Lochkamera

Funktionsweise einer Lochkamera

Das Abbildungsprinzip einer Lochkamera besteht darin, dass durch eine Lochblende nahezu alle Lichtstrahlen, bis auf ein möglichst kleines Bündel in gerader Verbindung zwischen Objekt- und Bildpunkt, ausgeblendet werden. Da im Gegensatz zu einer fokussierenden Kamera mit Objektiv keine weitere Bündelung des Lichts vorgenommen wird, bestimmt allein der Durchmesser der Lochblende die Bildschärfe und die Helligkeit des Bildes. In der Strahlenoptik gilt: Je kleiner die Lochblende, desto schärfer die Abbildung, aber desto geringer die Lichtstärke.

Die Lichtstärke realer Lochkameras ist 10- bis 500-mal kleiner als die von fokussierenden Kameras (damit fangen sie nur 1/100sten bis 1/250.000sten Teil des Lichts ein), die Schärfentiefe ist dadurch aber um den Faktor 10 bis 500 größer. Allerdings ist diese Schärfentiefe nur in seltenen Fällen nutzbar, da sie unmittelbar hinter der Lochblende beginnt (was man selten braucht) und das Bild nirgends wirklich scharf ist.

Mathematisch ist das Bild das Ergebnis einer Faltung aus idealer Abbildung des Gegenstands in der Fläche der Lochblende.

Spalten im Korbgeflecht erzeugen Sonnenbildchen an der Wand

Im Alltag beobachtet man manchmal zufällige Abbildungen an Öffnungen, die geometrisch der Lochkamera entsprechen. Bekannt sind die Sonnenkringel (Sonnentaler), die man bei Sonnenschein unter Bäumen oder am Waldboden beobachten kann. Die Zwischenräume in dichtem Blattwerk fungieren als viele Lochblenden und bilden die Sonnenscheibe als verschwommene Kreisscheiben ab. Wer den Grund dafür nicht kennt, ist dann sehr überrascht, dass sie bei einer partiellen Sonnenfinsternis als „Halbmöndchen“ erscheinen.

Das Bild rechts zeigt einen Korbstuhl, der seitlich von der Sonne beschienen wird und links an der Wand einen Schatten wirft. Die engen Spalten des Korbgeflechts erzeugen Lichtmuster auf der Wand in Form runder Scheibchen einheitlicher Größe. Dabei handelt es sich um Abbilder der kreisförmigen Sonne, nicht etwa um Umrisse des Geflechts.

Schießscharten erzeugen Projektionen der Umgebung.

Das Bild links zeigt durch Schießscharten verursachte Projektionen der Umgebung auf eine gegenüberliegende Wand: Man erkennt die roten Dächer der Häuser und die davor stehenden Bäume. Die Projektionen sind etwa 1,50 Meter hoch.

Weiterhin stellen Augen einfacher Lebewesen auch Lochkameras dar (Lochkamera-Auge).

Im Bereich von Röntgenstrahlung, Gammastrahlung sowie von Partikelstrahlung stellen Lochblenden eine (manchmal die einzige) Möglichkeit dar, um Abbildungen zu erzeugen, da sich für diese Strahlungsarten keine klassischen Linsen herstellen lassen. Für Röntgenstrahlung gibt es noch die Möglichkeit Spiegeloptiken oder Beugungsgitter zu verwenden, für geladene (monochromatische) Partikel können Elektronenoptiken verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht durch Beleuchtung mit einer punktförmigen Strahlungsquelle (Pinhole auf der Beleuchtungsseite!) oder bei hochenergetischen Teilchen durch Detektion und Auswertung von Trajektorien.

Nachteilig bei Lochkameras ist die geringe Lichtstärke. Für medizinische Röntgenaufnahmen wären sie z. B. völlig ungeeignet.

In der Astronomie werden häufig sogenannte kodierende Blenden verwendet. Die Lichtstärke gegenüber einem Einzelloch wird erhöht, das Auflösungsvermögen nach einer Entfaltung ist höher als das eines Einzellochs. Radioteleskop-Arrays nutzen auch dieses Prinzip.

Aufnahme der scharfrandigen Sonne mit einer Lochkamera mit kreisförmiger Lochblende. Kurze Lichtwellenlängen (blau) werden weniger gebeugt als lange Lichtwellenlängen (rot).

Beugungserscheinungen an der Lochblende setzen der klassischen Betrachtungsweise Grenzen. Der Durchmesser S des Unschärfeflecks vergrößert sich dadurch um den Durchmesser ΔS des Beugungsscheibchens. Für diesen gilt vereinfacht:

${\displaystyle \Delta S=c\cdot {\frac {b}{D}}}$. Dabei ist c eine lichtwellenabhängige Konstante, die auf den Näherungswert 1 Mikrometer gesetzt werden kann.

Nach der strahlenoptischen Betrachtung nimmt die Größe des Unschärfeflecks linear mit der Blendengröße ab (siehe oben). Die Lichtbeugung zeigt ein umgekehrtes Verhalten: Die Unschärfe verhält sich umgekehrt proportional zum Lochdurchmesser. Der optimale Durchmesser D_opt ist der Wert, für den beide zusammen am kleinsten sind. Die Extremwertsuche liefert:

${\displaystyle D_{\mathrm {opt} }={\sqrt {c\cdot {\frac {bg}{b+g}}}}}$

Für g ≫ b gilt die Näherung: ${\displaystyle D_{\mathrm {opt} }\approx {\sqrt {c\cdot b}}}$.

Mit c = 1 µm liefert die Formel ${\displaystyle D_{\mathrm {opt} }\approx {\sqrt {b}}}$ den Wert für D_opt in Millimeter, wenn b in Meter eingesetzt wird.

Der optimale Durchmesser ist damit ein wenig kleiner als die innere Zone einer Fresnel-Zonenplatte.

Bildweite b Länge der Lochkamera	Optimale Blendenöffnung Dopt für weit entfernte Objekte	Größe des Unschärfeflecks S für ∞ entfernte Objekte	Beff = b/D	Bildschärfe bei Bildgröße (${\displaystyle d_{F}:S}$)					Belichtungszeit minimal (sec)
				APS-C	KB	4"×5"	8"×10"	A0	ISO 100	ISO 800	ISO 6400
1 cm	0,1 mm	0,2 mm	100	1:133	1:216	1:810	1:1620	1:7300	0,4	1/20	1/160
4,4 cm	0,21 mm	0,42 mm	210	1:63	1:103	1:390	1:780	1:3500	1,6 (2)	1/5	1/40
7,4 cm	0,27 mm	0,54 mm	270	1:49	1:80	1:300	1:600	1:2700	3 (4)	0,4	1/20
10 cm	0,32 mm	0,63 mm	320	1:42	1:68	1:260	1:520	1:2300	4 (6)	0,5	1/15
21 cm	0,46 mm	0,92 mm	460	1:29	1:47	1:180	1:360	1:1600	15 (30)	2 (2,5)	1/4
1 m	1 mm	2 mm	1000	1:13	1:22	1:81	1:162	1:730	40 (100)	5 (8)	0,6
10 m	3,2 mm	6,3 mm	3200	1:4,2	1:6,8	1:26	1:52	1:230	400 (1800)	50 (120)	6 (10)

Die „Optimierung“ bezieht sich dabei ausschließlich auf die Bildschärfe. Die effektive Lichtstärke dieser Kameras (abzulesen an der effektiven Blendenzahl B_eff) ist sehr gering. Bei Belichtung auf Filmmaterial ist selbst bei hellem Sonnenschein der Schwarzschild-Effekt zu berücksichtigen.

Die Belichtungszeiten beziehen sich auf vollen Sonnenschein bzw. helle Motive. In Klammern stehen die Werte mit Schwarzschild-Effekt.

Maximal erreichbare Schärfe:

Für akzeptable Bildschärfen sind große Bildgrößen notwendig (typischerweise über drei Quadratmeter). Beim Arbeiten im Superweitwinkelbereich muss eine starke Vignettierung hingenommen werden. Die Blendenöffnung muss sich in einer möglichst dünnen Folie befinden, damit zusätzliche Vignettierungen und Ghosting vermieden werden.

Digitale Lochkamera: Systemkamera mit innenliegendem Kunststoffkonus und Bajonettanschluss. Die Lochblende befindet sich mittig im Konus und besteht aus einer silberfarbenen Metallfolie mit einem geätzten Lochdurchmesser von 0,1 mm Durchmesser und einer Bildweite 11 mm.

Reproduktion einer Lochkamera-Aufnahme: Aufgenommen mit einer Pappkamera auf Kodak-Diafilm, 9 cm × 6 cm, Belichtungszeit ca. 180 sec

Im Vergleich zu denen einer fokussierenden Kamera sind die Bilder einer Lochkamera

• frei von Verzeichnungen, die Projektion ist üblicherweise eine gnomonische Projektion, bei gebogenen Filmhalterungen sind auch Zylinderprojektionen möglich
• frei von chromatischer Aberration,
• frei von Astigmatismus, Koma, sphärischer Aberration und Bildfeldwölbung,
• weist im Vergleich zu retrofokalen Weitwinkelobjektiven eine starke Vignettierung (cos⁴) auf
• auf Grund auch bildseitig großer Schärfentiefe kann die Bildebene theoretisch beliebig gekrümmt werden, damit sind andere Projektionen (Zylinder-, elliptische, parabolische, hyperbolische) möglich, wenn der Sensor es zulässt.

Die Bilder sind wesentlich unschärfer als die einer fokussierenden Kamera. Gleichauf oder überlegen ist eine Lochkamera nur in extremen Grenzbereichen, wenn der Abbildungsmaßstab des Motivs innerhalb eines Bildes extrem stark differiert (z. B. von 1:0 (∞) bis 1:1 (Makro)). Folgende Werte sind mit einer konventionellen Kamera erreichbar:

• APS-C-Sensor, f = b = 10 mm, fokussierenden Kamera mit Blende 22
  • Schärfentiefe bei ∞-Einstellung und Lochkamera-Schärfe: 2 cm bis ∞
  • Schärfentiefe bei hyperfokaler Einstellung und Lochkamera-Schärfe: 1 cm bis ∞
• 8"×10"-Fotomaterial, f = b = 120 mm, fokussierenden Kamera mit Blende 64
  • Schärfentiefe bei ∞-Einstellung und Lochkamera-Schärfe: 38 cm bis ∞
  • Schärfentiefe bei hyperfokaler Einstellung und Lochkamera-Schärfe: 19 cm bis ∞

Erst wenn deutlich mehr Schärfentiefe erforderlich ist, ist eine (große) Lochkamera neben vielen anderen Möglichkeiten eine mögliche Option.

Das Funktionsprinzip einer Lochkamera sowie die Lichtausbreitung lassen sich gut mit einfachen, auch für Kinder geeigneten Experimenten verdeutlichen. Lochkameras lassen sich aus Streichholzschachteln, Getränke- oder Keksdosen bauen – aber selbst Wassertonnen oder Baucontainer kommen in Frage.

Foto, aufgenommen mit einer Lochkamera aus Beton

Original-Portraitfoto: Links das 1951 mittels Lochkamera erstellte Original, das nach Anleitung aus einem Photobaukasten für Schüler zusammengesetzt wurde. Rechts die spätere Bildrestauration.

Canon AV 1, zur Lochkamera umgebaut

Zum Beispiel kann eine Kiste oder Dose innen matt geschwärzt und an einer Seite mit einem 0,1 bis 0,5 mm großen Loch versehen werden. Ist die Lochkamera zum Betrachten von Bildern gedacht, so ist die Rückseite eine Mattscheibe (Transparentpapier), die durch eine Röhre oder ein Tuch vor Streulicht geschützt ist. Man kann mit einem solchen Behälter aber auch wirklich fotografieren. Dazu wird bei absoluter Dunkelheit ein Film oder anderes lichtempfindliches Material auf der dem Loch gegenüberliegenden Innenwand fixiert und das Loch dann dicht verschlossen. Anschließend wird bei Helligkeit das Motiv gewählt, der Verschluss geöffnet und nach Ende der Belichtungszeit wieder verschlossen. Die Dauer der Belichtung ist (wie bei der herkömmlichen Fotografie) von vielen Faktoren abhängig: der vorhandenen Lichtintensität, der Größe des Lochs, der Bewegung des Motivs; sie kann zwischen einer Sekunde und mehreren Monaten betragen. Bei der Entwicklung des Films entsteht ein Negativ, das gegebenenfalls durch eine Kontaktkopie zu einem Positiv verarbeitet werden kann. Für ein gutes Ergebnis ist eine exakte Rundung des Lochs wichtig. Ausgefranste Lochränder verstärken die oben beschriebene Lichtbeugung und führen zu unscharfen Bildern. Da bei größeren Bildwinkeln die Ränder des Negativs deutlich weniger Licht erhalten, bleiben sie (bei gleicher Helligkeit des Objektes) heller; das Positiv wird am Rande also dunkler. Wenn dieser Randlichtabfall unerwünscht ist, muss man beim Umkopieren durch manuelles Abwedeln für eine gleichmäßige Belichtung sorgen.

Reale Lochblenden weisen auch eine Vignettierung auf, die den Bildkreis begrenzt, denn die Löcher sind niemals vollkommen flach, sondern eigentlich Rohre, deren Länge der Dicke der Blende entspricht. Man kann die Vignettierung minimieren, indem man die Dicke der Blende im Bereich des Lochs – z. B. durch Abschleifen – möglichst klein im Verhältnis zum Lochdurchmesser macht.

Eine weitere Möglichkeit, sich eine Lochkamera selbst zu schaffen, besteht im einfachen Umbau eines Fotoapparates. Dieser muss dazu lediglich über eine Wechseloptik verfügen, damit man das Objektiv vollständig entfernen kann, sowie eine Auslösemöglichkeit, bei der der Verschluss sich beliebig lange offenhalten lässt. Die Optik wird entfernt und durch eine Blindkappe ersetzt, die mit einer entsprechenden Bohrung versehen wird. Optimal ist ein kleiner Vorsatzhalter für verschiedene Lochblenden. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, dass man mehr als nur einen „Schuss“ hat und den eingelegten Film (schwarz/weiß oder farbig) hinterher zum Entwickeln abgeben kann, also keine Dunkelkammer oder sonstiges Zubehör benötigt.

Interessante technische Aspekte weist eine Lochbildkamera in folgenden Bereichen auf:

• Große Schärfentiefe
• Superweitwinkel-Aufnahmen
• Langzeitbelichtung
• Kamera mit einfachen Mitteln selbst zusammenbauen

Sehr große Schärfentiefe ist allerdings auch erreichbar

• mit Superweitwinkeloptiken an DSLRs (APS-C, f = 10 mm, Blende 22)
  • d_F / 1500: 12 cm bis ∞
  • d_F / 150: 1,5 cm bis ∞
• mit Kompaktkameras (1/2,3", f = 4 mm, Blende 8)
  • d_F / 1500: 20 cm bis ∞
  • d_F / 150: 2,2 cm bis ∞

und für die meisten Zwecke (auch für die Aufnahme der stillgelegten Eisenbahnbrücke) ausreichend.

Langzeitbelichtung ist möglich durch

• Graufilter
• Mehrfachbelichtung und Summation oder Verrechnung

Bestimmte Eigenschaften der Lochkamera-Fotografie haben Künstler besonders fasziniert. Dazu gehört die grafisch-flächige Wirkung solcher Fotografien: Durch die gleichmäßig über das Bild verteilte Schärfentiefe tritt die räumliche Wahrnehmung des Objekts zurück – alles wirkt von vorn bis hinten gleichmäßig unscharf. Ein weiterer Aspekt ist, dass sich schnell durch das Bild bewegende Objekte bei langen Belichtungszeiten nicht mehr auf dem Foto wiederfinden: Somit ist es zum Beispiel möglich, den Markusplatz in Venedig oder den Stachus in München völlig ohne Menschen oder Fahrzeuge abzulichten. Dafür sind diese Bildelemente allerdings mit einem Schleier überzogen. Andererseits muss eine Landschaftsaufnahme möglichst bei völliger Windstille erfolgen, wenn Verwischungen in den Ästen der Bäume vermieden werden sollen. Der Effekt der Mehrfachbelichtung kann gerade bei Porträtaufnahmen gewünscht sein; es verleiht diesen Aufnahmen eine besondere Lebendigkeit.

Commons: Lochkameras – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• www.abelardomorell.net – Zu Lochkameras umfunktionierte Räume (die dann mit klassischen Kameras fotografiert werden)
• Reportage auf Spiegel Online – Mülltonne als große portable Lochkamera

1. Don Ihde: Experimental Phenomenology. Second Edition: Multistabilities SUNY 2012.
2. Siehe zum Beispiel Wanderlust Pinwide für das Micro-Four-Thirds-System (Brennweite = 11 mm, f/128, Bildwinkel ca. 80°), online abgerufen am 25. Oktober 2012
3. Pinwide cap for Micro 4/3, kickstarter.com, online abgerufen am 25. Oktober 2012