華順誌56期
攝影鏡故事第貳講，老銅鏡(一)
純銅也稱紅銅，英文Copper，金屬呈現紅色，純銅材質過軟不適合作為加工材料，因為稍微一碰金屬表面可能就會發生凹陷。青銅，英文Bronze，是銅錫合金，硬度過高不利細部加工，而且顏色也不討喜。黃銅，英文Brass，日文‟真鍮”，是銅鋅合金，無論硬度、延展性都非常適合細部加工，而且不會氧化生鏽，顏色類似黃金，這也是為何過去這五百年時間裡，精密儀器、光學產品與鐘錶零件都是使用黃銅。1920年以前的攝影鏡多半以黃銅形式呈現，因此這時期的攝影鏡我們姑且稱之為『老銅鏡』時期吧!
2.1 眼鏡
穆斯林學者Ibn al-Haytham (965-1040)，西方人稱他為Alhazen，是第一位提出使用光滑玻璃改善視力障礙的學者，多年後，他的著作《光學書》拉丁文譯本在歐洲修道院流傳。十三世紀義大利僧侶發明了一種由水晶石英製成的透明半球形透鏡，當將其放在文字上時，字母會被放大因此暱稱“讀書石”(Reading stone)，讀書石為患有老花眼的老年僧侶帶來了真正福音，能顯著地改善老花眼患者的生活品質。雖然讀書石是當今眼鏡鏡片前身，但第一副眼鏡或帶有兩鏡片的眼鏡之起源何時至今仍然是一個謎。
已知最與眼鏡(Spectacles或Eyeglass)相關的最古老的圖畫是位於北義大利Treviso鎮，隸屬San Niccolõ大教堂轄下的一間名為Dominican Monastery修道院之壁畫，壁畫上由左至右分別是普羅旺斯Hugh樞機主教、Nicolas de Rouen樞機主教；英國樞機主教Cardinal William及Fra Isnardo da Vicenza修士。該畫由 Tommaso da Modena (1325-1379)於1352年所創作，描繪了普羅旺斯Hugh樞機主教戴著一副鉚釘眼鏡的場景。
北義大利Dominican Monastery修道院的壁畫(1352)
十二世紀，隨著西歐與東方貿易的發展，位於北義大利的威尼斯成為世界玻璃製造中心，威尼斯玻璃是那個時代玻璃高級品代名詞。當時威尼斯政府為了壟斷玻璃製造技術，把玻璃工匠集中在與威尼斯隔海相望的潟湖島，穆拉諾島(Murano)上。威尼斯玻璃生產的鼎盛時期約末是十五 ~ 十六世紀，產品幾乎獨占歐洲市場，後來威尼斯人又在玻璃表面鍍上一層錫汞製成鏡子來出售，轟動整個歐洲。或許出於就近容易取得玻璃緣故，老花眼鏡就在北義大利地區流行起來，並由旅行商人帶往歐洲世界各地販售。旅行商人從製造商那裡購買大量老花眼鏡，然後將其與其他商品一起零售給需要的歐洲人。
到了十六世紀，因為印刷術普及帶來書籍出版及閱讀量大增，因而間接造成老花眼鏡與近視眼鏡的需求，雖然需求量無法鍋碗或衣服等日用品相提並論，但成就一門手工業，養家活口已經不成問題。因此幾乎歐洲每個大小城鎮都至少有1 ~ 2家眼鏡工坊，這些眼鏡工坊通常是家族經營，父親把手藝傳給兒子，一代傳一代，或是師傅傳學徒。下圖是荷蘭板畫出版商Philips Galle於1584年發行Jan van der Straet系列板畫的其中一張，內容描述年長者在眼鏡店前試戴各種不同度數的老花眼鏡。
荷蘭板畫出版商Philips Galle的版畫(1584年)
根據記載，數十名玻璃研磨工人得花費數天時間，才能將玻璃廠提供的毛坯加工成透明眼鏡片。在磨床上，鏡片的一側被磨成與球面相對應形狀。另一側最初是平的，就像放在頁面上的閱讀鏡片一樣。後來的透鏡才變成雙凸的。如果知道材料的直徑和折射率，就可以根據中心厚度和邊緣厚度的差來計算眼鏡片的聚焦強度。在十九世紀公制引入前，屈光度(Diopter)是眼鏡片聚焦能力的測量標準，而之前只規定了焦距。焦距是把鏡片拿到太陽底下，透過將光線聚焦在一張紙上，透鏡至紙張的距離便是焦距。現存最古老的一副眼鏡於 1953 年在德國維恩豪森修道院(Wienhausen)唱詩班的座位下被發現，該修道院建於十三世紀。與當時的大多數眼鏡一樣，鏡片的度數為+3.4屈光度，是老花眼鏡。
德國Wienhausen修道院及現存最古老眼鏡
礦物玻璃(Mineral glass)很難加工，尤其最初用來製作眼鏡片的水晶綠柱石(Beryl)，因為其硬度很高。因此，任何想要將玻璃變成具有光學效果鏡片的人都需要極大耐心和毅力。研磨鏡片的工具一開始是工匠自己手工製作，但隨著需求量越來越大，市場也開始出現制式化機器。約末十九世紀初，鏡片的生產開始進入制式且統一格式的量產規模。一開始使用水力或風力，工業革命後，利用蒸汽機對渦輪發電機發電，然後再將電流分流成小電流去驅動馬達進行更精密且穩定轉速的加工。從人類鏡片製造的最遠古紀錄就已經知道使用有曲率的金屬磨具協助研磨，足以證明這種無意間發現的工法早被磨鏡工匠普遍使用，磨具形狀或凹或凸，在磨具上放磨料協助玻璃成型。十五世紀義大利北部佛羅倫斯眼鏡製造商已經能夠滿足各種不同曲率的凹透鏡和凸透鏡的訂單，來滿足不同度數的近視與遠視患者。
中世紀鏡片製作工坊
十九世紀初開始統一規格制式化量產鏡片
眼鏡約末在十五世紀後傳入中國，並在十六世紀廣泛流通，1690年清帝國康熙皇帝統治時期，眼鏡已經普遍用於治療近視與遠視。按記載眼鏡最早於1530年由傳教士傳入日本，朝鮮半島則可能十八世紀以後眼鏡才從中國傳入。
2.2 望遠鏡與顯微鏡
成立於西元前27年，統治地中海周邊的羅馬帝國，因為疆土過大難以管理，西元293年羅馬皇帝戴克里先將羅馬帝國分成西部地區與東部地區，由兩位皇帝共治、相互扶持，這也是為何羅馬帝國的老鷹標誌會從單頭鷹變成雙頭鷹原因。信奉基督教的東羅馬帝國，首都君士坦丁堡在超過一千年時間裡，一直是控制歐洲與亞洲貿易的陸路咽喉要道。西元1453年信奉回教穆斯林土耳其人攻下君士坦丁堡，東羅馬帝國宣告滅亡，至此歐亞陸路貿易轉運站轉而由穆斯林控制。
西歐各國希望透過海路尋找到前往亞洲新航路，但航海技術難度非常高，風險也非常高。1498年，達伽馬(Vasco da Gama)率領葡萄牙船隊成功繞過非洲最南角，進入印度洋，大航海時代就此來臨。西元1600年荷蘭也加入大航海時代的競爭行列。當時因冰箱尚未被發明，為了保存肉類及魚類食物，普遍作法是使用鹽來醃製，這導致食物風味不佳，亞洲尤其南亞盛產的香料例如胡椒，便成了西歐人餐桌上不可或缺調味料，荷蘭商船從亞洲運送香料回歐洲的代價非常高昂，得面臨風暴襲擊及海盜打劫，為此一袋五公斤胡椒可在當時的阿姆斯特丹換一棟房子。荷蘭人為了分攤風險發明股票制度，不僅如此，基於逐利的荷蘭眼鏡工匠也發明有利於海上航行的望遠鏡。
荷蘭工匠Hans Lippershey於發明望遠鏡(摘自gettyimages)
折射式望遠鏡(Refracting telescope)究竟發明於何時已不可考，但按目前已經發現的最早文字紀錄是荷蘭眼鏡工匠Hans Lippershey於西元1608年申請了專利，其架構見下圖。這種架構使用者透過望遠鏡看到的影像是上下顛倒的，用來觀看星象影響不大，但是用來航海就變得很不方便。眼鏡工匠手上一定有很多凸透鏡，基於好奇心，把原本用於老花眼鏡的雙凸透鏡，拿兩片來玩玩看，就這樣意外發明了望遠鏡。Hans Lippershey發明望遠鏡的消息，很快在歐洲外交圈傳開來，因為這種新玩意可以把幾里外的景物拉到就像近在幾百公尺處遠。
荷蘭眼鏡工匠Hans Lippershey望遠鏡架構 (1608)
知道這消息幾個月後，義大利物理學家伽利略(Galileo Galilei)於1609年改良Hans Lippershey的發明，把最後面那片聚焦透鏡改成發散透鏡，如此一來眼睛看到的影像便不再是上下顛倒。伽利略向威尼斯參議院展示他的發明，除了天文學上的用途外，他還證明望遠鏡對於防禦的戰略重要性，因為望遠鏡可以比肉眼更早發現接近船隻，並開啟光學偵察的發展。同樣是1608年另一位荷蘭人Zacharias Janssen也利用Hans Lippershey的望遠鏡架構發明了顯微鏡(Microscope)，顯微鏡與望遠鏡的結構極為相似，差別只在於顯微鏡的透鏡曲率較小，聚焦能力較強，但是這種架構的顯微鏡看到的影像也是上下顛倒的。1611年義大利物理學家Francisco Fontana仿照伽利略的發明，把Zacharias Janssen顯微鏡架構的最後那片聚焦透鏡改成發散透鏡，如此一來眼睛看到的影像便不再是上下顛倒了。
義大利物理學家Galileo Galilei的望遠鏡 (1609)
出生於德意志Burrweiler地區的Johann Wiesel (1583-1662)，是德語區第一位商業望遠鏡製造商。Johann Wiesel是新教徒，1604年家鄉迎來一位天主教封建領主，為了擔心受到迫害，Johann Wiesel選擇離開家鄉前往相對宗教自由的巴伐利亞Augsburg。自1625年起，他在Augsburg出售眼鏡、望遠鏡、和顯微鏡。自1643年起，他與Anton Maria Schyrleus de Rheita合作，共同發明了帶有三個凸透鏡的地面望遠鏡 (Erdfernrohr )。這種望遠鏡，因為聚焦兩次，因此影像進入眼球前是直立成像的，因此大腦顯示的影像也是直立的，並且比以前習知望遠鏡有更高放大倍率，是光學史上首次出現物鏡(Object lens)的概念，之後這種概念也在1650年以後也被導入顯微鏡設計中。歐洲在三十年宗教戰爭(1618-1648)期間，火砲已經被大量使用，Johann Wiesel製造的望遠鏡，是新教與天主教兩陣營雙方皆倚重的觀測光學設備。
德意志眼鏡工匠Johann Wiesel的望遠鏡架構(1643)
德意志眼鏡工匠Johann Wiesel的望遠鏡架構(1643)
西元1611年德國天文學家克卜勒(Johannes Kepler )歸納從十三 ~ 十七世紀，古希臘羅馬與阿拉伯世界學者對於光現象的描述與研究，出版了名為《屈光度(Dioptrice)》的光學書。在書中，克卜勒已經完整建立現代幾何光學的基礎，並利用書中成像原理解釋Hans Lippershey望遠鏡與伽利略望遠鏡的原理差異。
《屈光度(Dioptrice)》封面與內容(摘自Milestones of Science Books)
未完待續!!
相關文章：
參考文獻
[2] Anita McConnell, “A Survey of the Networks Bringing a Knowledge of Optical Glass-working To the London Trade, 1500-1800,” Whipple Museum of the History of Science, 2016.
[3] Sabine Melchior-Bonnet、譯者 余淑娟, “鏡子，鏡裡鏡外的凝視與誘惑、幻境與痴狂,” 藍鯨出版，城邦發行，台北，2002。
[4] Charles R. Kurkjian, William R. Prindle, “Perspectives on the History of Glass Composition,” J. Am. Ceram. Soc., Vol.81, No.4, pp.795-813, 1998.
[5] Zeissikonveb.de/Geschichte/Personen/Paul Rudolph
[6] W. J. Smith, “Modern Lens Design, A Resource Manual,” McGraw-Hill, Inc, Rochester, New York, 1992.
