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Wie funktioniert eine Lochkamera?

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Team Digital
Wie funktioniert eine Lochkamera?
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Grundlagen zum Thema Wie funktioniert eine Lochkamera?

Was ist eine Lochkamera?

Hast du den Begriff Camera obscura schon einmal gehört? Der erste Bestandteil dieses Namens klingt genauso wie Kamera und das ist kein Zufall. Der Begriff Fotokamera stammt nämlich von der Camera obscura. Allerdings bedeutet Camera eigentlich Kammer. Verbunden mit dem Wort obscura, das dunkel bedeutet, ergibt sich der Ausdruck dunkle Kammer. Und genau das ist eine Camera obscura: eine dunkle Kammer – aber mit einem kleinen Loch in der Wand.

Eine Camera obscura, deren Kammer nur so groß wie eine Schachtel oder Box ist, nennt man auch Lochkamera. Aber was ist so besonders an einem solchen Raum oder einer solchen Box mit einem Loch in der Wand? Und was hat das mit Fotokameras zu tun?

Wie funktioniert eine Lochkamera?

Wir betrachten eine kleine Box der Länge $b$, die bis auf ein kleines und kreisrundes Loch vollkommen lichtdicht ist. Außerhalb der Box steht eine Kerze auf der Seite der Box, auf der sich auch das kleine Loch befindet. Den Abstand zwischen Kerze und Box nennen wir $g$. Außerdem nennen wir die Verbindungslinie zwischen dem Loch und der rückwärtigen Wand optische Achse.

Wir können jetzt Lichtstrahlen einzeichnen, die von der Spitze der Kerze ausgehen. Weil sich die Strahlen immer geradlinig ausbreiten, gelangt für einen bestimmten Winkel zur optischen Achse ein kleines Bündel durch das Loch – und zwar genau das Bündel in geradliniger Verbindung zwischen dem Objektpunkt und dem Loch. So entsteht ein runder Bildpunkt auf der rückwärtigen Wand. Wie groß dieser Bildpunkt ist, hängt vom Durchmesser des Lochs ab.

Wir können jetzt ebenso die Strahlen einzeichnen, die vom unteren Ende der Kerze ausgehen. Auch hier gibt es einen Winkel, unter dem ein Strahlenbündel gerade durch das Loch läuft, das einen kreisrunden Bildpunkt an die rückwärtige Wand wirft. Alle anderen Strahlen werden ausgeblendet, also durch die Box abgeschirmt.

Lochkamera Physik – Beispiel der Abbildung

Für jeden anderen Punkt auf der Kerze könnte man nach dem selben Prinzip vorgehen und einen zugehörigen Bildpunkt auf der rückwärtigen Wand finden. Alle diese Punkte ergeben zusammen ein Bild der Kerze. Wir können allerdings schon anhand des oberen und unteren Strahlenbündels wichtige Eigenschaften der Lochkamera ablesen.

Die Eigenschaften der Abbildung mit einer Lochkamera

Die Strahlen kreuzen sich beim Durchqueren des Lochs. Das bedeutet, dass das Bild auf der Wand auf dem Kopf steht. Würden wir die Grenzstrahlen der rechten und linken Seite der Kerze zeichnen, würden sich diese ebenso kreuzen. Das Bild ist also auch seitenverkehrt.

Wenn wir die Höhe der Kerze mit $G$ und die Höhe des Bilds mit $B$ bezeichnen und den Strahlensatz anwenden, erhalten wir für die Abbildung mit der Lochkamera die Formel:

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

Wir können diese Formel auch nach der Bildhöhe umstellen:

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

Wenn die Höhe des Gegenstands gegeben ist, können wir die Bildgröße also ändern, indem wir entweder den Abstand $g$ zwischen Box und Gegenstand verändern oder eine längere oder kürzere Box benutzen.
Wir können diese Formel ebenso nach dem Abbildungsmaßstab $A$ umstellen. $A$ ist definiert als das Verhältnis von Bildgröße zu Gegenstandsgröße. So können wir für gegebene Abstände die Vergrößerung der Lochkamera berechnen:

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

Wir können noch eine weitere Eigenschaft der Lochkamera erkennen. Der Durchmesser der Strahlenbündel, die durch das Loch fallen können und damit die Größe der Bildpunkte bestimmen, hängen vom Durchmesser des Lochs ab. Auf den Abbildungsmaßstab hat die Lochgröße aber keinen Einfluss. Das heißt, dass die Bildpunkte immer stärker überlappen, wenn das Loch größer wird. Daher wird das Bild umso verschwommener, je größer das Loch wird. Umgekehrt wird es umso schärfer, je kleiner das Loch wird. Allerdings wird es auch dunkler und ist dadurch schlechter zu erkennen.

Blendengröße

Lochkamera, Camera obscura und moderne Fotokameras

Die beschriebenen Lochkameras kann man grundsätzlich genauso zum Fotografieren benutzen wie moderne Fotokameras. Man muss nur die Wand, auf die das Bild projiziert wird, durch einen fotosensitiven Film ersetzen und das Loch verschließbar machen. Man bezeichnet daher die Lochkamera auch als Vorgängerin der Fotografie. In modernen Kameras kann der Durchmesser des Lochs verändert werden – man spricht auch von der Blende der Kamera beziehungsweise von der Blendenöffnung. Außerdem sind sie zusätzlich mit Linsen ausgestattet und ermöglichen so mehr Flexibilität und eine wesentlich höhere Schärfe.

Eine Camera obscura ist eine sehr große Lochkamera. Früher wurden sie teilweise so groß gebaut wie kleine Hütten, sodass man die Camera obscura betreten konnte. Vor der Entwicklung der Fotografie nutzten manche Künstler außerdem das Prinzip der Camera obscura als Zeichenhilfe: Sie projizierten das Bild auf eine Leinwand, auf der sie die Projektion dann einfach abzeichnen konnten.

Abbildungsmaßstab

Zusammenfassung zum Thema Wie funktioniert eine Lochkamera?

Wir haben uns angesehen, was eine Lochkamera ist und wie sie funktioniert. Jetzt kannst du die Entstehung eines Bildes in der Lochkamera erklären. Außerdem hast du einen Überblick über den Einfluss, den verschiedene Größen und Abstände auf das Bild haben. Wir haben uns auch die Definition des Abbildungsmaßstabes angesehen.

Du kannst mit dem Wissen und der Erklärung auch selbst eine Lochkamera bauen – du brauchst nicht mehr als einen Schuhkarton. Neben Text und Video findest du zum Thema Lochkamera außerdem ein Arbeitsblatt und interaktive Übungen.

Transkript Wie funktioniert eine Lochkamera?

Das perfekte Bild detailreich, exakt, und dabei so lebendig! Wie ging das vor fünfhundert Jahren? – ganz ohne Handykameras! Nun, auch die Maler der Rennaissance hatten schon ihre Tricks. Wie Leonardo da Vinci, der die „Camera Obscura“ genutzt hat. Du fragst dich, was das ist? Das ist die älteste Form der Kamera, die sogenannte „Lochkamera“. In diesem Video lernst du, wie sie funktioniert. „Camera obscura“ bedeutet wörtlich „dunkle Kammer“ und das ist es auch, was sie ist. Ein dunkler Raum, in den Licht von außen nur durch ein kleines Loch in der Wand gelangen kann. Man kann das Ganze auch kleiner machen und ein Loch in eine geschlossene Schachtel bohren, aber bleiben wir mal bei der großen Version. Das Prinzip ist simpel: Von den Dingen außerhalb der Kammer wird Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut. Manche der gestreuten Lichtstrahlen erreichen das Loch, zum Beispiel von der sitzenden Mona Lisa, und gelangen so zur Rückwand der Kammer. Das ist die sogenannte „Projektionsfläche“ oder auch „der Schirm“. Dort erscheint die Mona Lisa als „Projektion“ oder einfach „Bild“. Jeder Punkt, von dem Licht in gerader Linie durch das Loch treten kann, wird als Bildpunkt auf dem Schirm abgebildet. Das führt dazu, dass das Bild auf dem Kopf steht, wie du am Weg der verschiedenen Lichtstrahlen erkennen kannst. Das Bild entsteht allein durch die Ausbreitung des gestreuten Lichts, ohne dass jemand etwas dafür tun muss. Allerdings ist es nur von kurzer Dauer. Hey, hiergeblieben! Wenn die Person, oder der „Gegenstand“, wie in der Optik allgemein gesagt wird, weit weg ist, ist das Bild kleiner. Rückt der Gegenstand näher heran, wird es größer. Die „Gegenstandsweite“ ist entscheidend. Das ist die Entfernung zwischen dem „Gegenstand“, und dem Kameraloch, das auch „Blende“ genannt wird. Die „Bildweite“ ist durch die Größe der Kamera festgelegt. Auch die „Gegenstandsgröße“ hat einen Einfluss auf das Bild. Denn ändert sich diese Größe, dann ändert sich auch die „Bildgröße“ entsprechend. Das Verhältnis zwischen „Bildgröße“ und „Gegenstandsgröße“ wird als „Abbildungsmaßstab“ bezeichnet. Wenn das Bild kleiner ist als der echte Gegenstand, wird der „Abbildungsmaßstab“ kleiner als Eins und beschreibt eine „Verkleinerung“. Aber auch eine „Vergrößerung“ ist mit einer Camera Obscura möglich. Allerdings wird das Bild dann sehr undeutlich. Das liegt vor allem an dem Loch, also der Blende. Die Blende muss groß genug sein, damit genügend Licht hindurch kann. Sonst ist das Bild zu dunkel und man kann nichts erkennen. Je größer die Blende aber wird, desto größer werden einzelne Details des Gegenstands auseinandergezogen. Diese Details überlappen dann auf dem Schirm, was zu einem schwammigen, unscharfen Bild führt. Um Punkt für Punkt scharf abzubilden, sollte die Blende daher so klein wie möglich sein, um unerwünschte Strahlen abzublocken. Abstand, Abbildungsmaßstab und Blendengröße müssen also gut aufeinander abgestimmt sein, damit Leonardo die Mona Lisa detailgetreu abpinseln kann. Fassen wir nochmal zusammen: Die Camera Obscura, oder Lochkamera, ist die einfachste Kamera, die es gibt. In ihr entsteht ein Bild, das auf dem Kopf steht. Je näher und größer der abgebildete Gegenstand, desto größer auch das Bild. Je größer die Blende, desto heller, aber auch unschärfer, das Bild. Die erreichte Vergrößerung oder Verkleinerung wird mit dem Abbildungsmaßstab beschrieben. Und hätte Leonardo die Mona Lisa wirklich eins zu eins mit einer Lochkamera abgemalt müsste sie heute eigentlich auf dem Kopf hängen.

3 Kommentare
3 Kommentare
  1. Hat geholfen…

    Von Sammy, vor 4 Monaten
  2. Hilfreich danke

    Von Niklas, vor mehr als einem Jahr
  3. Cool...

    Von Winter Rivera , vor fast 2 Jahren

Wie funktioniert eine Lochkamera? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wie funktioniert eine Lochkamera? kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.