八年级物理上 人教版 从小孔成像到全息照相

从小孔成像到全息照相
摄影既能如实地记录被摄物的图象、色彩和尺寸，又是文字语言的重要补充，比语言表述更形象、具体，起到了文字和语言所起不到的独特作用，它打破了时间和空间的限制，能把过去的事物和瞬息间的事物凝固在一起，使人们能更好地研究过去的历史，给科学研究提供可靠的资料，也给人们的生活增添了无穷的乐趣，由于摄影的上述特点，所以在摄影发明了150年以后的今天，摄影技术仍为许多行业不可缺少的一项专门技术。

一、从小孔成像谈起
摄影术的发展首先是从照相机的发明开始的，而照相机的发明又与人类对小孔成像的研究分不开。

我国早在2400年前战国时期《墨经》中就记述了用暗箱摄取影像的小孔成像的原理。

沈括（1031—1095），在他的《梦溪笔谈》中，对小孔成像理论作了进一步分析和解释。

明末、清初将小孔成像原理应用于绘画暗箱已经很流行了。

在西方关于小孔成像的记载，最早见于古希腊著名哲学家、美学家亚里士多德(Aristotle公元前384—322）的著作中，著名画家、科学家达·芬奇（L．Da．vinci1452—1519）也曾用小孔成像描绘景物。

小孔暗箱虽能成像并得到应用，但其缺点是不能解决影像亮度和清晰度的矛盾，于是出现了有透镜的暗箱形成的照相机的雏形。

带透镜的暗箱虽然能观察景物。

但却不能把看到的景物永久保存，后来的人们开始对影像如何复制的问题进行了思考。

对于一些物质的观察发现，经过阳光长期照射之后，它们会改变颜色。

我国宋代文人苏轼所编撰的《物类相感志》中就记述银盐变黑现象。

1725年，德国医学教授约翰·海因里希·舒尔茨发现，将做粉笔的白粉与硝酸银混合于玻璃瓶中，被日光照射的一面变成了黑色，未照光的一面为白色，18世纪末，英国人托马斯韦奇伍德，将不透明的树叶，昆虫翅膀放在涂有硝酸银的皮革上，在阳光下曝晒后，取下树叶时出现了非常优美的白色轮廓图象，白色部分有感光能力也逐渐变黑了，他虽然没有找到将图象固定下来的方法，但他证实了摄影方法记录成像的可能性。

1826年，德国石版印刷工人约瑟夫·尼塞福尔·尼普斯（J·N·Niepce1765—1833），用涂有沥青的合金板放在暗箱中，将镜头对准他工作的室外，经过8小时的曝光后，浸入熏衣草油中冲洗，得到了第一幅永久保留下来的影像照片，此法称为“日光摄影法”。

由于日光摄影法光敏度特别低，不可能成为实用的摄影方法。

法国发明家达盖尔（L·J·M·Daguerre1789—1851）改用银盐，在铜板上涂上碘化银，感光性能大大提高，而用硫代硫酸钠溶解未感光的银盐就是“定影”，1837年5月达盖尔使摄影成为现实，并命名为“达盖尔摄影法”。

1839年8月19日法国科学院与艺术学院正式发表了达盖尔摄影术，这一天被世界公认为摄影术的诞生日。

接着，英国业余科学家塔尔博特把墨底白图象的负片与另一张感光的药膜面相贴，然后曝光、显影、定影，最后得到了无数张与原物影像一样的正像，这种负片——正片法一直延用至今，缺点是负片纸基厚，印出的照片清晰度差。

以后，又发明用透明的片基代替纸基做负片并制成干板，逐渐改用醋酸纤维做负片，照片的质量有了很大的提高。

摄影术的发展与照相机的发展是密切相关的。

早在19世纪40年代，法国光学机械商将带有渥拉斯顿型镜头的木制暗箱，装上银盐感光片就诞生了第一架可供摄影用的照相机，当时总重量达110磅。

1888年，美国业余摄影爱好者G·伊斯曼(G．Eastman1854—1932）根据前人的经验，成功地制造出第一台使用胶卷的“柯达”照相机。

该照相机的重量缩小到只有2磅，已成为便于携带的旅游伙伴。

随后，按照摄影实践的需求，照相机的技术性能不断发展，光学机械结构进一步完善，并把电子技术开始应用于照相机上；现今照相机的发展已进入了光学精密机械与电子相结合的时代，并开拓了广阔的市场。

二、彩色摄影的构思
在达盖尔时代，照相机主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白构成画面中不同的阶调、层次和对比，表现人物和大自然景物，构成了它独特的艺术韵味，使照片产生丰富的艺术表现力。

即使如此，它却不能把五彩缤纷的彩色世界逼真、丰富地反映出来，也不能满足日益发展的现代科学技术的需求。

早在1666年，牛顿（I．Nawton1642—1727）就发现一束太阳光通过棱镜以后，能折射成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫的光带。

这说明太阳光是由各种不同颜色的色光所组成的。

这为彩色摄影的构思奠定了基础。

1907年，法国的留米埃尔公司开始研究彩色片。

其原理是由红、绿、蓝三色的微小透明颗粒分布在玻璃感光片上，曝光时，各色影象分别透过三色微粒，使银盐感光，然后采用反转冲洗法使之成为正象，如同今日的幻灯片，此法后来转变成彩色电视的基础。

1912年，美国柯达公司，用上述方法进一步研究效果不佳，后来放弃此法。

1930年，美国两位音乐家曼纳斯和小哥多斯基投身彩色摄影的研究工作，与柯达公司技术人员合作，在1935年成功地制成柯达克罗姆彩色胶片，奠定了彩色摄影的基础，开始向市场供应135彩色胶片。

与此同时，矫克发公司也成功地制造出了新的彩色胶片，它们的不同点是柯达克罗姆彩色片的化学染料是在冲洗时介入胶片内的，而矫克发彩色片是在感光药膜中含有化学染料。

以后，柯达公司也采用了矫克发的方法，1940年推出爱克泰克罗姆（反转片），1942年又推出柯达彩色负片。

1948年，美国波拉罗(Polawoid)公司首先试制成功的一次成象技木，在十几秒或几十秒内就可直接从照相机里取出照片，这是摄影史上划时代的发明。

在此基础上，世界各国相继不断推出各种不同的彩色胶片和彩色相纸。

有美国的柯达，德国的矫克发，日本的富士、柯尼卡，中国的乐凯、申光、福达等。

随着现代科技水平的日新月异，微电脑和激光技术对摄影术产生了不可估量的影响，摄影术已完全进入光学，精密机械，电子技术紧密结合的时代，暗房技术也逐步实现高度系列化、机械化和自动化，这些条件的具备简化了影像的还原过程，人们可以免去繁杂的技术处理，摄影术已成为人们认识世界和改造世界的有力工具。

三、全息照相术的诞生
不论是黑白照相，还是彩色照相，它们得到的景物图象都是二维空间的平面图景，要想获得与原物无异的立体图景，全息照相技术就应运而生。

早在1948年，匈牙利出生的英国物理学家伽柏（Dennis Gabor1900—1979）为了提高电子显微镜的分辨本领就曾提出全息照相的原理，他曾用汞灯作光源拍摄了第一张全息照片，1960年激光出现以后，全息技术获得了迅速发展，现在已是一门应用广泛的重要领域。

全息照相的“全息”是指物体发出的光波的全部信息：即包括光波的振幅（或强度）和位相；因而全息照相能再现与原物完全无异的图景。

普通照相使用透镜成象原理，底片上各处乳剂化学反应的深度直接由原物各处的亮度决定，底片上各点的明暗虽直接记录了相应的射入光波的强度，但丢失了入射光光波的位相信息。

由于全息照相的成象原理是把来自同一激光光源的光分成两束，其中一束直接照到照相底片上，叫参考光，另一束用来照明被拍摄物体，物体表面上各处散射的光也射到照相底片上，这部分光叫物光，参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，所产生的干涉花样既记录了来自物体各处的光波的强度，也记录了这些光波的位相，但全息照相获得的底片并不直接显示物体的形象。

要观察一张全息照片所记录的物体的形象时，只需用照明激光沿原参考光的方向照射照片，即可看到在原物位置处的立体形象，而照片就象一个窗口一样
科学家们立即意识到：全息技术将会有一个十分广阔的应用前景。

如全息显微术、全息X射线显微镜、全息电影、全息电视、全息干涉计量术、全息存储，特征识别等，除了各种光学全息技术外，还发展了红外、微波、超声全息技术，这些全息技术在军事、侦察或监视上具有重要意义。

如对可见光不透明的物体，往往对超声波“透明”，因而超声全息可用于水下侦察和监视，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。

由于全息技术这些诱人的应用前景，立即引起人们广泛的兴趣和极大的注意力，科学家们正在致力于开拓这一应用领域。