2012年10月5日

製作複式顯微鏡與望遠鏡

學期初教學生做了單式顯微鏡之後,下課時有個學生就問我,「老師你會不會作複式顯微鏡」。當時我想了很久,我到底會不會作呢?雖然我作過很多webcam顯微鏡,再要不然就是把報廢顯微鏡的目鏡、物鏡拆了,再重新組合起來,可是這樣算會作嗎?





當時雖然沒想出解答,但是心裡記得這件事,等待有天突然亮個燈泡。


前幾天在找呼吸氣體量測裝置時,看到香港的這個賣科學儀器的網站上,有這樣一個產品-小型顯微鏡解難套裝 Microscope DIY Kit
http://www.kelabhk.com/diy/diysource/microscope/microscope.htm

然後我腦子裡就亮了一個燈泡,作複式顯微鏡不難嘛!讀高中物理時就有學到了,用兩個凸透鏡就行了,為什麼我一直沒想過去作呢?
手邊有的凸透鏡是拆紙盒望遠鏡拿到的。紙盒望遠鏡的目鏡是凹透鏡、目鏡是凸透鏡,這稱為伽利略式望遠鏡。只要一個紙盒望遠鏡的兩個物鏡,就可以拿來作一組顯微鏡了啊,不過我捨不得剪開它們,所以我是拿兩個紙盒望遠鏡的物鏡來作的。


 



這個凸透鏡的焦距大約13cm,我把兩組黏在長尺上來觀察電腦螢幕的像素,把長尺的零刻度頂在觀測物上,當作物鏡的那片透鏡約是黏在13公分的地方,而目鏡那片則是黏在65公分的地方。我試著拍下那個觀察的畫面。下圖拍攝時,我是站著,書上的字肉眼看都已經很小了,但透過這個顯微鏡,可以看到蠻清楚的影像。我計算它的放大倍率,大約可以到30倍~40倍之間。觀看電腦螢幕的畫面,也能夠看到清楚的像素點。


這樣的裝置,拿來作複式顯微鏡的概念教學還蠻簡單的,雖然它有著夭壽長的鏡筒長度。觀察物可以用手機螢幕,因為可以發光,又有著微細構造,先把一片凸透鏡放在眼前(就貼在眼睛前),然後另外一手拿著另外一片凸透鏡在眼睛和手機之間來回移動,很容易就看到放大的影像了。當然還要注意一點,因為這種凸透鏡的焦距很大,物鏡的像距和目鏡的物距加總起來會很大,所以得距離螢幕遠一點,至少也要一隻手伸直的距離。


我的玩法不會只限於小玩具似的望遠鏡鏡片,我還用了顯微鏡的兩個目鏡來作複式顯微鏡。因為目鏡的焦距很小(250mm/目鏡倍率),所以做出來的鏡筒長不不會太長。我用16x 的當物鏡,10倍的當目鏡,不過倍率不是直接用16x10那麼簡單。因為16x的目鏡會是16x的原因,是當它是目鏡時,像距是用-250mm計算,但是當它變成物鏡時,像距可能就只有60~70mm。從這份文件看到16倍目鏡的焦距是10.58mm ,這樣來計算的話,總計倍率約是50倍~60倍。(以上的計算方式可以參考瑞昇文化出版的《透鏡』一書)
IMG_0304

由於這種顯微鏡也是利用目鏡將物鏡折射出的實像變成放大虛像,所以同樣有著上下顛倒、左右相反的特性。


我在到處亂玩之後,突然想到紙盒望遠鏡真的還蠻好用的,除了它自己本身就是伽利略式望遠鏡外,還可以再組出複式顯微鏡、瞳孔觀察器。如果再搭配不同焦距的凸透鏡,還可以組成克卜勒式望遠鏡。


我剛開始還傻傻的用兩個紙盒望遠鏡拆下的凸透鏡來組成望遠鏡,雖然可以成像,但是很囧的是根本沒有放大。後來看書才發現,望遠鏡的放大倍率是物鏡的焦距/目鏡的焦距,若是像我一樣拿了兩個同樣焦距的凸透鏡來玩,那麼放大倍率就變成1啦。

簡單的凸透鏡組合,可以變成顯微鏡,又可以變成望遠鏡。雖然沒有人明說,但是我猜測顯微鏡和望遠鏡的發明,彼此之間可能有些關聯。

第一台複式顯微鏡的發明來自荷蘭的眼鏡商父子J.Janssen和Z.Janssen,那時候是1590年。而這邊的故事說,望遠鏡剛開始的專利類別是玩具,起源也是來自荷蘭眼鏡商,他們家的小孩玩著將透鏡組合起來,然後就發現了透鏡組合成為望遠鏡,那時候是1608年,而伽利略是在1609年製造出新款的望遠鏡。人類歷史那麼久,這些光學儀器好像在那個時候就突然間被發明出來了。(十幾年後,台灣進入荷蘭統治時期,那時候有沒有把這些光學儀器帶進台灣呢?)

令人感動的是,這些都來自於創新思考與突破,如果沒有人好奇地把放大鏡東擺西擺,顯微鏡和望遠鏡的發明可能就會晚了好幾年,如果伽利略滿足於別人的發明,那麼他就不會再研發出新的望遠鏡,對天文發現的貢獻可能也就晚了好幾年。

望遠鏡讓人類望向未知的星空,顯微鏡帶人類進入無法想像的顯微世界,發明單式顯微鏡的雷文霍克曾寫道「No more pleasant sight has yet met my eye than this of so many thousands of living creatures in one small drop of water」。我在體驗三百多年前的動手作時,也感到同樣的pleasant sight 。

附記
玩這些東西時,看了一些資料,除了前面說到的《透鏡》這本書外,以下兩個連結都可模擬這些光線路徑
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=22103
http://arachnoid.com/OpticalRayTracer/index.html

另外還有一個是 canon的透鏡製程,可以看見光學玻璃的原料加工、透鏡加工與組裝工程。

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