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针孔相机

时间:2013-08-30来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

针孔相机

针孔相机(英语: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。利用针孔成像原理,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,还要有快门结构,通常是简单的活门。
 
另外,由于进光量少,用针孔相机拍照,需要较长的曝光时间。曝光时间由数秒至数十分钟不等,通常把相机安装在三脚架上,或把相机放在稳固的地方。
 
一些艺术家利用针孔相机进行创作。例如,芬兰艺术家Tarja Trygg以针孔相机,拍摄日照轨迹(Solargraphy),曝光时间长达6个月。
针孔相机的原理
针孔相机的原理
 

历史

相机的前身为暗箱(Camera obscura),又称暗盒。原始的暗箱,只是利用一个黑暗的房子的一堵墙上的孔,将外面的景物投射到平面上。实际上,camera obscura的字面意思就是“黑暗的房子”。
 
古代学者如墨子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》(Problemata)中,提及暗箱的概念。海什木的文献指出,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。海什木利用针孔装置,对日食进行观察。
 
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。这些针孔装置,其工作原理,和现在被我们称为针孔相机的工具,是完全一样的。
 
摄影诞生后,把感光材料,例如相纸放进暗箱,暗箱就成了针孔相机。
 

原理

光线沿直线传播。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,以毫米或英吋标示。针孔接近成像面,可拍摄广角照片。针孔远离成像面,可拍摄远摄照片。

焦距越长,影像越大。例如,焦距为75mm时,影像刚好覆盖4x5英吋的底片。焦距为150mm时,影像刚好覆盖8x10英吋的底片。另外,焦距越短,照片的暗角越明显。

一般而言,针孔越小,影像越清晰,但针孔太小,会导致衍射,反而令影像模糊。
 

针孔的最佳直径

据说,用来计算针孔的最佳直径的公式,至少有50条。以下是其中一条用来计算针孔的最佳直径最佳直径的公式:

公式

其中,f是焦距,入是光的波长。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。计算的时候,请把波长由nm转换成mm。因为1nm等于10^-6mm,所以623nm等于623x10^-6mm。

以下是焦距为50mm的例子:

最佳直径是0.25mm

经四舍五入,可得出针孔的最佳直径是0.25mm。
 

光圈值的计算

将焦距除以针孔直径,可得到光圈值。以下是焦距为50mm、针孔直径为0.25mm的例子:

50/0.25=200

可得出光圈值为f/200。
 
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,针孔与相纸的中央距离稍远,与相纸四角的距离近,令相纸的中央和四角的曝光一致。

另外,制作针孔的材料越厚,暗角越明显。一些较薄的材料,例如铝箔,厚度只有0.012mm至0.015mm,比铝罐(0.15mm)更薄。市面有售的铜片,相对硬身,可以打磨,而且备有不同厚度,可按个人喜好选购。

使用减光棒(dodging tool),也可以消除暗角。假如用底片拍照,可以在暗房放相的时候,利用减光棒。假如用相纸拍照,可以在拍摄的时候,利用减光棒。
 
画质的改善
使用尺寸较大的感光材料,可以改善画质。

特性

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
 

长时间曝光

由于进光量少,因此需要较长的曝光时间,例如数秒,甚至数十分钟。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。
 

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。解决方法之一,是利用景物来遮挡太阳,例如树木。
针孔相机的拍摄作例之一,曝光时间为20分钟
针孔相机的拍摄作例之一,曝光时间为20分钟。 (Ewan McGregor)

自制针孔相机

针孔相机可以自制。亲手制作针孔相机,可以更了解相机的工作原理。制作不透光容器的材料,可以是黑色厚咭纸,也可以是鞋盒、铝罐、垃圾箱、蔬菜,甚至是一整栋建筑。
 

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,较其他物料薄,可以直接用针刺穿,也可以把铝箔夹在两块薄纸板之间,隔着薄纸板用针戳穿铝箔,戳的时候还要转动针尖,这样出来的针孔会比较圆滑。其他常见的材料,还包括铜片和铝罐。

用铜片制作针孔片,工序较复杂。先在铜片底下垫一块纸板,然后用针钻穿铜片。接下来用砂纸打磨铜片的背面,把凸起的地方磨平,这个步骤非常重要,不能省略。用放大镜检查针孔,好的针孔应该呈圆形,没有任何金属碎屑,看起来相当光滑。不光滑的针孔会引起光的衍射,令照片模糊。

只要经过适当处理,铝罐也可用来制作针孔,但过程具有一定危险性。首先,用剪刀把铝罐的顶部和底部去掉,把罐身裁成长条状,再剪成大小相同的方形铝片备用,铝片边长20mm。制作针孔前,先用砂纸把铝片磨薄,但要当心,不要把铝片磨破。在打磨过程中,经常用手指头轻按铝片,感受它的厚度变化。当铝片变得非常薄的时候,就应该停止打磨。

用针尖慢慢的在铝片上钻孔,直至出现一个非常细的小孔,千万不要用力向下压。同样用砂纸打磨铝片背部,用放大镜检查针孔。如有需要,可重复钻孔,直至针孔的大小合乎要求。
 

消光作业

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

相机的组装

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。兹以黑色胶带为例。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。

在正式拍摄前,请检查相机,确保没有漏光。
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