小孔能夠成像,而且能夠成實(shí)像
小孔成像是光直線傳播的有力證據(jù),也是大家熟知的光學(xué)現(xiàn)象,但是具體到小孔成像的某些理論,人們又感到存在著一些問題.為此,我歸納了三個問題并作一分析.
一、小孔成像的機(jī)制是什么?
一個物體可看作是由無數(shù)個物點(diǎn)組成的,每一個物點(diǎn)即一個發(fā)光點(diǎn).理想情況下,由于光的直線傳播,各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過小孔后在光屏上形成了一個個光點(diǎn).由幾何學(xué)知,發(fā)光點(diǎn)與落在光屏上的光點(diǎn)關(guān)于小孔中心一一對稱,因此通過小孔后的光點(diǎn)截面圖案與物體也成中心對稱.又由于光本身由物點(diǎn)發(fā)出,攜帶了物點(diǎn)的特征,如形狀、顏色、光潔度等,因此光點(diǎn)亦即像點(diǎn),光點(diǎn)截面圖案亦即物體的像.再利用像在光屏上的漫反射,我們就看到了小孔成的像,這就是小孔成像的機(jī)制.
實(shí)際上,由于小孔有一定的幾何尺寸,并非幾何點(diǎn),所以物點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過小孔后就形成了擴(kuò)散的光束,落在光屏上就變成了光斑（像斑）而不是光點(diǎn).光斑間發(fā)生相互重疊,就產(chǎn)生了像的失真.孔越大,光斑越大,光斑間重疊越明顯,像失真越嚴(yán)重.因此,物點(diǎn)經(jīng)小孔后成的像總存在著失真,而且失真度主要取決于小孔的相對孔徑的大小.
二、小孔成像的條件是什么?
概括地說,小孔或清晰的像要具備3個條件.第一,小孔的線度要遠(yuǎn)大于光的波長,人們早先在使用針孔照相機(jī)時發(fā)現(xiàn),當(dāng)小孔很小時,像變得模糊不清.后來人們研究發(fā)現(xiàn),這是由于光出現(xiàn)了衍射的緣故,當(dāng)小孔的線度小到與光的波長可比擬時,通過小孔的光將不再直進(jìn),而是要發(fā)生衍射,這時的光學(xué)現(xiàn)象顯然已經(jīng)超出了小孔成像的范圍.第二,小孔的線度要遠(yuǎn)小于物體的幾何尺寸.當(dāng)小孔太大時,光班重疊變得非常明顯,像已經(jīng)變得完全失真,這時在光屏上呈現(xiàn)的是小孔周圍擋光部分的影子.這里我們應(yīng)該注意到,在小孔能夠保證光的直進(jìn)性的前提下,也并不是孔越小越好,孔太小會使通過小孔的光線太弱,因而成的像太暗,使我們無法看清像.第三,小孔成像要有光屏存在,只有利用像斑在光屏上的漫反射,我們才能看到物體成的像.
三、“小孔成像”中的“像”是像嗎?
《辭?！范x：“像是從物體發(fā)出的光線經(jīng)過光具組（透鏡、鏡、棱鏡或它們的組合）后形成的與原物相似的圖景.由光線實(shí)際會聚而成的像稱為‘實(shí)像’,由虛光線（即光線在其相反方向上的延長線）會聚而成的像稱為‘虛像’”.據(jù)此有人認(rèn)為,小孔成像中的“像”并不是由光線實(shí)際會聚而成（通過小孔后的光線是發(fā)散的）,所以不能把它說成是實(shí)像,也不可能是虛像,虛像無法用屏幕承接.有人還進(jìn)一步引深說,如果小孔確實(shí)成的是像,那么還應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)二次成像（即在小孔的后面放一凸透鏡,以小孔成的“像”為物,還應(yīng)該能夠成像）,可是在孔屏后放置一個凸透鏡,無論怎樣調(diào)整透鏡、光屏、人眼三者的相對位置也觀察不到二次成像.因此,他們認(rèn)為把這一光學(xué)現(xiàn)象稱為“小孔成像”是不確切的,確切地說應(yīng)是“小孔成影”.那么真是“小孔成影”嗎?
我們再來看一下《辭?！穼τ暗亩x：影是光在傳播過程中遇到不透明物體時,在其后方形成的全暗（光線完全不能照到）或半暗（只有部分光線照得到）區(qū)域,其中全暗區(qū)域稱為全影,半暗區(qū)域稱為半影.比較像和影的概念可知：(1)小孔成像不是光線遇到了不透明物體的情況,而是光線通過小孔時出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象.(2)影只是大致反映遮光體的輪廓,或全暗、或半暗；而像則是全面反映發(fā)光體的表象情況,如起伏性、顏色、光潔度等,二者反映事物的程度有著明顯的差別.小孔成像是全面反映事物的光學(xué)現(xiàn)象,比如對人成像,不僅能反映人的某個詳細(xì)部位,如眼睛、鼻子等,還能再現(xiàn)人的面部表情,這一點(diǎn)影是做不到的.因此,把小孔成像說成是“小孔成影”是不正確的.當(dāng)然,如果一定要說小孔成影,那也只能是在小孔不太小的情況下,由于小孔周圍部分擋光而對這一擋光部分形成的影子,此時發(fā)光體的像實(shí)際上已經(jīng)不存在.
進(jìn)一步分析可知,小孔不僅成的是“像”,而且是“實(shí)像”.母國光先生等所編的《光學(xué)》一書中這樣定義像：“自物點(diǎn)發(fā)出的單心光束,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,若仍保持為單心光束,則這個經(jīng)過系統(tǒng)后的光束的心稱為光學(xué)系統(tǒng)對該物點(diǎn)成的像點(diǎn).”實(shí)際上,除平面鏡的反射能嚴(yán)格保持光束的單心性以外,其他光學(xué)元件由于都是近軸成像,所以都不能保持光束的單心性,只不過人們可以根據(jù)要求,將幾種光學(xué)元件加以組合,以將像差減小到合理范圍.因此,實(shí)際的像與定義中的像（即理想的像）總是有一定差異.當(dāng)自物點(diǎn)發(fā)出的單心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,其單心性得不到保證時,該單心光束所攜帶的物點(diǎn)信息就不能在一點(diǎn)完整地反映出來,對應(yīng)一個物點(diǎn)的就不再是一個像點(diǎn),而是一個彌散性像斑.小孔成像實(shí)際上就是這種情況.物點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)小孔后成為發(fā)散的光束,雖然不能會聚,但由于小孔很小,物點(diǎn)與小孔間距離較大,小孔與光屏間距離很小,通過小孔的光線也就很細(xì),落在光屏上的光斑也就很小.又由于這很細(xì)的光束攜帶了物點(diǎn)的信息,故這很小的光斑無疑即像斑.實(shí)踐表明,物體經(jīng)小孔成的像,不僅可以用像屏來承接,也可使照相底片感光,故早期人們利用此原理制成針孔照相機(jī).因此,我們說小孔能夠成像,而且能夠成實(shí)像.