115年:眼光概要(2)

使用CR-39 樹脂(n = 1.5)製成-4.00 D 的鏡片,鏡框水平寬度為50 mm,鏡片在鼻側邊緣厚度為6.0 mm、在顳側邊緣厚度為4.0 mm,求鏡片中心的水平稜鏡度?

A1.0 Δ
B2.0 Δ
C2.5 Δ
D5.0 Δ

詳細解析

本題觀念

本題考鏡片兩側厚度不相等時所形成的楔形稜鏡。鏡片鼻側厚度 6.0 mm、顳側厚度 4.0 mm,兩側厚度差為 2.0 mm;水平寬度 50 mm,折射率 n = 1.5。當鏡片兩邊厚度不同,光學上可視為一個很小的楔角。楔角近似等於厚度差除以鏡片寬度,再以材料折射率造成的偏折換算為稜鏡度。

在小角度近似下,稜鏡度可用 P ≈ 100(n − 1)Δt/w 計算,其中 Δt 與 w 使用相同單位。代入 Δt = 2.0 mm、w = 50 mm、n − 1 = 0.5,可得 P ≈ 100 × 0.5 × 2.0 ÷ 50 = 2.0Δ。這裡的 −4.00 D 主要用來辨認鏡片是負鏡片及輔助判斷基底方向;在本題要求的稜鏡量計算中,已提供厚度差與折射率,因此不再把鏡片度數重複代入。

選項分析

  • A:1.0Δ,錯誤。 這相當於只把厚度差 2.0 mm 的一部分或折射率效果少算一次。完整公式需要同時納入 n − 1、厚度差與水平寬度,結果為 2.0Δ。

  • B:2.0Δ,正確。 楔角的近似值為 2.0 ÷ 50 = 0.04 rad。由材料折射率造成的偏折約為 (1.5 − 1) × 0.04 = 0.02 rad;換成稜鏡度,P ≈ 100 × 0.02 = 2.0Δ。

  • C:2.5Δ,錯誤。 若套用公式,2.5Δ 需要更大的厚度差,約為 2.5 mm;題目實際給的是 2.0 mm,所以不能由這組數據得到。

  • D:5.0Δ,錯誤。 5.0Δ 是正確值的 2.5 倍,代表厚度差或有效楔角被大幅高估。若仍使用 50 mm 寬度與 n = 1.5,須有約 5.0 mm 的厚度差才會接近這個數值,與題目不符。

答案解析

先找出兩邊厚度差:Δt = 6.0 − 4.0 = 2.0 mm。再將厚度差除以水平寬度,得到楔角近似 0.04 rad。材料相對空氣的折射率差為 n − 1 = 0.5,所以光線偏折角約為 0.5 × 0.04 = 0.02 rad。1 稜鏡度相當於在 1 m 距離造成 1 cm 的偏移,小角度時可用 100 倍弧度換算,因此 P = 100 × 0.02 = 2.0Δ。也可直接使用 P ≈ 100(n − 1)Δt/w,得到相同結果。故答案為 B:2.0Δ。厚度差的大小決定本題的稜鏡量,鼻側較厚所造成的基底方向則是下一題的判斷重點。

核心知識點

  1. 楔形鏡片的稜鏡量與折射率差、厚度差成正比,與鏡片寬度成反比。
  2. 小角度計算可用 P ≈ 100(n − 1)Δt/w,Δt 與 w 必須使用相同長度單位。
  3. 厚度差 2.0 mm、寬度 50 mm、n = 1.5 時,稜鏡量是 2.0Δ。
  4. 稜鏡量與基底方向是兩個不同步驟:先用數值求大小,再依厚邊位置與正負鏡片幾何判斷方向。
  5. 題目若已給出邊緣厚度與折射率,不要把 −4.00 D 再當成另一個獨立的 P = cF 項目重複相乘。

參考資料

  1. Introduction to Ophthalmic Optics
  2. Optics Study Guide and Formula Finder
  3. Optical properties of lens materials