Camera obscura (ciemna komora) — zasada działania i historia

Poznaj zasadę działania camera obscura (ciemna komora), jej historię i wpływ na wynalezienie fotografii — od prostego otworku po lustra i odwrócony obraz.

Camera obscura to po łacinie "ciemna komora". Nazwa odnosi się do prostego przyrządu optycznego, który od wieków służył do tworzenia odwzorowań rzeczywistości i przyczynił się do wynalezienia fotografii. Angielskie słowo określające dzisiejsze urządzenia fotograficzne jest jedynie skróceniem tej nazwy do "camera".

Zasada działania

W najbardziej podstawowej formie camera obscura to zamknięte pudełko lub zaciemnione pomieszczenie z małym otworem w jednej ze ścian. Promienie świetlne od poszczególnych punktów sceny przechodzą prosto przez otwór i padają na przeciwległą ścianę (ekran), tworząc tam obraz zewnętrznego widoku. Z powodu prostoliniowego rozchodzenia się światła obraz pojawia się odwrócony do góry nogami oraz z lewej na prawą.

W praktyce, im mniejszy otwór, tym obraz staje się ostrzejszy, ponieważ zmniejsza się nakładanie się promieni z różnych punktów sceny. Jednocześnie jednak maleje ilość światła wpadającego do wnętrza, więc obraz staje się ciemniejszy. Na bardzo małych otworach zaczynają też dominować efekty dyfrakcyjne, które z kolei pogarszają ostrość. Istnieje więc kompromis — optymalny rozmiar otworu zależy od odległości między otworem a ekranem (tzw. "ogniskowa" w sensie pudełkowym) oraz od długości fali światła. Wraz z rozwojem techniki do otworów zaczęto stosować soczewki, co pozwoliło jednocześnie uzyskać jaśniejszy i ostrzejszy obraz oraz umożliwiło regulację ostrości.

Różne odmiany i konstrukcje

• Prosta kamera otworkowa (pudełkowa) — najłatwiejsza do wykonania amatorsko; obraz można zapisać na papierze fotograficznym lub po prostu śledzić i szkicować.
• Pomieszczeniowa camera obscura — całe pokoje lub specjalnie przystosowane domy działały jako duże urządzenia projekcyjne i bywały atrakcją edukacyjną lub rozrywkową.
• Wersje z lustrem i soczewką — od XVI–XVII wieku stosowano lustra, które odwracały obraz „prawą stroną do góry”, oraz soczewki skupiające, które zwiększały jasność i poprawiały ostrość.
• Tunelowe i namiotowe formy — przenośne konstrukcje używane przez artystów i kartografów w plenerze.

Historia i najważniejsze osoby

Już w starożytności obserwowano zjawisko projekcji przez otwór — opisy pojawiają się u chińskiego filozofa Mozi oraz u Arystotelesa. Jednak to arabskie badania optyki w średniowieczu przyniosły systematyczne wyjaśnienie zjawiska: Ibn al‑Haytham (Alhazen, XI w.) w swym traktacie o optyce opisał eksperymentalnie zasady działania camera obscura i wytłumaczył obrazowanie jako efekt prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych.

W renesansie i w czasach nowożytnych camera obscura stała się narzędziem naukowym i artystycznym. Giambattista della Porta (XVI w.) opisał zastosowania praktyczne, a w XVII–XVIII w. urządzenia z soczewkami i lustrem były używane przez malarzy i pejzażystów do dokładnego odwzorowywania perspektywy. Istnieją przypuszczenia, że artyści tacy jak Johannes Vermeer korzystali z camera obscura jako pomocniczego narzędzia przy komponowaniu i modelowaniu światła. Z czasem soczewki i mechanizmy rejestrujące obraz doprowadziły do powstania pierwszych aparatów fotograficznych, a następnie do rozwoju fotografii dzięki pracom wynalazców takich jak Nicéphore Niépce i Louis Daguerre.

Zastosowania

• Pomoc dla artystów — kopiowanie perspektywy, analiza światła i kompozycji.
• Prace naukowe i dydaktyka — demonstracje zasad optyki i bezpieczeństwo obserwacji zaćmień Słońca poprzez projekcję.
• Kartografia i rysunek terenowy — przenośne camera obscura były używane do dokładnego szkicowania widoków i planów.
• Atrakcje i instalacje — współczesne pokoje camera obscura w muzeach i na wystawach jako interaktywne doświadczenia.

Uwagi praktyczne

Najprostszy sposób na sprawdzenie działania to zrobienie kamery otworkowej z pudełka lub puszki — wystarczy wykonać mały otwór, umieścić papier jako ekran i obserwować rzutowany obraz. Przy obserwacji Słońca lepiej nie patrzeć bezpośrednio — bezpieczniejszą metodą jest oglądanie jego obrazka rzucanego przez otwór na ekran. Aby uzyskać jaśniejszy obraz przy większym kontraście, stosuje się szkła lub soczewki, a lustra pozwalają wygodnie obserwować obraz bez odwracania go psychicznie.

Camera obscura pozostaje ważnym przykładem prostych zasad optyki i historycznym ogniwem prowadzącym do nowoczesnej fotografii — od prymitywnego otworka do złożonych aparatów z wymiennymi obiektywami.

Więcej praktycznych wskazówek, jak zbudować prostą kamerę otworkową, znajdziesz w artykule o kamerze otworkowej, aby dowiedzieć się, jak ją zbudować.

Odkrycie i pochodzenie

Pierwsze wzmianki i odkrycie zasad działania kamery otworkowej, prekursora camera obscura, należą do Moziego (470 p.n.e.-390 p.n.e.), chińskiego filozofa i założyciela mahizmu. Później Arystoteles (384 - 322 p.n.e.) zrozumiał optyczną zasadę działania kamery otworkowej. Widział on kształt półksiężyca częściowo zaćmionego słońca, rzutowany na ziemię przez otwory w sicie i szczeliny między liśćmi płaskiego drzewa.

Pierwszą camera obscura zbudował później iracki uczony Abu Ali Al-Hasan Ibn al-Haytham, urodzony w Basrze (965-1039 n.e.), znany na Zachodzie jako Alhacen lub Alhazen, który przeprowadził praktyczne eksperymenty z zakresu optyki w swojej Księdze optyki.

W różnych eksperymentach Ibn Al-Haitham używał terminu "al-Bayt al-Muẓlim" (arabski: البيت المظلم), tłumaczonego na angielski jako ciemny pokój. W eksperymencie, którego się podjął, aby ustalić, że światło przemieszcza się w czasie i z prędkością, mówi: "Jeśli otwór był zasłonięty zasłoną i zasłona została zdjęta, światło podróżujące z otworu do przeciwległej ściany będzie zużywać czas." Powtórzył to samo doświadczenie, gdy ustalił, że światło podróżuje po liniach prostych. Najbardziej odkrywczym eksperymentem, który rzeczywiście wprowadził camera obscura, były jego badania nad półksiężycowatym kształtem obrazu Słońca podczas zaćmienia, który obserwował na ścianie naprzeciwko małego otworu zrobionego w okiennicach. W swoim słynnym eseju "O formie zaćmienia" (Maqālah fī Sura al-Kosūf) (arabski: مقالة في صورةالكسوف) skomentował swoją obserwację: "Obraz Słońca w czasie zaćmienia, o ile nie jest ono całkowite, pokazuje, że gdy jego światło przechodzi przez wąski, okrągły otwór i jest rzucane na płaszczyznę przeciwną do otworu, przybiera formę księżyca-sikory".

W swoim eksperymencie ze światłem słonecznym rozszerzył obserwację przenikania światła przez otwór i doszedł do wniosku, że kiedy światło słoneczne dociera do otworu i przez niego przenika, tworzy w punktach stykających się z otworem stożkowy kształt, który później na przeciwległej ścianie w ciemnym pokoju tworzy kolejny stożkowy kształt odwrotny do pierwszego. Dzieje się tak, gdy światło słoneczne rozchodzi się od punktu "ﺍ" aż do otworu "ﺏﺤ" i jest przez niego rzutowane na ekran w miejscu świecącym "ﺩﻫ". Ponieważ odległość między przesłoną a ekranem jest niewielka w porównaniu z odległością między przesłoną a słońcem, rozbieżność światła słonecznego po przejściu przez przesłonę powinna być niewielka. Innymi słowy, "ﺏﺤ" powinno być mniej więcej równe "ﺩﻫ". Jednak zaobserwowano, że jest ono znacznie większe "ﻙﻁ". Gdy ścieżki promieni tworzących końce "ﻙﻁ" zostaną prześledzone w odwrotnym kierunku, okaże się, że spotykają się one w punkcie poza przesłoną, a następnie ponownie rozchodzą się w kierunku słońca, jak pokazano na rysunku 1. Był to rzeczywiście pierwszy dokładny opis zjawiska Camera Obscura.

Mówiąc językiem kamery, światło wpada do pomieszczenia przez otwór i przenosi się na obiekt(y) znajdujący(e) się przed nim. Obiekt pojawi się w pełnym kolorze, ale do góry nogami na ekranie/ścianie projekcyjnej naprzeciwko otworu w ciemnym pomieszczeniu. Wyjaśnienie jest takie, że światło porusza się w linii prostej i kiedy niektóre z promieni odbitych od jasnego przedmiotu przechodzą przez mały otwór w cienkim materiale, nie rozpraszają się, ale krzyżują i tworzą obraz do góry nogami na płaskiej białej powierzchni trzymanej równolegle do otworu. Ib Al-Haitham ustalił, że im mniejszy jest otwór, tym wyraźniejszy jest obraz.

Chociaż zarówno kamera otworkowa, jak i camera obscura są przypisywane Ibn al-Haythamowi, camera obscura została po raz pierwszy opisana przez Arystotelesa, który jako pierwszy opisał, jak obraz powstaje na oku, używając camera obscura jako analogii. Alhazen stwierdza (w tłumaczeniu łacińskim), a w odniesieniu do camera obscura: "Et nos non inventimus ita", nie my to wymyśliliśmy.

Obserwacje Alhacena dotyczące zachowania się światła w otworku

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest camera obscura?

P: Skąd pochodzi termin "camera obscura"?

P: Jak działa camera obscura?

P: Czy w camera obscura rzutowany obraz jest zawsze do góry nogami?

P: Jak artysta może stworzyć kopię obrazu wyświetlanego w camera obscura?

P: Czy w camera obscura można wyświetlać obraz "prawą stroną do góry"?

P: Jaka jest różnica między camera obscura a kamerą otworkową?

Szukaj według litery