Camera obscura

Optik

Basiswissen｜ Funktionsweise｜ Version nur mit Loch｜ Minimalversuch｜ Erklärung über Strahlenoptik｜ Das Projektionsproblem｜ Historische Schlaglichter｜ Etymologie｜｜ Fußnoten

Basiswissen

Jeder rundum lichtdicht abgeschlossene Raum, durch den das Licht durch nur eine kleine Öffnung fallen kann, ist eine Camera obscura im optischen Sinne.^[1] Auf der Innenseite gegenüber der Öffnung entsteht dann ein farbiges Abbild der Außenwelt.^[2] Neben begehbaren Räumen gibt es auch kleine tragbare Varianten. Die Camera obscura, ohne oder auch mit Linse, arbeitet nach demselben Prinzip wie die Augen verschiedener Tiere.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Eine Puppenstube als Camera obscura: wo wird der Lichtfleck der Kerze auf der Wand im Inneren erscheinen, wenn der Finger der großen Hand links nach oben gezogen wird? © Gunter Heim/Gemini ☛

Funktionsweise

Version nur mit Loch

In ihrer einfachsten Form ist eine Camera obscura, auf Deutsch eine finstere oder dunkle Kammer, eine rundum lichtdicht geschlossene Kiste. Nur an einer Seite hat sie ein kleines Loch. Durch dieses Loch kann Licht von außen in die Kiste eindringen. Auf der Wand gegenüber dem Loch entsteht dann eine buntes Bild der Gegenstände aus der Welt außerhalb der Kiste. Ist die Kiste handlich tragbar passt besser der Begriff der Lochkamera. Ist die Kiste ein begehbarer Raum, so trifft das Camera obscura im Sinne eines dunklen Zimmers auch wörtlich gut zu. Die optischen Prinzipien sind in beiden Fällen aber die selben.

Minimalversuch

Wer mit aller einfachsten Mitteln das Prinzip einer Camera obscura mit kleinen Experimenten studieren möchte, braucht dazu nur eine alte Glühbirne, ein großes Stück Pappe und einen halbwegs abgedunkelten Raum

Eine Glühbirne mit sichtbarem Glühfaden

Alternativ: LED-Leuchte mit Struktur

Ein großes Stück Pappe, z. B. 60 cm lang und 40 cm breit

Ein halbwegs nicht zu heller Raum (muss nicht ganz dunkel sein)

Ein Bleistift

Man dunkelt den Raum so weit wie möglich ab. Wir machten den Versuch bei bewölktem Himmel und zogen einige Rollos vor Fenstern herunter. Der Raum war am Ende immer noch hell genug, dass man ohne Licht lesen konnte. Der Versuch war dennoch erfolgreich.

Man macht die Glühlampe etwa 3 Meter entfernt von einer Wand an. Die genaue Entfernung ist nicht besonders wichtig. Wir haben den Versuch mit etwa 3 Metern Abstand gemacht und er hat sehr gut funktioniert.

Mit dem Bleistift sticht man ein Loch in die Pappe. Durchmesser von vielleicht 3 Millimetern bis knapp über einen Zentimeter sind gut.

Dann hält man die Pappe mit dem Loch so zwischen Leuchte und Wand, dass Strahlen der Leuchte durch das Loch auf die Wand gelangen können. Jetzt sucht man eine Position der Pappe, bei der auf der Wand die Form des Glühfadens deutlich sichtbar wird. Bei uns war das etwa ein Meter von der Leuchte entfernt hin Richtung Wand. Nun kann man einige einfache Experimente machen.

Je kleiner das Loch, desto schärfer das Bild.

Je kleiner das Loch, desto dunkler das Bild.

Je näher die Pappe an der Wand ist, desto kleiner das Bild.

Je näher die Pappe an der Leuchte ist, desto größer das Bild.

Man merkt schnell, dass eine Verbesserung von einem Merkmal ein anderes Merkmal verschlechert. Scharfe Bilder werden kleiner oder dunkler. Will man ein helles Bild haben, wird es unschärfer (großes Loch) oder größer und unschärfer (Pappe nahe an Leuchte). Wie man dieses Problem lösen könnte, ist weiter unten erklärt, wo es um die Verwendung einer Linse geht.

Erklärung über Strahlenoptik

Strahlenoptik

Wie das Bild auf der Innenwand entsteht, kann man sich recht einfach mit Hilfe der sogenannten Strahlenoptik vorstellen. Man stellt sich Licht dabei so vor, als bestünde es aus geraden Strahlen. Von jedem leuchtenden oder beleuchteten Punkt eines Gegenstandes außerhalb der Camera obscura, zum Beispiel von einer Kerze, gehen dabei gerade Strahlen in alle möglichen Richtungen des Raumes weg. Aber durch das kleine Loch der Camera gelangen von diesen fast unendlich vielen Strahlen nur sehr wenige. Und diese treffen dann im inneren der Camera gemeinsam auf die Wand, wo sie einen mehr oder minder hellen Punkt erzeugen. Und das Licht auf diesem Punkt im Inneren der Camera kann dann wegen des engen Loches auch nur von einem eng begrenzten Bereich des Gegenstandes außerhalb der Camera kommen. Das enge Loch verhindert, dass die Strahlen von zwei verschiedenen Stellen des Gegenstandes außen an derselben Stelle im Inneren der Camera ankommen. Und so gehört jeder Punkt im Inneren genau zu einem Punkt im Äußeren der Kamera.

Strahlensatz

Zeichnet man die Lichtstrahlen vom Gegenstand durch das Loch der Camera bis zur Wand als Projektionsfläche, so erinnert die Skizze an die typischen Zeichnungen zum Strahlensatz aus der Geometrie. Zeichnet man genau zwei Strahlen, ausgehend von zwei verschiedenen Punkten des Gegenstandes, überkreuzen sie sich im Loch der Camera. Zusammen mit der Wandfläche und der der Oberfläche des Gegenstandes ergeben sich zwei zueinander ähnliche Dreiecke. Und damit kann man die Rechenregeln der Strahlensätze aus der Geometrie anwenden. So kann man zum Beispiel die wahre Länge des Glühfadens im Inneren der Leuchte berechnen, ohne dass man das Glas der Glühbirne dazu zerstören muss. Siehe dazu auch 👉 Strahlensatz

Das Projektionsproblem

Abbildung

Mathematisch im Sinne der Mengenlehre kann man die Entstehung des Bildes auch als eine Abbildung von Punkten im dreidimensionalen Raum auf Punkten in einem zweidimensionalen Raum auffassen. Man gibt man jedem Punkt des Gegenstandes außerhalb der Camera drei reellen Zahlen als Koordinaten, benötigt man mathematisch gesehen drei Dimensionen. Auf der Projektionsfläche genügen dann aber zwei reelle Zahlen, um die Koordinaten eindeutig fest zu legen.

ℝ³ -> ℝ²

Das hat eine wichtige Folge: kennt man nur die Koordinaten auf der 2D-Fläche, kann man daraus nicht mehr eindeutig sagen, wo genau im 3D-Raum der ursprüngliche Punkt lag, von dem der Strahl kam. Denn bei der Projektion oder Abbildung vom ℝ³ auf den ℝ² braucht man pro Punkt eine Koordinaten weniger. Es geht also Information verloren. Und diese verloren gegangen Information kann man nicht mehr wieder her stellen, wenn man nur die zwei Koordinaten von der Projektionsfläche kennt. Das Problem hat weitreichende Folgen, etwa für die Psychologie des Sehens. Siehe dazu mehr im Artikel zum sogenannten 👉 Projektionsproblem

Historische Schlaglichter

In deutschsprachigen Lexika bis hinein ins 20. Jahrhundert beginnt die Geschichte der Camera obscura frühestens mit Leondardo da Vinci um das Jahr 1500.^[3] Tatsächlich aber war das Phänomen außerhalb Europas schon lange vor Christus bekannt^[16], vielleicht sogar schon früh in der Steinzeit^[12]. Und auch die scharfsinnigen Betrachtungen byzantinischer und arabischer Gelehrter sowie der Denker der westeuropäischen Scholastik zeigen, wie weit die Wurzeln unserer heutigen Wissenschaft in die Schichten der Vergangenheit zurück reichen.

Steinzeit: der Effekt könnte Höhlemalerei inspiriert haben.^[12]

Etwa 100 v. Chr.: in China werden Projektionen der Sonne beschrieben.^[13]

6. Jh. n. Chr.: Byzantische Wissenschaftler erkunden das Phänomen.^[14]

Um 1027: Alhazen argumentiert mit dem Effekt, dass Licht sich gerade ausbreitet.^[15]

Um 1088: Shen Kuo sieht Parallele zu Hohlspiegel, Aspekt der Bewegung.^[16]

Um 1200: Robert Grossetest beschreibt das Phänomen.^[17]

Um 1267: Roger Bacon beschreibt Licht als Welle.^[18]

Um 1270: Vitello beschreibt die Camera obscura.^[19]

Um 1309: Wassergefüllte Gläser in einer Camera obscura.^[20]

Um 1330: Astronomische Beobachtungen mit einer Camera obscura.^[21]

Um 1502: Leonardo da Vinci fertigt eine Vielzahl von Skizzen an.^[3]

1540: Erasmus Reinhold verbessert das Prinzip, Beobachtung einer Sonnenfinsternis^[4]

1553: weitere Verbesserung durch Giambattista della Porta, Einbringung einer Linse^[5]

1667: Thomas Hooke baut eine tragbare Version^[6]

1806: Patent für Camera lucida mit Prisma^[10] als Zeicheninstrument.^[11]

Man stelle sich ein dunkles Zimmer vor. An einer Seite ist eine glatte weiße Wand. Direkt gegenüber ist eine zweite Wand mit einem kleinen Loch darin. Durch dieses Loch kann Licht von außen eindringen. Das Licht projiziert dann ein scharfes, farbiges und bewegtes Bild auf die gegenüberliegende weiße Wand. Man kann damit zum Beispiel in "Echtzeit" Fahrradfahrer sehen, die außen durch einen Park fahren.

Etymologie

Camera obscura ist Latein und heißt auf Deutsch "dunkler, finsterer Raum" oder "dunkles Zimmer". Die Mehrzahl ist Camerae obscurae.

Ja, dann wird das Bild heller. Der Nachteil einer Camera obscura mit Loch ist, dass nur wenig Licht durch das Loch kommt. Entsprechend dunkel ist das Bild auf der gegenüberliegenden Wand. Ein größeres Loch gäbe zwar mehr Licht, aber dann wird das Bild auch unschärfer. Die Lösung besteht in einer Linse. Macht man das Loch größer und baut man eine Sammellinse ein, dann wird das Bild heller und es bleibt trotzdem einigermaßen scharf. Einen solchen Apparat nennt man heute kurz nur noch 👉 Kamera

Fußnoten

[1] Definition: "Camera obscura, finstere Kammer, heißt in den optischen Wissenschaften jeder eingeschlossene Raum, in welchen nur durch eine sehr enge Öffnung Licht von außen gelangen kann." Und: "Die ältesten Einrichtungen dieser Art kamen im 16. Jahrh. zu Stande und befanden sich in Zimmern; später wendete man aber die denselben zum Grunde liegenden Gesetze auf kleinere und verschieden geformte Räume an, wodurch man tragbare finstere Kammern und zugleich ein bequemes Mittel zur Aufnahme von Gegenden u.s.w. erhielt." In: Brockhaus Bilder-Conversations-Lexikon, Band 1. Leipzig 1837., S. 370-371. Online: http://www.zeno.org/nid/20000817163

[2] "Camĕra obscura (lat., d.i. Finstere Kammer), Vorkehrung, durch welche sich äußere Gesichtsgegenstände in einem dunkeln Raum auf einer bestimmten Fläche farbig darstellen. a) Die Einfache (Optische) C. o. wird erhalten, indem man in einem ganz. verfinsterten Zimmer durch eine ganz kleine runde Öffnung die Strahlen von äußeren erhellten Gegenständen auf eine, jener Öffnung gerade entgegengestellte, weiße Fläche fallen läßt." Und noch sehr ausführlich weiter, etwa zur Camera lucida und zur Camera clara in: Pierer's Universal-Lexikon, Band 3. Altenburg 1857, S. 598. Online: http://www.zeno.org/nid/20009627693

[3] "Camera obscura, optische Kammer, Dunkelkammer, eine von Leonardo da Vinci (1500) erfundene, von Erasmus Reinhold (1540) und besonders von Giambattista della Porta (1553) vervollkommnete Vorrichtung zur Projektion reeller Bilder von Naturgegenständen auf die Fläche eines ebenen Schirms." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 2 Stuttgart, Leipzig 1905., S. 420. Online: http://www.zeno.org/nid/20005984793

[4] 1540, Anlass war Sonnenfinsternis: In: "Camĕra obscura (lat., »finstere Kammer«), eine von Erasmus Reinhold in Wittenberg 1540 zur Beobachtung einer Sonnenfinsternis erfundene optische Vorrichtung, besteht aus einem dunkeln Raum, in den die von den äußern Gegenständen ausgehenden Lichtstrahlen durch eine einzige sehr kleine Öffnung gelangen, von der sie divergierend auf einer gegenüberstehenden Fläche sich ausbreiten und ein matt erleuchtetes, umgekehrtes Bild des äußern Gegenstandes in natürlichen Farben erzeugen." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 3. Leipzig 1905, S. 717-718. Online: http://www.zeno.org/nid/20006393357

[5] 1558 mit Sammellinse: "Größere Schärfe und Helligkeit erzielt man bei Anwendung einer Sammellinse, die nach Porta (1558) in die erweiterte Öffnung eingesetzt wird." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 3. Leipzig 1905, S. 717-718. Online: http://www.zeno.org/nid/20006393357

[6] 1679, tragbare Version von Hooke: "Hooke konstruierte 1679 eine transportable C. zum Nachzeichnen der optischen Bilder. In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 3. Leipzig 1905, S. 717-718. Online: http://www.zeno.org/nid/20006393357

[7] Zur Logik der Abbildung: "Denkt man sich nämlich außerhalb des Zimmers einen leuchtenden Punkt, so werden alle von ihm ausgehenden Lichtstrahlen durch die Wand abgehalten, bis auf ein der Öffnung entsprechendes, scharf begrenztes kleines Strahlenbündel, welches in das Zimmer eindringt u. einen bestimmten Fleck auf der dunkeln Wand erleuchtet. Sind nun verschiedene u. verschiedenfarbig leuchtende Punkte vor dem Zimmer, so erleuchtet jeder einen anderen Fleck auf der inneren Wand, u. diese Flecke besitzen die ähnliche gegenseitige Lage, sowie die gleichen Farben, als die leuchtenden Punkte, von denen sie herstammen. Es entsteht somit ein Bild der äußeren Gegenstände, welches jedoch die verkehrte Lage hat, weil die Lichtbündel in der Öffnung der Wand ihren Kreuzungspunkt haben. Je größer die Öffnung gemacht wird, desto umfänglicher ist jedes Lichtbündel, desto mehr decken sich also die von verschiedenen Punkten stammenden erleuchteten Flecke u. machen sich gegenseitig undeutlich. Es verschwindet daher das Bild völlig, wenn die Öffnung einen ansehnlichen Durchmesser erhält." In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 3. Altenburg 1857, S. 598. Online: http://www.zeno.org/nid/20009627693

[8] Zum Zweck der Linse: "Auf der Wand entsteht daher ein umgekehrtes Bild der Außenwelt, um so schärfer, aber auch um so lichtschwächer, je kleiner die Lichtöffnung ist, um so größer und lichtschwächer, je größer die Entfernung der Wand von der Lichtöffnung ist. Bei genügend seiner Oeffnung und genügend langer Exposition gelingen mit dieser primitivsten Kammer brauchbare photographische Aufnahmen. Die wichtigste Vervollkommnung besteht in der Einfügung einer Konvexlinse in die Lichtöffnung." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 2 Stuttgart, Leipzig 1905., S. 420. Online: http://www.zeno.org/nid/20005984793

[9] Gleichsetzung mit dem Auge: "Camĕra obscūra (lat.), Vorrichtung, in einem dunkeln Zimmer vermittelst des durch eine feine Öffnung im Fensterladen eindringenden Lichtes ein (verkehrtes) Bild der äußern Gegenstände auf der Gegenwand entstehen zu lassen [Abb. 311], vervollkommnet durch Einsetzung einer Glaslinse in die Öffnung, Verwandlung der Dunkelkammer in einen tragbaren dunkeln Kasten mit einer matten Glaswand an der Rückseite zur Betrachtung des Bildes von außen (Camera clara). Die photogr. Camera sowie das menschliche Auge ist eine C.o. In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 1. Leipzig 1911., S. 304. Online: http://www.zeno.org/nid/20000997064

[10] Bauarten (clara, lucida): "Camera obscura (dunkle Kammer), ein optisches Instrument, durch welches sich die Bilder von Gegenständen in ihrer natürlichen Farbe darstellen. Die einfachste C. o. besteht in einer sehr engen Oeffnung, durch welche das Licht von außen und damit das Bild eines Gegenstandes in einem dunkeln Raum, z.B. ein Zimmer eindringt u. auf eine weiße Fläche fällt; dabei ist aber das Bild umgekehrt und undeutlich. Man bringt deßwegen ein convexes Glas vor der Oeffnung an (nach der Erfindung von Porta im 16. Jahrh.), das alle Lichtstrahlen in einem Brennpunkt vereinigt und deßwegen ein deutlicheres Bild auf die weiße Fläche wirst; ein 2. Linsenglas bewirkt, daß das Bild in natürlicher, nicht umgekehrter Stellung erscheint. Eine andere Vorrichtung, die von Rheinthaler angegebene u. C. clara benannte, läßt das durch einen Planspiegel zurückgeworfene Bild durch ein convexes Glas von außen und zwar von oben sehen; in der von Wollaston erfundenen C. lucida wird das Bild durch einen prismatischen Spiegel auf weißes Papier geworfen, wo es nachgezeichnet werden kann. – Es gibt solcher Camerae von jeder Größe, von der eines Zimmers bis zu der eines Kastens, also tragbare; bekanntlich bedient man sich der C. clara zur Photographie (Daguerrotypie)." In: Herders Conversations-Lexikon. Freiburg im Breisgau 1854, Band 1, S. 769. Online: http://www.zeno.org/nid/2000325674X

[11] Erna Fiorentini: Instrument des Urteils. Zeichnen mit der „Camera Lucida“ als Komposit. 2005, S. 1–2.

[12] Zur Idee, dass steinzeitliche Höhlenmalereien durch Bilder inspiriert worden sein könnten, die durch kleine Öffnung ins Innere von Zelten und Höhlen gefallen sind: Matt Gatton, Leah Carreon. “Probability and the Origin of Art: Simulations of the Paleo-camera Theory” in APLIMAT, Journal of Applied Mathematics, Volume 4 (2011).

[13] In dem chinesischen Mathematik-Buch Zhōubì suànjīng sollen sich Beschreibungen finden, wie die Sonne mit dem Prinzip der Camera obscura auf eine Fläche projiziert werden kann. Das Buch wurde um 100 vor Christus verfasst. In: Boulger, Demetrius Charles (1969). The Asiatic Review.

[14] Anthemios von Tralleis, einer der Architekten der Hagia Sophia im heutigen Istanbul, soll sich intensit mit Projektionen im Sinne einer Camera obscura beschäftigt haben. In: G. Huxley (1959) Anthemius of Tralles: a study of later Greek Geometry pp. 6–8, pp.44–46 as cited in (Crombie 1990), p.205

[15] "Evidence that light and color do not mingle in air or (other) transparent bodies is (found in) the fact that, when several candles are at various distinct locations in the same area, and when they all face an aperture that opens into a dark recess, and when there is a white wall or (other white) opaque body in the dark recess facing that aperture, the (individual) lights of those candles appear individually upon that body or wall according to the number of those candles; and each of those lights (spots of light) appears directly opposite one (particular) candle along a straight line passing through that window. Moreover, if one candle is shielded, only the light opposite that candle is extinguished, but if the shielding object is lifted, the light will return." In: A. Mark Smith, ed. & trans., “Alhacen's Theory of Visual Perception: A Critical Edition, with English Translation and Commentary, of the First Three Books of Alhacen's De Aspectibus, the Medieval Latin Version of Ibn Al-Haytham's Kitāb Al-Manāẓir,” Transactions of the American Philosophical Society, 91,

[16] Der chinesische Wissenschaftler Shen Kuo beschreibt 1088 den Effekt in seinem Buch "The Dream Pool Essays": "When a bird flies in the air, its shadow moves along the ground in the same direction. But if its image is collected (shu)(like a belt being tightened) through a small hole in a window, then the shadow moves in the direction opposite of that of the bird.[...] This is the same principle as the burning-mirror. Such a mirror has a concave surface, and reflects a finger to give an upright image if the object is very near, but if the finger moves farther and farther away it reaches a point where the image disappears and after that the image appears inverted. Thus the point where the image disappears is like the pinhole of the window. So also the oar is fixed at the rowlock somewhere at its middle part, constituting, when it is moved, a sort of 'waist' and the handle of the oar is always in the position inverse to the end (which is in the water)." In: Needham, Joseph. Science and Civilization in China, vol. IV, part 1: Physics and Physical Technology.

[17] Lindberg, D.C. A reconsideration of Roger Bacon's theory of pinhole images. Arch. Rational Mech. 6, 214–223 (1970). Online: https://link.springer.com/article/10.1007/BF00327235

[18] ""Bacon noted that the opening through which the light rays passed did not need to be circular. This phenomenon was the basis of his theory, astonishing in its intuition, that light propagated by means of spherical waves. If the image projected through a square aperture was circular, it was simply because the light had resumed its natural spherical shape." In: Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow: Archaeology of the Cinema. University of Exeter Press, 2000. Dort auf Seite 5.

[19] Witelo: Vitellionis Mathematici doctissimi Peri optikēs, id est de natura, ratione & proiectione radiorum visus, luminum, colorum atque formarum, quam vulgo perspectivam vocant. Entstanden in den Jahren nach 1270. Erstruck 1535.

[20] Englische Wikipedia zur Camera obscura: "Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267–1319) described in his 1309 work Kitab Tanqih al-Manazir (The Revision of the Optics) how he experimented with a glass sphere filled with water in a camera obscura with a controlled aperture and found that the colors of the rainbow are phenomena of the decomposition of light" Die Darstellung bezieht sich auf: Nader El-Bizri, "Optics", in Medieval Islamic Civilization: An Encyclopedia, ed. Josef W. Meri (New York – London: Routledge, 2005), Vol. II, pp. 578–58

[21] Gersonides beobachtete astronomische Phänomene mit einem Jakobstab (den er möglicherweise erfand) und einer Camera obscura. Beschrieben in: Goldstein, Bernard R. (6 December 2012). The Astronomy of Levi ben Gerson. Springer.