Камера-обскура - это оптическое устройство. Оно состоит из светонепроницаемого ящика, на одной из сторон которого находится отверстие для попадания внутрь лучей света, и экрана на противоположной стороне. В роли экрана могут выступать белый лист бумаги или стекло матовое. Лучи проходят через отверстие и формируют на экране перевернутое изображение.
Первые обскуры были стационарными и большим шагом вперед стало создание переносных устройств. Стационарные камеры представляли из себя небольшие затемненные комнаты с отверстием в стене и белым экраном на противоположной стороне. Переносные камеры позволяли работать с ними более продуктивно. Сначала это были темные палатки, которые могли вращаться, чтобы ученые могли наблюдать за звездным небом, солнцем. Чуть позже появились разборные камеры. Они были очень громоздкими, но появилась возможность расширить область их применения.
Первые упоминания о явлении, которое лежит в основе работы камеры-обскуры, датируется V веком до нашей эры. Китайский философ Мао-Цзы описывал в своих трудах, как ему приходилось наблюдать что-то интересное и загадочное. На стене темного помещения появляется изображение, если в окно проникает световой луч. Об этом также писал Аристотель.
В Х веке арабский ученый Ибн Альхазен объяснил это явление и создал наблюдательную палатку в виде камеры-обскуры. Такое приспособление нужно было для наблюдения за звездным небом и солнечными затмениями. Сначала его использовали только астрономы, но несколько веков спустя Леонардо да Винчи нашел применение камере в живописи. В 1950 году итальянский физик оснастил камеру линзой, а немного позже ученые предложили дефрагментировать линзу.
Несмотря на то, что изначально камера-обскура была исключительно инструментом астрономов, художники начали использовать ее активно. Они применяли ее для создания портретов, пейзажных картин, получая нужное изображение на стене и обводя контуры углем, красками и другими материалами, а затем дорисовывая детали. Это существенно облегчало их работу. Уже доказано, что многие гениальные картины великих художников, поражающие обилием деталей, были написаны с применением обскуры.
В какой-то момент физики задумались о том, как можно зафиксировать изображение на экране. Так на основе старинного приспособления был создан первый фотоаппарат.
Принцип действия камеры-обскуры
Принцип действия устройства достаточно прост. Лучи, попадающие в отверстие, достигают экрана или бумажного щита и "рисуют" на нем перевернутое изображение того объекта, который находится перед лицевой стороной прибора. Чем больше расстояние между отверстием и экраном, тем больший размер имеет полученная картина.
Качество изображения на экране или бумаге зависит от диаметра отверстия. Чем оно меньше, тем более резкой получается картинка, но при этом она темнее. Сделать изображение ярче можно путем увеличения диаметра окошка, но в этом случае в камеру будут попадать посторонние лучи и изображение окажется размытым.
Темная комната в отверстием в стене является стационарной камерой-обскурой. По такому же принципу устроены глаза человека. Видеть более резко и четко людям помогает усиление оптической схемы хрусталиком и глазным яблоком.
Усовершенствованные и современные камеры-обскуры
С момента создания камеры-обскуры устройство постоянно совершенствовалось и продолжает совершенствоваться в настоящее время. Все современные фотоаппараты можно назвать улучшенной модификацией камеры-обскуры. Они работают по такому же принципу.
В 1550 году итальянские ученые предложили вставлять в устройство линзу. Это позволяло получать более резкое изображение и управлять резкостью. Заднюю стенку обскуры сделали передвижной.
В 1686 году Йоганесс Цан модернизировал устройство, создав портативную камеру. Изображение на ее экране уже не было перевернутым. Этого удалось добиться путем использования зеркал. Ученый расположил их внутри камеры под углом. Применять обскуру стало гораздо удобнее.
Обскура, сконструированная французским физиком, представляла собой пирамиду четырехгранную. Она состояла из четырех реек. в верхней части рейки соединялись муфтами. В качестве экрана ученый предложил использовать белый фон, на который впоследствии начали наносить специальные закрепляющие реактивы.
Использование камеры в жизни
Зная принцип действия камеры-обскуры, можно использовать это явление для создания примитивных фотоаппаратов и даже домашних кинотеатров. В давние времена люди просверливали небольшое отверстие в стенах, выходящих на улицу, и имели возможность наблюдать на стене противоположной то, что происходит за окном. Когда в домах не было телевизоров, это было вполне интересным развлечением.
В настоящее время это потеряло актуальность, но многие начинающие художники используют такой прием. Чтобы расписать стены, изобразить на них красивый пейзаж, можно создать импровизированную камеру, завесив шторы и сделав в плотном материале небольшое отверстие. Используя крупные линзы, можно перевернуть изображение и сделать наброски, а затем доработать картину.
Современные фотографы для создания интересных работ используют стеноп. Он является современной модификацией камеры-обскуры. Внешне он выглядит как обычный фотоаппарат, но объектив закрыт крышкой, в котором просверлено небольшое отверстие. Фотографии получаются необычными, с четко выраженной линией перспективы.
В настоящее время примитивные камеры-обскуры используют для:
- науки и образования;
- получения необычных фотографий;
- демонстрации.
В некоторых городах камеры установлены в музеях или даже на открытых площадках, чтобы люди могли своими глазами увидеть то, чем пользовались их предки, а также понять, как работает данное изобретение.
Как сделать камеру-обскуру самостоятельно
Поэкспериментировать со светом и изображением могут даже люди, не имеющие отношения к фотографии и живописи. Для создания примитивной камеры-обскуры нужно взять спичечный коробок, проделать в нем небольшое отверстие, а на противоположную боковую внутреннюю часть прикрепить фотобумагу. Коробок нужно поставить на подоконник или на открытую площадку на 4-6 часов, после чего его можно будет открыть и оценить результат. На фотобумаге проявится изображение. По такому же принципу камеру-обскуру можно сделать из жестяной банки из под чая, из обувной коробки.
В данном опыте можно использовать также фотопленку, но только не засвеченную. Диаметр отверстия в коробке должен быть совсем небольшим. Если сделать его более крупным, эксперимент не удастся из-за засвечивания пленки.
Фотолюбители могут сделать более сложную модель камеры. Для этого потребуются:
- крышка от корпуса камеры;
- кусок алюминия квадратный (можно вырезать из пивной банки);
- иголка;
- бумага наждачная;
- изолента черного цвета.
В крышке корпуса камеры необходимо просверлить отверстие. Диаметр отверстия - 5 мм. Все неровности следует зашлифовать бумагой наждачной.
В кусочке алюминия также нужно проделать отверстие. Далее нужно соединить алюминиевый квадрат с корпусом. Сделать это удобно при помощи изоленты. Важно, чтобы отверстия совпадали. Далее нужно прикрепить крышку к объективу и приступить к съемке.Так как диафрагма в данном случае будет максимально закрытой, рекомендуется использовать штатив. Так снимки получатся более четкими.
Друзья, а вы когда-нибудь обращали внимание, что с начала
XV века картины европейских живописцев стали заметно качественнее? В них появилось больше реалистичных деталей, точнее отражалась игра света и тени, появился отсутствующий ранее объем.
Вы не задавались вопросом, как так резко улучшилась техника в живописи старых мастеров?
Одним из секретов стало использование оптических устройств. Например, камера-обскура и вогнутые зеркала при кажущейся сегодня простоте тогда, в эпоху отсутствия вспомогательной техники, стали для живописцев настоящими находками.
Правда, в то время это было огромным секретом! Еще бы, ведь профессия художника была весьма высокооплачиваемой, и никто не хотел делиться секретами мастерства. Разумеется, такая техника в живописи старых мастеров, в которой использовались специальные приборы, и вовсе была тайной за семью печатями…
Камеру — обскуру использовали даже для написание пейзажей
Тем не менее, изучая картины, ученые смогли выяснить, какими методами художники Ренессанса улучшили свои навыки. Тогда мастера использовали светонепроницаемый ящик с небольшим отверстием до 5 мм, чтобы увидеть на его задней бумажной стенке реалистичное изображение, правда, перевернутое. Это и была простейшая первая камера-обскура.
Точно так же и вогнутое зеркало перевернуто отражает все, что перед ним. Нужно просто обвести контуры, сделать точный набросок. Дальше уже дело техники. А уж что-то, а техника живописи мастеров эпохи Ренессанса была потрясающей!
Мэтры, которые оценили камеру-обскуру
Пожалуй, самой нашумевшей картиной, в которой многие исследователи видят признаки использования или камеры-обскуры,
или вогнутого зеркала, стал «Портрет четы Арнольфини»
фламандца Яна Ван Эйка. В 1434 году никто и подумать не мог о такой детализации!
«Портрет четы Арнольфини» Ян Ван Эйк, 1434 г.
А тут и идеально прорисованная люстра с сотнями бликов, и сложный подсвечник, и зеркало на задней стене с отображением всей обстановки, и тени на одежде… Именно такая документальная точность привлекла внимание исследователей: так подробно изобразить на холсте расположение бликов света и мельчайших теней без дополнительного оборудования практически невозможно.
Однако четкость в передаче света и тени появилась у Ян Ван Эйка даже раньше. Его «Мужчина в красном тюрбане» словно сфотографирован. И это невольно наводит на мысли о постоянном использовании им оптических изобретений.
Кстати, интересный факт, что именно Ян Ван Эйк ввел широкую популярность масляных красок в Европе. А вы знаете когда и как появились масляные краски? И что есть масляные краски на водной основе?
«Мужчина в красном тюрбане»
Всё-таки, какой бы отточенной ни была техника в живописи старых мастеров, а такой потрясающей детализации добиться без использования специальных устройств было практически невозможно.
Кстати, Леонардо да Винчи тоже применял камеру-обскуру для набросков с натуры
. Он даже описал ее в «Трактате о живописи», но эти знания стали доступны кому-то, кроме самого автора, только после его смерти.
Интересно знать: Книга величайшего итальянского художника Леонардо да Винчи (1452–1519гг.) «Трактат о живописи», была составлена и написана на основе многочисленных рукописных заметок художника, которые содержали оригинальные размышления мастера о живописи.
Именно живописи Леонардо да Винчи отводил главное место среди искусств, понимая ее как универсальный язык, таким образом, способный выразить многообразие окружающего мира. Это мой самый любимый философ и мыслитель… именно его афоризм написан на комоде, который я сама декорировала и написала сверху слова великого ума человечества!
Кстати, вы знали , что в глазах Моны Лизы спрятан код? Многие картины старых мастеров хранят в себе
Хоть на тот момент использование оптической техники было профессиональным секретом, она постоянно совершенствовалась и стала более доступной в начале XVI века. К тому же времени определенный прогресс произошел в стекольной промышленности, и потому камеры обзавелись большими линзами. Но они все еще переворачивали изображение, поэтому многие картины того периода изобилуют левшами.
Так, на полотне из музея Франса Халса пируют мужчина и женщина, явные левши, в окошко им пальцем левой руки грозит еще один мужчина.
И даже обезьянка поднимает подол левой лапкой. Этот несколько забавный нюанс, издержку применения специальных устройств, не смогла компенсировать даже высочайшая техника живописи старых мастеров.
Франс Халс — 1582 -1666 гг
А уже к XVII веку камера-обскура обзавелась зеркалами и системой призм, то есть уже не переворачивала изображение. Так появилась камера-люцида. Успешные художники могли себе позволить большие камеры, которые делали уже достаточно масштабные проекции.
Камера-обскура и живопись на грани документалистики
Знаменитая фотографическая живопись Яна Вермеера - это как раз результат использования усовершенствованной камеры-обскуры. В фильме «Девушка с жемчужной сережкой» показано такое устройство.
Посмотрите на картину «Молочница» Вермеера - на ней хорошо видны некоторые дефекты, которыми грешат даже некоторые современные фотоаппараты: « боке» и выпадение некоторых объектов из фокуса. Разумеется, эти же нюансы передачи картинки проявлялись при использовании камеры-обскуры и системы линз.
Картина «Молочница» 1658г. с деталями, которые не попали в фокус
Человеческий глаз такие дефекты полностью компенсирует, «боке» и объекты не в фокусе в принципе не могут возникнуть при письме с натуры. А техника в живописи старых мастеров при использовании камеры подразумевала копирование всех деталей полученного изображения.
Собственно, так Вермеер и выдал своё увлечение камерой, что, однако, ни в малейшей мере не умаляет его мастерство.
Более того, благодаря камере-обскуре появились первые художники-документалисты.
Каналетто в
XVIII веке писал с ее помощью (чего не скрывал) детальные виды Венеции и Лондона, в том числе знаменитый «Вестминстерский мост» — полотна, которые вряд ли смогли появиться в том виде, в котором мы их знаем, без использования оптики.
Слева Вестминстерский мост, Лондон 1746 г. Справа Венеция вид на площадь Сан-Марко 1730-1735 гг.
Вот так наука помогла на протяжении веков совершенствоваться живописи. Кстати, первые фотоаппараты создавались по типу камеры-обскуры, когда мастерам явно стало не хватать стабильности картинки.
Но затем направления разделились, фотография пошла своим путем, а живопись - своим, и что самое интересное, они не стали конкурентами. А камера-обскура осталась тем верстовым столбом, возле которого эти дороги искусства разошлись.
Видео для размышления: Как формируется художественный вкус? От каких факторов он зависит?
Друзья, чтобы статья
не затерялась среди множества других статей
в паутине интернета,
сохранитеее в закладках.
Так вы сможете вернуться к прочтению в любой момент.
Задавайтеваши вопросы внизу в комментариях, обычно, я отвечаю быстро на все вопросы
Итак, с одной стороны, «Камера обскура» это фестивальный арт-хаусный триллер, апеллирующий очень многообещающей идеей и непредсказуемым развитием сюжета. С другой это дебютная полнометражная работа, не избежавшая досадных ошибок многих дебютных полнометражных работ.
Давайте начнём с плюсов. В хороших режиссёрских руках данный сценарий мог бы получить поистине качественную реализацию: потенциала тут хоть отбавляй. Во-первых, тема фотографирования используется в кино очень редко, а за редкими алмазами своя охота. Во-вторых, как прекрасно, когда нельзя догадаться сразу, что за барабашка происходит с главным героем. Начинается всё как типичная мистическая история: протагонисту ставится задача если не разгадать, откуда взялось зло, то по крайней мере попытаться его уничтожить. Продолжается всё уже как триллер, в котором иллюзии становятся убийственными, а собственному рассудку доверять больше нельзя. Здесь важно с чувством, с толком, с расстановкой запутать и запугать бедного зрителя, чтобы тот ломал голову над метаморфозами сюжета и при этом хотел узнать, чем в итоге обернётся то ли психоз, то ли свистопляска призраков. И в-третьих, «Камера обскура» почти идеальное кино для ночных одиночек, которым важно правильно настроить себя на сон, избежав вечерней тоски. Если переждать довольно унылое начало, потом события станут течь как подобает и вряд ли захочется прервать просмотр. Приятный бонус: из актёрской команды особенно была хороша колоритная Кэти Куртин, сыгравшая женщину-полицейского. Жаль, ей не дали полностью раскрыться.
А теперь к минусам. Ну, опять же, какой бы многообещающей ни была задумка, целостной постановки не получилось. Вся она какая-то неуверенная, сырая и сделанная почти по-студенчески. Кунц не пытается напрягать оператора ради продуманных планов и ракурсов, актёров ради добротного исполнения, себя ради того, чтобы повествование хотя бы не разваливалось на части. К тому же, мне совсем не верилось в химию между главными героями. Вели они себя так неловко, словно только начали отношения, хотя изначально понятно эти двое давно вместе. Да и вообще, когда начинают происходить жуткие вещи, истеричность Клэр и растерянность Джона в совокупности смотрятся скорее нелепо, чем впечатляюще. Отрекаясь от сладкой парочки, можно также упомянуть, что моменты эдакого бытового спокойствия очень слабо уживаются с возникающими впоследствии ужасами: фильм словно скачет по шкале интереса от «хм, неплохо!» до «давайте промотаем, а то я уйду на перерыв». Скорее всего, именно это обстоятельство мешает полностью сосредоточиться на набирающей обороты проблеме главного героя: не соблюдён баланс между важным и мелочным, не найдено решение, как поэтапно раззадорить публику, либо подкидывая новые загадки, либо шокируя очередными элементами хоррора, от которого никогда не знаешь, чего ожидать.
Всё изложенное выше, конечно, подразумевает для «Камеры обскура» самую нейтральную оценку. Это тот случай, когда отдаешь отчёт, что фильм вполне мог тебе понравиться, но в твоей голове его иная интерпретация выглядит гораздо более заманчиво, чем на экране. Увы, А. Б. Кунц не лучшая кандидатура на пост режиссёра для воплощения таких интересных идей.
В современном мире фотография и является очень распространенным видом творчества. А использовать фотоаппарат может каждый, кто умеет жать на кнопки. Но, может быть, не каждый знает, что проецировать изображение окружающего мира на плоскость, племена Северной Африки, могли уже тысячи лет назад.
На латыни «camera» - комната, а «obscurа» - тёмная, вместе - «тёмная комната». Камера обскура представляет собой темную комнату, с маленьким отверстием в стене. Изображение, проходя через отверстие, отображается на противоположной стене, в перевернутом виде.
Принцип камеры обскуры очень наглядно описан Аристотелем, на примере того, как изображение солнца, образованное световыми лучами, проходящими через небольшое квадратное отверстие, имело круглую форму. Кто первым открыл принцип камеры обскуры, и кто первым его использовал, точно неизвестно. Но первое полное описание ее принадлежит перу самого Леонардо Да Винчи. Он же дал такое название этому устройству, и использовал камеру обскуру для зарисовок пейзажей.
То есть он срисовывал уменьшенное цветное изображение, которое отображалось на стене, покрытой белой бумагой, противоположной стене с отверстием.
Способ зарисовки с помощью камеры обскуры стали очень популярны среди профессиональных художников.
Но, как-то не очень удобно: все вверх ногами, к тому же, камера стационарная - особо в сюжетах не разгуляешься! И тогда, в 1686 году, Йоганнес Цан спроектировал портативную камеру оснащённую зеркалом, расположенным под углом 45°. Теперь не приходилось стоять вниз головой, чтобы получить желаемый объект на бумаге.
Далее камера-обскура все более совершенствовалась: в нее добавлялись линзы, сначала для увеличения угла обозрения, затем для улучшения четкости изображения, из стационарной, она стала мобильной и меньших размеров.
В средневековье, многие, знакомые с эффектом камеры-обскуры делали в своих стенах отверстия, и наблюдали на противоположной стене, как на экране, происходящее на улице. А что - телевидения и интернета еще не было, а зрелища людям всегда были нужны, ну помимо хлеба, конечно!
Кстати, в природе, эффект камеры обскуры можно наблюдать во время частичного солнечного затмения - тогда на земле появляются серповидные тени, повторяющие форму Солнца, закрытого Луной.
Стеноп или пинхол - производные от камеры обскуры
Стеноп - «глазок» (от греч.) , это устройство для проекции изображения, с помощью отверстия (а не объектива, как у фотоаппарата). Делают их обычно из старых зеркальных фотокамер, например из «Зенита» (хотя можно смастерить и из «цифры»). Также это направление имеет второе название «пинхол».
И, надо сказать, в наше время очень много любителей этого направления, они образуют нечто вроде кружка, секты, где очень трепетно и почтительно относятся к своим коробочкам с отверстием вместо объектива, и черными внутренними стенками.
В «интернетах» есть множество сайтов и сообществ любителей и профессионалов пинхола, где каждый может найти информацию, и смастерить свой прибор, ну хоть из коробки из под чая!
Периодически проходят выставки пинхол-фотографий, различные тематические мастер-классы. И для кого-то пинхол становится инетерсным, живым хобби, а для кого вполне серьезным страстным увлечением. Чем же так привлекает фотографов и любителей этот способ получения изображения?
Дело в том, что пинхол воспроизводит совершенно правильную перспективу, охватывает угол до 130°, имеет очень хорошую глубину резкости, но, правда, дает очень мягкие изображения, похожие на снимки, выполненные специальной мягкорисующей оптикой. Можно сказать, что пинхол передает изображение практически так, как его видит человеческий глаз!
Нужно отметить, что при «фотографирования» пинхолом, выдержка составляет от нескольких минут до нескольких часов. Определяется эта величина в зависимости светочувствительности фотобумаги (пленки), освещения, диаметра отверстия…
Сурдин В., Карташев М. Камера-обскура //Квант. - 1999. - № 2. - С. 12-15.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
История
Рис. 1. Старинная камера-обскура с проекцией изображения на полупрозрачный экран
На латинском языке «камера-обскура» означает просто «темная комната». Эта забава известна с античных времен: закрывшись в солнечный день в темной комнате и проделав в шторе окна маленькую дырочку, вы можете увидеть на противоположной, желательно белой, стене изображение улицы и прохожих... вверх ногами (рис. 1). Принцип действия камеры- обскуры, по-видимому, был известен еще древним грекам, ею пользовались арабские ученые, а в Европе ее впервые подробно описал Леонардо да Винчи (конец XV века). Однако широкого применения классическая камера-обскура не находила: если отверстие для света сделать большим, то изображение получается размазанным, а крохотное отверстие дает резкое, но очень тусклое изображение; кроме того, для наблюдений необходимы абсолютно темное помещение и адаптированные к мраку глаза.
Рис. 2. Камера-обскура с зеркалом (АВ ) и линзовым объективом (Е ), которую не изобрел, но подробно описал в своих книгах неаполитанский естествоиспытатель Дж Порта
Но уже к середине XVI века камеру-обскуру оснастили линзовым объективом и зеркалом, в результате чего изображение в ней стало ярким и прямым, и она приобрела большую популярность, в особенности среди не очень умелых художников, использовавших ее для точной зарисовки пейзажей. Существовали крупные обскуры - в человеческий рост, а были и портативные. Сегодня мы называем этот нехитрый оптический прибор прототипом фотоаппарата (рис. 2 и 3).
Рис. 3. Старинная линзовая портативная обскура
К сожалению, после введения линзового объектива камера-обскура не изменила своего названия. Поэтому некоторые исторические сообщения вызывают недоумение. Так, можно прочитать, что для первых опытов по фотографии в 20 - 30 годах XIX века использовались камеры-обскуры. Ну, тут уж совершенно очевидно, что речь идет о линзовых камерах. Однако встречаются и более туманные сообщения. Известно, например, что независимо от Галилея пятна на Солнце открыл в 1611 году немецкий астроном Й.Фабрициус, используя для наблюдений телескоп и камеру-обскуру. Если с телескопом все более или менее ясно, то как Фабрициус мог заметить солнечные пятна с помощью простой обскуры - непонятно. Впрочем, еще в 1609 году Кеплер опубликовал сообщение о наблюдении 18 мая 1607 года на изображении солнечного диска в камере-обскуре маленького темного пятна, принятого им по ошибке за Меркурий. Такая ошибка простительна: диаметр центральной темной части (так называемой тени) типичного солнечного пятна составляет около 15 тыс. км, т.е. немногим больше диаметра такой планеты, как Земля или Венера. Меркурий вдвое меньше Земли, но и располагается к нам (проходя перед Солнцем) почти вдвое ближе солнечной поверхности, так что угловой размер Меркурия в этот момент близок к размеру солнечного пятна, и оба они составляют около 0,3". Вопрос в том, можно ли вообще заметить объект столь малого углового размера при помощи обыкновенной обскуры?
Конечно, простую обскуру можно использовать для наблюдения частных фаз солнечного затмения (рис.4). Тут и труда большого не нужно: даже щелки между листьями дерева успешно работают как настоящая обскура. Как-то раз одному из авторов этой статьи пришлось в утренние часы наблюдать затмение Солнца с помощью дырочки, проделанной кончиком карандаша в тетрадной обложке, - изображение было отличное. Но темные пятна - это довольно мелкая деталь на диске Солнца. Скорее всего, Фабрициус использовал линзовую обскуру. Иначе почему пятна на Солнце не были открыты задолго до появления телескопа? Линзовая обскура - это почти телескоп, это результат высоких технологий эпохи Возрождения. Ее необходимо отличать от простой, или классической, камеры-обскуры с объективом-дырочкой, изготовление которой было доступно людям во все века. Попробуем выяснить, на что способен именно такой, простейший прибор.
Практика
Сделайте обскуру и увидите сами, как это просто. Берете любую коробку сантиметров 15 - 30 в длину (годится жестянка от кофе или плотный пакет от молока). В донышке делаете дырочку тонким шилом или толстой иглой (недаром американцы называют этот прибор не только «camera obscura», но и «pinhole camera»), a верхнее отверстие затягиваете промасленной бумагой. Идеально для этой цели подойдет круглая и длинная коробка от чипсов с белой матовой крышечкой - вам нужно только съесть чипсы и легким ударом шила проделать дырочку в донышке.
Теперь, внимание: для наблюдений требуется яркий свет снаружи и темнота со стороны экрана. Поэтому лучше проводить опыт в солнечный день, находясь в помещении и тщательно изолировав экран от постороннего света. Для этого можно использовать трубу из плотной бумаги длиной 30 - 40 см, приставив ее одним концом к экрану, а другим - к лицу. Однако, если ваша камера круглая, лучше использовать пальто, накинув его на голову и вставив камеру в рукав. Для сравнения «объективов» сделайте в передней стенке несколько отверстий разных диаметров; каждый раз можно наблюдать с одним, закрывая остальные старой жевательной резинкой.
Итак, поэкспериментировав с обскурой, можно убедиться, что дырочка - неплохой объектив: все предметы, независимо от расстояния, получаются одинаково резкими, причем чем меньше отверстие, тем резче изображение. Правда, с совсем маленькой дырочкой трудно наблюдать: яркости не хватает. Но фотопленки сейчас очень чувствительные, уж они-то с этим справятся.
И появляется закономерная мысль - почему бы не делать у фотоаппарата вместо дорогого объектива маленькую дырочку? Тем более, что с некоторыми приборами до сих пор так и поступают: например, астрономы устраивают рентгеновские телескопы в виде свинцовой камеры-обскуры, поскольку для жестких рентгеновских лучей фокусирующих объективов не существует. Однако в оп- ! тическом диапазоне возможности обскуры весьма ограничены. И вот почему.
Теория
Будем рассуждать так. От каждой светящейся точки удаленного объекта на нашу камеру падает пучок практически параллельных лучей света. Проходя сквозь отверстие диаметром D , пучок рисует на экране кружок такого же диаметра. Пусть расстояние до экрана F . Если угловое расстояние между двумя соседними точками объекта меньше чем \(~\frac DF\) (в радианах, разумеется), то их кружки на экране будут частично перекрываться. При каком перекрытии кружков мы еще сможем различить соседние точки изображения - вопрос не простой. Многое зависит от контраста деталей исходного объекта, от яркости его изображения и т.п. Различить детали слабо контрастной картины удается в том случае, если световые кружки совсем не перекрываются. Но поскольку пятна на Солнце выглядят весьма контрастно, будем считать картину различимой, если центры кружков раздвинуты на величину их радиуса. Тогда легко определить минимальный угловой размер различимых деталей объекта, или, как говорят оптики, предельный угол разрешения , обусловленный конечным размером пучка:
\(~\alpha_1 = \frac{D}{2F}\) . (1)
До сих пор мы рассматривали свет как поток прямолинейно распространяющихся лучей. Такой подход характерен для геометрической оптики. Однако известно, что свет - это разновидность электромагнитных волн, и, как любая волна, он подвержен явлениям дифракции и интерференции. Если на входное отверстие инструмента падает волна с плоским фронтом (т.е. пучок параллельных лучей), то за отверстием фронт становится немного изогнутым (а пучок - расходящимся). Это - дифракция; именно она ограничивает применимость законов геометрической оптики. Пройдя сквозь малое отверстие камеры-обскуры, пучки света становятся расходящимися, картинка на экране - размытой. А чтобы узнать, насколько размытой, необходимо вспомнить способность света к интерференции, т.е. к взаимному сложению волн, приходящих в одну точку экрана от разных источников.
Рис. 5. Дифракционная картина изображения точечного источника круглым объективом
В нашем случае независимыми источниками света можно считать бесчисленное множество точек входной апертуры, ведь каждая из них из-за дифракции посылает свет во всех направлениях (принцип Гюйгенса - Френеля). Падающие на экран волны складываются друг с другом в соответствии со своими фазами, в некоторых точках усиливая друг друга, а в некоторых ослабляя. В результате получается следующая картина: пройдя сквозь маленькое круглое отверстие, пучок параллельных (вначале) лучей даст на экране светлое пятнышко, окруженное концентрическими темными и светлыми кольцами спадающей яркости (рис. 5). Можно считать, что камера-обскура отображает на экране каждую точку светящегося объекта в виде такого светлого пятна, окруженного «зеброй» колечек. Обычно считается, что изображения двух соседних точек объекта можно различить на экране, если центры их светлых пятен раздвинуты не менее чем на радиус первого темного кольца (критерий Рэлея). Угол α 2 , под которым этот радиус виден от входного отверстия, можно оценить из тех соображений, что разность путей света от ближайшей и наиболее удаленной точек объектива до любой из точек на темном кольце должна быть порядка длины волны света λ . Тогда мы получим \(~\alpha_2 \approx \frac{\lambda}{D}\). А точный расчет дает следующее значение предельного угла разрешения, обусловленного дифракцией:
\(~\alpha_2 = 1,22 \frac{\lambda}{D}\) . (2)
Поскольку оба указанных эффекта - геометрический размер пучка и дифракция - накладываются друг на друга, можно считать, что полный предельный угол разрешения камеры составляет α = α 1 + α 2 . В зависимости от размера отверстия он изменяется так, как показано на рисунке 6.
Рис. 6. Предельный угол разрешения α камеры-обскуры в зависимости от диаметра ее отверстия D . Расстояние от экрана до отверстия 4,6 см; длина световой волны λ = 4300 А. Пунктирные линии соответствуют уравнениям (1) и (2), сплошная линия - их сумма, черные точки - экспериментальные значения
Очевидно, что при некотором оптимальном диаметре отверстия (D opt) достигается наилучшая разрешающая способность камеры данного размера (F ), которую характеризует минимальное значение угла разрешения (α min). Найти эти параметры нетрудно. Тем, кто знаком с производной, ясно, что своего минимального значения а достигает в точке, соответствующей условию α’ = 0. А для остальных тоже вполне очевидно из рисунка 6, что минимум достигается в той точке, где α 1 = α 2 . Оба эти условия тождественны. Из них мы получим
\(~D_{opt} = \sqrt{2,4 \lambda F}\), и \(~\alpha_{min} = \sqrt{\frac{2,4 \lambda}{F}}\) . (3)
На что же способна оптимальная классическая камера-обскура? Для визуальных наблюдений примем длину волны видимого света λ = 5500 А. Тогда можно представить наш результат в удобном для оценок виде:
D opt = 1,2 мм · \(~\sqrt{F}\), и α min = 4" · \(~\sqrt{\frac{1}{F}}\) , (4)где F измеряется в метрах. Как видим, у камеры «человеческого» размера (F = 2 - 5 м) предельный угол разрешения больше, чем у здорового глаза (около 1"). Значит, с ее помощью мы не увидим на поверхности Солнца более мелких деталей, чем позволяет видеть наш невооруженный глаз - разумеется, защищенный плотным светофильтром. В прежние времена роль такого светофильтра с успехом выполняли облака, дым пожара или просто толстый слой воздуха, сквозь который мы видим Солнце на восходе и на закате. В летописях некоторых народов упоминается о пятнах на Солнце, наблюдавшихся сквозь облака или дым и выглядевших «аки гвозди». В принципе, это возможно: хотя среднее солнечное пятно имеет угловой размер около 0,3". изредка на Солнце появляются очень крупные пятна или их группы. Например, в марте 1947 года наблюдалась группа пятен размером около 200 тыс. км; похожие группы пятен наблюдались в 1957 и 1968 годах. Их угловой размер - 4" - без труда ощутим даже для не очень зоркого глаза, что и было доказано наблюдениями сквозь плотный светофильтр.
Внимание ! Мы не зря уже второй раз упомянули о светофильтре - без него на Солнце смотреть нельзя! Причем это должен быть очень темный фильтр, а вовсе не солнечные очки. Подойдет стекло сварщика или алюминированный целлофан, в который заворачивают букеты цветов.
Итак, хотя в древние времена люди изредка могли наблюдать солнечные пятна невооруженным глазом, научным фактом эти эпизодические наблюдения не стали: мало ли что может привидеться! Надежных и систематических наблюдений поверхности Солнца в древности не проводили (или сведения об этом не дошли до нас). Ну а в принципе могли бы астрономы, например, Древней Греции систематически наблюдать солнечные пятна при помощи классической обскуры? Как видно из формул 4, сделав камеру длиной 20 - 30 метров, можно получить прибор более зоркий, чем человеческий глаз. А со 100-метровой камерой можно было бы наблюдать солнечные пятна систематически. Уж не упустили ли древние греки свой шанс?
Вспомним, что с удалением экрана от объектива возрастает угловой размер изображения и, следовательно, падает яркость. Видимый диаметр солнечного диска около 0,5°, точнее - 32", диаметр его изображения на экране простой камеры-обскуры составит \(~\frac{F}{107}\). При размере камеры в 100 м диаметр изображения солнечного диска будет около 1 м. Сюда придет свет, прошедший сквозь отверстие объектива диаметром 1,2 см, значит, освещенность ослабнет почти в 10 тысяч раз. Не слишком ли тусклым будет изображение? Как известно, освещенность земной поверхности Солнцем составляет 10 5 лк; следовательно, освещенность нашего изображения будет около 10 лк. Это в десятки раз больше, чем когда Луна освещает Землю в полнолуние. Без особого труда можно различать буквы в тексте, а ведь размер солнечных пятен на метровом изображении его диска будет около 1 см - такие детали трудно будет не заметить.
Итог: теоретически древние греки могли бы использовать классическую обскуру для изучения поверхности Солнца!
Опыт
Для проверки наших теоретических представлений о качестве изображения в камере-обскуре мы поставили опыт: заменили объектив у фотоаппарата «Зенит» кусочком фольги с булавочным отверстием и сфотографировали с помощью этого «объектива» специально изготовленную таблицу (рис. 7). Расстояние от таблицы до отверстия было 30 см, а от отверстия до пленки - 4,6 см. Мы испытали три отверстия с диаметрами 170, 420 и 840 мкм. Таблица освещалась настольной лампой, чувствительность фотопленки была 64 ед., а экспозиции составляли от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от диаметра отверстия. Сделав отпечатки с негативов, мы определили по видимости линий таблицы на фотографиях предельный угол разрешения камеры. Он оказался даже немного меньше расчетного, что, по-видимому, объясняется очень высокой контрастностью исходного изображения и его линейным характером: прямые линии легче выявляются среди шумов изображения, чем точки. В целом же наша простая теория, как видим, вполне согласуется с экспериментом.
Рис 7. Тестовая таблица (а) и ее изображение (б), сфотографированное камерой-обскурой на основе фотоаппарата «Зенит» (D = 0,42 мм, F = 4,6 см)
Убедившись в этом, мы решили, что пора наблюдать Солнце и попытаться с помощью камеры-обскуры увидеть на нем пятна. Эксперимент был поставлен 19 мая 1998 года в Астрономическом институте им. П.К.Штернберга (МГУ) при любезном содействии старшего научного сотрудника отдела исследования Солнца И.Ф.Никулина. Создать камеру длиной 100 и даже 50 метров нам, к сожалению, не удалось. Мы использовали в качестве корпуса обскуры трубу вертикального солнечного телескопа длиной 17 м. Зеркальный объектив этого инструмента находится в его нижней части, поэтому труба до объектива представляет просто светозащищенный объем без оптических элементов. Удобно и то, что система плоских зеркал (целостат) перед трубой телескопа постоянно поддерживает направление его оптической оси на Солнце. Входное отверстие трубы мы закрыли плотной крышкой с круглой дырочкой диаметром 5 мм. В нижней части трубы на листе белой бумаги мы увидели яркое изображение Солнца диаметром 16 см с хорошо различимой группой из двух пятен. Это был момент торжества - солнечный телескоп-обскура действует!
Последующее изучение Солнца в нормальный оптический инструмент показало, что в этот день на поверхности нашего светила действительно были пятна: группа из двух больших пятен с размерами 15" и 17", разделенных расстоянием в 1", а также несколько маленьких с размерами 3 - 5". Маленьких пятен с помощью обскуры мы не заметили, а два больших пятна (впрочем, вполне рядовых для Солнца) были весьма отчетливо видны по отдельности. Мы продолжили наблюдения и в последующие дни, отмечая по движению пятен вращение Солнца. На фото на рисунке 8 показана поверхность Солнца в день 2 июня 1998 года, сфотографированная с помощью солнечного телескопа (а) и полученная на экране нашего телескопа-обскуры (б).
Рис. 8. Изображения поверхности Солнца, полученные 2 июня 1998 года с помощью оптического телескопа (а) и комеры-обскуры (б)
Галилей и Фабрициус открыли солнечные пятна лишь после изобретения оптического телескопа, хотя, как мы теперь видим, такая возможность существовала еще во время египетских пирамид. Быть может, эта мысль натолкнет читателей «Кванта» на размышления о неиспользованных возможностях нашего времени? Кстати, Фабрициусу, когда он открыл солнечные пятна, было немногим более 20 лет.