针孔相机的历史由来（针孔相机的历史和发展）

针孔相机是没有镜头的相机。代替透镜的是一个称为针孔的小孔。

利用光的线性传播原理，针孔成像可以产生倒立的图像。

针孔相机的结构比较简单，由不透明容器、感光材料和针孔片组成。其中，感光材料可以是负片或相纸。为了控制曝光，通常需要快门结构。

另外，由于进光量较小，用针孔相机拍照需要较长的曝光时间。曝光时间从几秒到几十分钟不等。针孔相机通常安装在三脚架上或放置在稳定的地方。

1. 针孔相机的历史

针孔相机的前身是暗箱，又称暗箱。

最早的暗箱实际上只是利用黑暗房子墙上的一个洞，将外面的景色投射到房子的内部平面上。

许多古代学者都注意到了针孔成像的现象。例如，墨子第一个发现光通过小孔可以形成倒像；亚里士多德在他的《论问题》一书中提到了暗箱的概念；伊本阿尔哈曾的文献指出，如果阳光通过墙上的一个小孔进入黑暗的房子，屋外的风景就可以投射到墙上，阿尔哈曾使用针孔装置来观测日食。

15世纪，艺术家开始使用暗箱作为绘画的辅助工具。布鲁内莱斯基利用针孔成像原理进行临摹，首创了透视绘画方法。

在光学领域，“针孔”一词首次出现在James Ferguson 1764 年出版的《力学、流体静力学、空气动力学和光学精选主题讲座》一书中。

苏格兰发明家David Brewster 于1856 年在《立体镜》中首次描述了针孔相机，其中包括“没有镜头但有针孔的相机”。

现代，将胶片或相纸等感光材料放入暗箱中，暗箱就变成了针孔相机。

2、针孔摄像头原理

根据光的直线传播原理。物体反射的光穿过针孔，在成像面上形成倒像。针孔与成像表面之间的距离称为焦距。

焦距越长，图像越大。例如，当焦距为75mm时，图像正好覆盖4x5英寸的胶片；当焦距为150mm时，图像正好覆盖8x10英寸的胶片。

焦距越短，所得图像的渐晕越明显。

一般来说，针孔越小，图像越清晰。但如果针孔太小，就会引起衍射，使图像模糊。

需要注意的是，针孔相机的分辨率受到针孔直径的限制。针孔的直径越小，图像的细节越清晰，但通过的光线越少，因此需要更长的曝光时间。相反，针孔直径越大，通过的光线就越多，但图像的细节就会变得模糊。因此，在实际使用中，需要根据所需的成像效果选择合适的针孔直径。

2.1 最佳针孔直径

据不完全统计，计算针孔最佳直径的公式至少有50个。最早的公式是约瑟夫佩兹瓦尔(Joseph Petzval) 在19 世纪中叶提出的。随后被瑞利勋爵改进，并于1989年发表在《自然》杂志上，在《自然杂志》（Nature Journal）上，公式如下：

其中，f为焦距，为光的波长（单位为mm）。红光的波长为700nm，绿光的波长为546nm，蓝光的波长为436nm。计算时通常取红光和绿光波长的平均值，即623nm。

例如，当焦距为50mm时，小孔的直径为：

以下4张图的计算公式和结果不同，供参考：

2.2 孔径计算

将焦距除以针孔直径即可得到光圈值。

例如，当焦距为50mm，针孔直径为0.25mm时，光圈值为：

2.3 暗角产生的原因

针孔与相纸中心的距离近，针孔与相纸四个角的距离远。这种距离差异会导致曝光不均匀并形成渐晕。尤其对于广角针孔相机，暗角尤为明显。

一种解决办法是在放置时将照片纸卷成椭圆形。这样，针孔到相纸中心的距离就接近于相纸四个角之间的距离，从而使相纸中心和四个角的曝光一致。

另外，制作针孔的材料越厚，暗角就越明显。可以选择一些较薄的材料来打针孔，比如铝箔，厚度只有0.012mm到0.015mm。

使用减淡工具消除渐晕。

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，具有无限的景深。无论场景远近，都具有同样的清晰度。

也就是说，用针孔相机拍照时，根本不需要对焦。

3.2 长曝光

由于进入的光量较少，因此需要较长的曝光时间，例如几秒到几十分钟。为了拍出漂亮的照片，建议使用三脚架或将针孔相机放置在稳定的地方。

典型的拍摄对象包括静态物体、水波、风吹的花海，甚至还有自画像。

3.3 眩光

使用针孔相机拍照时，照片容易出现眩光，尤其是有逆光的情况下。解决眩光的一种方法是利用风景来遮挡阳光。

4.针孔相机的优点

针孔相机是一种简单而古老的相机。其光学成像原理是基于光线穿过小孔形成倒立缩小图像的特性。与其他类型相机相比，针孔相机具有以下优点：

(1)成本低：针孔相机没有复杂的光学元件，不需要使用高科技材料，因此成本很低。

（2）简单易用：针孔摄像头非常简单易用，无需任何复杂的设置或操作。您只需将胶卷装入相机，然后打开相机的快门即可拍摄自然的照片。

(3)轻巧、紧凑：由于针孔摄像头不需要任何高科技材料，因此非常轻巧、紧凑。这使得针孔相机非常适合随身携带，无论是旅行还是日常生活中记录。

(4)具有特殊的图像效果：由于针孔相机的成像原理，可以创造出一些独特的图像效果，如景深、长曝光时间等。这些效果可以给摄影师更大的创作空间，创造出独特、有趣的作品。

因此，尽管针孔相机已有数百年的历史，但它仍然是一个非常有用的工具，为摄影爱好者和专业摄影师提供了多种优势。

5.针孔相机的缺点

针孔相机是一种基本类型的相机，它使用针孔将光线投射到感光介质上。虽然针孔相机可以拍出非常艺术的照片，但它也有一些缺点：

(1)光圈限制：针孔相机的光圈大小受到针孔直径的限制，因此其光圈比较小，无法调节，无法适应不同光线条件下的拍摄。这使得它在弱光下需要更长的曝光时间，从而导致照片模糊。

(2)分辨率限制：由于针孔直径和孔径尺寸的限制，针孔相机无法捕捉到非常精细的图像细节，因此其分辨率相对较低。

(3)开发难度：针孔相机所采用的底片开发流程比较复杂，需要一定的技巧和经验，初学者很难掌握。

（4）无法预览：针孔相机无法提供即时预览，因此拍摄者需要提前对构图和灯光进行计算，否则很容易拍摄失败。

(5) 无法实时调整：针孔相机无法进行实时调整。例如，焦距、光圈等参数无法调整。因此，摄影师需要提前对光线和构图进行充分的计算和准备。

6.自制针孔摄像头

6.1 针孔板的生产

一般来说，制作针孔片的材料是金属箔，例如铝箔。铝箔的厚度仅为0.012mm至0.015mm，比其他材料更薄。可以直接用针刺穿针孔，刺穿后必须旋转针尖，这样针孔会更光滑。其他常见的材料还有铜箔、铟箔等。

6.2 消光操作

容器的内部反射会降低照片的对比度。将容器内部涂成黑色或用黑色天鹅绒覆盖，以增加照片的对比度。

6.3 组装

首先，将针孔片贴在不透明容器的内部，然后安装百叶窗。百叶窗可以是一小块黑色胶带或一个简单的阀门。例如，以黑胶带为例，曝光时，将黑胶带掀起，露出针孔；曝光完成后，再次用黑胶带盖住针孔。

6.4 漏光测试

检测漏光的方法是先将一张相纸放入相机中，涂有感光剂的一面朝向针孔。下一步是将相机在阳光下曝光15 到20 分钟，不要打开快门。曝光期间，每隔一段时间转动相机，让阳光从不同角度拍摄到相机的每一面；最后在暗房检查相纸的曝光情况。如果相纸变灰甚至变黑，则说明相机漏光。

参考：

(1) 针孔相机——维基百科

(2) 针孔摄影 历史、图像、相机、公式作者：Jon Grepstad

(3)针孔摄像头——ChatGPT

审稿人：李茜