Eine Lochkamera ist das einfachste Gerät, mit dem sich optische Abbildungen erzeugen lassen. Sie benötigt dafür keine optische Linse, sondern nur eine dunkle Zelle (eine camera obscura), eine kleine Öffnung in dieser Zelle und eine Abschirmung, um das entstandene reelle Bild zu betrachten.
Funktionsweise
Ein kleines Loch auf einer Projektionsfläche erzeugt eine Abbildung von Gegenständen, die Licht reflektieren oder selbst leuchten. Die Zeichnung rechts zeigt zwei Strahlenbündel, die von zwei Punkten eines Gegenstands in das Loch eintreten. Der kleine Durchmesser der Blende beschränkt die Bündel auf eine kleine Öffnung und verhindert die vollständige Überlappung der Lichtstrahlen. Strahlen vom oberen Bereich eines Gegenstands fallen auf den unteren Rand der Projektionsfläche, Strahlen vom unteren Bereich erreichen den oberen Rand. Jeder Punkt des Gegenstands wird als Scheibchen auf der Projektionsfläche abgebildet. Die Überlagerung der Scheibchenbilder erzeugt ein verzeichnungsfreies Bild. Mathematisch ausgedrückt ist das Bild das Ergebnis einer Faltung aus idealer Abbildung des Gegenstands mit der Blendefläche. In der rein theoretischen Betrachtung ist die Lochkamera das Ideal einer Kamera.
Abbildungsgeometrie einer Lochkamera
Zerstreuungskreise
Je kleiner der Lochdurchmesser D und je grösser die Entfernung g des abzubildendenden Objekts zum Loch ist, desto kleiner sind die Zerstreuungskreise. Für die Größe S der Zerstreuungskreise gilt dabei
- . Bei sehr grossen Entfernungen vereinfacht sich der Ausdruck zu .
Um ein hinreichend scharfes Bild zu erhalten darf der Zerstreuungskreisdurchmesser eine gewisse Größe nicht überschreiten (siehe Schärfentiefe). Der genaue Wert dieses maximal zulässigen Zerstreuungskreisdurchmessers ist abhängig von der anschliessenden Vergrösserung des Bildes und vom Betrachtungsabstand. In der fotografischen Praxis geht man oft von einem Zerstreuungskreisdurchmesser von aus; entspricht dabei der diagonalen Ausdehnung des Aufnahmeformates.
Die Wellenlänge des Lichts bildet eine unter Grenze für den Lochdurchmesser D. Beugungserscheinungen treten bei allen Wellenlängen auf. Rot wird etwas stärker als Blau gebeugt.
Bildgröße
Bezeichnet G die Gegenstandshöhe ( = tatsächliche Größe des betrachteten Gegenstandes), g die Gegenstandsweite (= Abstand des Gegenstandes von der Lochscheibe), b die Bildweite (= Abstand von der Lochscheibe zur Mattscheibe) und B die Bildhöhe (= Höhe des erzeugten Bildes auf der Mattscheibe), so gilt:
Diese Gleichung ist aus der geometrischen Optik auch als 1. Linsengleichung bekannt, sie gilt in gleicher Weise für fokussierende Kameras. Die Bildgröße hängt also nur von den Abständen ab, nicht jedoch von der Blendengröße bzw. Lochgröße.
Anwendungen
Im Alltag beobachtet man zuweilen 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 (sogenannte Sonnentaler). Wer den Grund dafür nicht kennt, ist dann sehr überrascht, dass bei einer partiellen Sonnenfinsternis diese Sonnentaler als „Halbmöndchen“ erscheinen.
Auch werden Lochblenden als abbildende Linsen für Röntgenstrahlung eingesetzt. Denn, anders als für sichtbares Licht, gibt es für diese kurzwellige Strahlung keine Materialien mit geeigneter Brechzahl, aus denen sich Linsen herstellen ließen.
Auswirkungen der Lichtbeugung
Beugungserscheinungen an der Lochblende setzen der klassischen Betrachtungsweise Grenzen. Der Durchmesser S des Unschärfeflecks vergrößert sich dadurch um den Durchmesser ΔS des Beugungsscheibchens. Für diesen gilt vereinfacht:
. Dabei ist c eine Konstante, die hier mit ≈ 1 µm angenommen werden kann.
Nach der strahlenoptischen Betrachtung nimmt die Größe des Unschärfeflecks linear mit der Blendengröße ab (siehe oben). Die Lichtbeugung zeigt ein umgekehrtes Verhalten: Die Unschärfe verhält sich umgekehrt proportional zum Lochdurchmesser. Der optimale Durchmesser Dopt ist der Wert, für den beide zusammen am kleinsten sind. Die Extremwertsuche liefert:
- Für g>>b gilt die Näherung: .
- Mit c = 1 µm liefert die Formel den Wert für Dopt in Millimeter, wenn b in Meter eingesetzt wird.
Der optimale Durchmesser ist damit ein wenig kleiner als die innere Zone einer Fresnel-Zonenplatte.
Beispiele:
| Bildweite b (Länge der Lochkamera) | Optimale Blendenöffnung Dopt für weit entfernte Objekte | Größe des Unschärfeflecks S für unendlich entfernte Objekte | Blendenzahl b/D |
|---|---|---|---|
| 1 cm | 0,1 mm | 0,11 mm | 100 |
| 10 cm | 0,32 mm | 0,63 mm | 312 |
| 1 m | 1 mm | 2 mm | 1000 |
| 10 m | 3,2 mm | 6,3 mm | 3100 |
Die „Optimierung“ bezieht sich hierbei ausschließlich auf die Bildschärfe! Die Lichtstärke dieser Kameras (abzulesen an der Blendenzahl in der letzten Spalte) ist sehr gering. Bei Belichtung auf Filmmaterial ist selbst bei hellem Sonnenschein der Schwarzschildeffekt zu berücksichtigen!
Vergleich zur fokussierenden Kamera
Im Vergleich zu denen einer fokussierenden Kamera sind die Bilder einer Lochkamera in der Regel unschärfer, da das Loch wegen der Lichtstärke und wegen der Lichtstreuung nicht beliebig klein gewählt werden kann. Bei großen Bildweiten (starken Vergrößerungen) lässt sich mit einer die Lochkamera jedoch ein besseres Auflösungsvermögen erreichen als mit einer fokussierende Kamera mit kurzer Brennweite. Außerdem sind ihre Bilder frei von Verzeichnungen und Farbsäumen
Schließlich ist zu beachten, dass bei einer fokussierenden Kamera bei einer gegebenen Fokussierung immer nur die Gegenstände in einer bestimmten Gegenstandsweite scharf abgebildet werden. Je nach der Blendenzahl nimmt die Schärfentiefe für davor oder dahinter liegende Gegenstände rasch ab. Dies ist jedoch nicht auf die Eigenschaften einer linsenlosen Kamera (Lochkamera) oder einer linsenbehafteten Kamera (in diesem Fall fokussierenden Kamera) zurück zu führen, sondern beruht auf dem (optischen Gesetz) Zerstreuungskreis.
Experimente
Das Funktionsprinzip einer Lochkamera sowie die Lichtausbreitung lassen sich gut mit einfachen, auch für Kinder geeigneten Experimenten verdeutlichen. Lochkameras lassen sich aus Streichholzschachteln, Getränke- oder Keksdosen bauen - aber selbst Wassertonnen oder Baucontainer kommen in Frage.
Zum Beispiel kann eine Kiste oder Dose innen matt geschwärzt und an einer Seite mit einem 0,2…1 mm großen Loch versehen werden. Ist die Lochkamera zum Betrachten von Bildern gedacht, so ist die Rückseite eine Mattscheibe (Transparentpapier), die durch eine Röhre oder ein Tuch vor Streulicht geschützt ist.
Man kann mit einem solchen Behälter aber auch wirklich fotografieren. Dazu wird bei absoluter Dunkelheit ein Film oder anderes lichtempfindliches Material auf der dem Loch gegenüberliegenden Innenwand fixiert und das Loch dann dicht verschlossen. Anschließend wird bei Helligkeit das Motiv gewählt, der Verschluss geöffnet und nach Ende der Belichtungszeit wieder verschlossen. Die Dauer der Belichtung ist (wie bei der herkömmlichen Fotografie) von vielen Faktoren abhängig: der vorhandenen Lichtintensität, der Größe des Lochs, der Länge des Lichtweges und der Bewegung des Motivs; sie kann zwischen 1 Sekunde und mehreren Minuten betragen. Bei der Entwicklung des Films entsteht ein Negativ, das ggf. durch eine Kontaktkopie zu einem Positiv verarbeitet werden kann. Für ein gutes Ergebnis ist eine exakte Rundung des Lochs wichtig. Ausgefranste Lochränder verstärken die oben beschriebene Lichtbeugung und führen zu unscharfen Bildern. Da bei größeren Bildwinkeln die Ränder des Negativs deutlich weniger Licht erhalten, bleiben sie (bei gleicher Helligkeit des Objektes) heller; das Positiv wird am Rande also dunkler. Wenn dieser Vignetteneffekt unerwünscht ist, muss man beim Umkopieren durch manuelles Abwedeln für eine gleichmäßige Belichtung sorgen.
Eine weitere Möglichkeit, sich eine Lochkamera selbst zu schaffen, besteht im einfachen Umbau eines analogen Fotoapparates. Dieser muß dazu lediglich über eine Wechseloptik verfügen, damit man das Objektiv vollständig entfernen kann, sowie eine Auslösemöglichkeit, bei der der Verschluss sich beliebig lange offenhalten lässt. Die Optik wird entfernt und durch eine Blindkappe ersetzt, die mit einer entsprechenden Bohrung versehen wird. Optimal ist ein kleiner Vorsatzhalter für verschiedene Lochblenden. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, dass man mehr als nur „einen Schuss“ hat und den eingelegten Film (schwarz/weiß oder farbig) hinterher zum Entwickeln abgeben kann, also keine Dunkelkammer oder sonstiges Zubehör benötigt.
künstlerische Aspekte
Bestimmte Eigenschaften der Lochkamera-Fotografie haben Künstler schon immer fasziniert. Dazu gehört in erster Linie die grafisch-flächige Wirkung solcher Fotografien: durch die gleichmässig über das Bild verteilte Schärfentiefe tritt die räumliche Wahrnehmung des Objekts zurück - alles "wirkt wie gezeichnet". Ein weiterer Aspekt ist die Tatsache, dass sich schnell durch das Bild bewegende Objekte bei langen Belichtungszeiten nicht mehr auf dem Foto wiederfinden: es ist somit z. B. möglich, den Markusplatz in Venedig oder den Stachus in München völlig ohne Menschen oder Fahrzeuge abzulichten. Andererseits ergibt sich aus dieser Tatsache, dass eine Landschaftsaufnahme möglichst bei völliger Windstille erfolgen muss, wenn man keine Verwischungen in den Ästen der Bäume haben will. Der Effekt der Mehrfachbelichtung kann jedoch gerade bei Portrait-Aufnahmen gewünscht sein; es verleiht diesen Aufnahmen eine besondere Lebendigkeit.
Literatur
deutsch
- Thomas Bachler: Arbeiten mit der Camera obscura, Lindemanns 2001, ISBN 3895062227
- Reinhard Merz und Dieter Findeisen: Fotografieren mit der selbstgebauten Lochkamera, Augustus Verlag, Augsburg, 1997, ISBN 3-8043-5112-3
- Peter Olpe: Die Lochkamera - Funktion und Selbstbau, Lindemanns Verlag, Stuttgart 1995, ISBN 3-928126-62-8 und Lochkamera. Lindemanns 2001. ISBN 3895061727
- Ulrich Clamor Schmidt-Ploch. Die Lochkamera. Abbildungsoptimierung. Physikalische Hintergründe. BoD GmbH, Norderstedt 2001. ISBN 3831112614
- Karen Stuke: "Die Trilogie der schönen Zeit, oder: Warten macht mir nichts aus!" Camera obscura-Fotografien, Edition Beaugrand Kulturkonzepte, Verlag für Druckgrafik Hans Gieselmann, Bielefeld 2007 (ISBN 978-3-923830-63-3, 64 Seiten) Texte von Andreas Beaugrand und Gottfried Jäger.
englisch
- John Warren Oakes: Minimal Aperture Photography Using Pinhole Cameras, ISBN 0819153702 & 0819153699
Bauanleitungen
Weblinks
- Lochkamera.ch - Camera Obscura und Lochkamera Portal - Portal mit Blog und Forum zur Camera Obscura und Lochkamera