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目錄
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第1章 淺談透鏡
001 透鏡是巧妙利用光的摺射而發明的工具 2
002 透鏡的曆史 4
003 將小物體放大觀察的顯微鏡的曆史 6
004 將遠處的物體移近觀察的望遠鏡的曆史 8
005 記錄透鏡所成像的照相機的曆史 10
COLUMN 透鏡（lens）的詞源 12
第2章 光的行為舉止
006 光的直綫傳播和可逆性 14
007 光的反射定律 16
008 光在平麵鏡上的反射 18
009 光的漫反射 20
010 通過透明物體的光 22
011 光在物質的界麵彎麯 光的摺射 24
012 光選擇什麼樣的路徑傳播 費馬原理 26
013 斯涅爾定律① 28
014 斯涅爾定律② 30
015 空氣的擾動使光彎麯① 陽炎和逃逸之水的原理 32
016 空氣的擾動使光彎麯② 海市蜃樓和濛氣差的原理 34
017 通過三棱鏡得到的彩帶 光的色散 36
018 天空中飄起光的彩帶 彩虹的形成原理 38
019 彩虹為什麼是圓弧形的 40
020 光的本性是波還是粒子① 光的衍射 42
021 光的本性是波還是粒子② 光的乾涉 44
022 光的衍射和乾涉所引起的彩虹 肥皂泡和CD盤上的彩虹原理 46
023 光是縱波還是橫波 偏振① 48
024 偏振眼鏡和布儒斯特定律 偏振② 50
025 光是電磁波的成員 52
026 光速是多少 54
027 考慮到光的行為舉止的幾何光學和波動光學 56
COLUMN 近場光——突破光的衍射極限的光 58
第3章 透鏡的原理和作用
028 點光源發齣的光是怎樣傳播的 60
029 影子的形成方式 62
030 針孔成像 64
031 針孔照相機成像 66
032 透鏡的基本原理 68
033 凸透鏡和凹透鏡的基本功能 70
034 透鏡的焦點和焦距 72
035 透鏡的主點和主平麵 74
036 薄球麵透鏡焦距的計算方法 76
037 光通過透鏡後的傳播方式 78
038 凸透鏡成的實像 80
039 從無窮遠處傳來的光通過凸透鏡後在哪兒成像 82
040 凸透鏡成的虛像 84
041 遮住半個凸透鏡後實像和虛像如何變化 86
042 物體位於焦點的位置上時實像和虛像如何變化 88
043 凹透鏡成的虛像 90
044 透鏡的成像公式和放大率① 凸透鏡成實像的情況 92
045 透鏡的成像公式和放大率② 凸透鏡成虛像的情況 94
046 透鏡的成像公式和放大率③ 凹透鏡成虛像的情況 96
047 透鏡成像公式的總結 98
048 計算透鏡放大率的另一個方法 100
049 透鏡成像作圖的技巧① 從光軸上的一點發齣射嚮凸透鏡的光綫 102
050 透鏡成像作圖的技巧② 以任意傾角射嚮凸透鏡的光綫 104
051 透鏡成像作圖的技巧③ 光綫通過凹透鏡的情況 106
052 通過兩片透鏡的光綫 108
053 凹麵鏡和凸麵鏡的原理 110
054 由凹麵鏡和凸麵鏡反射的光綫 112
055 透鏡的分類方法 114
056 利用界麵摺射的透鏡① 球麵透鏡 116
057 利用界麵摺射的透鏡② 非球麵透鏡 118
058 利用界麵摺射的透鏡③ 柱麵透鏡 120
059 利用界麵摺射的透鏡④ 環麵透鏡 122
060 利用界麵摺射的透鏡⑤ 菲涅爾透鏡 124
061 非利用界麵摺射的透鏡① 格林（GRIN）透鏡（漸變摺射率透鏡） 126
062 非利用界麵摺射的透鏡② 衍射透鏡 128
COLUMN 光學超物質——具有負摺射率的物質 130
第4章 透鏡的性能
063 製作透鏡的光學玻璃所需的特性 132
064 光學玻璃的摺射率 134
065 光學玻璃的阿貝數 136
066 光學玻璃的分類 138
067 玻璃之外的光學材料① 天然或人造晶體 140
068 玻璃之外的光學材料② 光學塑料 142
069 透鏡製作① 球麵透鏡的製作方法 144
070 透鏡製作② 非球麵透鏡的製作方法 146
071 什麼是像差 148
072 什麼是球差 150
073 球差的矯正 152
074 彗差和像散 154
075 像場彎麯和畸變 156
076 位置色差和倍率色差 158
077 像的大小和亮度 160
078 F值和有效F值 162
079 數值孔徑NA和透鏡的分辨力 164
080 光闌和光瞳 166
081 光闌的位置和焦闌 168
082 焦深和景深 170
COLUMN 玻璃為什麼是透明的 172
第5章 使用透鏡的身邊物品的原理
083 人眼的構造 174
084 眼睛的原理和功用 176
085 近視和遠視 178
086 老花眼和散光 180
087 隱形眼鏡的原理 182
088 放大鏡原理 184
089 放大鏡的放大率 186
090 光學顯微鏡的原理① 基本原理 188
091 光學顯微鏡的原理② 放大率和分辨力 190
092 望遠鏡的原理① 基本原理 192
093 望遠鏡的原理② 開普勒式望遠鏡的光路 194
094 望遠鏡的原理③ 荷蘭式望遠鏡的光路 196
095 望遠鏡的原理④ 望遠鏡的放大率 198
096 望遠鏡的原理⑤ 為什麼要對焦 200
097 照相機的原理① F值和快門速度 202
098 照相機的原理② 像角和焦距 204
099 照相機的原理③ 相機的像角和焦距 206
100 進化的透鏡 流體透鏡的原理 208
COLUMN 像反轉係統——將倒立像變為正立像來觀察 210
參考文獻 211
在綫試讀
第1章 淺談透鏡
　　剛開始我們不談復雜的話題，先簡單確認一下透鏡到底是什麼樣的東西，接著簡單迴顧一下我們人類利用透鏡的曆史。
　　001 透鏡是巧妙利用光的摺射而發明的工具
　　我們身邊有許多利用透鏡的工具，比如眼鏡、放大鏡、照相機、望遠鏡、顯微鏡等。此外，利用光技術的裝置大多都使用透鏡。例如CD、DVD等的驅動器、激光打印機和復印機等設備中透鏡都是作為部件組裝進去的。激光也被稱為是“光技術的支柱”。
　　透鏡是由玻璃或塑料等透明的物質製作而成的。透鏡一般是圓形的，其單麵或雙麵呈球麵。球麵外凸的叫凸透鏡，球麵內凹的叫凹透鏡。凸透鏡有聚光的作用，而凹透鏡有散光的作用。
　　透鏡的作用基於光的摺射。比如裝水的杯子裏直的吸管看上去是彎摺的，澡盆中手或指頭看上去較短。像這樣光從一種物質射入另一種不同物質時，在其界麵具有改變傳播方嚮的性質。這種現象叫光的摺射。利用光的摺射性質而自由自在地聚光或散光的工具就是透鏡。
　　透鏡的主要功用就是使光摺射，從而聚光、散光和成像。放大鏡之所以能將物體放大觀察，還可以聚光，就是因為凸透鏡可以使光摺射，將光的前進方嚮嚮匯聚方嚮改變的緣故。反過來凹透鏡具有使光發散的作用。根據使用目的的不同，改變透鏡的大小及球麵的形狀，或將多片透鏡組閤起來，人們就可以主動地決定光的集聚方式、發散方式及像的放大率。透鏡可以說是人類巧妙利用光的摺射而發明的工具。
　　要點
　　中心部位凸齣的透鏡叫凸透鏡，凹進去的透鏡就叫凹透鏡
　　透鏡是利用光的摺射現象聚光或散光的工具
　　圖1 DVD驅動器的讀寫部位
　　圖2 凸透鏡和凹透鏡
　　圖3 看上去彎摺的吸管
　　圖4 聚光的葡萄酒杯
　　002 透鏡的曆史
　　清晨觀察植物時，可以看到樹葉上有許多水滴排列著附在葉尖。這樣的水滴稱為露珠。露珠和雨停後的水滴及大氣中的水蒸氣遇冷凝結齣的霜不同，它是一種植物生理現象，是從葉子的水孔排齣多餘的水分而形成的水滴。臨近細看一下露珠，會看到被放大瞭的葉子錶麵，或注意到其映照著倒立的景色。露珠，簡直可以說是大自然造齣的透鏡。我們的祖先生於遠古時代也應該發現瞭露珠，隻是他們將這種現象當成是日常之事，自然地接受瞭吧。然而和光的摺射有關的各種現象，無疑是人類創造齣透鏡這一器具的契機。
　　從古代的美索不達米亞、埃及、希臘等地的遺跡中，挖掘齣瞭水晶球或玻璃球。但那些不是透鏡，而是作為裝飾品或宗教儀式的器具而使用的。*初記述水晶球和玻璃球還可以放大觀察的是公元前1年前後古代羅馬的哲學傢塞內加（Lucius Annaeus Seneca）。其後，公元2世紀前後希臘的托勒密（Claudius Ptolemaeus，83年前後~168 年前後）記述瞭玻璃球的放大作用及光的摺射。
　　11世紀前後，阿拉伯學者阿爾哈曾（注1）（Alhazen-Haitham，965~1039）詳細地總結瞭人眼的構造及光的摺射。13世紀前後，英國修道士羅傑·培根（Roger Bacon，1214~1294）推進瞭透鏡的應用（注2），使凸透鏡作為放大鏡而被廣泛使用。人年紀大瞭都會眼花，越來越看不清近處的東西。在*初的時候，特彆是知識分子階層的人們對放大鏡有需求。15世紀前後，在意大利的威尼斯迎來瞭玻璃製造的全盛期。在意大利可以製造齣老花鏡和近視眼鏡，並擴大到瞭世界各地。
　　要點
　　凸透鏡作為放大鏡的使用是透鏡被廣泛應用的契機
　　早期的放大鏡是用水晶和綠柱石製成的高價貴重的物品
　　圖1 植物製成的自然透鏡
　　圖2 正立像
　　圖3 倒立像
　　003 將小物體放大觀察的顯微鏡的曆史
　　顯微鏡比望遠鏡一步，由荷蘭的楊森父子於1590 年前後發明的，但是其發展要比望遠鏡緩慢。因為當時作為將物體放大觀察的工具，有一片凸透鏡製成的放大鏡或許就足夠瞭（注1）。
　　英國的羅伯特·鬍剋（Robert Hooke，1635~1703）使用2片透鏡製成瞭放大率為數十倍的復式顯微鏡，對各種動植物進行瞭觀察。他發現軟木中有無數小房間，並給這些房間起名叫cella（注2）。他在1665年齣版的《顯微圖集》一書中，登載瞭100多張動植物的繪圖。同期，荷蘭的安特尼·範·列文虎剋（Antoni van Leeuwenhoek，1632~1723），使用一個玻璃球做透鏡製成的單式顯微鏡對微生物進行瞭觀察。他於1674年發現瞭微生物，於1676年發現瞭細菌。他的顯微鏡結構雖然很簡單，但放大倍率達到瞭200倍以上。
　　由於光具有波動的性質，要用顯微鏡觀察和光的波長同樣大小物體，光綫就會發散，物體看上去要模糊，這是發生瞭衍射的現象。德國的阿貝（Ernst Karl Abbe，1840~1905）和蔡司（Carl Friedrich Zeiss，1816~1888）仔細研究瞭衍射現象，成功地使光學顯微鏡的分辨率有瞭飛躍性的提高。然而隻要是利用光來觀察，可以確定光學顯微鏡的放大倍率*大到數韆倍就是極限瞭。
　　1931年發明瞭電子顯微鏡，可以用來觀察光學顯微鏡看不到的微觀世界。電子顯微鏡的放大倍率可達10萬倍以上，能看到病毒等。光學顯微鏡雖然達不到電子顯微鏡的倍率，但結構和操作很簡單，目前仍然被廣泛使用，其性能也在不斷提高。
　　要點
　　具有一片透鏡的為單式，具有數片透鏡的為復式
　　光學顯微鏡的倍率一般為數十到數百倍，數韆倍則為極限
內容介紹
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