1. PPhhyyssiiccss ooff tthhee EEyyee aanndd
VViissiioonn
CCrryyssttaall SSiigguulliinnsskkyy
UUnniivveerrssiittyy ooff UUttaahh:: IInntteerrddeeppaarrttmmeennttaall
PPrrooggrraamm iinn NNeeuurroosscciieennccee
LLeevviinnee LLaabb:: RReettiinnaall DDeevveellooppmmeenntt
ccrryyssttaall..ccoorrnneetttt@@uuttaahh..eedduu

2. PPhhyyssiiccss iinn VViissuuaall
PPrroocceesssseess
 IImmaaggiinngg iinn tthhee eeyyee
 OOppttiiccss
 AAbbssoorrppttiioonn ooff lliigghhtt iinn
tthhee eeyyee
 QQuuaannttuumm mmeecchhaanniiccss
 NNeerrvvee ccoonndduuccttiioonn
 VViissuuaall IInnffoorrmmaattiioonn
PPrroocceessssiinngg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray722.png
Gray's Anatomy of the Human Body, 1918

3. OObbjjeeccttiivveess
 OOppttiiccss ooff IImmaaggiinngg iinn tthhee eeyyee ((MMoonnddaayy,, JJuunnee 2222))
 PPrrooppeerrttiieess ooff LLiigghhtt
 IImmaaggee FFoorrmmaattiioonn
 AAccccoommooddaattiioonn
 TThhee ““--OOppiiaass””
 GGllaasssseess
 AAbbssoorrppttiioonn ooff lliigghhtt iinn tthhee eeyyee ((WWeeddnneessddaayy,, JJuunnee 2244))
 RReettiinnaall ssttrruuccttuurree
 LLiigghhtt aabbssoorrppttiioonn
 RReevviieeww QQuueessttiioonnss
 NNeerrvvee ccoonndduuccttiioonn && IInnffoorrmmaattiioonn PPrroocceessssiinngg
((NNeeuurroosscciieennccee LLeeccttuurree,, MMoonnddaayy,, JJuunnee 2299))

4. LLiigghhtt
 EElleeccttrroommaaggnneettiicc rraaddiiaattiioonn
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:EM_spectrum.svg

5. PPrrooppeerrttiieess ooff LLiigghhtt
 WWaavvee mmooddeell
 CCllaassssiiccaall ssiinnuussooiiddaall wwaavvee
 UUnniiqquuee iinn tthhaatt ccaann ttrraavveell
tthhrroouugghh aa vvaaccuuuumm
 DDeessccrriibbeess rreefflleeccttiioonn,,
rreeffrraaccttiioonn,, ddiiffffrraaccttiioonn,,
iinntteerrffeerreennccee,, aanndd DDoopppplleerr EEffffeecctt pphheennoommeennaa,, eettcc..
 PPaarrttiiccllee mmooddeell
 ““pphhoottoonn””
 DDeessccrriibbeess aabbssoorrppttiioonn aanndd eemmiissssiioonn pphheennoommeennaa
Image from http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Wave.png

6. TThhee eeyyeess mmeeddiiaattee ssiigghhtt
 FFuunnccttiioonn
 SSeennssoorryy oorrggaann ffoorr ssiigghhtt
 DDeetteeccttss lliigghhtt aanndd ccoonnvveerrttss iitt iinnttoo nneeuurraall rreessppoonnsseess tthhaatt tthhee
bbrraaiinn iinntteerrpprreettss
Petr Novák, Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Eye_iris.jpg

7. EEyyee AAnnaattoommyy
 AAnnaattoommyy
 LLiigghhtt eenntteerrss tthhee eeyyee
tthhrroouugghh tthhee ppuuppiill
 PPhhoottoorreecceeppttoorrss ((lliigghhtt--
sseennssiinngg cceellllss)) aarree
llooccaatteedd iinn tthhee rreettiinnaa
 RReettiinnaa aaccttss lliikkee tthhee ffiillmm
iinn aa ccaammeerraa
 GGOOAALL:: ttoo ffooccuuss tthhee
iimmaaggee oonn tthhee bbaacckk ooff
tthhee rreettiinnaa http://en.wikipedia.org/wiki/Eye
HHooww aarree iimmaaggeess ffoorrmmeedd??

8. IImmaaggee FFoorrmmaattiioonn:: AAppeerrttuurreess
 AAppeerrttuurreess
 ““ooppeenniinnggss””
 BBaassiiss ooff aa ppiinnhhoollee
ccaammeerraa
 DDaarrkk bbooxx
 ssmmaallll ““ppiinnhhoollee”” ttoo lleett iinn
lliigghhtt
 IImmaaggee ssccrreeeenn oonn
ooppppoossiittee ssiiddee ooff hhoollee
 AAllll lliigghhtt rraayyss ffrroomm aa
sscceennee ppaassss tthhrroouugghh
ssiinnggllee ppooiinntt ((ffooccuussiinngg))
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pinhole-camera.svg
Matthew Clemente; http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pinhole_hydrant_neg_pos.jpg

9. TThhee PPuuppiill iiss aann AAppeerrttuurree
 PPuuppiill
 OOppeenniinngg iinn tthhee cceenntteerr ooff
tthhee eeyyeebbaallll
 BBoouunnddeedd bbyy tthhee IIrriiss
 TThhee iirriiss ccoonnttrroollss tthhee ssiizzee ooff
tthhee ppuuppiill
 OOppeenniinngg tthhrroouugghh wwhhiicchh
lliigghhtt eenntteerrss tthhee eeyyee
PPuuppiill
IIrriiss
Petr Novák, Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Eye_iris.jpg

10. IImmaaggee FFoorrmmaattiioonn:: AAppeerrttuurreess
 TToo aacchhiieevvee aa cclleeaarr iimmaaggee oonn
aann iimmaaggee ssccrreeeenn,, tthhee
aappeerrttuurree mmuusstt bbee vveerryy ssmmaallll
 PPrroobblleemmss::
 SSmmaalllleerr aappeerrttuurree::
 FFeewweerr pphhoottoonnss ggeett tthhrroouugghh
 DDiimmmmeerr iimmaaggee
 DDiiffffrraaccttiioonn aanndd VViiggnneettttiinngg
bbeeccoommee ssiiggnniiffiiccaanntt
 IImmaaggee ssiizzee iiss llaarrggee
 SSoolluuttiioonn????
Small Aperture
Large Aperture

11. DDiiffffrraaccttiioonn
 AAppppaarreenntt sspprreeaaddiinngg oouutt ooff wwaavveess ppaasstt ssmmaallll
ooppeenniinnggss
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Diffraction1.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wave_Diffraction_4Lambda_Slit.png
Single Slit Diffraction Pattern

12. DDiiffffrraaccttiioonn bbyy aa ssmmaallll aappeerrttuurree
0.0
1.0
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Airy-pattern.svg

13. VViiggnneettttiinngg
 RReedduuccttiioonn ooff aann iimmaaggee’’ss bbrriigghhttnneessss aatt tthhee ppeerriipphheerryy
ccoommppaarreedd ttoo tthhee cceenntteerr
 DDuuee ttoo ooppttiiccaall eelleemmeennttss sshhaaddiinngg eelleemmeennttss bbeehhiinndd tthheemm,,
rreedduucciinngg tthhee eeffffeeccttiivvee aappeerrttuurree
David Ball, 2007
http://en.wikipedia.
org/wiki/File:Backli
ght-wedding.jpg

14. LLeennsseess aarree tthhee SSoolluuttiioonn ttoo tthhee
AAppeerrttuurree PPrroobblleemmss
 LLeennsseess mmoovvee tthhee ffooccuuss
ooff tthhee lliigghhtt wwaavveess ppaasstt
tthhee aappeerrttuurree
 FFooccuusseess tthhee iimmaaggee oonn tthhee
ssccrreeeenn
 AAlllloowwss ffoorr
wwiiddeerr aappeerrttuurreess
 PPrroodduucceess
ssmmaalllleerr iimmaaggeess
Large Aperture Problem
Modified from: Aperture & Lens Solution
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Lens3.svg

15. LLeennsseess ooff tthhee EEyyee
http://en.wikipedia.org/wiki/Eye

16. LLeennsseess ooff tthhee EEyyee
 CCoorrnneeaa
 CCrryyssttaalllliinnee LLeennss
http://en.wikipedia.org/wiki/Eye
 PPrriimmaarryy ffuunnccttiioonn == ffooccuuss tthhee iimmaaggee oonn tthhee bbaacckk
ooff tthhee rreettiinnaa
Focus

17. RReeffrraaccttiioonn
 BBeennddiinngg ooff tthhee ppaatthh ooff aa lliigghhtt wwaavvee aass iitt ppaasssseess
aaccrroossss tthhee bboouunnddaarryy sseeppaarraattiinngg ttwwoo mmeeddiiaa
 CCaauussee::
 CChhaannggee iinn tthhee ssppeeeedd ooff tthhee lliigghhtt wwaavvee
 NNoo cchhaannggee iinn ssppeeeedd == nnoo rreeffrraaccttiioonn!!
Material A (fast)
Material B (slow)

18. OOppttiiccaall DDeennssiittyy
 OOppttiiccaall ddeennssiittyy ooff aa mmaatteerriiaall ddeetteerrmmiinneess tthhee
ssppeeeedd ooff aa wwaavvee ppaassssiinngg tthhrroouugghh iitt
 ↑↑ OOppttiiccaall ddeennssiittyy == ↓↓ SSppeeeedd
 HHooww ttoo rreemmeemmbbeerr tthhiiss ccoonncceepptt
 WWaatteerr iiss mmoorree ddeennssee tthhaann aaiirr
 HHaarrddeerr ttoo ppuusshh yyoouurrsseellff tthhrroouugghh wwaatteerr tthhaann aaiirr
 TThhiinnkk ooff wwaallkkiinngg oonn ggrroouunndd ((tthhrroouugghh aaiirr)) vveerrssuuss iinn aa ppooooll
((tthhrroouugghh wwaatteerr))
 HHaarrddeerr,, ssoo yyoouu ssllooww ddoowwnn

19. IInnddeexx ooff RReeffrraaccttiioonn
 AAbbbbrreevviiaatteedd aass ““nn””
 IInnddiiccaattoorr ooff ooppttiiccaall
ddeennssiittyy
 IInnddiiccaatteess tthhee nnuummbbeerr ooff
ttiimmeess sslloowweerr tthhaatt aa lliigghhtt
wwaavvee wwoouulldd mmoovvee
tthhrroouugghh tthhaatt mmaatteerriiaall
tthhaann iitt wwoouulldd iinn aa
vvaaccuuuumm..
MMaatteerriiaall IInnddeexx ooff
RReeffrraaccttiioonn
VVaaccuuuumm 11..0000
AAiirr 11..00033
IIccee 11..3311
WWaatteerr 11..3333
CCrroowwnn GGllaassss 11..5522
FFlliinntt GGllaassss 11..5588--11..6666
DDiiaammoonndd 22..441177

20. RReeffrraaccttiioonn:: WWhhaatt ddiirreeccttiioonn??
 FFSSTT == FFaasstt ttoo SSllooww,,
TToowwaarrddss NNoorrmmaall
 LLooww ooppttiiccaall ddeennssiittyy,, llooww nn
ttoo
hhiigghh ooppttiiccaall ddeennssiittyy,, hhiigghh nn
 LLiigghhtt rraayy bbeennddss
TTOOWWAARRDDSS nnoorrmmaall
 SSFFAA == SSllooww ttoo FFaasstt,,
AAwwaayy ffrroomm NNoorrmmaall
 HHiigghh nn ttoo llooww nn
 LLiigghhtt rraayy bbeennddss AAWWAAYY
ffrroomm nnoorrmmaall
Marching Soldiers Analogy
Incidence at non-perpendicular
angle to boundary
Physics Classroom Tutorial: Refraction and the Ray Model of Light
http://www.ddart.net/science/physics/physics_tutorial/Class/refrn/U14L1c.html

21. RReeffrraaccttiioonn:: WWhhaatt ddiirreeccttiioonn??
 WWhhaatt hhaappppeennss iiff yyoouu
aapppprrooaacchh ppeerrppeennddiiccuullaarr
ttoo tthhee bboouunnddaarryy????
 NNOO rreeffrraaccttiioonn!!
 LLiigghhtt mmuusstt aapppprrooaacchh tthhee
bboouunnddaarryy aatt aann aannggllee ffoorr
rreeffrraaccttiioonn ttoo ooccccuurr..
Marching Soldiers Analogy
Incidence at perpendicular
angle to boundary
Physics Classroom Tutorial: Refraction and the Ray Model of Light
http://www.ddart.net/science/physics/physics_tutorial/Class/refrn/U14L1c.html

22. RReeffrraaccttiioonn:: HHooww MMuucchh??
 SSnneellll’’ss LLaaww
 QQuuaannttiittaattiivvee aannsswweerr ttoo tthhee
qquueessttiioonn ooff ““BByy hhooww mmuucchh
ddooeess tthhee lliigghhtt rraayy rreeffrraacctt??””
 nnii**ssiinnee((θθii)) == nnrr**ssiinnee((θθrr))
 nnii == iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff
iinncciiddeenntt mmeeddiiaa
 nnrr == iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff
rreeffrraaccttiivvee mmeeddiiuumm
 θθii == aannggllee ooff iinncciiddeennccee
 θθrr == aannggllee ooff rreeffrraaccttiioonn
 ****AAnngglleess aarree mmeeaassuurreedd ffrroomm
Normal
Θi
Θr
Material A ni
Material B nr
Modeled after Physics Classroom Tutorial:
Refraction and the Ray Model of Light
 GGrreennaaoottrrememrraa lltthhee ddiiffffeerreennccee iinn nn’’ss,, tthhee ggrreeaatteerr tthhee ddiiffffeerreennccee iinn
aannggllee ooff iinncciiddeennccee aanndd rreeffrraaccttiioonn ((== mmoorree bbeennddiinngg))
 IIff nnii == nnrr,, tthheenn nnoo rreeffrraaccttiioonn!!!!

23. FFooccuussiinngg bbyy LLeennsseess
 EEsssseennttiiaallllyy aa ttwwoo bboouunnddaarryy ssyysstteemm
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lens2a.png

24. CCoonnvveerrggiinngg LLeennsseess
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lens1.svg

25. DDiivveerrggiinngg LLeennss
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lens1b.svg

26. FFooccuussiinngg bbyy LLeennsseess
 FFooccaall lleennggtthh ((ff))
 QQuuaannttiiffiiccaattiioonn ooff tthhee aammoouunntt bbyy
wwhhiicchh lliigghhtt iiss bbeenntt bbyy tthhee lleennss
 EEqquuaall ttoo tthhee ddiissttaannccee aatt wwhhiicchh tthhee
oouuttggooiinngg lliigghhtt rraayyss iinntteerrsseecctt ((ffooccaall
ppooiinntt)) wwhheenn tthhee iinnccoommiinngg lliigghhtt rraayyss
aarree ppaarraalllleell
 MMeeaassuurreedd iinn mmeetteerrss
 BByy ccoonnvveennttiioonn::
 CCoonnvveerrggiinngg lleennsseess == ppoossiittiivvee ffooccaall
lleennggtthh
 DDiivveerrggiinngg lleennsseess == nneeggaattiivvee ffooccaall
lleennggtthh
 DDeetteerrmmiinneedd bbyy::
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lens1.svg
 CCuurrvvaattuurree ooff tthhee lleennss
 RReellaattiivvee ddiiffffeerreennccee iinn iinnddeexxeess ooff
rreeffrraaccttiioonn http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lens1b.svg

27. RReeffrraaccttiivvee PPoowweerr ooff LLeennsseess
 ““ffooccuussiinngg ppoowweerr ooff lleennss””
 MMeeaassuurreedd iinn DDiioopptteerrss ((DD))
 PPoowweerr ((DD)) == 11 mm//ff
 ff == ffooccaall lleennggtthh ((mmeetteerrss))

28. Lenses ooff tthhee EEyyee:: RReeffrraaccttiivvee PPoowweerr
 CCoorrnneeaa
 CCrryyssttaalllliinnee LLeennss
Air, n = 1.000
Cornea, n = 1.376
Aqueous humor, n = 1.336
Crystalline Lens, n = 1.406
Vitreous humor, n = 1.336
Focus

29. Lenses ooff tthhee EEyyee:: RReeffrraaccttiivvee PPoowweerr
 CCoorrnneeaa
 22//33 ttoottaall ffooccuussiinngg ppoowweerr ((3399 -- 4488 ddiioopptteerrss))
 CCrryyssttaalllliinnee LLeennss
 11//33 ffooccuussiinngg ppoowweerr ((1155 -- 2244 ddiioopptteerrss))
Air, n = 1.000
Cornea, n = 1.376
Aqueous humor, n = 1.336
Crystalline Lens, n = 1.406
Vitreous humor, n = 1.336
Focus

30. OObbjjeecctt--IImmaaggee RReellaattiioonnsshhiipp
 IImmaaggee llooccaattiioonn cchhaannggeess ddeeppeennddiinngg oonn oobbjjeecctt
ddiissttaannccee ffoorr aa ggiivveenn lleennss’’ ffooccaall lleennggtthh
 TThhee LLeennss EEqquuaattiioonn
 11//ff == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
Modeled after Physics
Classroom Tutorial:
Refraction and the Ray Model
of Light
http://www.ddart.net/
science/physics/physic
s_tutorial/Class/refrn/
U14L5db.html
2f f f

31. PPrroobblleemm
 RReettiinnaa iiss aa ffiixxeedd ddiissttaannccee ffrroomm tthhee ccoorrnneeaa--lleennss
ssyysstteemm ((~~2222 mmmm oorr 22..22 ccmm))
 LLeennss EEqquuaattiioonn
 11//ff == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 IInn tthhee eeyyee,,
 ddiimmaaggee iiss ffiixxeedd == ddiissttaannccee bbeettwweeeenn ccoorrnneeaa lleennss ssyysstteemm aanndd
tthhee rreettiinnaa
 ddoobbjjeecctt iiss ffiixxeedd == ddiissttaannccee bbeettwweeeenn tthhee eeyyee aanndd tthhee oobbjjeecctt
bbeeiinngg vviieewweedd
 SSoolluuttiioonn????

32. TThhee SSoolluuttiioonn iiss AAccccoommooddaattiioonn
 AAccccoommooddaattiioonn
 TThhee aabbiilliittyy ooff tthhee eeyyee ttoo
cchhaannggee iittss ffooccaall lleennggtthh ((ff))
 MMeeddiiaatteedd bbyy tthhee lleennss aanndd
cciilliiaarryy mmuusscclleess http://en.wikipedia.org/wiki/Eye
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/vision/eyescal.html

33. AAccccoommooddaattiioonn
VViieewwiinngg NNeeaarrbbyy OObbjjeeccttss
 CCiilliiaarryy mmuusscclleess ccoonnttrraacctt
 SSqquueeeezzee tthhee lleennss iinnttoo aa mmoorree
ccoonnvveexx ((ffaatt)) sshhaappee
 PPuusshheess ccoorrnneeaa bbuullggee oouutt
ffuurrtthheerr == ggrreeaatteerr ccuurrvvaattuurree
 CC--LL ssyysstteemm hhaass aa sshhoorrtt
ffooccaall lleennggtthh
 HHiigghh rreeffrraaccttiivvee ppoowweerr
VViieewwiinngg DDiissttaanntt OObbjjeeccttss
 CCiilliiaarryy mmuusscclleess rreellaaxxeedd
 LLeennss aassssuummeess aa ffllaatttteerr
((sskkiinnnniieerr)) sshhaappee
 CCoorrnneeaa iiss nnoott ppuusshheedd
oouutt == lleessss ccuurrvvaattuurree
 CC--LL ssyysstteemm hhaass aa
lloonngg ffooccaall lleennggtthh
 LLooww rreeffrraaccttiivvee PPoowweerr
Erin Silversmith, AzaToth http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Focus_in_an_eye.svg

34. FFaarr PPooiinntt
 FFaarrtthheesstt ppooiinntt aatt wwhhiicchh aann oobbjjeecctt ccaann bbee bbrroouugghhtt
iinnttoo ffooccuuss bbyy tthhee eeyyee
 TTyyppiiccaallllyy iiss iinnffiinniittyy
 DDeeccrreeaasseess wwiitthh aaggee

35. NNeeaarr PPooiinntt
 CClloosseesstt ppooiinntt aatt wwhhiicchh aann oobbjjeecctt ccaann bbee bbrroouugghhtt
iinnttoo ffooccuuss bbyy tthhee eeyyee
 IIddeeaallllyy ~~255 ccmm
 FFiinnggeerr EExxppeerriimmeenntt
 LLiimmiitteedd bbyy tthhee ccuurrvvaattuurree ooff tthhee ccoorrnneeaa aanndd
aaddjjuussttaabbllee rraaddiiii ooff tthhee lleennss
 RReecceeddeess wwiitthh aaggee ((ccaann lleeaadd ttoo ffaarrssiigghhtteeddnneessss))

36. TThhee PPoowweerr ooff AAccccoommooddaattiioonn
 WWhhaatt iiss tthhee mmaaxxiimmuumm cchhaannggee iinn ffooccuussiinngg ppoowweerr dduuee ttoo
aaccccoommooddaattiioonn ffoorr aa ttyyppiiccaall eeyyee??
 PPaaccccoommooddaattiioonn == PPffaarr ppooiinntt -- PPnneeaarr ppooiinntt
 PP == 11//ff
 11//ff == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 AAssssuummee iimmaaggee ddiissttaannccee ((lleennss ttoo rreettiinnaa)) == 2 ccmm
 11//ffffaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPffaarr ppooiinntt == 11//iinnffiinniittyy ++ 11//00..002 == 00 ++ 5500 == 5500 DD
 11//ffnneeaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPnneeaarr ppooiinntt == 11//00..255 ++ 11//00..002 == 44 ++ 5500 == 5544 DD
 PPaaccccoommooddaattiioonn == PPffaarr ppooiinntt -- PPnneeaarr ppooiinntt == 5500 DD –– 5544 DD == 44 DD

37. VViissuuaall DDeeffeeccttss aanndd CCoorrrreeccttiioonn
 VViissuuaall ddeeffeeccttss
 WWhheenn aann eeyyee ccaannnnoott ffooccuuss aann oobbeecctt’’ss iimmaaggee oonn tthhee rreettiinnaa
 IImmaaggee ffoorrmmeedd iinn ffrroonntt ooff oorr bbeehhiinndd tthhee rreettiinnaa
 RReessuullttss iinn bblluurrrreedd vviissiioonn
 TTyyppiiccaall ccaauusseess::
 AAbbnnoorrmmaall lleennggtthh ooff tthhee eeyyeebbaallll
 AAbbnnoorrmmaall ccuurrvvaattuurree ooff tthhee ccoorrnneeaa
 AAbbnnoorrmmaall aaccccoommooddaattiioonn
 CCoorrrreeccttiioonn
 GGllaasssseess oorr CCoonnttaacctt lleennsseess

38. HHyyppeerrooppiiaa ((FFaarrssiigghhtteeddnneessss))
 IINNAABBIILLIITTYY ooff tthhee eeyyee ttoo ffooccuuss oonn NNEEAARRBBYY oobbjjeeccttss
 ““CCaann sseeee ffaarr”” –– nnoo ddiiffffiiccuullttyy ffooccuussiinngg oonn ddiissttaanntt oobbjjeeccttss
 IImmaaggeess ooff nneeaarrbbyy oobbjjeeccttss aarree ffoorrmmeedd aatt aa llooccaattiioonn
BBEEHHIINNDD tthhee rreettiinnaa
 NNeeaarr ppooiinntt iiss llooccaatteedd ffaarrtthheerr aawwaayy ffrroomm tthhee eeyyee

39. HHyyppeerrooppiiaa:: CCaauusseess
 SShhoorrtteenneedd eeyyeebbaallll ((rreettiinnaa iiss cclloosseerr tthhaann nnoorrmmaall ttoo tthhee ccoorrnneeaa lleennss
ssyysstteemm))
 AAxxiiaall hhyyppeerrooppiiaa
 CCoorrnneeaa iiss ttoooo ffllaatt
 RReeffrraaccttiivvee hhyyppeerrooppiiaa
 LLeennss ccaann nnoott aassssuummee aa hhiigghhllyy ccoonnvveexx ((ffaatt)) sshhaappee
 RReeffrraaccttiivvee hhyyppeerrooppiiaa

40. HHyyppeerrooppiiaa:: CCoorrrreeccttiioonn
 NNeeeedd ttoo rreeffooccuuss tthhee iimmaaggee oonn tthhee rreettiinnaa
 DDeeccrreeaassee tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm
 AAdddd aa ccoonnvveerrggiinngg lleennss ((ppoossiittiivvee ppoowweerr,, ++DD))

41. PPrreessbbyyooppiiaa
 ““AAfftteerr –– 4400”” vviissiioonn
 PPrrooggrreessssiivveellyy ddiimmiinniisshheedd aabbiilliittyy ttoo ffooccuuss oonn nneeaarr
oobbjjeeccttss aass oonnee aaggeess
 SSiimmiillaarr ttoo hhyyppeerrooppiiaa,, bbuutt ddiiffffeerreenntt ccaauussee
 TTyyppee ooff rreeffrraaccttiivvee hhyyppeerrooppiiaa
 CCaauussee == ddiimmiinniisshheedd ppoowweerr ooff aaccccoommooddaattiioonn dduuee ttoo
nnaattuurraall pprroocceessss ooff aaggiinngg
 RReedduucceedd eellaassttiicciittyy ooff tthhee lleennss
 WWeeaakkeenniinngg ooff tthhee cciilliiaarryy mmuusscclleess
 CChhaannggeess iinn lleennss ccuurrvvaattuurree dduuee ttoo
ccoonnttiinnuueedd ggrroowwtthh
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Specrx-accom.png

42. MMyyooppiiaa ((NNeeaarrssiigghhtteeddnneessss))
 IInnaabbiilliittyy ooff tthhee eeyyee ttoo ffooccuuss oonn DDIISSTTAANNTT oobbjjeeccttss
 ““CCaann sseeee nneeaarr”” –– nnoo ddiiffffiiccuullttyy ffooccuussiinngg oonn nneeaarrbbyy
oobbjjeeccttss
 IImmaaggeess ooff ddiissttaanntt oobbjjeeccttss aarree ffoorrmmeedd iinn ffrroonntt ooff tthhee
rreettiinnaa
 FFaarr ppooiinntt iiss cclloosseerr tthhaann nnoorrmmaall

43. CCaauusseess ooff MMyyooppiiaa
 NNoott uussuuaallllyy ccaauusseedd bbyy aaggiinngg
 EElloonnggaatteedd eeyyeebbaallll ((rreettiinnaa iiss ffaarrtthheerr aawwaayy tthhaann nnoorrmmaall
ffrroomm tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm))
 AAxxiiaall mmyyooppiiaa
 BBuullggiinngg ccoorrnneeaa ((ggrreeaatteerr ccuurrvvaattuurree))
 RReeffrraaccttiivvee mmyyooppiiaa

44. CCoorrrreeccttiioonn ooff MMyyooppiiaa
 NNeeeedd ttoo rreeffooccuuss tthhee iimmaaggee oonn tthhee rreettiinnaa
 IInnccrreeaassee tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm
 AAdddd aa ddiivveerrggiinngg lleennss ((nneeggaattiivvee ppoowweerr,, --DD))

45. AAssttiiggmmaattiissmm
 MMoosstt ccoommmmoonn rreeffrraaccttiivvee eerrrroorr
 BBlluurrrreedd oorr ssoommeettiimmeess ddiissttoorrtteedd vviissiioonn aatt aannyy
ddiissttaannccee
 CCaauussee::
 IIrrrreegguullaarrllyy sshhaappeedd ccoorrnneeaa oorr lleennss
 MMoorree oobblloonngg tthhaann sspphheerriiccaall
 RReeffrraaccttiivvee ppoowweerr ddiiffffeerrss bbeettwweeeenn rreeggiioonnss
 CCoorrrreeccttiioonn
 GGllaasssseess
 LLeennsseess wwiitthh ddiiffffeerreenntt rraaddiiii ooff ccuurrvvaattuurree iinn ddiiffffeerreenntt ppllaanneess

46. PPoowweerr ooff CCoorrrreeccttiivvee EEyyeewweeaarr
 WWhhaatt iiss tthhee ssttrreennggtthh ooff lleennss nneeeeddeedd ttoo ccoorrrreecctt aa mmyyooppiicc eeyyee tthhaatt
hhaass aa ffaarr ppooiinntt ooff 2..00 mm??
 PPccoorrrreeccttiivvee == PPddeessiirreedd -- PPaaccttuuaall
 PP == 11//ff
 11//ff == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 AAssssuummee iimmaaggee ddiissttaannccee ((lleennss ttoo rreettiinnaa)) == 2 ccmm
 DDeessiirreedd::
 11//ffddeessiirreedd ffaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPddeessiirreedd ffaarr ppooiinntt == 11//iinnffiinniittyy ++ 11//00..002 == 00 ++ 5500 == 5500 DD
 AAccttuuaall::
 11//ffaaccttuuaall ffaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPaaccttuuaall ffaarr ppooiinntt == 11//2 ++ 11//00..002 == 00..55 ++ 5500 == 5500..55 DD
 PPccoorrrreeccttiivvee == PPddeessiirreedd -- PPaaccttuuaall == 5500 DD –– 5500..55 DD == --00..55 DD
****CChheecckk SSiiggnn ooff ccoorrrreeccttiivvee ppoowweerr ((DDooeess iitt mmaakkee sseennssee??))

47. DDiiffffrraaccttiioonn
 AAppppaarreenntt sspprreeaaddiinngg oouutt ooff wwaavveess ppaasstt ssmmaallll
ooppeenniinnggss
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Diffraction1.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wave_Diffraction_4Lambda_Slit.png
Single Slit Diffraction Pattern

48. DDiiffffrraaccttiioonn bbyy aa ssmmaallll aappeerrttuurree
0.0
1.0
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Airy-pattern.svg

49. MMoorree iinnffoo oorr ccllaarriiffiiccaattiioonn
 ccrryyssttaall..ccoorrnneetttt@@uuttaahh..eedduu
 TThhee PPhhyyssiiccss CCllaassssrroooomm TTuuttoorriiaall
 hhttttpp::////wwwwww..gglleennbbrrooookk..kk1122..iill..uuss//GGBBSSSSCCII//PPHHYYSS//CCllaassss//

50. RReevviieeww QQuueessttiioonnss
LLeeccttuurree 11:: OOppttiiccss

51. QQuueessttiioonn ## 11
QQuueessttiioonn:: WWhhaatt iiss tthhee eeyyee??
AA.. AA sseennssoorryy oorrggaann mmeeddiiaattiinngg tthhee sseennssee ooff ssiigghhtt
BB.. AA ssttrruuccttuurree tthhaatt ddeetteeccttss lliigghhtt aanndd ccoonnvveerrttss iitt iinnttoo
nneeuurraall rreessppoonnsseess tthhaatt tthhee bbrraaiinn iinntteerrpprreettss
CC.. AA ssttrruuccttuurree wwhhoossee aannaattoommyy iiss ddeessiiggnneedd ttoo ffooccuuss
lliigghhtt rraayyss ssoo tthhaatt aann iimmaaggee iiss ffoorrmmeedd oonn tthhee bbaacckk ooff
tthhee rreettiinnaa
DD.. AAllll ooff tthhee aabboovvee
AAnnsswweerr:: DD.. AAllll ooff tthhee aabboovvee

52. QQuueessttiioonn ## 22
QQuueessttiioonn:: CCoonnvveerrggiinngg lleennsseess ooff tthhee eeyyee
AA.. IInncclluuddee tthhee ccoorrnneeaa aanndd ccrryyssttaalllliinnee lleennss
BB.. IInncclluuddee tthhee ccoorrnneeaa aanndd ppuuppiill
CC.. RReeffrraacctt lliigghhtt rraayyss ttoo ffooccuuss tthhee iimmaaggee oonn tthhee bbaacckk ooff tthhee
rreettiinnaa
DD.. BBootthh AA aanndd BB
EE.. BBootthh AA aanndd CC
AAnnsswweerr:: EE..
TThhee ccoorrnneeaa aanndd ccrryyssttaalllliinnee lleennss aarree tthhee ttwwoo lleennsseess ooff tthhee eeyyee..
TThhee ppuuppiill iiss aann aappeerrttuurree,, nnoott aa lleennss,, wwhhiicchh aalllloowwss lliigghhtt rraayyss ttoo
ppaassss tthhrroouugghh bbuutt ddooeess nnoott rreeffrraacctt tthheemm.. TThhee ccoorrnneeaa--lleennss
ssyysstteemm rreeffrraaccttss ((bbeennddss)) iinncciiddeenntt lliigghhtt rraayyss ttoo ffooccuuss tthhee iimmaaggee
oonn tthhee bbaacckk ooff tthhee rreettiinnaa

53. QQuueessttiioonn ## 33
QQuueessttiioonn:: UUnnddeerr wwhhaatt cciirrccuummssttaanncceess wwiillll rreeffrraaccttiioonn
ooccccuurr??
AA.. WWhheenn aa lliigghhtt rraayy ppaasssseess aaccrroossss aannyy bboouunnddaarryy
BB.. WWhheenn aa lliigghhtt rraayy aapppprrooaacchheess aatt aann aannggllee ttoo aa bboouunnddaarryy
CC.. WWhheenn aa lliigghhtt rraayy cchhaannggeess ssppeeeedd dduuee ttoo eennttrraannccee iinnttoo aa
mmaatteerriiaall ooff aa ddiiffffeerreenntt ooppttiiccaall ddeennssiittyy
DD.. AA aanndd BB
EE.. BB aanndd CC
FF.. AAllll ooff tthhee aabboovvee
AAnnsswweerr:: EE.. BBootthh BB aanndd CC aarree ttrruuee..

54. QQuueessttiioonn ## 44
QQuueessttiioonn:: WWhhaatt iiss tthhee ddiirreeccttiioonn ooff rreeffrraaccttiioonn iiff tthhee lliigghhtt wwaavvee
ccrroosssseess aa bboouunnddaarryy ffrroomm aa mmaatteerriiaall wwiitthh aa hhiigghh iinnddeexx ooff
rreeffrraaccttiioonn (hhiigghh nn) iinnttoo aa mmaatteerriiaall wwiitthh aa llooww iinnddeexx ooff
rreeffrraaccttiioonn (llooww nn)??
AA.. TToowwaarrddss nnoorrmmaall
BB.. AAwwaayy ffrroomm nnoorrmmaall
AAnnsswweerr:: BB..
SSoolluuttiioonn:: hhiigghh nn == hhiigghh ooppttiiccaall ddeennssiittyy == ssllooww
llooww nn == llooww ooppttiiccaall ddeennssiittyy == ffaasstt
IIff ggooiinngg ffrroomm llaarrggee nn ttoo ssmmaallll nn,, tthheenn ggooiinngg ffrroomm
ssllooww ttoo ffaasstt mmeeddiiuumm
SSFFAA == iiff ggoo ffrroomm SSllooww ttoo FFaasstt,, tthheenn bbeenndd AAwwaayy
ffrroomm nnoorrmmaall

55. QQuueessttiioonn ## 55
QQuueessttiioonn:: YYoouu hhaavvee ccrreeaatteedd aa nneeww kkiinndd ooff ppllaassttiicc tthhaatt iiss
hhiigghhllyy ttrraannssppaarreenntt aanndd vveerryy rreessiissttaanntt ttoo ssccrraattcchhiinngg.. IItt
wwoouulldd mmaakkee aann eexxcceelllleenntt mmaatteerriiaall ffoorr uussee iinn eeyyee ggllaasssseess..
SSoo,, yyoouu nneeeedd ttoo kknnooww wwhhaatt tthhee iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn iiss ffoorr
tthhiiss nneeww mmaatteerriiaall.. YYoouu sseett uupp aa ssiimmppllee eexxppeerriimmeenntt iinn
wwhhiicchh yyoouu mmeeaassuurree tthhee aanngglleess ooff iinncciiddeennccee aanndd rreeffrraaccttiioonn
ooff aa llaasseerr lliigghhtt aass iitt ppaasssseess ffrroomm aaiirr (iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn iiss
kknnoowwnn) iinnttoo tthhee nneeww ppllaassttiicc.. WWhhaatt eeqquuaattiioonn wwoouulldd yyoouu
uussee ttoo ddeetteerrmmiinnee tthhee iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff yyoouurr nneeww
ppllaassttiicc??
AA.. LLeennss EEqquuaattiioonn
BB.. SSnneellll’’ss LLaaww
CC.. AAnnggllee EEqquuaattiioonn
DD.. RReeffrraaccttiioonn LLaaww
AAnnsswweerr:: AA.. SSnneellll’’ss LLaaww
60°
Air (“n” = 1.0003)
New Plastic (“n” = ?)
35°

56. QQuueessttiioonn ## 66
QQuueessttiioonn:: CCoonnssiiddeerr tthhee pphheennoommeennoonn ooff aaccccoommooddaattiioonn.. UUnnddeerr wwhhaatt
ccoonnddiittiioonn ddoo tthhee cciilliiaarryy mmuusscclleess hhaavvee ttoo ddoo tthhee mmoosstt wwoorrkk??
AA.. WWhheenn sshhoorrtteenniinngg tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm ttoo vviieeww ffaarr
ooffff oobbjjeeccttss
BB.. WWhheenn lleennggtthheenniinngg tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm ttoo vviieeww ffaarr
ooffff oobbjjeeccttss
CC.. WWhheenn sshhoorrtteenniinngg tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm ttoo vviieeww
oobbjjeeccttss tthhaatt aarree nneeaarr..
DD.. WWhheenn lleennggtthheenniinngg tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm ttoo vviieeww
oobbjjeeccttss tthhaatt aarree nneeaarr..
AAnnsswweerr:: CC..
TThhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa lleennss ssyysstteemm mmuusstt bbee sshhoorrtteenneedd ttoo ffooccuuss tthhee iimmaaggee ooff aa
nneeaarr oobbjjeecctt oonn tthhee bbaacckk ooff tthhee rreettiinnaa.. TThhiiss iiss aacchhiieevveedd bbyy ccoonnttrraaccttiioonn ooff tthhee cciilliiaarryy
mmuusscclleess tthhaatt ssqquueeeezzee tthhee lleennss iinnttoo aa mmoorree ccoonnvveexx ((ffaatt)) sshhaappee,, wwhhiicchh iinn ttuurrnn ppuusshheess oonn
tthhee fflluuiidd iinn tthhee cchhaammbbeerr bbeettwweeeenn tthhee lleennss aanndd ccoorrnneeaa ccaauussiinngg tthhee ccoorrnneeaa ttoo bbuullggee oouutt
ffuurrtthheerr aanndd hhaavvee aa ggrreeaatteerr ccuurrvvaattuurree.. TThhee iinnccrreeaasseedd ccuurrvvaattuurree ooff tthhee ccoorrnneeaa aanndd mmoorree
ccoonnvveexx sshhaappee ooff tthhee lleennss rreeffrraacctt lliigghhtt rraayyss mmoorree ccaauussiinngg aa sshhoorrtteenniinngg ooff tthhee ffooccaall
lleennggtthh ooff tthhee ssyysstteemm ttoo bbrriinngg nneeaarr oobbjjeeccttss iinnttoo ffooccuuss.. TThhee lloonnggeesstt ffooccaall lleennggtthh ooccccuurrss
wwhheenn tthhee cciilliiaarryy mmuusscclleess aarree rreellaaxxeedd dduurriinngg vviieewwiinngg ooff ffaarr ooffff oobbjjeeccttss..

57. QQuueessttiioonn ## 77
QQuueessttiioonn:: IIff yyoouu ttooookk aa ffiisshh oouutt ooff wwaatteerr,, wwoouulldd iitt eexxhhiibbiitt
hhyyppeerrooppiiaa oorr mmyyooppiiaa wwhheenn ttrryyiinngg ttoo sseeee iinn aaiirr??
AA.. HHyyppeerrooppiiaa
BB.. MMyyooppiiaa
AAnnsswweerr:: BB..
 WWaatteerr hhaass aann iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff 11..3333
 AAiirr hhaass aann iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff 11..00000033
 TThhee iinnddeexx ooff rreeffrraaccttiioonn ooff tthhee ccoorrnneeaa--lleennss ssyysstteemm iiss 11..3377--11..44
 BBootthh ssiittuuaattiioonnss hhaavvee lliigghhtt ttrraavveelliinngg ffrroomm ffaasstt ttoo ssllooww ssoo lliigghhtt
rraayyss wwiillll bbeenndd tthhee ssaammee ddiirreeccttiioonn iinn bbootthh ssiittuuaattiioonnss..
 GGooiinngg ffrroomm aaiirr ttoo tthhee eeyyee iiss aa ggrreeaatteerr cchhaannggee iinn tthhee iinnddeexx ooff
rreeffrraaccttiioonn == ggrreeaatteerr cchhaannggee iinn aannggllee ooff rreeffrraaccttiioonn
 SSoo iimmaaggee wwoouulldd ffoorrmm iinn ffrroonntt ooff tthhee rreettiinnaa == MMyyooppiiaa

58. Air, n = 1.000 Cornea, n = 1.376
Water, n = 1.333
Aqueous humor, n = 1.336
Crystalline Lens, n = 1.406
Vitreous humor, n = 1.336
Focus

59. QQuueessttiioonn ## 88
QQuueessttiioonn:: HHooww ddooeess aann ooppttoommeettrriisstt ccoorrrreecctt ffoorr hhyyppeerrooppiiaa??
AA.. EEqquuiippss tthhee eeyyee wwiitthh aa ddiivveerrggiinngg lleennss ttoo sshhoorrtteenn tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--
lleennss ssyysstteemm
BB.. EEqquuiippss tthhee eeyyee wwiitthh aa ddiivveerrggiinngg lleennss ttoo lleennggtthheenn tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--
lleennss ssyysstteemm
CC.. EEqquuiippss tthhee eeyyee wwiitthh aa ccoonnvveerrggiinngg lleennss ttoo sshhoorrtteenn tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--
lleennss ssyysstteemm
DD.. EEqquuiippss tthhee eeyyee wwiitthh aa ccoonnvveerrggiinngg lleennss ttoo lleennggtthheenn tthhee ffooccaall lleennggtthh ooff tthhee ccoorrnneeaa--
lleennss ssyysstteemm
AAnnsswweerr:: CC..
HHyyppeerrooppiiaa ((ffaarrssiigghhtteeddnneessss)) ooccccuurrss wwhheenn tthhee eeyyee ccaannnnoott ffooccuuss oonn nneeaarrbbyy oobbjjeeccttss bbeeccaauussee tthheeiirr
iimmaaggeess aarree ffoorrmmeedd bbeehhiinndd tthhee rreettiinnaa.. TToo rreeffooccuuss tthhee iimmaaggee oonn tthhee rreettiinnaa,, tthhee ffooccaall lleennggtthh mmuusstt bbee
sshhoorrtteenneedd.. AA sshhoorrtteerr ffooccaall lleennggtthh iiss aacchhiieevveedd bbyy iinnccrreeaassiinngg tthhee ccoonnvveerrggeenntt rreeffrraaccttiioonn ooff tthhee lliigghhtt
rraayyss aanndd ssoo aa ccoonnvveerrggiinngg lleennss iiss aaddddeedd iinn ffrroonntt ooff tthhee ccoorrnneeaa lleennss ssyysstteemm..

60. PPoowweerr ooff CCoorrrreeccttiivvee EEyyeewweeaarr
 WWhhaatt iiss tthhee ssttrreennggtthh ooff lleennss nneeeeddeedd ttoo ccoorrrreecctt aa mmyyooppiicc eeyyee tthhaatt
hhaass aa ffaarr ppooiinntt ooff 22..00 mm??
 PPccoorrrreeccttiivvee == PPddeessiirreedd -- PPaaccttuuaall
 PP == 11//ff
 11//ff == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 AAssssuummee iimmaaggee ddiissttaannccee ((lleennss ttoo rreettiinnaa)) == 22 ccmm
 DDeessiirreedd::
 11//ffddeessiirreedd ffaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPddeessiirreedd ffaarr ppooiinntt == 11//iinnffiinniittyy ++ 11//00..0022 == 00 ++ 5500 == 5500 DD
 AAccttuuaall::
 11//ffaaccttuuaall ffaarr ppooiinntt == 11//ddoobbjjeecctt ++ 11//ddiimmaaggee
 PPaaccttuuaall ffaarr ppooiinntt == 11//22 ++ 11//00..0022 == 00..55 ++ 5500 == 5500..55 DD
 PPccoorrrreeccttiivvee == PPddeessiirreedd -- PPaaccttuuaall == 5500 DD –– 5500..55 DD == --00..55 DD
****CChheecckk SSiiggnn ooff ccoorrrreeccttiivvee ppoowweerr ((DDooeess iitt mmaakkee sseennssee??))

61. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/vision/eyescal.html