简析小孔成像的原因

李好

摘要：小孔成像在现实生活中有很多应用，是光沿直线传播的一个重要体现。本文主要从光的几何原理和波动性两个方面分析了小孔成像的原理以及影响其成像清晰度的因素。

关键词：小孔成像;几何光学;波动光学

1、前言

小孔成像就是用一个有小孔（小孔足够小）的物体挡在显示屏和物体中间，显示屏上就会形成物体的倒影。改变三者间的距离，形成的像的大小也会发生改变。迄今为止，小孔成像在生活中有了很广泛的应用，某些照相机和摄像机就用了小孔成像的原理。

2、从几何光学看“小孔成像”

光在同一均匀材料中沿直线传播，这是几何光学的一个基本概念。长期以来，人们都知道利用小孔成像作为光线性传播实验。以往有许多对成像针孔相机的研究，研究也取得很多成果。物体的距离，以及物体的亮度较大和较暗，与物体与图像的距离，以及光线有关。距离图像越大，图像的形成就越清晰和光线越亮。只要孔足够小，形状就是方的、圆的、斜的，主体的清晰度和图像的形式都没有影响[1]。

假设一个光点向四面八方发出光，总会有一束光直接穿过小孔，在纸上形成一个光点。从光源中发出的每个光点在白纸上形成一个对应的点，这个点在白纸上形成物体的图像。一般认为小孔成像是一种镜像。事实上，小孔成像并不是一种“成像”，“小孔成像”与几何光学中图像的含义完全不同。它是一种同心光束，通过同心光学仪器后转换成光束，如果光束是聚焦光束，则称为“虚像”，图像的转换位置是有源光束的“心脏”。在空间中，它设置在空间中，使人眼能够观察由光学装置形成的图像[2]。“成像小孔”的“像”不是同心圆光束之间的变换，它只是一个小孔，用来选择不同物体在物体表面发出的不同光线（由物体在小孔的右侧所决定）。投射在屏幕上的光点，是物体对主体的位置和亮度的反应。人类的眼睛可以通过大脑的活动看到图像。图片的大小随着平板显示器的位置而变化。

如果小孔的大小不同，当图像大小和孔的大小和几何点有关时，物体平面上的点变得模糊。物体发出的光穿过小孔，形成一束漫射光。当它落在屏幕上时，不是一个点。当点重叠时，图像会产生失真。

3、从波动光学看小孔成像

从光波的角度看，光波是波长极短（几百纳米）的电磁波。在相同的环境下，光波的波长是一条直线，在光的短波长近似x射线衍射下，光束可以用光来表示。一般来说，物体的线性度要比光波的波长大得多，小孔的线性度比光波的波长长得多，光波的波长比物体的线性性质小得多，这个因素给出了物体表面物体属性的点（或属性）[3]。光通过孔并投射到接收板的屏幕上，投射在平面屏幕上的光的分布就是物體的轮廓。这就是所谓的“小孔成像”。如果不满足线性度的小孔比光波的波长大得多，光线就会挥发、衍射，最后形成图像，小孔的几何极限就不再不清晰和黑暗。人眼观察到的小孔的成像，它不仅受到图像质量（大小、形状、颜色等）的影响，还受到图像亮度（成像所需的光强）的影响。图像太暗，无法被观察到，也就是说，小孔的变化不仅影响图像的质量，而且影响光的强度和清晰度。

为了使图像更清晰，需要确保图像的大小和亮度足够。对于距离足够大的图像，图像的距离不应该太小，同时，光是足够的。在物体的距离上，由于物体的距离不影响图像的亮度，所以可以减小物体的距离，使图像采集装置的尺寸达到最大[4]。成像孔径的分辨率、图像的大小和亮度在主观感知的情况下清晰地显示在图像的壁上。具体而言，本研究的结果如下：

（1）物体的距离和图像的距离会对图像的大小产生影响，到物体的距离越小，图像的距离越大，图像就越高。

（2）孔的直径、角的结构也会影响成像的效果。孔的直径越小，图像就越清晰，（不考虑亮度的影响）。从光的曲线来看，孔越小，衍射就越明显清晰。理论和实验表明，当小孔直径合适时，距离分辨率最小，边缘亮度最大。此时，图像分辨率更高，图像质量也得到了提高。

（3）物体和光源的距离会影响图像的亮度。图像的距离降低，图像的亮度降低，物体的距离变化，图像的亮度并没有明显改变，小孔的大小与图像关系密切。

（4）小孔成像很好地再现了物体本身的形状。我们可以清楚地看到，物体的亮度从图像的中心被降低了，而主体的亮度应该是均匀的，而真实图像的孔有一个边缘模糊化的趋势。

4、结束语

综上所述，小孔成像是光的直线传播的体现，可以通过几何光学和波动光学进行解释这个现象。但是小孔成像目前的研究还不完全，对影响小孔成像清晰度和大小的方面没有具体研究，本文浅析了影响小孔成像的因素。

参考文献：

[1]丁瑞利. 浅议小孔成像[J]. 物理之友， 2016（11）：48-49.

[2]左星博. 透镜成像与小孔成像的对比[J]. 科技展望， 2017， 27（23）.

[3]江耀基. 小孔成像实验改进与教学[J]. 中学物理：初中版， 2017， 35（10）：20-21.

[4]翟勇. 影子不是像，实像虚像不一样[J]. 中学生数理化：配合人教社教材， 2015（11）.