Definition

Eine Linsenkamera ist von der Bauweise eng mit einem Linsenauge verwandt: durch eine durchsichtige Sammellinse wird das von einer Seite her kommende Licht auf der anderen Seit der Linse so zusammen geführt, dass dort auf einer kleinen Fläche ein scharfes Abbild der Umgebung entsteht. Eine Linsemkamera ist aufwändiger zu bauen als eine Lochkamera. Der große Vorteil ist, dass man wesentlich hellere Bilder mit sehr viel weniger Licht erzeugen kann. Es gibt aber auch Nchteile.

Funktions-Prinzip

Hält man eine Spielzeuglupe auf eine geschickte Weise zwischen ein Fenster und eine gegenüberliegende Wand, dann entsteht auf der Wand ein kleines Abbild des Fensters. Das Bild steht auf dem Kopf, ist bunt und zeigt auch Bewegungen. Damit hat man eigentlich die Grundidee einer Kamera: irgendwie erzeugt man auf einer kleinen Fläche ein Bild von der Wirklichkeit. Legt man dann an die Stelle wo das Bild erscheint eine lichtempfindliche Platte oder einen elektronischen Bildsensor, dann kann die Kamera auch Bilder dauerhaft festhalten. Und das Gehäuse dient nur dazu, störendes Licht vom erzeugten Bild fern zu halten. Gehen wir diesen Gedankengang jetzt etwas ausführlicher Schritt für Schritt durch.

Optik

Nimm eine klassische, runde Leselupe. Ideal ist ein Durchmesser von vielleicht 8 bis 10 cm (mehr ist auch gut). Solche Lupen haben oft eine Brennweite von etwa 20 cm. Halte die Lupe dann etwa 20 cm entfernt von einer Wand, und zwar so, dass das Licht von einem gegenüberliegenden Fenster durch die Lupe auf die Wand fällt. Mit etwas Probieren für die richtige Entfernung zur Wand kannst du das Bild scharf stellen, das heißt fokussieren.

Dieses Bild ist für das Verständnis des Textes nicht wichtig. Das Bild wird im Text nicht erwähnt.

Eine Lupe genügt: hält man sie geschickt platziert zwischen ein Fenster und eine gegenüberliegende Wand, entsteht auf der Wand ein scharfes Bild der Situation vom Fenster. Das ist die optische Grundidee für die Linsenkamera.

In der sogenannten Strahlenoptik^[5] stellt man sich Licht so vor, als sei es auf vielen geraden Strahlen aufgebaut. Tatsächlich besteht Licht zwar nicht aus Strahlen, aber Licht modellhaft als strahlenartig zu denken hat zwei große Vorteile: es ist sehr einfach durchzuführen und man kann damit recht gut einfache Geräte konstruieren, die auch wirklich funktionieren.

Die zugrundeliegende Logik der geometrischen Abbildung kann mit Hilfe des Strahlensatzes aus der Mathematik nachvollziehen. Die Mitte der Linse ist dann sozusagen das Streckzentrum. Alle Strecken, die von Gegenständen auf einer gemeinsamen Fläche parallel zur Bildfläche her stammen werden um den gleichen Faktor zum Bild hin verkleinert. Siehe dazu auch 👉 Lupen-Kino

Nun hat man ein scharfes Bild der Umwelt auf der Wand. Der nächste Gedanke ist es, dieses scharfe Bild dauerhaft festzuhalten, das heißt, man will es fixieren. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Man kann das Bild chemisch und elektronisch einfangen.

Chemische Fixierung

Seit den 1830er Jahren kennt man die Möglichkeit, eine Platte bestrichen mit Salz- und Silbernitratlösung an die Stelle des Bildes zu hängen.^[3] Die aufwändige Entwicklung der Technik ist eng mit dem Namen William Henry Talbot (1800 bis 1877) verbunden.^[4] Fällt Licht auf die chemisch behandelte Fläche, verändert die dort aufgetragene Lösung ihre Farbe. Mit weiteren Chemikalien kann das Bild anschließend gegen weitere Veränderung durch neu eintreffendes Licht immun machen. Am Ende hat man ein Abbild der Wirklichkeit. Dieses feste Papierbild nannte man eine Photographie.

Bis in die 1990er Jahre war die chemische Fixierung von Bilder aus einer Fotokamera üblich. Um die gemachten Bilder betrachten zu können, musste man sie vorher in einem Spezialgeschäft entwickeln lassen. Das dauerte oft einige Tage und war nicht ganz billig. Wer in den 1970er Jahren Urlaubsilder machte, konnte diese meist erst eine Woche nach Urlausbende betrachten.

Elektronische Fixierung

Seit den 1990er Jahren haben sich immer mehr elektronisch fixierte Bilder durchgesetzt. Anstatt lichtempfindlicher Chemikalien wird an die Stelle des Bildes in der Kamera ein Bildsensor (Photochip) platziert. Die Bilder können nun direkt digital angezeigt und weiter verarbeitet werden. Der dabei oft (nicht immer) genutzte physikalische Effekt heißt 👉 innerer photoelektrischer Effekt

Gehäuse

Das Wort Kamera ist mit dem deutschen Wort Kammer verwandt und meint eigentlich ein Zimmer. Im Sinne der Fotografie ist die Kamera also eigentlich nur das Gehäuase in seiner Funktion als Dunkelraum.^[6] Denn eigentlich will man, dass nur Licht auf die Bildfläche fällt, das vorher durch die Linse gegangen ist. Um Licht aus anderen Richtungen abzuhalten, baut man also ein Gehäuse.

Eine minimalistisch gebaute Kamera macht das Prinzip deutlich: man braucht als Material nur eine einfache Spielzeuglupe, Pappe, Butterbrotpapier und Klebmaterial. Auf dem Schirm erscheint ein mehr oder minder scharfes Abbild der Umwelt.^[2]

Ein Problem, das für eine Linsenkamera gelöst werden muss, ist die Abhängigkeit der Bildschärfe vom Abstand zwischen der Linse und der Bildfläche, der sogenannten Bildweite. Je nachdem wie weit entfernt ein aufgenommener Gegenstand ist, muss die Linse weiter weg oder näher hin zur Bildfläche sein. Man muss also die Linse verschiebar mit dem festen Gehäuse verbinden. Man spricht von einem Fokussiermechanismus. Früher machte man das über einen sogenannten Kamerabalg, später über ineinander verschiebbare Zylinder.

Ausblick

Um eine Linsekamera zu bauen, muss man also "nur" zwei Dinge hinbekommen: a) ein scharfes Abbild der Wirklichkeit auf einer Fläche erzeugen und b) das erzeugte Bild irgendwie dauerhaft festzuhalten. Gelingt das irgendwie, hat man eine Ausgangsbasis für weitere Entwicklungen. Große Verbesserungen konnten durch immere bessere Linsen und Linsensysteme, für Licht leichter empfindliche Chemikalien oder Sensoren erreicht werden. Eine weitere Ergänzung sind sogenannte Zoomobjetive. Bei der minimalistischen Version eine Kamera kann man die Größe eines scharf eingestellten Bildes nicht verändern. Mit Hilfe von Zoomobjektiven ist aber auch das möglich.

Fußnoten

[1] G. Pizzighelli: Anleitung zur Photographie. 1904. Als Nachdruck, ISBN: 978-3-95770-012-4.

[2] Die im Video gezeigte Kamera wurde im Jahr 2017 in der Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen gebaut. Die Lupe ist ein einfaches Brennglas aus Kunststoff. Die Brennweite beträgt etwa 20 cm, der Durchmesser etwa 8 cm. Der eigentliche Kamerakasten eine 19 cm Länge und jeweils 13 cm für die Breite und Höhe. Der maximale Auszug des Balgs liegt bei etwa 7,5 cm. Die Gesamtmasse liegt bei rund 290 Gramm. Die Linsenkamera wird aufbewahrt im 👉 WH54 Experimentier-Raum

[3] Wie man Lichtilder chemisch dauerhaft auf Papier bannen kann wurde vor allem von dem englischen Universalgelehrten Talbot über aufwändige und lange Versuche herausgefunden. Die Geschichte ist beschrieben in: Steffen Siegel (Hg.): Neues Licht. Daguerre, Talbot und die Veröffentlichung der Fotografie im Jahr 1839. Wilhelm Fink Verlag, München 2014. ISBN 978-3-7705-5736-3

[4] William Henry Fox Talbot: The Pencil of Nature. Publisher: Longman, Brown, Green and Longmans, London 1844.

[5] Licht besteht nicht aus Strahlen. Aber das einfach handhabbare Modell der Strahlenoptik kann sehr viele Phänomene der Optik wiedergeben. Mit der Strahlenoptik kann man auf leichte Weise vorhersagen wie Bilder aussehen werden oder wie man optische Geräte bauen muss. Siehe mehr unter 👉 Strahlenoptik

[6] In einem Lexikon aus dem Jahr 1907 heißt es: "Kamera, photographische (Dunkelkasten, Camera obscura), ein lichtdichtes Gehäuse von mannigfaltiger Form, welches in der Photographie die Aufgabe erfüllt, die Bestrahlung der lichtempfindlichen Platte (Films, Papier) auf die durch das Objektiv oder die durch eine seine Oeffnung (Lochkamera) zu beschränken, andre Lichtwirkungen also unbedingt fernzuhalten." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 5 Stuttgart, Leipzig 1907., S. 309-310. Siehe auch 👉 Kamera