圖片：以白光手電筒照射水晶製作類似三稜鏡的色散作用
作者：嚴融怡
稜鏡是截面為特定形狀的柱狀光學透鏡，最常見者為三稜鏡，早在十七世紀時期由牛頓藉由三稜鏡以白光進行實驗，由於白光是由多種光源所組成的複合光，因此當中含有不同波長且折射率不同的單色光，當這些單色光在稜鏡當中折射時會因偏轉不同的角度進而產生彩虹狀的色散現象，牛頓並因此提出光的粒子說。牛頓其實不是第一位發現這個現象的人，早在西元一世紀時，羅馬的西尼卡(L.A.Senica 4 BC-65 AD)，就曾發現當陽光照過角形玻璃時，可以呈現出彩虹的顏色，然而同期的科學家包括西尼卡本人都認為這是因為玻璃當中含有雜質因此會將白光發生著色的結果。而一直到牛頓才給予較為正確完整的解答。後來的科學家進一步驗證發現如果入射光是雷射光這類的單色光源，則通過三稜鏡後則不會產生色散的現象，因此三稜鏡可用以檢驗光源是否為單色光或複合光。自然界當中有些寶石如水晶也可以製造出類似三稜鏡的色散效果，但效果的明顯程度需要看切割情形與內部構造而定。
圖片：牛頓是最早正確解讀三稜鏡色散作用並賦予光粒子學理論解釋的科學家
隨著人類光學儀器的演進，三稜鏡後來也有相當多的變形與延伸，像是可造成入射光線與反射光線平行、上下左右均為顛倒成像的普羅稜鏡就常被使用於雙筒望遠鏡，普羅-阿貝稜鏡與阿貝-柯尼稜鏡的形狀較為複雜，也是常運用於雙筒望遠鏡的稜鏡，以及一系列可以經由反射作用將光線行進方向單純改變90度的屋頂稜鏡(像是阿米西稜鏡、阿貝-柯尼稜鏡、施密特-別漢稜鏡與五稜鏡等都屬於屋頂稜鏡)，反射稜鏡當中的達夫稜鏡還可運用做為干涉測量法。
X-Cube合光稜鏡是由四根三角柱所組合而成的四方體。它可以將白色光源分光後的紅、綠、藍等單色光線(也就是光的三原色，RGB)彼此正交射出。也可以逆向將RGB重新組合為白光。而如果RGB或是白光從不同角度射進來，也可以從中合成多彩的影像。在3LCD投影機當中，X-Cube合光稜鏡可以用以整合圖像。國外也有運用合光稜鏡在KTV這類娛樂場所的多彩燈光，但是後者以五稜鏡等其他稜鏡也可以製作。合光稜鏡的黏合很吃精密技術，因為如果貼合有誤差便會造成投影機暗線、影像錯位、重影等問題。在中小學的實驗操作當中，可以讓同學去嘗試以多個單色光源的不同角度照射或是白色光源的不同角度照射，均能夠產生相當多的視覺效果，並且可以從中去獲得光學實驗的有趣經驗。關於X-Cube合光稜鏡可以直接從報廢的投影機當中拆卸下來，也可以購買市售的X-Cube合光稜鏡，這裡則以賽先生出品的X-Cube合光稜鏡作為實驗素材。當中也可以將多顆合光稜鏡去做組合照光，會有相當多元的光線變化。各類稜鏡是探究光的折射很好的實驗素材，瞭解光的折射原理對於了解環境當中的物理也是非常重要的基底，像是大海的顏色也是受光的折射以及海洋的反射等因素所造成，太陽當中的紅光、橙光等波長較長的光，通常進入海洋當中便很容易持續前進、消耗並且直到被徹底吸收掉。然而較短波長的光線如藍光則很容易因為一些環境因素就產生散射或反射而彈回來，但它們的穿透力也很強，通常可以到達較深的水層，並且只有少量會被吸收。我們之所以看到大海的顏色經常呈現藍色，就是屬於散射與反射回來的藍光。當海水越深，將會使我們看到的藍色也越深，就像花東海域常常都顯得相當深的水色。
圖片：以白光照射賽先生X-Cube合光稜鏡的側面所分離出的三原色正交情形
圖片：以單色雷射光照射賽先生X-Cube合光稜鏡的透光情形
圖片：以驗鈔筆紫光和紫外光照射賽先生X-Cube合光稜鏡的透光情形
圖片：當白光以不同角度照射賽先生X-Cube合光稜鏡可以製造不同的色彩效果
在波動光學當中還有干涉(interference)與繞射(diffraction)這兩種重要現象。繞射是指光經過障礙物或孔洞時可以如同海浪繞過障礙物並且產生擴散的情形，波長越長或是障礙物較小比較能夠塑造較為明顯的繞射情形。而干涉則是指兩道光束相遇重疊時會產生加強或抵消的現象。干涉與繞射在顯微鏡的設計運用當中極具重要性，其中阿貝繞射極限 (Abbe diffraction limit)更是長期限制光學顯微鏡進展極為重要的瓶頸。對於小學生而言，以雷射筆光束來照射粉筆或鋼絲所造成的繞射情形，或是坊間的一些繞射道具(一些特殊設計的繞射眼鏡通常會在鏡面故意製作密集分布的特殊網點，進而因為光線繞射而會產生特殊的幾何光圈圖樣。)
圖片：賽先生出品的光衍射派對眼鏡其實運用鏡面上密布的小點來進行繞射後的圖樣
圖片：透過特殊眼鏡、合光稜鏡和手電筒即可製造很多光線效果
光線的折射、繞射、反射往往能夠製造出相當多的視覺效果，事實上，在自然界的蝴蝶和鳥類也常常運用鱗片或羽毛的奈米結構來設法運作出這些物理性的光線成色，因此科學上稱呼為物理色。相對而言，大部分物質如我們所看到塑造水果顏色的各類色素(像是花青素、胡蘿蔔素等)是真正透過化學性質而呈現的顏色則稱為化學色。在自然界當中還有一些物質可以透過化學反應而產生光線(像是螢火蟲的生物發光)，或是能夠吸收光能之後在黑暗當中緩慢放光的物質，像是經常以硫化鋅作為原料的夜光粉。這是在與小學生分享自然界光源時所可以去作為範例的小材料。這些都是可以在一定條件上由生物體或是物質材料自己發光的案例。另外一種是螢光(fluorescence)，這是特定物質經特定波長的入射光照射（最常見的是紫外線），吸收光能後躍升為激發態，並立即退激發釋放出光線（通常波長較入射光要長，位在可見光波段），而一旦停止入射光，發光現象也會馬上消失。具有這種性質的光線，如果持續發光時間短於10的負8次方秒則稱為螢光，而長於10的負8次方秒者則稱為磷光。但是在日常生活當中人們會經常將夜光、螢光、磷光混在一起都指稱較微弱的光，在文學上螢光、磷光與夜光等也常常是混用的。但是生物發光或是螢光在海洋生物適應環境當中扮演著極為重要的作用，或者透過光線的利用來掠食，或者透過光線的利用來禦敵甚至製造隱蔽效果等等，因此這些也都暗藏著生物物理、生物化學以及仿生學等重要機制在其中。
參考資料與延伸閱讀：
1.稜鏡（Dispersive prism）─科學Online https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=18930
2.科學玩具－光學－彩虹教室（一）─科學玩具柑仔店(Darling の 優) https://kingdarling.blogspot.com/2013/01/blog-post_4465.html
3.光的繞射 ─中山大學物理系 https://cu.nsysu.edu.tw/base/10001/course/10040512/content/public/generalMaterials/GP2_Lecture16.pdf
4.光繪藝術─跟著鄭大師玩科學 https://www.masters.tw/164861/lightpainting
5.顯微鏡變顯「奈」鏡了！─中央研究院物理研究所 https://www.phys.sinica.edu.tw/~laser/file/superresolution.pdf
6.合光稜鏡─3LCD https://www.3lcd.com/tw/explore/dichroic_prism.html
7.X-CUBE合光稜鏡─賽先生科學工廠 https://www.mr-sai.com/products/x-cube-%E5%90%88%E5%85%89%E7%A8%9C%E9%8F%A1
8.正交─拾人牙慧 https://silverwind1982.pixnet.net/blog/post/164733530
9.透明的三稜鏡為甚麼會把白光變成彩色的？｜色散｜科學家的故事－牛頓｜LIS情境科學教材 https://www.youtube.com/watch?v=FcimVGsqzpc
10.牛頓發現了物體有顏色的秘密│光的選擇性反射│科學家的故事－牛頓│LIS情境科學教材 https://www.youtube.com/watch?v=0WLLE2cf7WE
11.雙筒望遠鏡. (2022, October 1). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved January 27, 2024, from https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8F%8C%E7%AD%92%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C
12.達夫稜鏡. (2023, April 15). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved January 27, 2024, from https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%81%94%E5%A4%AB%E7%A8%9C%E9%8F%A1
13.深海的色彩─泛科學 https://pansci.asia/archives/32338
14 .海水為什麼是藍色的？─科技大觀園 https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000008/detail?ID=58eddfac-ff43-4bcb-8351-c07698c913b8
15.【觀念】干涉與繞射─均一教育平台
16. Newton's Light Spectrum Experiment | Earth Science -BBC Earth Science https://www.youtube.com/watch?v=--b1F6jUx44
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