光与像（下）

我们都知道凸透镜可以成像。对于焦距一定的凸透镜，当物距发生变化时，像的大小、位置、虚实也会随之变化。而人眼的工作机制，与照相机类似。但是，这只是理想化的模型，真正的成像情况要复杂得多。

照相机成像问题

对于凸透镜成像的规律，既可以通过实验来总结，也可以采用特殊光线作图法来探究。特殊光线通常指以下3条光线：平行于主光轴的入射光线，透过凸透镜后经过焦点；经过光心的入射光线，透过凸透镜后方向不变；经过焦点的入射光线，透过凸透镜后平行于主光轴前进（图1）。

实际上，不同“颜色”的光的偏折程度并不相同。之所以加了个引号，是因为颜色是人的感知，并不是光的客观存在。此处姑且用我们感知到的“颜色”来描述。

从光的色散实验可以看出，红色光的偏折程度最小，从橙色到紫色，偏折程度逐渐增大（图2）。

图2 供图/视觉中国

凸透镜对光有会聚作用，光线经过透镜后偏向主光轴。平行于主光轴的白光由空气进入玻璃，再由玻璃进入空气，发生两次折射（通常作图时可以只画一次）。由于各种色光的偏折程度不同，紫色光最先与主光轴相交，红色光最后与主光轴相交。也就是说，对于同一个凸透镜，各种色光的焦点位置不重合，紫色光的焦距最小，红色光的焦距最大（图3）。这就让照相机拍照时产生了色差，拍出的照片会出现紫边、绿边等。

此外，平行于主光轴的平行光线，与光心O的距离有远有近，通过凸透镜后并不都通过焦点，离光心O远的光线会较早聚焦。通常所说的焦点，是指到主光轴和透镜边缘距离相等的平行光线相交的点（图4）。这就让照相机在拍照时出现了球差，即使对焦完美，也会导致成像模糊或景物变形。中学物理课本中提到的凸透镜、凹透镜都是薄透镜，即厚度与球面半径相比非常小，如果透镜的厚度太大，偏差就更大了。

为了尽量如实还原所拍摄的景物，高级的照相机采取了多种措施。比如，选取特殊的光学材料，重新设计透镜的表面形状，给镜头镀膜，采用多个镜片组合，等等。最终，在底片或传感器上得到的是景物倒立、缩小的实像（平面的），与实际景物（立体的）相比，无论如何都会有差别。从这个意义上讲，照片都是“失真”的。

人眼成像更加复杂

人眼与照相机类似，但是更加精密（图5）。

人眼的角膜和晶状体相当于光学透镜，改变进入眼睛的光线方向，在视网膜上聚焦为倒立、缩小的实像（实际上，光学信号要通过感光细胞经由视神经传送到大脑，最终让人以“像”的方式感知周围景物）。

虹膜可以调节进入眼睛的光量，相当于照相机的光圈。

睫状体可以改变晶状体的厚度，相当于“调焦”。看远景时，睫状体松弛，睫状小带收紧，让晶状体变薄，焦距变大；看近景时，睫状体收缩，睫状小带放松，晶状体变厚，焦距减小。这种调节会在瞬间自动完成。若用眼过度，“自动调焦”功能将下降，导致近视或远视。长时间盯着手机或电脑画面，还可能导致视疲劳，除了出现眼部症状，还会引发头痛、肩膀酸痛等。

人们获得的外部信息，70%以上来自视觉。而人眼和大脑产生的“视觉感受”并不是“真实”的世界，只是物体的“像”而已。人眼不能区分“实像”和“虚像”，而且很多时候还会出现“视错觉”，所以说“眼见未必为实”。

模拟简易照相机或放映机

找一枚凸透镜（放大镜、老花镜都行），关上门窗，熄灯，只留下一面向光的窗户。在与窗户相对的墙上贴张白纸，让凸透镜靠近白纸，与窗户、白纸平行放置。调节凸透镜与白纸之间的距离，会在白纸上看到窗户倒立、缩小的彩色实像（图6）。这时，窗户到凸透镜的距离必定大于二倍焦距，而白纸到透镜的距离介于一倍焦距和二倍焦距之间，这就是照相机的工作原理。

点燃一支蜡烛，拉上窗帘，调节烛焰与凸透镜、白纸三者之间的距离和高度，直到白纸上出现烛焰倒立、放大的实像，这就是放映机的工作原理。烛焰相当于电影胶片，白纸相当于银幕，而凸透镜就相当于放映机的镜头。这时，烛焰与凸透镜的距离必定介于一倍焦距与二倍焦距之间，而白纸到凸透镜的距离一定大于二倍焦距。

这两个实验再次呈现出“哪边大，哪边大”的规律——若物距大于像距，则物体比像大；若像距大于物距，则像比物体大。

（责任编辑：白玉磊）