Σκοτεινός θάλαμος

Ο «σκοτεινός θάλαμος» (Camera Obscura, στα Λατινικά camera σημαίνει  αίθουσα – δωμάτιο, ενώ obscura σημαίνει σκοτεινό) είναι μία οπτική συσκευή (ίσως το απλούστερο οπτικό όργανο) που προβάλλει το είδωλο του περιβάλλοντος χώρου σε μία οθόνη. Χρησιμοποιείται στη ζωγραφική αλλά και για ψυχαγωγία, και ήταν μία από τις εφευρέσεις που οδήγησαν στη φωτογραφία και τη φωτογραφική μηχανή. Η συσκευή αποτελείται από ένα φωτοστεγές κουτί ή ένα δωμάτιο με μία οπή στη μία πλευρά. Το φως από τα αντικείμενα του εξωτερικού περιβάλλοντος, διέρχεται μέσα από την οπή και πέφτει πάνω σε μία επιφάνεια στο εσωτερικό της, όπου και τα αναπαράγει. Τα αντικείμενα αποτυπώνονται ανεστραμμένα, αλλά με διατήρηση του χρώματος και της προοπτικής. Η εικόνα αυτή μπορεί να προβληθεί σε χαρτί, και στη συνέχεια να ζωγραφιστεί για να παραχθεί μια εξαιρετικά ακριβής αναπαράσταση. Ο μεγαλύτερος  «σκοτεινός θάλαμος» στον κόσμο είναι στο Constitution Hill στο Aberystwyth της Ουαλίας.
Χρησιμοποιώντας κάτοπτρα, είναι δυνατόν το είδωλο να μην είναι ανεστραμμένο αλλά ορθό. Μία άλλη πιο φορητή έκδοση είναι ένα κουτί με ένα κάτοπτρο υπό γωνία που προβάλει πάνω σε χαρτί αντιγραφής το οποίο έχει τοποθετηθεί στο γυάλινο πάνω μέρος του κουτιού. Η εικόνα αυτή βλέποντάς την από πίσω είναι και σε αυτή την περίπτωση ορθή.
Όσο μικραίνουμε την οπή, το είδωλο γίνεται πιο ευκρινές, αλλά και πιο σκοτεινό. Ωστόσο, όταν η οπή γίνει πολύ μικρή, η ευκρίνεια επιδεινώνεται λόγω περίθλασης. Κάποιοι «σκοτεινοί θάλαμοι» χρησιμοποιούν έναν φακό αντί για οπή, ούτως ώστε το διάφραγμα ανοίγματος να είναι μεγαλύτερο, δίνοντας μεγαλύτερη φωτεινότητα και διατηρώντας παράλληλα την εστίαση.

Ιστορία

Ο «σκοτεινός θάλαμος» είναι γνωστός από την εποχή του Mozi και του Αριστοτέλη. Η πρώτη αναφορά στην αρχή λειτουργίας του «σκοτεινού θαλάμου» έγινε από τον Mozi (Mo - Ti) (470 - 390 π.Χ.), έναν Κινέζο φιλόσοφο και ιδρυτή του μοϊσμού (Mohism). Ο Mozi αναφέρει τη διάταξη αυτή ως «πλάκα συλλογής» ή «κλειδωμένο δωμάτιο θησαυρού».
Ο Έλληνας φιλόσοφος Αριστοτέλης (384-322 π.Χ.) κατανόησε την οπτική αρχή του «σκοτεινού θαλάμου». Κατά τη διάρκεια μίας έκλειψης Ηλίου και καθώς ο Ήλιος ήταν μερικώς καλυμμένος, παρατήρησε το σχήμα ημισελήνου του Ηλίου που προβαλλόταν στο έδαφος μέσα από τις τρύπες από ένα κόσκινο και μέσα από τα κενά μεταξύ των φύλλων ενός πλάτανου. Τον 4ο αιώνα π.Χ., ο Αριστοτέλης σημείωσε ότι «το φως του ήλιου που ταξιδεύει μέσα από μικρά ανοίγματα ανάμεσα στα φύλλα ενός δέντρου, τις τρύπες από ένα κόσκινο, τα ανοίγματα από αντικείμενα καλαθοπλεκτικής, ακόμη και τα διασταυρούμενα δάχτυλα, δημιουργεί κυκλικές κηλίδες του φωτός στο έδαφος». Στην «Οπτική» του Ευκλείδη (περ. 300 π.Χ.) ο «σκοτεινός θάλαμος» παρουσιάζεται σαν μια απόδειξη ότι το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή. Τον 4ο αιώνα, ο Έλληνας λόγιος Θέων ο Αλεξανδρεύς παρατήρησε ότι «το φως των κεριών που περνά μέσα από μία οπή θα δημιουργήσει μία φωτεινή κηλίδα σε μια οθόνη που είναι ευθυγραμμισμένη με την οπή και το κέντρο του κεριού».
Τον 6ο αιώνα, ο Βυζαντινός μαθηματικός και αρχιτέκτονας Ανθέμιος ο Τραλλιανός (διάσημος για το σχεδιασμό του ναού της Αγίας Σοφίας), χρησιμοποίησε ένα είδος «σκοτεινού θαλάμου» στα πειράματά του.
Τον 9ο αιώνα, ο Αλ κίντι ( Alkindus ) απέδειξε ότι «το φως από τη δεξιά πλευρά της φλόγας του κεριού περνάει μέσα από το άνοιγμα και καταλήγει στην αριστερή πλευρά της οθόνης, ενώ το φως από την αριστερή πλευρά της φλόγας περνάει το άνοιγμα και καταλήγει στη δεξιά πλευρά της οθόνης».
Ο Αλχαζέν έδωσε την πρώτη σαφή περιγραφή  και ανάλυση, και εφηύρε το «σκοτεινό θάλαμο» και την κάμερα οπής. Ενώ ο Αριστοτέλης, ο Θέων ο Αλεξανδρεύς, ο Αλ κίντι και ο Κινέζος φιλόσοφος Mozi είχαν περιγράψει νωρίτερα τα αποτελέσματα μίας «σημειακής» πηγής φωτός που περνά μέσα από μία οπή, κανένας από αυτούς δεν πρότεινε ότι αυτό που προβάλλεται στην οθόνη αποτελεί το είδωλο των αντικειμένων που βρίσκονται από την άλλη πλευρά του ανοίγματος. Ο Αλχάζεν ήταν ο πρώτος που το απέδειξε με ένα πείραμα, όπου πολλές διαφορετικές πηγές φωτός ήταν τοποθετημένες σε μία μεγάλη περιοχή. Ήταν επομένως ο πρώτος που πρόβαλλε με επιτυχία μία ολόκληρη εικόνα σε μία οθόνη με χρήση του «σκοτεινού θαλάμου».
Στη δυναστεία των Σονγκ, ο Κινέζος επιστήμονας Shen Kuo (1031-1095) πειραματίστηκε με ένα «σκοτεινό θάλαμο», και ήταν ο πρώτος που εφήρμοσε γεωμετρικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά σε αυτόν, στο βιβλίο του «The Dream Pool Essays» (1088 μ.Χ.). Ωστόσο, ο Shen Kuo αναφέρθηκε στο γεγονός ότι το «Miscellaneous Morsels from Youyang», που γράφτηκε περίπου το 840 μ.Χ. από τον Duan Chengshi († 863) κατά τη διάρκεια της δυναστείας των Τανγκ (618-907), αναφέρεται στην αναστροφή του ειδώλου μίας κινεζικής παγόδας δίπλα στη θάλασσα. Στην πραγματικότητα, ο Shen δεν ισχυρίζεται πουθενά ότι ο ίδιος ήταν ο πρώτος που πειραματίστηκε με μία τέτοια συσκευή. Αναφερόμενος λοιπόν στο παραπάνω βιβλίο, στο οποίο η αναστροφή του ειδώλου της παγόδας αποδίδεται στη θάλασσα, σχολιάζει ότι αυτό είναι ανοησία. Διατυπώνει ότι είναι αποτέλεσμα μίας φυσιολογικής αρχής κατά την οποία «το είδωλο αντιστρέφεται μετά το πέρασμα μέσα από την μικρή οπή».
Στην Αγγλία, το 13ο αιώνα, ο Ρότζερ Μπέικον περιέγραψε τη χρήση ενός «σκοτεινού θαλάμου» για την ασφαλή παρατήρηση ηλιακών εκλείψεων.
Στο τέλος του 13ου αιώνα, ο Arnaldus de Villa Nova χρησιμοποίησε τον «σκοτεινό θάλαμο» για να προβάλει ζωντανές παραστάσεις για ψυχαγωγία.
Η δυνατότητα χρήσης του «σκοτεινού θαλάμου» ως σχεδιαστικό βοήθημα μπορεί να ήταν γνωστό στους καλλιτέχνες ήδη από τον 15ο αιώνα. Ο Λεονάρντο Ντα Βίντσι (1452-1519 μ.Χ.), περιέγραψε τον «σκοτεινό θάλαμο» στο Codex Atlanticus. Το «Oculus Artificialis Teledioptricus Sive Telescopium» του Johann Zahn, το οποίο δημοσιεύθηκε το 1685, περιέχει πολλές περιγραφές και διαγράμματα, εικόνες και σκίτσα τόσο του «σκοτεινού θαλάμου» όσο και του «μαγικού φαναριού».
Πιστεύεται ότι ο Τζιοβάννι ντε λα Πόρτα (Giambattista della Porta) ήταν αυτός που τελειοποίησε τον «σκοτεινό θάλαμο» και τον περιέγραψε εκτενώς στο βιβλίο του Magia Naturalis (Φύσεως Μαγεία) (1558-1589). Στις μεταγενέστερες εκδόσεις του Magia Naturalis, η οπή αντικαθίσταται από έναν κυρτό φακό. Η δημοτικότητα της συσκευής αυτής με το φακό βοήθησε στην εξάπλωση της γνώσης για τον «σκοτεινό θάλαμο». Ο Τζιοβάννι ντε λα Πόρτα σύγκρινε το σχήμα του ανθρώπινου οφθαλμού με το φακό στο «σκοτεινό θάλαμο» που κατασκεύασε, και παρείχε ένα εύκολα κατανοητό παράδειγμα του πώς το φως θα μπορούσε να φέρει τις εικόνες μέσα στο μάτι.
Ένα κεφάλαιο στο «Saggio sopra Pittura» (1764) του Conte Algarotti είναι αφιερωμένο στη χρήση ενός «σκοτεινού θαλάμου» στη ζωγραφική.
Οι Dutch Masters του 17ου αιώνα, όπως ο Johannes Vermeer, ήταν γνωστοί για την υπέροχη προσοχή τους στη λεπτομέρεια. Εικάζεται ότι έκαναν χρήση ενός τέτοιου «σκοτεινού θαλάμου», αλλά το κατά πόσο οι καλλιτέχνες εκείνης της περιόδου έκαναν εκτενή χρήση του «σκοτεινού θαλάμου» παραμένει ένα ζήτημα ιδιαίτερης διαμάχης, που αναβίωσε πρόσφατα από την διατριβή των Hockney - Falco.
Ο όρος «camera obscura» («σκοτεινός θάλαμος») από μόνος του χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Γερμανό αστρονόμο Γιόχαν Κέπλερ το 1604, ο οποίος χρησιμοποιούσε μία ειδική σκηνή ως σκοτεινό θάλαμο κατά τις τοπογραφικές του μελέτες της Αυστρίας. Ο Άγγλος γιατρός και συγγραφέας Sir Thomas Browne έκανε κάποιες εικασίες επί των αλληλένδετων λειτουργιών της οπτικής του οφθαλμού και του «σκοτεινού θαλάμου» στην ομιλία του το 1658 «The Garden of Cyrus» έτσι:
Για το μάτι, οι ακτίνες από το αντικείμενο διασταυρώνονται στον κερατοειδή, διαθλώνται από τον κρυσταλλοειδή φακό, όπως διαθλώνται και από τον φακό του «σκοτεινού θαλάμου» και πέφτουν στον αμφιβληστροειδή, όπου τα είδωλα των αντικειμένων αποτυπώνονται, όπως στο χαρτί ή στον τοίχο του «σκοτεινού θαλάμου.
Τα πρώτα μοντέλα ήταν μεγάλα, περιλαμβάνοντας είτε ένα ολόκληρο σκοτεινό δωμάτιο ή μία σκηνή (όπως χρησιμοποιήθηκε από τον Κέπλερ). Μέχρι το 18ο αιώνα, μετά από προσαρμογές από τον Ρόμπερτ Μπόυλ και τον Ρόμπερτ Χουκ, έγιναν διαθέσιμα πιο φορητά μοντέλα. Αυτά χρησιμοποιήθηκαν εκτενώς από ερασιτέχνες καλλιτέχνες κατά τη διάρκεια των ταξιδίων τους, αλλά επίσης χρησιμοποιήθηκαν και από επαγγελματίες, όπως ο Paul Sandby, οι Καναλέττο και Joshua Reynolds, των οποίων ο «σκοτεινός θάλαμος» (που ήταν καμουφλαρισμένος σαν ένα βιβλίο) είναι τώρα στο Μουσείο Επιστήμης (Λονδίνο). Τέτοιοι «σκοτεινοί θάλαμοι» προσαρμόστηκαν αργότερα από τους Νιεπς (Joseph Nicephore Niepce), Λουί Νταγκέρ (Louis Daguerre) και Ουίλιαμ Φοξ Τάλμποτ (William Fox Talbot) για τη δημιουργία των πρώτων φωτογραφιών.

Ποιότητα εικόνας

Η ποιότητα του ειδώλου σε ένα «σκοτεινό θάλαμο» εξαρτάται από το μέγεθος της οπής. Όσο μικρότερη οπή έχει ο «σκοτεινός θάλαμος» τόσο μεγαλύτερο είναι το βάθος πεδίου, οπότε καλύτερη η ποιότητα εικόνας. Όσο μικραίνει όμως η οπή, γίνεται πιο αισθητό το φαινόμενο της περίθλασης του φωτός. Από τη γεωμετρική οπτική, κάθε σημείο του αντικειμένου θα απεικονίζεται στο πίσω μέρος του «σκοτεινού θαλάμου» σε δίσκο διαμέτρου:
Για πολύ μικρή οπή ), λόγω περίθλασης, κάθε σημείο του αντικειμένου θα απεικονίζεται στο πίσω μέρος του «σκοτεινού θαλάμου» σε ένα δίσκο του Airy διαμέτρου:  ,
όπου  είναι το μήκος κύματος.
Συνολικά το είδωλο κάθε σημείου του αντικειμένου θα απεικονίζεται στο πίσω μέρος του «σκοτεινού θαλάμου» σε δίσκο διαμέτρου ίσο με το άθροισμα των αντίστοιχων διαμέτρων λόγω  γεωμετρικής οπτικής και λόγω περίθλασης:   
Βέλτιστη ποιότητα εικόνας θα επιτυγχάνεται όταν η συνολική διάμετρος είναι ελάχιστη, δηλαδή όταν μηδενίζεται η παράγωγος της  ως προς . 
και για  είναι      
Δηλαδή για «σκοτεινό θάλαμο» μήκους  και για ορατό μήκος κύματος , η ιδανική διάμετρος οπής θα είναι .