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针孔相机的历史

QQ475400555 来源:机器视觉沙龙 2023-04-16 09:28 次阅读

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)。

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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。

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:

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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:

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以下4张图片的计算公式及结果有所不同,可供参考:

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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:

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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

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审核编辑 :李倩

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原文标题:针孔相机

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