Pinhole kamera - Pinhole camera

Et hjemmelaget pinhole-kameraobjektiv

Et pinhole-kamera er et enkelt kamera uten objektiv, men med en liten blenderåpning (det såkalte pinhole )-effektivt en lyssikker boks med et lite hull i den ene siden. Lys fra en scene passerer gjennom blenderåpningen og projiserer et omvendt bilde på motsatt side av boksen, som er kjent som camera obscura -effekten.

Historie

Camera obscura

Camera obscura eller pinhole -bildet er et naturlig optisk fenomen. Tidlig kjente beskrivelser finnes i de kinesiske Mozi -skriftene (rundt 500 fvt) og de aristoteliske problemene (ca. 300 fvt - 600 e.Kr.).

Et diagram som viser Ibn al-Haythams observasjoner av lysets oppførsel gjennom et pinhull
Tidlig pinhole kamera. Lys kommer inn i en mørk boks gjennom et lite hull og skaper et omvendt bilde på veggen overfor hullet.

Ibn al-Haytham (965–1039), en arabisk fysiker også kjent som Alhazen, beskrev camera obscura-effekten. Gjennom århundrene begynte andre å eksperimentere med det, hovedsakelig i mørke rom med en liten åpning i skodder, mest for å studere lysets natur og trygt se solformørkelser .

Giambattista Della Porta skrev i 1558 i sin Magia Naturalis om å bruke et konkavt speil for å projisere bildet på papir og bruke dette som tegnehjelpemiddel. På omtrent samme tid ble imidlertid bruken av et objektiv i stedet for et pinhull introdusert. På 1600 -tallet ble camera obscura med et objektiv et populært tegnehjelpemiddel som ble videreutviklet til en mobil enhet, først i et lite telt og senere i en eske. Den fotografiske kamera, som utviklet tidlig på 19-tallet, var i utgangspunktet en tilpasning av box-type kamera obscura med en linse.

Begrepet "pin-hole" i konteksten av optikk ble funnet i James Fergusons bok fra 1764 Forelesninger om utvalgte emner innen mekanikk, hydrostatikk, pneumatikk og optikk .

Tidlig pinhole fotografering

Den første kjente beskrivelsen av pinhole-fotografering finnes i boken The Stereoscope fra 1856 av den skotske oppfinneren David Brewster , inkludert beskrivelsen av ideen som "et kamera uten linser, og med bare et pin-hole".

Sir William Crookes og William de Wiveleslie Abney var andre tidlige fotografer for å prøve pinhole -teknikken.

Eksperimenter med film og integrerte fotografier

I følge oppfinneren William Kennedy Dickson fant de første forsøkene rettet mot bevegelige bilder av Thomas Edison og hans forskere sted rundt 1887 og involverte "mikroskopiske pin-point fotografier, plassert på et sylindrisk skall". Størrelsen på sylinderen korresponderte med deres fonograf -sylinder da de ønsket å kombinere de bevegelige bildene med lydopptak. Det oppstod problemer med å ta opp klare bilder "med fenomenal hastighet" og "grovheten" til den fotografiske emulsjonen når bildene ble forstørret. De mikroskopiske pin-point fotografiene ble snart forlatt. I 1893 ble Kinetoscope endelig introdusert med bevegelige bilder på celluloidfilmstrimler. Kameraet som tok opp bildene, kalt Kinetograph , var utstyrt med et objektiv.

Eugène Estanave eksperimenterte med integrert fotografering , viste et resultat i 1925 og publiserte funnene sine i La Nature . Etter 1930 valgte han å fortsette eksperimentene med pinhull som erstattet linseformet skjerm.

Bruk

Bildet av et pinhole-kamera kan projiseres på en gjennomsiktig skjerm for visning i sanntid (brukes for sikker observasjon av solformørkelser) eller for å spore bildet på papir. Men den brukes oftere uten en gjennomsiktig skjerm for pinhole -fotografering med fotografisk film eller fotografisk papir plassert på overflaten motsatt pinhole -blenderåpningen.

En vanlig bruk av pinhole -fotografering er å fange solens bevegelse over lang tid. Denne typen fotografering kalles solarigrafi . Pinhole -fotografering brukes av kunstneriske årsaker, men også for pedagogiske formål for å la elevene lære om og eksperimentere med det grunnleggende i fotografering.

Pinhole-kameraer med CCD-er ( ladningskoblede enheter ) brukes noen ganger til overvåking fordi de er vanskelige å oppdage.

Relaterte kameraer, bildedannende enheter eller utviklinger fra det inkluderer Franke's widefield pinhole -kamera, pinspeck -kameraet og pinhead -speilet .

Moderne produksjon har muliggjort produksjon av pinhole -objektiver av høy kvalitet som kan brukes på digitale kameraer; slik at fotografer og videografer kan oppnå camera obscura -effekten.

Kjennetegn ved pinhole kamerafotografering

  • Pinhole fotografier har nesten uendelig dybdeskarphet , alt vises i fokus .
  • Så det er ingen linseforvrengning , vidvinkelbilder forbli helt rettlinjet.
  • Eksponeringstiden er vanligvis lang, noe som resulterer i bevegelsesuskarphet rundt objekter i bevegelse og fravær av objekter som beveger seg for fort.

Andre spesialfunksjoner kan bygges inn i pinhole -kameraer, for eksempel muligheten til å ta doble bilder ved hjelp av flere hull, eller muligheten til å ta bilder i sylindrisk eller sfærisk perspektiv ved å bøye filmplanet.

Konstruksjon

Et pinhole -kamera laget av en havregrynbeholder, pakket inn i ugjennomsiktig plast for å forhindre lette lekkasjer;  en eske med fotografisk papir;  tang og fat for utvikling av film;  flasker med film som utvikler kjemikalier
Et hjemmelaget pinhole-kamera (til venstre), innpakket i svart plast for å forhindre lyslekkasjer og tilhørende utviklingsmateriell

Pinhole -kameraer kan håndlaget av fotografen for et bestemt formål. I sin enkleste form kan det fotografiske pinhole-kameraet bestå av en lys-tett boks med et pinhole i den ene enden, og et stykke film eller fotografisk papir klemt eller tapet inn i den andre enden. En pappklaff med et båndhengsel kan brukes som lukker. Borehullet kan stanses eller bores ved hjelp av en synål eller en liten diameter gjennom et stykke stanniol eller et tynt aluminiums- eller messingark. Dette stykket blir deretter tapet til innsiden av den lystette boksen bak et hull som er kuttet gjennom esken. En sylindrisk havregrynbeholder kan gjøres til et pinhole -kamera.

Interiøret i et effektivt pinhole -kamera er svart for å unngå refleksjon av det innkommende lyset på fotografisk materiale eller visningsskjerm.

Pinhole -kameraer kan konstrueres med en glidende filmholder eller bak slik at avstanden mellom filmen og pinhole kan justeres. Dette gjør at kameraets synsvinkel kan endres og kameraets effektive f-stop- forhold. Hvis du flytter filmen nærmere hullet, vil det resultere i et vidvinkel synsfelt og kortere eksponeringstid. Hvis du flytter filmen lengre vekk fra pinhullet, vil det føre til telefoto- eller smalvinkelsyn og lengre eksponeringstid.

Pinhole -kameraer kan også konstrueres ved å bytte ut objektivet i et vanlig kamera med et pinhull. Spesielt kan kompakte 35 mm -kameraer hvis objektiv og fokuseringsenhet er skadet, gjenbrukes som hull i kameraet - vedlikehold av bruk av lukker- og filmviklingsmekanismer. Som et resultat av den enorme økningen i f-nummer , samtidig som man beholder samme eksponeringstid, må man bruke en rask film i direkte solskinn.

Pinholes (hjemmelaget eller kommersiell) kan brukes i stedet for linsen på et speilreflekskamera. Bruk med en digital SLR tillater måling og sammensetning ved prøving og feiling, og er effektivt gratis, så det er en populær måte å prøve pinhole -fotografering på.

Uvanlige materialer har blitt brukt til å konstruere pinhole -kameraer, f.eks. En kinesisk stekeend av Martin Cheung.

Valg av pinhole størrelse

Inntil et visst punkt, jo mindre hull, desto skarpere blir bildet, men jo svakere blir det projiserte bildet. Optimalt sett bør størrelsen på blenderåpningen være 1/100 eller mindre av avstanden mellom den og det projiserte bildet.

Innen grenser vil et mindre pinhull (med en tynnere overflate som hullet går gjennom) resultere i en skarpere bildeoppløsning fordi den projiserte forvirringssirkelen ved bildeplanet er praktisk talt samme størrelse som pinhole. Et ekstremt lite hull kan imidlertid gi betydelige diffraksjonseffekter og et mindre klart bilde på grunn av lysets bølgeegenskaper. I tillegg skjer vignettering når diameteren på hullet nærmer seg tykkelsen på materialet det er stanset i, fordi hullets sider hindrer lyset som kommer inn ved noe annet enn 90 grader.

Det beste pinhullet er perfekt rundt (siden uregelmessigheter forårsaker diffraksjonseffekter av høyere orden) og i et ekstremt tynt stykke materiale. Industrielt produserte pinholes drar nytte av laseretsing , men en hobbyist kan fremdeles produsere pinholes av tilstrekkelig høy kvalitet for fotografisk arbeid.


En metode for å beregne den optimale pinhole -diameteren ble først publisert av Joseph Petzval i 1857. Minste mulige diameter på bildepunktet og derfor den høyest mulige bildeoppløsningen og det skarpeste bildet er gitt når:

(Hvor d er pinhole diameter, f er avstanden fra pinhole til bildeplan eller "brennvidde" og λ er lysets bølgelengde.)

Den første som brukte bølgeteorien til problemet var Lord Rayleigh i 1891. Men på grunn av noen uriktige og vilkårlige fradrag kom han frem til:

Så det optimale pinhullet hans var omtrent 1/3 større enn Petzvals.

Det riktige optimumet kan bli funnet med Fraunhofer -tilnærming til diffraksjonsmønsteret bak en sirkulær blenderåpning ved:

Dette kan forkortes til: (Når d og f i millimeter og λ = 550 nm = 0,00055 mm, tilsvarer gulgrønn.)

For en pinhole-to-film avstand på 1 inch eller 25,4 mm, fungerer dette til et pinhole på 0,185 mm (185 mikron) i diameter. For f = 50 mm er den optimale diameteren 0,259 mm.


Den dybdeskarphet er i utgangspunktet uendelig , men dette betyr ikke at ingen optisk uskarphet oppstår. Den uendelige dybdeskarpheten betyr at uskarphet ikke avhenger av objektavstand, men av andre faktorer, for eksempel avstanden fra blenderåpningen til filmplanet , blenderåpningens størrelse, bølgelengden (e) til lyskilden og motivets bevegelse eller lerret. I tillegg kan pinhole -fotografering ikke unngå effekten av dis .

Et eksempel på en 20-minutters eksponering tatt med et pinhole-kamera
Et eksempel på en 20-minutters eksponering tatt med et pinhole-kamera
Et fotografi tatt med et hullkamera med en eksponeringstid på 2 sekunder
Et fotografi tatt med et hullkamera med en eksponeringstid på 2 sekunder
En graf over oppløsningsgrensen for pinhole -kameraet som en funksjon av brennvidde (bildeavstand).

På 1970 -tallet målte Young oppløsningsgrensen for pinhole -kameraet som en funksjon av pinhole -diameter og publiserte senere en opplæring i The Physics Teacher. Delvis for å muliggjøre en rekke diametre og brennvidder, definerte han to normaliserte variabler: pinhole radius dividert med oppløsningsgrense, og brennvidde delt med mengden s 2 /λ, hvor s er radien til pinhole og λ er bølgelengden til lyset, vanligvis omtrent 550 nm. Resultatene hans er plottet i figuren.

På venstre side av grafen er pinhullet stort, og geometrisk optikk gjelder; oppløsningsgrensen er omtrent 1,5 ganger radiusen til pinhullet. (Rasende oppløsning er også sett i grensen for geometrisk optikk.) På høyre side er pinhullet lite, og Fraunhofer-diffraksjon gjelder; oppløsningsgrensen er gitt med langt-feltet diffraksjonsformel vist i grafen og øker nå etter hvert som hullet blir mindre. I området med nærfeltdiffraksjon (eller Fresnel-diffraksjon ) fokuserer pinhullet lyset litt, og oppløsningsgrensen minimeres når brennvidden f (avstanden mellom pinhole og filmplanet) er gitt av f = s 2 /λ. Ved denne brennvidden fokuserer pinhullet lyset litt, og oppløsningsgrensen er omtrent 2/3 av radien til pinhullet. Nålhullet, i dette tilfellet, tilsvarer en Fresnel soneplate med en enkelt sone. Verdien s 2 /λ er på en måte den naturlige brennvidden til pinhullet.

Forholdet f = s 2 / λ gir en optimal pinhole -diameter d = 2 , så den eksperimentelle verdien avviker noe fra estimatet for Petzval ovenfor.

Beregning av f-tallet og nødvendig eksponering

En brannhydrant fotografert av et pinhole -kamera laget av en skokasse, eksponert på fotografisk papir (øverst). Eksponeringslengden var 40 sekunder. Det er merkbar fakkel i nedre høyre hjørne av bildet, sannsynligvis på grunn av eksternt lys som kommer inn i kameraboksen.

Kameraets f-nummer kan beregnes ved å dele avstanden fra pinhullet til bildeplanet ( brennvidden ) med diameteren på pinhole. For eksempel vil et kamera med et hull på 0,5 mm i diameter og en brennvidde på 50 mm ha et f-tall på 50 /0,5 eller 100 ( f /100 i konvensjonell notasjon).

På grunn av det store f-tallet til et pinhole-kamera, vil eksponeringer ofte støte på gjensidighetssvikt . Når eksponeringstiden har overskredet ca. 1 sekund for film eller 30 sekunder for papir, må man kompensere for sammenbruddet i filmens/papirets lineære respons på lysstyrken ved å bruke lengre eksponering.

Eksponeringer som projiseres på moderne lysfølsom fotografisk film kan vanligvis variere fra fem sekunder til så mye som flere timer, med mindre hull som krever lengre eksponering for å produsere bildet i samme størrelse. Fordi et pinhole -kamera krever lang eksponering, kan lukkeren betjenes manuelt, som med en klaff laget av ugjennomsiktig materiale for å dekke og avdekke pinhole.

Kodede blenderåpninger

Et optisk system med ikke-fokusert kodet blenderåpning kan betraktes som flere pinhole-kameraer sammen. Ved å legge til hull, øker lysgjennomstrømningen og dermed følsomheten. Imidlertid er flere bilder dannet, vanligvis krever datamaskin deconvolution .

Moderne interesse for pinhole fotografering

En vekkelse i popularitet har blitt tydelig de siste årene med suksessen til Kickstarter crowdfunding -kampanjer som tilbyr en rekke pinhole -fotoprodukter. Fra et kamera laget av tre til Pinhole Pro - et slank objektiv designet for DSLR og MILC digitale kameraer - disse prosjektene har hentet investeringer fra tusenvis av entusiastiske støttespillere for å skaffe hundretusenvis av dollar.

Naturlig pinhole fenomen

Kopibilder av en delvis solformørkelse .

Noen ganger kan en pinhole -kameraeffekt forekomme naturlig. Små "pinholes" dannet av hullene mellom overlappende treblader vil skape kopibilder av solen på flate overflater. Under en formørkelse gir dette små halvmåner ved delvis formørkelse , eller hule ringer ved ringformet formørkelse .

Observasjon

Worldwide Pinhole Photography Day blir feiret den siste søndagen i april, hvert år.

Fotografer som bruker teknikken

Se også

Referanser

Videre lesning

  • Eric Renner Pinhole Photography: Fra historisk teknikk til digital applikasjon

Eksterne linker

Media relatert til Pinhole -kameraer på Wikimedia Commons