Камера обскура что это такое: Камера-обскура

Камера обскура — HiSoUR История культуры

Камера-обскура — это темная комната с дырой в стене, которая используется в качестве метафоры для человеческого восприятия и для создания изображений. Если темная комната размером с коробку, говорят о камере-обскуре.

Камера-обскура (темная камера), также называемая изображением-обскуры, является естественным оптическим явлением, которое возникает, когда изображение сцены на другой стороне экрана (или, например, стены) проецируется через небольшое отверстие в этот экран как перевернутое и перевернутое изображение (слева направо и вверх ногами) на поверхности, противоположной отверстию. Окружение проецируемого изображения должно быть относительно темным, чтобы изображение было четким, поэтому многие исторические эксперименты с обскурой камеры проводились в темных помещениях.

Термин «камера-обскура» также относится к конструкциям или устройствам, которые используют принцип внутри ящика, палатки или помещения. Камера-обскура с линзой в проеме использовалась со второй половины 16-го века и стала популярной в качестве пособия для рисования и рисования. Коробка для камеры-обскуры получила дальнейшее развитие в фотографической камере в первой половине XIX века, когда коробки для камеры-обскуры использовались для экспонирования светочувствительных материалов на проецируемом изображении.

В то время как технические принципы камеры-обскуры были известны еще в древности, использование технической концепции для производства изображений с линейной перспективой на картинах, рисунках, картах, архитектурных реализациях, а затем и на фотографиях было только в (или, ср. Эрвин Панофский, Ренессанс европейского искусства и научная революция современности. Среди прочего, Леонардо да Винчи использовал камеру-обскуру в качестве изображения глаза, Рене Декарт для взаимодействия между глазом и сознанием, а Джон Локк начал использовать этот принцип в качестве метафоры самого человеческого сознания. Это современное использование камеры-обскуры в качестве «эпистемической машины» имело важные последствия для развития научного мышления.

Камера-обскура использовалась как средство для изучения затмений без риска повреждения глаз, если смотреть прямо на солнце. В качестве средства для рисования камера-обскура позволяла отслеживать проецируемое изображение для получения очень точного изображения, что особенно ценится как простой способ достижения правильной графической перспективы.

До того, как термин «камера-обскура» был впервые использован в 1604 году, многие другие были засвидетельствованы: «cubiculum obscurum», «cubiculum tenebricosum», «conclave obscurum» и «locus obscurus».

Устройство камеры-обскуры без объектива, но с очень маленьким отверстием иногда называют «камерой с точечным отверстием», хотя это чаще относится к простым (самодельным) камерам без объектива, в которых используется фотопленка или фотобумага.

Физическое объяснение
Лучи света распространяются по прямым линиям и изменяются, когда они отражаются и частично поглощаются объектом, сохраняя информацию о цвете и яркости поверхности этого объекта. Освещенные объекты отражают лучи света во всех направлениях. Достаточно маленькое отверстие на экране пропускает только лучи, которые проходят прямо из разных точек сцены на другой стороне, и эти лучи формируют изображение этой сцены, когда они собираются на поверхности, противоположной отверстию.

Человеческий глаз (так же как и у других животных, включая птиц, рыб, рептилий и т. Д.) Работает во многом как камера-обскура с отверстием (зрачок), двояковыпуклой линзой и поверхностью, на которой формируется изображение (сетчатка).

Принцип
Поскольку свет отражается объектами во всех направлениях в соответствии с их собственными качествами поглощения, отражения, диффузии, каждая точка на поверхности экрана получает световые лучи от всех окружающих объектов; эти лучи смешиваются и объединяются (аддитивный синтез). Экран выглядит белым (или основной оттенок, освещающий декор).

Ограничивая внешний свет так, чтобы его световые лучи, исходящие из декора, входили только в одну точку темной комнаты, экран, перехватывающий этот свет, будет принимать в каждой точной точке своей поверхности только полученные лучи в прямая линия (принципы геометрической оптики) из единой точки декорации, расположенной напротив стены с отверстием. Мы увидим на экране изображение перевернутого (слева / справа) и перевернутого (сверху / снизу) декора за пределами темной комнаты.

Проецируемое изображение является реальным, поскольку оно принимается на экране (независимо от того, присутствует глаз наблюдателя или нет): инструмент называется «объективным».

Принцип описан у Аристотеля и неоднократно упоминается авторами 13-го века (Роджер Бэкон, Уильям Сен-Клу).

Технологии
Устройство камеры-обскуры состоит из ящика, палатки или комнаты с небольшим отверстием с одной стороны. Свет от внешней сцены проходит через отверстие и попадает на поверхность внутри, где сцена воспроизводится, переворачивается (таким образом вверх ногами) и переворачивается (слева направо), но с сохранением цвета и перспективы.

Чтобы получить достаточно четкое проецируемое изображение, диафрагма должна быть примерно на 1/100 расстояния от экрана или меньше.

По мере того, как отверстие становится меньше, изображение становится более резким, но проецируемое изображение становится более тусклым. Однако при слишком маленьком отверстии резкость ухудшается из-за дифракции.

На практике камеры-обскуры используют линзу, а не точечное отверстие (как в камере с точечным отверстием), потому что она позволяет увеличить апертуру, давая полезную яркость при сохранении фокусировки.

Если изображение попадает на полупрозрачный экран, его можно просматривать сзади, чтобы оно больше не переворачивалось (но все равно переворачивалось).

Используя зеркала, можно проецировать изображение правой стороной вверх. Проекция также может быть перенаправлена ​​на горизонтальную поверхность (например, на стол). Надземная версия 18-го века в палатках использовала зеркала внутри своего рода перископа на верхней части палатки.

Камерная камера-обскура часто имеет наклонное зеркало, проецирующее прямое изображение на кальку, расположенную на стеклянной крышке. Хотя изображение просматривается сзади, оно теперь переворачивается зеркалом.

Структура
Камера-обскура состоит из светонепроницаемой коробки или комнаты, в которой свет освещенной сцены попадает на противоположную заднюю стенку через узкое отверстие. На задней стене есть перевернутое и перевернутое изображение этой сцены. Картинка тусклая и хорошо видна, только если она достаточно затемнена. Если задняя стенка прозрачная, вы также можете просматривать изображение снаружи, если обеспечите достаточное затемнение, например, с помощью непрозрачной ткани, которая покрывает заднюю стенку и голову зрителя.

Как это устроено
Если свет падает через сходящуюся линзу или небольшое отверстие в другом светонепроницаемом полом корпусе, это создает перевернутое и перевернутое изображение, проекцию внешнего пространства. Схематическое изображение в правом верхнем углу показывает две балки, которые входят в отверстие из двух точек объекта. Малый диаметр безеля сводит пучки к небольшому углу раскрытия и предотвращает полное перекрытие световых лучей. Лучи из верхней области объекта падают на нижний край проекционной поверхности, лучи из нижней области направлены вверх. Каждая точка объекта показана в виде диска на проекционной поверхности. Наложение изображений среза создает изображение без искажений. Математически выраженное изображение является результатом свертки из идеального представления объекта с площадью апертуры.

Геометрия изображения сходящейся линзы
Обозначает G высоту объекта (= фактический размер рассматриваемого объекта), g ширину объекта (= расстояние от объекта до объектива), b ширину изображения (= расстояние от перфорированного диска до фокусирующего экрана) и B высота изображения (= высота изображения, созданного на экране фокусировки), применяется следующее:

Б / Г = б / г

Уравнение также известно из геометрической оптики как уравнение 1-й линзы. Для математического вывода делается ссылка на набор лучей в геометрии. Размер изображения зависит только от расстояний, но не от размера апертуры или размера отверстия.

использование
Ранее он использовался в качестве помощи для рисования. Изображение, проецируемое на бумагу или другую подложку, может служить ориентиром для рисования на нем. Впоследствии, когда были обнаружены светочувствительные материалы, темная камера превратилась в камеру с точечным отверстием (ту, которая использует простое отверстие в качестве цели).

Эти камеры были очень ограничены необходимостью установить диаметр отверстия: достаточно маленький, чтобы изображение имело приемлемое определение; достаточно большой, чтобы время выдержки было не слишком долгим.

Использование темной камеры было большим стимулом для разработки способа получения постоянных и автоматических изображений. Это можно считать основой того, что мы знаем сегодня как фотографию.

Темная Палата и Алхимия
Темная камера, хотя и была создана в ответ на нужды художников и ученых, в древние времена была известна как «волшебная шкатулка» и была тесно связана с фантастическим животным: единорогом. Были найдены различные записи и зарисовки, описывающие темную камеру, но дыра и эффект создания изображений, характеризующих ее, могли возникнуть только в том случае, если «коробка» была пронзена рогом единорога.

С четвертого века маги и алхимики исследуют явления, связанные со светом и образами. Фата Моргана, колдунья двора и сестра Артуро, завидующая престижу Мерлина, сумела украсть секреты мага, чтобы попытаться использовать их, среди них было найдено следующее письмо: «(…) Глаз волшебной шкатулки должны быть пронзены рогом единорога; иначе это будет совершенно неэффективно. (…) »Эта вера длилась до одиннадцатого века, и считалось, что единороги были уничтожены использованием, которое было дано их рогам, чтобы использовать их, как описано выше. У Мерлина появилось первое упоминание об этом животном и его участии в «искусстве изучения образов».

Цунг Чинг Пунг, алхимик шестого века, сделал следующую ссылку: «(…) Чтобы получить красивые и деликатные репродукции, как лесов и озер, так и всего остального в целом, необходимо иметь рог единорог Ycung — * Kuo (…) ».

Абдель-эль-Камир не описывает темную комнату как своего современного Мерлина. Тем не менее, он дает рецепт того, как приготовить светочувствительную эмульсию; Это фотопленка. Вплоть до одиннадцатого века, с алхимиком Адойюром, впервые использовалась темная камера (по его словам, волшебная камера) с необычайно чувствительной эмульсией, которая позволяла ему печатать движущиеся изображения с линзой.

Намеки на единорога Мерлина и Цунг Чинг Пуна расплывчаты; в одном из Adojuhr происходит обратное, так как он дает подробное и подробное описание этого животного. Кроме того, он также указывает на полезность рога различных видов для бурения «цели» магических коробок. Стенограмма Adojuhr: «(…) Рог единорога берется, заостренный кончиком, и с его помощью на любой светящейся поверхности делается небольшое отверстие. Через эту дыру они смогут проходить, сжимая свою сущность, всевозможных людей, предметы и места, то же самое, что нужно будет аккуратно хранить в картонной коробке, где они останутся на вечность, чтобы вынуть, когда кому-то понадобится их (…) ».

Другая функция, которая также была дана этому волшебному ящику, состоит в том, чтобы «захватывать злых духов» и находить способ уничтожить их, в представлениях алхимика предыдущий виден более отчетливо. Считалось, что существовали разные виды единорогов, и каждый из них по-разному использовался в магических коробках.

Темная камера как шоу
Некоторые темные камеры были построены как туристические достопримечательности, но все меньше их сохранилось. Некоторые примеры можно найти в Грахамстауне (Южная Африка), в башне Тавира в Кадисе (Испания) и в Дамфрисе и Эдинбурге (Шотландия).

ХРАМЫ – ТЕЛЕСКОПЫ | Наука и жизнь

Это открытие могло быть сделано тысячу лет назад. Мимо него прошли естествоиспытатели Возрождения. Мимо него прошёл даже великий Галилей, хотя открытие было буквально у него под ногами: случайные отверстия в витражах тёмных готических соборов создают эффект камеры-обскуры, проецируя на пол изображение Солнца со столь высоким угловым разрешением, что без труда можно наблюдать солнечные пятна. Но Галилей открыл их с помощью телескопа, а возможности гигантской камеры-обскуры, по-видимому, так и остались неиспользованными, хотя в них практически ежедневно можно было наблюдать поверхность Солнца ещё в XII—XV веках!

Фото С. Транковского.

Условная схема готического собора, обладающего эффектом камеры-обскуры.

Классические «дырочные» камеры-обскуры.

Зеркально-линзовые камеры-обскуры.

Вертикальный солнечный телескоп, встроенный в здание ГАИШ. Справа — схема устройства камеры-обскуры внутри трубы телескопа, в пространстве между целостатом и объективом.

Фотография Солнца, полученная 2 июня 1998 года в обсерватории Big Bear (США).

Изображение Солнца 2 июня 1998 года на экране 18-метровой камеры-обскуры в ГАИШ.

Автор статьи в кафедральном соборе Севильи у проекций солнечного диска.

Рисунок поверхности Солнца, сделанный в кафедральном соборе Севильи 8 июля 1998 года.

Фотография Солнца, полученная 8 июля 1998 года на телескопе MWLT (Mees Solar Observatory, University of Hawaii) спустя несколько часов после того, как был сделан рисунок в севильском соборе.

Рис. 1. Световая волна, приходящая от светящейся точки, дифрагирует на оправе объектива.

Рис. 2. Предельный угол разрешения (α) камеры-обскуры в зависимости от диаметра её отверстия (D) для F = 10 м и λ = 550 нм. Пунктирными линиями показаны значения α1 и α2.

Открыть в полном размере

Камера-обскура — что это такое?

Термин «камера-обскура» в переводе с латыни означает «тёмная комната». Так уж сложилось, что в русском языке термином «камера-обскура» обозначают два разных прибора: во-первых, классическую «тёмную коробку с маленьким отверстием», играющим роль примитивного объектива, и, во-вторых, проекционную линзовую камеру, прототип фотоаппарата (хотя энциклопедия Брокгауза и Ефрона камеру с объективом-линзой называет «camera clara» — «светлая»). Такое смешение порой становится причиной казусных ситуаций в русскоязычной литературе, которых удаётся избегать в английском языке, поскольку для классической безлинзовой камеры в нём применяется термин «pinhole camera», а её аналог с линзовым объективом обычно называют «camera obscura».

Классическая камера-обскура не находила широкого применения из-за того, что в ней не удавалось совместить высокую резкость изображения с его достаточной яркостью. Это стало возможным лишь с появлением качественных линз. К середине XVI века камеру-обскуру оснастили линзовым объективом и зеркалом, в результате чего изображение в ней стало ярким и прямым, и она приобрела большую популярность.

С того времени классическая камера-обскура с дырочным объективом стала служить для иллюстрации проективных методов, причём в большинстве случаев как умозрительный, теоретический прибор, а не реальное изделие.

С учётом указанного выше терминологического обстоятельства становятся понятными некоторые утверждения, касающиеся истории оптики, например, что «для первых опытов по фотографии в 1820-х и 1830-х годах использовали камеры-обскуры». Действительно, попытка отождествить названный прибор с классической камерой-обскурой вызывает недоумение: при известных качестве изображения и чувствительности фотопластинок тех лет расчёт необходимой экспозиции даёт фантастические значения. Совершенно очевидно, что в первых опытах по фотографии использовали линзовые камеры.

Об астрономическом применении камеры-обскуры свидетельствуют два редко упоминаемых факта. Во-первых, Кеплер опубликовал в 1609 году сообщение о наблюдении 18 мая 1607 года на изображении солнечного диска в камере-обскуре маленького тёмного пятна, ошибочно принятого им за Меркурий. Во-вторых, восточнофрисландский астроном Йоханнес Фабрициус (1587—1616), открывший в 1611 году независимо от Галилея пятна на Солнце, применял для своих наблюдений «телескоп и камеру-обскуру». Совершенно очевидно (наша уверенность основана на описанных ниже расчётах и экспериментах), что в том и в другом случае были использованы линзовые камеры, которые по аналогии с астрографом следовало бы называть астроскопом.

В исторических хрониках упоминаются сообщения о случайных наблюдениях тёмных пятен на Солнце невооружённым глазом сквозь облака, дым или большую толщу атмосферы близ горизонта. Однако эти редчайшие наблюдения, вероятно имевшие место в действительности, были неубедительными, поскольку не носили систематического характера и, следовательно, не могли служить научным материалом. Обычно их интерпретировали как результат прохождения Венеры или Меркурия по диску Солнца, хотя в действительности они не совпадали с этими событиями и, вероятно, были связаны с появлением гигантских солнечных пятен. Сейчас никто не станет оспаривать тот факт, что действительное, научное открытие солнечных пятен состоялось лишь в начале XVII века.

Редактируя статьи по истории астрономии и обнаружив в них указанную выше путаницу, связанную с эволюцией камеры-обскуры, я задался вопросом: а существовала ли возможность до появления качественной линзовой оптики, то есть до середины XVI столетия, строить астрономические инструменты, усиливающие разрешающую способность глаза и, в частности, позволяющие регулярно наблюдать солнечные пятна?

Вообще говоря, для наблюдения рядовых солнечных пятен от оптического инструмента не требуется большого увеличения. Те гигантские группы солнечных пятен, которые в XX веке несколько раз удавалось заметить невооружённым глазом сквозь плотный светофильтр, имели угловой размер 3—4′, а рядовое солнечное пятно имеет угловой размер около 0,3;. Поэтому, скажем, 20-кратного увеличения должно быть достаточно для уверенного наблюдения пятен. Способна ли на это камера-обскура?

Оптимальная камера-обскура: расчёты и эксперименты

Чтобы выяснить возможности классической камеры-обскуры, я рассчитал её оптимальные характеристики.

Если оставаться в рамках геометрической оптики, ясно — чем меньше размер отверстия, тем более чётким будет изображение на экране. Но волновые свойства света накладывают предел на чёткость картинки: если размер отверстия слишком мал, луч начинает расплываться из-за дифракции света и каждая точка на экране превращается в пятно. Оптимальный диаметр отверстия зависит от длины камеры (F) и длины световой волны, на которой ведётся наблюдение (λ). Приняв для визуальных наблюдений λ= 550 нм (жёлто-зелёный свет), можно рассчитать, что при оптимальном выборе диаметра входного отверстия камера-обскура длиной 20—30 м должна показать хорошо развитые солнечные пятна диаметром около 30», а с камерой длиной 100 м можно систематически наблюдать даже весьма мелкие пятна (см. «Подробности для любознательных»).

Впрочем, не будем забывать, что возможности классической камеры-обскуры ограничены чувствительностью нашего зрения: поскольку яркость изображения уменьшается с увеличением размера камеры, значит, и её разрешающая способность имеет свой предел, значение которого нетрудно найти.

Если вспомнить, что адаптированный к полной темноте глаз человека способен различать контрастные изображения при освещённости, создаваемой полной Луной, то размер классической камеры-обскуры при наблюдении Солнца должен быть ограничен длиной 10 км. При оптимальном диаметре входного отверстия 16 см диаметр изображения Солнца в такой камере составит около 100 м, а качество изображения будет около 2». Хотя возможность создания такой камеры на Земле выглядит утопией, само по себе любопытно, что качество её изображения оказывается согласованным с величиной дневного атмосферного размытия изображений, полученных в большинстве обсерваторий. Впрочем, не исключено, что эксперимент такого масштаба когда-нибудь будет поставлен, например, с использованием оптических труб лазерных интерферометров гравитационно-волновых антенн (длина которых у антенны LIGO достигает 4 км).

В 1998 году для проверки сделанных оценок я поставил значительно менее масштабный эксперимент в Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга (ГАИШ МГУ) при любезном содействии сотрудника отдела исследования Солнца И. Ф. Никулина. В здании ГАИШ находится вертикальный солнечный телескоп, широкая труба которого длиной 18 м пронизывает здание института от крыши до подвала. Над верхней частью трубы расположен целостат из двух плоских зеркал (устройство, позволяющее наблюдать движущиеся небесные объекты неподвижным телескопом), не вносящий искажений в чистоту эксперимента, но существенно облегчающий его проведение. В наглухо закрытом верхнем проёме трубы было оставлено круглое отверстие диаметром 6 мм, а внизу, непосредственно над зеркальным объективом солнечного телескопа, на расстоянии около 17 м от входного отверстия размещён белый экран. Подчеркну ещё раз, что никаких оптических элементов между входным отверстием и экраном камеры не было.

Первое наблюдение состоялось 19 мая 1998 года. На экране мы увидели яркое изображение Солнца диаметром 16 см с хорошо различимой группой из двух пятен. Было очевидно, что размер пятен меньше разрешающей способности камеры: контраст изображения оказался невелик, внутренняя структура пятен не видна. В последующие дни мы уверенно наблюдали появление и гибель пятен, их перемещение по диску Солнца. Для чистоты эксперимента все эти дни я не наблюдал поверхность Солнца с помощью традиционных приборов, а лишь зарисовывал его изображение в камере-обскуре. Затем из нескольких обсерваторий через Интернет мы получили фотографии Солнца в белом свете и сравнили их с нашими зарисовками. Результаты оказались весьма впечатляющими. Например, в день нашего первого наблюдения на поверхности Солнца действительно была группа из двух пятен диаметрами 15» и 17», разделённых расстоянием 1′, а также несколько маленьких пятен размерами 3—5», которых с помощью камеры-обскуры мы не заметили. Учитывая, что теоретическое разрешение нашей камеры около 40», можно считать такой результат весьма удовлетворительным.

Прямую фотографию изображения солнечного диска диаметром 16 см, к сожалению, сделать не удалось (жаль было тратить время на изготовление крупноформатной камеры и затвора на входное отверстие). Поэтому фотоаппаратом «Зенит» мы сделали снимки полного изображения Солнца с проекционного экрана, а также прямые снимки отдельных солнечных пятен фотокамерой без объектива, положенной на экран (желающие могут познакомиться с ними и деталями нашей камеры-обскуры в ГАИШ МГУ). Для иллюстрации качества увиденных изображений приведена фотография Солнца в белом свете, полученная 2 июня в обсерватории Big Bear (США), а рядом — это же изображение, размытое численным методом до такого состояния, каким оно субъективно представлялось нам при наблюдении в тот же день на экране камеры-обскуры.

Таким образом, вопрос о принципиальной возможности наблюдения солнечных пятен при помощи классической камеры-обскуры решён положительно. Очевидно, что при сравнительно небольшом размере нашей экспериментальной камеры это удалось сделать лишь благодаря оптимальному выбору диаметра входного отверстия. Для современной науки этот результат никакого интереса не представляет. Качество изображений солнечных пятен, даваемых линзовыми и зеркальными объективами XX столетия, недосягаемо для камеры-обскуры. Но перед историей астрономии наш эксперимент ставит несколько вопросов: предпринимались ли попытки сооружения гигантских камер-обскур до изобретения телескопа; возможны ли ситуации непреднамеренного сооружения таких приборов; зафиксированы ли факты наблюдения солнечных пятен с помощью случайных камер-обскур?

В начале июня 1998 года, описывая свои результаты, я сделал такое замечание: «Возможность эксперимента с гигантской обскурой дают крупные архитектурные сооружения — средневековые готические соборы или даже античные купольные сооружения, подобные римскому Пантеону». Тогда я не ожидал, что очень скоро мне представится случай подтвердить это предположение.

Солнечные пятна в соборах Испании

Путешествуя по Испании, я зашёл в готический кафедральный собор в Толедо и принялся изучать световые узоры на полу. Дело было 6 июля 1998 года, около полудня. В соборе было довольно темно; лишь несколько витражей освещали его рассеянным светом. Весьма скоро я обнаружил на полу несколько изображений Солнца, обязанных своим появлением, как это ясно было видно по направлению лучей, щелям между отдельными стёклами витражей, расположенных на южном фасаде высоко под сводом собора. Отмечу ещё раз, что старые витражи из толстого цветного стекла весьма эффективно поглощают и рассеивают солнечный свет, так что мрак собора незначительно страдает от «светящихся окон». Обнаруженные мной проекции Солнца имели диаметры от 17 до 30 см в зависимости от высоты витража над полом. Не все изображения были высокого качества: наиболее яркие оказались сильно размытыми: очевидно, их породили крупные отверстия, имевшие диаметры намного больше оптимального. Но изображения невысокой поверхностной яркости оказались довольно резкими; на них я легко различил два крупных солнечных пятна, однако, к стыду своему, не смог их зарисовать из-за отсутствия бумаги.

Через день мне вторично представилась возможность наблюдать эффект камеры-обскуры в кафедральном соборе Севильи. На снимке видны два изображения Солнца одинакового диаметра на полу собора — яркое справа и тусклое левее, каждое диаметром 27 см. Края яркого изображения были сильно размыты, и никакой внутренней структуры (кроме слабого потемнения к краю) оно не имело. Слабое изображение оказалось намного более резким: на нём прекрасно были видны солнечные пятна. Именно на нём я зарисовал те же два пятна, которые видел накануне в соборе Толедо; за прошедшие двое суток пятна заметно сместились.

Вернувшись в Москву, я нашёл через Интернет фотографии Солнца за 6 и 8 июля 1998 года и убедился в их полном соответствии с увиденными мной изображениями в соборах Испании.

Теперь у меня не осталось сомнений, что задолго до появления телескопа у наблюдательных естествоиспытателей была возможность заметить детали солнечной поверхности и регулярно следить за их перемещением, вызванным вращением Солнца. Разумеется, такую возможность до изобретения телескопа давал не только случайный эффект гигантской камеры-обскуры, но и наблюдение Солнца сквозь естественные светофильтры, позволяющее видеть особенно крупные солнечные пятна. Но появление таких пятен — большая редкость даже в годы максимальной солнечной активности. В то же время гигантская камера-обскура, случайно возникающая, например, в готическом соборе, позволяет систематически наблюдать обычные крупные пятна.

Готические соборы Толедо и Севильи сооружены в XIII—XV веках. Это действительно очень большие, но отнюдь не уникальные здания: подобные есть в Милане, Кёльне и десятках других городов Европы. Сейчас уже трудно установить, в каких из них существовала ситуация камеры-обскуры: в годы Второй мировой войны в результате бомбардировок многие соборы лишились остекления и теперь, после реставрации, имеют новые, непроницаемые для прямых солнечных лучей окна. Однако уверен, что во многих соборах, особенно на юге Европы, существует сейчас и, вероятно, существовала с момента их создания ситуация непреднамеренной камеры-обскуры. Но проводились ли подобные наблюдения до XVII века и остался ли их след в истории астрономии, мне неизвестно. Во всяком случае, в общедоступных источниках я никаких упоминаний об этом не встретил.

Кстати, обнаружение солнечных пятен имело очень большое мировоззренческое значение. Наблюдения Солнца в конце 1610 года помогли Галилею в опровержении взглядов Аристотеля и косвенно поддержали теорию Коперника. С помощью телескопа и аккуратно выполненных рисунков он смог проследить перемещение пятен по диску Солнца и доказать, что они находятся либо на солнечной поверхности, либо очень близко к ней. Одинаковое время (около 14 суток), за которое пятна пересекают солнечный диск по параллельным траекториям, указывало, что эти пятна находятся на сферической поверхности самого Солнца. Их движение говорило, что Солнце вращается так же, как вся остальная Солнечная система Коперника, отвергая этим возражения против вращения и общей подвижности Земли.

Вполне вероятно, что Галилей не первый наблюдал эти пятна, хотя сам он неистово отстаивал свой приоритет. Другие астрономы, например Кристоф Шейнер (1573—1650) из Ингольштадта (Бавария), независимо обнаружили их и даже имели собственные представления об их природе (Шейнер считал их маленькими планетами внутри орбиты Меркурия). В «Письмах о солнечных пятнах» («Istoria e demostrazioni intorno alle macchie solari e loro accidenti», 1613) Галилей защищал свой приоритет «убедительно, хотя и не очень вежливо». Даже если предшественники Галилея не оставили указаний об эффекте камеры-обскуры в готических соборах, мне кажется, сам Галилей в молодости не мог пройти мимо этого явления. Известно, что во время церковной службы он изучал колебания люстр, используя свой пульс как часы. Подобный склад ума не мог провести его самого и не менее любознательных его предшественников мимо изображений Солнца на церковном полу. Поэтому я надеюсь, что обнаружение исторических документов, описывающих подобные наблюдения, — лишь вопрос времени.

Мои предшествующие публикации на эту тему уже вызвали интерес любителей астрономии. Хочу надеяться, что они обратят внимание на любопытную возможность систематического наблюдения за солнечными пятнами без использования оптических приборов. Задача историков естествознания — определить, была ли эта возможность упущена или использована астрономами прошлого. При этом следует иметь в виду, что маленькое плоское зеркальце, способное одновременно играть роль целостата и диафрагмы, позволяет осуществлять гигантскую камеру-обскуру в узких неподвижных помещениях: пещерах, коридорах культовых и погребальных сооружений и т. п.

Классическая камера-обскура с дырочным объективом ещё не исчерпала своих возможностей. В её истории уже в нашу эпоху были периоды ренессанса. Например, появление чувствительных фотоплёнок при довольно высокой стоимости фотокамер в СССР вызвало у юных фотолюбителей середины 1960-х годов интерес к изготовлению компактных фотокамер-обскур. Их конструкция описывалась в журнале «Юный техник», но, насколько я помню, диаметр объектива подбирался опытным путём, без каких-либо теоретических соображений.

Архитекторы использовали маленькое отверстие — «стеноп» (от латинского «узкий») вместо объектива для съёмки зданий и памятников, которые по каким-то причинам нельзя было обмерить. В отличие от объектива (в особенности широкоугольного), который вносит сильные геометрические искажения (аберрации), стеноп даёт точное изображение предмета, пригодное для изучения и обмеров.

Наука также прибегала к классической камере-обскуре в эпоху становления внеатмосферной астрономии: поскольку для жёстких рентгеновских лучей фокусирующих объективов не существует, а кодированные маски тогда ещё не были изобретены, астрономы строили солнечные рентгеновские телескопы в виде свинцовой обскуры. Не исключено, что и в будущем принцип классической камеры-обскуры будет использоваться не только в познавательных целях.

Подробности для любознательных

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ КАМЕРЫ-ОБСКУРЫ

Угол расхождения (α1) пучка параллельных лучей, прошедших сквозь отверстие диаметром D, определяется дифракционным критерием Рэлея:

α1= 1,2 λ / D,

где λ — длина световой волны. Если два элемента изображения разделены меньшим углом, то их пятна на экране практически сливаются. С другой стороны, в приближении геометрической оптики размер элемента изображения равен диаметру входного отверстия камеры. Если расстояние от дырочного объектива до проекционного экрана равно F, то предельный угол разрешения камеры в пределе геометрической оптики составит

α2 = kD / F,

где константа 0 <k < 1 должна быть определена экспериментально. Её точное значение зависит от контраста деталей объекта, от яркости его изображения и даже от геометрии характерных деталей этого изображения. Экспериментируя с лабораторной камерой-обскурой, мы выяснили, что для высококонтрастных объектов, подобных солнечным пятнам, можно принять k 1/4.

Для простоты рассуждений будем считать, что оба указанных эффекта — геометрический размер пучка и дифракция — действуют независимо. Тогда полное размытие изображения определится как сумма отмеченных выше двух эффектов, а полный предельный угол разрешения камеры можно принять равным α = α1 + α2. Мы проверили зависимость α(D) в лабораторных условиях, изготовив на основе зеркальной фотокамеры камеру-обскуру со сменными объективами–отверстиями различного диаметра. Фотографирование контрастной миры доказало справедливость полученной выше формулы для α(D) и позволило найти коэффициент k.

Рисунок 2 показывает для примера, как изменяются значения α, α1 и α2 в зависимости от диаметра входного отверстия для визуальной камеры длиной F = 20 м. Как видно, существует оптимальный диаметр отверстия Dopt, при котором достигается наилучшая разрешающая способность камеры данного размера F; её характеризует минимальное значение угла разрешения αmin. Значения этих величин легко найти аналитически, используя приведённые выше формулы. Минимум функции α(D) = α1(D) + α2(D) найдём, взяв производную dα/dD и приравняв её нулю:

α'(D) = –1,2λ /D2 + k/F = 0.

Решив это уравнение относительно D при k = 1/4, получим оптимальный диаметр отверстия:

Dopt = (4,8λ F)1/2 ,

а подставив Dopt в выражение для α(D), найдём минимальный угол разрешения камеры:

αmin = (1,2λ / F)1/2.

Приняв для визуальных наблюдений λ = 550 нм, получим удобные формулы для оценки возможностей оптимальной камеры-обскуры:

Dopt = 1,6 мм x (F / 1 м)1/2 и αmin = 170» x (1 м / F)1/2.

Из последней формулы следует, что формального ограничения для разрешающей способности камеры-обскуры не существует. Это действительно так, если мы не ограничены чувствительностью приёмника света. Однако глаз человека не видит слишком тусклых изображений. Прошедшее сквозь отверстие камеры количество света пропорционально D2opt, а площадь изображения на экране пропорциональна F2, значит, яркость изображения уменьшается пропорционально D2opt/F2 ~ 1/F. В ясный день освещённость от прямых солнечных лучей составляет 105 люксов. Вспомнив, что угловой диаметр Солнца равен 32′, что составляет 32/3438 радиан, мы легко найдём освещённость изображения солнечного диска на экране камеры-обскуры:

I = 105 лк x (3438/32)2 x (Dopt/F)2 = 3 x 103 лк (1 м /F).

Адаптированный к полной темноте глаз человека способен различать контрастные изображения при освещённости, создаваемой полной Луной (I = 0,25 лк). Приняв это как нижний предел освещённости, вычислим из последнего уравнения максимальный размер идеальной классической камеры-обскуры: Fmax 10 км. В такой камере глаз человека после привыкания к темноте ещё способен различить детали на изображении Солнца.

Литература

Щеглов П. В. Проблемы оптической астрономии. — М.: Наука, 1980.

Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970.

Porta, Giambattista della // Encyclopaedia Britannica, 1997.

Newhall B., Gernsheim H. E. R. Photography: the history of photography // Encyclopaedia Britannica, 1997.

Fabricius Johannes // Encyclopaedia Britannica, 1997.

Шустер А. Введение в теоретическую оптику. — Л.-М.: ОНТИ, 1935.

Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. — М. : Мир, 1977.

Сурдин В. Г., Карташев М. А. Камера–обскура // Квант, 1999, № 2.

Куликовский П. Г. Справочник любителя астрономии — М.: УРСС, 2002.

Сурдин В. Г. Камера-обскура: упущенная возможность древних астрономов? // Звездочёт, 1998, № 10.

Сурдин В. Г. Солнечные пятна и камера-обскура // Земля и Вселенная, 1999, № 1.

Сурдин В. Г. Готический храм как солнечная обсерватория // Земля и Вселенная, 1999, № 5.

Astronomy and astrophysics // Collier’s Encyclopedia, 1997.

Goldstein B. R. Some medieval reports of Venus and Mercury transits // Centaurus 14. Copenhagen, 1969. P. 49-59. Цит. по: Goldstein B.R. Theory and observations in ancient and medieval astronomy. — London: Variorum Reprints, 1985.

Подковырина О. Н. Наблюдения солнечных пятен в Древнем Китае // Звездочёт, 1999, № 5—6.

Суббота Наука: Камера-обскура | Детский музей Индианаполиса

Действующие члены Воспитатели

Посещение Дела, которые необходимо сделать Присоединиться Пожертвовать Около

В настоящее время вышел из системы. Логин

Главная / Субботняя наука: Камера-обскура

В наши дни камеры повсюду. В телефонах, компьютерах, планшетах, а иногда и вовсе сами по себе. В современную эпоху большинство камер являются цифровыми, что означает, что они хранят изображения, используя электронную память, как компьютеры. В недалеком прошлом в камерах использовались материалы, которые были светочувствительными, что означает, что они меняются, когда на них падает свет. Свет из внешнего мира попадал на светочувствительные материалы и оставлял на них изображение.

Однако еще до того, как кто-либо изобрел светочувствительные материалы, люди все еще экспериментировали со способами захвата изображения мира с помощью коробки, через которую они могли смотреть. Камера-обскура (в переводе с латыни «темная камера») — один из способов, которым они это делали, и люди строили камеры-обскуры тысячи лет, со времен Древней Греции. Сегодня вы продолжите эту великую традицию и создадите собственную камеру-обскуру, которая позволит вам увидеть мир совсем по-другому!

Материалы

  • Коробка с хлопьями (сначала убедитесь, что вы съели все хлопья!)
  • Пакет из коробки с хлопьями
  • Ручка или маркер
  • Клейкая лента или изолента
  • Ножницы
  • Канцелярская кнопка или кнопка

Процесс

  1. Выньте пакет из вощеной бумаги из коробки с хлопьями и убедитесь, что с него удалена вся крупяная пыль. Разложите его на столе и положите на него дно коробки с хлопьями. С помощью ручки или маркера начертите на пакете прямоугольник, который на пару дюймов больше, чем дно коробки с хлопьями. Затем возьмите ножницы и вырежьте прямоугольник. Снова используя ножницы, обрежьте всю коробку с хлопьями на несколько дюймов выше дна. Вы хотите, чтобы ваш разрез был максимально прямым. Когда вы закончите, коробка с хлопьями должна быть разделена на две части:
  2. Снова используя ножницы, разрежьте коробку с хлопьями на несколько дюймов выше дна. Вы хотите, чтобы ваш разрез был максимально прямым. Когда вы закончите, коробка с хлопьями должна состоять из двух частей: дна и остальной части, которая теперь открыта с обоих концов.
  3. С помощью скотча прикрепите прямоугольник из вощеной бумаги к отрезанному концу верхней половины коробки с хлопьями. Сложите лишнюю часть по бокам коробки и приклейте ее как можно крепче. Убедитесь, что бумага максимально гладкая и плоская, аккуратно и туго потянув все четыре стороны, прежде чем приклеивать их скотчем.
  4. Закрепите лентой дно коробки с хлопьями, чтобы бумага, которую вы только что прикрепили, оказалась между двумя частями. Вы захотите использовать клейкую ленту или изоленту, потому что они непрозрачны, а это означает, что свет не может пройти через них в вашу камеру-обскуру.
  5. С помощью канцелярской кнопки проткните отверстие в самом центре дна коробки с хлопьями. Это позволит свету попасть на прямоугольник и спроецировать изображение.
  6. Посмотрите через верхнюю часть коробки и наведите камеру-обскуру на всевозможные предметы. Чем они легче, тем лучше это будет работать!

Сводка

Вы заметили что-нибудь странное, когда смотрели в камеру-обскуру? Например, что все, на что ты смотришь, выглядит перевернутым? Это довольно странно!

Это связано с тем, как свет проходит через отверстие. Вы смотрите на объекты, которые намного больше пинхола. Свет, исходящий от них, распространяется только по прямым линиям, поэтому, когда свет от верхней части объекта проходит через точечное отверстие, он движется к нему вниз. Он продолжает спускаться вниз и оказывается на дне экрана из вощеной бумаги. Противоположное верно для света от нижней части объекта: он движется вверх к точечному отверстию и попадает на верхнюю часть вашей вощеной бумаги! Думайте об этом, как о распылении воды из садового шланга через маленькое отверстие в заборе. Если распылять над дырой, вода будет вытекать с другой стороны, а если распылять из-под дыры, она будет выплескиваться вверх.

Ваш глаз работает точно так же. Свет переворачивается, проходя через ваши глаза, поскольку они тоже маленькие отверстия, и когда он попадает в заднюю часть вашего глаза и начинает путешествовать в ваш мозг, весь мир переворачивается вверх дном! К счастью, ваш мозг знает лучше и переворачивает все правильно для вас.

Поэкспериментируйте с размером отверстия. Большие отверстия пропускают больше света, поэтому вы можете видеть более тусклые объекты, но они затрудняют фокусировку и получение хорошего обзора того, на что вы смотрите.

Хотите еще субботней науки? Смотрите все наши домашние занятия в блоге или на Pinterest.

Камера-обскура Факты для детей

Детская энциклопедия Факты

Эта статья о фотографическом устройстве. Чтобы узнать о других значениях, см. « Камера-обскура» (значения).

Camera obscura в переводе с латыни означает «темная камера». Это имя, данное простому устройству, используемому для создания изображений, которое привело к изобретению фотографии. Английское слово, обозначающее сегодняшние фотографические устройства, является просто сокращением этого названия до «камера».

По сути, камера-обскура представляет собой простую коробку (которая может быть размером с комнату) с небольшим отверстием на одной стороне (подробности о том, как ее построить, см. в разделе Камера-обскура). Свет только от одной части сцены будет проходить через отверстие и падать на определенную часть задней стены. (Проекция может быть сделана на бумаге, на которую художник может скопировать изображение.) По мере уменьшения отверстия изображение становится более четким, но светочувствительность снижается. С помощью этого простого аппарата изображение всегда перевернуто. Используя зеркала, как в потолочной версии 18 века, также можно проецировать изображение «правой стороной вверх».

Содержание

  • Открытие и происхождение
  • Туристические достопримечательности
  • Связанные страницы
  • Картинки для детей

Открытие и происхождение

Первое упоминание и открытие принципов работы камеры-обскуры, предшественника камеры-обскуры, принадлежит Мози (470–390 гг. до н. э.), китайскому философу и основателю мохизма. Позже Аристотель (384–322 гг. до н. э.) понял оптический принцип камеры-обскуры. Он видел серповидную форму частично затмеваемого солнца, спроецированного на землю через отверстия в сите и щели между листьями платана.

Первая камера-обскура была позже построена иракским ученым по имени Абу Али Аль-Хасан Ибн аль-Хайсам, родившимся в Басре (965-1039 гг. н.э.), известным на Западе как Альхасен или Альхазен , который провел практические эксперименты по оптике в его Книге оптики .

В своих различных экспериментах Ибн Аль-Хайсам использовал термин « al-Bayt al-Muslim » (араб. البيت المظلم), переведенный на английский как темная комната. В эксперименте, который он предпринял, чтобы установить, что свет распространяется во времени и со скоростью, он говорит: «Если дыра была закрыта занавеской и занавеска была снята, свет, идущий от дыры к противоположной стене, будет потреблять время». Он повторил тот же опыт, когда установил, что свет распространяется прямолинейно. Наиболее показательным экспериментом, который действительно представил камеру-обскуру, были его исследования формы полумесяца изображения солнца во время затмений, которые он наблюдал на стене напротив небольшого отверстия, сделанного в оконных ставнях. В своем знаменитом эссе «О виде затмения» ( Maqālah fī Sura al-Kosūf ) (арабский: مقالة في صورةالكسوف) он прокомментировал свое наблюдение: «Изображение солнца во время затмения, если оно не полное, демонстрирует, что, когда его свет проходит через узкую, круглое отверстие и отбрасывается на плоскость, противоположную отверстию, оно принимает форму лунного серпа «.

В своем эксперименте с солнечным светом он расширил свое наблюдение проникновения света через точечное отверстие, чтобы сделать вывод, что когда солнечный свет достигает отверстия и проникает в него, образуя коническую форму в точках, сходящихся у отверстия, образуя позже другую коническую форму, обратную первой, на противоположной стене в темной комнате Это происходит, когда солнечный свет расходится от точки «ﺍ «, пока не достигнет отверстия «ﺏﺤ» и не проецируется через него на экран в светящемся пятне «ﺩﻫ». Поскольку расстояние между отверстием и экраном ничтожно по сравнению с расстоянием между отверстием и солнцем, дивергенция солнечного света после прохождения через проем должно быть незначительным. Другими словами, «ﺏﺤ» должно быть примерно равно «ﺩﻫ». Однако наблюдается гораздо большее «ﻙﻁ», когда пути лучей, образующих оконечности «ﻙﻁ», прослеживаются в обратном направлении, обнаруживается, что они встречаются в точке за пределами апертуры, а затем снова расходятся в сторону Солнце, как показано на рисунке 1. Это действительно было первое точное описание феномена камеры-обскуры.

Наблюдения Альхасена за поведением света через точечное отверстие

С точки зрения камеры, свет сходится в комнате через отверстие, передавая вместе с ним объект(ы), обращенный к нему. Объект появится в полном цвете, но перевернутым на проецируемом экране/стене напротив отверстия в темной комнате. Объяснение состоит в том, что свет распространяется по прямой линии, и когда часть лучей, отраженных от яркого предмета, проходит через маленькое отверстие в тонком материале, они не рассеиваются, а пересекаются и формируются в виде перевернутого изображения на плоской белой поверхности, параллельной дыра. Иб аль-Хайтам установил, что чем меньше отверстие, тем яснее картина.

Хотя и камера-обскура, и камера-обскура приписываются Ибн аль-Хайсаму, камера-обскура была впервые описана Аристотелем, который первым описал, как формируется изображение в глазу, используя камеру-обскуру в качестве аналогии. Альхазен заявляет (в латинском переводе), а в отношении камеры-обскуры «Et nos non inventimus ita» мы этого не изобретали.

Туристические достопримечательности

Некоторые камеры-обскуры были построены как туристические достопримечательности, часто имеющие форму большого помещения в высоком здании, которое можно затемнить, чтобы «живая» панорама внешнего мира проецировалась на горизонтальную поверхность через вращающийся объектив. Хотя в настоящее время сохранились немногие, примеры можно найти в следующих местах:

  • Эдинбург в Шотландии — см. сайт Camera Obscura
  • Йоханнесбург в Южной Африке
  • Претория в Южной Африке
  • Кейптаун в Южной Африке
  • Лиссабон и Тавира в Португалии
  • Санта-Моника в Калифорнии
  • Лос-Анджелес в обсерватории Гриффита
  • Сан-Франциско в Cliff House
  • «Облачная камера для деревьев и неба» Северной Каролины
  • Гавана на Кубе
  • Королевская обсерватория, Гринвич, Лондон
  • Марбург, Германия
  • Кентуэлл Холл, Саффолк

Есть также портативный экземпляр, на котором Willett & Patteson путешествуют по Англии и миру.

Связанные страницы

  • Оптика
  • Камеры
  • Хилл, Д.Р. (1993), «Исламская и еврейская наука и техника», Edinburgh University Press , стр. 70.
  • Бернс, Пол. История открытия кинематографии Иллюстрированная хронология

Картинки для детей

  • Иллюстрация принципа камеры-обскуры из книги Джеймса Эйскоу Краткое описание глаза и природы зрения (1755, четвертое издание)

  • Изображение Нового Королевского дворца в Пражском Граде, спроецированное на чердачную стену через отверстие в черепичной кровле

  • Камера-обскура с зеркалом и вертикально проецируемым изображением наверху

  • Проекция гномона на пол Флорентийского собора во время солнцестояния 21 июня 2012 г.

  • Отверстия в кроне листьев проецируют изображения солнечного затмения на землю.

  • Диаграмма Анфемиуса Траллеса для лучей света, отраженных плоским зеркалом через отверстие (B)

  • Трехъярусная камера-обскура, 13 век, приписываемая Роджеру Бэкону

  • Да Винчи: Пусть a b c d e будет объектом, освещенным солнцем, а или — передней частью темной камеры, в которой находится указанное отверстие в н м . Пусть s t — лист бумаги, перехватывающий лучи изображений этих предметов вверх ногами, поскольку лучи прямые, a справа становится k слева, а e слева становится ф справа

  • Первое опубликованное изображение камеры-обскуры в книге Джеммы Фризиус 1545 года De Radio Astronomica et Geometrica

  • Иллюстрация «портативной» камеры-обскуры (аналогичной предложению Риснера) в 9 Кирхера.0107 Ars Magna Lucis Et Umbrae (1645)

  • Впервые термин «камера-обскура» был использован Иоганном Кеплером в его первом трактате об оптике, Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

  • Фрагмент фронтисписа Шайнера Oculus hoc est (1619) с проецируемым изображением камеры-обскуры, перевернутым линзой

  • Гелиоскоп Шайнера, как показано в его книге Rosa Ursina sive Sol (1626–30)

  • Палатка для рисования камера-обскура на иллюстрации к книге по физике 1858 года

  • Иллюстрация научно-оптического шара с линзой из книги Даниэля Швентера Deliciae Physico-Mathematicae (1636)

  • Иллюстрация камеры-обскуры с двенадцатью отверстиями из книги Беттини Apiaria universae philosophiae mathematicae (1642)

  • Иллюстрация портативной камеры-обскуры от Иоганна Штурма, Collegium Experimentale (1676)

  • Камера-обскура в Энциклопедия, или обоснованный словарь наук, искусств и ремесел .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *