针孔相机的历史

针孔相机（Pinhole Camera）是一种没有镜头的相机，取代镜头的是一个小孔，称为针孔（Pinhole）。

利用光的直线传播原理，针孔成像可以产生倒立的影像。

针孔相机的结构相对简单，由不透光的容器、感光材料和针孔片组成。其中，感光材料可以是底片，也可以是相纸。为了控制曝光，通常还需要有快门结构。

另外，由于进光量少，用针孔相机拍照，需要较长的曝光时间。曝光时间从数秒至数十分钟，通常把针孔相机安装在三脚架上，或把相机放在稳固的地方。

1. 针孔相机的历史

针孔相机的前身为暗箱（Camera Obscura），又称暗盒。

最早的暗箱，其实只是利用黑暗的房子的一堵墙上的孔，将外面的景物投射到房子内平面上。

很多古代学者都注意到了针孔成像的现象，例如墨子最早留意到光线通过小孔可形成倒立影像；亚里士多德在他的著作《论问题》中，提及暗箱的概念；伊本·阿尔哈增的文献指出，假如阳光透过墙上的小孔，进入黑暗的房子，就能把房子外的景物投射在墙壁上，并且阿尔哈增利用针孔装置，对日食进行了观察。

在15世纪，艺术家开始利用暗箱作绘画的辅助工具。布鲁内莱斯基运用小孔成像原理进行临摹，开创透视绘画法。

在光学领域，“针孔（Pinhole）”一词首次出现在詹姆斯·弗格森1764年的著作《力学、流体静力学、气动和光学精选学科讲座》中。

1856年，苏格兰发明家大卫·布鲁斯特(David Brewster)在《立体镜》(The Stereoscope)中第一次描述了针孔相机，描述中包括“没有镜头的相机，只有一个针孔”。

近代，把感光材料，例如底片或相纸放进暗箱，暗箱就成了针孔相机。

2.针孔相机的原理

根据光的直线传播原理。物体反射的光线，通过针孔，在成像面形成倒立的影像。针孔与成像面的距离，称为焦距。

焦距越长，所成的影像越大。例如，焦距为75mm时，影像刚好覆盖4x5英寸的底片；焦距为150mm时，影像刚好覆盖8x10英寸的底片。

焦距越短，所成影像的暗角越明显。

一般而言，针孔越小，影像越清晰，但针孔过小，会导致衍射，反而令影像模糊。

需要注意的是，针孔相机的分辨率受到针孔直径的限制，针孔直径越小，成像的细节就越清晰，但光线通过的数量就越少，因此需要更长的曝光时间。相反，针孔直径越大，光线通过的数量就越多，但成像的细节就越模糊。因此，在实际使用中，需要根据需要的成像效果来选择合适的针孔直径。

2.1 针孔的最佳直径

据不完全统计，用来计算针孔的最佳直径的公式，至少有50种，其中最早的公式由 Joseph Petzval于19世纪中叶提出，后续被Lord Rayleigh完善其公式，并发表于1989年的自然期刊(Nature Journal)中，其公式如下：

其中，f是焦距， λ是光的波长（单位是mm）。红光的波长是700nm，绿光的波长是546nm，蓝光的波长是436nm。计算的时候，通常取红光与绿光的波长的平均值，即623nm。

例如，焦距为50mm时，小孔直径为：

以下4张图片的计算公式及结果有所不同，可供参考：

2.2 光圈的计算

将焦距除以针孔直径，就可得到光圈值。

例如，当焦距为50mm、针孔直径为0.25mm时，光圈值为：

2.3 暗角的成因

针孔与相纸中央的距离近，与相纸四角的距离远，这种距离上的差异，导致曝光不平均，形成暗角，特别是广角型的针孔相机，暗角尤其明显。

解决方法之一，是放置相纸的时候，把相纸卷曲成椭圆面。这样，针孔与相纸的中央的距离与相纸四角的距离接近，从而使相纸中央与四角的曝光一致。

另外，制作针孔的材料越厚，暗角越明显。可以选择一些较薄的材料制作针孔，例如铝箔，厚度只有0.012mm至0.015mm。

使用减光棒（dodging tool），也可以消除暗角。

3. 针孔相机特性

3.1 无限景深

针孔相机没有镜头，因此不受景深限制，拥有无限景深。不论景物远近，都有相同的清晰度。

换句话说，用针孔相机拍照，根本不用对焦。

3.2长时间曝光

由于进光量少，因此需要较长的曝光时间，例如几秒到数十分钟。为了拍出漂亮的照片，建议使用三脚架，或把针孔相机放在平稳的地方。

典型的拍摄题材，除了静止的物体，还有水的波动、被风吹动的花海、甚至是自拍肖像。

3.3 眩光

用针孔相机拍照，照片容易出现眩光，特别是逆光的时候。解决炫光的方法之一，是利用景物遮挡住太阳。

4. 针孔相机的优势

针孔相机是一种简单而又古老的相机，它的光学成像原理基于光线穿过一个小孔并形成倒立、缩小的像的特性。相比其他类型的相机，针孔相机具有以下优势：

（1）成本低廉：针孔相机没有复杂的光学部件，也不需要使用高科技材料，因此成本非常低廉。

（2）简单易用：针孔相机非常简单易用，没有任何复杂的设置或操作，只需要将胶片装入相机，然后打开相机的快门，即可拍摄出自然的照片。

（3）轻便小巧：由于针孔相机不需要任何高科技材料，因此它非常轻便小巧。这使得针孔相机非常适合随身携带，不论是旅行还是日常生活中的记录都非常方便。

（4）具有特殊的图像效果：由于针孔相机的成像原理，它可以创造出一些独特的图像效果，例如景深、曝光时间长等。这些效果可以为摄影师提供更多的创意空间，从而创造出独特、有趣的作品。

因此，尽管针孔相机已经有了几百年的历史，它仍然是一个非常有用的工具，可以为摄影爱好者和专业摄影师提供多种优势。

5. 针孔相机的不足

针孔相机是一种基本的相机类型，其原理是利用针孔将光线投射到感光介质上。虽然针孔相机可以产生出非常艺术化的照片，但是它也有一些不足之处：

（1）光圈限制：针孔相机的光圈大小受到针孔直径的限制，因此其光圈相对较小，无法调节，无法适应不同光线条件的拍摄。这使得它在光线较暗的情况下需要较长曝光时间，导致照片模糊。

（2）分辨率限制：由于针孔的直径和光圈大小有限，针孔相机无法捕捉非常精细的图像细节，因此其分辨率相对较低。

（3）显影难度：针孔相机所使用的胶片显影过程相对较为复杂，需要一定的技巧和经验，对初学者来说较难掌握。

（4）无法预览：针孔相机无法提供即时预览，因此需要拍摄者提前做好构图和光线等方面的计算，否则很容易出现拍摄失败的情况。

（5）无进行实时调整：针孔相机无法进行实时调整，例如无法调整焦距和光圈大小等参数，因此需要拍摄者事先对光线和构图等方面进行充分的计算和准备。

6. 自制针孔相机

6.1 针孔片的制作

一般而言，用来制作针孔片的材料是金属薄片，例如铝箔，铝箔厚度只有0.012mm至0.015mm，较其他材料薄。针孔可以直接用针刺穿，刺穿后还要转动针尖，这样出来的针孔会比较圆滑。其他常见的材料，还包括铜箔、铟箔等。

6.2 消光作业

容器的内部反射会降低照片的对比度。把容器的内部涂黑，或贴上黑色的绒布，可提高照片的对比度。

6.3 组装

先把针孔片贴在不透光容器的内侧，再安装快门。快门可以是一小片黑色胶带，也可以是简单的活门。比如，以黑色胶带为例，曝光时，掀起黑色胶带，露出针孔；曝光完成后，再次用黑色胶带遮盖针孔。

6.4 漏光测试

检测漏光的方法，是先把一张相纸放进相机，涂有感光剂的一面对着针孔。接下来是不打开快门的情况下，把相机放在阳光下曝晒15至20分钟。曝晒其间，每隔一段时间，要转动相机，让阳光从不同的角度照片相机的每一面；最后在暗房检查相纸的曝光情况。如果相纸变灰甚至变黑，代表相机漏光。

参考资料：

（1）Pinhole camera – Wikipedia

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

（3）Pinhole camera – ChatGPT

审核编辑 ：李倩