针孔相机

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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。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。

## 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》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

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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，以毫米或英寸标示。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英寸的底片。焦距为150mm时，影像刚好覆盖8x10英寸的底片。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，但最早由 Joseph Petzval 于 19 世纪中叶提出，后续则被 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：

$$\phi=\sqrt{2f\lambda}$$

其中，$f$是焦距，$\lambda$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：

$$\phi=\sqrt{2\times50\times623\times10^{-6}}=0.249599679$$

经四舍五入，可得出针孔的最佳直径是0.25mm。

### 光圈值的计算

主条目：光圈值

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：

$$\frac{50}{0.25} \ = 200$$

可得出光圈值为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

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### 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。

## 自制针孔相机

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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，可以是黑色厚卡纸，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。

### 漏光测试

检测漏光的方法，是先把相纸放进相机，涂有感光剂的一面对着针孔。接下来是把相机放在阳光下曝晒，时间为15至20分钟，但不要打开快门。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。最后在有安全灯的暗房检查相纸的曝光情况。如果相纸变灰甚至变黑，表示相机漏光。

虽然是最笨但可能也是最有效的方法，也就是多拍几卷(张)底片，将它们冲扫出来，辨认每一幅照片中光线的分布，来研判漏光的所在位置，确认了之后可以将疑似漏光位置使用黑色胶布补强，再次进行拍摄，重复补强动作，直到拍出来的照片没有奇怪的光线为止。

## 应用

### 艺术

#### 日照轨迹

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日照轨迹（Solargraphy）是一种记录太阳在特定时间内移动轨迹的摄影方法。拍摄日照轨迹需要很长的曝光时间，通常以月为单位，例如6个月。把相纸放进针孔相机，在没有使用显影剂的情况下，产生影像。

值得一提的是，尽管使用黑白相纸，最后获得的却是彩色照片。经过6个月的曝光，相纸出现可见的负像。用扫描仪将影像数码化，在电脑上用软件调较色彩平衡、反差、色相，最终转化为彩色的正像照片。

日照轨迹的概念，源于2000年波兰一个叫Solaris的小组，这个小组的成员在2000年至2001年期间，率先拍摄日照轨迹照片。至2002年，芬兰女艺术家Tarja Trygg在波兰出席一个国际摄影工作坊的时候，得悉这种摄影的存在。一位摄影师告诉她，在不同纬度的地方，日照轨迹也有不同，激发她的好奇心。

为了获得世界各地的日照轨迹，Tarja Trygg开始寻求别人的协助，最初是她的朋友，然后是任何人，最后成为一项超越国界的计划，参与者来自世界各地。截至2010年2月，Tarja Trygg已收集到超过500张照片。

#### 大型照片

使用大型针孔相机，可以拍摄大尺寸的照片。例如，美国摄影师Chris Pinchbeck把一辆旅行拖车，当作针孔相机。他主要在犹他州和缅因州拍摄风景照片，照片尺寸为30吋乘75吋。值得一题的是，他的照片是直接正像（Direct positive），每一张都照片是独一无二，而他当年所用的相纸和药水现在已经停产。

在德国汉堡市，有清洁工人和摄影师携手进行一项计划，把1100升的垃圾箱，改装成针孔相机。这个名为Trashcam Project的计划，成员由7名工人和1名摄影师组成，由工人拍摄照片，摄影师仅提供意见及技术支援，例如冲洗照片。

工人把相纸放进相机，再把相机移到拍摄地点，为了更好的拍摄角度，更不惜把相机放在公共烧烤炉上。曝光时间由6分钟至1小时不等，主要以汉堡市的景物作拍摄对象。

在香港，有团队以铝管和黑色胶袋，制作一部大型针孔相机，高2米，阔3米，深1米，需要逾10人搬运和安装。相机使用相纸作感光物料，先拍摄负像照片，再以接触式印相，制作正像的照片。由于使用卷装黑白相纸，在显影的时候，还要用自制的显影盘。

用这部相机拍摄的照片，高1.3米，阔2.3米，记录了香港市区的风貌，游泳池、行车天桥和住宅大厦清晰可见。据悉，由拍摄到完成作品，历时数星期。

##### 世界之最

根据健力士纪录，世上最大的针孔相机，高13.71米，阔48.76米，深24.38米，前身为一个飞机仓库，位于美国加州海军陆战队艾尔陶若军事基地。用这部相机拍摄的照片，高9.62米，阔33.83米，称为The Great Picture，于2006年7月8日上午11时拍摄，曝光时间为35分钟。相机的针孔直径只有6毫米。

据悉，是次拍摄为“遗产计划”（Legacy Project）的一部分，该计划由6名艺术家主导，透过照片记录基地的面貌。这座军事基地自1990年代初关闭后，政客就如何使用这片土地展开连串争辩，最终决定发展成橙县大公园，但仍无法改变基地荒废的事实。

摄影课程导师Jerry Burchfield和他的学生，决定到基地外围拍照。后来，艺术家Clayton Spada由中国回到美国，他建议把基地的其中一栋荒废设施，改建成巨型针孔相机。值得一题的是，这位艺术家在中国的时候，曾指导当地的学生拍摄大型照片。

从2004年到2006年，团队与美国政府谈判，争取基地设施的使用权。经过历时数月的准备，终于在2006年7月8日早上11时拍摄照片。由于拍摄机会只有一次，团队在数天前进行多次试拍，决定曝光时间为35分钟。

照片的冲洗同样工程浩大。一共有60名志愿者参与照片的冲洗，他们只能在钠灯的照明下工作，即使是手机发出的光，也足以令照片起雾。他们使用了逾千加仑的显影剂和定影剂，洗水的过程还出动了消防喉。而照片本身是一块特制的棉布，从德国进口，由拍摄者以人手方式涂上明胶卤化银乳剂。照片曾在加州多地展出，并于2011年3月在北京的中央美术学院展出。

### 科学

#### 拍摄核试

据悉，洛斯阿拉莫斯实验室的科学家用针孔相机，拍摄1945年7月16日的一次核试。

## 全球针孔摄影日

全球针孔摄影日（Worldwide Pinhole Photography Day）是一个国际性的节日，于每年四月最后一个星期天举行，以推广及庆祝针孔摄影为宗旨。