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光学史

时间:2013-06-28来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次
光学史
光学史(history of optics)专门论述光学的历史。英文术语“optics”源自古希腊字“πτικ”,意为名词“看见”、“视见”。[1]很早以前,古埃及人与美索不达米亚人就知道怎样磨制与使用透镜。后来,古希腊哲学者与古印度哲学者发展出很多关于视觉与光线的理论,在希腊罗马世界(Greco-Roman world),几何光学开始萌芽。中世纪时期穆斯林世界也对早期光学做出极大贡献。在文艺复兴时期与科学革命时期,光学开始出现戏剧性的突破,在几何光学与生理光学(physiological optics)方面都有很大的进展。这些时期与之前发展出的光学被称为“经典光学”。那些从二十世纪起创建的光学研究领域,像光谱学与量子光学,总称为“现代光学”。
 

最早的光学器件

很早以前,古埃及人与美索不达米亚人就知道将石英晶体磨光制成透镜。大多数晶体的原材是石英。有些亚述透镜的年龄确定已达3000年,例如宁路德透镜(Nimrud lens),这些透镜可能被用来放大影像或焦聚阳光。1995年4月,中国陕西省扶风县黄推村发掘出一件青铜凹面镜,被认为是西周中期(距今约3000年)或更早的物品,经鉴定是用于聚光生火的用具,古称为阳燧或夫燧。《周礼·秋官》记载了“司烜氏”一官职,负责用阳燧在太阳光下取火,作为祭祀仪式的一部分。1972年,扶风县庄白刘家村也出土了一件被断定为西周时期的青铜凹面镜。此外在陕西长安县张家坡西周墓地M170号墓、 北京昌平白浮2号和3号西周墓都曾发现西周时期的青铜凸面镜。
公元前700年,亚述人使用的宁路德透镜
公元前700年,亚述人使用的宁路德透镜

古希腊时期

古希腊哲学者认为,产生视觉的基本前提是,物体与眼睛之间必须有某种物理接触。这物理接触是那时期各种视觉机制理论之间主要不同之处。进入说(intromission theory)表明,从物体表面蜕出的原子尺吋厚度的影像(eidola),持续地移动经过附近空间,进入眼睛内,成为视像。这理论有很多支持者,包括德谟克利特、伊比鸠鲁等等原子论者。这理论有两个很明显的问题。第一,眼睛的尺寸有限,怎样接受大尺寸物体的物质影像?第二,为什么只在有光源的状况才可看见物体,在黑暗里无法看见物体?
 
根据发射说(extramission theory),眼睛会发射出一种“焰光”或“焰流”,当焰光接触到任何物体时,眼睛会感觉到这物体,因此产生视觉。主张发射说的哲学者有毕达哥拉斯和其学生奥克麦安(Alcmaeon)等等。这理论的形成与希腊大众文化有关,希腊人对于视觉理解为,眼睛发射出的焰光会侦测物体表面。希腊人常用触觉来类比视觉。天文学者喜帕恰斯解释,从眼睛射出的焰光像一只‘视手’般地工作。
 
大约公元前360年,柏拉图在对话录《蒂迈欧篇》(Timaeus)里,评论镜子的宇称逆反性质,他还提出了综合了前述两种理论的“遇见说”。柏拉图认为,从眼睛发射出的焰光会与日光合并,共同形成一种具有觉察性质的介质,当这介质遇到从物体表面蜕出的粒子时,会被粒子振荡,从而促成视觉。粒子的尺寸大小与黑白对比有关──粒子越小,感觉越白,粒子越大,感觉越黑。粒子的移动速度与亮度有关──粒子越快,感觉越亮,粒子越慢,感觉越暗。
在亚里斯多德之前,对于视觉问题,只有在研究其它问题时顺便提到的只言词组,并没有任何系统性的专门研究。亚里斯多德开始仔细的定义与分析所有关于视觉的概念。他否定先前各派学者的理论。他认为在眼睛与物体之间存在某种均匀介质,这介质与进入说的附制体、发射说的焰光无关,是一种主要功能为传输视像的乙太。这介质需要日光的作用才能工作,否则会变得不透明。
 
大约于公元前三世纪创立的斯多亚学派所提出的视觉理论是发射说的一种变版,他门主张在眼睛与物体之间的介质不是由焰光与日光组成,而是一种由焰光与空气组成的介质,称为视气。当这视气与物体直接接触时,眼睛会感觉到这物体,因此产生视觉。
 
公元前300年左右,欧几里得在专著《光学》(Optics)里,将视觉与几何连结在一起,创建了几何视觉理论,又发展出透视法理论。欧几里得的视觉机制理论属于“视线模型”。这模型也是一种发射说。根据这模型,从眼睛发射出的视线形成一个圆锥体,其顶点是给定视觉接受中心的眼睛,其底面给定了视域;当视线碰到物体时,眼睛会感觉到物体的存在,就好似身体碰到物体的触觉一样。从被碰视线的图样与位置,可以知道物体的形状与位置。在欧几里得之前,哲学者提出的视觉理论都是笼统的定性理论,欧几里得的数学想法将柏拉图的奥妙介质改变为笔直的视线,能够用逻辑与几何论证。
 
公元二世纪,托勒密在撰写的专著《光学》(Optics)里,继续先前大师欧几里得与希罗的成就,仔细分析光的反射机制,给出一套相当完整的反射理论。这理论能够分析光从平面镜、圆球面镜、圆柱面镜等等凹面形或凸面形镜子的反射。他又设计出一些实验来测试这反射理论。托勒密还规划出关于折射的实验,并且实际完成了实验。但是,他从做实验得到的数据与结论并不准确,没有给出正弦定律。在那时候,希腊学者不清楚正弦的概念。托勒密的视觉机制理论与欧几里得类似,属于视线模型。颜色是物体内秉的属性,但这属性只有在日光作用之时才会发效,而又必须被视气感觉到才能成为视觉。所以,视觉是从光源发射出的光、物体的颜色、视线,这三种实体之间相互作用的结果。托勒密的论述是古希腊光学的最高峰,对于之后的阿拉伯光学占有举足轻重的角色。
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