构建您自己的针孔摄像机

将图像投影到屏幕上的最简单方法是用针孔。针孔到底是什么？这个洞太小了，必须用大头针才能钻出来。你看，科学并没有那么难。

几百年来，人们一直在用这种技巧制作图像观看者；它最初被称为暗箱，意思是“暗室”。这个想法是，你让一些人呆在一个黑暗的房间里，而房间外面只有一个很小的洞敞开着。这看起来很神奇，但从那个洞出来的光线会把外面世界的图像投射到房间的一面墙上。

当然，后来，如果你不想呆在黑暗的房间里，你可以用化学胶片代替人，然后砰的一声：你有了一个针孔相机。今天我将更进一步，做一个针孔摄像机。你也能做到的！我在这篇文章的末尾有一段视频，它将向你展示如何使用你家里的基本材料。

但首先，这一切是如何运作的？让我们从一些简单的实验开始找出答案。

事实上，让我们回到最简单的情况。如果我在障碍物前面有一个针孔的点光源，会发生什么？下面是一个图表：

大多数光线朝不同的方向发出，并在其他一些博客帖子中有自己的故事。他们中的一些人撞到了障碍物，反弹了，或者被吸收了。但是，有几个正好以正确的角度穿过这个洞，到达了观看屏幕。然后这些光线从屏幕上反射出来，给人一种亮点的感觉。

现在让我们更上一层楼。如果我有两盏灯呢？假设我把一盏橙色的灯放在绿灯的上方，相距约6英寸。屏幕上会出现什么？这并不是很难设置。我用胶带把两个LED绑在铅笔的末端，并用纽扣电池把它们点亮：

现在我可以把它举到洞里，看看它后面的屏幕上显示了什么。

我真的很惊讶这张照片拍得这么好。我把功劳归功于iPhone摄像头在暗光下的表现。但是为什么现在的颜色反转了，屏幕上的绿色斑点在橙色斑点之上呢？用一张简单的光线图就可以很容易地看到：

因为顶部的橙色光只能单向穿过这个洞，所以唯一的选择就是让它的光斑在底部。绿灯时反之亦然。现在安全了吗？

好的，这样怎么样：如果第一个洞旁边有第二个更大的洞呢-并排。在橙色和绿色的灯光下，您会在屏幕上看到什么图案？你去找个地方得出你的答案吧，我会等的。同时，这是一张设置的图片：

我用一块铝箔装在一些硬纸板上。箔片很漂亮，因为它很容易在上面打洞，而且洞的边缘很干净。那么让我们看看吧。这是我在屏幕上看到的：

哦，但是大点在右边，就像大洞在右边一样。为什么它们不像颜色一样反转呢？下一张图应该会清楚地说明这一点。这是一个从上方看的视图，只显示了屏幕上的绿灯和绿点：

惊喜！我没有画光线。取而代之的是，我做了一些光锥。因为这些洞并不是无限小的，所以有很多光线可以通过。光锥表示所有这些光线。

好的，再来一个--三个洞怎么样？我不打算解释这件事，但我想你可以画一张图表。

这一切和针孔相机有什么关系？假设你有一个人站在明亮的阳光下，而不是两个LED。光线照射到他们身上，向各个不同的方向反射。但其中一些会穿过这个洞。从他们头部发出的光线会穿过屏幕，并在屏幕底部形成一个斑点。他们脚上的光会在顶部留下一个斑点。以此类推，它们身体的其余部分也是如此。把所有这些放在一起，你就会有一个颠倒的人的形象。

诚然，这是一幅非常暗淡的画面。如果有任何其他光线渗入你的设备，你甚至无法看到图像。为什么这么暗呢？因为这个洞太小了--只有一小部分人发出的光能照到屏幕上。

你就不能用一个更大的洞吗？是的，但是图像会很模糊。要了解原因，请回过头来看看这张图，图中的LED通过两个孔发光：较大的孔形成了一个较大的斑点。如果你有一个由100个彩色LED组成的人(这将既奇怪又酷)穿过一个大洞，屏幕上就会有100个大斑点，所有的斑点都相互重叠。微小的针孔投射出微小的斑点，因此我们得到了更高分辨率的图像。

现在，有一个问题：在现代相机中，针孔和镜头有什么不同？如果你想知道镜头或镜子是如何拍出可以记录在胶片或传感器上的真实图像的，看看这篇较旧的帖子吧。但从根本上说，透镜会弯曲来自光源的光线，使光线会聚在特定的点上，在该点形成相干图像。

所以，由镜头形成的图像有两个很大的不同之处。首先，孔(或孔径)可以比针孔大得多。真的，你可以随心所欲地把它做大或小。这个更大的尺寸意味着镜头可以收集更多的光，形成更明亮的图像。你甚至不需要在黑暗的房间里才能看到它。

其次，镜头只在特定位置形成图像。图像的位置取决于镜头的属性(焦距)和物体到镜头的距离。这意味着您的屏幕必须位于图像所在的位置，才能看到任何内容。有了针孔，屏幕可以放在任何地方。如果你把屏幕移到离洞更远的地方，你会得到一个更大(和更暗)的图像。

这是一个很好的例子，一个天然的针孔，它的屏幕很远，可以拍出很大的图像。看看这个：

这些新月基本上是2017年日食期间太阳的针孔投影，当时太阳基本上被月球遮挡住了。这些洞是由头顶上的一棵树的叶子上的微小缝隙形成的。虽然太阳从地球上看起来非常小，角度大小只有0.5度(注意：永远不要看太阳，你这个傻瓜)，但由于针孔到地面的距离，这些图像相当大。这是相当酷的。

你可以自己做针孔相机。这很容易。只要找一个有一个小孔的盒子，这样它就能在盒子的内壁上投射出一个图像。然后你需要做一些类型的观察孔，这样你就可以偷看里面的图像了。你必须小心观察孔，因为如果你让任何额外的光线进入，它会冲刷掉模糊的针孔图像。

但是等等！有一个更好的方法来做这件事。你可以把你的手机放在盒子里，这样它就可以指向屏幕，而不是切第二个洞。事实上，为什么要止步于静止图像呢？您可以使用此设置来制作针孔摄像机。这是视频的样子--这是我(上下颠倒)挥手的样子：

不，图像质量不是很好。是的，我意识到我可以用我的手机拍摄视频，而不是把它放进盒子里。但是这有什么意思呢？老实说，当你困在家里的时候，这对你来说是一个很棒的项目。在这段视频中，我向你展示如何建造一座你自己的房子--只需要5分钟--你还可以有偿参观我的后院。

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