簡析小孔成像的原因

李好

摘要：小孔成像在現實生活中有很多應用，是光沿直線傳播的一個重要體現。本文主要從光的幾何原理和波動性兩個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。

關鍵詞：小孔成像;幾何光學;波動光學

1、前言

小孔成像就是用一個有小孔（小孔足夠小）的物體擋在顯示屏和物體中間，顯示屏上就會形成物體的倒影。改變三者間的距離，形成的像的大小也會發生改變。迄今為止，小孔成像在生活中有了很廣泛的應用，某些照相機和攝像機就用了小孔成像的原理。

2、從幾何光學看“小孔成像”

光在同一均勻材料中沿直線傳播，這是幾何光學的一個基本概念。長期以來，人們都知道利用小孔成像作為光線性傳播實驗。以往有許多對成像針孔相機的研究，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。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]。

假設一個光點向四面八方發出光，總會有一束光直接穿過小孔，在紙上形成一個光點。從光源中發出的每個光點在白紙上形成一個對應的點，這個點在白紙上形成物體的圖像。一般認為小孔成像是一種鏡像。事實上，小孔成像并不是一種“成像”，“小孔成像”與幾何光學中圖像的含義完全不同。它是一種同心光束，通過同心光學儀器后轉換成光束，如果光束是聚焦光束，則稱為“虛像”，圖像的轉換位置是有源光束的“心臟”。在空間中，它設置在空間中，使人眼能夠觀察由光學裝置形成的圖像[2]。“成像小孔”的“像”不是同心圓光束之間的變換，它只是一個小孔，用來選擇不同物體在物體表面發出的不同光線（由物體在小孔的右側所決定）。投射在屏幕上的光點，是物體對主體的位置和亮度的反應。人類的眼睛可以通過大腦的活動看到圖像。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，當圖像大小和孔的大小和幾何點有關時，物體平面上的點變得模糊。物體發出的光穿過小孔，形成一束漫射光。當它落在屏幕上時，不是一個點。當點重疊時，圖像會產生失真。

3、從波動光學看小孔成像

從光波的角度看，光波是波長極短（幾百納米）的電磁波。在相同的環境下，光波的波長是一條直線，在光的短波長近似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大得多，小孔的線性度比光波的波長長得多，光波的波長比物體的線性性質小得多，這個因素給出了物體表面物體屬性的點（或屬性）[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大得多，光線就會揮發、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）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量，而且影響光的強度和清晰度。

為了使圖像更清晰，需要確保圖像的大小和亮度足夠。對于距離足夠大的圖像，圖像的距離不應該太小，同時，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，本研究的結果如下：

（1）物體的距離和圖像的距離會對圖像的大小產生影響，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、角的結構也會影響成像的效果。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。理論和實驗表明，當小孔直徑合適時，距離分辨率最小，邊緣亮度最大。此時，圖像分辨率更高，圖像質量也得到了提高。

（3）物體和光源的距離會影響圖像的亮度。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系密切。

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

4、結束語

綜上所述，小孔成像是光的直線傳播的體現，可以通過幾何光學和波動光學進行解釋這個現象。但是小孔成像目前的研究還不完全，對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：

[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比[J]. 科技展望， 2017， 27（23）.

[3]江耀基. 小孔成像實驗改進與教學[J]. 中學物理：初中版， 2017， 35（10）：20-21.

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