Camera obscura

thumb|Diese Bauform der Camera obscura wurde im 18. Jahrhundert als Skizzierinstrument genutzt. Mit einem Blatt Papier auf der Glasscheibe konnte das betrachtete Objekt direkt kopiert werden.

Die Camera Obscura (lat. Camera - Kammer; obscura - dunkel) oder auch Lochkamera ist eine dunkle Kammer oder Schachtel, in die durch ein kleines Loch Licht hineinfallen kann. Auf der dem Loch gegenüberliegenden Seite entsteht ein spiegelverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Abbild. Diese Projektion kann betrachtet oder aufgezeichnet werden.

Inhaltsverzeichnis
1 Funktionsweise
2 Geometrie
3 Geschichte
4 Beispiele
5 Bauanleitung
6 Bekannte Einrichtungen
7 Siehe auch
8 Literatur
9 Weblinks

Funktionsweise

thumb|Funktionsweise einer Lochkamera Ähnlich einer optischen Linse erzeugt ein kleines Loch auf einer Projektionsfläche ein Abbild von angestrahlten Gegenständen. Die Schemazeichung rechts zeigt exemplarisch zwei Strahlenbündel, die von zwei Punkten eines Gegenstands in das Loch eintreten. Der kleine Durchmesser der Blende beschränkt die Bündel auf einen kleinen Öffnungswinkel und verhindert die vollständige Überlappung der Lichtstrahlen. Strahlen vom oberen Bereich eines Gegenstands fallen auf den unteren Rand der Projektionsfläche, Strahlen vom unteren Bereich werden nach oben weitergeleitet. Jeder Punkt des Gegenstands wird als Scheibchen auf der Projektionsfläche abgebildet. Die Überlagerung der Scheibchenbilder erzeugt ein verzeichnungsfreies Bild, dessen Schärfe vom Abstand des Gegenstands und der Form der Blende abhängt. Mathematisch ausgedrückt ist das Bild das Ergebnis einer Faltung aus idealer Abbildung des Gegenstands mit der Blendefläche.

Das Bild ist sehr lichtschwach und es kann nur bei ausreichender Abdunkelung der Umgebung beobachtet werden. Dies geschieht zum Beispiel durch ein Tuch, das das Umgebungslicht außerhalb der halbtransparenten Rückwand abhält. Oder der Beobachter begibt sich selbst in die Kammer, wobei die Adaption (Auge) des Auges an die Dunkelheit die Beobachtung erleichtert.

Der Abstand der Projektionsfläche zur Öffnung bestimmt die Brennweite f. Der Quotient f/D definiert, wie bei einem Objektiv, die Blendenzahl. Je kleiner sie ist, desto lichtstärker ist das Objektiv. Eine Kammer von f=100 mm Größe mit einem D=0.5 mm großen Loch hat folglich eine Blendenzahl von 200. Eine Vergrößerung des Lochs auf 1 mm verringert die Blendenzahl auf 100. Die Belichtungszeit verringert sich um den Faktor 25. Zum Vergleich: ein Kleinbild-Kameraobjektiv besitzt eine Blende von 2-3.

Je kleiner der Lochdurchmesser D ist, desto kleiner sind die Strahlenbündel, umso schärfer erscheint die Abbildung. Der Grenzwert für D ist erreicht, wenn das Loch die Größenordnung der Strahlungs-Wellenlänge erreicht (siehe unten). Die Beugungserscheinungen setzen bei Licht bei ca. 0.5μm ein.

Lochblenden werden als abbildende Linsen für Röntgenstrahlung eingesetzt. Denn, anders als für Licht, gibt es für diese kurzwellige Strahlung keine Materialien mit geeignetem Brechungsindex, aus dem sich Linsen herstellen ließen.

Geometrie

thumb|Abbildungsgeometrie der Lochkamera Die Lochgröße bestimmt die Schärfe der Abbildung. Aus der Strahlengeometrie folgt (siehe Skizze):

(1) B(D)= \frac{D(f+g)}{g}
mit B: Bildgröße eines Objektpunkts; f: Bildweite (Brennweite); g: Gegenstandsweite; D: Lochdurchmesser

Beugungserscheinungen an der Lochblende setzen der klassischen Betrachtungsweise Grenzen. Für Lichtbeugung gilt vereinfacht:

(2) B(D) = c \frac{f}{D}
mit c= const = 1 µm

Nach der strahlenoptischen Betrachtung nimmt die Bildgröße eines Lichtpunkts linear mit der Blendengröße ab. Die Lichtbeugung zeigt ein umgekehrtes Verhalten. Die Bildgröße verhält sich umgekehrt proportional zum Lochdurchmesser. Der optimale Durchmesser D(f) ist der Wert, für den die Gleichungen (1) und (2) den kleinsten Wert liefern. Die Extremwertsuche liefert:

D = \sqrt{c \cdot \frac{fg}{f+g}}
D \approx \sqrt{c \cdot f}; für g>>f
D \approx \sqrt{f} \mbox{ } für D in Millimeter, wenn f in Meter

Der optimale Durchmesser ist ein wenig kleiner als die innere Zone einer Fresnel-Zonenplatte.


Beispiele:

Geschichte

thumb|Camera Obscura

Pseudo-Aristoteles beschrieb in der apokryphen Schrift Problemata physica zum ersten Mal die Erzeugung eines auf dem Kopf stehenden Bildes, wenn das Licht durch ein kleines Loch in einen dunklen Raum fällt. Vom Ende des 13. Jahrhundert an wurde die Camera Obscura von Astronomen zur Beobachtung von Sonnenflecken und Sonnenfinsternissen benutzt, um nicht mit bloßem Auge in das helle Licht der Sonne blicken zu müssen. Roger Bacon baute für Sonnenbeobachtungen die ersten Apparate in Form einer Camera Obscura. Leonardo da Vinci untersuchte den Strahlengang und stellte fest, dass dieses Prinzip in der Natur beim Auge wieder zu finden ist.

Nachdem es im Mittelalter gelang, Linsen zu schleifen, ersetzte man das kleine Loch durch eine größere Linse. Diese verbesserte Kamera beschrieb 1568 der Venezianer Daniele Barbaro in seinem Werk La pratica della prospeltiva. Ein solches Gerät scheint auch Johannes Kepler bekannt gewesen zu sein.

[[Bild:Vermeer ansichtvondelft part.jpg|thumb|right|Ausschnitt aus Ansicht von Delft von Vermeer]] Im Jahre 1686 konstruierte Johannes Zahn eine transportable Camera Obscura. Ein Spiegel, der im Winkel von 45 Grad zur Linse im Inneren der Kamera angebracht war, projizierte das Bild nach oben auf eine Mattscheibe und konnte so bequem abgezeichnet werden. Deshalb wurde die Camera Obscura von Malern vor der Fotografie gern als Zeichenhilfe genutzt. Man konnte in ihr die Landschaft auf Papier abmalen und dabei alle Proportionen richtig wiedergeben. Bekanntestes Beispiel ist der Maler Canaletto mit seinen berühmten Gemälden von Dresden und Warschau.

Möglicherweise benutzte bereits der Maler Johannes Vermeer eine Camera Obscura, was den Detailreichtum seiner Werke erklären würde. Der Ausschnitt rechts aus seinem Landschaftsgemälde Ansicht von Delft zeigt entfernte Hausdächer. Deren komplizierte Geometrie konnte der Maler unmöglich dadurch erfassen, dass er näher an die Gebäude herantrat. Wäre er ausschließlich seiner Intuition gefolgt, hätte er wahrscheinlich einen anschaulicheren Bildaufbau gewählt.

Beispiele

thumb|left|Foto, aufgenommen mit einer Lochkamera. Lochkameras lassen sich aus Getränke- oder Keksdosen bauen, aber auch Wassertonnen oder Baucontainer werden als Kamera verwendet. Das Foto links wurde mit einer Lochkamera gemacht, deren Gehäuse aus Zement bestand.

thumb|180px|right|Spalte im Korbgeflecht erzeugen Sonnenbildchen links an der Wand. Auch im Alltag beobachtet man Abbildungen an kleinen Öffnungen. Das Bild rechts zeigt einen Korbstuhl, der seitlich von der Sonne beschienen wird und links an der Wand einen Schatten wirft. Die engen Spalte des Korbgeflechts erzeugen Lichtmuster auf der Wand in Form runder Scheibchen einheitlicher Größe. Hierbei handelt es sich um Abbilder der kreisförmigen Sonne, nicht etwa um Umrisse des Geflechts.

Ähnliches beobachtet man im Wald, wenn Zwischenräume in dichtem Blattwerk die Sonne auf dem Boden als verschwommene Kreisscheiben abbilden.


Bauanleitung

Interessierte ohne fotografisches Vorwissen sei die folgende Gebrauchsanweisung empfohlen:

Man nimmt für den Bau einer Camera obscura am besten eine Keksdose, denn diese haben den Vorteil, lichtdicht zu schließen. Die Dose wird innen mit mattem Lack (z.B. Spraylack) schwarz gefärbt, um Lichtreflektionen zu vermeiden. Notfalls kann die Dose auch mit schwarzem Karton innen verkleidet werden. Wichtig ist auf jeden Fall, dass die Dose (wie jede andere Kamera auch) innen mattschwarz ist. Um das Loch in dem Dosenboden möglichst ideal zu gestalten, hat sich folgende Technik bewährt: Genau in die Mitte des Bodens schlägt man von innen mit Hammer und Nagel eine kleine, spitze Beule. Die Dose nicht durchschlagen ! Wenn man jetzt die Dose von aussen betrachtet, sieht man die Beule im Blech hervorstehen. Nun wird über diese Stelle gefeilt, bis ein Loch von ca. 1/2 - 1 Millimeter Durchmesser sichtbar wird. Der Lochrand wird auf diese Weise sehr scharf. Die Feilränder werden mit Hilfe eines Filzmarkers ebenfalls schwarz eingefärbt. Als "Verschluss" dient ein Stück schwarzes Isolierband, fertig ist die Camera Obscura.

Der Deckel der Keksdose bildet eine gute Halterungsmöglichkeit für das Aufnahmematerial. Aus Kosten- und Verarbeitungsgründen verwendet man keinen Film, sondern normales Fotopapier, welches durchaus brauchbare Negative liefert. Das Papier wird in Größe des Deckels rund geschnitten und im ihm so festgeklebt, dass es nach der Belichtung ohne Schwierigkeiten wieder abgelöst werden kann. Hierfür haben sich die doppelseitigen Klebebänder für den Grafikbedarf bewährt. Beim Kauf des Fotopapiers sollte folgendes beachtet werden: PE - Papiere mit weicher Gradation verwenden, keine sogenannten "Multigrade" Papiere kaufen (sie sind für diesen Zweck nicht so gut geeignet) und darauf achten, daß kein Firmenaufdruck auf der Rückseite des Papiers vorhanden ist. Letzterer Punkt ist auf keinen Fall zu vernachlässigen, denn die Camera obscura Negative werden mittels "Kontaktkopie" weiterverarbeitet. Dies bedeutet, daß die Papiernegative mit Hilfe einer starken Lichtquelle (Schreibtischlampe, Vergrößerer) auf ein darunter liegendes zweites Blatt Fotopapier übertragen werden. Ein Firmenaufdruck auf der Papierrückseite würde zwangsläufig mit auf das positive Bild durchbelichtet werden und erheblich stören. Sicherheitshalber kann die Deckelkante der "geladenen" Keksdose noch mit Isolierband lichtdicht verklebt werden.

Die richtige Belichtungszeit kann zuerst nur per Versuch herausgefunden werden. Fotopapier ist relativ schwachempfindlich und das Loch lässt nur äußerst wenig Licht in die Kamera; so kann selbst bei hellem Sonnenlicht die Belichtungszeit 30 Sekunden und länger betragen. Wer einen Handbelichtungsmesser hat, kann seine Testreihen genau analysieren, nach einigen Versuchen gelingt die richtige Belichtungszeitwahl aber auch nach Gefühl.

Das Negativ wird im Fotolabor wie ein normales Blatt Fotopapier verarbeitet und getrocknet. Es wird nun, wie oben beschrieben, einfach auf ein zweites Blatt Fotopapier gelegt, mit einer sauberen Glasscheibe beschwert und durchbelichtet. Es ist darauf zu achten, dass die Schicht des Negativs auf der Schichtseite des Fotopapiers liegt und dass es beim Kontaktkopieren fest angedrückt ist, sonst entstehen Unschärfen. Auch hier gilt es, durch Tests die richtige Belichtungszeit zu finden. Das Positiv wird nun fotochemisch genauso verarbeitet wie das Negativ. Die langen Belichtungszeiten erfordern einen festen Stand der Kamera. Sie sollte während der Aufnahme nicht bewegt werden. Bewegte Dinge "verschwinden" dafür auf dem Bild: Fahrende Autos hinterlassen keine sichtbaren Spuren und im Wind wankende Bäume werden völlig unscharf abgebildet. Gerade dies verleiht den Lochkameraaufnahmen ihren besonderen Reiz. Interessant ist ebenfalls, dass die Bilder eine aussergewöhnlich hohe Schärfentiefe haben. Das heißt, die abgebildeten Gegenstände haben nahezu dieselbe Schärfe, egal ob sie ganz nah oder weit entfernt von dem aufnehmenden Loch waren. Handelsübliche Apparate mit Blendenzahlen von bis zu 25 sind weit von den Werten 100-200 entfernt, die mit einer Camera obscura möglich sind.

Bekannte Einrichtungen

Siehe auch

Literatur

Deutschsprachig:

Englischsprachig:

Weblinks

Dieser Artikel bedarf einer Überarbeitung. Eine Begründung befindet sich in der Regel auf der Diskussionsseite. Wenn du Lust hast, verbessere den Artikel und entferne anschließend diesen Baustein.

See also: Camera obscura, 1552, 1568, 1686, 1852, 1883, 1980, 1983, 1985