相机能不能不要镜头，直接让感光元件对着物体拍？为什么一定要有个镜头？

对于“成像”而言，镜头并不是必需的。

无论是无限远还是近距离，被成像的物体往往都可以看做是一个二维的强度分布^[1]，而成像就是在像方生成一个物方信息类似的二维强度分布。只要这两者足够相似，我们就能够通过像方记录下来的信息推知物方的相关信息。

在这个过程中，镜头并不是必须的，任何能够满足上面这一过程的元件都可以充当镜头的角色。

最典型的莫过于小孔相机，它通过限制入射到像面的光线角度，从而在像方上形成与物方相似的图像。理想情况下，对于像方上的每一个点，它的信息都唯一来自它与小孔连线延长后与物方相交的点，从而使得物像上各点的信息一一对应。

虽然小孔相机模型看起来很像教科书上的“理想模型”，但实际成像还是“可用”的。

当然有的小伙伴非常严格，他们说小孔也是一个额外的组件，有没有把这个组件也去掉的方式？

在摄影领域我还没有见过非常类似的技术^[2]，但是在微纳光学中掩膜曝光可以算是把小孔这个“中间商”都干掉的成像方式。

掩膜版和光刻胶之间的距离很小，通过光源照射掩膜版，掩膜版上的图案就会转移到光刻胶层中。在这个过程中，掩膜版就是“物”，光刻胶则是“像”，当两者紧贴在一起的时候，光刻胶上接收到的像与掩膜版的原始调制也是“相似”的。

从上面这两个例子就可以回答题主的第一个问题，对于成像过程，镜头不是必须的。

但是为什么我们大多数时候还是采用镜头去成像呢？答案是效率问题。

对于小孔相机来说，它的进光量极小。从直观体验的角度说，拍摄午后的外景都需要使用三脚架；从光学参数的角度说，它的F数可能在80甚至上百的量级^[3]。大家只是偶尔追求“慢拍”，但不能只是“慢拍”。

镜头扮演的作用相当于“扩大”了小孔相机的孔径大小，我们不再只能收集一“根”光线，而是能够收集一“束”光线。对于常见的消费级镜头而言，现在的F数可以做到相当高的水平，例如F1.2，甚至F0.95。即使是在夜里，有的时候我们都可以采用手持拍摄，无需使用三脚架去延长快门时间。

当然，除了小孔和镜头这两种成像方式，还会有一些介于两者之间的中间态，例如日立在2016年推出的无透镜成像技术^[4]。

这一类成像方式通常是借用了特定形状的调制元件，一方面它的通光孔径比小孔大，另一方面经过这类元件后的光场并不是上面提到的自由发散形成的纯粹模糊，而是一种被调制的模糊。由于我们知道调制元件上的信息，例如上面图案的分布，因而可推算它们对任意入射信号的调制过程。调制过程可知，调制结果（我们采集到的“模糊”图像）也可知，那么理论上我们可以反推出入射光场，其实就是物方信息。

这类系统相当于把光学系统的一部分工作转移到图像处理环节，可以简化光学部分的构成。不过要说直接push到“无”透镜这种级别，我认为对于实际应用来说还是过于激进了，这也是生活中往往见不到类似产品的缘故。更多的是中间状态：70分的镜头+70分的算法去媲美90分镜头的效果。

最后，关于小孔相机模型和单透镜模型，我在之前的知乎文章中也做了一些介绍，感兴趣的小伙伴也可以阅读。