Definition

Eine Linsenkamera ist von der Bauweise eng mit einem Linsenauge verwandt: durch eine durchsichtige Sammellinse wird das von einer Seite her kommende Licht auf der anderen Seit der Linse so zusammen geführt, dass dort auf einer kleinen Fläche ein scharfes Abbild der Umgebung entsteht. Eine Linsenkamera ist aufwändiger zu bauen als eine Lochkamera. Der große Vorteil ist, dass man wesentlich hellere Bilder mit sehr viel weniger Licht erzeugen kann. Es gibt aber auch Nachteile.

Grundideen

Bilder sichtbar machen

Hält man eine Spielzeuglupe auf eine geschickte Weise zwischen ein Fenster und eine gegenüberliegende Wand, dann entsteht auf der Wand ein kleines Abbild des Fensters. Das Bild steht auf dem Kopf, ist bunt und zeigt auch Bewegungen.

Die simpelst mögliche Variante zur Erzeugung eines sichtbaren reellen Bildes ist es, eine helle Szene, etwas ein Fenster am Tag, mit einer Lupe auf eine helle Fläche in einem einigermaßen dunklen Raum zu werfen. Siehe auch 👉 Lupen-Kino

In der Optik bezeichnet man Bilder, die sich auf einer Fläche sichtbar machen auch als reelle Bilder, im Gegensatz zu virtuellen Bildern, die man nicht auf eine Fläche projizieren kann. Linsenkameras benötigen immer ein 👉 reelles Bild

Verbindet man die Lupe und die Projektionsfläche über bewegliche Röhren miteinander, ähnlich wie bei einem Fernrohr, hat man eine simple tragbare Linsenkamera. Früher sprach man auch von einem Dunkelkasten^[6], einer wörtlichen Übersetzung von Camera obscura ins Deutsche. Siehe auch 👉 Tubus-Kamera

Nicht optisch sondern nur mechanisch unterschiedlich zur Tubus-Kameras ist die Linsenkamera mit Balg. Der Balg, genauso wie auch der Tubus, dient nur dazu, die Linse gemäß der Linsenformel in den richtigen Abstand zur Bildfläche (hier das Butterbrotpapier) zu bringen. Siehe auch 👉 Linsenkamera

Solche Kameras konnte man schon im 18. Jahrhundert herstellen. Bilder wurden auf verschiedenste Weise auf eine Fläche projiziert und sichtbar gemacht. Historisch gehen die Modelle alle zurück auf den Namensgeber auch heute moderner Kameras, die 👉 Camera obscura

Bilder fixieren

Was man im 18. Jahrhundert trotz vieler genialer Ideen nicht hinbekam war eine Fixierung der erzeugten Bilder. Fixierung heißt, dass man ein dauerhaftes, unvergängliches Bild der betrachteten Sache erzeugt.

Chemisch

Im Jahr 1802 veröffentlichten die Engländer Thomas Wedgwood und Humphrey Davy ihre Erkenntnis über eine Chemikalie namens Silbernitrat. Die Substanz reagiert auf Licht und verändert dabei ihre Farbe. Wedgwood und Davy erkannten das Potential, sie sahen voraus, dass man damit Bilder auf Glas kopieren und Profile (Art Schattenbilder erstellen könnte.^[7] Es war dann ein Franzose,
Joseph Nicéphore Niépce, dem es am 5. Mai 1816 zum ersten Mal gelang, das Bild einer Camera obscura dauerhaft zu fixieren. Wahrscheinlich hatte er als Chemikalie Silberchlorid verwendet. Begeistert schrieb er an seinen Bruder:

ZITAT:

Nicéphore Niépce, 1816: "Ich platzierte das Gerät in meinem Arbeitszimmer, gegenüber der Vogelvoliere und den geöffneten Fenstern. Und ich sah auf dem weißen Papier die ganze Voliere wie man sie durch das Fenster sehen konnte, und ein blaßes Bild der Fenster, welche etwas weniger erleuchtet waren als die Gegenstände draußen. Was du vorher gesagt hattest ist eingetreten: der Hintergrund des Bildes ist schwarz, und die Gegenstände sind weiß".^[8]

Später griffen andere Entwickler die Technik Niépce auf und beanspruchten sie gegenüber der Öffentlichkeit mehr oder minder für sich. Zu nennen sind hier die Namen des Franzosen Daguerre sowie des Engländers Talbot (1800 bis 1877)^[4].

Auf diese Weise chemisch fixierte Bilder waren der Stand bis weit in die 1990er Jahre. Wer Photographien machte, etwa im Urlaub, musste die noch nicht entwickelten Bilder später zu speziellen Firmen einschicken, die daraus die endgültigen Bilder erst machten. So vergingen oft Wochen zwischen dem Aufnehmen eines Bildes und dem Moment, wo man das Bild wirklich auch in der Hand halten konnte.

Elektronisch

Seit den 1990er Jahren haben sich immer mehr elektronisch fixierte Bilder durchgesetzt. Anstatt lichtempfindlicher Chemikalien wird an die Stelle des Bildes in der Kamera ein Bildsensor (Photochip) platziert. Die Bilder können nun direkt digital angezeigt und weiter verarbeitet werden. Der dabei oft (nicht immer) genutzte physikalische Effekt heißt 👉 innerer photoelektrischer Effekt

Theorie

In der sogenannten Strahlenoptik^[5] stellt man sich Licht so vor, als sei es auf vielen geraden Strahlen aufgebaut. Tatsächlich besteht Licht zwar nicht aus Strahlen, aber Licht modellhaft als strahlenartig zu denken hat zwei große Vorteile: es ist sehr einfach durchzuführen und man kann damit recht gut einfache Geräte konstruieren, die auch wirklich funktionieren.

👉 Linsenformel

👉 Reelles Bild

👉 Strahlensatz

Die zugrundeliegende Logik der geometrischen Abbildung kann mit Hilfe des Strahlensatzes aus der Mathematik nachvollziehen. Die Mitte der Linse ist dann sozusagen das Streckzentrum. Alle Strecken, die von Gegenständen auf einer gemeinsamen Fläche parallel zur Bildfläche her stammen werden um den gleichen Faktor zum Bild hin verkleinert. Bei diesen Überlegungen kann man sich Licht in Form von geraden Strahlen vorstellen. Solange sie nicht das Medium wechseln, in dem sie unterwegs sind, bleiben sie geraden. Nur an Grenzflächen zwischen zwei Medien (z. B. Luft und Glas) können sie ihre Richtung ändern, das heißt brechen. Der theoretische Hintergrund ist die sogenannte 👉 Strahlenoptik

Mit den einfachen Linsenkameras kann man aber auch optische Phänomene sehen, die sich mit der Strahlenoptik nicht mehr erklärten lassen. Zu diesen (nicht wenigen) Phänomenen gehört die chromatische Aberration. Licht verschiedener Farben verhält sich optisch unterschiedlich beim Durchgang durch Linsen. So entstehen oft unerwünschte Farbeffekte auf Abbildungen. Siehe dazu mehr unter 👉 chromatische Aberration

Phänomene wie die chromatische Aberration können mit einem ganz anderen Modellbild von Licht als der Strahlenoptik erklärt werden. Man stellt sich Licht dann als etwas Wellenartiges vor. Diese Theorie ist mathematisch sehr viel komplizierter als die Strahlenoptik, ist aber näher an der Wirklichkeit. Siehe dazu auch 👉 Wellenoptik

Fußnoten

[1] G. Pizzighelli: Anleitung zur Photographie. 1904. Als Nachdruck, ISBN: 978-3-95770-012-4.

[2] Die im Video gezeigte Kamera wurde im Jahr 2017 in der Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen gebaut. Die Lupe ist ein einfaches Brennglas aus Kunststoff. Die Brennweite beträgt etwa 20 cm, der Durchmesser etwa 8 cm. Der eigentliche Kamerakasten eine 19 cm Länge und jeweils 13 cm für die Breite und Höhe. Der maximale Auszug des Balgs liegt bei etwa 7,5 cm. Die Gesamtmasse liegt bei rund 290 Gramm. Die Linsenkamera wird aufbewahrt im 👉 WH54 Experimentier-Raum

[3] Wie man Lichtbilder chemisch dauerhaft auf Papier bannen kann wurde vor allem von dem englischen Universalgelehrten Talbot über aufwändige und lange Versuche herausgefunden. Die Geschichte ist beschrieben in: Steffen Siegel (Hg.): Neues Licht. Daguerre, Talbot und die Veröffentlichung der Fotografie im Jahr 1839. Wilhelm Fink Verlag, München 2014. ISBN 978-3-7705-5736-3

[4] William Henry Fox Talbot: The Pencil of Nature. Publisher: Longman, Brown, Green and Longmans, London 1844.

[5] Licht besteht nicht aus Strahlen. Aber das einfach handhabbare Modell der Strahlenoptik kann sehr viele Phänomene der Optik wiedergeben. Mit der Strahlenoptik kann man auf leichte Weise vorhersagen wie Bilder aussehen werden oder wie man optische Geräte bauen muss. Siehe mehr unter 👉 Strahlenoptik

[6] In einem Lexikon aus dem Jahr 1907 heißt es: "Kamera, photographische (Dunkelkasten, Camera obscura), ein lichtdichtes Gehäuse von mannigfaltiger Form, welches in der Photographie die Aufgabe erfüllt, die Bestrahlung der lichtempfindlichen Platte (Films, Papier) auf die durch das Objektiv oder die durch eine seine Oeffnung (Lochkamera) zu beschränken, andre Lichtwirkungen also unbedingt fernzuhalten." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 5 Stuttgart, Leipzig 1907., S. 309-310. Siehe auch 👉 Kamera

[7] Im englischen Orignal sprachen Wedgwood und Davy von "copying paintings upon glass" und "making profiles". In: Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow. Archeology of the Cinema. Aus dem Französischen übersetzt von Richard Crange. University of Exter Press, Devon (UK), 2000. Original: Le Grand Art de la Lumière et de l'Ombre (1995). Dort im Kapitel "From Panorama to Daguerrotype", Seite 193.

[8] Der Brief Niepces an seinen Bruder, vom 5. Mai 1816, in einer englischen Übersetzung: "I placed the apparatus in the room where I work, facing the aviary and the window panes which were wide open. […] and I saw on the white paper all of the aviary which can be perceived through the window, and a faint image of the window panes which were less brightly lit than the objects outside […] What you anticipated has happened: the background of the picture is black, and the objects are white, that is to say lighter than the background". In Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow. Archeology of the Cinema. Aus dem Französischen übersetzt von Richard Crange. University of Exter Press, Devon (UK), 2000. Original: Le Grand Art de la Lumière et de l'Ombre (1995). Dort im Kapitel "From Panorama to Daguerrotype", Seite 192 bis 193.