門泊東吳萬里船：小孔成像的奧秘

絕句

[唐]杜甫

兩個(gè)黃鸝鳴翠柳，一行白鷺上青天。

窗含西嶺千秋雪，門泊東吳萬里船。

這首詩簡(jiǎn)直就是一幅優(yōu)美的圖畫。杜甫的視角大約是這樣的：他先是站在窗前，看到春天窗外生機(jī)勃勃的鳥兒們。那邊的柳樹上，兩只黃鸝鳥在歌唱;這邊，一行白鷺排著整齊的隊(duì)伍沖上藍(lán)天。接下來，杜甫在房間里往后退。以窗框作為畫框，他看到對(duì)面的西嶺雪山和雪山上的冰雪就像嵌在畫框里一樣，千年不化。以門框作為畫框，他看到岷江上停泊著不遠(yuǎn)萬里從東吳開來的船只。

杜甫的視角，多么像一臺(tái)照相機(jī)??！照相機(jī)的成像原理竟然和杜甫的視角不謀而合。

不管是傳統(tǒng)的膠卷照相機(jī)，還是后來的數(shù)碼照相機(jī)，以及現(xiàn)在的手機(jī)攝像頭，其成像的基本原理都是小孔成像。

墨子的小孔成像實(shí)驗(yàn)

墨子早在2 400年前就做出了世界上第一個(gè)小孔成像實(shí)驗(yàn)，解釋了小孔成倒像的原因，指出了光的直線行進(jìn)的性質(zhì)。這是對(duì)光直線傳播的第一次科學(xué)解釋。實(shí)驗(yàn)中，用一個(gè)帶有小孔的板遮擋在墻體與物之間，墻體上就會(huì)形成物的倒影，這樣的現(xiàn)象叫小孔成像。前后移動(dòng)中間的板，墻體上像的大小也會(huì)隨之發(fā)生變化。

然而，當(dāng)把小孔調(diào)大，墻上的倒像卻消失了。為什么不能小孔成小像、大孔成大像呢？以蠟燭為例，當(dāng)孔小的時(shí)候，通過小孔的光線很少，每束光線在墻壁上形成一個(gè)小小的光斑。每束光斑互不干擾，墻壁上就能形成清晰的蠟燭影子。而小孔變大后，通過大孔的光線就變多。每束光線都在墻壁上形成一個(gè)較大的光斑，光斑之間相互干擾，層層疊疊地摞在—起，最后形成—個(gè)光圈，我們就看不到蠟燭的影子了。

但是，由于小孔成像實(shí)驗(yàn)中透過的光線少，所成的像是灰暗的、不清晰的。

不斷進(jìn)步的照相機(jī)成像技術(shù)

最早的照相機(jī)利用的就是小孔成像原理。照相機(jī)的鏡頭就相當(dāng)于小孔，外部的光線通過小孔進(jìn)入照相機(jī)，在照相機(jī)后面的膠卷上成像。用特定的溶液對(duì)膠卷進(jìn)行顯影、定影，就得到了照片。

小孔透過的光線少，成像清晰度差。那么，照相機(jī)又是怎樣提高照片清晰度的呢？原來靠的是凸透鏡。在小孔處嵌入凸透鏡后，四面八方的光線都可以被收集過來，這樣照相機(jī)得到的光線多了，所成的像就會(huì)更真實(shí)、更清晰。

數(shù)碼照相機(jī)和手機(jī)在成像技術(shù)上又比光學(xué)照相機(jī)前進(jìn)了一大步。除了借助凸透鏡外，人們采用數(shù)碼技術(shù)，更好地分析光和影。所以，現(xiàn)在我們用手機(jī)能夠拍到更真實(shí)、細(xì)節(jié)更豐富的照片。

但是，萬變不離其宗，小孔成像仍是所有照相機(jī)的基本原理。

眼睛的成像原理

我們的眼睛和照相機(jī)一樣，利用的也是小孔成像原理，同樣也借助了凸透鏡。

眼睛成像的原理與照相機(jī)基本類似，眼睛的結(jié)構(gòu)包括角膜、晶狀體、玻璃體和視網(wǎng)膜。角膜和晶狀體相當(dāng)于照相機(jī)的鏡頭，而視網(wǎng)膜就相當(dāng)于照相機(jī)的底片。在正常情況下，外界的光線經(jīng)過角膜、晶狀體，會(huì)形成物像，落在視網(wǎng)膜的表面。

照相機(jī)用的是凸透鏡，眼睛里的晶狀體則充滿了特殊的溶液。這種溶液對(duì)光來說，和玻璃的效果差不多。進(jìn)入眼睛的光線要在經(jīng)過角膜和晶狀體后改變傳播方向，在醫(yī)學(xué)上叫作屈光，即本來是直線傳播的光，遇到凸透鏡后，被迫屈服地改變了傳播方向。

屈光，本質(zhì)上是光的折射。光的折射，即光從空氣中進(jìn)入玻璃后，會(huì)改變傳播方向，走個(gè)折線。如果光遇到凸透鏡這樣光滑的球面，進(jìn)入的每束光線會(huì)更加彎曲，于是就會(huì)生成一個(gè)比實(shí)物小得多的圖像。這個(gè)小小的圖像在視網(wǎng)膜上生成之后，成像信息被視神經(jīng)傳送到大腦的視覺中樞，我們便看到圖像了。

杜甫所看到的“窗含西嶺千秋雪，門泊東吳萬里船”，就是這樣來到杜甫腦海里的。

作者簡(jiǎn)介

許秀華，畢業(yè)于北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院。從事科技記者、醫(yī)學(xué)記者等職，科普作家、中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員、中國生物工程學(xué)會(huì)會(huì)員，著有少兒科普書《超級(jí)農(nóng)業(yè)》（北師大出版社）、孕產(chǎn)期保健科普書《媽媽寶貝愛妻錄》（科學(xué)出版社）、《盧良恕院士傳》（人民出版社），全程執(zhí)筆《轉(zhuǎn)基因，給世界多一個(gè)選擇》（農(nóng)業(yè)出版社，獲2014年全國優(yōu)秀科普作品獎(jiǎng)）、《南水奇遇記》（水利出版社），為《科學(xué)大眾》《生命世界》等多家少兒科普雜志撰稿人。