簡(jiǎn)析小孔成像的原因

李好

摘要：小孔成像在現(xiàn)實(shí)生活中有很多應(yīng)用，是光沿直線傳播的一個(gè)重要體現(xiàn)。本文主要從光的幾何原理和波動(dòng)性兩個(gè)方面分析了小孔成像的原理以及影響其成像清晰度的因素。

關(guān)鍵詞：小孔成像;幾何光學(xué);波動(dòng)光學(xué)

1、前言

小孔成像就是用一個(gè)有小孔（小孔足夠?。┑奈矬w擋在顯示屏和物體中間，顯示屏上就會(huì)形成物體的倒影。改變?nèi)唛g的距離，形成的像的大小也會(huì)發(fā)生改變。迄今為止，小孔成像在生活中有了很廣泛的應(yīng)用，某些照相機(jī)和攝像機(jī)就用了小孔成像的原理。

2、從幾何光學(xué)看“小孔成像”

光在同一均勻材料中沿直線傳播，這是幾何光學(xué)的一個(gè)基本概念。長(zhǎng)期以來，人們都知道利用小孔成像作為光線性傳播實(shí)驗(yàn)。以往有許多對(duì)成像針孔相機(jī)的研究，研究也取得很多成果。物體的距離，以及物體的亮度較大和較暗，與物體與圖像的距離，以及光線有關(guān)。距離圖像越大，圖像的形成就越清晰和光線越亮。只要孔足夠小，形狀就是方的、圓的、斜的，主體的清晰度和圖像的形式都沒有影響[1]。

假設(shè)一個(gè)光點(diǎn)向四面八方發(fā)出光，總會(huì)有一束光直接穿過小孔，在紙上形成一個(gè)光點(diǎn)。從光源中發(fā)出的每個(gè)光點(diǎn)在白紙上形成一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)在白紙上形成物體的圖像。一般認(rèn)為小孔成像是一種鏡像。事實(shí)上，小孔成像并不是一種“成像”，“小孔成像”與幾何光學(xué)中圖像的含義完全不同。它是一種同心光束，通過同心光學(xué)儀器后轉(zhuǎn)換成光束，如果光束是聚焦光束，則稱為“虛像”，圖像的轉(zhuǎn)換位置是有源光束的“心臟”。在空間中，它設(shè)置在空間中，使人眼能夠觀察由光學(xué)裝置形成的圖像[2]?！俺上裥】住钡摹跋瘛辈皇峭膱A光束之間的變換，它只是一個(gè)小孔，用來選擇不同物體在物體表面發(fā)出的不同光線（由物體在小孔的右側(cè)所決定）。投射在屏幕上的光點(diǎn)，是物體對(duì)主體的位置和亮度的反應(yīng)。人類的眼睛可以通過大腦的活動(dòng)看到圖像。圖片的大小隨著平板顯示器的位置而變化。

如果小孔的大小不同，當(dāng)圖像大小和孔的大小和幾何點(diǎn)有關(guān)時(shí)，物體平面上的點(diǎn)變得模糊。物體發(fā)出的光穿過小孔，形成一束漫射光。當(dāng)它落在屏幕上時(shí)，不是一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)重疊時(shí)，圖像會(huì)產(chǎn)生失真。

3、從波動(dòng)光學(xué)看小孔成像

從光波的角度看，光波是波長(zhǎng)極短（幾百納米）的電磁波。在相同的環(huán)境下，光波的波長(zhǎng)是一條直線，在光的短波長(zhǎng)近似x射線衍射下，光束可以用光來表示。一般來說，物體的線性度要比光波的波長(zhǎng)大得多，小孔的線性度比光波的波長(zhǎng)長(zhǎng)得多，光波的波長(zhǎng)比物體的線性性質(zhì)小得多，這個(gè)因素給出了物體表面物體屬性的點(diǎn)（或?qū)傩裕3]。光通過孔并投射到接收板的屏幕上，投射在平面屏幕上的光的分布就是物體的輪廓。這就是所謂的“小孔成像”。如果不滿足線性度的小孔比光波的波長(zhǎng)大得多，光線就會(huì)揮發(fā)、衍射，最后形成圖像，小孔的幾何極限就不再不清晰和黑暗。人眼觀察到的小孔的成像，它不僅受到圖像質(zhì)量（大小、形狀、顏色等）的影響，還受到圖像亮度（成像所需的光強(qiáng)）的影響。圖像太暗，無法被觀察到，也就是說，小孔的變化不僅影響圖像的質(zhì)量，而且影響光的強(qiáng)度和清晰度。

為了使圖像更清晰，需要確保圖像的大小和亮度足夠。對(duì)于距離足夠大的圖像，圖像的距離不應(yīng)該太小，同時(shí)，光是足夠的。在物體的距離上，由于物體的距離不影響圖像的亮度，所以可以減小物體的距離，使圖像采集裝置的尺寸達(dá)到最大[4]。成像孔徑的分辨率、圖像的大小和亮度在主觀感知的情況下清晰地顯示在圖像的壁上。具體而言，本研究的結(jié)果如下：

（1）物體的距離和圖像的距離會(huì)對(duì)圖像的大小產(chǎn)生影響，到物體的距離越小，圖像的距離越大，圖像就越高。

（2）孔的直徑、角的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響成像的效果。孔的直徑越小，圖像就越清晰，（不考慮亮度的影響）。從光的曲線來看，孔越小，衍射就越明顯清晰。理論和實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)小孔直徑合適時(shí)，距離分辨率最小，邊緣亮度最大。此時(shí)，圖像分辨率更高，圖像質(zhì)量也得到了提高。

（3）物體和光源的距離會(huì)影響圖像的亮度。圖像的距離降低，圖像的亮度降低，物體的距離變化，圖像的亮度并沒有明顯改變，小孔的大小與圖像關(guān)系密切。

（4）小孔成像很好地再現(xiàn)了物體本身的形狀。我們可以清楚地看到，物體的亮度從圖像的中心被降低了，而主體的亮度應(yīng)該是均勻的，而真實(shí)圖像的孔有一個(gè)邊緣模糊化的趨勢(shì)。

4、結(jié)束語

綜上所述，小孔成像是光的直線傳播的體現(xiàn)，可以通過幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行解釋這個(gè)現(xiàn)象。但是小孔成像目前的研究還不完全，對(duì)影響小孔成像清晰度和大小的方面沒有具體研究，本文淺析了影響小孔成像的因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁瑞利. 淺議小孔成像[J]. 物理之友， 2016（11）：48-49.

[2]左星博. 透鏡成像與小孔成像的對(duì)比[J]. 科技展望， 2017， 27（23）.

[3]江耀基. 小孔成像實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與教學(xué)[J]. 中學(xué)物理：初中版， 2017， 35（10）：20-21.

[4]翟勇. 影子不是像，實(shí)像虛像不一樣[J]. 中學(xué)生數(shù)理化：配合人教社教材， 2015（11）.