小孔成像是一种光学现象，指在发光物体和像屏之间放一个小孔屏，在小孔屏上开一个很小的孔，就可以在像屏上看到发光物体的倒立的实像。公元前388年，墨家学派的代表人物之一墨子（墨子）发现了这一现象，并和学生完成了小孔成像的实验，解释了光沿直线传播的物理特性。
这种光学现象经墨翟、赵友钦、郭守敬等人的研究和解释，以及欧洲一些画家的探索，形成了“光线在同种透明均匀介质中按直线传播”的定律，奠定了几何光学的基础。
定义
小孔成像是一种光学现象，指在发光物体和像屏之间放一个小孔屏，在小孔屏上开一个很小的孔，就可以在像屏上看到发光物体的倒立的实像。由墨翟最早在《墨经》中记载，并得出光沿直线传播的结论。
历史发展
对小孔成像有最早记载的著作，是公元前388年墨子（墨子）的著作《墨经》中的针孔成像。《经下》提到：“景到，在午有端与景长，说在端”。《经说》提到：“景，光之人，若射。下者之人也高，高者之人也下，足蔽下光，故成景与上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光，故景库内也”。《经下》表明针孔所成的像之所以倒立，原因就在于光线从针孔（“端”）交叉通过。《经说》大意是说：发自人头部的光线，被遮去上面的部分，故成像于下；发自人足部的光线，被遮去下面的部分，故成像于上。从《经说》可以清楚看到，古人已经认识到光是直线行进的，所以常用“射”来描述光线径直向前。
在现存的西方自然研究著作中，最早提及小孔成像问题的著作，是(伪)亚里士多德的著作《问题集》(Problemata)（公元5世纪至6世纪）。该书共含38卷，900余条问题，内容包罗万象，涉及医学、数学、博物学以及各自然科学分支，不仅提出问题，而且尝试解答。现代学者一般认为，亚里士多德本人贡献了少量的问题，其他内容由其他逍遥学派学者完成。
1276年，元代著名天文学家郭守敬创制了一批天文仪器，其中有两件应用了小孔成像原理。其一是景符，据《元史·天文志》记载：“景符之制，以铜叶，博二寸，长加博之二，中穿一窍，茬针芥然。以方框为，一端可开阖，支其一端使斜倚，北高南下，往来迁就于虚景之中，窍通日光仅如米许，隐然见横梁于其中。旧法以表端测景，所得者日体上边之景。今以横梁取之实得中景，不容有毫米之差。”用景符测影，不但清晰，且可提高测量精度。另一种仪器是仰仪，因像一口朝天放置的锅，所以得此名。用仰仪观测日食，可以读出日食的方位、食分、时刻等，十分方便。《元史·天文志》记载：“仰仪之制，以铜为之，形若釜，置于砖台。内画周天度，唇列十二辰位。盖俯视验天者也。”
元末时期（1278-1279年），赵友钦将小孔成像的研究推向了高峰。他的著作《革象新书》五卷，现收集在《四库全书》中，在该书第五卷首篇“小光景”中，详细地记述了小孔成像实验，有许多独到之处。“小罅”有小洞的意思，“小罅光景”分为两个部分：第一部分描述了日光经壁间小孔成像实验，得出了小孔成像的基本规律，第二部分则应用楼房和蜡烛做模拟实验，不但论证了光的直线传播性质，而且讨论了光源、小孔与像的关系。
至15世纪，西方文艺复兴时期的意大利著名艺术家列奥纳多·达·芬奇发现了小孔成像的原理，并用于绘画；16至17世纪，在《根本问题》和《欧几里得远近法》等书籍中，阐述了将透镜与暗箱结合的方法，利用小孔成像的原理逐渐接近照相机的构造。
成像原理
光的直线传播
一个发光体（或反射光的物体）可以看成是由无数发光点组成的。由于光的直线传播，各发光点发出的光束经小孔后，在光屏上形成光斑，即为发光点的像。如果孔足够小，各发光点在光屏上形成的光斑不会出现明显的重叠，即各发光点的像没有明显重叠，从而呈现出整个物体清晰的像。这就是小孔成像的实质。
墨家实验
墨子在《墨经》中提到了关于小孔成像的实验。《墨经·经下》云：“景到，在午有端，与景长，说在端。”文中的“到”同“倒”；“午”指光线的交点；“端”为暗室壁上的小孔。“端”限定光线必在此相交成光束，从而在暗室的屏上生成一倒立的实像，此乃成像的关键。根据经文意思，小孔成像是倒立的，是由于光线在小孔处相交；至于像的长短，是与小孔的位置有关。《经说》用光线直进原理详细解释道：“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。在远近有端与于光，故景库内也。”具体解释了小孔成像的原因。综上所述，墨子从实验观察的层面上记叙了小孔成像的过程和机理，得出了光是沿直线传播的原理。
赵友钦实验
十四世纪中叶，元代天文数学家赵友钦在他所着的《革象新书》中进一步详细地考察了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的关系。他发现当孔隙相当小的时候，尽管孔隙的形状不是圆形的，所得的像却都是圆形的（其中所含原理是因为：这时的小孔成像成的是太阳的像，故为圆形）；日食的时候，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，只是浓淡不同；如果把像屏移近小孔，所得的像变小，亮度增加。对于这一现象，赵友钦经过精心思索和研究，得出了关于小孔成像的规律。他认为孔相当小的时候，不管孔的形状怎样，所成的像是光源的倒立像，这时孔的大小只不过和像的明暗程度有关，不改变像的形状。当孔相当大的时候，所得到的像就是孔的正立像。
为了证实这个结论，赵友钦设计了一个比较完备的实验。赵友钦所做的模拟实验步骤如下：
1.光源、小孔、像屏三者之间保持距离不变，将四尺高的桌子放入左阱，则两阱深度相同，分别将两块密插点燃蜡烛的圆板放入阱底和桌面上。在阱口各盖上直径为五尺而中心开方孔的圆板，左板孔宽一寸左右，右板孔宽一寸半左右。赵友钦发现，天花板上所成左右两个像几乎相同都是圆形的，只不过右边孔大些，所以成的像较亮。
2.利用针孔成像模拟日月蚀。首先把右阱烛盘上东部的蜡烛熄灭，结果发现楼顶天花板上的像只剩下西边的一半，反之亦然。这表明针孔所成之像为倒立。
3.改变相距。另用两块大实木板挂在预制板之下数尺处作为像屏，即减少像距。这时所成之像直径较小而亮度较大。它表明了像的大小与亮度随像距而变化，像距小则亮度大，像距大则亮度小。
4.改变物距。撤去左阱的小桌，把烛盘放入阱底，即增大物距，发现像缩小了，亮度却增大了。
5.改变孔的大小和形状。撤去覆盖在阱口的两块板，右边换上中心有四寸方孔的板，左边换上中心有五寸多三角形孔的板，各用绳索吊在楼板底下，可以调节高度，目的在于同时改变物距和像距。此时把左边的蜡烛拼成圆形，右边的拼成半圆形，此时预制板上的像，左边是三角形，右边是方形。可见，这时像只随孔的形状而变化，不随光源的形状而变化。
条件
小孔成清晰的像需要具备三个条件：
1.小孔的线度要远大于光的波长。当小孔很小时，像变得模糊不清，这时由于光出现了衍射现象。当小孔的线度小到与光的波长可比拟时，通过小孔的光将不再直线前进，而是要发生衍射，这就超出了小孔成像的范畴；
2.小孔的线度要远小于物体的几何尺寸。当小孔太大时，光斑重叠变得非常明显，像已经变得完全失真，这时在光屏上呈现的是小孔周围挡光部分的影子；
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，我们才能看到物体成的像。
现代实验步骤
2.点燃蜡烛，调整蜡烛和屏的高度，使蜡烛的火焰、小孔和毛玻璃屏的中心大致在一条直线上。蜡烛和小孔屏的距离不宜过大。调整后，可以在毛玻璃屏上看到蜡烛火焰倒立的实像。
2.移动蜡烛或毛玻璃屏的位置，可以看到，蜡烛距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越远，得到的像越大。
结论
通过“小孔成像”这一自然现象和中西方学者得出的实验事实，人们总结出如下结论：
1.光在同种均匀物质中沿直线传播；
2.像距不变时，物距越近，像越大且亮度变亮；物距越远，像越小且亮度变暗；
3.物距不变时，屏近像变小，变亮；屏远像变大，变暗；
4.物、孔、屏位置不变时，孔相对大时像变亮。
应用
古代天文历法
在古代中国天文历法发展过程中，光的直线传播性质被广泛运用于观测天文。例如，郭守敬将小孔成像原理运用于仰仪上，用来观测日食，使人们首次实现了低头看日食；他还将小孔成像原理运用于景符上，配合高表观测日影，大大提高了观测的精度。
绘画
在近代西方绘画发展过程中，小孔成像的原理使其成为西方绘画的重要工具。画家通过设计暗箱装置，将人的影像投射到一个平面上，通过这个投影会得到更加合理的透视关系，从而更加准确地绘制人像。
摄影
在近现代摄影技术的发展过程中，相机的成像结构也遵循了小孔成像原理。景物原像透过有针孔的暗箱时，在其内部的平面上产生一个左右相反、上下颠倒的影像。如果在暗箱中和进光点相对应的位置安放一个可以保存影像的胶片或感光元件，这个暗箱也就成了一台照相机。
现代科技
在现代科学技术发展过程中，小孔成像的原理在单透镜望远镜系统、航天器系统、单目视觉测距模型等技术中仍发挥着重要的作用。
研究意义
人们早期对小孔成像的研究得出了“光线在同种透明均匀介质中按直线传播”的规律，奠定了几何光学的基础，为现代物理学的发展提供了重要的基石。
参考资料
大学物理学 波动与光学.北京：北京邮电大学出版社.2023-06-09
普通物理实验 3 光学部分 第5版.北京：高等教育出版社.2023-06-09
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变焦距镜头高斯光学设计的新方法.科技创新与应用.2023-06-07