光與像（下）

我們都知道凸透鏡可以成像。對(duì)于焦距一定的凸透鏡，當(dāng)物距發(fā)生變化時(shí)，像的大小、位置、虛實(shí)也會(huì)隨之變化。而人眼的工作機(jī)制，與照相機(jī)類(lèi)似。但是，這只是理想化的模型，真正的成像情況要復(fù)雜得多。

照相機(jī)成像問(wèn)題

對(duì)于凸透鏡成像的規(guī)律，既可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)總結(jié)，也可以采用特殊光線(xiàn)作圖法來(lái)探究。特殊光線(xiàn)通常指以下3條光線(xiàn)：平行于主光軸的入射光線(xiàn)，透過(guò)凸透鏡后經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)；經(jīng)過(guò)光心的入射光線(xiàn)，透過(guò)凸透鏡后方向不變；經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)的入射光線(xiàn)，透過(guò)凸透鏡后平行于主光軸前進(jìn)（圖1）。

實(shí)際上，不同“顏色”的光的偏折程度并不相同。之所以加了個(gè)引號(hào)，是因?yàn)轭伾侨说母兄⒉皇枪獾目陀^存在。此處姑且用我們感知到的“顏色”來(lái)描述。

從光的色散實(shí)驗(yàn)可以看出，紅色光的偏折程度最小，從橙色到紫色，偏折程度逐漸增大（圖2）。

凸透鏡對(duì)光有會(huì)聚作用，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)透鏡后偏向主光軸。平行于主光軸的白光由空氣進(jìn)入玻璃，再由玻璃進(jìn)入空氣，發(fā)生兩次折射（通常作圖時(shí)可以只畫(huà)一次）。由于各種色光的偏折程度不同，紫色光最先與主光軸相交，紅色光最后與主光軸相交。也就是說(shuō)，對(duì)于同一個(gè)凸透鏡，各種色光的焦點(diǎn)位置不重合，紫色光的焦距最小，紅色光的焦距最大（圖3）。這就讓照相機(jī)拍照時(shí)產(chǎn)生了色差，拍出的照片會(huì)出現(xiàn)紫邊、綠邊等。

此外，平行于主光軸的平行光線(xiàn)，與光心O的距離有遠(yuǎn)有近，通過(guò)凸透鏡后并不都通過(guò)焦點(diǎn)，離光心O遠(yuǎn)的光線(xiàn)會(huì)較早聚焦。通常所說(shuō)的焦點(diǎn)，是指到主光軸和透鏡邊緣距離相等的平行光線(xiàn)相交的點(diǎn)（圖4）。這就讓照相機(jī)在拍照時(shí)出現(xiàn)了球差，即使對(duì)焦完美，也會(huì)導(dǎo)致成像模糊或景物變形。中學(xué)物理課本中提到的凸透鏡、凹透鏡都是薄透鏡，即厚度與球面半徑相比非常小，如果透鏡的厚度太大，偏差就更大了。

為了盡量如實(shí)還原所拍攝的景物，高級(jí)的照相機(jī)采取了多種措施。比如，選取特殊的光學(xué)材料，重新設(shè)計(jì)透鏡的表面形狀，給鏡頭鍍膜，采用多個(gè)鏡片組合，等等。最終，在底片或傳感器上得到的是景物倒立、縮小的實(shí)像（平面的），與實(shí)際景物（立體的）相比，無(wú)論如何都會(huì)有差別。從這個(gè)意義上講，照片都是“失真”的。

人眼成像更加復(fù)雜

人眼與照相機(jī)類(lèi)似，但是更加精密（圖5）。

人眼的角膜和晶狀體相當(dāng)于光學(xué)透鏡，改變進(jìn)入眼睛的光線(xiàn)方向，在視網(wǎng)膜上聚焦為倒立、縮小的實(shí)像（實(shí)際上，光學(xué)信號(hào)要通過(guò)感光細(xì)胞經(jīng)由視神經(jīng)傳送到大腦，最終讓人以“像”的方式感知周?chē)拔铮?/p>

虹膜可以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光量，相當(dāng)于照相機(jī)的光圈。

睫狀體可以改變晶狀體的厚度，相當(dāng)于“調(diào)焦”。看遠(yuǎn)景時(shí)，睫狀體松弛，睫狀小帶收緊，讓晶狀體變薄，焦距變大；看近景時(shí)，睫狀體收縮，睫狀小帶放松，晶狀體變厚，焦距減小。這種調(diào)節(jié)會(huì)在瞬間自動(dòng)完成。若用眼過(guò)度，“自動(dòng)調(diào)焦”功能將下降，導(dǎo)致近視或遠(yuǎn)視。長(zhǎng)時(shí)間盯著手機(jī)或電腦畫(huà)面，還可能導(dǎo)致視疲勞，除了出現(xiàn)眼部癥狀，還會(huì)引發(fā)頭痛、肩膀酸痛等。

人們獲得的外部信息，70%以上來(lái)自視覺(jué)。而人眼和大腦產(chǎn)生的“視覺(jué)感受”并不是“真實(shí)”的世界，只是物體的“像”而已。人眼不能區(qū)分“實(shí)像”和“虛像”，而且很多時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)“視錯(cuò)覺(jué)”，所以說(shuō)“眼見(jiàn)未必為實(shí)”。

模擬簡(jiǎn)易照相機(jī)或放映機(jī)

找一枚凸透鏡（放大鏡、老花鏡都行），關(guān)上門(mén)窗，熄燈，只留下一面向光的窗戶(hù)。在與窗戶(hù)相對(duì)的墻上貼張白紙，讓凸透鏡靠近白紙，與窗戶(hù)、白紙平行放置。調(diào)節(jié)凸透鏡與白紙之間的距離，會(huì)在白紙上看到窗戶(hù)倒立、縮小的彩色實(shí)像（圖6）。這時(shí)，窗戶(hù)到凸透鏡的距離必定大于二倍焦距，而白紙到透鏡的距離介于一倍焦距和二倍焦距之間，這就是照相機(jī)的工作原理。

點(diǎn)燃一支蠟燭，拉上窗簾，調(diào)節(jié)燭焰與凸透鏡、白紙三者之間的距離和高度，直到白紙上出現(xiàn)燭焰倒立、放大的實(shí)像，這就是放映機(jī)的工作原理。燭焰相當(dāng)于電影膠片，白紙相當(dāng)于銀幕，而凸透鏡就相當(dāng)于放映機(jī)的鏡頭。這時(shí)，燭焰與凸透鏡的距離必定介于一倍焦距與二倍焦距之間，而白紙到凸透鏡的距離一定大于二倍焦距。

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)再次呈現(xiàn)出“哪邊大，哪邊大”的規(guī)律——若物距大于像距，則物體比像大；若像距大于物距，則像比物體大。

（責(zé)任編輯：白玉磊）