小孔成像为何成的图像不是影子呢?

小孔成像为何成的图像不是影子呢?
小孔成像为何成的图像不是影子呢?

小孔成像为何成的图像不是影子呢?
小孔能够成像,而且能够成实像
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.