什麼是造鏡者公式?
造鏡者公式(Lens Maker's Equation)能依據兩項物理特性,預測薄透鏡的焦距:透鏡材質的折射率,以及兩個曲面的曲率半徑。它是幾何光學的基石,廣泛應用於鏡片設計、攝影與物理教學,用來連結透鏡的形狀與材質,以及它彎折光線的能力強弱。
計算器使用方式
先輸入透鏡材質的折射率(\(n\))——一般冕牌玻璃約為 1.5。接著以「公尺」為單位,分別輸入第一面(\(R_1\))與第二面(\(R_2\))的曲率半徑。請依照正負號慣例:若曲面的曲率中心位於光線射出的一側,半徑為正,反之為負。計算器將回傳以公尺為單位的焦距 \(f\),以及以屈光度(dioptre)表示的光焦度。
公式詳解
公式為 $$\frac{1}{f} = \left(\text{Index } n - 1\right)\left(\frac{1}{\text{R}_1} - \frac{1}{\text{R}_2}\right)$$ 其中 \((n - 1)\) 代表材質相對於空氣使光線減速的程度,而括號內的項則表示兩個曲面合成後的曲率。焦距為正值代表會聚透鏡(凸透鏡);焦距為負值則代表發散透鏡(凹透鏡)。光焦度即為 \(1/f\),單位為屈光度(dioptre)。
範例演算
假設有一片雙凸透鏡,\(n = 1.5\)、\(R_1 = 0.2\ \text{m}\)、\(R_2 = -0.2\ \text{m}\)。則 $$\frac{1}{f} = (1.5 - 1)\left(\frac{1}{0.2} - \frac{1}{-0.2}\right) = 0.5 \times (5 + 5) = 5$$ 因此 \(f = 1/5 = 0.2\ \text{m}\),光焦度為 5 屈光度。
常見問題
採用哪一套正負號慣例?當曲面的曲率中心位於光線射出的一側時,曲面半徑為正,反之則為負。平面可視為曲率半徑無限大(此時於該欄位輸入 0,即可忽略該項)。
焦距為負代表什麼?代表這是一片發散透鏡,會將光線向外擴散,例如用來矯正近視的凹透鏡。
這有把透鏡厚度算進去嗎?沒有——本計算採用薄透鏡公式,假設透鏡厚度相對於曲率半徑可忽略不計。