小孔成像实验(小孔成像纸杯实验)

孔越小，效果越好。

我们在课堂上第一次接触光学时，为了讲解光的直线传播原理，老师们经常给我们演示一个实验:拿一个有小孔的黑匣子，让小孔对着外面阳光下的一个物体，物体就会在匣子的后壁上投下清晰的倒影。当然，为了看到这个图像，后壁通常被移除，并替换为一张半透明的纸。

这就是著名的针孔成像实验，最早是由中国战国时期伟大的思想家翟墨提出的。在西方中世纪，人们甚至设计了一些没有窗户的房子，四面墙上只有一个小洞让光线通过。白天人们走进屋子，关上门，远处的山和塔的影像突然出现在墙壁上。

在针孔成像实验中，为了使图像清晰，针孔必须小。因为洞越大，图像越模糊。比如你在乡下有一间窗户对着远山的房间，白天也可能在粉墙上看到远山模糊的倒影。画质不好的原因是窗口相对于小孔太大。

为什么洞越大图像越模糊？由于洞口较大时光线过于发散，同一物体上下两部分的光线在墙上会相互重叠，图像自然会变得不清晰。为了验证这一点，不妨自己在纸上画一个图:当孔是一个理想点时，物体的上下两部分完全分离；当洞的尺寸稍大时，两幅图像开始重叠；洞越大，重叠越多；直到最后都重叠了，那就什么都没有了。

制作窗孔图像。

然而最近，美国麻省理工学院的两名计算机科学家发明了一种新的处理技术，可以让即使是窗户那么大的“洞”也变成更清晰的图像。

想象一下，远处有一棵树，透过窗户在房间的墙上形成一个模糊的倒影。用数码相机拍这张照片。我们称之为。

现在，在图像前面放置一个不透明的障碍物，这样会在墙上留下阴影。调整障碍物的位置，使树的图像完全笼罩在障碍物的阴影中。然后用数码相机拍下墙上障碍物的影子，我们称之为b。

在电脑上，用软件将照片A从照片b中减去，这时你会惊奇地发现，在减去留下的照片中，树的倒影突然变得清晰了许多。

为什么这样会让图像更清晰？我们先来比较一下A和B两张照片的区别:照片A捕捉到了所有透过窗户投射到墙上的光线；照片B的光线和照片A的一模一样，只是一部分光线被障碍物挡住了；把A减去B，就是两张照片中的共同光线会相互抵消，得到被障碍物遮挡的那部分光线。显然，这部分光线的发散度比光线最初穿过整个窗户时要小得多。实际上，这相当于用于成像的“洞”从窗户变成了障碍物；孔的尺寸减小了，图像自然更清晰。

为了让你明白这一点，我们先挑一束光线透过窗户，经过障碍物，最后投射到树的倒影上，看看经过上述方法处理后，它的“命运”是怎样的。如果上面的处理确实相当于把障碍物当成一个洞来成像，那么因为这束光在“洞”的外面，所以只会干扰图像的清晰度，所以最后应该消除。

在A中，这束光落在树的倒影上。在B中，这束光仍然落在树的倒像上，但此时树的像被一个障碍物的像所覆盖。这束光同时出现在两张照片中，所以一减下来，正如我们所料，这束光就被消除了。

由于障碍物在这项技术中起到了孔洞的作用，为了获得更清晰的图像，我们只需要放置更小的障碍物。但是障碍物不能太小，因为这种处理的前提是透过窗户的原树的影像必须被障碍物的阴影所覆盖，所以障碍物的阴影不能小于这个影像。

在这项发明中，科学家使用了两张数码照片相减的技术。不知道关注当代科学发展的读者是否还记得，这项技术也被用在了2011年获得诺贝尔物理学奖的成果上——发现宇宙正在加速膨胀:测量宇宙膨胀速度的关键之一就是发现更多的超新星。然而，虽然超新星非常明亮，但可惜的是它们仍然迷失在明亮的恒星空中，因为它们离我们很远，肉眼很难发现它们。然而，超新星有一个独特的特征。其他恒星的亮度短时间内不会有明显变化，但超新星的亮度变化非常剧烈。利用这一特性，天文学家将两张在同一天空区域相继拍摄的数码照片相减。如果那个天空区域有超新星，亮度抵消后就会曝光。

你看，数字技术不仅可以帮助我们处理海量数据，还可以为我们提供新的研究方法。