聊一聊一些荧幕和现场背后的图像故事（20）--小孔成像,凸透镜成像

小孔成像充斥着我们周围的非常多的影像类设备

摄像机，放大镜，我们来简单解释下它

小孔成像，我国的学者—墨翟（墨子）和他的学生，做了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原因，指出了光沿直线进行的性质

把一支削得尖且细的铅笔，在一张硬纸片的中心部分扎一个小孔圆圈。

小孔的直径约三毫米，设法把它直立在桌子上，然后拉上窗帘，使室内的光线变暗。

点上一支蜡烛，放在靠近小孔的地方。拿一张白纸，把它放在小孔的另一面。这样，你就会在白纸上看到一个倒立的烛焰。我们称它是蜡烛的像。前后移动白纸，瞧瞧烛焰的像有什么变化。当白纸离蜡烛比较近的时候，像小而明亮；当白纸慢慢远离蜡烛的时候，像慢慢变大，亮度变暗。

改变小孔的大小，我们再来观察蜡烛的像有哪些变化。

你可以在硬纸片上，扎几个大小不等、形状不同的孔，孔和孔之间相距几厘米。这时候在白纸上，就出现了好几个和小孔相对应的倒像。它们的大小都一样，但是清晰程度不同，孔越大，像越不清楚。孔只要够小，它的形状不论是方的、圆的、扁圆的，对像的清晰程度和像的形状都没有影响。

所以，小孔成像和直接放大有什么区别

根据凸透镜成像的三种情况和应用进行判断：
u>2f，成倒立、缩小的实像，应用于照相机和摄像机．
2f>u>f，成倒立、放大的实像，应用于幻灯机和投影仪．
u<f，成正立、放大的虚像，应用于放大镜和老花镜．

从上面的图里面可以清晰的看到景深产生的机制，虽然任意距离的点都会成像，也就是说无论物体距离镜头什么样的距离，都会形成其光线的汇聚成像，但是像的位置是随着物体到镜头距离的不同而不同的。所以，只有那些像位置恰好在感光器件位置上面的物体可以清晰的成像，而更近和更远的物体在感光器件上面都会形成一个光斑，这就是虚化现象。

从绝对的光学意义上面来说，只有对焦点的位置上面的那些物体是清晰的，而其他位置的物体都应该是模糊的。实际上，对焦的面是一个厚度为0的，通过对焦点并且垂直于光轴的一个逻辑面。如果事情真的是如同理论上说的这样，那就糟糕了，我们不可能照清楚任何一个物体，因为现实里面的东西没有厚度是0 的。幸运的是，这个弥散斑的增大是逐步的，而感光器件的分辨率也是有限的，因此当弥散斑的大小比较小的时候，我们仍然可以认为它是清晰的。那么这个围绕对焦点前后能够清晰成像的范围就被叫做景深范围。

此外，对焦点越远，那么其成像越接近镜头，由上面的分析就可以知道，像接近镜头的时候，像之间的距离更小，从而弥散斑也更小，景深也会变大。由于和前面的理由类似，就不额外画图了。 除此之外，细心的读者也会想到，前面的图里面的弥散斑直径是由通过镜头的最外面的光线决定的。如何遮挡外围的光线，必然压缩弥散斑的尺寸，这就是光圈对于景深的作用原理。光圈是镜头后面的一个遮挡光线的器件，光线只能从光圈的开口处通过。光圈越大，开口越大，到达感光器件的光就更多，弥散斑就会更大，景深就小。

下图标识了光圈的作用。

从图里面，可以看出使用了光圈以后，遮挡的外围光越多，就越可以减少弥散斑的弥散范围，从而扩大景深，反之，就减小了景深。在实际的使用里面，通过改变光圈来控制景深是最为方便有效的一个方式。

从前面的分析我们可以看出，最终传统上面影响景深的因素主要包括 1：光圈大小：光圈越大景深越小，反之景深越大 2：镜头焦距：焦距越大景深越小，反之景深越大 3：被摄物到镜头的距离：距离越大景深越大，反之景深越小 从使用35mm胶片的传统摄影来说，了解上述三点对于控制景深基本就够了，然而到了现在的数码相机时代，情况变得更加复杂了。影响因素除了上面列出的之外，现在增加了一个新的因素就是CCD。这是和传统的拍摄截然不同的情况。传统摄影，大家都是使用35mm胶片进行拍摄的，但是数码相机时代截然不同。不再有统一大小的像，也不再有标准的象素。所以，关于清晰和模糊的标准变得空前的多样。事实上，这也是我们需要测试相机景深能力的原因。

对于数码照片来说，缩放变得非常的便利，传统意义上面的景深的概念也发生了变化。我们都有这样的经验，一张数码照片如果拍摄的有点模糊，那么缩小以后看就清楚了。而任何一张数码照片，只要去放大，总会有不清楚的时候。从某种意义来说，这就改变了我们看到的清楚和模糊的关系，就是改变了照相的景深。很多使用数码相机久了的人都会有个经验，就是不能够从数码相机的液晶屏上面去判断一张照片拍摄的是不是成功。因为在那个尺寸下面，景深接近无限，到处看起来都是清楚的，至少我们的肉眼很难看出模糊。

对于数码相机来说，象素和景深的关系是这样的：象素的密度高，景深相对会越低，也就是景深会越小。反之，则景深会加大。所以从某种意义上面来说，数码相机象素的不断攀升，为其制造类似胶片的那种细腻的虚化效果创造了很好的条件。

什么是实像，什么是虚像

老是说的是错误的小孔成像投影机理论上是像是存在的，但是，由于孔不能太大（要小于1mm）投的像比较大时（投影机投的像是放大的），亮度太低，以至于亮度低的看不到！所以不能用小孔成像的原理做投影机，可以做小孔照相机

1、成像的原理不同

实像是能呈现在光屏上的像，它是由实际光线会聚而成的，能使底片感光，所以叫实像。它是实际光线的交点。在凸透镜成像中，所成实像都是倒立的。

如果物体发出的光经光学元件反射或折射后发散，则它们反向延长后相交所成的像叫做虚像。虚像是实际光线所不能达到的，因此不能被光屏承接。虚像为正立的成像。

2、承接方式不同

虚像能用眼睛直接观看，但不能用光屏接受；实像既可以用光屏承接，也可以用眼睛直接观看。

人看虚像时，仍有光线进入人眼，但光线并不是来自虚像，而是被光学元件反射或折射的光线，只是人们有“光沿直线传播”的经验，以为它们是从虚像发出的。虚像可能因反射形成，也可能因折射形成，如平面镜成等大的虚像，凸透镜成放大的虚像 。

3、成像的位置不同

物体的实像和虚像分别位于凸透镜的两侧。实像在反射成像中，物、像处于镜面同侧，在折射成像中，物像处于透镜异侧；虚像在反射成像中，物、像处于镜面异侧，在折射成像中，物像处于透镜同侧。

单的判断标准:由实际的光线汇聚成的像是实像
由虚拟的光线汇聚成的像是虚像
实际的光线是说光线是实在的在光屏上被接收或者实在的被眼睛接收;
虚拟的光线是人眼错觉造成的,人眼睛总是认为光线是直线传播来的.
比如看镜子的时候,实际的一条光线是从物体上一点出发碰到镜子,被镜子反射,再折回被你的眼睛接收,这是实际的光线路径,这条光线在你的视网膜上成的像是实像;但是这个信息在经过的你的大脑处理后,就会让你有个认为,认为这个点的光线是从镜子后面传过来的,所以,你大脑里的经过处理的这个像就会被定位在镜子的后面,但实际这个点是不存在的,这个像是抽象的,是虚像.由此可以看出,所谓虚像实际上是并不存在的,是你的大脑认为它存在的.
水里的鱼,假如分析它的一个任意点,这个点的光线先是在水里直线传播,一旦遇到水与空气的临界面,就会发生折射现象,这条光线就要偏离原来的直线,沿着另外一条直线传播,最终,这条偏离原来方向的光线进入你的眼睛中,在你的视网膜上形成实像,但是!但是!,一定注意,你的大脑会认为这条进入你眼睛的光线就是原来的光线,就是那个鱼身上任意点发出的光线,这就有个误会在里面,实际上光线路径发生了变化,但是大脑认为它没有变化,而且以这条光线来定位鱼身上的那个任意点,这样,这个定位的点就不是原来鱼身上的那个任意点,这个点是虚像

成像和3D视觉的联系

3D电影的原理是：

用两个镜头如人眼那样的拍摄装置，拍摄下景物的双视点图像。再通过两台放映机，把两个视点的图像同步放映，使这略有差别的两幅图像显示在银幕上，这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重叠的，有些模糊不清，要看到立体影像，就要采取措施，使左眼只看到左图像，右眼只看到右图像。

从放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，观众使用对应上述的偏振光的偏振眼镜观看，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会看到立体景像，这就是立体电影的原理。