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.

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.

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.

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.