小孔成像的疑难问题

    小孔成像是光直线传播的有力证据，也是大家熟知的光学现象，但是具体到小孔成像的某些理论，人们又感到存在着一些问题。为此，我归纳了三个问题并作一分析。
　　
　　一、小孔成像的机制是什么
　　
　　一个物体可看作是由无数个物点组成的，每一个物点即一个发光点。理想情况下，由于光的直线传播，各发光点发出的光线经过小孔后在光屏上形成了一个个光点。由几何学知，发光点与落在光屏上的光点关于小孔中心一一对称，因此通过小孔后的光点截面图案与物体也成中心对称。又由于光本身由物点发出，携带了物点的特征，如形状、颜色、光洁度等，因此光点亦即像点，光点截面图案亦即物体的像。再利用像在光屏上的漫反射，我们就看到了小孔成的像，这就是小孔成像的机制。
　　
　　实际上，由于小孔有一定的几何尺寸，并非几何点，所以物点发出的光线经过小孔后就形成了扩散的光束，落在光屏上就变成了光斑（像斑）而不是光点。光斑间发生相互重叠，就产生了像的失真。孔越大，光斑越大，光斑间重叠越明显，像失真越严重。因此，物点经小孔后成的像总存在着失真，而且失真度主要取决于小孔的相对孔径的大小。
　　
　　二、小孔成像的条件是什么
　　
　　概括地说，小孔或清晰的像要具备3个条件。第一，小孔的线度要远大于光的波长，人们早先在使用针孔照相机时发现，当小孔很小时，像变得模糊不清。后来人们研究发现，这是由于光出现了衍射的缘故，当小孔的线度小到与光的波长可比拟时，通过小孔的光将不再直进，而是要发生衍射，这时的光学现象显然已经超出了小孔成像的范围。第二，小孔的线度要远小于物体的几何尺寸。当小孔太大时，光班重叠变得非常明显，像已经变得完全失真，这时在光屏上呈现的是小孔周围挡光部分的影子。这里我们应该注意到，在小孔能够保证光的直进性的前提下，也并不是孔越小越好，孔太小会使通过小孔的光线太弱，因而成的像太暗，使我们无法看清像。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，我们才能看到物体成的像。
　　
　　三、“小孔成像”中的“像”是像吗
　　
　　《辞海》定义：“像是从物体发出的光线经过光具组（透镜、镜、棱镜或它们的组合）后形成的与原物相似的图景。由光线实际会聚而成的像称为‘实像’，由虚光线（即光线在其相反方向上的延长线）会聚而成的像称为‘虚像’”。据此有人认为，小孔成像中的“像”并不是由光线实际会聚而成（通过小孔后的光线是发散的），所以不能把它说成是实像，也不可能是虚像，虚像无法用屏幕承接。有人还进一步引深说，如果小孔确实成的是像，那么还应该能够实现二次成像（即在小孔的后面放一凸透镜，以小孔成的“像”为物，还应该能够成像），可是在孔屏后放置一个凸透镜，无论怎样调整透镜、光屏、人眼三者的相对位置也观察不到二次成像。因此，他们认为把这一光学现象称为“小孔成像”是不确切的，确切地说应是“小孔成影”。那么真是“小孔成影”吗？
　　
　　我们再来看一下《辞海》对影的定义：影是光在传播过程中遇到不透明物体时，在其后方形成的全暗（光线完全不能照到）或半暗（只有部分光线照得到）区域，其中全暗区域称为全影，半暗区域称为半影。比较像和影的概念可知：(1)小孔成像不是光线遇到了不透明物体的情况，而是光线通过小孔时出现的光学现象。(2)影只是大致反映遮光体的轮廓，或全暗、或半暗；而像则是全面反映发光体的表象情况，如起伏性、颜色、光洁度等，二者反映事物的程度有着明显的差别。小孔成像是全面反映事物的光学现象，比如对人成像，不仅能反映人的某个详细部位，如眼睛、鼻子等，还能再现人的面部表情，这一点影是做不到的。因此，把小孔成像说成是“小孔成影”是不正确的。当然，如果一定要说小孔成影，那也只能是在小孔不太小的情况下，由于小孔周围部分挡光而对这一挡光部分形成的影子，此时发光体的像实际上已经不存在。
　　
　　进一步分析可知，小孔不仅成的是“像”，而且是“实像”。母国光先生等所编的《光学》一书中这样定义像：“自物点发出的单心光束，经光学系统后，若仍保持为单心光束，则这个经过系统后的光束的心称为光学系统对该物点成的像点。”实际上，除平面镜的反射能严格保持光束的单心性以外，其他光学元件由于都是近轴成像，所以都不能保持光束的单心性，只不过人们可以根据要求，将几种光学元件加以组合，以将像差减小到合理范围。因此，实际的像与定义中的像（即理想的像）总是有一定差异。当自物点发出的单心光束经光学系统后，其单心性得不到保证时，该单心光束所携带的物点信息就不能在一点完整地反映出来，对应一个物点的就不再是一个像点，而是一个弥散性像斑。小孔成像实际上就是这种情况。物点发出的光束经小孔后成为发散的光束，虽然不能会聚，但由于小孔很小，物点与小孔间距离较大，小孔与光屏间距离很小，通过小孔的光线也就很细，落在光屏上的光斑也就很小。又由于这很细的光束携带了物点的信息，故这很小的光斑无疑即像斑。实践表明，物体经小孔成的像，不仅可以用像屏来承接，也可使照相底片感光，故早期人们利用此原理制成针孔照相机。因此，我们说小孔能够成像，而且能够成实像。
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