門泊東吳萬里船：小孔成像的奧秘

絕句

[唐]杜甫

兩個黃鸝鳴翠柳，一行白鷺上青天。

窗含西嶺千秋雪，門泊東吳萬里船。

這首詩簡直就是一幅優美的圖畫。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伍沖上藍天。接下來，杜甫在房間里往后退。以窗框作為畫框，他看到對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萬里從東吳開來的船只。

杜甫的視角，多么像一臺照相機啊！照相機的成像原理竟然和杜甫的視角不謀而合。

不管是傳統的膠卷照相機，還是后來的數碼照相機，以及現在的手機攝像頭，其成像的基本原理都是小孔成像。

墨子的小孔成像實驗

墨子早在2 400年前就做出了世界上第一個小孔成像實驗，解釋了小孔成倒像的原因，指出了光的直線行進的性質。這是對光直線傳播的第一次科學解釋。實驗中，用一個帶有小孔的板遮擋在墻體與物之間，墻體上就會形成物的倒影，這樣的現象叫小孔成像。前后移動中間的板，墻體上像的大小也會隨之發生變化。

然而，當把小孔調大，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，當孔小的時候，通過小孔的光線很少，每束光線在墻壁上形成一個小小的光斑。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—個光圈，我們就看不到蠟燭的影子了。

但是，由于小孔成像實驗中透過的光線少，所成的像是灰暗的、不清晰的。

不斷進步的照相機成像技術

最早的照相機利用的就是小孔成像原理。照相機的鏡頭就相當于小孔，外部的光線通過小孔進入照相機，在照相機后面的膠卷上成像。用特定的溶液對膠卷進行顯影、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，這樣照相機得到的光線多了，所成的像就會更真實、更清晰。

數碼照相機和手機在成像技術上又比光學照相機前進了一大步。除了借助凸透鏡外，人們采用數碼技術，更好地分析光和影。所以，現在我們用手機能夠拍到更真實、細節更豐富的照片。

但是，萬變不離其宗，小孔成像仍是所有照相機的基本原理。

眼睛的成像原理

我們的眼睛和照相機一樣，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基本類似，眼睛的結構包括角膜、晶狀體、玻璃體和視網膜。角膜和晶狀體相當于照相機的鏡頭，而視網膜就相當于照相機的底片。在正常情況下，外界的光線經過角膜、晶狀體，會形成物像，落在視網膜的表面。

照相機用的是凸透鏡，眼睛里的晶狀體則充滿了特殊的溶液。這種溶液對光來說，和玻璃的效果差不多。進入眼睛的光線要在經過角膜和晶狀體后改變傳播方向，在醫學上叫作屈光，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，本質上是光的折射。光的折射，即光從空氣中進入玻璃后，會改變傳播方向，走個折線。如果光遇到凸透鏡這樣光滑的球面，進入的每束光線會更加彎曲，于是就會生成一個比實物小得多的圖像。這個小小的圖像在視網膜上生成之后，成像信息被視神經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。

作者簡介

許秀華，畢業于北京大學生命科學學院。從事科技記者、醫學記者等職，科普作家、中國科普作家協會會員、中國生物工程學會會員，著有少兒科普書《超級農業》（北師大出版社）、孕產期保健科普書《媽媽寶貝愛妻錄》（科學出版社）、《盧良恕院士傳》（人民出版社），全程執筆《轉基因，給世界多一個選擇》（農業出版社，獲2014年全國優秀科普作品獎）、《南水奇遇記》（水利出版社），為《科學大眾》《生命世界》等多家少兒科普雜志撰稿人。