính là do một cơ chế tự điều chỉnh – cơ chế điều tiết Điều tiết là khả năng của mắt làm cho ảnh của một vật dù ở xa hay ở gần cũng đều xuất hiện ở trên võng mạc (coi mắt như một quang hệ Các tia sáng song song từ vô cực tới sẽ chỉ hội tụ ở trên võng mạc, tức là mắt chính thị Nếu vật ở gần, ảnh sẽ rơi ra sau võng mạc, hình nhìn thấy khi đó rất mờ.)

4.2 Cơ chế điều tiết:

Người đầu tiên nghiên cứu cơ chế điều tiết là Thomas Yong (1801) Có mấy cơ chế sau để đảm bảo cho ảnh rơi vào võng mạc:

* Cơ chế máy ảnh:

Vật ở xa vô cực, ảnh rơi vào võng mạc Đường kính trục nhãn cầu khi đó là 22,9mm Vật ở cách mắt 10cm, để ảnh rơi vào võng mạc thì trục nhãn cầu khi đó phải là 27,7cm 27,7mm – 22,9mm = 4,8mm

Sự gia tăng độ dài trục nhãn cầu như thế này phải xuất hiện ngay tức thì để nhìn rõ vật từ

xa vào gần: đó là điều không thể xảy ra

Trên lý thuyết còn có 3 cách khác:

- Tăng độ cong giác mạc để tăng công suất khúc xạ

Bằng cách ngâm mắt vào nước Chỉ số khúc xạ của nước tương đương giác mạc cho nên không còn công xuất khúc xạ giác mạc (vì cùng một môi trường) Đặt một thấu kính lồi trước mắt và lại điều tiết để thấy vật ở gần: loại trừ yếu tố giác mạc

- Thay đổi vị trí thuỷ tinh thể: Cơ chế di chuyển thuỷ tinh thể cũng bị loại bỏ vì độ sâu tiền phòng ở các cự ly nhìn gần nhìn xa không đủ để hội tụ ánh sáng khi nhìn gần

- Tăng độ cong thuỷ tinh thể: Cả về lý thuyết và thực tiễn, 2 cách trên đã bị bác bỏ Chỉ còn một cách duy nhất để đảm bảo cho ảnh khi nào cũng rơi đúng vào võng mạc dù là nhìn gần hay nhìn xa, đó là sự thay đổi độ cong của thể thuỷ tinh Vậy thể thuỷ tinh thay đổi độ cong như thế nào?

* Cơ chế thể mi: Theo Hermann Von Helmholtz (1821 - 1894), bình thường thì:

- Chất thuỷ tinh thể đàn hồi

- Bao thuỷ tinh thể đàn hồi, mỏng nhất ở hai cực, dày ở chu biên

- Cơ thể mi và dây chằng Zinn căng thẳng kéo ép hai mặt thuỷ tinh thể Khi điều tiết, cơ thể mi co làm cho cả khối thể mi dịch về phía trước, vòng thể mi được thu nhỏ bớt và như vậy thì dây chằng Zinn bị chùng lại, bao phình ra nhất là ở hai cực làm tăng lực khúc xạ của thể thuỷ tinh

Thuyết hiện đại (Tscherning 1854 – 1939): Bình thường thì chất thuỷ tinh thể đàn hồi nhưng ở trạng thái ép lại Khi điều tiết, độ đàn hồi này bị vượt qua bởi độ đàn hồi lớn hơn của bao với khả năng kéo theo chất thuỷ tinh thể thích ứng với nó

Như vậy ngược với ý kiến của Helmholtz, thuyết này cho rằng khi nghỉ ngơi thì cơ thể mi

và dây Zinn không căng ra mà bị chùng lại Khi điều tiết, cơ thể mi co, dây chằng Zinn căng kéo làm cho vùng chu biên thuỷ tinh thể bẹp lại dồn nén chất thuỷ tinh thể ở trung tâm căng đầy ra, thuỷ tinh thể tăng độ cong

Một vài số liệu (Gullstrand):

- r (bán kính độ cong) của mặt trước thuỷ tinh thể khi bình thường là 10 mm Khi điều tiết là 5,33 mm

- Công suất khúc xạ khi điều tiết: Từ 19D tăng lên đến 33D

* Cơ chế thần kinh:

Khi nhìn gần, cơ Muller của thể mi có sợi vòng do thần kinh phó giao cảm chi phối Khi nhìn xa, cơ Brucke (sợi dọc) do giao cảm chi phối co gây điều tiết hoạt tính

Tóm lại có điều tiết thể lý và sinh lý:

Thể lý: chất thuỷ tinh đàn hồi (lúc trẻ) xơ cứng (lúc già)

Sinh lý: hoạt động thần kinh cơ thể mi

- Khi bị liệt điều tiết, mỏi mệt điều tiết… dù thuỷ tinh thể còn đàn hồi thì cũng không điều tiết được

- Khi thuỷ tinh thể xơ cứng, cơ thể mi có co thì cũng không có giá trị điều tiết

4.3 Đoạn và biên độ điều tiết:

Vị trí xa nhất ở đó mắt còn thấy rõ vật đó là viễn điểm Khi đó thần kinh phó giao cảm

cơ thể mi buông thả, lực khúc xạ của mắt giảm

Vị trí gần nhất mà ở đó mắt còn thấy rõ vật đó là cận điểm, lực điều tiết của mắt lúc

đó là tối đa và lực khúc xạ cũng tối đa

Quãng cách giưã cận điểm và viễn điểm là đoạn điều tiết

Chênh lệch lực khúc xạ, độ khúc xạ giữa hai vị trí cận điểm, viễn điểm gọi là biên độ điều tiết

Quy ước:

Khoảng cách viễn điểm r (remotum) tương ứng với lực khúc xạ R

Khoảng cách cận điểm p (proximum) tương ứng với lực khúc xạ P

a: đoạn điều tiết

A: biên độ điều tiết

a = r – p

A= P – R

Ví dụ: p = 10cm → P =1m/0,1m = 10dioptries

Mắt chính thị:

r ở xa vô cực: P =1/vô cực = 0 mắt nghỉ ngơi không điều tiết

p = 10cm : P = 1m/0,1m = 10D nhìn gần, mắt điều tiết 10D biên

độ điều tiết 10D – 0 = 10D

Mắt viễn thị:

Bình thường mắt đã phải liên tục điều tiết để kéo ảnh về võng mạc Giả sử để thấy một vật ở r = 10cm thì phải cộng thêm độ điều tiết của người chính thị vào nữa (10D cộng

độ viễn thị vốn có của họ)

Giả sử người viễn thị 5D: viễn điểm r =1/-5 = -0,2m (ở sau nhãn cầu)

Cận điểm p = 10cm trước mắt thì:

Biên độ điều tiết A = P – R = 100/10 – (-5) = 10 + 5 = 15D

Vậy người này đeo +5D khi nhìn xa, 15D khi nhìn gần có nghĩa là nếu không dùng kính thì mắt phải liên tục điều tiết, rất mỏi mệt

Mắt cận thị: Viễn điểm ở rất gần trước mắt

Ví dụ: r = 20cm → R = 1/0,2 = -5D

Nếu cận điểm p = 10cm → P = 10D

Đoạn điều tiết khi đó là: 20cm – 10cm = 10cm

Biên độ điều tiết A = P – R = 10D – 5D = 5D

Vậy người cận thị nhìn gần thì dễ và chỉ cần điều tiết một lực rất nhỏ (điều tiết ít)

Mắt loạn thị và mắt bất đồng khúc xạ:

• ở mắt loạn thị, hai kinh tuyến giác mạc có độ cong khác nhau cho hai ảnh khác nhau Mắt chỉ có thể điều tiết để một ảnh về đúng võng mạc còn ảnh kia thì không thể Vì thế mà luôn nhìn không rõ, hình bị méo

• ở người bất đồng khúc xạ: lực điều tiết của hai mắt là như nhau vậy nếu hai mắt có bất đồng khúc xạ thì ảnh ở một mắt luôn mờ, chỉ rõ được ở một bên

Nếu bất đồng khúc xạ nhẹ thì đó coi như 1 kích thích nội tại để mắt cố gắng tự điều chỉnh, luôn luôn phải tự điều chỉnh dẫn tới mệt mỏi điều tiết

4.4.ý nghĩa của đoạn và biên độ điều tiết: