Eine Lochkamera ist eine einfache Kamera. Licht, welches durch eine kleine Öffnung (das Loch) in einen sonst lichtdichten und verhältnismäßig kleinen schachtelförmigen Hohlkörper fällt, ergibt auf dessen Rückseite ein auf dem Kopf stehendes und seitenverkehrtes Bild. Weil das Loch meist mit einer Stecknadel gestochen wird, heißt der englische Terminus pinhole camera. Das auf der gegenüberliegenden Innenseite entstehende reelle Bild lässt sich auf lichtempfindlichem Material (Fotopapier oder Film) oder über einen elektronischen Bildwandler (Bildsensor) festhalten. Besteht die Bildseite aus transparentem Material, kann man das Bild von außen betrachten. Technische Anwendungen ergeben sich im Bereich der Röntgenstrahlung, Gammastrahlung sowie von Partikelstrahlung, da hier Lochblenden eine (manchmal die einzige) Möglichkeit darstellen, Abbildungen zu erzeugen. Linsenfreie Lochaugen finden sich in der Natur unter anderem bei den Perlbooten (wasserbewohnende Kopffüßer).
Der Begriff ist deutlich spezieller und jünger als der gelegentlich synonym gebrauchte Begriff camera obscura, mit der sowohl das grundlegende technische Konzept, großdimensionierte und etwa mit Linsen erweiterte komplexere Ausführungen als auch metaphorische Verwendungen bezeichnet werden.Don Ihde: Experimental Phenomenology. Second Edition: Multistabilities SUNY 2012.
Funktionsweise mini|220px|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.
Geometrische Abbildungseigenschaften einer Lochkamera Zerstreuungskreise mini|220px|Abbildungsgeometrie einer Lochkamera mini|280px|Vergleich: Foto einer Häuserzeile mit Lochkamera (Schwarzweißaufnahme auf Filmmaterial) und Linsenkamera (Farbaufnahme auf Halbleitersensor)
Je kleiner der Lochdurchmesser D und je größer die Gegenstandsweite g des abzubildenden Objekts zum Loch ist, desto kleiner sind die Durchmesser der Zerstreuungskreise S. Aus dem Strahlensatz ergibt sich mit der Bildweite b:
Für den Zerstreuungskreisdurchmesser S folgt daraus also:
Für größere Entfernungen g ≫ b geht der hintere Term gegen eins, und der Ausdruck vereinfacht sich dann zu:
Um ein hinreichend scharfes Bild zu erhalten, darf der Zerstreuungskreisdurchmesser eine gewisse Größe nicht überschreiten (siehe Schärfentiefe). Der genaue Wert dieses maximal zulässigen Zerstreuungskreisdurchmessers ist abhängig von der anschließenden Vergrößerung des Bildes und vom Betrachtungsabstand. In der fotografischen Praxis geht man oft von einem Zerstreuungskreisdurchmesser dF / 1500 aus (dF entspricht dabei der diagonalen Ausdehnung des Aufnahmeformates). Dieser Wert ist allerdings nur für metergroße Lochkameras näherungsweise erreichbar, kleinere Lochkameras weisen nur eine geringe maximal mögliche Schärfe auf.
Die Beugung von Licht bewirkt eine untere sinnvolle Grenze für den Lochdurchmesser D, unterhalb der das Zerstreuungskreisscheibchen wieder größer wird. Dieser ist für rotes Licht etwas größer als für blaues Licht.
Bildgröße Bezeichnet G die Gegenstandshöhe (tatsächliche Größe des betrachteten Gegenstandes), g die Gegenstandsweite (Abstand des Gegenstandes von der Lochscheibe), b die Bildweite (Abstand von der Lochscheibe zur Mattscheibe) und B die Bildhöhe (Höhe des erzeugten Bildes auf der Mattscheibe), so gilt:
Diese Gleichung ist aus der Geometrie als Strahlensatz bekannt. Die Bildgröße hängt also nur von den Abständen ab, nicht jedoch von der Blendengröße beziehungsweise Lochgröße.
Anmerkung: Die Begriffe Gegenstandsweite und Bildweite dürfen nicht immer mit den entsprechenden Begriffen in der geometrischen Optik gleichgesetzt werden. Dort beziehen sich die Abstände jeweils auf die Position der Hauptebenen und nicht auf die Position der Blende. Der Begriff Bildweite bezieht sich zudem auf den Bereich, in dem die Zerstreuungskreise minimal werden, und dieser Bereich ist bei einer Lochkamera nicht vorhanden beziehungsweise fällt mit dem abzubildenden Objektpunkt selbst zusammen.
Effektive Lichtstärke Obwohl ein Loch (im Gegensatz zu einem Objektiv) keine Brennweite hat, weist eine Lochkamera eine mit der Brennweite vergleichbare Bildweite auf, die auch die Abbildungsgröße festlegt. Aus dieser Bildweite kann man die effektive Lichtstärke Leff = D / b berechnen.
Lochkameras in der Natur 280px|mini|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.
mini|280px|links|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).
Lochkameras in der Technik 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.
Auflösungsgrenze von Lochkameras durch Lichtbeugung mini|rechts|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:
. 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 Dopt ist der Wert, für den beide zusammen am kleinsten sind. Die Extremwertsuche liefert:
Für g ≫ b gilt die Näherung: .
Mit c = 1 µm liefert die Formel den Wert für Dopt in Millimeter, wenn b in Meter eingesetzt wird.
Der optimale Durchmesser ist damit ein wenig kleiner als die innere Zone einer Fresnel-Zonenplatte.
Bildweite bLänge der Lochkamera Optimale Blendenöffnung Doptfür weit entfernte Objekte Größe des Unschärfeflecks Sfür ∞ entfernte Objekte Beff = b/D Bildschärfe bei Bildgröße () 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 Beff) 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: Maximal zulässigeVignettierung[Blendenwerte] Bildweite [mm] bei Bildgröße Optimale Blendenöffnung [µm]Dopt bei Bildgröße Bildschärfe bei Bildgröße APS-C KB 4"x5" 8"x10" A0 APS-C KB 4"x5" 8"x10" A0 APS-C KB 4"x5" 8"x10" A0 4 7,7 12,5 47 94 420 88 112 217 306 650 1:150 1:195 1:375 1:530 1:1100 3 10 16 60 120 540 100 125 245 350 730 1:135 1:170 1:330 1:470 1:1000 2 13,5 21,5 80 160 730 115 150 285 400 850 1:115 1:147 1:285 1:400 1:850 1,5 16 26 98 197 880 127 160 315 445 940 1:105 1:135 1:260 1:360 1:780 1 20,7 33,5 126 253 1130 144 183 355 500 1060 1:93 1:118 1:230 1:324 1:680
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.
Vergleich zur fokussierenden Kamera mini|280px|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. mini|280px|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