Zanim powstały pierwsze aparaty fotograficzne, malarze i astronomowie od setek lat obserwowali świat przez ciemne pudełko z małą dziurką — i widzieli w nim obraz, który sam się odwracał do góry nogami. Ten sam efekt można odtworzyć w kilkanaście minut z tekturowego pudełka, kawałka papieru i odrobiny taśmy klejącej, a wynik zaskakuje nawet dorosłych. To kolejny domowy przyrząd optyczny obok periskopu z kartonu i lusterek — tam światło skręca się dzięki odbiciu, tutaj obraz powstaje dzięki prostoliniowemu biegowi promieni przez maleńki otworek.

Co nam będzie potrzebne?

  • Tekturowe pudełko (np. po butach) z pokrywką lub możliwością szczelnego zamknięcia
  • Nożyczki lub nóż introligatorski
  • Kawałek kalki technicznej, pergaminu do pieczenia albo cienkiego białego papieru (ekran)
  • Folia aluminiowa
  • Igła lub szpilka
  • Czarna taśma klejąca (izolacyjna lub malarska) i czarny papier/farba do wnętrza pudełka
  • Duża czarna szmatka lub koc (do zasłonięcia głowy podczas obserwacji, opcjonalnie)

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotuj pudełko. Wybierz solidne, sztywne pudełko — im większe, tym jaśniejszy, ale mniej ostry obraz uzyskasz, dlatego pudełko po butach jest dobrym kompromisem. Jeśli wnętrze pudełka jest jasne lub błyszczące, pomaluj je czarną farbą albo wyklej czarnym papierem. Czarne wnętrze pochłania rozproszone światło i sprawia, że projekcja jest wyraźniejsza, zamiast ginąć w tle odbić.

Krok 2: Wytnij otwór na obiektyw. W jednej ze ścianek pudełka, najlepiej krótszej, wytnij kwadratowy otwór o boku około 2 centymetrów. To tędy będzie wpadać światło z obserwowanej sceny. Nie zostawiaj otworu pustego — zaraz zaklejsz go folią.

Krok 3: Zrób otworek szpilką w folii. Wytnij kawałek folii aluminiowej nieco większy niż otwór i przyklej go taśmą nad wyciętym kwadratem tak, żeby całkowicie go zasłaniał. Następnie w środku folii przekłuj igłą lub szpilką jeden, malutki, idealnie okrągły otworek. Im mniejszy i bardziej regularny otworek, tym ostrzejszy będzie obraz — ale też tym będzie ciemniejszy, więc warto zrobić dwa-trzy pudełka z otworkami różnej wielkości i porównać.

Krok 4: Zamontuj ekran. W przeciwległej ściance pudełka (na drugim końcu, naprzeciwko otworka) wytnij drugi otwór, tym razem większy — może zajmować większość ścianki. Zaklej go od wewnątrz kalką techniczną, pergaminem do pieczenia albo cienkim białym papierem, naciągniętym i przyklejonym taśmą jak membrana bębna. To jest ekran, na którym pojawi się obraz.

Krok 5: Zamknij pudełko i przetestuj. Zamknij pokrywkę i uszczelnij wszystkie szpary czarną taśmą, żeby do środka nie wpadało światło z boku — to kluczowe, bo nawet niewielka nieszczelność zaleje delikatny obraz jaśniejszym światłem i go zatrze. Skieruj otworek z folią w stronę jasno oświetlonej sceny (najlepiej okno w słoneczny dzień albo lampa na zewnątrz), a sam zasłoń głowę i ekran ciemną szmatką lub wejdź do zaciemnionego pomieszczenia. Po chwili adaptacji wzroku na ekranie zobaczysz odwrócony, kolorowy obraz sceny za oknem.

Wyjaśnienie naukowe

Camera obscura (łac. „ciemna komnata") działa dzięki zjawisku prostoliniowego rozchodzenia się światła. Promienie światła odbite od każdego punktu obserwowanej sceny biegną we wszystkich kierunkach, ale tylko jeden wąski pęczek z każdego punktu trafia dokładnie w mały otworek. Ponieważ promienie biegną po liniach prostych, promień z góry sceny przechodzi przez otworek i pada w dolnej części ekranu, a promień z dołu sceny pada w górnej części — stąd charakterystyczne odwrócenie obrazu góra-dół i lewo-prawo. Im mniejszy otworek, tym węższy pęczek promieni z każdego punktu może przez niego przejść, a więc tym mniej się one nakładają na ekranie i tym ostrzejszy jest obraz — kosztem jasności, bo mniej światła w ogóle się przez otworek przedostaje.

Zjawisko to opisywali już starożytni myśliciele — chiński filozof Mozi wspominał o nim w V wieku p.n.e., a arabski uczony Ibn al-Haytham (Alhazen) w XI wieku przeprowadził na jego podstawie systematyczne eksperymenty optyczne i uznawany jest za jednego z ojców naukowej metody badania światła. W renesansie camera obscura w wersji pokojowej — całe zaciemnione pomieszczenie z małym otworem w ścianie lub okiennicy — stała się narzędziem malarzy, którzy przerysowywali rzutowany obraz krajobrazu, żeby uzyskać idealną perspektywę; podejrzewa się, że korzystał z niej między innymi Vermeer. To właśnie ta zasada, po dodaniu światłoczułej kliszy zamiast oka ludzkiego patrzącego na ekran, dała początek fotografii w XIX wieku — pierwsze aparaty dosłownie nazywano „camera", bo były zminiaturyzowaną komorą obscura z obiektywem zamiast dziurki od igły.

Warto też zauważyć, że oko ludzkie działa na zbliżonej zasadzie geometrycznej — soczewka oka rzuca na siatkówkę obraz odwrócony, a to mózg „przestawia" go z powrotem, żebyśmy widzieli świat w naturalnej orientacji. Różnica polega na tym, że oko używa soczewki skupiającej znacznie więcej światła niż goła dziurka, dzięki czemu widzimy ostro nawet w słabym oświetleniu. Podobną zasadę skupiania promieni, tyle że za pomocą szkła zamiast otworka, wykorzystuje teleskop Galileusza z soczewek okularowych oraz prosta soczewka z wody w woreczku — w obu przypadkach zakrzywiona powierzchnia zagina promienie światła tak, żeby zbiegały się w jednym punkcie, zamiast po prostu przepuszczać wąski ich pęczek jak w camera obscura.

Warianty

Camera obscura z całego pokoju. Zasłoń szczelnie okno grubym czarnym materiałem lub folią, zostawiając jeden mały, kilkumilimetrowy otworek. Na ścianie naprzeciwko okna, w zaciemnionym pomieszczeniu, po kilku minutach adaptacji wzroku zobaczysz odwrócony obraz ulicy i budynków na zewnątrz — znacznie większy i bardziej wyraźny niż w wersji pudełkowej, bo dłuższy dystans między otworkiem a ekranem daje większy obraz projekcji.

Porównanie otworków. Zrób w folii kilka otworków o różnej średnicy — jeden bardzo mały (przez igłę), jeden średni (przez pinezkę) i jeden większy (wycięty nożykiem, ok. 3-4 mm). Porównaj jasność i ostrość obrazu dla każdego z nich, zapisując obserwacje. To najlepszy sposób, żeby samodzielnie odkryć kompromis między jasnością a ostrością, który rządzi też prawdziwymi aparatami fotograficznymi (przysłona obiektywu).

Camera obscura ze światłoczułym papierem. Jeśli chcesz zobaczyć trwały efekt zamiast chwilowej projekcji, zastąp ekran z kalki arkuszem papieru fotograficznego (dostępnego w sklepach dla hobbystów) i zamknij pudełko na kilka godzin lub dni, kierując otworek na stały, jasny widok, np. okno. Po wywołaniu papieru w odpowiednich chemikaliach otrzymasz prawdziwe zdjęcie typu pinhole — dokładnie tak fotografowano zanim wynaleziono soczewkowe aparaty.

Często zadawane pytania

Dlaczego obraz w camera obscura jest odwrócony do góry nogami? To bezpośredni skutek prostoliniowego biegu promieni świetlnych przez mały otworek. Promień biegnący od górnej części obserwowanej sceny musi przeciąć oś otworka i trafić w dolną część ekranu, a promień z dolnej części sceny trafia w górną część ekranu — linie po prostu się krzyżują w otworku, jak nici przewleczone przez jedno uszko igielne. Dokładnie ten sam mechanizm geometryczny odwraca obraz na siatkówce ludzkiego oka, tylko tam korekcję wykonuje mózg, a nie kolejna soczewka. Możesz to sprawdzić, obracając pudełko o 180 stopni — obraz na ekranie również się obróci.

Dlaczego mój obraz jest bardzo ciemny i ledwo widoczny? Najczęstszą przyczyną jest niedostateczne zaciemnienie wnętrza pudełka lub pomieszczenia — nawet niewielka szczelina wpuszcza światło, które zalewa słaby, projekcyjny obrazek. Sprawdź dokładnie wszystkie krawędzie i sklejenia taśmą, a obserwację prowadź w miarę możliwości w ciemnym pomieszczeniu, dając oczom kilka minut na adaptację do ciemności (źrenice rozszerzają się stopniowo). Drugą przyczyną bywa zbyt mały otworek w stosunku do jasności obserwowanej sceny — spróbuj skierować pudełko na bardziej nasłonecznione miejsce albo delikatnie powiększyć otworek kosztem ostrości. Profesjonalne aparaty pinhole kompensują tę ciemność bardzo długim czasem naświetlania, rzędu sekund lub minut zamiast ułamków sekundy.

Czym różni się camera obscura od prawdziwego aparatu fotograficznego? Zasada geometryczna jest identyczna — światło przechodzi przez mały otwór (lub układ soczewek) i rzuca odwrócony obraz sceny na powierzchnię z drugiej strony. Różnica polega na tym, że nowoczesny aparat zastępuje pojedynczy otworek soczewką lub układem soczewek, które potrafią skupić znacznie więcej światła w krótszym czasie, dając jasny i ostry obraz nawet w ułamku sekundy. Aparat ma też przysłonę o regulowanej wielkości (odpowiednik naszego otworka) oraz migawkę kontrolującą czas naświetlania, a obraz rejestruje na matrycy cyfrowej lub kliszy zamiast na kartce papieru. Mimo tych udoskonaleń każdy aparat fotograficzny — od pierwszych XIX-wiecznych po najnowszy smartfon — jest w gruncie rzeczy rozwiniętą camera obscura.