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圖/Yapei
文/簡麗賢
從太陽光到人造光,我們生活在光中,光提供我們能量,也提供我們色彩與影像,更提供詩人創作的題材,「床前明月光,疑是地上霜」、「葡萄美酒夜光杯,欲飲琵琶馬上催」、「水光瀲灩晴方好,山色空濛雨亦奇」,都是光源引發詩人的聯想。
在暑假的國中生科學營隊,我設計光學主題課程,學生興味盎然,對於透鏡在太陽光或經雷射光照射呈現的現象,驚訝不已,原來透鏡成像這麼神奇。
生活中應用透鏡成像原理的光學儀器很多,例如眼睛的水晶體相當於凸透鏡,放大鏡、遠視眼鏡、顯微鏡的目鏡與物鏡等都是凸透鏡,而近視眼鏡則是凹透鏡。
靈魂之窗 含物理學
我們的靈魂之窗是非常精密的光學儀器,水晶體幫助影像匯聚在視網膜上,讓我們清楚看見璀璨美麗的世界。面對遠近不同的影像,水晶體能彈性調整形狀,改變焦距,使畫面清晰。人的眼睛重要部位名稱。眼球近似一球體,水晶體與角膜如同凸透鏡,水晶體的焦距可透過睫狀肌伸縮,隨需要適切調整。正常人的眼睛有很好的調節能力,不論遠處或近處物體發出的光線,都可以經由水晶體調節後,在視網膜上清楚成像。
然而,若罹患近視眼、遠視眼或歲月悠悠,不得不面對的老花眼,必須經由專業醫師與驗光師協助,配戴適合的眼鏡矯正或調節視力,眼鏡就是生活中常見的透鏡應用。
近視的人看遠方物體,光線會成像在視網膜之前,想看清楚遠方物體卻視茫茫,需配戴適當度數的凹透鏡,可將成像處調整至視網膜,產生清晰的影像。相反的,遠視的人看近處物體,光線會成像在視網膜之後,影像模糊不清,需配戴適當度數的凸透鏡矯正。
至於因水晶體彈性減弱引起視覺昏花的老花眼,需配戴具有匯聚光線功能的適切凸透鏡矯正。
談到老花眼,自然想到台灣進入超高齡社會,老人比例高,因此郵局銀行醫院等單位體恤老人家閱讀文字,貼心準備放大鏡。常見的放大鏡就是凸透鏡的應用,要看到較大的正立虛像,應如何調整物體與透鏡的距離?調整物體與凸透鏡距離小於焦距,才能看到正立且放大的虛像,物體愈靠近焦點,看到的正立虛像愈大。
用照相機 留住歲月
照相機是常用的光學儀器,記錄景物與捕捉影像,留住記憶與歲月。照相機為一密封的暗箱,前方的鏡頭是一透鏡組,鏡頭後方為一光圈,調整光圈轉環改變孔徑大小,讓適度的光線進入相機,經透鏡折射後,會聚在相機內的感光元件上,形成清晰的倒立縮小實像。
照相機的成像原理類似人的眼睛,鏡頭凸透鏡如同晶狀體,透鏡的孔徑好比瞳孔,光圈相當虹膜,感光元件視為視網膜,兩者皆生成倒立縮小實像。
凸透鏡組 成顯微鏡
前面提及凸透鏡作為放大鏡的應用,若透鏡的焦距愈短,則放大率愈大。然而放大鏡因受限於像差,且焦距不容易做得很小,放大倍率通常受限。若欲得到更大的放大倍數,一般使用顯微鏡,應用在生物學觀測更小的物體。
一般的光學顯微鏡強調放大倍率與清晰度,是由兩片凸透鏡組合而成,分別作為物鏡與目鏡,將待觀察的樣本置於物鏡的焦點外,經物鏡形成一放大的倒立實像,此實像落在目鏡的焦點內,經目鏡形成倒立的放大虛像,此「倒立」是相對於樣本而言。
目鏡的作用就是放大鏡,可將物鏡形成的放大實像再次放大觀察,因此顯微鏡的放大倍率相當於兩凸透鏡的放大倍率的乘積,經過兩次放大成像後,就可以看到肉眼看不見的微小物體。
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