对光学仪器的研制

凡是利用光学原理进行观察或测量的装置，叫做“光学仪器”。我国古代劳动人民根据平面镜、球面镜及透镜具有的奇特现象制作的光学仪器。

我国古代曾经制造了世界上最早的光学仪器铜镜和潜望镜。随着对凸面镜和凹面镜的认识，后来又进行了眼镜、望远镜、显微镜、探照灯等光学仪器的研制。

唐开元年间中秋之夜，唐明皇李隆基邀请申天师及方士罗公一同赏月。3个人赏月把酒言欢之际，唐明皇心悦，想到月宫游历一番。

于是，申天师做法，方士罗公远掷手杖于月空，化作一座银桥，桥的那边一座城阙，横匾上书：广寒清虚之府。

罗公远对唐明皇言道：“此乃月宫是也！”

唐明皇踏银桥升入月宫，见仙女数百，婀娜多姿，翩翩起舞与广庭之上，看得皇上如痴如醉。他原本精熟乐律，闻听仙乐优美，便默记曲调，决定在他的皇宫奏出此曲。

回到人间后，唐明皇即令主管宫廷乐舞的官员依此整理出一首优美动听，仿佛天外之音的曲子，配上宫廷舞女的舞姿，即为著名的《霓裳羽衣曲》。

唐王游月宫的传说成为了流传千古的佳话；月宫也因此有“广寒宫”之称。辽代时期铸有“唐王游月宫镜”，以纪此事。此镜是我国古代人物故事镜中的杰作。现已被考古工作者发掘，成为出土文物了。

此镜直径21.8厘米，厚0.75厘米，重达1460克，纹饰采用高浮雕和线雕相结合。

硕大的铜镜镜体犹如一轮满月，高低起伏的纹饰之间仿佛映现月中寒宫；月宫的楼阁时隐时现，摇曳的桂树在月影中晃动着枝头；捣药的玉兔分外高兴，迎客的金蟾舒展着身躯；随风的流云，弯曲的月桥，桥下水潭中现身的神龙跃跃欲试；驾云而来的唐王。好一派天上仙境，人间胜景，让人不能不感叹古人的智慧和独具匠心的铸造工艺。

其实，我国在3000年前就制造和使用铜镜，并且很早就对光的反射有深刻的认识。

我国古代造镜技术非常发达，并且对各种镜子成像原理有深入的研究。早在先秦时期，我国就已经使用铜镜，至今仍被人们看做世界文明史上的珍品。

除了铜镜外，古人还利用平面镜反射的原理，制成了世界上最早的潜望镜。

西汉时期淮南王刘安《淮南万毕术》一书中，有“取大镜高悬，置水盆于下，则见四邻矣”的记载。这个装置虽然粗糙，但是意义深远，近代所使用的潜望镜就是根据这个道理制造的。

在利用平面镜的同时，人们又发现了球面镜的奇特现象。球面镜有则面镜和凸面镜两种。

认识凹面镜的聚焦特性，利用凹面镜向日取火，在我国有悠久的历史。在古代，我国把凹面镜叫做“阳燧”，意思就是利用太阳光来取火的工具，这是太阳能的最初利用。

早在春秋战国时期，墨翟和他的学生就对凹面镜进行了深入研究，并且把他们的研究成果，记载在《墨经》一书中。

他们通过实验发现，当物体放在球心之内时，得到的是正立的像，距球心近的像大，距球心远的像小。当时墨家已经明确地区分焦点和球心，把焦点称作“中燧”。

墨家对凸面镜也进行了研究，认识到物体不管是在凸面镜的什么地方，都只有一个正立的像。

宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中总结古代铸镜的技术说：如果镜大，就把镜面做成平面；如果镜小，就把镜面做成微凸，这样镜面虽然小，也能照全人的脸。

沈括还在前人研究的基础上，正确地表述了凹镜成像的原理。他指出：用手指放在凹面镜前成像，随着手指和镜面的距离远近移动，像就发生变化。

沈括用这个事例说明了凹面镜成像和焦点的关系。当手指迫近镜面的时候，得到的是正立的像；渐远就看不见像，这就是因为手指在焦点处不成像；超过了焦点，像就变成倒像。他指出四镜“聚光为一点”，他把这点叫做“碍”，就是近代光学上所谓“焦点”。

由于我国古代没有应用玻璃，对于透镜的知识比较差。但是具有聪明才智的我国古代人民，通过特殊的方法，还是认识到凸透镜的聚焦现象。

晋代的科学家张华著的《博物志》一书中说：“削冰命圆，举以向日，以艾承其影，则得火。”这可以说是巧夺天工的发明创造。

冰遇热会融化，但是古人把它制成凸透镜，利用聚焦，来取得火。这看起来是不可思议的，但是事实上是可能的。从这里可以看出，当时对凸透镜的聚焦已经有充分的认识。

古人不仅认识到了凹面镜和凸面镜的特点，还利用这一原理制造了眼镜、望远镜等光学仪器。

我国的眼镜大约是在元明时期从外国传入的。初传来时可能只用一片，拿在手里照视，叫做“单照”，至明代已有“合则为一，歧则为二”的双片眼镜，名叫“优逮”。当时眼镜极为珍稀、昂贵。

至清代，广东、苏州等地都自制眼镜，广州还出现了“眼镜街”。然后，杭州、北京、上海等地都相继出现眼镜店。故宫里面也专设“眼镜作”。

眼镜品种也增加了，有各种度数的近视、远视、平光、上平下凸等，还有“随目对镜”，质量提高，售价下降，遂使眼镜得以逐渐普及起来。

眼镜业在我国的兴起，培养了一批磨镜技工，对于光学仪器的研究与制造有很大的意义。

望远镜在明清时期称为“远镜”、“千里镜”、“窥远镜”、“窥天镜”等。

1631年，科学家薄珏创造性地把望远镜装置在自制的铜炮上。这一创举是很有意义的。世界上采用光学仪器作为瞄准器，还只是近几十年才有的。

世界著名科学史家英国的李约瑟博士说：

不论薄珏是不是望远镜的独立发明者，但他应得到望远镜首先用在大炮上的荣誉。

后来，望远镜也被配置在天文观测与大地测量仪器上。明代历法家李天经领导的编订历法的“历局”也制造过望远镜。

明代末期光学仪器制造家孙云球最早研制成功望远镜。他曾经和一位近视朋友文康裔同登苏州郊外的虎丘山，使用自制的“存目镜”清楚地看到城内的楼台塔院，就连较远的天平、灵岩、穹窿等山也历历如在目前。

孙云球的“存目镜”据说能“百倍光明，无微不瞩”，大概就是放大镜。他还发明一种“察微镜”。

清代科学家郑复光在其所著的《镜镜詅痴》中对望远镜的种类、结构、原理、用法与保养，介绍得十分详细，而且切于实际，后人给予很高的评价。书中介绍过一种“通光显微镜”，基本上也还是放大镜，只是配上平面反射镜，能够减轻目力负担。

郑复光《镜镜詅痴》专门介绍过“取景镜”，不但有旧式的与改进式的，而且对于它的原理构造以及优缺点一一作出说明并附有装置图。这个取景器是在毛玻璃或在透明玻璃上铺上白纸摄取景物的实像。

大概在1844年至1867年之间，科学家邹伯奇在《镜镜詅痴》所介绍的取景器的基础上，去掉反射平面镜，加上照相感光片和快门、光圈等部件，制成了照相机。这在当时还是十分新奇的技术。

邹伯奇还摸索配制感光材料，又取得了很好的结果。他用自己研制的全套设备材料拍摄了不少的照片，这些照片成为我国目前所能见到的最早的摄影作品之一。

其中一张现存于广州市博物馆，虽历时百余年仍然形象清晰，表明了邹伯奇研制的全套照相设备材料具有很高的质量。

据史籍记载，探照灯在我国明代末期，是将烛焰放在凹面镜附近的焦点上，烛焰所发出的光经凹面镜反射后，照到壁上，犹如月光照到壁上一般。

明代末期青年发明家黄履庄也制造出“瑞光镜”，最大的直径达五六尺。据说“光射数里”，“冬月人坐光中，遍体生温，如在太阳之下”。其射程和辐射热量有些夸张渲染。

由于当时只能是蜡烛之类的光源，凹面镜的口径大，它所能容纳的光源也就大，这就使得人们可以提高光源强度，这样经过反射形成平行光以后，照在人身上就有“遍体生温”的感觉，亮度也大大增加了。

明清时期我国民间研制的光学仪器还很多，例如“万花筒”、“映画器”、“西湖景”等，这些东西的研制也已经受到西方知识的启发。

从上面的介绍可以看出，光学仪器制造是我国古代物理学中的显著成就之一。表明我们祖先对人类科学宝藏的贡献！

[旁注]

唐明皇李隆基　（685年～762年），唐睿宗李旦第三子，母亲窦德妃。唐玄宗也称唐明皇，谥号“至道大圣大明孝皇帝”，庙号玄宗。在位期间，开创了唐代乃至我国历史上的最为鼎盛的时期，史称“开元盛世”。

故事镜　从唐代开始，铜镜上越来越多地出现了表现神话传说、历史故事的纹饰图样，这些纹饰题材大多体现了儒家思想的精神追求，反映了当时思想文化方面的诸多问题，也是最能吸引人们去鉴赏的一类铜镜。后世研究者把它们统称为“故事镜”。

《淮南万毕术》　西汉时期淮南王刘安著，是古代有关物理、化学的重要文献。此书主要是谈论各种各样的变化，包括人为的和自然的变化。该书谈论的这些变化，是人类求知心理的自然表现。正是这一表现，使我们对于刘安所创淮南学派所做过的一些科学探索能够有所了解。

薄珏　明代末期机械制造家。崇祯年间，巡抚张国维令他造铜炮。经过多次试验，所制铜炮精密度高，构造先进，炮上装有千里镜，提高了命中率。又制造水车、火铳、地雷、地弩等器。其高超的机械制造技术，对后世苏淞一带制造业的发展影响较大。

孙云球　明代末期光学仪器制造家。年轻时就掌握了“磨片对光”技术，后来在磨制凸透镜和凹透镜的基础上，他又利用水晶石磨制成存目镜、万花镜、鸳鸯镜、放大镜、幻容镜、夜明镜、千里镜等各类光学制品，使广大的眼疾患者能减轻痛苦。

邹伯奇　（1819年～1869年）。清代物理学家，对天文学、数学、光学、地理学等都很有研究。他自己动手制作照相机并拍摄照片，并著有《摄影之器记》和《格术补》，专门探讨摄影技艺及理论问题。他曾独立制造了我国第一台照相机，比西方仅仅晚了4年。

黄履庄　（1656年～？）。清代初期制器工艺家、物理学家。毕生刻苦钻研，创造发明很多，制有诸镜、玩器、水法、验器和造器之器等。在工程机械制造方面有很深的造诣，世界第一辆自行车便出自他的手，他一生发明无数，堪称中国的爱迪生。著有《奇器图略》。

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清代初期物理学家黄履庄不仅在光学仪器制造方面有很多贡献，还发明世界上第一辆自行车。

据《清朝野史大观》记载：“黄履庄所制双轮小车一辆，长三尺余，可坐一人，不需要推挽，能自行。行时，以手挽轴旁曲拐，则复行如初，随住随挽日足行八十里。”

由此可见，他制造的自行车，前后各有一个轮子，骑车人手摇轴旁曲拐，车就能前进，这是史料最早记载的自行车。而发明自行车也是康乾盛世的扬州在科技创新方面领先国内外水平的一个重要标志。