小孔成像是一種光學現象，指在發光物體和像屏之間放一個小孔屏，在小孔屏上開一個很小的孔，就可以在像屏上看到發光物體的倒立的實像。公元前388年，墨家學派的代表人物之一墨子（墨子）發現了這一現象，并和學生完成了小孔成像的實驗，解釋了光沿直線傳播的物理特性。
這種光學現象經墨翟、趙友欽、郭守敬等人的研究和解釋，以及歐洲一些畫家的探索，形成了“光線在同種透明均勻介質中按直線傳播”的定律，奠定了幾何光學的基礎。
定義
小孔成像是一種光學現象，指在發光物體和像屏之間放一個小孔屏，在小孔屏上開一個很小的孔，就可以在像屏上看到發光物體的倒立的實像。由墨翟最早在《墨經》中記載，并得出光沿直線傳播的結論。
歷史發展
對小孔成像有最早記載的著作，是公元前388年墨子（墨子）的著作《墨經》中的針孔成像。《經下》提到：“景到，在午有端與景長，說在端”。《經說》提到：“景，光之人，若射。下者之人也高，高者之人也下，足蔽下光，故成景與上；首蔽上光，故成景于下。在遠近有端與于光，故景庫內也”。《經下》表明針孔所成的像之所以倒立，原因就在于光線從針孔（“端”）交叉通過。《經說》大意是說：發自人頭部的光線，被遮去上面的部分，故成像于下；發自人足部的光線，被遮去下面的部分，故成像于上。從《經說》可以清楚看到，古人已經認識到光是直線行進的，所以常用“射”來描述光線徑直向前。
在現存的西方自然研究著作中，最早提及小孔成像問題的著作，是(偽)亞里士多德的著作《問題集》(Problemata)（公元5世紀至6世紀）。該書共含38卷，900余條問題，內容包羅萬象，涉及醫學、數學、博物學以及各自然科學分支，不僅提出問題，而且嘗試解答。現代學者一般認為，亞里士多德本人貢獻了少量的問題，其他內容由其他逍遙學派學者完成。
1276年，元代著名天文學家郭守敬創制了一批天文儀器，其中有兩件應用了小孔成像原理。其一是景符，據《元史·天文志》記載：“景符之制，以銅葉，博二寸，長加博之二，中穿一竅，茬針芥然。以方框為，一端可開闔，支其一端使斜倚，北高南下，往來遷就于虛景之中，竅通日光僅如米許，隱然見橫梁于其中。舊法以表端測景，所得者日體上邊之景。今以橫梁取之實得中景，不容有毫米之差。”用景符測影，不但清晰，且可提高測量精度。另一種儀器是仰儀，因像一口朝天放置的鍋，所以得此名。用仰儀觀測日食，可以讀出日食的方位、食分、時刻等，十分方便。《元史·天文志》記載：“仰儀之制，以銅為之，形若釜，置于磚臺。內畫周天度，唇列十二辰位。蓋俯視驗天者也。”
元末時期（1278-1279年），趙友欽將小孔成像的研究推向了高峰。他的著作《革象新書》五卷，現收集在《四庫全書》中，在該書第五卷首篇“小光景”中，詳細地記述了小孔成像實驗，有許多獨到之處。“小罅”有小洞的意思，“小罅光景”分為兩個部分：第一部分描述了日光經壁間小孔成像實驗，得出了小孔成像的基本規律，第二部分則應用樓房和蠟燭做模擬實驗，不但論證了光的直線傳播性質，而且討論了光源、小孔與像的關系。
至15世紀，西方文藝復興時期的意大利著名藝術家列奧納多·達·芬奇發現了小孔成像的原理，并用于繪畫；16至17世紀，在《根本問題》和《歐幾里得遠近法》等書籍中，闡述了將透鏡與暗箱結合的方法，利用小孔成像的原理逐漸接近照相機的構造。
成像原理
光的直線傳播
一個發光體（或反射光的物體）可以看成是由無數發光點組成的。由于光的直線傳播，各發光點發出的光束經小孔后，在光屏上形成光斑，即為發光點的像。如果孔足夠小，各發光點在光屏上形成的光斑不會出現明顯的重疊，即各發光點的像沒有明顯重疊，從而呈現出整個物體清晰的像。這就是小孔成像的實質。
墨家實驗
墨子在《墨經》中提到了關于小孔成像的實驗。《墨經·經下》云：“景到，在午有端，與景長，說在端。”文中的“到”同“倒”；“午”指光線的交點；“端”為暗室壁上的小孔。“端”限定光線必在此相交成光束，從而在暗室的屏上生成一倒立的實像，此乃成像的關鍵。根據經文意思，小孔成像是倒立的，是由于光線在小孔處相交；至于像的長短，是與小孔的位置有關。《經說》用光線直進原理詳細解釋道：“景：光之人，熙若射。下者之人也高高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠近有端與于光，故景庫內也。”具體解釋了小孔成像的原因。綜上所述，墨子從實驗觀察的層面上記敘了小孔成像的過程和機理，得出了光是沿直線傳播的原理。
趙友欽實驗
十四世紀中葉，元代天文數學家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關系。他發現當孔隙相當小的時候，盡管孔隙的形狀不是圓形的，所得的像卻都是圓形的（其中所含原理是因為：這時的小孔成像成的是太陽的像，故為圓形）；日食的時候，像也有缺，和日的食分相同；孔的大小不同，但是像的大小相等，只是濃淡不同；如果把像屏移近小孔，所得的像變小，亮度增加。對于這一現象，趙友欽經過精心思索和研究，得出了關于小孔成像的規律。他認為孔相當小的時候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時孔的大小只不過和像的明暗程度有關，不改變像的形狀。當孔相當大的時候，所得到的像就是孔的正立像。
為了證實這個結論，趙友欽設計了一個比較完備的實驗。趙友欽所做的模擬實驗步驟如下：
1.光源、小孔、像屏三者之間保持距離不變，將四尺高的桌子放入左阱，則兩阱深度相同，分別將兩塊密插點燃蠟燭的圓板放入阱底和桌面上。在阱口各蓋上直徑為五尺而中心開方孔的圓板，左板孔寬一寸左右，右板孔寬一寸半左右。趙友欽發現，天花板上所成左右兩個像幾乎相同都是圓形的，只不過右邊孔大些，所以成的像較亮。
2.利用針孔成像模擬日月蝕。首先把右阱燭盤上東部的蠟燭熄滅，結果發現樓頂天花板上的像只剩下西邊的一半，反之亦然。這表明針孔所成之像為倒立。
3.改變相距。另用兩塊大實木板掛在預制板之下數尺處作為像屏，即減少像距。這時所成之像直徑較小而亮度較大。它表明了像的大小與亮度隨像距而變化，像距小則亮度大，像距大則亮度小。實驗發現當物距等于像距時呈現等大倒立像，物距縮短50%則像的大小倍增。
4.改變物距。撤去左阱的小桌，把燭盤放入阱底，即增大物距，發現像縮小了，亮度卻增大了。
5.改變孔的大小和形狀。撤去覆蓋在阱口的兩塊板，右邊換上中心有四寸方孔的板，左邊換上中心有五寸多三角形孔的板，各用繩索吊在樓板底下，可以調節高度，目的在于同時改變物距和像距。此時把左邊的蠟燭拼成圓形，右邊的拼成半圓形，此時預制板上的像，左邊是三角形，右邊是方形。可見，這時像只隨孔的形狀而變化，不隨光源的形狀而變化。
條件
小孔成清晰的像需要具備三個條件：
1.小孔的線度要遠大于光的波長。當光源發出的光線穿過直徑0.5-1毫米的圓形孔洞后，在接收屏上形成倒立的實像，其形狀與物體本身完全一致而與孔洞形態無關。當小孔很小時，像變得模糊不清，這時由于光出現了衍射現象。當小孔的線度小到與光的波長可比擬時，通過小孔的光將不再直線前進，而是要發生衍射，這就超出了小孔成像的范疇；
2.小孔的線度要遠小于物體的幾何尺寸。當小孔太大時，光斑重疊變得非常明顯，像已經變得完全失真，這時在光屏上呈現的是小孔周圍擋光部分的影子；
3.小孔成像要有光屏存在。只有利用像斑在光屏上的漫反射，我們才能看到物體成的像。
現代實驗步驟
2.點燃蠟燭，調整蠟燭和屏的高度，使蠟燭的火焰、小孔和毛玻璃屏的中心大致在一條直線上。蠟燭和小孔屏的距離不宜過大。調整后，可以在毛玻璃屏上看到蠟燭火焰倒立的實像。
2.移動蠟燭或毛玻璃屏的位置，可以看到，蠟燭距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越遠，得到的像越大。
結論
通過“小孔成像”這一自然現象和中西方學者得出的實驗事實，人們總結出如下結論：
1.光在同種均勻物質中沿直線傳播；
2.像距不變時，物距越近，像越大且亮度變亮；物距越遠，像越小且亮度變暗；
3.物距不變時，屏近像變小，變亮；屏遠像變大，變暗；
4.物、孔、屏位置不變時，孔相對大時像變亮。
應用
古代天文歷法
在古代中國天文歷法發展過程中，光的直線傳播性質被廣泛運用于觀測天文。例如，郭守敬將小孔成像原理運用于仰儀上，用來觀測日食，使人們首次實現了低頭看日食；他還將小孔成像原理運用于景符上，配合高表觀測日影，大大提高了觀測的精度。
繪畫
在近代西方繪畫發展過程中，小孔成像的原理使其成為西方繪畫的重要工具。畫家通過設計暗箱裝置，將人的影像投射到一個平面上，通過這個投影會得到更加合理的透視關系，從而更加準確地繪制人像。
攝影
在近現代攝影技術的發展過程中，相機的成像結構也遵循了小孔成像原理。景物原像透過有針孔的暗箱時，在其內部的平面上產生一個左右相反、上下顛倒的影像。如果在暗箱中和進光點相對應的位置安放一個可以保存影像的膠片或感光元件，這個暗箱也就成了一臺照相機。
現代科技
在現代科學技術發展過程中，小孔成像的原理在單透鏡望遠鏡系統、航天器系統、單目視覺測距模型等技術中仍發揮著重要的作用。
研究意義
人們早期對小孔成像的研究得出了“光線在同種透明均勻介質中按直線傳播”的規律，奠定了幾何光學的基礎，為現代物理學的發展提供了重要的基石。
參考資料 >
大學物理學 波動與光學.北京：北京郵電大學出版社.2023-06-09
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變焦距鏡頭高斯光學設計的新方法.科技創新與應用.2023-06-07