Wie funktioniert eine Lochkamera?

Wie funktioniert eine Lochkamera? Übung

• Beschreibe die Lochkamera.

  Tipps

  Licht gelangt von außen durch ein kleines Loch in einen dunklen Raum und erzeugt auf der Rückwand ein auf dem Kopf stehendes Bild des äußeren Objektes.

  Das Licht wird an einem äußeren Objekt gestreut, bevor es das Loch erreicht.

  Die Größe des Bildes wird von Faktoren wie Gegenstandsweite, Objektgröße und Länge der Lochkamera beeinflusst.

  Lösung

  Die Camera obscura oder Lochkamera ist die älteste Form der Kamera, die vor fünfhundert Jahren von Künstlern wie Leonardo da Vinci genutzt wurde. Dabei handelt es sich um einen dunklen Raum, in den Licht von außen nur durch ein kleines Loch in der Wand gelangen kann. Das an einem äußeren Objekt gestreute Licht erreicht das Loch, trifft auf die Rückwand der Kammer und erzeugt das Bild des äußeren Objektes auf dem Schirm.

  Das entstehende Bild steht auf dem Kopf, da das Licht durch das Loch in gerader Linie verläuft. Die Größe des Bildes ist abhängig von der Gegenstandsweite, der Größe des Objektes und der Länge der Lochkamera. Ein Abbildungsmaßstab kleiner als $1$ bedeutet eine Verkleinerung des Bildes, während eine Vergrößerung ($>1$) möglich ist, aber zu unscharfen Bildern führen kann.

  Die Blende muss gut auf die Gegenstandsweite und den Abbildungsmaßstab abgestimmt sein, um scharfe Bilder zu erhalten. Hätte Leonardo da Vinci die Mona Lisa mit einer Lochkamera eins zu eins abgemalt, würde sie heute kopfüber hängen, da das Bild auf dem Schirm umgekehrt erscheint.

• Beschreibe die Bildentstehung in der Lochkamera.

  Tipps

  Lösung

  In einer Lochkamera – auch Camera obscura genannt – gelangt Licht von außen durch ein kleines Loch in einen dunklen Raum. Dabei werden die Lichtstrahlen von den außerhalb befindlichen Objekten in alle Richtungen gestreut. Einige dieser gestreuten Lichtstrahlen erreichen das Loch und treffen auf die Rückwand der Kammer, die als Projektionsfläche oder Schirm dient. Auf dieser Projektionsfläche erscheint ein umgekehrtes Bild des äußeren Objektes, zum Beispiel die Mona Lisa.

  Das Bild entsteht allein durch die Ausbreitung des gestreuten Lichtes, ohne dass zusätzliche Hilfsmittel notwendig sind. Beachte jedoch, dass dieses Bild nur für kurze Zeit – nämlich solange der äußere Gegenstand beleuchtet wird – sichtbar ist. Die Größe des Bildes ist abhängig von der Gegenstandsweite (Entfernung zwischen dem Gegenstand und dem Kameraloch), der Gegenstandsgröße und der Bildweite, also der Länge der Kamera.

  Eine größere Gegenstandsweite führt zu einem kleineren Bild, während eine kleinere Gegenstandsweite ein größeres Bild erzeugt. Das Verhältnis zwischen Bildgröße und Gegenstandsgröße wird als Abbildungsmaßstab bezeichnet: Wenn das Bild kleiner ist als der echte Gegenstand, ist der Abbildungsmaßstab kleiner als eins und beschreibt eine Verkleinerung. Eine Vergrößerung ist ebenfalls möglich. Eine zu große Blende führt zwar zu einem helleren, aber auch zu einem unscharfen Bild, da Details des Gegenstands auf dem Schirm überlappen.

  Um scharfe Bilder zu erhalten, sollte die Blende so klein wie möglich sein, damit unerwünschte Strahlen abgeblockt werden. Eine gut abgestimmte Kombination aus Abstand, Abbildungsmaßstab und Blendengröße ermöglichte es, dass Leonardo da Vinci die Mona Lisa detailgetreu abpinseln konnte.

• Beschreibe, welchen Einfluss Gegenstandsweite und Blende auf das Bild haben.

  Tipps

  Die Gegenstandsweite beeinflusst die Größe des projizierten Bildes.

  Die Größe der Blende reguliert Helligkeit, Schärfe und Detailgenauigkeit des Bildes.

  Je weiter der Gegenstand von der Lochkamera entfernt ist, desto kleiner wird das Bild auf der Projektionsfläche (Schirm) erscheinen.

  Eine größere Blende zieht einzelne Details des Gegenstandes auseinander, was zu einem unscharfen und schwammigen Bild führen kann.

  Lösung

  Die Gegenstandsweite und die Blende haben jeweils einen entscheidenden Einfluss auf das Bild, das in einer Lochkamera entsteht:

  
  

  Einfluss der Gegenstandsweite
  Die Gegenstandsweite bezieht sich auf die Entfernung zwischen dem zu fotografierenden Gegenstand und dem Kameraloch (der Blende): Je weiter der Gegenstand von der Lochkamera entfernt ist, desto kleiner wird das Bild auf der Projektionsfläche (Schirm) erscheinen. Umgekehrt gilt: Je näher der Gegenstand an das Kameraloch heranrückt, desto größer wird das abgebildete Bild auf dem Schirm sein.
  Dieser Effekt entspricht der natürlichen Wahrnehmung: Wenn wir einen Gegenstand in der Ferne betrachten, dann erscheint er kleiner, während er größer wirkt, wenn er näherkommt. In der Lochkamera wird dieser Effekt auf das projizierte Bild übertragen.

  
  

  Einfluss der Blende
  Die Blende ist das Loch in der Wand der Lochkamera, durch welches das Licht von außen in den dunklen Raum gelangt. Die Größe der Blende beeinflusst direkt die Menge des einfallenden Lichtes: Eine größere Blende lässt mehr Licht durch, was zu einem helleren Bild führt. Eine kleinere Blende lässt weniger Licht durch, wodurch das Bild dunkler wird.
  Zusätzlich hat die Größe der Blende einen Einfluss auf Schärfe und Detailgenauigkeit des Bildes: Eine größere Blende zieht einzelne Details des Gegenstandes auseinander, was zu einem unscharfen und schwammigen Bild führen kann. Um Punkt für Punkt scharf abzubilden, sollte die Blende daher so klein wie möglich sein, damit unerwünschte Strahlen abgeblockt werden und die Schärfe verbessert wird.

  
  

  Die Gegenstandsweite beeinflusst die Größe des projizierten Bildes, während die Größe der Blende Helligkeit, Schärfe und Detailgenauigkeit des Bildes reguliert. Die optimale Abstimmung von Abstand, Abbildungsmaßstab und Blendengröße ist entscheidend, um ein detailgetreues Bild in der Lochkamera zu erzeugen.

• Berechne den Abbildungsmaßstab der Lochkamera für dieses Experiment.

  Tipps

  Die Formel, die du zur Berechnung benötigst, lautet:

  $\text{Abbildungsmaßstab} = \dfrac{\text{Bildgröße}}{\text{Gegenstandsgröße}}$

  Du musst nun aus der Aufgabenstellung entnehmen, welcher Wert die Bildgröße und welcher Wert die Gegenstandsgröße ist.

  In der gegebenen Aufgabe hast du also:

  • $\text{Bildgröße}=5~\text{cm}$
  • $\text{Gegenstandsgröße}=10~\text{cm}$

  Lösung

  Zuerst müssen wir die Größenangaben für die Bildgröße und die Gegenstandsgröße in der richtigen Einheit haben, um den Abbildungsmaßstab berechnen zu können. In der gegebenen Aufgabe haben wir:

  • $\text{Bildgröße}=5~\text{cm}$
  • $\text{Gegenstandsgröße}=10~\text{cm}$

  Da beide Größen in Zentimetern angegeben sind, können wir direkt den Abbildungsmaßstab berechnen:

  $\text{Abbildungsmaßstab} = \dfrac{\text{Bildgröße}}{\text{Gegenstandsgröße}} = \dfrac{5~\text{cm}}{10~\text{cm}} = 0{,}5$

  Der Abbildungsmaßstab beträgt also $0{,}5$. Das bedeutet, dass das projizierte Bild des zehn Zentimeter hohen Lineals auf der Projektionsfläche nur halb so groß ist, also fünf Zentimeter hoch erscheint.

• Erläutere, wodurch das Bild in einer Lochkamera entsteht.

  Tipps

  In einer Lochkamera werden keine Spiegel eingesetzt.

  Farbfilter werden in der Regel verwendet, um das Licht zu beeinflussen und Farbeffekte zu erzeugen.

  Licht gelangt von außen durch ein kleines Loch in der Wand in den dunklen Raum der Lochkamera.

  Lösung

  Das sind die vier Antwortmöglichkeiten mit der zugehörigen Erklärung:

  
  

  • durch das Bündeln von Lichtstrahlen

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: In einer Lochkamera wird das Bild nicht dadurch erzeugt, dass Lichtstrahlen gebündelt werden, etwa durch Linsen. Vielmehr gelangt Licht von außen nur durch ein kleines Loch in der Wand in den dunklen Raum der Lochkamera.

  
  

  • durch die Ausbreitung des gestreuten Lichtes

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: In einer Lochkamera wird das Bild durch die Ausbreitung des gestreuten Lichtes erzeugt. Das Licht von den außerhalb befindlichen Objekten wird in alle Richtungen gestreut und einige dieser gestreuten Lichtstrahlen erreichen das Loch und gelangen zur Rückwand der Kammer, die als Projektionsfläche oder Schirm dient. Auf dieser Projektionsfläche erscheint das umgekehrte Bild des äußeren Objektes.

  
  

  • durch den Einsatz von Spiegeln

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: In einer Lochkamera werden keine Spiegel verwendet, um das Bild zu erzeugen. Das Bild entsteht allein durch die Ausbreitung des Lichtes durch das Loch.

  
  

  • durch die Verwendung von Farbfiltern

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist ebenfalls falsch: In einer Lochkamera wird das Bild nicht durch die Verwendung von Farbfiltern verursacht. Farbfilter werden in der Regel genutzt, um das Licht zu beeinflussen und Farbeffekte zu erzeugen, haben aber keinen Einfluss auf die Bildentstehung an sich in einer Lochkamera.

• Beschreibe, welches Bild Frau Akay sieht.

  Tipps

  Das Bild, welches in einer Lochkamera entsteht, ist höhen- und seitenverkehrt.

  Das Bild steht auf dem Kopf und ist auch spiegelverkehrt.

  Die übliche Position der beobachtenden Person, wie es bei einer Lochkamera der Fall ist, ist hinter der Projektionsfläche.

  Lösung

  Das Bild, das in einer Lochkamera entsteht, ist höhen- und seitenverkehrt, was bedeutet, dass es auf dem Kopf steht und spiegelverkehrt ist. Dieser Effekt resultiert aus dem Strahlengang in der Lochkamera.

  In der Beschreibung der Lochkamera wird erklärt, dass Sonnenlicht von den Objekten außerhalb der Kamera in alle Richtungen gestreut wird. Einige dieser gestreuten Lichtstrahlen erreichen das kleine Loch in der Wand der Kamera und gelangen zur Rückwand der Kammer, die als Projektionsfläche oder Schirm dient. Die Lichtstrahlen, die durch das Loch treten, bilden ein Bild auf dem Schirm ab.

  Wenn wir den Weg der verschiedenen Lichtstrahlen betrachten, dann sehen wir, dass jeder Punkt des Gegenstandes, von dem Licht in gerader Linie durch das Loch hindurchtreten kann, als Bildpunkt auf dem Schirm erscheint. Hierbei erfolgt eine Brechung der Lichtstrahlen, die durch das Loch hindurchtreten: Punkte, die weiter oben auf dem Gegenstand liegen, erscheinen weiter unten auf dem Schirm, und Punkte, die weiter links auf dem Gegenstand liegen, erscheinen weiter rechts auf dem Schirm. Dadurch entsteht das höhen- und seitenverkehrte Bild.

  Dieser Effekt der Umkehrung der Lichtstrahlen tritt unabhängig von der Größe des Gegenstandes oder der Blende auf. Deshalb ist das Bild in einer Lochkamera immer höhen- und seitenverkehrt, es sei denn, es wird nachträglich durch Spiegel oder andere optische Elemente korrigiert. Dieser besondere Effekt der Lochkamera wurde von Künstlern wie Leonardo da Vinci genutzt, um beeindruckende Werke zu schaffen und ihre Kunstfertigkeit weiterzuentwickeln.

  Bei unserem Beispiel ist zu beachten, dass Frau Akay nicht – wie in den vorherigen Beispielen – von innen auf das Bild in der Lochkamera schaut, sondern von außen, also von hinten, auf den Schirm blickt.