針孔相機

針孔相機是一個簡單的相機。光線通過一個小開口（孔）落入一個不透光且相對較小的箱形空心體中，從而在背面產生倒置和反轉的圖像。在反面內部創建的真實圖像可以記錄在感光材料（相紙或膠片）上或通過電子圖像轉換器（圖像傳感器）記錄。如果圖像面由透明材料制成，則可以從外面看到圖像。技術應用出現在 X 射線、伽馬射線和粒子輻射領域，因為針孔是（有時是唯 一的）生成圖像的方式。在自然界中可以找到無透鏡的孔眼，其中包括鸚鵡螺（水生頭足類動物）。

針孔相機的成像原理是幾乎所有光線都被針孔擋住，除了物點和像點之間直線連接的最小可能光束。由于與帶鏡頭的聚焦相機相比，光線不會進一步聚集，因此針孔光闌的直徑決定了圖像的清晰度和亮度。在射線光學中，針孔越小，圖像越清晰，但光強越低。

真正的針孔相機的光強比對焦相機小10到500倍（因此它們只能捕獲1/100到1/250,000的光），但景深是10倍到 500 更大。然而，這種景深只能在極少數情況下使用，因為它緊接在針孔后面（很少需要）并且圖像永遠不會真正清晰。

在數學上，圖像是針孔區域中物體的理想圖像的卷積結果。

孔徑D越小，待成像物體距孔的物距g越大，彌散圓直徑S越小。由射線定理，像距b為：

D g = S g + b

對于彌散圓 S 的直徑，它如下：

S = D ? g + b g

對于更大的距離 g ? b，后項趨向于 1，然后表達式簡化為：

S ≈ D {\\displaystyle S\\approx D}

為了得到足夠清晰的圖像，彌散圓的直徑不能超過一定的尺寸（見景深）。 這個最 大允許的彌散圓直徑的精確值取決于圖像的后續放大和觀察距離。在攝影實踐中，通常假定彌散圓直徑為 dF / 1500（dF 對應于記錄格式的對角線擴展）。然而，這個值只能近似地達到米大小的針孔相機，較小的針孔相機只有較低的最 大可能銳度。

光的衍射導致孔徑 D 的合理下限，低于該下限，混淆圓盤再次變大。紅光比藍光稍大。

G表示物高（被觀察物體的實際大小），g表示物距（物體到打孔盤的距離），b表示像距（打孔盤到毛玻璃的距離），B表示像高（生成的圖像在毛玻璃上的高度），因此適用：

B b = G g

這個方程在幾何學中被稱為射線定理。因此，圖像大小僅取決于距離，而不取決于光圈大小或孔大小。

注意：術語物距和像距不一定總是等同于幾何光學中的相應術語。在那里，距離指的是主平面的位置而不是孔徑的位置。術語圖像距離也指混淆圈變得最小的區域，并且該區域不存在于針孔相機中或與要成像的物點本身重合。

盡管針孔（與鏡頭不同）沒有焦距，但針孔相機有一個與焦距相當的像距，它也決定了像的大小，有效光強Leff = D /b可以從這個像距計算出來。

在日常生活中，人們有時會在與針孔相機幾何對應的開口處觀察到隨機圖像。著名的是太陽環，當陽光明媚時，可以在樹下或森林地面上觀察到。茂密樹葉中的縫隙就像許多針孔一樣，將太陽的圓盤描繪成模糊的圓盤。如果您不知道其中的原因，您會非常驚訝它們在日偏食期間以“半月”的形式出現。

柳條制品中的狹窄縫隙以大小均勻的圓盤形式在墻上形成光線圖案。這些是圓形太陽的圖像，而不是網絡的輪廓。

由于漏洞造成的周圍環境投影到對面墻上的情況：你可以看到房屋的紅色屋頂和前面的樹木。投影高約1.50米。

此外，簡單生物的眼睛也代表針孔相機（針孔相機-眼睛）。

在 X 射線、伽馬射線和粒子輻射范圍內，針孔是一種（有時是唯 一的）生成圖像的方式，因為不能為這些類型的輻射帶電（單色）粒子生產經典鏡頭，因此可以使用電子光學。另一種可能性是用點輻射源（照明側的針孔！）進行照明，或者在高能粒子的情況下，通過軌跡的檢測和評估。

針孔相機的缺點是光照強度低。對于醫學 X 射線，它們將是完全不適合。

天文學中經常使用所謂的編碼孔徑。與單孔相比發光強度增加，展開后的分辨率高于單孔。射電望遠鏡陣列也利用了這一原理。

針孔處的衍射現象限制了經典方法。結果，模糊點的直徑S增加了衍射盤的直徑ΔS。對此進行了簡化：

Δ S = c ? b D 。其中 c 是與光波有關的常數，可以近似為 1 微米。

根據射線光學觀察，模糊點的大小隨孔徑大小線性減小（見上文）。光的衍射表現出相反的行為：不清晰度與孔徑成反比。最佳直徑 Dopt 是兩者一起最小的值。

因此，最佳直徑略小于菲涅爾波帶片的內部區域。

“優化”專指圖像的清晰度。這些相機的有效光強（從有效孔徑數 Beff 讀取）非常低。在膠片材料上曝光時，即使在明亮的陽光下也必須考慮史瓦西效應。

曝光時間是指充足的陽光或明亮的圖案。具有 Schwarzschild 效應的值在括號中。

可達到的最 大清晰度：

可接受的圖像清晰度需要大圖像尺寸（通常超過三平方米）。在超廣角范圍內工作時必須接受強烈的漸暈。光圈必須盡可能薄，以避免額外的漸暈和重影。

與對焦相機相比，圖像是針孔相機

• 沒有扭曲，投影通常是日經投影，也可以使用彎曲的膠片支架進行圓柱投影
• 無色差，
• 沒有散光、彗差、球差和場曲，
• 與后焦廣角鏡頭相比顯示出強烈的漸暈 (cos)