门泊东吴万里船：小孔成像的奥秘

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。