แสงและการมองเห็น

        แสง คือพลังงานรูปหนึ่งที่ไม่มีตัวตน แต่สามารถทำงานได้ แสงช่วยให้เรามองเห็นสิ่งต่าง ๆ แสงเปลี่ยนมาจากพลังงานรูปหนึ่งแล้วยังเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปอื่นได้

ภาพ บทเรียนเรื่อง แสง และการมองเห็น

แหล่งกำเนิดแสง
       1. ดวงอาทิตย์ เป็นแหล่งกำเนิดแสงตามธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุดและสำคัญที่สุด

          เมื่อปี พ.ศ.2209 เซอร์ไอแซก นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทดลองเกี่ยวกับ เรื่องแสง พบว่าถ้าให้แสงอาทิตย์ส่องผ่านปริซึม แสงจะเกิดการหักเหออกมาเป็นแสงสีต่างๆ 7 สี เรียกว่า “สเปกตรัม” เริ่มจากแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นไปหาแสงสีที่มีความยาวคลื่นยาวได้ดังนี้ คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแดง ที่สามารถมองเห็นได้ นอกจากนี้ยังมีรังสีอื่นๆ ที่ไม่สามารถมองเห็นได้ ได้แก่ รังสีเหนือม่วงหรือรังสีอัลตราไวโอเลต เป็นรังสีที่มีความถี่สูงกว่าแสงสีม่วง และรังสีใต้แดงหรือรังสีอินฟาเรด เป็นรังสีที่มีความถี่ต่ำกว่าแสงสีแดง

     2. สิ่งมีชีวิต เช่น หิ่งห้อย ปลาบางชนิด

     3. เทียนไข คบเพลิง หลอดไฟฟ้า เป็นแหล่งกำเนิดที่มาจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานรูปอื่นมาเป็นพลังงานแสง ปริมาณพลังงานแสงที่ส่องออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงใดๆ ต่อหนึ่งหน่วยเวลาหรืออัตราการให้พลังงานแสงของแหล่งกำเนิดแสง มีหน่วยการวัดเป็นลูเมน หลอดไฟฟ้าที่นิยมใช้กันตามบ้านเรือนมี 2 ชนิด คือ หลอดไฟฟ้าแบบไส้ และหลอดไฟฟ้าแบบไส้ และหลอดเรืองแสงหรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ ในจำนวนวัตต์ที่เท่ากัน หลอดเรืองแสงให้ความสว่างมากกว่าหลอดไฟฟ้าแบบไส้ประมาณ 3-4 เท่า

 ส่วนประกอบของนัยน์ตา ได้แก่

1. กระจกตาหรือคอร์เนีย (cornea) อยู่ที่ผิวหน้าและหุ้มลูกนัยน์ตาไว้ เป็นตัวกลางโปร่งใส
2. เลนส์ตา (lens) เป็นเลนส์นูน ทำหน้าที่รับแสงจากวัตถุ มีความยืดหยุ่น เพื่อให้สามารถมองเห็นวัตถุที่ระยะต่างๆ กันได้ชัดเจนตลอด
3. กล้ามเนื้อยึดเลนส์ตา (ciliary muscle) สามารถหดตัวหรือคลายตัวได้ เพื่อบีบให้เลนส์ตานูนมากหรือน้อย และช่วยทำให้นัยน์ตาสามารถกลอกไปมาได้
4. ม่านตา (iris) เป็นเนื้อเยื่อส่วนที่มีสีของนัยน์ตา (แล้วแต่เชื้อชาติ) ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณแสงที่จะผ่านเข้าสู่เลนส์ตา
5. รูม่านตา (pupil) ช่องกลางม่านตา เป็นส่วนที่มีสีเข้มกลางนัยน์ตา รับแสงผ่านเข้าสู่เลนส์ตา
6. เรตินา (retina) เป็นบริเวณเนื้อเยื่อสีดำชั้นในสุด ประกอบด้วยใยประสาทที่ไวต่อแสงเป็นจำนวนมาก ประกอบด้วยเซลล์ประสาท 2 ชนิด คือ เซลล์ประสาทรูปแท่ง (rod cells) จะไวต่อแสงที่มีความเข้มน้อย ไม่สามารถจำแนกสีของแสงนั้นได้ ทำให้เกิดความรู้สึกเกี่ยวกับความมืดและความสว่าง ขาวหรือดำ และเซลล์ประสาทรูปกรวย (cone cells) ไวต่อแสงที่มีความเข้มสูงสามารถจำแนกแสงต่อละสีได้ ทำให้เกิดความรู้สึกเกี่ยวกับสี เซลล์ประสาทเหล่านี้จะรวมกันเป็นประสาทตา (optic nerve) ประสาทตาทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเข้าสู่สมองแล้วสมองจะแปลความหมายเป็นภาพที่มองเห็น

 ความผิดปกติที่เกิดกับนัยน์ตา

1. สายตาสั้น สายตาสั้นจะมองเห็นสิ่งต่างๆ ที่ระยะใกล้กว่า 25 เซนติเมตร เนื่องจากกระบอกตายาว ภาพจึงตกก่อนถึงเรตินา

               วิธีการแก้ไข สวมแว่นตาทำด้วยเลนส์เว้า เพื่อถ่วงแสงให้ไปตกถึงเรตินา

ภาพที่ 1 เลนส์เว้าแก้สายตาสั้น
ที่มา เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.

2. สายตายาว สายตายาวเกิดจากกระบอกตาสั้นเกินไป ภาพตกเลยเรตินา จะมองเห็นสิ่งต่างๆ ชัดที่ระยะไกล ส่วนระยะใกล้มองเห็นไม่ชัด

               วิธีการแก้ไข สวมแว่นตาทำด้วยเลนส์นูน เพื่อช่วยรวมแสงให้ตกใกล้เข้ามา

ภาพที่ 2 ภาพเลนส์นูนแก้สายตายาว
ที่มา เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.

3. สายตาเอียง สายตาเอียงเกิดจากผิวหน้าของเลนส์ตามีความโค้งไม่สม่ำเสมอ ทำให้เห็นภาพแนวดิ่งไม่ตรงหรือแนวราบเอียงไปจากปกติ

               วิธีการแก้ไข สวมแว่นตาทำด้วยเลนส์นูนกาบกล้วย

4. ตาเหล่ ตาเหล่เกิดจากความผิดปกติของกล้ามเนื้อตา

               วิธีการแก้ไข ถ้าเป็นน้อยๆ ฝึกการบริหารกล้ามเนื้อตา ถ้าเป็นมากจะต้องผ่าตัด

5. ตาบอดสี ตาบอดสีเกิดจากเซลล์ประสาทบนเรตินาเกี่ยวกับการมองเห็นสีผิดปกติ ส่วนใหญ่ผู้ชายจะตาบอดสีเนื่องจากกรรมพันธุ์และตาลอดสีแดงเป็นส่วนมาก ไม่สามารถแก้ไขได้และจะถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานต่อๆ ไป

การสะท้อนของแสง

            การที่เรามองเห็นวัตถุต่างๆ ได้ เพราะมีแสงจากวัตถุนั้นมาเข้าตาเรา ถ้าไม่มีแสงจากวัตถุมาเข้าตา จะเห็นวัตถุนั้นเป็นสีดำ

            รังสีของแสง เป็นเส้นที่แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง เขียนแทนด้วยเส้นตรงมีหัวลูกศร รังสีแสงแบ่งเป็น 3 แบบ คือ

                                          รังสีขนาน                             รังสีลู่เข้า                        และรังสีลู่ออก

 ภาพที่ 3 รังสีของแสงแบบต่าง ๆ 
ที่มา อนุวัฒน์ จันมะโน

           วัตถุที่สะท้อนแสงได้ดีจะมีลักษณะเป็นผิวเรียบ มัน เช่น กระจกเงาราบ เป็นต้น

การหักเหของแสง

               การหักเหเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางอย่างน้อย 2 ชนิด ที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน การหักเหจะเกิดขึ้นตรงผิวรอยต่อของตัวกลาง ถ้าแสงเดินทางผ่านตัวกลางชนิดเดียวกันแสงจะเดินทางเป็นเส้นตรง

การเกิดภาพจากกระจก

        กระจกแบ่งออกเป็นกระจกเงาระนาบและกระจกโค้ง กระจกโค้งมี 2 ชนิด คือ กระจกเว้าและกระจกนูน

        กระจกเงาระนาบหรือกระจกเงาราบ กระจกเงาชนิดนี้มีด้านหลังฉาบด้วยเงินหรือปรอทภาพที่เกิดเป็นภาพเสมือน หัวตั้ง อยู่หลังกระจก มีระยะภาพเท่ากับระยะวัตถุ และขนาดภาพเท่ากับขนาดวัตถุ ภาพที่ได้จะกลับจากขวาเป็นซ้าย เรียกว่า “ปรัศวภาควิโลม”

            ภาพที่ 4 อธิบายหลักการเรื่องการเดินทางของแสงเพื่อหาตำแหน่งภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบ 1 บาน
ที่มา http://toyphys.blogspot.com/2016/04/blog-post_30.html

            ลากเส้นรังสีตกกระทบ 2 เส้น จากวัตถุ AB โดยเส้นหนึ่งลากตั้งฉากกับกระจก (a) เมื่อตกกระทบกระจก แสงจะสะท้อนกลับแนวเดิม (a¢) ส่วนรังสีอีกเส้นหนึ่งนั้นให้ลากเอียงทำมุมกับกระจกและตกกระทบกระจก (b) แล้วสะท้อนออกมา (b¢) โดยมุมตกกระทบ (1) เท่ากับมุมสะท้อน (2) รังสีสะท้อนทั้งสองนี้ไปตัดกันที่ใด ตำแหน่งนั้นคือตำแหน่งภาพ (A¢B¢)

สรุปแสงและสมบัติของแสง
          1. การสะท้อนของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีค่าความหนาแน่นแตกต่างกัน โดยแสงจะตกกระทบกับตัวกลางใหม่ แล้วสะท้อนกลับเข้าสู่ตัวกลางเดิม
          2. กฎการสะท้อนของแสงกล่าวว่า ถ้ารังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติอยู่บนระนาบเดียวกันแล้ว ค่าของมุมตกกระทบกับมุมสะท้อนจะเท่ากันเสมอ
          3. ลักษณะของภาพที่เกิดจากกระจกนูนและกระจกเว้าขึ้นอยู่กับระยะโฟกัสและระยะวัตถุ
          4. การหักเหของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีค่าความหนาแน่นแตกต่างกันแล้วปรากฏว่า รังสีของแสงเบนไปจากแนวเดิม
          5. ลักษณะของภาพที่เกิดจากเลนส์นูนและเลนส์เว้าขึ้นอยู่กับระยะโฟกัสและระยะวัตถุ
          6. การสะท้อนกลับหมดเกิดขึ้นเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต ทำให้ไม่มีรังสีหักเหเกิดขึ้น แต่จะเห็นรังสี สะท้อนแทน
          7. ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของแสงที่เกิดจากสมบัติการสะท้อน การหักเห และการสะท้อนกลับหมดของ แสง เช่น รุ้ง พระอาทิตย์ทรงกลด และมิราจ
          8. อุปกรณ์ในชีวิตประจำวันที่นำสมบัติการหักเหและการสะท้อนของแสงมาใช้ประโยชน์ เช่น แว่นตา ทัศน อุปกรณ์ กระจก และเส้นใยนำแสง
 

สรุปสว่างและการมองเห็นสีของวัตถุ
          1. นัยน์ตาประกอบด้วยกระจกตา เลนส์ตา ม่านตา กล้ามเนื้อยึดเลนส์ตา เรตินา และเซลล์ประสาทตา ซึ่ง แต่ละส่วนจะทำงานประสานกันเพื่อให้เราเห็นภาพได้ชัดเจน
          2. เรตินาประกอบด้วยเซลล์รูปแท่งทำหน้าที่ให้ความรู้สึกเกี่ยวกับความมืดความสว่าง และเซลล์รูปกรวยซึ่งเป็นเซลล์ที่มีความไวต่อแสงสีปฐมภูมิ คือ แสงสีเขียว แสงสีแดง และแสงสีน้ำเงิน
          3. กล้ามเนื้อยึดเลนส์ตาทำหน้าที่ปรับความยาวโฟกัส ทำให้เรามองเห็นภาพชัดทั้งในระยะใกล้และไกล
          4. ความสว่างมีผลต่อนัยน์ตามนุษย์จึงมีการนำความรู้เกี่ยวกับความสว่างมาช่วยในการจัดความสว่างให้เหมาะสมกับกิจกรรมต่าง ๆ
          5. แสงสีปฐมภูมิประกอบด้วยแสงสีแดง แสงสีเขียว และแสงสีน้ำเงิน เมื่อนำมาผสมกันจะได้แสงสีใหม่
          6. เรามองเห็นสีของวัตถุได้เพราะตัวสีที่อยู่ในวัตถุทำหน้าที่ดูดกลืนแสงสีที่ส่องไปยังวัตถุนั้นแล้วสะท้อนแสงสีที่ไม่ได้ดูดกลืนเข้าสู่ตา

เลเซอร์

       เลเซอร์ (เครื่องมือผลิตแสงความเข้มสูง)  ในปีค.ศ.1964 คณะกรรมการรางวัลโนเบลประกาศมอบรางวัลโนเบลให้กับนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน ได้แก่
1.ชาร์ลส์เอช ทาวนส์(Charles H.Townes) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน
2. นิโคลาฟ บาซอฟ (Nikolay Basov) นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย
3.อเล็กซานเดอร์โพรโครอฟ (AlexanderProkhorov) นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย
     “สำหรับทฤษฎีทางควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ที่นนำมาสู่การสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า เลเซอร์ (LASER)” เลเซอร์คืออุปกรณ์ที่ให้กำเนิดลำแสงที่มีความเป็นระเบียบสูง กล่าวคือ มันเป็นแสงที่หน้าคลื่น เหมือนกัน เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน มีสีเพียงสีเดียว ซึ่งสมบัติทั้งหมดนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ สร้างแสงที่มีพลังงานสูงได้ ปัจจุบันเลเซอร์ถูกนำไปประยุกต์อย่างกว้างขวางตั้งแต่ การแพทย์ เช่น การผ่าตัดดวงตา การลบรอยสักการผ่าตัดเนื้องอกบางประเภท รวมทั้งงานด้านทันตกรรม ในด้านการทหาร เลเซอร์ถูกนำไปติดตั้งรวมกับปืนเพื่อช่วยในการเล็ง รวมทั้งใช้ในการระบุตำแหน่งของข้าศึกได้

      แสงเลเซอร์คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่แคบๆ (คลื่นแสงที่มีความถี่ค่าเดียว) หรืออาจกล่าวได้ว่า “แสงเลเซอร์เป็นแสงบริสุทธิ์ที่สุด เท่าที่นักวิทยาศาสตร์จะผลิตขึ้นมาได้” การผลิตแสงเลเซอร์เกิดขึ้นจากกระบวนการทางฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า “Light Amplification by Stimulated Emission Radiation” เรียกย่อว่า LASER ซึ่งมีความหมายคือ การเพิ่มปริมาณคลื่นแสงโดยการกระตุ้นให้ปลดปล่อยคลื่นแสงออกมา

ความเจิดจ้าในแสงเลเซอร์ 

        ในระบบการผลิตเลเซอร์ ใช้หลักการสะท้อนคลื่นแสงกลับไปกลับมาในออฟติคอลเรโซเนเตอร์ แสงที่สะท้อนกลับไปกลับมานี้จะไปเหนี่ยวนำหรือกระตุ้นให้มีการปลดปล่อยคลื่นแสงที่มีความถี่เดียวกัน และเพิ่มปริมาณแสงให้มากขึ้นจากการสะท้อน จนมีความเข้มแสงมากเพียงพอเป็นแสงเลเซอร์ในที่สุด 

คุณสมบัติเด่นของแสงเลเซอร์ที่แตกต่างทั่วไป 
       แสงเลเซอร์มีคุณสมบัติพิเศษที่สำคัญอยู่ 2 ประการ คือ เป็นคลื่นแสงที่มีความถี่ค่าเดียว (Monochromatic Light) และมีความเป็นระเบียบสูง (Coherence) ด้วยคุณสมบัติทั้งสองประการนี้ ทำให้คลื่นแสงเลเซอร์ไม่เกิดการหักล้างกันเอง และเสริมกันอยู่ตลอดเวลาตามคุณสมบัติของคลื่น ดังนั้นแสงเลเซอร์จึงมีคุณสมบัติที่โดดเด่นและแตกต่างจากแสงทั่วไป คือ

• มีความสว่างและเจิดจ้าสูง
• มีทิศทางที่แน่นอนและเคลื่อนที่ไปได้ไกลมาก
• มีการบานออกของลำแสงน้อย และสามารถบีบลำแสงได้เล็กมาก
• มีโพลาไรเซชันและความหนาแน่นของพลังงานสูง

ภาพที่ 1 การทำงานของเลเซอร์พิจารณาระดับพลังงาน (energy level)  ของอะตอม (หรือโมเลกุล) 2 ระดับ คือ อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นมีพลังงาน E₁  และ E₂  โดยที่ E₁< E₂ 
ที่มา เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.

         ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ที่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าคือ E₁  เมื่อมีโฟตอนที่มีพลังงาน  hf = E₂ - E₁  มาตกกระทบอะตอม  โฟตอนจะถูกดูดกลืน   แล้วอิเล็กตรอนในอะตอมจะถูกกระตุ้น (excite) จากระดับพลังงาน E₁ ให้ไปอยู่ที่ระดับพลังงานที่สูงกว่าคือ  E₂   ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า การดูดกลืนพลังงาน (absorption)  ดังแสดงในรูปข้างล่าง

ภาพที่ 2 กระบวนการดูดกลืนพลังงาน (absorption)
ที่มา เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.

 ชนิดของเลเซอร์

         1. ตัวกลางเลเซอร์ (laser medium) เป็นวัสดุที่ถูกกระตุ้นแล้วให้แสงเลเซอร์ออกมา ซึ่งอาจเป็นแก๊ส ของแข็ง ของเหลว หรือสารกึ่งตัวนำ
         2. ออปติคัลเรโซเนเตอร์ (optical resonator) เป็นส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดเลเซอร์ที่ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบถูกกระตุ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกจนถึงจุดเลสซิง ประกอบด้วยกระจก 2 แผ่น วางหันหน้าเข้าหากัน โดยระหว่างกลางมีตัวกลางเลเซอร์อยู่
         3. แหล่งกำเนิดพลังงาน (energy source) เป็นตัวกระตุ้นให้อะตอมอยู่ในสภาวะที่เป็นประชากรผกผัน

ภาพที่ 3 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดเลเซอร์
ที่มา เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.

        กระจกที่ทำหน้าที่เป็นออปติคัลเรโซเนเตอร์สองบานนั้น มีความสามารถในการสะท้อนแสงได้ต่างกันเล็กน้อย กล่าวคือ กระจกแผ่นหลังตัวกลางเลเซอร์สามารถสะท้อนแสงได้หมด ในขณะที่กระจกแผ่นหน้าสะท้อนแสงได้เกือบหมด โดยมีปริมาณแสงบางส่วนทะลุผ่านไปได้ แสงที่ทะลุผ่านออกไปก็คือแสงเลเซอร์นั่นเอง

 การประยุกต์ใช้งานเลเซอร์

 1. งานอุตสาหกรรมได้แก่

        Marking and Cutting คือการนำแสงเลเซอร์ไปทำให้เกิดเป็นรอยหรือตัดวัสดุ โดยการควบคุมให้ลำแสงเลเซอร์ไปตกยังชิ้นงานด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้วจะมีระบบเลเซอร์ marking and cutting แบ่งออกเป็น 2 แบบหลัก คือ (1) แบบให้ชิ้นงานเคลื่อนที่ ซึ่งสามารถทำการ mark หรือตัดวัสดุที่มีความละเอียดสูงได้เป็นอย่างดี ตัวอย่างเช่นการ mark บนตัวไอซี เป็นต้น และ (2) แบบระบบลำแสงเคลื่อนที่ (flying optics) ซึ่งจะนิยมใช้ในระบบที่มีพื้นที่การทำงานขนาดใหญ่และเลเซอร์กำลังสูง ข้อดีของการใช้เลเซอร์ในงานประเภทนี้คือไม่มีการสะสมความร้อนในวัสดุ ทำให้วัสดุไม่เกิดการบิดงอหลังจากทำการตัดแล้ว

        Welding หรือการเชื่อม คือการใช้ความร้อนของลำแสงเลเซอร์มาหลอมละลายวัสดุ 2 ชิ้น ให้เป็นเนื้อเดียวกันในบริเวณที่ถูกลำแสงเลเซอร์
ข้อดีของการใช้เลเซอร์ในการเชื่อมคือ จุดที่เชื่อมสามารถกำหนดให้มีขนาดเล็กมาก ๆ ได้ เช่น การเชื่อมเส้นทองจากแผ่นชิปวงจรไอซี และระบบเลเซอร์เชื่อม นอกจากนี้ความร้อนที่ สะสมในวัสดุมีน้อยมาก เนื่องจากเป็นการใช้พลังงานสูงในช่วงเวลาสั้นมาก ๆ จึงสามารถควบคุมและกำหนดคุณลักษณะของบริเวณผิวรอยเชื่อมได้เป็นอย่างดี

        Drilling หรือการเจาะ โดยทั่วไปจะใช้เจาะรูที่มีขนาดเล็กมาก ๆ หรือใช้กับวัสดุที่มีความแข็งสูง เช่น เซรามิกส์ เพชร

2. งานด้านการแพทย์เช่น การผ่าตัวผิวหนัง การผ่าตัดแก้ไขสายตา และแม้กระทั่งการกำจัดมะเร็งที่ผิวหนัง

3. งานด้านการทหารเช่น ระบบการนำวิถีของจวรด

4. งานด้านการค้นคว้าวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์ขั้นสูง

อันตรายต่อนัยน์ตา
        ลำแสงเลเซอร์กำลังสูง เช่นที่ใช้สนการตัดเหล็ก หรือแม้กระทั่งแกะสลักไม้ ก็สามารถทำอันตรายผิวหนังได้ แต่ที่อันตรายที่สุดคือ เมื่อลำแสงเลเซอร์เข้าตา เพราะตาเป็นส่วนที่ไวแสงมากที่สุด นอกจากนี้เลนส์แก้วตายังรวมแสงให้โฟกัสบนเรตินา ทำให้ความเช้มแสงสูงมากขึ้นกว่าที่ตกบนแก้วตาประมาณ 1 แสนเท่า

องค์ประกอบของนัยน์ตามนุษย์

     หลายคนคงทราบว่าการจ้องมองดวงอาทิตย์ตอนกลางวันเพียงครู่หนึ่ง สามารถทำให้ตามองไม่เห็นได้ชั่วครู้ และการให้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้ม มากพอเข้าสู่ตา สามารถทำให้ตาบอดได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นกับปัจจัยหลายอย่าง ไม่เพียงแต่ความเข้มแสงเท่านั้น ยังขึ้นกับความยาวคลื่นแสง และช่วงเวลาที่ได้รับแสงด้วย

ปัจจัยอันตราย: ความยาวคลื่นแสง
     ความยาวคลื่นเป็นเรื่องค่อนข้างสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจ แม้ว่าตาของมนุษย์เราสามารถเห็นแสงที่มีความยาวคลื่นได้เฉพาะช่วง 400 - 700 นาโนเมตร แต่ไม่ว่าแสงความยาวคลื่นช่วงไหน ทั้งที่มองเห็นและมองไม่เห็น ถ้าเข้าถึงตาก็สามรารถทำอันตรายอย่างมากได้

     โดยทั่วไปแล้ว แสงในช่วง 400 - 1500 นาโนเมตร ซึ่งครอบคลุมช่วงที่ตาเรามองเห็นและช่วงที่เป็นอินฟราเรด จะสามารถผ่านเลสน์ตาเข้าไปถึงเรตินาได้ ซึ่งช่วงที่เป็นอินฟราเรดไม่ว่าจะมีความเข้มมากขนาดไหน เราก็ไม่สามารถเห็นได้ แต่จะสามารถทำอันตรายต่อเรตินาได้ เช่นเดียวกับคาร์บอนไดออกไซด์เลเซอร์ ที่อยู่ในช่วงอนฟราเรด ก็สามารถตัดผ้าหรือเจาะหม้ได้ ส่วนแสงในช่วงอัลตราไวโอเลต (ความยาวคลื่นประมาณ 100 - 400 นาโนเมตร) แม้ว่าจะผ่านไปถึงเรตินาได้ไม่ดีเท่ากับช่วง 400 - 1500 นาโนเมตร แต่สามาถทำอันตรายต่อแก้วตาและเลนส์ส่วนนอกได้ ซึ่งจะทำให้ตาบอดถาวรได้เช่นกัน

ปัจจัยอันตราย: ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด
     ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดแสงเป็นอีกปัจจัยหนึ่งซึ่งต้องทำความเข้าใจให้ดี ถ้าลำแสงเลเซอร์เข้าตาไม่ว่าเราจะอยู่ห่างเท่าใด ก็ยังมีอันตรายค่อนข้างสูง เพราะแสงที่ออกจากเลเซอร์มีสมบัติประการสำคัญที่แตกต่างจากแสงจากแหล่งอื่นๆ คือ แสงจะคงสภาพเป็นลำแสงค่อนข้างดี ไม่ค่อยบานออกมากนัก ทำให้ความเข้มแสงของแสงเลเซอร์ที่ระยะห่างต่าง ๆ จากเลเซอร์จะไม่แตกต่างกัน ถ้าเป็นกรณีที่แสงเลเซอร์ไปตกกระทบหรือสะท้อนผิววัสถุที่ขรุขระก่อน อาจทำให้แสงที่สะท้อน ออกมากลดสภาพการเป็นลำแสงลงไปบ้าง โดยแสงจะบานออกค่อนข้างเร็ว นั่นคือถ้าอยู่ห่างจากจุดที่สะท้อน ก็จะทำให้ลดอันตรายจากแสงได้ เพราะแสงมีความเข้มน้อยลง แต่ถ้าแสงสะท้อนจากวัสดุที่เป็นกระจกหรือโลหะเรียบ ๆ ก็ยังคงมีสภาพเป็นลำแสง และมีความเข้มสูง ซึ่งเป็นอันตรายเหมือนกับการมองลำแสงโดยตรงที่ไม่ได้สะท้อนอะไรเลย

อันตรายต่อผิวหนัง
     ส่วนกรณีที่แสงเลเซอร์ตกกระทบผิวหนังก็ยังมีอันตรายอยู่ แม้ว่าจะน้อยกว่ากรณีที่แสงเข้าตา เพราะผิวหนังจะสามารถสะท้อนแสง ได้ส่วนหนึ่ง และส่วนใหญ่จะไม่ไวต่อแสงมากนัก แต่ถ้าความเข้มของเลเซอร์สูงพอ ก็อาจตัดหรือทะลุผิวหนังทำให้เป็นแผลได้ และควรระวังในกรณีที่เป็นแสงเลเซอร์ทในช่วงอัลตราไวโอเลต เพราะแสงในช่วงนี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของเซลล์ได้ ซึ่งอาจทำให้เกิดเป็นมะเร็งได้

เลนส์

        เลนส์ คือ ตัวกลางโปร่งใสที่มีผิวหน้าเป็นผิวโค้ง ผิวโค้งของเลนส์อาจจะมีรูปร่างเป็นพื้นผิวโค้งทรงกลม ทรงกระบอก หรือ พาราโบลาก็ได้ เลนส์แบบง่ายสุดเป็นเลนส์บางที่มีผิวโค้งทรงกลม โดยส่วนหนาสุดของเลนส์จะมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับรัศมีความโค้ง เลนส์แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ เลนส์นูน (Convex lens ) กับเลนส์เว้า (Concave lens)

ส่วนสำคัญของเลนส์

1. จุดศูนย์กลางความโค้ง (C) มี 2 จุด อยู่ด้านหน้าและด้านหลังเลนส์
2. แกนมุขสำคัญของเลนส์ คือ เส้นตรงซึ่งเชื่อมระหว่างจุดศูนย์กลางความโค้งทั้งสอง
3. จุดโฟกัส (F) คือ จุดตัดร่วมของรังสีหักเหทุกรังสีที่เกิดจากรังสีตกกระทบหักเหผ่านเลนส์
4. ทางยาวโฟกัส (f) คือ ระยะจากจุดโฟกัส ( F ) ถึงจุดกึ่งกลางเลนส์
5. รัศมีความโค้ง (R) คือ ระยะจากจุดศูนย์กลางความโค้ง C ถึงผิวโค้งของเลนส์ โดย f = R/2

 การหักเหของแสงผ่านเลนส์

       การหาลักษณะของภาพและตำแหน่งของภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์ โดยการวาดรังสี ซึ่งมีขั้นตอนการเขียนรังสีของแสง ตกกระทบและรังสี หักเหของแสง ดังนี้

 ก. รังสีเส้นที่หนึ่ง ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุขนานกับแกนมุขสำคัญไปตกกระทบเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์จะผ่านที่จุดโฟกัส ซึ่งอยู่ด้านหลังเลนส์

 ข. รังสีเส้นที่สอง ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุไปตกกระทบที่จุดกึ่งกลางเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์ต่อจากจุดกึ่งกลางเลนส์ออกไป  

 ค. รังสีเส้นที่สาม ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุผ่านจุดโฟกัสไปตกกระทบเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์ออกไปด้านหลังเลนส์ โดยขนาน กับแกนมุขสำคัญ รังสีทั้งสามจะไปตัดกันที่ด้านหลังของเลนส์ที่ตำแหน่งหนึ่งซึ่งตำแหน่งนั้นคือตำแหน่งของภาพ ที่เกิดขึ้น ดังรูป

ภาพที่ 1 แสดงการหักเหของแสงเมื่อผ่านเลนส์นูน
ที่มา http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_14.htm

ภาพที่  2 แสดงการหักเหของแสงเมื่อผ่านเลนส์เว้า
ที่มา http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_14.htm

เลนส์นูน

     เลนส์นูน คือ เลนส์ที่มีตรงกลางหนากว่าตรงขอบเสมอ เมื่อผ่านลำแสงขนานเข้าหาเลนส์จะทำให้รังสีตีบเข้าหากัน และไปตัดกันจริงที่จุดโฟกัสจริง ( Real focus ) 

                                                                                 เลนส์นูน 2 หน้า                      เลนส์นูนแกมระนาบ                  เลนส์นูนแกมเว้า

ภาพที่ 3 เเสดงเลนส์นูนรูปเเบบต่างๆ
ที่มา อนุวัฒน์ จันมะโน

          เลนส์นูนทำหน้าที่รวมแสง หรือลู่แสงให้เข้ามารวมกันที่จุดจุดหนึ่งเรียกว่า จุดรวมแสง หรือ จุดโฟกัส 

เลนส์เว้า

     เลนส์เว้า คือ เลนส์ที่มีตรงกลางบางกว่าตรงขอบเสมอ เมื่อผ่านลำแสงขนานเข้าหาเลนส์จะทำให้รังสีถ่างออกจากกันและ ถ้าต่อแนวรังสี จะพบว่ารังสีจะไปตัดกันที่จุดโฟกัสเสมือน ( Virtual focus ) 

     เลนส์เว้า 2 หน้า เลนส์เว้าแกมระนาบ และเลนส์เว้าแกมนูน

ภาพที่ 4 เเสดงเลนส์เว้ารูปเเบบต่างๆ
ที่มาอนุวัฒน์ จันมะโน

ภาพที่ 5 เลนส์เว้าทำหน้าที่กระจายแสง หรือ ถ่างแสงออก เสมือนกับแสงมาจากจุดโฟกัสเสมือนของเลนส์เว้า 
ที่มา http://www.electron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=697&Itemid=4

ภาพที่เกิดจากเลนส์

1. ภาพที่เกิดจากเลนส์นูน

เลนส์นูนสามารถให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน และภาพจริงเป็นภาพที่ฉากสามารถรับได้เป็นภาพหัวกลับกับวัตถุ ส่วนภาพเสมือนเป็นภาพที่ฉากไม่สามารถรับได้ เป็นภาพหัวตั่งเหมือนวัตถุ 

• ภาพจริงที่เกิดจากเลนส์นูนมีหลายขนาด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ และตำแหน่งภาพจริงที่จะเกิดหลังเลนส์
• ภาพเสมือนที่เกิดจากเลนส์นูนมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุและตำแหน่งภาพเสมือนจะเกิดหน้าเลนส์

ภาพที่ 6 การเกิดภาพจริงขนาดเล็กกว่าวัตถุ และ การเกิดภาพเสมือนหัวตั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ
ที่มา http://www.electron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=697&Itemid=4

เลนส์นูนจะให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุ ถ้าระยะวัตถุมากกว่า ความยาวโฟกัส จะเกิดภาพจริง แต่ถ้าระยะวัตถุน้อยกว่าความยาวโฟกัส จะเกิดภาพเสมือน

ภาพที่ 7 เกิดภาพเสมือนขนาเล็กกว่าวัตถุ
ที่มา http://www.electron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=697&Itemid=4

2. ภาพที่เกิดจากเลนส์เว้า

เลนส์เว้าให้ภาพเสมือนเพียงอย่างเดียว ไม่ว่าระยะวัตถุจะมากหรือน้อยกว่าความยาวโฟกัส และขนาดภาพมีขนาดเล็กกวาวัตถุเท่านั้น

การคำนวณหาชนิดและตำแหน่งของภาพที่เกิดจากเลนส์

สูตร 1/f = 1/s + 1/s’

m = I/O = s’/s

• s คือ ระยะวัตถุ ( จะมีเครื่องหมายเป็น + เมื่อเป็นวัตถุจริง เป็น – เมื่อเป็นวัตถุเสมือน)
• s’ คือ ระยะภาพ ( ถ้าภาพจริงใช้เครื่องหมาย + และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –) 
• f คือ ความยาวโฟกัสของเลนส์ ( เครื่องหมาย + สำหรับเลนส์นูน และเครื่องหมาย – สำหรับเลนส์เว้า)
• m คือ กำลังขยายของเลนส์ ( เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –) 
• I คือ ขนาดหรือความสูงของภาพ ( เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –) 
• O คือ ความสูงของวัตถุ ( จะมีเครื่องหมาย + เสมอ)

สายตาปกติ สายตาสั้น เเละสายตายาว

สายตาปกติ

        ตาคนปกติถ้ามองดูวัตถุที่ระยะอนันต์ ภาพจริงของวัตถุจะเกิดที่จุดโฟกัสของเลนส์ตาซึ่งอยู่บนเรตินาพอดี โดย  ระยะใกล้สุดของวัตถุที่ตาคนปกติมองเห็นได้ชัดเจนเรียกว่า ระยะใกล้ตาหรือจุดใกล้สุด(Near Point) โดยระยะใกล้ตาของคนที่มีสายตาปกติ คือ ประมาณ 25 เซนติเมตร  และ ระยะไกลสุดที่ตาคนปกติมองเห็นได้ชัดเจนเรียกว่าระยะไกลตาหรือจุดไกลสุด(Far Point) โดยระยะไกลตาของคนที่มีสายตาปกติ คือ ระยะอนันต์

ภาพที่ 8 ระยะใกล้ตา
ที่มา http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_18.htm

ภาพที่ 9 ระยะไกลตา
ที่มา http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_18.htm

สายตาสั้น (Myopia)                                          

คนที่มีสายตาสั้นมองเห็นวัตถุได้ชัด ระยะใกล้ตาที่ระยะไม่ถึง 25 เซนติเมตร ระยะไกลตา ไม่เห็นถึงระยะอนันต์ อาจแก้ไขได้โดยใช้เลนส์เว้าช่วยให้แสงไปตกที่เรตินาพอดี จะทำให้จุดไกลเห็นที่ระยะอนันต์ได้

วิธีแก้ไขปัญหาสายตาสั้น

ภาพที่ 10 ภาพบน เเสดงความผิดปกติของคนสายตาสั้น  ภาพล่าง เเสดงการเเก้ไขสายตาสั้นโดยใช้เลนส์เว้า

        ใช้แว่นตาที่ทำจากเลนส์เว้า  ช่วยให้แสงกระจายกว้างมากขึ้นก่อน  ทำให้เลนส์ตารวมแสงตกไกลมากขึ้นและไปตกที่เรตินาได้พอดี ความยาวโฟกัสของเลนส์เว้าสำหรับสายตาสั้น  f  = ระยะชัดไกลที่สุดขณะยังไม่สวมแว่น  เช่น เด็กคนหนึ่งปกติมองชัดได้ไกลที่สุดไม่เกิน 120 เซนติเมตร จะต้องสวมแว่นที่ทำจากเลนส์เว้าที่มีความยาวโฟกัสเท่ากับ  – 120 เซนติเมตร  (ติดลบเพราะเป็นโฟกัสของเลนส์เว้า)

สายตายาว (Hyperpia)

        คนที่มีสายตายาว มองเห็นวัตถุได้ชัดระยะใกล้ตามีระยะเกินกว่า 25 เซนติเมตร และระยะไกลตามองได้ไกลถึงระยะอนันต์ อาจแก้ไขโดยใช้เลนส์นูนช่วยให้แสงไปตกที่เรตินาพอดี มีผลให้มองเห็นวัตถุจุดใกล้ได้ชัดที่ระยะ 25 cm   จักษุแพทย์บอกขนาดของแว่นตาเป็นกำลังไดออปเตอร์ (diopter power) หรือเรียกว่ากำลังของเลนส์ โดยกำลังของเลนส์ คำนวณได้จากสูตร 

P = 1 / f(m)

โดย      P     แทนกำลังของเลนส์ มีหน่วยไดออพเตอร์

        f      แทนความยาวโฟกัส คิดในหน่วยเมตร

แหล่งที่มา

เอกสารใบความรู้เรื่อง แสงและสมบัติของแสง รายวิชา วิทยาศาสตร์  ว 32101 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โรงเรียนสุราษฎร์ธานี.. สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก https://www.st.ac.th/wp-content/uploads/sites/29/2013/.../Light.doc

มองในกระจกแล้วเขียนตัวหนังสือ .สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก http://toyphys.blogspot.com/2016/04/blog-post_30.html

การหักเหของแสงผ่านเลนส์ . สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_14.htm

ข้อบกพร่องในการมองเห็นและวิธีแก้ . สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_18.htm

สายตาสั้น (Myopia). สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก http://www.digitalschool.club/digitalschool/physics2_2_2/physics4/lesson3/p11-8.php