八年級(jí)物理上人教版從小孔成像到全息照相.doc

從小孔成像到全息照相攝影既能如實(shí)地記錄被攝物的圖象、色彩和尺寸，又是文字語(yǔ)言的重要補(bǔ)充，比語(yǔ)言表述更形象、具體，起到了文字和語(yǔ)言所起不到的獨(dú)特作用，它打破了時(shí)間和空間的限制，能把過(guò)去的事物和瞬息間的事物凝固在一起，使人們能更好地研究過(guò)去的歷史，給科學(xué)研究提供可靠的資料，也給人們的生活增添了無(wú)窮的樂(lè)趣，由于攝影的上述特點(diǎn)，所以在攝影發(fā)明了150年以后的今天，攝影技術(shù)仍為許多行業(yè)不可缺少的一項(xiàng)專門(mén)技術(shù)。一、從小孔成像談起攝影術(shù)的發(fā)展首先是從照相機(jī)的發(fā)明開(kāi)始的，而照相機(jī)的發(fā)明又與人類(lèi)對(duì)小孔成像的研究分不開(kāi)。我國(guó)早在2400年前戰(zhàn)國(guó)時(shí)期墨經(jīng)中就記述了用暗箱攝取影像的小孔成像的原理。沈括（10311095），在他的夢(mèng)溪筆談中，對(duì)小孔成像理論作了進(jìn)一步分析和解釋。明末、清初將小孔成像原理應(yīng)用于繪畫(huà)暗箱已經(jīng)很流行了。在西方關(guān)于小孔成像的記載，最早見(jiàn)于古希臘著名哲學(xué)家、美學(xué)家亞里士多德(Aristotle公元前384322）的著作中，著名畫(huà)家、科學(xué)家達(dá)芬奇（LDavinci14521519）也曾用小孔成像描繪景物。小孔暗箱雖能成像并得到應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是不能解決影像亮度和清晰度的矛盾，于是出現(xiàn)了有透鏡的暗箱形成的照相機(jī)的雛形。帶透鏡的暗箱雖然能觀察景物。但卻不能把看到的景物永久保存，后來(lái)的人們開(kāi)始對(duì)影像如何復(fù)制的問(wèn)題進(jìn)行了思考。對(duì)于一些物質(zhì)的觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光長(zhǎng)期照射之后，它們會(huì)改變顏色。我國(guó)宋代文人蘇軾所編撰的物類(lèi)相感志中就記述銀鹽變黑現(xiàn)象。1725年，德國(guó)醫(yī)學(xué)教授約翰海因里希舒爾茨發(fā)現(xiàn)，將做粉筆的白粉與硝酸銀混合于玻璃瓶中，被日光照射的一面變成了黑色，未照光的一面為白色，18世紀(jì)末，英國(guó)人托馬斯韋奇伍德，將不透明的樹(shù)葉，昆蟲(chóng)翅膀放在涂有硝酸銀的皮革上，在陽(yáng)光下曝曬后，取下樹(shù)葉時(shí)出現(xiàn)了非常優(yōu)美的白色輪廓圖象，白色部分有感光能力也逐漸變黑了，他雖然沒(méi)有找到將圖象固定下來(lái)的方法，但他證實(shí)了攝影方法記錄成像的可能性。1826年，德國(guó)石版印刷工人約瑟夫尼塞福爾尼普斯（JNNiepce17651833），用涂有瀝青的合金板放在暗箱中，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)他工作的室外，經(jīng)過(guò)8小時(shí)的曝光后，浸入熏衣草油中沖洗，得到了第一幅永久保留下來(lái)的影像照片，此法稱為“日光攝影法”。由于日光攝影法光敏度特別低，不可能成為實(shí)用的攝影方法。法國(guó)發(fā)明家達(dá)蓋爾（LJMDaguerre17891851）改用銀鹽，在銅板上涂上碘化銀，感光性能大大提高，而用硫代硫酸鈉溶解未感光的銀鹽就是“定影”，1837年5月達(dá)蓋爾使攝影成為現(xiàn)實(shí)，并命名為“達(dá)蓋爾攝影法”。1839年8月19日法國(guó)科學(xué)院與藝術(shù)學(xué)院正式發(fā)表了達(dá)蓋爾攝影術(shù)，這一天被世界公認(rèn)為攝影術(shù)的誕生日。接著，英國(guó)業(yè)余科學(xué)家塔爾博特把墨底白圖象的負(fù)片與另一張感光的藥膜面相貼，然后曝光、顯影、定影，最后得到了無(wú)數(shù)張與原物影像一樣的正像，這種負(fù)片正片法一直延用至今，缺點(diǎn)是負(fù)片紙基厚，印出的照片清晰度差。以后，又發(fā)明用透明的片基代替紙基做負(fù)片并制成干板，逐漸改用醋酸纖維做負(fù)片，照片的質(zhì)量有了很大的提高。攝影術(shù)的發(fā)展與照相機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的。早在19世紀(jì)40年代，法國(guó)光學(xué)機(jī)械商將帶有渥拉斯頓型鏡頭的木制暗箱，裝上銀鹽感光片就誕生了第一架可供攝影用的照相機(jī)，當(dāng)時(shí)總重量達(dá)110磅。1888年，美國(guó)業(yè)余攝影愛(ài)好者G伊斯曼(GEastman18541932）根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，成功地制造出第一臺(tái)使用膠卷的“柯達(dá)”照相機(jī)。該照相機(jī)的重量縮小到只有2磅，已成為便于攜帶的旅游伙伴。隨后，按照攝影實(shí)踐的需求，照相機(jī)的技術(shù)性能不斷發(fā)展，光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，并把電子技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于照相機(jī)上；現(xiàn)今照相機(jī)的發(fā)展已進(jìn)入了光學(xué)精密機(jī)械與電子相結(jié)合的時(shí)代，并開(kāi)拓了廣闊的市場(chǎng)。二、彩色攝影的構(gòu)思在達(dá)蓋爾時(shí)代，照相機(jī)主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白構(gòu)成畫(huà)面中不同的階調(diào)、層次和對(duì)比，表現(xiàn)人物和大自然景物，構(gòu)成了它獨(dú)特的藝術(shù)韻味，使照片產(chǎn)生豐富的藝術(shù)表現(xiàn)力。即使如此，它卻不能把五彩繽紛的彩色世界逼真、豐富地反映出來(lái)，也不能滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需求。早在1666年，牛頓（INawton16421727）就發(fā)現(xiàn)一束太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡以后，能折射成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫的光帶。這說(shuō)明太陽(yáng)光是由各種不同顏色的色光所組成的。這為彩色攝影的構(gòu)思奠定了基礎(chǔ)。1907年，法國(guó)的留米埃爾公司開(kāi)始研究彩色片。其原理是由紅、綠、藍(lán)三色的微小透明顆粒分布在玻璃感光片上，曝光時(shí)，各色影象分別透過(guò)三色微粒，使銀鹽感光，然后采用反轉(zhuǎn)沖洗法使之成為正象，如同今日的幻燈片，此法后來(lái)轉(zhuǎn)變成彩色電視的基礎(chǔ)。1912年，美國(guó)柯達(dá)公司，用上述方法進(jìn)一步研究效果不佳，后來(lái)放棄此法。1930年，美國(guó)兩位音樂(lè)家曼納斯和小哥多斯基投身彩色攝影的研究工作，與柯達(dá)公司技術(shù)人員合作，在1935年成功地制成柯達(dá)克羅姆彩色膠片，奠定了彩色攝影的基礎(chǔ)，開(kāi)始向市場(chǎng)供應(yīng)135彩色膠片。與此同時(shí)，矯克發(fā)公司也成功地制造出了新的彩色膠片，它們的不同點(diǎn)是柯達(dá)克羅姆彩色片的化學(xué)染料是在沖洗時(shí)介入膠片內(nèi)的，而矯克發(fā)彩色片是在感光藥膜中含有化學(xué)染料。以后，柯達(dá)公司也采用了矯克發(fā)的方法，1940年推出愛(ài)克泰克羅姆（反轉(zhuǎn)片），1942年又推出柯達(dá)彩色負(fù)片。1948年，美國(guó)波拉羅(Polawoid)公司首先試制成功的一次成象技木，在十幾秒或幾十秒內(nèi)就可直接從照相機(jī)里取出照片，這是攝影史上劃時(shí)代的發(fā)明。在此基礎(chǔ)上，世界各國(guó)相繼不斷推出各種不同的彩色膠片和彩色相紙。有美國(guó)的柯達(dá)，德國(guó)的矯克發(fā)，日本的富士、柯尼卡，中國(guó)的樂(lè)凱、申光、福達(dá)等。隨著現(xiàn)代科技水平的日新月異，微電腦和激光技術(shù)對(duì)攝影術(shù)產(chǎn)生了不可估量的影響，攝影術(shù)已完全進(jìn)入光學(xué)，精密機(jī)械，電子技術(shù)緊密結(jié)合的時(shí)代，暗房技術(shù)也逐步實(shí)現(xiàn)高度系列化、機(jī)械化和自動(dòng)化，這些條件的具備簡(jiǎn)化了影像的還原過(guò)程，人們可以免去繁雜的技術(shù)處理，攝影術(shù)已成為人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的有力工具。三、全息照相術(shù)的誕生不論是黑白照相，還是彩色照相，它們得到的景物圖象都是二維空間的平面圖景，要想獲得與原物無(wú)異的立體圖景，全息照相技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。早在1948年，匈牙利出生的英國(guó)物理學(xué)家伽柏（Dennis Gabor19001979）為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)就曾提出全息照相的原理，他曾用汞燈作光源拍攝了第一張全息照片，1960年激光出現(xiàn)以后，全息技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，現(xiàn)在已是一門(mén)應(yīng)用廣泛的重要領(lǐng)域。全息照相的“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息：即包括光波的振幅（或強(qiáng)度）和位相；因而全息照相能再現(xiàn)與原物完全無(wú)異的圖景。普通照相使用透鏡成象原理，底片上各處乳劑化學(xué)反應(yīng)的深度直接由原物各處的亮度決定，底片上各點(diǎn)的明暗雖直接記錄了相應(yīng)的射入光波的強(qiáng)度，但丟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來(lái)自同一激光光源的光分成兩束，其中一束直接照到照相底片上，叫參考光，另一束用來(lái)照明被拍攝物體，物體表面上各處散射的光也射到照相底片上，這部分光叫物光，參考光和物光在底片上各處相遇時(shí)將發(fā)生干涉，所產(chǎn)生的干涉花樣既記錄了來(lái)自物體各處的光波的強(qiáng)度，也記錄了這些光波的位相，但全息照相獲得的底片并不直接顯示物體的形象。要觀察一張全息照片所記錄的物體的形象時(shí)，只需用照明激光沿原參考光的方向照射照片，即可看到在原物位置處的立體形象，而照片就象一個(gè)窗口一樣科學(xué)家們立即意識(shí)到：全息技術(shù)將會(huì)有一個(gè)十分廣闊的應(yīng)用前景。如全息顯微術(shù)、全息X射線顯微鏡、全息電影、全息電視、全息干涉計(jì)量術(shù)、全息存儲(chǔ)，特征識(shí)別等，除了各種光學(xué)全息技術(shù)外，還發(fā)展了紅外、微波、超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事、偵察或監(jiān)視上具有重要意義。如對(duì)可見(jiàn)光不透明的物體，往往對(duì)超聲波“透明”，因而超聲全息可用于水下偵察和監(jiān)視，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無(wú)損探傷等。由于全息技術(shù)這些誘人的應(yīng)用前景，立即引起人們廣泛的興趣和極大的注意力，科學(xué)家們正在致力于開(kāi)拓這一應(yīng)用領(lǐng)域。