Lochkamera


Lochkamera

Eine Lochkamera ist das einfachste Gerät, um optische Abbildungen zu erzeugen. Sie benötigt dafür keine optische Linse, sondern nur eine dunkle Zelle (eine camera obscura), mit einer kleinen, verschließbaren Öffnung in der Frontwand dieser Zelle. Das auf der gegenüberliegenden Innenseite entstehende reelle Bild lässt sich auf lichtempfindlichem Material (Fotopapier oder Film) oder über einen elektronischen Bildwandler (Bildsensor) festhalten.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

Funktionsweise einer Lochkamera

Das Prinzip der Lochkamera besteht in der Abbildung leuchtender oder beleuchteter Gegenstände dadurch, dass durch die Lochblende nahezu alle Lichtstrahlen, bis auf ein möglichst kleines Bündel in gerader Verbindung zwischen Objekt- und Bildpunkt, ausgeblendet werden. Der kleine Durchmesser der Blende bestimmt die Bildschärfe. Mathematisch ist das Bild das Ergebnis einer Faltung aus idealer Abbildung des Gegenstands mit der Fläche der Lochblende. In den physikalischen Grenzen der Strahlenoptik erzeugt ein unendlich kleines Loch eine unendlich scharfe Abbildung, die jedoch unendlich lichtschwach ist.

Abbildungsgeometrie einer Lochkamera

Zerstreuungskreise

Abbildungsgeometrie der Lochkamera

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

S = \frac{D(b+g)}{g}. Bei sehr großen Entfernungen vereinfacht sich der Ausdruck zu \displaystyle S = D.
Vergleich: Foto einer Häuserzeile mit Lochkamera (Schwarzweißaufnahme auf Filmmaterial) und Linsenkamera (Farbaufnahme auf Halbleitersensor)

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 \frac {d_F} {1500} aus; dF entspricht dabei der diagonalen Ausdehnung des Aufnahmeformates.

Die Wellenlänge des Lichts bildet eine untere Grenze für den Lochdurchmesser D. Beugungserscheinungen treten bei allen Wellenlängen auf. Rot wird etwas stärker als Blau gebeugt.

Effektive Lichtstärke

Da eine Lochkamera keine abbildende Optik mit einer bestimmten Brennweite besitzt, kann auch nicht von Öffnungsverhältnis beziehungsweise Lichtstärke gesprochen werden. Man muss sich stattdessen, ähnlich wie in der Makrofotografie, auf die effektive Lichtstärke L_\text{eff}=\frac D b beziehen.

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:

\frac{B}{b} = \frac{G}{g}

Diese Gleichung ist aus der Geometrie als Strahlensatz bekannt. Die Bildgröße hängt also nur von den Abständen ab, nicht jedoch von der Blendengröße beziehungsweise Lochgröße.

  • Anmerkung: Die Begriffe Gegenstandsweite und Bildweite dürfen nicht immer mit den entsprechenden Begriffen in der geometrischen Optik gleichgesetzt werden. Dort beziehen sie sich die Abstände jeweils auf die Position der Hauptebenen und nicht auf die Position der Blende. Der Begriff Bildweite bezieht sich zudem auf den Bereich, in dem die Zerstreuungskreise minimal werden und dieser Bereich ist bei einer Lochkamera nicht vorhanden beziehungsweise fällt mit dem abzubildenden Objektpunkt selbst zusammen.

Vorkommen im Alltag

Spalten im Korbgeflecht erzeugen Sonnenbildchen links an der Wand

Im Alltag beobachtet man zuweilen zufällige Abbildungen an Öffnungen.

Das Bild rechts zeigt einen Korbstuhl, der seitlich von der Sonne beschienen wird und links an der Wand einen Schatten wirft. Die engen Spalten des Korbgeflechts erzeugen Lichtmuster auf der Wand in Form runder Scheibchen einheitlicher Größe. Dabei handelt es sich um Abbilder der kreisförmigen Sonne, nicht etwa um Umrisse des Geflechts.

Durch Schießscharten erzeugte Projektionen der Umgebung

Das darunter liegende Bild zeigt durch Schießscharten verursachte Projektionen der Umgebung auf eine gegenüberliegende Wand: Man erkennt die roten Dächer der Häuser und die davor stehenden Bäume. Die Projektionen sind etwa 1,5 Meter hoch.

Auch im Wald kann man Lochkamera-Effekte beobachten, 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:

\Delta S = c \cdot \frac{b}{D} . 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:

D_{opt} = \sqrt{c \cdot \frac{bg}{b+g}}
Für g>>b gilt die Näherung: D_{opt} \approx \sqrt{c \cdot b}.
Mit c = 1 µm liefert die Formel D_{opt} \approx \sqrt{b} \mbox{ } 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 Beff = b/D
1 cm 0,1 mm 0,2 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 dabei ausschließlich auf die Bildschärfe. Die effektive Lichtstärke dieser Kameras (abzulesen an der effektiven Blendenzahl Beff 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 Lochkamera jedoch ein besseres Auflösungsvermögen erreichen als mit einer fokussierenden Kamera mit kurzer Brennweite. Außerdem sind ihre Bilder frei von Verzeichnungen und Farbsäumen.

Reproduktion einer Lochkamera-Aufnahme (Aufgenommen mit einer Pappkamera auf Kodak-Diafilm, 6x9cm, Belichtungszeit ca. 180 Sekunden)

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. Die deutlich bessere Schärfentiefe der Lochkamera ist jedoch nicht auf die Eigenschaften einer linsenlosen Kamera (Lochkamera) oder einer linsenbehafteten Kamera (in diesem Fall fokussierenden Kamera) zurückzuführen, sondern auf die unterschiedlichen Zerstreuungskreise, die sich ergeben.

Experimente

Foto, aufgenommen mit einer Lochkamera aus Beton

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 Bewegung des Motivs; sie kann zwischen einer Sekunde und mehreren Monaten betragen. Bei der Entwicklung des Films entsteht ein Negativ, das gegebenenfalls 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 Randlichabfall unerwünscht ist, muss man beim Umkopieren durch manuelles Abwedeln für eine gleichmäßige Belichtung sorgen.

Reale Lochblenden weisen auch eine Vignettierung auf, die den Bildkreis begrenzt, denn die Löcher sind niemals vollkommen flach, sondern eigentlich Rohre, deren Länge der Dicke der Blende entspricht. Man kann die Vignettierung minimieren, indem man die Dicke der Blende im Bereich des Lochs - z.B. durch Abschleifen - möglichst klein im Verhältnis zum Lochdurchmesser macht.

AV1, zur Lochkamera umgebaut

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: somit ist es zum Beispiel 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.

Der Künstler Abelardo Morell funktioniert Räume als Lochkamera um und projiziert so, bewegte Momentaufnahmen auf die Wand.

Digitale Lochkamera-Fotografie

Eine durch den Fortschritt der Technik bedingte neuartige Anwendung der Lochkamera-Technik bietet die Digitalfotografie:

Ein besonderer Vorteil ist es, das die Unsicherheit richtiger Belichtung vor dem Hintergrund des Schwarzschild-Effektes dadurch eliminiert ist, dass der Sensor/Speicher einer Digitalkamera diesen Effekt nicht kennt. Darüber hinaus ist die richtige Belichtung meist unmittelbar nach der Aufnahme auf dem Kameramonitor überprüfbar.

Durch die meist sehr langen Belichtungszeiten ist durch Sensorerwärmung mit erhöhtem Bildrauschen zu rechnen, was aber meist nicht als störend empfunden wird.

Die Belichtungszeiten für unterschiedlichste Beleuchtungssituation können empirisch oder mit einem Handbelichtungsmesser ermittelt und in Tabellen festgehalten werden. Das Messen und Umsetzen von Belichtungszeiten für die Lochkamerafotografie erfordert weitergehendes Wissen.

Das „Loch“ für die Digitalkamera wird am einfachsten mit einem lichtundurchlässigen Gehäusedeckel (passend zur Objektivfassung) realisiert: In den Deckel wird ein größeres Loch gebohrt, dass mit einem dünnen Blech verschlossen wird. In dieses Blech wird das „Aufnahme-Loch“ eingebracht.

Da diese Anwendung meist eine Spiegelreflexkamera erforderlich macht (wechselbare Objektive!) ist der Abstand Loch/Aufnahmesensor limitiert: Der schwingende Spiegel benötigt Platz, so dass die minimale Bildweite ca. 40-50 mm beträgt ("Auflagemaß"). Der resultierende Lochdurchmesser (bei üblichen Kleinbild-Sensoren) beträgt dann ca. 0,2-0,3 mm (s. o. Formeln).

Digitale Lochkamerafotografie ist aber auch mit Sucherkameras (Objektivwechselmöglichkeit vorausgesetzt) möglich. Auch digitalen Mittel- und Großformatkameras ist die Technik nicht verschlossen.

Grundsätzlich sind auch Blitzlichtaufnahmen möglich. Dabei werden aber, wegen des kleinen Öffnungsverhältnisses des Aufnahmeloches, sehr hohe Leistungen benötigt, die oft nur von Studio-Blitzgeräten bereitgestellt werden können.

Generell gilt, dass handwerkliches Geschick und Verständnis der optisch-physikalischen Hintergründe erforderlich sind, da es kaum industriell gefertigte Teile gibt. Dies beginnt sich allerdings zu ändern; so ist beispielsweise für das Micro-Four-Thirds-System mittlerweile ein kommerzielles Lochobjektiv erhältlich.

Literatur

Deutsch

  • Thomas Bachler: Arbeiten mit der Camera obscura. Lindemanns, Stuttgart 2001, ISBN 3895062227.
  • Reinhard Merz und Dieter Findeisen: Fotografieren mit der selbstgebauten Lochkamera. Augustus, Augsburg 1997, ISBN 3-8043-5112-3.
  • Peter Olpe: Die Lochkamera. Funktion und Selbstbau. Lindemanns, Stuttgart 1995, ISBN 3-928126-62-8.
  • Ulrich Clamor Schmidt-Ploch. Die Lochkamera. Abbildungsoptimierung. Physikalische Hintergründe. Books on Demand, Norderstedt 2001, ISBN 3831112614.
  • Karen Stuke: Die Trilogie der schönen Zeit, oder: Warten macht mir nichts aus! Gieselmann, Bielefeld 2007, ISBN 978-3-923830-63-3 (Camera-obscura-Fotografien, Texte von Andreas Beaugrand und Gottfried Jäger).

Englisch

  • John Warren Oakes: Minimal Aperture Photography Using Pinhole Cameras. Univ. Pr. of America, Lanham 1986, ISBN 0819153702.

Weblinks

 Commons: Lochkameras – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Bauanleitungen


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  • Lochkamera — Lọch|ka|me|ra 〈f. 10〉 = Camera obscura * * * Lọch|ka|me|ra, die: Camera obscura. * * * Lochkamera,   Camera obscura. * * * Lọch|ka|me|ra, die: Camera obscura …   Universal-Lexikon

  • Lochkamera — Lọch|ka|me|ra …   Die deutsche Rechtschreibung

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