針孔相機(jī)的歷史

針孔相機(jī)（Pinhole Camera）是一種沒有鏡頭的相機(jī)，取代鏡頭的是一個(gè)小孔，稱為針孔（Pinhole）。

利用光的直線傳播原理，針孔成像可以產(chǎn)生倒立的影像。

針孔相機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，由不透光的容器、感光材料和針孔片組成。其中，感光材料可以是底片，也可以是相紙。為了控制曝光，通常還需要有快門結(jié)構(gòu)。

另外，由于進(jìn)光量少，用針孔相機(jī)拍照，需要較長的曝光時(shí)間。曝光時(shí)間從數(shù)秒至數(shù)十分鐘，通常把針孔相機(jī)安裝在三腳架上，或把相機(jī)放在穩(wěn)固的地方。

1.針孔相機(jī)的歷史

針孔相機(jī)的前身為暗箱（Camera Obscura），又稱暗盒。

最早的暗箱，其實(shí)只是利用黑暗的房子的一堵墻上的孔，將外面的景物投射到房子內(nèi)平面上。

很多古代學(xué)者都注意到了針孔成像的現(xiàn)象，例如墨子最早留意到光線通過小孔可形成倒立影像；亞里士多德在他的著作《論問題》中，提及暗箱的概念；伊本·阿爾哈增的文獻(xiàn)指出，假如陽光透過墻上的小孔，進(jìn)入黑暗的房子，就能把房子外的景物投射在墻壁上，并且阿爾哈增利用針孔裝置，對(duì)日食進(jìn)行了觀察。

在15世紀(jì)，藝術(shù)家開始利用暗箱作繪畫的輔助工具。布魯內(nèi)萊斯基運(yùn)用小孔成像原理進(jìn)行臨摹，開創(chuàng)透視繪畫法。

在光學(xué)領(lǐng)域，“針孔（Pinhole）”一詞首次出現(xiàn)在詹姆斯·弗格森1764年的著作《力學(xué)、流體靜力學(xué)、氣動(dòng)和光學(xué)精選學(xué)科講座》中。

1856年，蘇格蘭發(fā)明家大衛(wèi)·布魯斯特(David Brewster)在《立體鏡》(The Stereoscope)中第一次描述了針孔相機(jī)，描述中包括“沒有鏡頭的相機(jī)，只有一個(gè)針孔”。

近代，把感光材料，例如底片或相紙放進(jìn)暗箱，暗箱就成了針孔相機(jī)。

2.針孔相機(jī)的原理

根據(jù)光的直線傳播原理。物體反射的光線，通過針孔，在成像面形成倒立的影像。針孔與成像面的距離，稱為焦距。

焦距越長，所成的影像越大。例如，焦距為75mm時(shí)，影像剛好覆蓋4x5英寸的底片；焦距為150mm時(shí)，影像剛好覆蓋8x10英寸的底片。

焦距越短，所成影像的暗角越明顯。

一般而言，針孔越小，影像越清晰，但針孔過小，會(huì)導(dǎo)致衍射，反而令影像模糊。

需要注意的是，針孔相機(jī)的分辨率受到針孔直徑的限制，針孔直徑越小，成像的細(xì)節(jié)就越清晰，但光線通過的數(shù)量就越少，因此需要更長的曝光時(shí)間。相反，針孔直徑越大，光線通過的數(shù)量就越多，但成像的細(xì)節(jié)就越模糊。因此，在實(shí)際使用中，需要根據(jù)需要的成像效果來選擇合適的針孔直徑。

2.1針孔的最佳直徑

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，用來計(jì)算針孔的最佳直徑的公式，至少有50種，其中最早的公式由Joseph Petzval于19世紀(jì)中葉提出，后續(xù)被Lord Rayleigh完善其公式，并發(fā)表于1989年的自然期刊(Nature Journal)中，其公式如下：

其中，f是焦距， λ是光的波長（單位是mm）。紅光的波長是700nm，綠光的波長是546nm，藍(lán)光的波長是436nm。計(jì)算的時(shí)候，通常取紅光與綠光的波長的平均值，即623nm。

例如，焦距為50mm時(shí)，小孔直徑為：

以下4張圖片的計(jì)算公式及結(jié)果有所不同，可供參考：

2.2光圈的計(jì)算

將焦距除以針孔直徑，就可得到光圈值。

例如，當(dāng)焦距為50mm、針孔直徑為0.25mm時(shí)，光圈值為：

2.3暗角的成因

針孔與相紙中央的距離近，與相紙四角的距離遠(yuǎn)，這種距離上的差異，導(dǎo)致曝光不平均，形成暗角，特別是廣角型的針孔相機(jī)，暗角尤其明顯。

解決方法之一，是放置相紙的時(shí)候，把相紙卷曲成橢圓面。這樣，針孔與相紙的中央的距離與相紙四角的距離接近，從而使相紙中央與四角的曝光一致。

另外，制作針孔的材料越厚，暗角越明顯?？梢赃x擇一些較薄的材料制作針孔，例如鋁箔，厚度只有0.012mm至0.015mm。

使用減光棒（dodging tool），也可以消除暗角。

3.針孔相機(jī)特性

3.1無限景深

針孔相機(jī)沒有鏡頭，因此不受景深限制，擁有無限景深。不論景物遠(yuǎn)近，都有相同的清晰度。

換句話說，用針孔相機(jī)拍照，根本不用對(duì)焦。

3.2長時(shí)間曝光

由于進(jìn)光量少，因此需要較長的曝光時(shí)間，例如幾秒到數(shù)十分鐘。為了拍出漂亮的照片，建議使用三腳架，或把針孔相機(jī)放在平穩(wěn)的地方。

典型的拍攝題材，除了靜止的物體，還有水的波動(dòng)、被風(fēng)吹動(dòng)的花海、甚至是自拍肖像。

3.3眩光

用針孔相機(jī)拍照，照片容易出現(xiàn)眩光，特別是逆光的時(shí)候。解決炫光的方法之一，是利用景物遮擋住太陽。

4.針孔相機(jī)的優(yōu)勢(shì)

針孔相機(jī)是一種簡單而又古老的相機(jī)，它的光學(xué)成像原理基于光線穿過一個(gè)小孔并形成倒立、縮小的像的特性。相比其他類型的相機(jī)，針孔相機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）成本低廉：針孔相機(jī)沒有復(fù)雜的光學(xué)部件，也不需要使用高科技材料，因此成本非常低廉。

（2）簡單易用：針孔相機(jī)非常簡單易用，沒有任何復(fù)雜的設(shè)置或操作，只需要將膠片裝入相機(jī)，然后打開相機(jī)的快門，即可拍攝出自然的照片。

（3）輕便小巧：由于針孔相機(jī)不需要任何高科技材料，因此它非常輕便小巧。這使得針孔相機(jī)非常適合隨身攜帶，不論是旅行還是日常生活中的記錄都非常方便。

（4）具有特殊的圖像效果：由于針孔相機(jī)的成像原理，它可以創(chuàng)造出一些獨(dú)特的圖像效果，例如景深、曝光時(shí)間長等。這些效果可以為攝影師提供更多的創(chuàng)意空間，從而創(chuàng)造出獨(dú)特、有趣的作品。

因此，盡管針孔相機(jī)已經(jīng)有了幾百年的歷史，它仍然是一個(gè)非常有用的工具，可以為攝影愛好者和專業(yè)攝影師提供多種優(yōu)勢(shì)。

5.針孔相機(jī)的不足

針孔相機(jī)是一種基本的相機(jī)類型，其原理是利用針孔將光線投射到感光介質(zhì)上。雖然針孔相機(jī)可以產(chǎn)生出非常藝術(shù)化的照片，但是它也有一些不足之處：

（1）光圈限制：針孔相機(jī)的光圈大小受到針孔直徑的限制，因此其光圈相對(duì)較小，無法調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)不同光線條件的拍攝。這使得它在光線較暗的情況下需要較長曝光時(shí)間，導(dǎo)致照片模糊。

（2）分辨率限制：由于針孔的直徑和光圈大小有限，針孔相機(jī)無法捕捉非常精細(xì)的圖像細(xì)節(jié)，因此其分辨率相對(duì)較低。

（3）顯影難度：針孔相機(jī)所使用的膠片顯影過程相對(duì)較為復(fù)雜，需要一定的技巧和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)初學(xué)者來說較難掌握。

（4）無法預(yù)覽：針孔相機(jī)無法提供即時(shí)預(yù)覽，因此需要拍攝者提前做好構(gòu)圖和光線等方面的計(jì)算，否則很容易出現(xiàn)拍攝失敗的情況。

（5）無進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整：針孔相機(jī)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，例如無法調(diào)整焦距和光圈大小等參數(shù)，因此需要拍攝者事先對(duì)光線和構(gòu)圖等方面進(jìn)行充分的計(jì)算和準(zhǔn)備。

6.自制針孔相機(jī)

6.1針孔片的制作

一般而言，用來制作針孔片的材料是金屬薄片，例如鋁箔，鋁箔厚度只有0.012mm至0.015mm，較其他材料薄。針孔可以直接用針刺穿，刺穿后還要轉(zhuǎn)動(dòng)針尖，這樣出來的針孔會(huì)比較圓滑。其他常見的材料，還包括銅箔、銦箔等。

6.2消光作業(yè)

容器的內(nèi)部反射會(huì)降低照片的對(duì)比度。把容器的內(nèi)部涂黑，或貼上黑色的絨布，可提高照片的對(duì)比度。

6.3組裝

先把針孔片貼在不透光容器的內(nèi)側(cè)，再安裝快門?？扉T可以是一小片黑色膠帶，也可以是簡單的活門。比如，以黑色膠帶為例，曝光時(shí)，掀起黑色膠帶，露出針孔；曝光完成后，再次用黑色膠帶遮蓋針孔。

6.4漏光測(cè)試

檢測(cè)漏光的方法，是先把一張相紙放進(jìn)相機(jī)，涂有感光劑的一面對(duì)著針孔。接下來是不打開快門的情況下，把相機(jī)放在陽光下曝曬15至20分鐘。曝曬其間，每隔一段時(shí)間，要轉(zhuǎn)動(dòng)相機(jī)，讓陽光從不同的角度照片相機(jī)的每一面；最后在暗房檢查相紙的曝光情況。如果相紙變灰甚至變黑，代表相機(jī)漏光。

參考資料：

（1）Pinhole camera – Wikipedia

（2）Pinhole Photography – History, Images, Cameras,Formulas by Jon Grepstad

（3）Pinhole camera – ChatGPT

審核編輯 ：李倩