Chương 1 TỔNG QUAN 1. Hệ thống quang học của mắt 1. Cấu trúc cơ bản của mắt Từ quan điểm quang học để xem xét cấu trúc của mắt, mắt gồm giác mạc phía trước, sau là tiền phòng chứa thủy dịch. Trước một thấu kính (thể thủy tinh) là mống mắt, mống mắt giống như một màng chắn (diaphragam) là phần rất quan trọng và đặc biệt của hệ thống quang học mắt, ở giữa có lỗ đồng tử.
Mắt có hình dạng gần như một quả cầu, ánh sáng đi vào mắt qua giác mạc, đó là một lớp có độ dày 0,5mm có chỉ số khúc xạ 1,376, sau đó đi qua tiền phòng, trong đó có một chỉ số khúc xạ thấp khoảng n = 1,336. Độ sâu của tiền phòng là 3,04mm, trong tiền phòng có thủy dịch là phần được giới hạn bởi phía trước là mặt sau giác mạc, phía sau là mống mắt và mặt trước thể thủy tinh. Mống mắt là một màng với đồng tử ở giữa. Đường kính của đồng tử có thể biến đổi được giúp nó kiểm soát cường độ ánh sáng đi vào mắt.
Quang hệ của mắt 1. Quang hệ hai lưỡng chất Mắt là một quang hệ hội tụ phức tạp mà công suất và trục cho ảnh của vật ở vô cực trên võng mạc. Để hiểu rõ đường đi của ánh sáng vào mắt và cơ chế tạo ảnh của võng mạc, ta cần khảo sát các thành phần khúc xạ khác nhau của mắt khi ánh sáng đi xuyên qua. Các thành phần này gồm có: Mặt trước giác mạc Toàn bộ chiều dày giác mạc Mặt sau giác mạc Thủy dịch Mặt trước thể thủy tinh 4 Toàn bộ chiều dày thể thủy tinh Mặt sau thể thủy tinh Dịch kính Hình 1.
Sơ đồ quang hệ thấu kính [9] Các môi trường trong suốt của mắt có chỉ số khúc xạ khác nhau. Bề mặt khúc xạ của các môi trường trong suốt có bán kính độ cong và khoảng cách khác nhau. Nhiều tác giả đã đo được chỉ số của các yếu tố trên. Các kết quả khác nhau tùy theo mỗi tác giả.
Các kết quả có sự thay đổi về sinh lý của các trị số vàcho những trị số trung bình. Kết quả của Gullstrand dưới đây được gọi là hằng số quang học của mắt. Tuy nhiên không có bộ hằng số nào được sử dụng như là tiêu chuẩn chung[9], [10]. Sơ đồ quang hệ Gullstrand[9] 5 Chỉ số khúc xạ của các môi trường trong suốt Không khí 1,000 Giác mạc 1,376 Thủy dịch 1,336 Thể thủy tinh (bao gồm cả vỏ và nhân) 1,368 -1,406 Dịch kính 1,336 Vị trí các bề mặt khúc xạ (tính bằng mm) Mặt trước giác mạc 0 Mặt trước thể thủy tinh 3,6 Mặt sau thể thủy tinh 7,2 Mặt trước của nhân thể thủy tinh 4,146 Mặt sau của nhân thể thủy tinh 6,565 Bán kính độ cong của các bề mặt khúc xạ Mặt trước giác mạc 7,7 Mặt sau giác mạc 6,8 Mặt trước thể thủy tinh 10,0 Mặt sau thể thủy tinh - 6,0 Tuy nhiên, trong mục đích giản lược ta có thể xem mặt trước và mặt sau giác mạc song song với nhau.
Như vậy, về phương diện quang học, giác mạc được xem như một thể trong suốt có hai bản song song cho phép ánh sáng đi xuyên qua mà không lệch hướng. Trên thực tế, hai bề mặt giác mạc có thể được xem như một chỉ số khúc xạ bằng 1,37. Khúc xạ của thể thủy tinh Do cấu trúc không đồng nhất, đặc tính khúc xạ của thể thủy tinh rất phức tạp. Nhân thể thủy tinh có chỉ số khúc xạ cao hơn lớp vỏ bao quanh nhân.
Theo tuổi, sự gia tăng độ đậm đặc của nhân làm tăng lực hội tụ khúc xạ. Ngoài ra thể thủy tinh còn có thể thay đổi được hình dạng và do vậy thay đổi công suất khúc xạ để mắt có thể điều tiết giúp nhìn được vật rõ ở các khoảng cách khác nhau. Mắt giản đồ và mắt rút gọn Mắt giản đồ (schematic eye) giúp nhận thức được các tính chất quang học của mắt người. Chẳng hạn các phép tính xấp xỉ cho phép xác định kích thước ảnh võng mạc của các vật trong không gian nhìn và kích thước của các mốc ở đáy mắt (chẳng hạn khối u võng mạc).
Nhiều mô hình toán học như vậy đã được đưa ra, bao gồm mô hình của Listing, Donders, Tsherming, Von Helmholtz và Gullstrand (một giáo sư nhãn khoa Thụy Điển được giải Nobel năm 1911 về công trình “Nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua thấu kính ứng dụng ở mắt”. Kích thước của đồng tử và ảnh hưởng đến độ phân giải của mắt Trung tâm quang học của mắt là các điểm nút, nằm ở giao điểm của 1/3 giữa và 1/3 sau của TTT. Các tia sáng khi đi qua điểm nút không bị khúc xạ. Đồng tử chỉ cho phép một chùm tia sáng cận trục tương đối nhỏ đi vào mắt.
Các tia sáng cận trục như thế sẽ bị khúc xạ và tập trung qua các điểm nút và tiếp giáp với chất sau của thể thủy tinh. Vì thế, trong trường hợp đục thể thủy tinh nhỏ ở cực sau cũng có thể gây ảnh hưởng nhiều đến thị lực. Mắt thu gọn Theo những tính toán cho mắt giản lược, ta thấy rằng 2 điểm chính và 2 điểm nút rất gần sát nhau, gần nhau đến mức không có sai lạc bao nhiêu nếu ta thay thế mỗi cặp điểm bằng một điểm trung gian và xem mỗi cặp điểm như là một điểm. Vì thế, hệ quang mắt có thể được xem như là một quang hệ đơn giản hóa có một bề mặt khúc xạ duy nhất.
Mắt đơn giản hóa Yves Le Grand cho rằng mắt thu gọn quá thô sơ và đề nghị một mô hình mắt đơn giản hóa so với mắt lý thuyết nhưng đủ gần giống với mắt lý thuyết để cho những phép tính quang học có giá trị. Công suất của mắt đơn giản hóa là 59,95D. Thể thủy tinh ở cách đỉnh giác mạc 6,37 mm và có công 7 suất 22,44D. Nếu thể thủy tinh được giả định các bề mặt có bán kính độ cong 10,2 mm và 6 mm giống như mắt lý thuyết, thì chỉ số khúc xạ của thể thủy tinh là 1,42, hơi lớn hơn chỉ số trung bình thường được chấp nhận một chút.
Các yếu tố khác cũng được tính gần bằng lý thuyết. Như vậy, mắt đơn giản hóa rất gần với mắt lý thuyết[11]. Những yếu tố liên quan đến sự tạo ảnh trên võng mạc Việc ảnh được tạo trên võng mạc tùy thuộc vào ba yếu tố: Chiều dài của mắt Lực của quang hệ Chỉ số khúc xạ của hệ quang Trong các yếu tố này, chỉ số khúc xạ là yếu tố không thay đổi, trung bình là 1,33. Vậy ta có trên lý thuyết, định nghĩa một mắt bình thường là mắt có chiều dài và lực quang học nằm trong khoảng quy định.
Nhưng trên thực tế thì không thể định nghĩa theo toán học được, vì hai yếu tố chiều dài và lực quang học thay đổi rất nhiều, nhưng ảnh vẫn được tạo trên võng mạc[11]. Khuyết điểm quang học của mắt Độ chính xác mà quang hệ có khả năng tạo một ảnh rõ, chính xác được gọi là năng suất phân giải. Năng suất phân giải vì thế còn được coi là chỉ số hiệu năng của quang hệ. Mỗi thấu kính đều có những khuyết điểm gắn liền với nó.
Quang hệ mắt cũng có những khuyết điểm không tránh khỏi được. Tuy nhiên điều quan trọng là mặc dù mắt có những khuyết điểm quang học nhưng những khuyết điểm này ở mức độ rất nhỏ nên sự hiện diện hay biểu hiện của chúng không đáng kể. Cơ thể sống không được cấu tạo chính xác tuyệt đối như những quy luật hay công thức toán học. Nếu chúng có những khuyết điểm lý thuyết trong hình dạng của chúng thì những khuyết điểm này được cân bằng bởi tính thích ứng và mềm dẻo.
Mắt tuyệt nhiên không phải là một dụng cụ quang học hoàn hảo, nhưng những khả năng điều tiết, khả năng 8 thích ứng, khả năng phân biệt và phân giải của võng mạc biến mắt thành một bộ phận quang học độc nhất. Khuyết điểm quang học sinh lý - Nhiễu xạ ánh sáng: Khi một làn sóng truyền đi trong không gian, hai mép của làn sóng có khuynh hướng lệch ra ngoài khỏi thân chính của làn sóng. Hiện tượng này đặc biệt rõ trong một làn sóng hẹp như làn sóng ánh sáng đi qua diện đồng tử. Vì thế ảnh tạo bởi một chùm tia song song, sau khi đi xuyên qua một thấu kính hội tụ, không phải là một điểm theo lý thuyết mà là một vòng sáng với một đốm sáng chói ở trung tâm.
Đó là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Trong mắt với đồng tử 2 mm đường kính, đốm sáng này có đường kính 0,01 mm. Nhiễu xạ ánh sáng giới hạn phân giải rõ ảnh võng mạc dù quang hệ mắt có hoàn hảo đến mấy. - Sắc sai: Trong những môi trường khác với chân không, vận tốc truyền của ánh sáng thay đổi tùy theo bước sóng.
Trong mắt, vận tốc truyền không đồng nhất đối với mỗi màu của quang phổ thị giác. Do đó, trên nguyên tắc, mắt không có một tiêu điểm chung duy nhất nhưng có tiêu điểm riêng cho từng màu. Bức xạ có bước sóng ngắn nhất sẽ hội tiêu trước nhất (ví dụ màu tím, xanh lơ) và bức xạ có bước sóng dài hội tiêu sau nhất (ví dụ như màu đỏ). Độ tán sắc toàn phần từ ảnh màu đỏ cho đến ảnh xanh lơ khoảng 1,5 đến 2 D.
Mắt chính thị hội tiêu đoạn màu vàng và xanh lá cây của quang phổ thị giác. Đoạn bước sóng này nằm khoảng giữa tầm nhạy cảm võng mạc. Vì thế, khoảng 0,75 đến 1,00 D sắc sai nằm ở hai bên của tiêu điểm rõ tối đa. - Cầu sai: Chu biên của thấu kính có lực khúc xạ lớn hơn phần trung tâm, do đó các tia sáng đi qua chu biên sẽ hội tụ nhanh hơn các tia sáng đi qua đoạn trung tâm.
Độ rõ nét của ảnh do đó bị tổn hại, vì tiêu điểm không phải là một điểm. 9 - Lệch tâm: Sự tạo ảnh lý tưởng đòi hỏi các bề mặt khúc xạ của quang hệ mắt phải trực tâm, nghĩa là các tâm của các bề mặt cong như giác mạc và thể thủy tinh phải đúng trên một trục quang học. Điều kiện này không bao giờ được thực hiện ở mắt, nhưng hiện tượng lệch tâm rất nhẹ. Vì thế về chức năng, hiện tượng này không đáng kể.
Tâm của bề mặt cong giác mạc nằm khoảng 0,25 mm thấp hơn trục của thể thủy tinh. Trung tâm hoàng điểm ở 1,25 mm phía dưới và phía thái dương của trục quang học. - Quang sai coma: Coma là cầu sai do ánh sáng tới từ các điểm không nằm trên quang trục.