Камера-обскура

Усовершенствованные и современные камеры-обскуры

С момента создания камеры-обскуры устройство постоянно совершенствовалось и продолжает совершенствоваться в настоящее время. Все современные фотоаппараты можно назвать улучшенной модификацией камеры-обскуры. Они работают по такому же принципу. 

В 1550 году итальянские ученые предложили вставлять в устройство линзу. Это позволяло получать более резкое изображение и управлять резкостью. Заднюю стенку обскуры сделали передвижной. 

В 1686 году Йоганесс Цан модернизировал устройство, создав портативную камеру. Изображение на ее экране уже не было перевернутым. Этого удалось добиться путем использования зеркал. Ученый расположил их внутри камеры под углом. Применять обскуру стало гораздо удобнее. 

Обскура, сконструированная французским физиком, представляла собой пирамиду четырехгранную. Она состояла из четырех реек. в верхней части рейки соединялись муфтами. В качестве экрана ученый предложил использовать белый фон, на который впоследствии начали наносить специальные закрепляющие реактивы. 

Интересные факты

• Израильская обнародовала последнюю разработку — миниатюрную видеокамеру, которая позволит поднять эндоскопические процедуры на новый уровень. Диаметр новой камеры составляет 0,99 мм. Такие камеры встраиваются в медицинские аппараты и в инструменты. Это самая маленькая видеокамера в мире.
• Китайские ученые изобрели скрытую камеру, замаскированную под электрическую зубную щетку «Oral-B». Скрытая камера делает запись размером 640×480 в формате AVI, используя встроенную флэш-память на 8 Гб. Это точная копия электрической зубной щетки стоимостью $234.

Скрытая камера в зубной щетке «Oral-B»

• Систему уличного видеонаблюдения впервые испытали в 1956 году в городе Гамбург. Она предназначалась для мониторинга и корректировки трафика: следя за картинкой на мониторе, полицейские переключали сигналы светофора. Спустя три года уже и в других городах Западной Германии установили подобные системы. В 1960 году на знаменитой Трафальгарской площади в Лондоне была установлена первая стационарная камера видеонаблюдения, которая наблюдала за обстановкой в публичных местах. Именно в Великобритании начало развиваться это направление.
• Первая веб-камера была создана в 1991 году в Кембриджском университете. Ее создателями явились студенты, решившие сконструировать устройство для отслеживания очереди к кофеварке.
• Первая цифровая видеокамера для мобильного телефона была выпущена в 2001 году и имела разрешение 0,3 мегапикселя.

Прототипы прибора

В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер решил создать свою камеру-обскуру. Для этого он установил палатку в поле, сделал в ней отверстие и вставил туда линзу. Он наблюдал, как на прикрепленном листе бумаги, находящемся напротив линзы, возникало перевернутое изображение внешнего мира. Естественно, это можно было рассмотреть, когда солнечные лучи проходили сквозь стекло в палатке.

Новый тип камеры-обскуры удалось создать в том же XVII веке Иоганну Цану. В изобретенном им ящике находилось зеркало под углом 45 градусов по отношению к линзе. Изображение, которое возникало в момент прохождения света через линзу, отражалось на верхней части ящика, покрытой матовым стеклом с калькой. Благодаря этому Цан мог обводить по контуру появившееся изображение. Можно сказать, что это была в своем роде фотография. Среди других достижений Цана числится похожая камера-обскура, только меньшего размера и уже со встроенной линзой. Это был прообраз прибора, которым спустя сто пятьдесят лет будет пользоваться известный изобретатель фотографии Жозеф Ньепс.

Использование устройства

Чтобы понять принцип работы прибора, необходимо созданную своими руками камеру обскура направить на интересующий предмет, который отобразится на импровизированном экране. Для фокусировки изображения нужно подвигать экран вперед или назад. Увеличивая размер круглого отверстия с помощью спицы, а также более крупного инструмента, можно наблюдать за изменениями изображаемого предмета. Меняя расстояние между камерой и объектом, вы добьетесь того, что будет меняться четкость картинки. Заменив пропитанный маслом лист на чистый, можно нанести контур изображенного предмета.

Цифровая фотосъемка

Цифровая фотосъемка

В декабре 1975 года изобрели первую цифровую камеру, весом 3,5 кг. Она включала в себя десятки плат и кассетный проигрыватель. Работала камера на 16 никель-кадмиевых батареях. Сделал ее Стив Сассон, который работал инженером в фирме Kodak. Изображение делалось за 23 секунды и сохранялось на магнитную кассету. Данный проект послужил началом цифровой фотосъемки. Впоследствии были сделаны доработки, чтобы камера стала более удобной и доступной массовой аудитории. 

Сейчас мы делаем фотографии без особого труда. Такая функция есть на каждом телефоне — нужно лишь сделать одно или два движения. Уже трудно представить, какой была бы жизнь без фотографии. Улыбочку!… 

Заключение

Современные профессиональные цифровые «зеркалки» ничем не напоминают те допотопные приборы, с которых начиналась фотография. Но, отмечая 19 августа профессиональный праздник всех фотографов мира, следует вспомнить тех, кто стоял у истоков светописи, кто своим трудом и пытливостью дал нам возможность наслаждаться всеми теми возможностями, которые сейчас дает нам фотография.

История

Первые камеры-обскуры представляли собой затемнённые помещения (или большие ящики) с отверстием в одной из стен. Упоминания о камере-обскуре встречаются ещё в V—IV веке до н. э. — последователи китайского философа Мо-цзы (моисты) описали возникновение перевёрнутого изображения на стене затемнённой комнаты. Возможно, упоминание о камере-обскуре встречаются у Аристотеля, который задавался вопросом, каким образом может возникать круглое изображение Солнца когда оно светит через квадратное отверстие.

В XI веке арабский учёный Ибн аль-Хайсам (Альхазен) из Басры пользовался специальными палатками для наблюдений за затмениями Солнца. Зная, как вредно смотреть на солнце невооружённым глазом, он делал маленькое отверстие в пологе палатки и рассматривал изображения солнца на противоположной стенке. Альхазен был первым, кто объяснил принцип действия камеры-обскуры, основываясь на принципе прямолинейности распространения света. При этом он сделал вывод, что общепринятая в те годы теория распространения света (согласно которой лучи света исходят из глаз и как бы «ощупывают» объект) не соответствует действительности.

В средние века камера-обскура неоднократно использовалась для астрономических наблюдений. Так, в XIII веке английский философ Роджер Бэкон и французский астроном Гильом де Сен-Клу использовали её для наблюдения солнечных затмений, астрономы XIV века Леви бен Гершом и Ибн аш-Шатир использовали камеру-обскуру для измерения углового диаметра Солнца (у Леви бен Гершома — также планет).

Фрагмент пейзажа Яна Вермеера Дельфтского, созданный при помощи камеры-обскуры.

Камера-обскура в г. Мюльхайм-на-Руре (Северный Рейн-Вестфалия)

Судя по всему, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи. Он также подробно описал её в своём «Трактате о живописи». В 1686 году Йоганн Цан спроектировал портативную камеру-обскуру, оснащённую зеркалом, расположенным под углом 45° и проецировавшим изображение на верхнюю горизонтальную стенку ящика. Бумага укладывалась на стеклянное окно в стенке горизонтально, а изображение на ней не было перевёрнуто вверх ногами, облегчая рисование.

Некоторые художники (например, Вермеер) использовали камеру-обскуру для создания своих произведений — пейзажей, портретов, бытовых зарисовок. Камеры-обскуры тех времён представляли собой большие ящики с системой зеркал для отклонения света.

Исаак Ньютон в своей монографии «Оптика» описывает принцип работы аппарата похожего на камеру-обскуру, но отличающегося устройством. В России в середине XVIII века имела распространение камера-обскура, носившая название «махины для снимания першпектив». Видописец Махаев с помощью «махины для снятия санктпетербургского прошпекту», изготовленной подмастерьем «инструментального художества» Тирютиным в инструментальной палате Академии наук, успешно выполнил перспективные виды Петербурга, Петергофа, Кронштадта и других русских городов.

Часто вместо простого отверстия использовался объектив (обычно одиночная линза), что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. С развитием оптики объективы усложнялись, а после изобретения светочувствительных материалов камеры-обскуры стали первыми фотокамерами.

Однако и в настоящее время некоторые фотографы используют так называемые «стено́пы» — фотоаппараты с маленьким отверстием вместо объектива. Изображения, полученные при помощи таких камер, отличаются своеобразным мягким рисунком, идеальной линейной перспективой и предельно большой глубиной резкости.

В дофотографическую эру применялась также камера-люцида, изобретённая в 1807 году английским физиком Волластоном — четырёхгранная призма, при определённом угле зрения совмещающая мнимое изображение пейзажа с листом бумаги, на котором делается зарисовка.

Открытия в сфере оптики

Камера-обскура — это изобретение, породившее стремление познавать оптику. В результате начались открытия физических законов в области отражения света. Первым, кто их использовал в своих научных трудах, был Кеплер. Это случилось в 1604 году. И уже через пару лет Галилей сконструировал достаточно сложный телескоп. Еще через два года Кеплер обосновал теорию линз, которая была принята учеными.

Давно было замечено, что влияние солнечного света на окружающий мир весьма велико. Например, было установлено его воздействие на соли серебра, из-за чего серебряные изделия заметно темнеют. Это явление положило начало великой истории фотографии.

Первым, кто смог доказать эту теорию, был физик Иоганн Шульце. В XVIII веке он проводил эксперименты по созданию светящегося в темноте вещества. В ходе своего опыта ученый смешал азотную кислоту, в составе которой было растворенное серебро, с мелом. Профессор заметил, что жидкость, находясь на солнце, постепенно темнеет. Обнаружив это явление, Шульце поставил несколько экспериментов, использовав фигурки и буквы. Он вырезал фигуры из бумаги и приложил к бутылке с раствором. В ходе этого эксперимента удалось получить фотографические отпечатки на меле, смешанном с серебром

Не подозревая о важности своего открытия, он взбалтывал бутылку, после чего изображение терялось. Результаты этого эксперимента физик опубликовал через несколько лет

Что это такое?

Камера-обскура считается прототипом современного фотоаппарата. В переводе с латинского языка это значит «темная комната». Представляет собой простое оптическое устройство, с помощью которого на экране получаются изображения отображаемых предметов. Внешне это темная коробка, не пропускающая свет, с отверстием и экраном, покрытым тонкой бумагой белого цвета либо матовым стеклом.

При этом отверстие располагается на одной стороне, а экран – на другой, противоположной. Эффект устройства весьма необычный. При прохождении луча через отверстие света объект отображается на противоположной по отношению к отверстию стенке в перевернутом и уменьшенном виде. Этот принцип сохраняется и сегодня в некоторых фотокамерах.

Первые зеркальные цифровые фотоаппараты

Простые цифровые мыльницы действительно завоевали рынок и внимание покупателей. Но вот профессиональные фотографы не стремились переходить на цифровые камеры

Производители до 2011 года занимались только компактными камерами, а профессиональный рынок не тревожили. Но так не могло продолжаться вечно.

В 2001 году компания Minolta создана камеру Dynax 7 Digital с матрицей разрешением 6 Мп. Это была первая и весьма серьезная заявка на победу и занятие ключевой доли в этой нише. Эта камера обладала вполне себе внушающими характеристиками, что сразу заметили профессиональные фотографы. Чуть позже присоединились Canon и Nikon и даже Pentax.

Dynax 7 Digital

Результат: в 2003 году появился девайс Canon EOS 300D, и он может считать первым доступным широкому потребителю зеркальным фотоаппаратом со сменным объективом. Способствовало продвижению этой камеры еще и то, что в нее можно было «вкрутить» объектив от пленочного фотоаппарата.

В 2003 году также были анонсирована камера от Pentax, а еще спустя несколько лет появилась на свет модель E-1 от Olympus с отличающейся технологией крепления объектива. Эта технология была свободной и после ее подхватили другие независимые производители фотоаппаратов и оптики.

Наконец, в 2005 году Canon показывает миру первую доступную камеру с полнокадровой матрицей и разрешением 12.7 Мп. Это была модель EOS 5D, и стоила она около 3000 долларов. Данный девайс на тот момент был вне конкуренции, и даже сейчас является лучше многих современных зеркальных фотоаппаратов.

Именно эту камеру (EOS 5D) можно считать точкой отсчета. После нее стали появляться те зеркалки, которые мы видим на данный момент на полках магазинов. Неплохо преуспел в этом Nikon – бренд спустя 2 года создал достойных конкурентов с полнокадровыми матрицами – камеру D3 и D700.

Nikon D3

Кэнон достойно ответил – презентовал фотоаппарат Canon 5D Mark II. Эта модель превосходила по некоторым параметрам  модели от Nikon, хотя ничего нового показать уже не могла априори. Так и началась эпоха совершенствования зеркальных фотоаппаратов, и эту борьбу гигантов мы наблюдаем по сей день.

Выбор размера точечного отверстия

До определенного момента, чем меньше отверстие, тем резче изображение, но тем ярче проецируемое изображение. Оптимально, размер апертуры должен составлять 1/100 или меньше расстояния между ней и проецируемым изображением.

В определенных пределах меньшее отверстие (с более тонкой поверхностью, через которую проходит отверстие) приведет к более резкому разрешению изображения, поскольку проецируемый круг нерезкости в плоскости изображения практически такого же размера, как и отверстие. Однако очень маленькое отверстие может привести к значительным дифракционным эффектам и менее четкому изображению из-за волновых свойств света. Кроме того, виньетирование происходит, когда диаметр отверстия приближается к толщине материала, в котором оно пробито, потому что стороны отверстия препятствуют проникновению света под углом, отличным от 90 градусов.

Лучшее отверстие — идеально круглое (поскольку неровности вызывают дифракционные эффекты более высокого порядка) и в очень тонком куске материала. Для изготовления точечных отверстий, производимых в промышленных масштабах, можно использовать лазерное травление, но любитель все еще может создавать отверстия достаточно высокого качества для фотографических работ.

Метод расчета оптимального диаметра точечного отверстия был впервые использован Йозефом Петцвалем . Наиболее резкое изображение получается при использовании размера точечного отверстия, определяемого по формуле

d знак равно 2 ж λ {\ displaystyle d = 2 {\ sqrt {f \ lambda}}}

где d — диаметр точечного отверстия, f — фокусное расстояние (расстояние от точечного отверстия до плоскости изображения), а λ — длина волны света.

Для стандартной черно-белой пленки длина волны света, соответствующая желто-зеленому (550 нм ), должна дать оптимальные результаты. При расстоянии от отверстия до пленки 1 дюйм (25 мм) получается отверстие диаметром 0,236 мм. Для 5 см подходящий диаметр — 0,332 мм.

Глубина резкости в основном бесконечна , но это вовсе не означает , что нет оптической размытости не происходит. Бесконечная глубина резкости означает, что размытость изображения зависит не от расстояния до объекта, а от других факторов, таких как расстояние от апертуры до плоскости пленки , размер апертуры, длина волны (-и) источника света и движение объекта. или холст. Кроме того, фотография с отверстиями не может избежать эффекта дымки .

Пример 20-минутной экспозиции, снятой камерой-обскурой

Фотография, сделанная камерой-обскурой с выдержкой 2 с.

График зависимости предела разрешения камеры-обскуры от фокусного расстояния (расстояния до изображения).

В 1970-х Янг измерил предел разрешения камеры-обскуры как функцию диаметра обскуры и позже опубликовал учебное пособие в «Учителе физики». Частично для того, чтобы обеспечить разнообразие диаметров и фокусных расстояний, он определил две нормированные переменные: радиус точечного отверстия, разделенный на предел разрешения, и фокусное расстояние, разделенное на величину s 2 / λ, где s — радиус крошечного отверстия, а λ — длина волны свет, обычно около 550 нм. Его результаты представлены на рисунке.

В левой части графика большое отверстие с геометрической оптикой; предел разрешения примерно в 1,5 раза больше радиуса точечного отверстия. (Паразитное разрешение также наблюдается в пределе геометрической оптики.) На правой стороне точечное отверстие маленькое, и применима дифракция Фраунгофера ; предел разрешения задается формулой дифракции в дальней зоне, показанной на графике, и теперь увеличивается по мере того, как точечное отверстие становится меньше. В области дифракции в ближнем поле (или дифракции Френеля ) точечное отверстие немного фокусирует свет, и предел разрешения минимизируется, когда фокусное расстояние f (расстояние между точечным отверстием и плоскостью пленки) определяется как f = s 2 / λ. На этом фокусном расстоянии точечное отверстие немного фокусирует свет, а предел разрешения составляет около 2/3 радиуса крошечного отверстия. Точечное отверстие в этом случае эквивалентно зонной пластине Френеля с единственной зоной. Значение s 2 / λ в некотором смысле является естественным фокусным расстоянием точечного отверстия.

Соотношение f = s 2 / λ дает оптимальный диаметр точечного отверстия d = 2 √ fλ , поэтому экспериментальное значение немного отличается от оценки Petzval, приведенной выше.

Первые фотографии

Начиная с XVIII века возрос спрос на портреты. Учитывая то, что в то время это было дорогое удовольствие, альтернативой живописному портрету стали результаты новых изобретений. Такой портрет создавался при помощи обводки силуэта, который проектировался на бумагу. Затем заготовку вырезали и наклеивали. В 1786 году Жиль-Луи Кретьен придумал обводку лица. Процесс был похож на очерчивание силуэта, однако это изображение потом гравировалось на медной пластинке, с которой делали оттиски на бумаге.

Первая фотография была получена в 1822 году. Это удалось сделать французскому изобретателю Жозефу Ньепсу. Самой старой фотографией, которая смогла уцелеть, стал снимок, сделанный Ньепсом из окна в 1826 году при помощи камеры-обскуры. Она имела оловянную пластинку, покрытую легким слоем асфальта. Создать изображение было затруднительно, поскольку сам процесс фотографирования длился целых восемь часов, да еще и при ярком свете дня. Тем не менее это был настоящий прогресс, так как уже не предусматривалось наличие темной комнаты для получения изображения.

Использование камеры в жизни

Зная принцип действия камеры-обскуры, можно использовать это явление для создания примитивных фотоаппаратов и даже домашних кинотеатров. В давние времена люди просверливали небольшое отверстие в стенах, выходящих на улицу, и имели возможность наблюдать на стене противоположной то, что происходит за окном. Когда в домах не было телевизоров, это было вполне интересным развлечением. 

В настоящее время это потеряло актуальность, но многие начинающие художники используют такой прием. Чтобы расписать стены, изобразить на них красивый пейзаж, можно создать импровизированную камеру, завесив шторы и сделав в плотном материале небольшое отверстие. Используя крупные линзы, можно перевернуть изображение и сделать наброски, а затем доработать картину. 

Современные фотографы для создания интересных работ используют стеноп. Он является современной модификацией камеры-обскуры. Внешне он выглядит как обычный фотоаппарат, но объектив закрыт крышкой, в котором просверлено небольшое отверстие. Фотографии получаются необычными, с четко выраженной линией перспективы. 

В настоящее время примитивные камеры-обскуры используют для:

• науки и образования;
• получения необычных фотографий;
• демонстрации. 

В некоторых городах камеры установлены в музеях или даже на открытых площадках, чтобы люди могли своими глазами увидеть то, чем пользовались их предки, а также понять, как работает данное изобретение. 

Как сделать камеру-обскуру самостоятельно

Поэкспериментировать со светом и изображением могут даже люди, не имеющие отношения к фотографии и живописи. Для создания примитивной камеры-обскуры нужно взять спичечный коробок, проделать в нем небольшое отверстие, а на противоположную боковую внутреннюю часть прикрепить фотобумагу. Коробок нужно поставить на подоконник или на открытую площадку на 4-6 часов, после чего его можно будет открыть и оценить результат. На фотобумаге проявится изображение. По такому же принципу камеру-обскуру можно сделать из жестяной банки из под чая, из обувной коробки.

В данном опыте можно использовать также фотопленку, но только не засвеченную. Диаметр отверстия в коробке должен быть совсем небольшим. Если сделать его более крупным, эксперимент не удастся из-за засвечивания пленки. 

Фотолюбители могут сделать более сложную модель камеры. Для этого потребуются:

• крышка от корпуса камеры;
• кусок алюминия квадратный (можно вырезать из пивной банки);
• иголка;
• бумага наждачная;
• изолента черного цвета. 

В крышке корпуса камеры необходимо просверлить отверстие. Диаметр отверстия — 5 мм. Все неровности следует зашлифовать бумагой наждачной. 

В кусочке алюминия также нужно проделать отверстие. Далее нужно соединить алюминиевый квадрат с корпусом. Сделать это удобно при помощи изоленты

Важно, чтобы отверстия совпадали. Далее нужно прикрепить крышку к объективу и приступить к съемке.Так как диафрагма в данном случае будет максимально закрытой, рекомендуется использовать штатив

Так снимки получатся более четкими. 

Строительство

Самодельная камера-обскура (слева), завернутая в черный пластик для предотвращения утечки света, и сопутствующие материалы для проявки.

Фотоаппарат-обскура может быть изготовлен фотографом вручную для определенной цели. В своей простейшей форме фотографическая камера-обскура может состоять из светонепроницаемой коробки с отверстием на одном конце и куска пленки или фотобумаги, вклиниваемой или приклеенной к другому концу. В качестве шторки можно использовать лоскут из картона с тесьмой на петле. Точечное отверстие можно пробить или просверлить с помощью швейной иглы или сверла небольшого диаметра в куске фольги, тонком алюминиевом или латунном листе. Затем этот кусок приклеивается к внутренней части светонепроницаемой коробки за отверстием, прорезанным в коробке. Цилиндрический контейнер для овсянки может быть превращен в камеру-обскур.

Внутренняя часть эффективной камеры-обскуры черная, чтобы избежать отражения падающего света на фотографический материал или экран.

Камеры-обскуры могут быть сконструированы со скользящим держателем пленки или задней стенкой, чтобы можно было регулировать расстояние между пленкой и отверстием-обскурой. Это позволяет изменять угол обзора камеры, а также эффективное соотношение диафрагмы камеры. Перемещение пленки ближе к отверстию приведет к расширению поля зрения и сокращению времени экспозиции. Перемещение пленки дальше от отверстия приведет к телефото или узкоугольному обзору и увеличению времени экспозиции.

Камеры-обскуры также могут быть сконструированы путем замены узла объектива в обычной камере на точечное отверстие. В частности, компактные 35-миллиметровые камеры, объектив и фокусирующий узел которых были повреждены, могут быть повторно использованы в качестве камер-обскур, сохраняя при этом затвор и механизмы наматывания пленки. В результате огромного увеличения числа f при сохранении того же времени экспозиции необходимо использовать светосильную пленку при прямом солнечном свете.

Точечные отверстия (самодельные или коммерческие) можно использовать вместо объектива на SLR. Использование с цифровой зеркальной фотокамерой позволяет производить замер и композицию методом проб и ошибок и фактически бесплатно, поэтому это популярный способ попробовать фотографию с отверстиями.

Необычные материалы были использованы для изготовления камер-обскур, например, китайская жареная утка Мартина Ченга.

Камера-обскура и живопись XVI-XVII веков

В самом начале XVI века мастера по стеклу научились делать качественные призмы и линзы больших размеров. С этого момента камера-обскура могла проецировать изображение любой высоты, причем они уже не были перевернутыми вверх ногами. Однако один недостаток сохранялся: проекция получалась зеркально отраженной. По этой причине на картинах XVI века встречается неожиданно много левшей. Красноречивый пример оставил Петер Герритс ван Ройстратен, ученик Франса Хальса. На его картине «Безнравственная кухарка» 1670 года леворукие не только все три героя, но даже обезьянка!

Еще одна особенность применения камеры-обскуры — появление нечетких фрагментов, которые оказались не в фокусе. Такие несовершенства встречаются, например, у Яна Вермеера. Его друг Антоний Филлипс ван Левенгук был ученым, создавал собственные линзы и микроскопы, так что Вермеер точно был знаком с подобными устройствами. Профессиональный фотограф легко разглядит на его знаменитой «Молочнице» слегка размытую корзину с хлебом. Она выглядит нечеткой не только в репродукциях, но и на подлиннике.

Чтобы всё изображение оказалось в фокусе, холст под проекцией нужно двигать. Но это вызывает искажение пропорций, которое тоже нередко встречается в живописи того периода. Например, у «Антеи» Пармиджанино неправдоподобно большое плечо, а у «леди Дженовезе» Антониса Ван Дейка — слишком маленькая голова.