針孔相機

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針孔相機的原理。

針孔相機英语:Pinhole camera)是一種沒有鏡頭相機[1],取代鏡頭的是一個小孔,稱為針孔。利用針孔成像原理[2],產生倒立的影像。

針孔相機的結構相對簡單,由不透光的容器、感光材料和針孔片組成。其中,感光材料可以是底片,也可以是相紙[3]。為了控制曝光,還要有快門結構[4],通常是簡單的活門。

另外,由於進光量少,用針孔相機拍照,需要較長的曝光時間[5]。曝光時間由數秒至數十分鐘不等[5],通常把相機安裝在三腳架上,或把相機放在穩固的地方[4]

一些藝術家利用針孔相機進行創作。例如,芬蘭藝術家Tarja Trygg以針孔相機,拍攝日照軌跡(Solargraphy),曝光時間長達6個月[6]

歷史[编辑]

相機的前身為暗箱(Camera obscura)[3][7],又稱暗盒。原始的暗箱,只是利用一個黑暗的房子的一堵牆上的孔,將外面的景物投射到平面上。實際上,camera obscura的字面意思就是「黑暗的房子」[3]

古代學者如墨子留意到光線通過小孔可形成倒立影像[8][4][7]亞里士多德在他的著作《論問題》(Problemata)中,提及暗箱的概念[4]海什木的文獻指出,假如陽光透過牆上的小孔,進入黑暗的房子,就能把房子外的景物投射在牆壁上。海什木利用針孔裝置,對日食進行觀察[4]

在15世纪,艺术家開始利用暗箱作繪畫的輔助工具。布魯內萊斯基運用小孔成像原理進行臨摹[4],開創透視繪畫法。這些針孔裝置,其工作原理,和現在被我們稱為針孔相機的工具,是完全一樣的。

攝影誕生後,把感光材料,例如相紙放進暗箱,暗箱就成了針孔相機。

原理[编辑]

光線沿直線傳播。物體反射的光線,通過針孔,在成像面形成倒立的影像。針孔與成像面的距離,稱為焦距,以毫米英吋標示[4]。針孔接近成像面,可拍攝廣角照片[4][9]。針孔遠離成像面,可拍攝遠攝遠攝照片[4][9]

焦距越長,影像越大[4]。例如,焦距為75mm時,影像剛好覆蓋4x5英吋的底片[4]。焦距為150mm時,影像剛好覆蓋8x10英吋的底片[4]。另外,焦距越短,照片的暗角越明顯[10]

一般而言,針孔越小,影像越清晰,但針孔太小,會導致衍射,反而令影像模糊[4]

針孔的最佳直徑[编辑]

據說,用來計算針孔的最佳直徑的公式,至少有50條[4]。以下是其中一條用來計算針孔的最佳直徑的公式:

其中,是焦距,是光的波長[11]光的波長是700nm光的波長是546nm,光的波長是436nm[11]。計算的時候,通常取紅光與綠光的波長的平均值,即623nm[11]。計算的時候,請把波長由nm轉換成mm。因為1nm等於10^-6mm,所以623nm等於623x10^-6mm。

以下是焦距為50mm的例子:

四捨五入,可得出針孔的最佳直徑是0.25mm[11]

光圈值的計算[编辑]

主條目:光圈值

將焦距除以針孔直徑,可得到光圈值。以下是焦距為50mm、針孔直徑為0.25mm的例子:

可得出光圈值為f/200。

暗角的成因[编辑]

針孔與相紙中央的距離近,與相紙四角的距離遠,這種距離上的差異,導致曝光不平均,形成暗角[5][12][13]。特別是廣角型的針孔相機,暗角尤其明顯[10][12]。解決方法之一,是放置相紙的時候,把相紙捲曲成橢圓[13]。這樣,針孔與相紙的中央距離稍遠,與相紙四角的距離近,令相紙的中央和四角的曝光一致[13]

另外,製作針孔的材料越厚,暗角越明顯[9][12]。一些較薄的材料,例如鋁箔,厚度只有0.012mm至0.015mm,比鋁罐(0.15mm)更薄[12]。市面有售的銅片,相對硬身,可以打磨,而且備有不同厚度,可按個人喜好選購[12]

使用減光棒(dodging tool),也可以消除暗角[10][14]。假如用底片拍照,可以在暗房放相的時候,利用減光棒[10]。假如用相紙拍照,可以在拍攝的時候,利用減光棒[14]

畫質的改善[编辑]

使用尺寸較大的感光材料,可以改善畫質。

特性[编辑]

針孔相機的拍攝作例之一,曝光時間為20分鐘。 (Ewan McGregor)

無限景深[编辑]

針孔相機沒有鏡頭,因此不受景深限制,擁有無限景深。不論景物遠近,都有相同的清晰度[1][3][5]。換句話說,用針孔相機拍照,根本不用對焦[1]

長時間曝光[编辑]

由於進光量少,因此需要較長的曝光時間,例如數[5],甚至數十分鐘[1]。為了拍出漂亮的照片,建議使用三腳架,或把針孔相機放在平穩的地方[4]

典型的拍攝題材,除了靜止的物體,還有水的波動、被風吹動的花海、甚至是自拍肖像[4]

眩光[编辑]

用針孔相機拍照,照片容易出現眩光,特別是逆光的時候[15]。解決方法之一,是利用景物來遮擋太陽,例如樹木[15]

自製針孔相機[编辑]

單鏡反光機改裝而成的針孔相機。

針孔相機可以自製。親手製作針孔相機,可以更了解相機的工作原理。製作不透光容器的材料,可以是黑色厚卡紙,也可以是鞋盒、鋁罐[16]、垃圾箱[17]蔬菜[5],甚至是一整棟建築[4]

針孔片的製作[编辑]

一般而言,用來製作針孔片的材料是金屬薄片,例如鋁箔[4][12]。鋁箔厚度只有0.012mm至0.015mm,較其他物料薄[12],可以直接用針刺穿[4],也可以把鋁箔夾在兩塊薄紙板之間,隔著薄紙板用針戳穿鋁箔,戳的時候還要轉動針尖,這樣出來的針孔會比較圓滑[18]。其他常見的材料,還包括銅片和鋁罐[4][12]

用銅片製作針孔片,工序較複雜。先在銅片底下墊一塊紙板,然後用針鑽穿銅片[1]。接下來用砂紙打磨銅片的背面,把凸起的地方磨平,這個步驟非常重要,不能省略[1]。用放大鏡檢查針孔[1][4],好的針孔應該呈圓形[3][18],沒有任何金屬碎屑[4],看起來相當光滑[4]。不光滑的針孔會引起光的衍射,令照片模糊[4]

只要經過適當處理,鋁罐也可用來製作針孔,但過程具有一定危險性。首先,用剪刀把鋁罐的頂部和底部去掉,把罐身裁成長條狀,再剪成大小相同的方形鋁片備用,鋁片邊長20mm。製作針孔前,先用砂紙把鋁片磨薄[19],但要當心,不要把鋁片磨破。在打磨過程中,經常用手指頭輕按鋁片,感受它的厚度變化。當鋁片變得非常薄的時候,就應該停止打磨。

用針尖慢慢的在鋁片上鑽孔,直至出現一個非常細的小孔,千萬不要用力向下壓[19]。同樣用砂紙打磨鋁片背部,用放大鏡檢查針孔[19]。如有需要,可重複鑽孔,直至針孔的大小合乎要求[19]

消光作業[编辑]

容器的內部反射會降低照片的反差[20]。把容器的內部塗黑,或貼上黑色的絨布,可提高照片的反差[20]

相機的組裝[编辑]

先把針孔片貼在不透光容器的內側,再安裝快門[4]。快門可以是一小片黑色膠帶[4],也可以是簡單的活門[21]。茲以黑色膠帶為例。曝光時,掀起黑色膠帶,露出針孔。曝光完成後,再次用黑色膠帶遮蓋針孔。

在正式拍攝前,請檢查相機,確保沒有漏光。

漏光測試[编辑]

檢測漏光的方法,是先把相紙放進相機,塗有感光劑的一面對著針孔[4]。接下來是把相機放在陽光下曝曬,時間為15至20分鐘,但不要打開快門[4]。曝曬其間,每隔一段時間,要轉動相機,讓陽光從不同的角度照片相機的每一面[4]。最後在有安全燈暗房檢查相紙的曝光情況[4]。如果相紙變灰甚至變黑,表示相機漏光[4]

雖然是最笨但可能也是最有效的方法,也就是多拍幾卷(張)底片,將它們沖掃出來,辨認每一幅照片中光線的分佈,來研判漏光的所在位置,確認了之後可以將疑似漏光位置使用黑色膠布補強,再次進行拍攝,重複補強動作,直到拍出來的照片沒有奇怪的光線為止。

應用[编辑]

藝術[编辑]

日照軌跡[编辑]

針孔相機的拍攝作例之二,曝光時間為6個月,記錄太陽的移動軌跡。 (ESO

日照軌跡(Solargraphy)是一種記錄太陽在特定時間內移動軌跡的攝影方法[6][22][23]。拍攝日照軌跡需要很長的曝光時間,通常以為單位,例如6個月[22]。把相紙放進針孔相機,在沒有使用顯影劑的情況下,產生影像[6][24]

值得一題的是,儘管使用黑白相紙,最後獲得的卻是彩色照片[24]。經過6個月的曝光,相紙出現可見的負像。用掃瞄器將影像數碼化,在電腦上用軟件調較色彩平衡反差色相,最終轉化為彩色的正像照片[25]

日照軌跡的概念,源於2000年波蘭一個叫Solaris的小組,這個小組的成員在2000年至2001年期間,率先拍攝日照軌跡照片[26][27]。至2002年,芬蘭藝術家Tarja Trygg在波蘭出席一個國際攝影工作坊的時候,得悉這種攝影的存在。一位攝影師告訴她,在不同緯度的地方,日照軌跡也有不同,激發她的好奇心[26]

為了獲得世界各地的日照軌跡,Tarja Trygg開始尋求別人的協助,最初是她的朋友,然後是任何人,最後成為一項超越國界的計劃,參與者來自世界各地。截至2010年2月,Tarja Trygg已收集到超過500張照片[6]

大型照片[编辑]

使用大型針孔相機,可以拍攝大尺寸的照片。例如,美國攝影師Chris Pinchbeck把一輛旅行拖車,當作針孔相機[4]。他主要在猶他州緬因州拍攝風景照片,照片尺寸為30吋乘75吋[4]。值得一題的是,他的照片是直接正像(Direct positive),每一張都照片是獨一無二,而他當年所用的相紙和藥水現在已經停產。

德國漢堡市,有清潔工人和攝影師攜手進行一項計劃,把1100公升的垃圾箱,改裝成針孔相機[17]。這個名為Trashcam Project的計劃,成員由7名工人和1名攝影師組成,由工人拍攝照片,攝影師僅提供意見及技術支援,例如沖洗照片。

工人把相紙放進相機,再把相機移到拍攝地點,為了更好的拍攝角度,更不惜把相機放在公共燒烤爐上[17]。曝光時間由6分鐘至1小時不等,主要以漢堡市的景物作拍攝對象[17]

香港,有團隊以鋁管和黑色膠袋,製作一部大型針孔相機,高2米,闊3米,深1米,需要逾10人搬運和安裝[3]。相機使用相紙作感光物料,先拍攝負像照片,再以接觸式印相,製作正像的照片[3]。由於使用卷裝黑白相紙,在顯影的時候,還要用自製的顯影盤[3]

用這部相機拍攝的照片,高1.3米,闊2.3米,記錄了香港市區的風貌,游泳池行車天橋和住宅大廈清晰可見[3]。據悉,由拍攝到完成作品,歷時數星期[3]

世界之最[编辑]

根據健力士紀錄,世上最大的針孔相機,高13.71米,闊48.76米,深24.38米,前身為一個飛機倉庫,位於美國加州一座軍事基地[28]。用這部相機拍攝的照片,高9.62米[28],闊33.83米[28],稱為The Great Picture,於2006年7月8日[29]上午11時[30]拍攝,曝光時間為35分鐘[29]。相機的針孔直徑只有6毫米[28]

據悉,是次拍攝為「遺產計劃」(Legacy Project)的一部分,該計劃由6名藝術家主導,透過照片記錄基地的面貌[29]。這座軍事基地自1990年代初關閉後,政客就如何使用這片土地展開連串爭辯,最終決定發展成一個公園,但仍無法改變基地荒廢的事實[29]

攝影課程導師Jerry Burchfield和他的學生,決定到基地外圍拍照[29]。後來,藝術家Clayton Spada由中國回到美國,他建議把基地的其中一棟荒廢設施,改建成巨型針孔相機[29]。值得一題的是,這位藝術家在中國的時候,曾指導當地的學生拍攝大型照片[29]

從2004年到2006年,團隊與美國政府談判,爭取基地設施的使用權[29]。經過歷時數月的準備,終於在2006年7月8日[29]早上11時[30]拍攝照片。由於拍攝機會只有一次,團隊在數天前進行多次試拍,決定曝光時間為35分鐘[29]

照片的沖洗同樣工程浩大。一共有60名志願者參與照片的沖洗,他們只能在鈉燈的照明下工作,即使是手機發出的光,也足以令照片起霧[30]。他們使用了逾千加侖的顯影劑和定影劑,洗水的過程還出動了消防喉。而照片本身是一塊特製的棉布,從德國進口[30],由拍攝者以人手方式塗上明膠鹵化銀乳劑[31]。照片曾在加州多地展出,並於2011年3月在北京中央美術學院展出[31]

科學[编辑]

拍攝核試[编辑]

據悉,洛斯阿拉莫斯實驗室科學家用針孔相機,拍攝1945年7月16日的一次核試[32][33]

全球針孔攝影日[编辑]

全球針孔攝影日(Worldwide Pinhole Photography Day)是一個國際性的節日,於每年四月最後一個星期天舉行[34],以推廣及慶祝針孔攝影為宗旨[34]

備註[编辑]

參考資料[编辑]

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延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]