XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Камера-обскура - инструмент фотографа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хепин Д.Д. 1

---

1МБОУ СОШ № 4

Семенова Л.И. 1

---

1МБОУ СОШ № 4

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность темы

Фотографии несут в себе память многих поколений.

Рассматривая бабушкин фотоальбом, заметил, что старые фотографии существенно отличаются от современных аналогов: фотобумагой, цветом, размером.

Решил выяснить историю появления первых фотографий и фотоаппаратов, на которых они были сделаны.

Предметом исследования является физическая основа фотографии (камера-

обскура).

Объект исследования: камера-обскура.

Цель исследования: определить основные этапы развития фотографии и, зная законы оптики, получить фотографическое изображение с простейшей камеры.

Задачи:

1. Выяснить из различных источников историю развития фотографии;

2. Изучить оптические принципы, на которых основана фотокамера;

3. Спроектировать и собрать свою камеру-обскура;

4. Получить фотографии при помощи простейшей камеры с точечным отверстием вместо объектива;

5. Провести анализ сравнения изображения линзовой и простейшей безлинзовой камеры;

6. Провести анкетирование, проанализировать и сделать выводы.

Гипотеза исследования: У меня есть возможность в наше время повторить путь развития фотографии и, пользуясь подручными средствами, смастерить фотокамеру.

План исследования:

1. 1. Прочитать литературу, обратиться к Интернет-ресурсам;

   2. Подумать самому, узнать у родителей;

   3. Систематизировать знания, выполнить расчёты, смоделировать и собрать макет камеры, провести сравнение полученных изображений;

   4. Провести анкетирование;

   5. Сделать выводы по результатам работы.

Методы исследования: изучение материалов, анкетирование, вычисление,

моделирование, сборка модели, фотографирование, анализ полученных данных.

Время проведения исследования: февраль 2024 г. - март 2024 г.

2. Основная часть

1. Теоретическая часть

1.1. Что такое камера-обскура?

Из толкового словаря русского языка под редакцией профессора Д.Н. Ушакова выяснил, что камера-обскура – это самая ранняя форма современного фотоаппарата, который мы знаем и любим сегодня. Название «камера-обскура» (camera obscura) на латыни означает «тёмная комната» или «тёмная камера» [1] и относится к ранним оптическим устройствам. Представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке. Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром приблизительно 0,5-5 мм, создают перевёрнутое изображение на экране (Приложение 1).

В современной фотографии распространено название «пинхол» (англ. pinhole от pin «булавка» + hole «отверстие») или термин «стеноп».

1. 2. История создания камеры-обскура

Обобщив информацию с Интернет-ресурсов пришёл выводу о том, что первыми камерами-обскура считались большие ящики и тёмные комнаты с крошечными просветами на одной из 4-х стен. Точная дата создания камеры-обскуры неизвестна.

Однако некоторые данные позволяют утверждать, что оптическим оборудованием пользовались уже в V—IV в. до н. э. Великий китайский философ Мо Цзы (Мо Ди) сделал описание появления изображения на стене тёмного помещения. Упоминание об оптическом приборе есть и в приписываемых Аристотелю «Проблемах» (около 350 г. до н.э.) [2]. Его интересовал принцип появления круглого изображения солнца при его свечении сквозь маленькое отверстие квадратной формы.

Леонардо да Винчи, живший в 1452-1519 годах, создал первое оптическое оборудование для создания художественных полотен.

В 1611 году камеру-обскура смог усовершенствовать Кеплер. Он ответил на вопрос, сформулированный ещё Аристотелем, разработал теорию камеры и дал ей название, оказавшееся столь удачным, что само природное явление теперь часто называют «эффектом камеры-обскура» [3]. В 1686 году Йоганес Цан смог сделать портативную версию, оснастив её зеркалом. Оно располагалось под углом 45 градусов и проектировало объект на матовую пластинку, расположенную горизонтально. Отображаемое изображение было перевёрнуто вверх ногами.

Вывод: Это открытие дало возможность перенести объекты на бумагу. Благодаря уменьшению размеров появилась возможность менять направление камеры, а также делать эскизы с натуры.

Из литературы «Фотографирование без объектива малым отверстием» Адрианова Н.А. я узнал, что в XVIII столетии в России появились камеры «махины для снимания перспектив». Внешне они напоминали походные палатки. Их использовали для запечатления вида различных русских городов. Переносить изображения на бумагу можно было с помощью карандашей, кистей.

Вывод: Переносить изображение на бумагу было достаточно сложно, поэтому шёл активный поиск более простого переноса и запечатления отображаемых объектов.

Из литературы «Фотографирование без объектива малым отверстием» Адрианова Н.А. я узнал, что в 19 веке француз Жозеф Никфор Ньепс изобрёл первую фотокамеру. Это камера имела уже другие размеры, была более компактной, чем её предшественники. Сделана она была из дерева, имела форму куба. Для зарождения фотографии понадобились две науки: оптика и химия. Нужна была светочувствительная пластинка и прибор, который бы чётко проецировал изображение снимаемых объектов на эту пластинку. А пластинка в свою очередь воспринимала и удерживала изображение. Первый в мире гелиографический снимок Ньепса был сделан с натуры в 1826 году. Это вид из окна его мастерской (Приложение 1).

Из литературы «Фотографирование без объектива малым отверстием» Адрианова Н.А. выяснил, что в 1865 году Шотландский физик Дэвид Брюстер году ввёл термин «пинхол», сделав фотографию на десятиминутной выдержке через отверстие диаметром менее сотой части дюйма.

Появившиеся в начале двадцатого века в России пособия по безлинзовой фотографии не имело специального термина для камеры [4]. Позже, благодаря переводной литературе в ходу было слово «стеноп» [5].

Пoчти 250 лeт (17-20 вв.) пpeдcтaвлeния c кaмepoй-oбcкуpoй зaнимaли людей. В нaчaлe 20 вeкa появилось нeмoe кинo. Зaлы, гдe дaвaли пpeдcтaвлeния c кaмepoй-oбcкуpа, были пepeпoлнeны.

Со временем камера-обскура становилась все меньше, легче и удобнее в использовании. Это было начало великого превращения камеры-обскура в фотографическую камеру. В дальнейшем она полностью эволюционировала в фотоаппарат.

Вывод: В завершение исторического экскурса примем следующее определение: «Пинхол - это безлинзовая камера-обскура, приспособленная к фотографированию».

1.3. Устройство и принцип работы камеры-обскура

Исследуя камеру-обскура, убедился, что самое сложное в камере-обскура – это оптический принцип, на котором основано её действие. Работает камера по принципу: изображения попадают в камеру через небольшое отверстие и в перевёрнутом виде человеческого глаза.

Свет проникает в отверстие под углом. Лучи, отражённые от верхних частей объектов, направляются вниз, а те, что отражаются от объектов, находящихся у самой земли, устремляются вверх. В тёмном пространстве камеры лучи пересекаются, и вид переворачивается (Приложение 2).

Вывод: Размеры отображаемых объектов связаны с расстоянием между отверстием и экраном. С увеличением расстояния размеры отображаемых объектов становятся больше и наоборот (Приложение 3).

Вывод: Качество изображения зависит непосредственно от размера отверстия. 

Размеры отверстий для переносных пинхолов могут варьироваться от примерно 0,2 мм до 1 мм, что имеет научное обоснование.

Проверил полученные результаты на практике и пришёл к выводу, что, если делать отверстие меньше, то явление дифракции на границе приведёт к потере резкости изображения. Если же мы решим сделать отверстие больше 1 мм, то рискуем за размытостью изображения потерять узнаваемость снимаемого объекта.

Вывод: У пинхола нет строго определённого фокусного расстояния. На каком бы расстоянии не разместить отверстие, на фотоматериале будет формироваться резкое изображение.

Выяснил из литературы, что оптимальный размер отверстия для каждой камеры рассчитывается по формуле, предложенной английским физиком и нобелевским лауреатом лордом Рейли в 1891 году. Данная формула учитывает волновые свойства света и размеры камеры. По этой формуле до сих пор рассчитывают практически все пинхолисты мира.

(1)

где:

D — диаметр отверстия,
K — коэффициент = 1.9
F — фокусное расстояние, расстояние от отверстия до пленки (30 mm)
λ - длина волны света (для жёлто-зелёного цвета это 550 nm) = 0,00055 mm

подставив все значения получаем диаметр отверстия:

= 0,24 mm

Вывод: Изображение, которое попадает к нам в глаз, корректирует мозг. Картинку в обычной фотокамере переворачивает зеркало. Сегодня камеры-обскура используют лишь изредка. Принцип их работы до сих пор используют при производстве фотооборудования.

Вывод: Физический принцип работы камеры-обскура и фотоаппарата одинаковый. Главное отличие, что изображение в фотоаппарате появляется не на экране, а фиксируется на плёнке. Все современные фотоаппараты это все та же древняя камера-обскура, только снабжённая различного рода вспомогательными механизмами.

2. Практическая часть

   1. Изготовление камеры-обскура в домашних условиях

Изучив материал по данной теме, решил создать камеру-обскура, создать примитивный фотоаппарат. Многие, кто увлекается оптикой и физикой, нередко задавались вопросом, как же её сделать самостоятельно?

Стало интересно, что камеру-обскура можно сделать из банок от пепси-колы, кофе, кассет от 35-миллиметровой плёнки, обувных коробок, спичечного коробка, бочек, холодильников, фургонов, поскольку никаких технических ограничений на размер камеры не существует.

Мне стало интересно, и я решил сделать камеру своими руками и посмотреть получится ли фотография без использования объектива. А также, если получится, сравнить фотографии, сделанные камерой-обскура и обычным современным цифровым фотоаппаратом, и сделать выводы.

Для этого я решил использовать современные технологии 3D-печати для изготовления корпуса камеры. Взял кассету с перфорированной фотоплёнкой шириной 35 мм и светочуствительностью ISO 200 (ISO — это одна из трёх составляющих треугольника экспозиции в фотографии наряду с выдержкой и диафрагмой, которую можно настроить при фотосъёмке), сделал нужные замеры кассеты штангенциркулем и приступил к проектированию корпуса камеры-обскура с учётом того, что размер кадра на плёнке у меня будет 24х36 мм. В цифровой фототехнике размер кадра 24×36 мм называют «полным кадром» (англ.: full frame). Для начала мною были сделаны эскизы с размерами в тетрадке, а затем по ним приступил к проектированию в онлайн-редакторе для 3D-моделирования «Tinkercad». Этот редактор прост в освоении, имеет понятный интерфейс и удобное расположение кнопок и панелей для создания моделей.

После многодневной кропотливой работы (15 дней) получилось семь моделей: основная часть, задняя крышка, две крутилки для перематывания плёнки и затвор фокального типа (двигается по горизонтали), состоящий из трёх частей (Приложение 4).

Позднее соединил затвор с основной частью камеры с помощью клея.

Вывод:Затвор – это узел фотоаппарата, который служит для дозирования света на фотоплёнку. Скоростью работы затвора задаётся такой параметр, как выдержка.

Приступил к следующему этапу работы. Необходимо было разрезать получившиеся файлы моделей на слои и сгенерировать специфический для 3D-принтера g-code. В этом мне помог слайсер 3D-моделей «UltiMaker Cura».

Вывод: Слайсер 3D-моделей «UltiMaker Cura» - это бесплатное, простое в использовании программное обеспечение для 3D-печати.

Продолжил работу. Обработал каждую модель в этом приложении и получил готовые файлы для печати, записал их на USB флэш-накопитель. Накопитель вставил в 3D-принтер и напечатал (Приложение 5).

Последний этап работы — сборка. Соединил с помощью клея затвор с основной частью камеры. С внутренней стороны основной части приклеил тонкую алюминиевую фольгу с отверстием примерно 0,24 мм (согласно формуле 1). Поставил на свои места кассету с плёнкой, крутилки и пустую катушку. Закрепил плёнку и подматываю крутилками для намотки (Приложение 6). Закрыл заднюю крышку, модель готова (Приложение 7).

1. 2. Фотография, сделанная камерой-обскура и цифровым фотоаппаратом

После завершения сборки пинхола пришло время попробовать его в деле. Сделал фотографию камерой и снимок этого же объекта цифровым фотоаппаратом. Затем сравнил полученные изображения, проанализировал и сделал выводы.

Каждый, кто знаком с фотографией, знает, что размер отверстия диафрагмы напрямую влияет на время выдержки съёмки. Чем меньше отверстие, тем дольше выдержка.

При работе с пинхолом, стоит приготовиться к долгому ожиданию: время экспозиции будет куда больше по сравнению с обычным фотоаппаратом. Также на время экспозиции влияет светочувствительность плёнки.

Исчисляемое секундами время экспозиции натолкнуло на мысль присоединить к камере штатив, чтобы дрожание камеры при открытии затвора не смазало кадр.

При создании фотографии моим пинхолом, выдержку контролировал вручную и подбирал необходимое время экспериментальным путём.

Для проведения практической работы выбрал солнечный день для лучшей освещённости и вышел на улицу. Установил камеру на штатив и приступил к фотографированию. С каждым кадром увеличивал время выдержки, стараясь при открытии затвора меньше вызывать дрожание камеры. После проявки плёнки увидел, что почти все кадры плёнки ушли на измерение идеального времени экспозиции и только 2 кадра из 30 вышли нормально. Из них были сделаны две фотографии.

Повторил съёмку цифровым фотоаппаратом в автоматическом режиме. После сравнения и анализа фотографий (Приложение 8), были сделаны выводы.

Вывод 1: Изображение, формируемое пинхолом, обладает уникальными особенностями, отличающими его от линзовых камер. В линзовых камерах отсутствует понятие “глубина резкости”. Пинхол даёт сфокусированное изображение на любом расстоянии от отверстия. Объекты, расположенные в нескольких сантиметрах от пинхола и объекты на линии горизонта будут переданы одинаково резко. Данная особенность открывает перед фотографом совершенно неожиданные творческие возможности, недоступные для фотоаппаратов.

Вывод 2: В пинхоле отсутствуют искажения. Линзовые камеры, с которыми уже второе столетие борются конструкторы, пинхолу просто не знакомы. Для получения совершенного изображения не нужны ни десятки оптических элементов, ни асферические линзы. Надо всего лишь упростить конструкцию до минимума.

Вывод 3: Пинхол даёт сфокусированное изображение на любом расстоянии от отверстия. Резкость изображения у пинхола невысока по сравнению с цифровым фотоаппаратом. Думаю, что это связано с дрожанием камеры во время большой выдержки. При этом надо отметить необычайную мягкость рисунка.

3. Социологический опрос

В завершении исследований провёл социологический опрос среди 12 своих одноклассников, сформулировал 6 вопросов (Приложение 9).

1. Любишь ли ты фотографировать?

2. Если да - то, что или кого нравится больше всего фотографировать?

3. Нравится ли тебе рассматривать в альбомах старые фотографии своих бабушек, дедушек?

4. Какие особенности можешь отметить у старых фотографий?

5. А пробовал ли ты фотографировать на плёночный фотоаппарат?

6. Ты знаешь, что такое камера-обскура?

Вывод: Большинство ребят не знают или слышали, но не помнят, что такое камера-обскура, поэтому я решил познакомить заинтересованных ребят с данной камерой. Посоветовал одноклассникам посмотреть познавательные мультфильмы: «Фиксики» - Солнечное затмение / Fixiki 2019; «Смешарики»: Пин-код, Сезон 1 - Серия 29.

III. Заключение

Собрал и проанализировал много познавательной информации по теме исследования, мне удалось определить основные этапы развития фотографии. Выяснил, что вначале появилась камера-обскура, которая проецировала изображение в комнату. Сначала наши предки перерисовывали изображение. Позднее, с развитием и изучением химических свойств, научились сохранять проецированные кадры на фотоплёнку, а затем на фотобумагу. Это и есть те самые старые черно-белые фотокарточки, которые ещё хранятся в наших семейных альбомах.

Мне удалось справиться с поставленными задачами. Моя гипотеза подтвердилась. У меня была возможность в наше время повторить путь развития фотографии. Пользуясь подручными средствами, я смастерил фотокамеру.

Самодельная камера-обскура — это прекрасная возможность изучить законы оптики, расширить свой кругозор, ближе познакомиться с наукой - физикой.

Современная камера предоставляет удобства в съёмке, сводит к минимуму участие фотографа в процессе получения снимка, но камера-обскура даёт настоящую, истинную картину мира.

Список литературы

1. Ушаков Д.Н. Толковый словарь русского языка: В 4 т. – М.: Гос. ин-т «Сов. энцикл.», ОГИЗ, Гос. изд-во иностр. и нац. словарей, 1935-1940.

2. Aristotle. Book XV, Chapter 911b1 // Aristotle. – Cambridge, 1936. – 333-335.

3. Белый Ю.А. Иоганн Кеплер 1571–1630. – М.: Наука, 1971.

4. Адрианов Н.А. Фотографирование без объектива малым отверстием: Для фотографов, худож., инж. и техников. – СПб.: Столичная типография К. К. Стефановского, 1907.

5. Фогель Э. [Стеноп] // Карманный справочник по фотографии. – М.: Т-во И. Д. Сытина, 1918. – С. 45.

Электронные ресурсы

1. https://74foto.ru/raznoe/obskura-eto-obskura-eto-chto-takoe-obskura.html

2. https://www.kakprosto.ru/kak-957919-kamera-obskura-eto-chto-takoe-

3. stroy-podskazka.ru

4. https://us179psk.ru/svarka/effekt-kamery-obskury-v-prirode-kamera-obskura-zarozhdenie.html

5. http://class-fizika.ru/ni-cam.html

6. https://dzen.ru/a/Y8eF0vO9yyUNsJWX

7. https://www.tinkercad.com/things/2hwURLqzKyY-funky-blad-juttuli/edit

Приложение 1

Камера-обскура – это прототип современного фотоаппарата

Именно это незамысловатое устройство помогало нашим предкам запечатлеть яркие моменты жизни. Общий вид камеры-обскуры

Использование камеры-обскуры художниками

Камера-обскура Ньепса / Первая в мире фотография "Вид из окна", 1826

Приложение 2

Принцип работы камеры-обскура

Красные лучи - отсечены камерой, фиолетовые – прошли через отверстие, построив перевёрнутую проекцию на условном экране.

Приложение 3

Размеры отображаемых объектов

Приложение 4

Проектирование 3D моделей камеры-обскура

Затвор

Крутилки пленки

Задняя крышка

Основная часть

Приложение 5

Печать моделей на 3D-принтере

Печатаются крутилки фотопленки

Печатается основная часть

Продолжает печататься основная часть

Приложение 6

Сборка камеры

Приложение 7

Сборка завершена

Приложение 8

Сравнение полученных изображений

Приложение 9

Социологический опрос