Камера Обскура - Образование Костромской области

МОУ СОШ № 1 г.п.п. Чистые Боры Костромской области
ТЮФ ГСР
Камера обскура и стеноп
Выполнила:
Белоусова С.
8 класс
Руководитель:
Кутузова С. Н.
Задача
Исследуйте характеристики камеры обскура и фотоаппарата-стенопа и
найдите условия получения
изображения оптимального качества
«Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно
темна, потому что ставни были закрыты; и солнечный луч, проходя
в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в
противостоящую стену, рисовал на ней пёстрый ландшафт из
очеретяных крыш, дерев и развешенного на дворе платья, всё
только в обращённом виде. От этого всей комнате сообщался
какой-то чудный полусвет.»
Гоголь Н. В.
Камера - обскура
Происхождение термина
(от лат.camera – комната и лат.
obskura – тёмная) – тёмная комната,
так как первые камеры-обскуры
представляли собой затемнённые
помещения или большие ящики с
отверстием в одной из стен.
Простейшее устройство, позволяющее
получить оптическое изображение
объектов, светонепроницаемый ящик
с отверстием диаметром 0,5 – 5 мм в
одной из стенок и экраном (матовым
стеклом или тонкой белой бумагой)
на противоположной стенке. Лучи
света, проходя через отверстие
создают изображение на экране.
Они появились очень давно
Камеры-обскуры известны с с 5 века до н.э. Они упоминаются или
описываются у китайского философа Ми Ти, Аристотеля, арабского
физика и математика 10 века ибн Аль-Хайтама
Леонардо да Винчи, Йоганнес Цан, Ян Вермеер и другие художники
иногда использовали камеру-обскуру для создания своих произведений
– пейзажей, портретов, бытовых зарисовок
Старинное изображение фотокамеры с отверстием.
Она позволяет получить неискажённые фотографии
при очень больших экспозициях
Наша камера - обскура
Мы сконструировали свою
камеру из коробки. Внутренние
стенки покрасили чёрной
краской. В передней стенке
сделали прокол булавкой
диаметром и ширму, в задней
стенке в вырез вставили
матовое стекло.
Расстояние от отверстия до
задней стенки равно 30см
Пробы …
Проведение экспериментов с
этой камерой заставило нас
убедиться в том, что она не
обеспечивает высокой резкости
изображения.
Мы попытались получить
изображение свечи и получили
его: перевёрнутое,
действительное, при
приближении свечи к отверстию
– увеличенное, при удалении –
уменьшенное.
Видимое, увы, невидимо …
На верхнем фото – изображение
свечи уменьшенное, на нижнем
– увеличенное
Увидеть глазами смогли, но на
цифровом фото ничего не
получилось - изображение
пламени растворилось в блике
отражённого от стекла света
вспышки
А в соответствии с
высказыванием Э. Золя
«…нельзя утверждать, что вы
видели что-то, пока вы не
получили фотографию этого
предмета.»
Реконструкция камеры
Стекло заменили промасленной бумагой и провели
видеосъёмку изображения пламени свечи повторно
Характеристики камеры
Резкость изображения – достигается путём уменьшения диаметра
отверстия. При сильном уменьшении сильно сказывается явление
дифракции света, являющееся следствием его волновой природы.
Дифракция приводит к размытию границ изображения, что ухудшает
его качество. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной
резко изображаемого пространства
Фокусное расстояние – для обскуры условно. За него принимают
эквивалентное фокусное расстояние , равное расстоянию от отверстия
до экрана – F.
Число диафрагмы – это отношение F/D, где D – диаметр отверстия
Экспозиция – это величина, характеризующая количество световой
энергии, получаемой светочувствительным материалом при съёмке.
Пусть Н – экспозиция, Е – освещённость экрана, t – время
экспонирования (выдержка), тогда: Н = Е t
Для более удалённых предметов выдержка должна быть меньше, а для
более близких – больше.
Отверстие – линза
На круглом отверстии неизбежно возникает такое явление, как
дифракция света. Именно она влияет на резкость и мягкость
изображения. Поэтому важным моментом получения качественного
изображения является диафрагмирование, т. е. подбор диаметра
отверстия, «золотой середины», чтобы оно было ни мало, ни велико.
Введём для отверстия понятия, аналогичные тем, которые вводятся
для идеальной линзы.
Схема хода лучей в отверстии
Фокусы круглого отверстия
По теореме Пифагора:
( D/2)² = [ х +Δ) ² - х²
или
D²/4 = 2 Δ х + Δ²
Величина Δ² мала по сравнению с остальными, ею можно пренебречь.
Тогда
х = D²/8 Δ (1)
Согласно критерию Рэлея разность хода Δ не должна превышать четверти
длины волны, то есть
0 ≤ Δ ≤ λ/4
Подставим Δ в формулу (1) и получим
D²/2 λ ≤ х < ∞ (2)
Кроме множества точек (2), критерием Рэлея определяется и симметрично
расположенное ему относительно центра отверстия множество точек
- ∞ < х ≤ - D²/2 λ (3)
Отверстие имеет действительный и мнимый фокусы
Оба множества точек - это изображение бесконечно удалённого
источника света, лежащего на главной оптической оси отверстия. Но
такие точки принято называть фокусами системы. Таким образом,
множества (2) и (3) и есть фокусы круглого отверстия!
Нам известно, что у собирающей линзы фокус действительный ,а у
рассеивающей – мнимый.
Но как показывают выражения (2) и (3) отверстие имеет как
действительный, так и мнимый фокусы. Следовательно, прорезанное
в непрозрачном экране отверстие действует и как собирающая, и как
рассеивающая линза.
Значит, для отверстия справедливы все формулы, выведенные для
идеальной линзы, только вместо значения фокусного расстояния
линзы нужно подставлять множество значений фокусных расстояний
круглого отверстия.
Наш стеноп
Стеноп – это фотографический
аппарат без объектива. Роль
объектива выполняет отверстие.
Изображения, получаемые с
помощью таких камер, отличаются
своеобразным мягким рисунком,
идеальной перспективой и большой
глубиной резкости.
Для своего стенопа мы
воспользовались фотокамерой
«Смена-8М», сняли объектив и
закрыли отверстие фольгой. Затем
произвели несколько съёмок
пейзажа за окном, меняя диаметр
отверстия и выдержку.
На верхнем снимке диаметр
отверстия – 3 мм, на нижнем –
0,5 мм.
Итак, что влияет на качество изображения:
Верно подобранный для заданного расстояния от объекта съёмки до
отверстия его диаметр
Выдержка - продолжительность пребывания отверстия открытым
Экспозиция – отношение между диаметром отверстия и его
положением относительно светочувствительного элемента
Тогда
резкость изображения получится наибольшей, а, значит, качество
снимка выполненного стенопом или картинки в камере-обскуре
будут наилучшими.
Результаты эксперимента
Выводы
Литература