门泊东吴万里船:小孔成像的奥秘

2020-02-26 09:33许秀华
科学大众·小诺贝尔 2020年2期
关键词:画框凸透镜照相机

绝句

[唐]杜甫

两个黄鹂鸣翠柳,一行白鹭上青天。

窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船。

这首诗简直就是一幅优美的图画。杜甫的视角大约是这样的:他先是站在窗前,看到春天窗外生机勃勃的鸟儿们。那边的柳树上,两只黄鹂鸟在歌唱;这边,一行白鹭排着整齐的队伍冲上蓝天。接下来,杜甫在房间里往后退。以窗框作为画框,他看到对面的西岭雪山和雪山上的冰雪就像嵌在画框里一样,千年不化。以门框作为画框,他看到岷江上停泊着不远万里从东吴开来的船只。

杜甫的视角,多么像一台照相机啊!照相机的成像原理竟然和杜甫的视角不谋而合。

不管是传统的胶卷照相机,还是后来的数码照相机,以及现在的手机摄像头,其成像的基本原理都是小孔成像。

墨子的小孔成像实验

墨子早在2 400年前就做出了世界上第一个小孔成像实验,解释了小孔成倒像的原因,指出了光的直线行进的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。实验中,用一个带有小孔的板遮挡在墙体与物之间,墙体上就会形成物的倒影,这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板,墙体上像的大小也会随之发生变化。

然而,当把小孔调大,墙上的倒像却消失了。为什么不能小孔成小像、大孔成大像呢?以蜡烛为例,当孔小的时候,通过小孔的光线很少,每束光线在墙壁上形成一个小小的光斑。每束光斑互不干扰,墙壁上就能形成清晰的蜡烛影子。而小孔变大后,通过大孔的光线就变多。每束光线都在墙壁上形成一个较大的光斑,光斑之间相互干扰,层层叠叠地摞在—起,最后形成—个光圈,我们就看不到蜡烛的影子了。

但是,由于小孔成像实验中透过的光线少,所成的像是灰暗的、不清晰的。

不断进步的照相机成像技术

最早的照相机利用的就是小孔成像原理。照相机的镜头就相当于小孔,外部的光线通过小孔进入照相机,在照相机后面的胶卷上成像。用特定的溶液对胶卷进行显影、定影,就得到了照片。

小孔透过的光线少,成像清晰度差。那么,照相机又是怎样提高照片清晰度的呢?原来靠的是凸透镜。在小孔处嵌入凸透镜后,四面八方的光线都可以被收集过来,这样照相机得到的光线多了,所成的像就会更真实、更清晰。

数码照相机和手机在成像技术上又比光学照相机前进了一大步。除了借助凸透镜外,人们采用数码技术,更好地分析光和影。所以,现在我们用手机能够拍到更真实、细节更丰富的照片。

但是,万变不离其宗,小孔成像仍是所有照相机的基本原理。

眼睛的成像原理

我们的眼睛和照相机一样,利用的也是小孔成像原理,同样也借助了凸透镜。

眼睛成像的原理与照相机基本类似,眼睛的结构包括角膜、晶状体、玻璃体和视网膜。角膜和晶状体相当于照相机的镜头,而视网膜就相当于照相机的底片。在正常情况下,外界的光线经过角膜、晶状体,会形成物像,落在视网膜的表面。

照相机用的是凸透镜,眼睛里的晶状体则充满了特殊的溶液。这种溶液对光来说,和玻璃的效果差不多。进入眼睛的光线要在经过角膜和晶状体后改变传播方向,在医学上叫作屈光,即本来是直线传播的光,遇到凸透镜后,被迫屈服地改变了传播方向。

屈光,本质上是光的折射。光的折射,即光从空气中进入玻璃后,会改变传播方向,走个折线。如果光遇到凸透镜这样光滑的球面,进入的每束光线会更加弯曲,于是就会生成一个比实物小得多的图像。这个小小的图像在视网膜上生成之后,成像信息被视神经传送到大脑的视觉中枢,我们便看到图像了。

杜甫所看到的“窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船”,就是这样来到杜甫脑海里的。

作者简介

许秀华,毕业于北京大学生命科学学院。从事科技记者、医学记者等职,科普作家、中国科普作家协会会员、中国生物工程学会会员,著有少儿科普书《超级农业》(北师大出版社)、孕产期保健科普书《妈妈宝贝爱妻录》(科学出版社)、《卢良恕院士传》(人民出版社),全程执笔《转基因,给世界多一个选择》(农业出版社,获2014年全国优秀科普作品奖)、《南水奇遇記》(水利出版社),为《科学大众》《生命世界》等多家少儿科普杂志撰稿人。

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