Пинхол -камера — это простая камера без объектива, но с крошечным отверстием (так называемым пинхолом ) — по сути, светонепроницаемая коробка с небольшим отверстием с одной стороны. Свет от сцены проходит через отверстие и проецирует перевернутое изображение на противоположной стороне коробки, что известно как эффект камеры-обскуры . Размер изображений зависит от расстояния между объектом и пинхолом.
Всемирный день пинхол-фотографии отмечается ежегодно в последнее воскресенье апреля. [1]
Камера-обскура или пинхол-изображение — это естественное оптическое явление. Ранние известные описания встречаются в китайских трудах Мо-цзы (около 500 г. до н. э.) [2] и в «Аристотелевских проблемах » (около 300 г. до н. э. — 600 г. н. э.). [3]
Ибн аль-Хайтам (965–1039), арабский физик , также известный как Альхазен, описал эффект камеры-обскуры. На протяжении столетий другие начали экспериментировать с ним, в основном в темных комнатах с небольшим отверстием в ставнях, в основном для изучения природы света и безопасного наблюдения за солнечными затмениями . [5]
Джамбаттиста Делла Порта писал в 1558 году в своей Magia Naturalis об использовании вогнутого зеркала для проецирования изображения на бумагу и использования его в качестве вспомогательного средства для рисования. [6] Однако примерно в то же время было введено использование линзы вместо булавочного отверстия. В 17 веке камера-обскура с линзой стала популярным вспомогательным средством для рисования, которое впоследствии было преобразовано в мобильное устройство, сначала в небольшую палатку, а затем в ящик. Фотографическая камера, разработанная в начале 19 века, была в основном адаптацией коробчатой камеры-обскуры с линзой.
Термин «отверстие-булавка» в контексте оптики был обнаружен в книге Джеймса Фергюсона 1764 года « Лекции по избранным предметам механики, гидростатики, пневматики и оптики» . [7] [8]
Первое известное описание пинхол-фотографии встречается в книге шотландского изобретателя Дэвида Брюстера «Стереоскоп» , изданной в 1856 году . В ней дается описание идеи как «камеры без линз, имеющей только пинхол-отверстие».
Сэр Уильям Крукс и Уильям де Уивелсли Эбни были другими первыми фотографами, которые попробовали технику пинхола. [9]
По словам изобретателя Уильяма Кеннеди Диксона , первые эксперименты, направленные на движущиеся изображения, Томас Эдисон и его исследователи провели около 1887 года и включали «микроскопические точечные фотографии, помещенные на цилиндрическую оболочку». Размер цилиндра соответствовал их фонографическому цилиндру, поскольку они хотели объединить движущиеся изображения со звуковыми записями. Возникли проблемы с записью четких изображений «с феноменальной скоростью» и «грубостью» фотографической эмульсии при увеличении изображений. Микроскопические точечные фотографии вскоре были заброшены. [10] В 1893 году был наконец представлен кинетоскоп с движущимися изображениями на целлулоидных пленочных полосках. Камера, которая записывала изображения, названная кинетографом , была снабжена линзой.
Эжен Эстанав экспериментировал с интегральной фотографией , представив результат в 1925 году и опубликовав свои выводы в La Nature . После 1930 года он решил продолжить свои эксперименты с точечными отверстиями, заменив линзовидный экран. [11]
Изображение с камеры-обскуры можно проецировать на полупрозрачный экран для просмотра в реальном времени (используется для безопасного наблюдения солнечных затмений) или для прорисовки изображения на бумаге. Но чаще всего она используется без полупрозрачного экрана для пинхол-фотографии с фотопленкой или фотобумагой, размещенной на поверхности, противоположной отверстию пинхола.
Распространенное применение пинхол-фотографии — запечатлеть движение солнца в течение длительного периода времени. Этот тип фотографии называется соляриграфией . Пинхол-фотография используется в художественных целях, но также и в образовательных целях, чтобы позволить ученикам узнать об основах фотографии и поэкспериментировать с ними.
Камеры-обскуры с ПЗС ( приборами с зарядовой связью ) иногда используются для наблюдения, поскольку их трудно обнаружить.
Связанные с этим камеры, устройства формирования изображений или разработки на их основе включают широкоугольную камеру-обскуру Франке, камеру-обскуру и зеркало с булавочной головкой .
Современное производство позволило изготавливать высококачественные точечные объективы [12] , которые можно применять в цифровых камерах.
Фотограф может изготовить камеру-обскуру вручную для определенной цели. В своей простейшей форме фотокамера-обскуру может состоять из светонепроницаемой коробки с отверстием на одном конце и куска пленки или фотобумаги, вставленного или приклеенного скотчем в другой конец. В качестве затвора можно использовать картонный клапан с петлей из ленты. Отверстие-обскуру можно пробить или просверлить с помощью швейной иглы или сверла небольшого диаметра через кусок фольги или тонкого алюминиевого или латунного листа. Затем этот кусок приклеивается скотчем к внутренней стороне светонепроницаемой коробки за отверстием, прорезанным в коробке. Цилиндрический контейнер с одним полностью открытым концом и закрытым, в котором просверлено отверстие, может быть превращен в камеру-обскуру.
Внутренняя часть эффективной камеры-обскуры черная, чтобы избежать отражения входящего света на фотографическом материале или экране просмотра. [13]
Камеры с пинхолом могут быть сконструированы с помощью скользящего держателя пленки или задней стенки, что позволяет регулировать расстояние между пленкой и пинхолом. Это позволяет изменять угол обзора камеры, а также эффективное отношение диафрагмы камеры. Перемещение пленки ближе к пинхолу приведет к широкому углу обзора и сокращению времени экспозиции. Перемещение пленки дальше от пинхола приведет к телефото или узкому углу обзора и более длительному времени экспозиции.
Камеры-обскуры также можно сконструировать, заменив объектив в обычной камере на камеру-обскуру. В частности, компактные 35-мм камеры, объектив и фокусировочный узел которых были повреждены, можно повторно использовать в качестве камер-обскуры, сохраняя при этом затвор и механизмы намотки пленки. В результате огромного увеличения числа f , при сохранении того же времени экспозиции, необходимо использовать светосильную пленку при прямом солнечном свете.
Пинхолы (самодельные или коммерческие) можно использовать вместо объектива на SLR. Использование с цифровым SLR позволяет производить замер и композицию методом проб и ошибок, и фактически бесплатно, поэтому это популярный способ попробовать пинхол-фотографию. [14]
До определенного момента, чем меньше отверстие, тем четче изображение, но тем тусклее проецируемое изображение. Оптимально размер отверстия должен составлять 1/100 или меньше расстояния между ним и проецируемым изображением.
В определенных пределах маленькое отверстие через тонкую поверхность приведет к более четкому разрешению изображения , поскольку проецируемый кружок нерезкости на плоскости изображения практически такого же размера, как и отверстие. Однако чрезвычайно маленькое отверстие может вызывать значительные эффекты дифракции и менее четкое изображение из-за волновых свойств света. [15] Кроме того, виньетирование происходит по мере того, как диаметр отверстия приближается к толщине материала, в котором оно пробито, поскольку стороны отверстия препятствуют проникновению света под любым углом, кроме 90 градусов.
Лучший пинхол — идеально круглый (поскольку неровности вызывают эффекты дифракции более высокого порядка) и в очень тонком куске материала. Промышленно производимые пинхолы выигрывают от лазерного травления, но любитель все равно может изготавливать пинхолы достаточно высокого качества для фотографических работ.
Метод расчета оптимального диаметра отверстия был впервые опубликован Йозефом Петцвалем в 1857 году. Наименьший возможный диаметр точки изображения и, следовательно, максимально возможное разрешение изображения и самая четкая картинка достигаются, когда: [16]
(Где d — диаметр отверстия, f — расстояние от отверстия до плоскости изображения или «фокусное расстояние», а λ — длина волны света.)
Первым, кто применил волновую теорию к этой проблеме, был лорд Рэлей в 1891 году. Но из-за некоторых неверных и произвольных выводов он пришел к следующему: [17]
Таким образом, его оптимальное отверстие было примерно на 1/3 больше, чем у Петцваля.
Правильный оптимум можно найти с помощью аппроксимации Фраунгофера дифракционной картины за круглым отверстием при:
Это можно сократить до: (Когда d и f в миллиметрах, а λ = 550 нм = 0,00055 мм, что соответствует желто-зеленому цвету.)
Для расстояния от отверстия до пленки в 1 дюйм или 25,4 мм это соответствует отверстию диаметром 0,185 мм (185 микрон). Для f= 50 мм оптимальный диаметр составляет 0,259 мм.
Глубина резкости в принципе бесконечна , но это не означает, что не происходит оптического размытия. Бесконечная глубина резкости означает, что размытие изображения зависит не от расстояния до объекта, а от других факторов, таких как расстояние от диафрагмы до плоскости пленки , размер диафрагмы, длина волны источника света и движение объекта или холста. Кроме того, пинхол-фотография не может избежать эффектов дымки .
В 1970-х годах Янг измерил предел разрешения камеры-обскуры как функцию диаметра обскура [18] и позже опубликовал учебное пособие в The Physics Teacher . [19] Частично для того, чтобы обеспечить разнообразие диаметров и фокусных расстояний, он определил две нормализованные переменные: предел разрешения, деленный на радиус обскура, и фокусное расстояние, деленное на величину s 2 /λ, где s — радиус обскура, а λ — длина волны света, обычно около 550 нм. Его результаты представлены на рисунке.
На левой стороне графика отверстие большое, и применяется геометрическая оптика; предел разрешения составляет около 1,5 радиуса отверстия. (Паразитное разрешение также наблюдается в пределе геометрической оптики.) На правой стороне отверстие маленькое, и применяется дифракция Фраунгофера ; предел разрешения задается формулой дифракции в дальней зоне, показанной на графике, и теперь увеличивается по мере уменьшения отверстия. В этой формуле радиус отверстия используется вместо его диаметра, поэтому константа равна 0,61 вместо более обычного 1,22. В области дифракции в ближней зоне (или дифракции Френеля ) отверстие слегка фокусирует свет, и предел разрешения минимизируется, когда фокусное расстояние f (расстояние между отверстием и плоскостью пленки) определяется как f = s 2 /λ. При таком фокусном расстоянии отверстие слегка фокусирует свет, а предел разрешения составляет около 2/3 радиуса отверстия. В этом случае отверстие эквивалентно зонной пластине Френеля с одной зоной. Значение s 2 /λ в некотором смысле является естественным фокусным расстоянием отверстия. [ необходима цитата ]
Соотношение f = s 2 / λ дает оптимальный диаметр отверстия d = 2 √ fλ , поэтому экспериментальное значение несколько отличается от оценки Петцваля, приведенной выше.
Число f камеры можно рассчитать, разделив расстояние от отверстия до плоскости изображения ( фокусное расстояние ) на диаметр отверстия. Например, камера с диаметром отверстия 0,5 мм и фокусным расстоянием 50 мм будет иметь число f 50/0,5 или 100 ( f /100 в общепринятой записи).
Из-за большого числа f камеры-обскуры экспозиции часто сталкиваются с нарушением принципа взаимности . [20] Как только время экспозиции превышает примерно 1 секунду для пленки или 30 секунд для бумаги, необходимо компенсировать нарушение линейной реакции пленки/бумаги на интенсивность освещения, используя более длительные экспозиции.
Экспозиции, проецируемые на современную светочувствительную фотопленку, обычно могут варьироваться от пяти секунд до нескольких часов, причем для небольших отверстий требуются более длительные экспозиции для получения изображения того же размера. Поскольку для камеры-обскуры требуется длительная экспозиция, ее затвор может управляться вручную, как с помощью заслонки из непрозрачного материала, закрывающей и открывающей отверстие.
.jpg/1280px-The_dappled_sunlight_under_the_trees_was_very_strange_before_and_after_totality._(36330876490).jpg)
Эффект камеры-обскуры иногда может возникать естественным образом. Небольшие «отверстия», образованные зазорами между перекрывающимися листьями деревьев, будут создавать копии изображений солнца на плоских поверхностях. Во время затмения это приводит к появлению небольших полумесяцев в случае частичного затмения или полых колец в случае кольцевого затмения . Диско-шары также могут функционировать как естественные отражательные камеры-обскуры (также известные как зеркало с булавочной головкой ). [21]
Медиа, связанные с камерами-обскуры на Wikimedia Commons
