7月14日，中国科学院在北京召开发布会，正式发布包括干支、水稻栽培、曾侯乙编钟等在内的88项中国古代重大科技发明创造研究成果。（链接在这里）作为光学的奠基理论之一的“小孔成像”被纳入【科学发现与创造】的第五位实属实至名归。小孔成像（Pinhole Imaging），即用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间，屏幕上就会形成物的倒像，人们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板，像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光线直线传播的性质。 大约两千四五百年以前，我国的学者—－墨翟和他的学生，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，指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。《墨经》中这样纪录了小孔成像： “景到，在午有端，与景长。说在端。” “景。光之人，煦若射，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。” 今译：“光线交穿隔屏小孔，必定在映幕上成一倒影，发光物体或反光物体和映幕同隔屏上小孔的距离，关系到倒影的大小。假若隔屏小孔距光体近而距映幕远，则所成倒影较大；假若隔屏小孔距光体远而距映幕近，则所成倒影较小。出现倒影的关键在于屏孔极小。”“就小孔成人影而言，光线从光源照到人身，必走直线，就像箭从弓弦上射出一样。经过人体下部的光线，穿过屏上小孔，投射在映幕上部；经过人体上部的光线，穿过屏上小孔，投射在映幕下部。这是因为人足遮敝射至人体下部的光线，所以成影于映幕上部；人首遮敝射至人体上部的光线，所以成影于映幕下部。总之，因为有了小孔，并且使小孔与物体、映幕的距离远近适度，这是光线在隔屏小孔处交穿的关键所在。只有具备这一条件，才能在隔屏后面的映幕上形成倒影。”墨子的叙述，既是世界上最早的对于光的直线传播的科学描述，也是世界上对小孔成像最早的正确阐释。 两千二百多年以前，我国学者韩非，在他的书里记载了一个有趣的故事：有人请了一个画匠为他画一张画。三年以后，画匠告诉他：“画成了！”他一看，八尺长的木板上只涂了一层漆，什么画也没有，便大发脾气，认为画匠欺骗了他。画匠说：“请你修一座房子，房子要有一堵高大的墙，再在这堵墙对面的墙上开一扇大窗户。把木板放在窗上，太阳一出来，你在对面的墙上就可以看到一幅图画。”他半信半疑，照画匠的话去办。果然，在屋子的墙壁上出现了亭台楼阁和往来车马的图象，好像一幅绚丽多彩的风景画。尤其奇怪的是，画上的人和车还在动，不过都是倒着的！ 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；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。在楼下的两间房子的地板中各挖两个直径四尺多的圆井，右边的井深四尺，左边的深八尺，在左井里放置一张四尺高的桌子，这样两井的深度就相同。作两块直径四尺的圆板，板上各密插一千多枝蜡烛，点燃后，一块放在右井井底，一块放在左井桌上。在井口各盖直径五尺、中心开小方孔的圆板，左板的方孔宽一寸左右，右板的方孔宽半寸左右。这时可以看到楼板上出现的都是圆像，只是孔大的比较亮，孔小的比较暗。赵友钦用光的直线传播的道理，说明了东边的烛成像于西，西边的成像于东，南边的成像于北，北边的成像于南，每根烛都有对应的像，由于一千多枝烛是密集成圆的，所成的像也相互连接成为圆像。这样就说明了在光源、小孔、像屏距离不变的情况下，所成的像形状不变，只有照度上的差别：孔大的“所容之光较多”，因而比较亮；孔小的“所容之光较少”，因而比较暗。如果把右井里东边的蜡烛熄灭五百枝，那右边房间楼板上的像西边缺半，相当于日月食的时候影和日、月食分相等一样。如果在左边中蜡烛巯密相间，只燃点二三十枝，那像虽是圆形分布，但是各是一些不相联接的暗淡方像；如果只燃一烛，方孔对于烛光源来说不是相当地小，因而出现的是方孔的像；把所有的烛重新点着，左边的像就恢复圆形。其次，在楼板上平行于地面吊两块大板作为像屏，这时像屏距孔近，看到的像变小而明亮。接着去掉上面所说的吊着的两块板，仍以楼板作为像屏，撤去左井里的桌子，把蜡烛放到井底，这时左井的光源离方孔远，左边的楼板上出现的像变小，而且由于烛光弱，距离增加后亮度也变弱。从这些实验结果，赵友钦归纳得出了小孔成像的规律，指出了烛（光源）的远近、强弱和小孔、像屏的远近之间的关系，指出像屏近孔的时候像小，远孔的时候像大；烛距孔远的时候像小，近孔的时候像大；像小就亮，像大就暗；烛虽近孔，但是光弱，像也就暗；烛虽远孔，但是光强，像也就亮。实验的最后一步是撤去覆盖井面的两块板，另在楼板下各悬直径一尺多的圆板，右板开广四寸的方孔，左板开各边长五寸的三角形孔，调节板的高底，就是改变光源、孔、像屏之间的距离。这时仰视楼板上的像，左边是三角形，右边是方形。这说明孔大的时候所成的像和孔的形状相同：孔距屏近，像小而明亮；孔距屏远，像大而暗淡。从以上的实验结果，赵友钦得出了小孔的像和光源的形状相同、大孔的像和孔的形状相同的结论，并指出这个结论是“断乎无可疑者”。用这样严谨的实验，来证明光的直线传播，阐明小孔成像的原理，这在当时世界上是绝无仅有的。 那么小孔成像的原理在我们的日常生活中是怎样体现的呢？烈日当空，我们坐在大树下乘凉的时候，常常可以看到地上有一个个小圆形亮斑。大家很自然会想到这是太阳光透过树叶间的空隙射在地面上产生的。但是树叶之间的空隙形状各异，为什么亮斑都是恰好成为圆形的呢？这是因为树叶间的空隙大小比起太阳和太阳到树的距离来说，都是极小的，因此可以把这些空隙看作是一些小孔。由于光是沿直线传播的，太阳发出的光通过这些小孔在地面上成像，所以地面上的光斑是太阳通过树叶空隙小孔成的像。因为太阳是圆形的，所以光斑也是圆形的。 在照相机被发明之前，人们就已经开始利用“小孔成像”原理制造各类光学成像装置，这种装置被称为“Camera obscura（暗箱）”。19世纪上半叶，人们终于找到了固定保存暗箱中投影面上光学图像的方法与介质，照相机工业由此发端，因此Camera obscura被认为是照相机的祖先；而“Camera”则成了照相机的英文名称。 1839 年法国画家达盖尔根据小孔成像的原理发明了被称为“西洋镜”的世界第一台照相机。不过当时的相机令现代人无法想象，暗箱大得像个小房子，拍摄时间至少三十分钟，以至于不得不将被摄的人头部固定在事先预制好的卡箍里，而且得到的只是一张笨重的铜版正像。当时有报社记者评述：“就像在马路上拿着一面镜子，周围的景物极细地反映出来，然后把镜子带回家。” 现在的一些照相机和摄影机也是利用了小孔成像的原理——镜头是小孔（大多数安装凸透镜以保证光线成像距离），景物通过小孔进入暗室，像被一些特殊的化学物质（如显影剂等）留在胶片上（数码相机、摄影机等则是把像通过一些感光元件存储在存储卡内）。 光的直线传播性质，在中国古代天文历法中得到了广泛的应用，并制造了圭表和日晷，测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒星的位置。 这样看来，“小孔成像”对人类生存和发展的贡献并不逊色于我国古代“四大发明”呢！