PINHOLE CAMERA / CAMERA OBSCURA

什么是针孔相机?

针孔相机不用镜头,而是让光线穿过小孔形成影像。

互动 / 针孔

箱体长度和针孔大小会怎样改变影像?

针孔成像光线图光沿直线传播人物上端点:红色实线人物下端点:蓝色虚线
针孔成像光线图人物位于光轴左侧;来自人物上端一点的红光和下端一点的蓝光,分别穿过针孔的上部、中心和下部并沿直线传播,上下换位后在投影面形成红、蓝两段到达范围人物投影影像可视化仅显示人物的倒立影像:叠加穿过针孔上部、中心和下部的三个代表影像,并表现像点连续的几何重叠;影像大小随箱体长度变化,极小针孔的衍射模糊另行加入投影影像可视化上下左右反转的影像反射光向外扩散直线穿过针孔上部、中心和下部同一点在投影面形成到达范围竖线=一点范围(放大)针孔投影面箱体长度

穿过针孔三个位置的代表影像 针孔较大时,会强调相邻像点的重叠,直到人物形状难以辨认。显示数值仍采用物理计算值。

这是一个不使用透镜的针孔模型。即使来自人物同一点的光,也会分别穿过针孔的上部、中心和下部,沿不同直线到达投影面的相邻位置。针孔较小时到达范围窄、相邻像点不易混合;针孔较大时范围变宽,影像因重叠而模糊。

投影影像高度
68.0 mm
放大率
0.040×
等效光圈值
f/356
一点的到达范围(几何)
0.47 mm
衍射模糊
0.48 mm
综合模糊估计
0.67 mm

为什么针孔越大,影像越模糊?

01构成人物的每个点都会在投影面形成一个小范围。针孔较小时,这些范围较窄,相邻点不易混合,因此轮廓看起来更清晰。

02针孔变大并不是让一条光线变粗,而是让同一点发出的多条直线路径穿过针孔不同位置,在投影面覆盖更大的范围并与相邻像点重叠,因此轮廓变模糊。

03光线穿过针孔后并不汇聚,而是沿原来的直线继续传播。投影面离针孔越远,来自物体上下方的光线落点相隔越远,影像也就越大。

04但针孔过小时,光的衍射模糊会增大。最小的针孔不一定最清晰。

估算. 图中压缩了人物距离。红、蓝各三条光线代表穿过圆形针孔的连续光路;投影面竖线和三个人物影像为便于观察而放大。实际一点的影像会在像面呈圆形扩散。为说明像点连续重叠,大针孔一侧的投影模糊采用非线性强调,但显示数值仍保持物理计算值。放大率按“箱体长度 ÷ 被摄体距离”计算;几何模糊依据有限针孔的光路估算,衍射按波长550nm的圆形孔径估算。图中不模拟亮度、曝光时间、反射率或感光材料响应。计算基础:相似三角形与圆形孔径的衍射近似

针孔相机的3D原理讲解

2:05 · 无音频

用3D画面展示树上各点反射的光穿过小孔并形成倒像的过程,比较大小孔径如何改变单点光线的扩散范围与影像的清晰度。

本视频无音频。下方文字也描述了画面的内容与变化。 阅读正文讲解

阅读视频的文字说明

阳光照到树上,从树表面的每一点向不同方向反射。画面用不同颜色区分来自树的上部、中部和下部的光,并展示光不仅沿画面横向散开,也向纵深方向散开。

树与屏幕之间放着一个带小孔的暗箱。撞到箱壁的光被挡住,只有朝向小孔的那部分光进入箱内。来自不同点的光同时穿过小孔。小孔不会使光线弯折或会聚。

穿过小孔的光继续沿直线传播。来自树上部的光到达屏幕下部,来自下部的光到达上部,中部的光到达中部。因此,屏幕上形成上下、左右都反转的树像。

视点沿着光的路径移动:从太阳到树,从树上的反射点到小孔,再穿过小孔到达暗箱内的屏幕。箱外和箱内的视角显示,光在孔的前后始终沿同一直线传播。

小孔较小时,来自树上一个点的光在屏幕上形成一个小圆形光斑。对应树上不同点的小光斑逐渐增多,汇集成倒立的树像,呈现细致的轮廓。

保持树和屏幕的位置不变,只把孔变大。同一个点形成的光斑随之变大。许多点的大光斑互相重叠,轮廓变得模糊。最后并排比较大小孔的像,将单个光斑的大小与整幅像的清晰程度联系起来。

光线和孔采用放大的示意画法,圆形光斑用于解释成像过程。比较时对亮度作了调整。孔并非越小就无限清晰:孔过小时,衍射也会造成模糊。

针孔相机是不使用镜头、只让光线通过极小孔径形成影像的简单摄影装置。它直接利用光沿直线传播的性质,因此影像会在孔径大小、距离与时间等具体条件中出现。本页从原理、结构、历史与表现的角度,说明针孔摄影及其与暗箱的关系。

01 / PRINCIPLE

小孔成像的原理

光线沿直线穿过小孔并投射到相对的表面上,由此形成针孔影像,这一现象通常称为小孔成像。孔径越大,进入的光越多,但影像会更柔和。在一定范围内缩小孔径能让影像更紧致,却需要更长的曝光时间;孔径过小时,衍射会让影像再次变柔和。亮度、清晰度与时间之间的取舍,是针孔相机的基本结构。

孔径
影响影像的清晰度与亮度
投影距离
影响影像的大小与亮度
曝光时间
决定影像能否被记录
作品Fading Light:黑暗中浮现蓝色光与白色圆形影像
Fading Light / 2021

02 / DEFINITION

针孔相机的定义

针孔相机以小孔代替镜头,让穿过孔径的光线形成影像。与追求清晰度的一般相机不同,针孔相机会把影像成立的条件——曝光时间、孔径与被摄体距离——更直接地呈现出来。

因此,它既可以是摄影器材,也可以是观察光的行为与视觉前提的装置。

03 / STRUCTURE

最小结构

针孔相机由三个基本要素构成。

  1. 01不透光的箱体:控制光线的空间
  2. 02针孔:光线的入口
  3. 03感光面:胶片、相纸或影像传感器

这种结构很容易扩展。放大箱体,就会成为大型相机;将建筑或房间遮光并打开一个孔,空间本身便会成为暗箱。

用纸板制作的摄影装置
纸板数码相机3号 heuristic拍摄用 / 2011

04 / CAMERA OBSCURA

与暗箱的关系

暗箱(camera obscura)是把外部景物投影到黑暗房间或箱体内部表面上的装置,既有使用小孔的类型,也有使用镜头的类型。

针孔相机用小孔代替镜头来成像,与不使用镜头的暗箱原理相同。两者都可以采用箱体或房间的形式,因此不能仅凭大小或是否便于携带来区分。

用于创作《时之回廊》的摄影装置
《时之回廊》用相机 / 2006

05 / HISTORY

针孔相机的历史

关于小孔成像的记述,比摄影早了两千多年。以下只列出要点。十四个阶段的年表、八则小故事与二十四条资料来源,收录在独立的页面中。

  1. 约公元前4—3世纪

    《墨子》光在小孔处交叉,影像上下颠倒

  2. 11世纪初

    伊本·海赛姆记述黑暗空间中小孔的成像现象

  3. 1544年

    赫马·弗里修斯观测日食把暗室投影以图示出版

  4. 约1826—1827年

    尼埃普斯把投影影像永久保留——摄影开始

  5. 1890年

    乔治·戴维森针孔摄影作为表现手法获得评价

06 / EXPRESSION

针孔摄影的表现

针孔摄影并不只是“复古”或“柔和”。它与镜头摄影所强调的解析力和焦点保持距离,使影像成立的条件本身成为作品的主题。

  • 影像以时间、距离与孔径等“条件”显现
  • 单一焦点的概念减弱,空间趋于均质
  • 装置设计本身成为创作行为的一部分

07 / FAQ

常见问题

小孔成像的原理是什么?

光沿直线穿过小孔,在暗箱内壁形成上下左右颠倒的影像。在一定范围内缩小孔径能让影像更紧致,但进光量减少、曝光时间变长;孔径过小时,衍射会让影像再次变柔和。

可以自己制作针孔相机吗?

可以。只要具备不透光的箱体、针孔与感光面三个要素,就能构成针孔相机。孔径的精度与遮光效果直接影响影像的稳定性。

暗箱与针孔相机有什么区别?

暗箱是把外部景物投影到黑暗房间或箱体内部表面上的装置,其中也有使用镜头的类型。针孔相机则用小孔代替镜头来成像。不能仅凭大小区分两者。

为什么针孔照片看起来比较柔和?

孔径较大时,来自多个方向的光线会重叠,使影像变得柔和。在一定范围内缩小孔径能让影像更紧致,但孔径过小时,衍射会使影像再次变柔和。小孔的进光量也更少,因此曝光时间会变长,并更容易受到移动影响。