针孔相机

针孔相机是一个简单的相机。光线通过一个小开口（孔）落入一个不透光且相对较小的箱形空心体中，从而在背面产生倒置和反转的图像。在反面内部创建的真实图像可以记录在感光材料（相纸或胶片）上或通过电子图像转换器（图像传感器）记录。如果图像面由透明材料制成，则可以从外面看到图像。技术应用出现在 X 射线、伽马射线和粒子辐射领域，因为针孔是（有时是唯 一的）生成图像的方式。在自然界中可以找到无透镜的孔眼，其中包括鹦鹉螺（水生头足类动物）。

针孔相机的成像原理是几乎所有光线都被针孔挡住，除了物点和像点之间直线连接的最小可能光束。由于与带镜头的聚焦相机相比，光线不会进一步聚集，因此针孔光阑的直径决定了图像的清晰度和亮度。在射线光学中，针孔越小，图像越清晰，但光强越低。

真正的针孔相机的光强比对焦相机小10到500倍（因此它们只能捕获1/100到1/250,000的光），但景深是10倍到 500 更大。然而，这种景深只能在极少数情况下使用，因为它紧接在针孔后面（很少需要）并且图像永远不会真正清晰。

在数学上，图像是针孔区域中物体的理想图像的卷积结果。

孔径D越小，待成像物体距孔的物距g越大，弥散圆直径S越小。由射线定理，像距b为：

D g = S g + b

对于弥散圆 S 的直径，它如下：

S = D ⋅ g + b g

对于更大的距离 g ≫ b，后项趋向于 1，然后表达式简化为：

S ≈ D {\displaystyle S\approx D}

为了得到足够清晰的图像，弥散圆的直径不能超过一定的尺寸（见景深）。 这个最 大允许的弥散圆直径的精确值取决于图像的后续放大和观察距离。在摄影实践中，通常假定弥散圆直径为 dF / 1500（dF 对应于记录格式的对角线扩展）。然而，这个值只能近似地达到米大小的针孔相机，较小的针孔相机只有较低的最 大可能锐度。

光的衍射导致孔径 D 的合理下限，低于该下限，混淆圆盘再次变大。红光比蓝光稍大。

G表示物高（被观察物体的实际大小），g表示物距（物体到打孔盘的距离），b表示像距（打孔盘到毛玻璃的距离），B表示像高（生成的图像在毛玻璃上的高度），因此适用：

B b = G g

这个方程在几何学中被称为射线定理。因此，图像大小仅取决于距离，而不取决于光圈大小或孔大小。

注意：术语物距和像距不一定总是等同于几何光学中的相应术语。在那里，距离指的是主平面的位置而不是孔径的位置。术语图像距离也指混淆圈变得最小的区域，并且该区域不存在于针孔相机中或与要成像的物点本身重合。

尽管针孔（与镜头不同）没有焦距，但针孔相机有一个与焦距相当的像距，它也决定了像的大小，有效光强Leff = D /b可以从这个像距计算出来。

在日常生活中，人们有时会在与针孔相机几何对应的开口处观察到随机图像。著名的是太阳环，当阳光明媚时，可以在树下或森林地面上观察到。茂密树叶中的缝隙就像许多针孔一样，将太阳的圆盘描绘成模糊的圆盘。如果您不知道其中的原因，您会非常惊讶它们在日偏食期间以“半月”的形式出现。

柳条制品中的狭窄缝隙以大小均匀的圆盘形式在墙上形成光线图案。这些是圆形太阳的图像，而不是网络的轮廓。

由于漏洞造成的周围环境投影到对面墙上的情况：你可以看到房屋的红色屋顶和前面的树木。投影高约1.50米。

此外，简单生物的眼睛也代表针孔相机（针孔相机-眼睛）。

在 X 射线、伽马射线和粒子辐射范围内，针孔是一种（有时是唯 一的）生成图像的方式，因为不能为这些类型的辐射带电（单色）粒子生产经典镜头，因此可以使用电子光学。另一种可能性是用点辐射源（照明侧的针孔！）进行照明，或者在高能粒子的情况下，通过轨迹的检测和评估。

针孔相机的缺点是光照强度低。对于医学 X 射线，它们将是完全不适合。

天文学中经常使用所谓的编码孔径。与单孔相比发光强度增加，展开后的分辨率高于单孔。射电望远镜阵列也利用了这一原理。

针孔处的衍射现象限制了经典方法。结果，模糊点的直径S增加了衍射盘的直径ΔS。对此进行了简化：

Δ S = c ⋅ b D 。其中 c 是与光波有关的常数，可以近似为 1 微米。

根据射线光学观察，模糊点的大小随孔径大小线性减小（见上文）。光的衍射表现出相反的行为：不清晰度与孔径成反比。最佳直径 Dopt 是两者一起最小的值。

因此，最佳直径略小于菲涅尔波带片的内部区域。

“优化”专指图像的清晰度。这些相机的有效光强（从有效孔径数 Beff 读取）非常低。在胶片材料上曝光时，即使在明亮的阳光下也必须考虑史瓦西效应。

曝光时间是指充足的阳光或明亮的图案。具有 Schwarzschild 效应的值在括号中。

可达到的最 大清晰度：

可接受的图像清晰度需要大图像尺寸（通常超过三平方米）。在超广角范围内工作时必须接受强烈的渐晕。光圈必须尽可能薄，以避免额外的渐晕和重影。

与对焦相机相比，图像是针孔相机

• 没有扭曲，投影通常是日经投影，也可以使用弯曲的胶片支架进行圆柱投影
• 无色差，
• 没有散光、彗差、球差和场曲，
• 与后焦广角镜头相比显示出强烈的渐晕 (cos)