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★第一节--中国古代对摄影光学的贡献

来源:未知       责编:未知       2007-09-14

 

    中国是有几千年历史的文明古国,有丰富的文化遗产。古代科学家对光学基本规律已生了浓厚的兴趣,早在公元前五世纪中叶,先秦墨家学派兴起,就开始对大自然中一些光学基本现象进行了研究。

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墨经光学八条

 

        墨翟(约公元前478年——前392年),是墨家学派的创始人。战国时期的政治家、科学家。他和他的门徒根据古代劳动人民在实践中认识到的光学知识,研究总结出八条带规律性的经验,记录在《墨经》中,分条厘说,通称“墨经光学八条”,是《墨经》中精粹部分之一。光学八条直接涉及到光学应用中一些问题。

       发光体照射物体形成影子,是大自然中最普通的现象,又是摄影师在艺术造型中饶有兴趣的问题。《墨经》中的光学论述,首先是以此开始的。

       “光学八条”中的第一、第二条是:

       经:景徙。说在改为。

       说:景光至,景亡。若在,尽,古息。(第一条)

       经:景二。说在重。

       说:景,二光,夹,一光。一光者景也。(第二条)

        大意是说影子产生的原因。在光照到的地方,就没有影子;如果有影子,那就是光被物体遮挡。进一步说,如果光源、物体和承影面相对静止,那么影子的位置也相对固定。当两个光源同时照射一个物体时,就产生了二个“半影”夹持着一个“本影”;一个光源照射时只有一个影子。这二条反映了古代人民对光学现象最朴素的认识。还有一条颇值得注意,它直接论述到针孔成像的原理。原文是:

       经:景到,在午有端;与景长,说在端。

       说:景光之人照若射,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。(第三条)

        这条大意是说,影子倒过来是因为光线在小孔处汇成光束所致,“午”是指光束相交之点,即针孔处。光线好象箭一样直线传播着,从下方来的光线通过小孔成象于上方,从上方来的光线成像于下方。经说最后一句“在远近有端于光”,近代学者多解释为类似摄影光学中物距、像距的概念。“这可以说明现今照像者进退暗箱的理由”。

        第五条论述的是关于光的强弱关系。结论是:发光体远近决定光的强度。类似现代光度学概念。四、六两条是解释平面镜反射现象。

        中国古代,冶炼技术十分发达。随之而来的是铜镜制造工艺,根据文字记载和考古的发现,当时的铜镜不仅有平面镜,而且根据不同用途制成了凸面镜或凹面镜,凹面镜,古称阳燧,是人们利用阳光聚焦取火的工具。古代没有专门掌管阳燧的官职,《周礼》卷七十《秋官·司寇下》记载:“司(音火。古官职名)氏掌以夫遂,取明火于日。”东汉郑玄注:“夫遂,阳燧也。”应该指出的是,凹面镜在现代应用摄影光学中占有重要地位。近来出现折反式摄影镜头,已进一步证明了这一点。古人已认识到物体放在球心外时,获得的是比物体小的倒立像。当物体在球心内时,得到的是比物体大的正立像。即经中所说“低,景,一小而易,一大而击。说在中之外,内。”

       概括起来,可推断那时人们已经懂得:

1.       光的直线传播;

2.       影子的成因及变化规律;

3.       针孔成像的道理;

4.       针孔暗箱成像时,物、像大小取决于物距和像距的关系;

5.       类似放大率的概念;

6.       凹面反光镜前焦点到球心,这一区域在成像中的特殊意义。

墨经光学八条,体现了先秦时期我国人民在科学研究方面的突出贡献。由于认识水平的限制,用今天的眼光看来,带有明显的片面性和不完整性。《墨经》的内容,尽管文字深奥难解,但学术界各家的注疏基本一致,其内容本身是不容置疑的。墨家学派形成后,开辟了中国的“格致之学”,对后人研究摄影光学有所启迪。

 

光学折射现象的发现

 

    《墨经》中没有论及光线在不同介质中传播时产生的折射现象,这是因为当时的工艺制造条件,尚不能提供理想的透明玻璃,而折射现象直接关系到透镜成像理论基础。公元前139年西汉淮南王刘安主持编修的《淮南万毕术》中除了重复“阳燧见日则火生”的说法外,还出现了用冰制造透镜的记载:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影则火生。”另据《西京日记》记载,汉武帝(公元前140年——前87年)时,已知道用白光琉璃将阳光折入暗室使成为白昼。又据清代林志诚著《事类统编》称:北魏时(386——581)西域月氏国商人用矿石制成人造有色琉璃。曾做了一间可容百人的房子,四周利用人造琉璃折光,使室内光色映澈。及至宋代刘歧写的《暇日记》也谈到利用水晶折光将阳光焦聚,照亮阴暗的案牍。

        北宋大科学家沈括(1031——1095),在他的著作《梦溪笔谈》中,进一步对小孔成像理论和凹面反光镜作了分析和解释,取得新的成果。他用生动的比喻说明小孔成像是因为光线穿过“”(即小孔)形成光束所造成的结果。以后,人们在日常生活里,多次观察到由于客观条件的巧合而形成的小孔成像现象,遂引起广泛的注意,而尤为历代文人所重视,古籍中也常有记载。元代陶宗仪的著名笔记著作《辍耕录》中说:“平江虎丘阁,版上有一竅。当日色清朗时,以掌大白纸承其影,则一寺之形胜,悉于此见之。但顶反居下耳,此固有象可寓,非幻出者。”又说:“松江城中有四塔……夏监运家乃在四塔之东,而小室内却有一塔影,长五寸许,倒悬于西壁之上,不知从何而来。然不常有,或时见之焉,是又不可晓也。

        明代刘侗、于奕正著《帝京景物略》提到北京天宁寺中的小孔成像,并且做了一些解释。原文是“塔倒影,在大土殿。日方中,阖殿中门,日入门罅,塔全影倒现石上。昔人云:影从罅入,空中物则旁碍,碍则影束,影束则倒。……今悬镜中像,过旁镜,其物正倒也,阳燧倒影者,日光倒入也。又光从上来,层十三具,光一再传,物体则小也……。”明清时期的北京庙宇慈慧寺,也是当时以倒影著称而吸引游客的古迹。

       “针孔成像”的现象,引起人们愈来愈大的兴趣。为了进一步研究,元代科学家赵友钦设计了一个相当庞大的光学实验。他把一整座房屋作为实验室。在左右隔开的二间房内,各掘一个不同深度圆井。井口处各置小孔,楼房的活动棚顶作承影屏,用上千支蜡烛做发光体。通过预先设计的实验程序得出以下结论:“针孔”扩大到相当大时,不能成像;“针孔”相当小时,屏上的像和光源形状相同,但方向相反;“照度”和距离成反比关系。

        赵友钦把这次实验的过程和结果,写成一篇论文,叫《小罅光景》,收入他的自然学文集《革象新书》。这部书后来被收入明代编纂的大型类书《永乐大典》中。赵友钦的试验,使用了上千支蜡做发光体,在摄影学的意义上说明他已认识到像是由许多光点所构成。其实验场所可以说是最大的暗箱。赵友钦的论文《小罅光景》的学术水平当时在世界上是领先的。

        明末清初的科学家方以智(字密之,号曼公。1611——1671),也在他所著的《物理小识》一书里叙述了他亲自做过的小孔成像实验:“屋漏小罅,日影如盘。尝以纸征之,刺一小孔,使日照一石,适如其分也;手渐移而高,光渐大于石矣;刺四、五穴,就地照之,而四、五穴各为光影也;手渐移而高,光合为一,而四、五穴之影,不可复得矣。”说明方以智的这个实验,是对于小孔成像的条件和影响影像大小的具体因素规律性的探索。

 

透镜暗箱

 

        摄影术的发明和应用离不开暗箱。针孔暗箱虽能成像,但正如赵友钦实验结果那样,它存在着致命的缺点,即不能解决影像亮度和清晰度之间的矛盾。所以,透镜暗箱的出现,使光学应用技术前进了一大步。欧洲在文艺复兴时期,画家已广泛使用透镜暗箱,不过那时只作为一种绘画的辅助工具而已。明末清初,一些西方传教士来到中国,促进了中西文化的交流,随之,一些光学器具也开始传入中国。首先传入的是各种透镜,包括眼镜和放大镜。清代赵翼在《陔馀丛考》中说:“古未有眼镜,至明始有之,本来自西域。”清代以后,广东省出现了用近代方法制造玻璃的工业,为国内磨制光学透镜提供了物质条件。

        清初的光学器具制造家孙云球,是中国磨制透镜的高手。孙云球,字文玉,又字泗滨。江苏吴县人。生于崇祯初年,死于康熙年间,仅活了33岁。他的父亲志儒,曾任福建漳州知府。孙云球小时聪明异常,13岁时就读于吴江县县学。不久父亲故去,家道中落,靠卖草药奉养母亲。他喜欢钻研机械,自制钟表,青年时代,就成了著名的透镜制造家。史书记载:“昔虎丘孙云球以西洋镜制昏眼、近光、童光等镜,为七十二种。又有远镜、火镜、端容镜、摄光镜、夕阳镜、显微镜……。”并著有《镜史》一书,可惜已经失传。证明当时国内已经能自制摄影镜头(即所称“摄光镜”),出现了一些用摄影镜头装配的光学器具,影戏灯就是其中之一。

        所谓“影戏灯”,就是现在所说的幻灯机,或摄影用的放大机。其实,我国早在公元前三世纪时的古籍《韩非子》中就记载了古人放映幻灯的一段故事。大意是:周君请一个人为他作画,三年后画画好了。看的时候,需要筑一高墙,墙上开小孔,然后插入“筴”(相当于幻灯片),在有阳光的时候才能观看,“尽成龙蛇禽兽车马,万物之状具备。”可惜的是,这种针孔的幻灯机没有得到发展和改进。

 清代学者顾禄(铁卿)曾记载了当时流传于民间的影戏灯的情况,他说:“其法皆传自西洋欧逻巴诸国,今虎邱人皆能为之。灯影之戏,则用高方纸木匣,腹贮油灯,燃炷七八茎。其火焰适对正面之孔。其孔与匣突出寸许,作六角式,须用摄光镜重叠为之,乃通灵耳……中嵌玻璃,反绘戏文……将影摄入粉壁,匣愈远而光愈大,惟室中尽灭灯光,其影始得分明也……。”有趣的是,文中提到“须用摄光镜重叠为之”说明使用的是“复式镜头”,而这时恰恰是欧洲风景暗箱流行的时期,当时复式镜头在世界上标志先进的光学技术水平。

 

绘画暗箱的使用

 

 明末清初,随着绘画透镜暗箱的流行,国内出现了很多出色的暗箱制造家,古籍中多有记载。如《虞初新志》上说康熙年间江都的黄履庄,以擅长制造“临画镜”和“缩容镜”等光学器具出名;《苏州府志》记载的长州人薄钰和《湖南通志》提到的湖南清泉人谭学之,也擅长制造光学器具。清嘉庆年间,浙江钱塘县女科学家黄履,利用望远镜和暗箱结合,研制了一种“多镜头暗箱”,很为奇特。清代陈文述对此在《西泠闺咏》中曾做了记述。他说:“千里镜于方匣布镜四,就日中照之,能摄数里之外之景,平列其上,历历如画”。类似这种暗箱,欧洲人直到1854年才把它用于摄影术。

       摄影术问世前,我国已广泛应用绘画暗箱和各种光学器具,在此基础上,清代科学家郑复光系统地研究总结了它的原理和制造方法,于1835年完成了一部应用光学著作——《镜镜痴》的书稿,1846年正式出版。这部书“析理精妙”,是我国现存的一部比较完整而系统的光学专著。

      《镜镜痴》的作者郑复光(字浣香,1780年生,卒年不详),安徽歙县人,监生。对于“中西各术无不研究入微”。他少年时代曾随其父亲到过商业、交通和文化都比较发达的扬洲。当时扬州城里有人放映幻灯图片,郑复光见了受到很大启发,回来后就悉心探究光学成像的道理,著成《镜镜痴》一书,总结了他自己对于光学研究的成果。

     《镜镜痴》共四卷。内容分两部分。第一部分论说光学原理。卷一题为“明原”,下分五节:一、“原色”,讲色彩常识。在肯定了“天下之物无不有色”之后,进一步论证色与形的关系,色彩变化和种类;二、“原光”,论说发光体,光的强度,光的种类;三、“原景”,讲景物的显现,隐晦和透视关系;四、“原目,作者认为“目照物与含光镜同”以人的视觉器官构造说明透镜成像原理;五、“原镜”,论述各种“镜”的性质、种类、原料和用途等。最后为“类镜”,是上述各条的综合讨论。卷二题为“释圆”,解释各种透镜和屈光度的关系,以及二片以上的复式透镜组的设计和计算方法。该卷涉及到近代几何光学和应用光学知识,是研制照相镜头不可缺少的基本理论。

       书中第二部分是讲光学器具的制造,也颇为精彩。其中和摄影技术直接有关系的是对“绘画暗箱”和“放大器”的介绍关于绘画暗箱的使用,郑复光说:“有山水园亭,欲取其景于尺幅纸上做图,置匣暗处,以凸对之,则景自凸入平镜内,上透通光平镜而出蒙纸。能收山水园亭,宛然纸上而分寸无失。若取人景不但须眉毕具,并能肖其肉色,非绘事所及……。”书中还详细介绍了当时流行的两种绘画暗箱的样式,并配有制作详图。

       《镜镜痴》是中国摄影技术发展史上的一部重要著作。它的出版虽然在欧洲摄影术正式公布以后,但是当初达盖尔等人使用的仍是老式绘画暗箱。透镜暗箱需改进的问题,一直是人们所关心的事。因此郑复光的论著,当时不仅没有过时,而它所论及的光学理论,即用今天的眼光看,仍然是值得佩服的。

 

《格术补》和《摄影之器记》

 

       1844年,广东学者邹伯奇先后完成了两篇有关摄影光学的著作——《格术补》和《摄影之器记》。在后一部著作中正式把绘画暗箱定名为“摄影之器”。中国古代把对自然科学的研究称为“格致之学”或“格术”。邹伯奇的《格术补》就是在前人研究的基础上,对光学定义的进一步论述。尤其注重于各种透镜原理的讨论,还列出了透镜计算的公式。

        《摄影之器记》是记录作者自己试制绘画暗箱经过的笔记著作。文中说:受《梦溪笔谈》中光学知识的启发,根据“前壁开孔,影承后壁”的光学原理,反复思索做了一个木箱,箱前开孔装上镜头。箱后复上白纸,“以显迹象,复引至图画,极之测量,通之仪器,岂不快哉!”邹氏是清代著名测绘学家,很明显他开始研制绘画暗箱主要是用来测绘地图。但当摄影传到中国后,立刻把这位贯通中西的学者吸引住了。在研制绘画暗箱的基础上,晚年乃潜心于摄影技术的研究和实践,成为国内早期为数不多的摄影家之一。遗憾的是,这两部著作在他生前未能发表,邹伯奇于1869年去世后,全部书稿由家族保存。次年,湖南学者丁果臣(取忠)赴粤访求邹氏遗著,并倡议集资出版。恰好邹伯奇之弟邹中庸又从遗物中发现了一些零散手稿,其中有《摄影之器记》一篇。于是连同《格术补》等书稿一起,经广东学者陈洋勘校后,靠邹伯奇门生和亲友的帮助,终于在同治癸酉年(1873年)付梓刻印,定名为《邹征君遗书》。

        邹伯奇的两部有关摄影光学著作,是非常严谨的学术论文。当这些研究成果公布于世时,摄影技术已经有了进一步的发展,国内一些介绍最新摄影方法的书籍也开始出现。因此,邹氏的著作,当时未能起到应有的作用。应该指出的是,邹伯奇对暗箱的研究,完全是参照中国古代的学术成果,结合自己的独创完成的。近代著名学者梁启超在《中国近三百年学术史》一文中评论说:“特夫(邹伯奇的号)自制摄影器,观其图说,以较近代日出口精之新器,诚朴可笑。然五十年前,无所承而独创,又岂可不谓豪杰之士耶?”。给邹伯奇以高度的评价。

 

色散现象的发现

 

        1666年,英国物理学家牛顿发现了光的色散现象,提出了有关的理论。1704年《光学》一书出版,创立了近代物理光学的新学说。色散现象的发现,使人们对光的性质有了进一步的认识,对摄影光学的发展有重要的意义。然而,关于色散现象,我国早在十二世纪时就有了文字记载。公元1116年,北宋药学家宏宗夷所撰《本草衍义》中提到:“菩萨石映日射之,有五色圆光,大如枣则光彩微茫,间小如英珠则五色燦然可喜”。以后,明代李时珍著《本草纲目》中,画有菩萨石样式的插图,经鉴定又名放光石。根据这些文献记载,我们可以清楚地知道,它是一种六边校形的石英类晶体。太阳光经过它的折射后,会发散出不同波长的各种色光,这就是摄影学中所说的色散现象。明代人的笔记中还指出“放光石如水晶,大者三、四分,其质六棱,从日隙照之,生五色如霓虹”,意思是说,使一束白光通过放光石,能生出如同彩虹的光学现象。17 这一记载和近代光学理论中三棱镜分光试验产生的结果是极其近似的。

 近代物理学知识介绍到中国后,很多科学家又对三棱镜分光实验加以印证,如清代科学家徐寿(1818——1884)做此实验时“尝购三棱镜玻璃不得,磨水晶印章成三角形,验得分光七色”。以后徐寿还给中国读者介绍翻译了多种摄影方面的书籍。

 

对感光化学的认识

 

        摄影术的发明是集萃了人类长期对物理学和化学的研究成果而完成的。中国古代化学是与炼丹术分不开的。公元三、四世纪成书的《抱朴子·内篇》中曾提到用不同的药物冶炼各种金属的方法。可知当时人们已掌握了一些化学知识并把某些药物的化学反应应用到生产中去。汞齐制作是炼丹术中的重要内容,中国古代已制成金、银、铅、锡等汞齐合金。南朝陶弘景曾记载水银“能消化金银使成泥,人以镀物也”,也说明了当时金银汞齐在生产中得到了应用。直到十九世纪初,法国人达盖尔才发明了利用水银升华作为银版摄影的显影方法,使感光版上的见光部分生成汞齐,借以记录影像。

        关于感光现象,中国古籍中也有一些记载。宋代文人苏武编撰的《物类相感志》中写道:“盐卤写纸上,烘之字黑。”《古今秘苑》上也有类似的记载:“ 磠砂三粒,用水研细,净笔书于纸上,候干,初不见字,向火微炙或日晒,即为墨书。”这两种秘写方法,在使用的原料中均含有感光物质,因此,见光后则变为墨色。但是这些记载并没有提供化学反应的具体过程和条件。

        国外有的研究者认为,中国早在二千多年前制造的陶瓷,就使用了感光化学的方法,并进一步推断说:“在二千年前的古代中国,就已知道摄影术的主要的原理”。

        在人类文明史上,中国古代学者对自然科学的研究,在很长一段时间内处于领先地位。在摄影光学方面,中国人很早就由朴素的认识阶段进入到研究其具体规律的实验阶段。并且有些学者按照中国的学术体系加以阐述和论证。在实用技术方面,明清时期就出现了很多优秀的工艺制造家和透镜制造者,他们制造的光学器具,已具备了摄影暗箱的功能。但是,由于对感光化学的认识基础较差,更缺乏这方面的理论和实践,因此,把物理学和化学两方面结合而应用于一项实用技术的机会较少。在近代西方技术迅速发展的状况下,中国逐渐显现出科学技术发展缓慢。尽管如此,历代学者对摄影基础理论上的建树,不仅在摄影术产生的史前阶段,对这项技术的发明有着影响和促进作用,而且在摄影技术传入中国后,能够使它尽快地得到发展和传播。因此,在摄影发展的整个历史过程中,这种情况正如马克思所说的那样:“而这许多按不同方向活动的愿望及其对外部世界的各种各样影响所产生的结果,就是历史。”

 

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