Как устроена камера-обскура

Свет распространяется по прямой линии и не огибает препятствия. Если проделать в стенке тёмного ящика одно маленькое отверстие, то из каждой точки предмета снаружи внутрь пройдёт только узкий пучок лучей — и упадёт на экран строго напротив, с противоположной стороны. Лучи от верхней части предмета попадают в нижнюю часть экрана, лучи от левой стороны — в правую часть. Поэтому картинка получается перевёрнутой сверху вниз и зеркальной слева направо одновременно.

Никакой линзы для этого не нужно — всё держится на геометрии прямого луча. Именно так работал глаз простейших животных до появления хрусталика, и по тому же принципу устроена цифровая камера-обскура, которую легко собрать за один вечер дома.

Что понадобится

  • Плотная картонная коробка без щелей в стенках, например обувная
  • Чёрная матовая краска, чёрная бумага или чёрный маркер для закрашивания
  • Кусок плотной алюминиевой фольги
  • Швейная игла для прокола отверстия
  • Калька, пергамент для выпечки или тонкая белая бумага для экрана
  • Скотч, ножницы и канцелярский нож
  • Кусок плотной чёрной ткани, чтобы накрыть голову при просмотре

Пошаговая сборка

  1. Проверьте коробку на просветы и заклейте скотчем все щели по углам и крышке
  2. Закрасьте внутренние стенки матовой чёрной краской или оклейте чёрной бумагой — блики от светлого картона размывают картинку
  3. На одной короткой стенке вырежьте квадратное окно примерно два на два сантиметра
  4. Заклейте окно куском фольги внахлёст и разгладьте её, чтобы не осталось складок
  5. Проколите в центре фольги одно аккуратное отверстие иглой, без рваных краёв
  6. На противоположной стенке изнутри натяните и закрепите скотчем экран из кальки
  7. В боковой стенке или крышке прорежьте смотровое отверстие для глаза рядом с экраном
  8. Накиньте на голову и смотровое отверстие плотную чёрную ткань, чтобы отсечь посторонний свет

Какого размера делать отверстие

Диаметр отверстия — главный параметр всей конструкции. Широкое отверстие пропускает много света и даёт яркую картинку, но размывает её: через большую дырку в одну точку экрана попадают лучи сразу от нескольких соседних точек предмета. Совсем крохотное отверстие, наоборот, режет изображение резче, однако делает его заметно темнее, а при чрезмерном сужении добавляет собственное размытие — уже из-за дифракции света на краях.

Для коробки длиной около двадцати пяти-тридцати сантиметров рабочий диаметр отверстия обычно лежит в пределах от 0,3 до 1 миллиметра — это примерно прокол иглой средней толщины. Чем длиннее коробка, тем крупнее и тусклее выходит изображение; чем она короче, тем ярче картинка и меньше её размер на экране.

Как смотреть картинку

Простейший вариант — заглянуть в смотровое отверстие рядом с экраном, накрыв голову тканью вместе с этим отверстием, чтобы внешний свет не засвечивал слабую картинку. Направьте отверстие с фольгой на ярко освещённую сцену — окно, улицу, дерево на ветру — и дайте глазам минуту на привыкание к полумраку внутри коробки. Чем контрастнее сцена снаружи, тем отчётливее получится изображение на экране.

Немного истории

Принцип камеры-обскуры заметили задолго до появления фотографии. Китайский философ Мо-цзы в пятом веке до нашей эры описал, как свет через маленькое отверстие переворачивает изображение. Аристотель писал о похожем эффекте, наблюдая полумесяцы солнца сквозь просветы в листве во время затмения. Арабский учёный Ибн аль-Хайсам в одиннадцатом веке впервые разобрал это явление как оптический закон, а не случайное наблюдение, и провёл собственные опыты с затемнённой комнатой.

Само название родом из латыни: «камера-обскура» переводится как тёмная комната, и в широкий научный обиход его ввёл астроном Иоганн Кеплер в начале семнадцатого века. Художники эпохи Возрождения, среди них Леонардо да Винчи, строили большие затемнённые комнаты с тем же принципом и использовали проекцию как вспомогательный инструмент при рисовании пейзажей и портретов.

Частые вопросы

Почему картинка в камере-обскуре перевёрнутая?

Лучи от верхней точки предмета проходят через маленькое отверстие по прямой и попадают в нижнюю часть экрана, а лучи от нижней точки — в верхнюю. То же самое происходит слева направо, поэтому изображение переворачивается сразу по обеим осям. Собственный глаз человека строит картинку на сетчатке точно так же — мозг просто привык переворачивать её обратно.

Можно ли получить цветное изображение?

Да. Отверстие никак не фильтрует цвет, оно только ограничивает направление лучей, поэтому картинка на экране выходит цветной, просто тусклой. Чем ярче сцена снаружи, тем заметнее цвета внутри коробки.

Почему изображение такое тусклое?

Через крохотное отверстие проходит мало света по сравнению со стеклянным объективом фотоаппарата, который собирает лучи с целой линзы. Расширить отверстие можно, но тогда картинка размоется — приходится выбирать между яркостью и резкостью.

Чем камера-обскура отличается от настоящего фотоаппарата?

У фотоаппарата вместо простого отверстия стоит стеклянный объектив, который собирает гораздо больше света и при этом сохраняет резкость. Сама идея выросла именно из камеры-обскуры: сначала к отверстию добавили линзу, а в девятнадцатом веке научились закреплять картинку химически на светочувствительной пластинке — так появилась фотография.