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镜子再神通广大,也不过就是反射光线。

太阳光与三棱镜,光与影的魔术下(1)

平面镜垂直地面放置,忠实的还原所有样子。

但是如果斜放或者把镜子做成曲面的,情况就不一样了。

由于仅仅在焦点附近才能看得到缩小的图像,凹面镜一般用来做望远镜的光线收集装置。或者反过来把光源放在焦点处,散射光线使得照明区域变大且亮度均匀。

凸面镜能够扩大可见范围(视野),还基本不受观察点限制,在急转弯、停车场和车辆后视镜上广为应用。

太阳光与三棱镜,光与影的魔术下(2)

显而易见曲面的镜子会改变光线的传播方向。

把镜子的反射涂层去掉会怎样呢呢?如果是镜子又像空气一般透明,那么本篇文章就完全没用了啊。

由于玻璃的折射率和空气不同,通过玻璃光线也会发生偏折。

平面或者很薄的曲面玻璃偏折效应不太明显。

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学会制造玻璃以后,我们可以把清澈的优质玻璃拉成条状。用高温火焰加热其尖端,熔化的玻璃珠在跌落过程中冷却。运气好的话,我们可以找到几个非常小非常圆的玻璃珠,把它镶嵌在开孔的硬纸板上,一台简易显微镜就制作好了。

显微镜怎么回事容后再表。我们人类最早利用的透镜是凸透镜,远远没有玻璃珠那么圆。

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这种形状的凸透镜靠碰运气很难找到,需要手工磨制。

凸透镜改变光的传播方向可以清晰成像。但是很有意思了,它成的像既能放大也能缩小,有虚像也有实像。

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在公元前400多年的古希腊,人们就会用一种叫做烧玻璃的凸透镜汇聚阳光来生火。这是人类第一次主动利用太阳能。今天的小朋友们也经常用放大镜或者酒瓶底来烧蚂蚁玩。别看不上这个技能,他可是野外求生的一大利器,最起码不用钻半天木头。

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理是这个理,可话又说回来了。《考工记》记载:差不多与古希腊同时,中国人使用了磨制而成的凹面镜“阳燧”取火。凹面镜聚光的本事还必须要重视,国外有个小哥用5800面小镜子拼了一个凹面镜,直接熔化了金属。

除了煽风点火,凸透镜还能放大图像。很早前就被当做放大镜用来帮助人们看清微小的东西。

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威尼斯玻璃同业工会的文书里提到过,大约在13世纪已经有人把凸透镜用来制作帮助阅读的老花镜了。使用凹透镜的近视眼镜出现就晚的多了。除了凹透镜加工难度比凸透镜大得多这个原因之外,主要是那会儿没有手机、电视,连书籍都很少,人人都个顶个的有一副好眼神。

这事还有个笑话:诺奖作家戈尔丁作品《蝇王》中的人物——近视眼猪崽子“piggy”用他的眼镜来聚光生火。凹透镜永远成缩小的像,它是发散光线的,不可能用来聚光生火。它通过把物像拉近让近视人群看清目标。请注意,它只是补偿视力,不能让你恢复健康。

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把两组凸透镜组合起来,就可以制作一台望远镜。或者利用一个凹面镜一个凸透镜组合也行。观察我们所在的宇宙,探索遥远空间就全靠它了。

传说列文虎克为了帮助好朋友著名画家约翰内斯·维米尔画画,发明了显微镜。

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这个原始的显微镜就是咱们前文说的那种,它极其简单,但是又非常了不起。列文虎克留下来的显微镜中最厉害的已经有270倍的放大倍率了。

当时的保安叔叔列文虎克发明了显微镜,没有跟现代励志故事里一样考上名牌大学,而是直接干进了皇家科学院。从半文盲到院士的微生物学奠基人,那个时代真是民科的春天呀!

有了显微镜,列文虎克观察到了许多前所未见的东西:水里的微生物、昆虫结构的细节等等。在好奇心的驱使下他和学生观察了自己的精液,发现了人类的源头之一“精子”。

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最初的显微镜与今天的显微镜相比缺少了聚光照明系统、目镜系统、照相系统、机械调整机构等等。它其实更像一部缺少了底片的相机。

给这个机构加装上底片,我们就有了照相机。照相也是小孔成像原理的延伸。我们现实世界中所有的物体都是发散光线的,都是虚像,并不能在底片上被记录。正是利用小孔和凸透镜把光线汇聚成实像才可以得到照片。

等到望远镜、显微镜、照相机出现,图像问题就变得复杂起来。

如果你曾经戴着过高度数的眼镜,你会发现平整的地面直接像一个小山包似的鼓起来,这叫做图像球差。

牛逼顿用三棱镜发现了白光的秘密。

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你把两个三棱镜放在一起,这不就是一个凸透镜嘛!透镜的曲率一旦增大到某个程度,色散就严重影响图像质量了。

这个咋办?德国人蔡司、阿贝、肖特一起合作在技术、理论、材料上解决了这些个大问题。

消除图像球差、慧差等偏差可以通过重新设计镜头曲面或者遮挡杂光等办法实现。

调整玻璃的化学成分,能够得到不同折射率的玻璃,经过凸凹组合的透镜就可以完美消除色散了。

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白光在不同玻璃中的色散不同:a)燧石玻璃棱镜;b)冕牌玻璃棱镜。

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白光通过冕牌玻璃凸透镜和燧石玻璃凹透镜组合后的光路图,色差明显减弱。

肖特发明的硅酸盐玻璃比燧石玻璃有着更好的解决色差的能力。

还有上回提到过的半反半透镜。作为透镜家族的编外人员,它在观察物体的同时进行图像记录以及在多种复杂光学实验里承担了主要角色。

遛完这一大圈,终于该下课了。

光与影的魔法有没有很神奇?还有更多未知等着咱们去探索。

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...The End...

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