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Aristoteles Phänomen

Camera obscura
Belichtungsmessung

Camera obscura
Aristoteles und die Camera obscura
Da sich Aristoteles (384-322 v. Chr.) mit allen damals bekannten Wissenschaften beschäftigt hatte, ist es plausibel, dass er mehr Schriften als die allgemein bekannten verfasst hat. «Problemata physica» heisst eine Sammlung von knapp 900 Fragen aus verschiedenen Wissensgebieten, die Aristoteles zugeschrieben wurde, aber nicht zu seinen authentischen Werken gehört (Pseudo-Aristoteles). In diesem Werk findet man die erste Beschreibung des optischen Phänomens, welches bei der Camera obscura ausgenutzt wird. Hier die Frage und die Antwort dazu in der Übersetzung von [1]:
Warum wird jemand, der durch ein Sieb, das Laubwerk einer Platane (…) oder durch die verschränkten Finger zur Zeit einer Sonnenfinsternis zur Sonne blickt, den Sonnenglanz in der Form des nicht vollständigen Mondes wahrnehmen?
Deswegen, weil das durch ein eckiges Loch durchfallende Licht nicht eckig ist, sondern das Licht geht rundgeformt und umgekehrt aus der Öffnung hervor. Weil es sich um einen geraden Doppelkegel handelt, den das Licht von der Sonne zum Loch und wieder vom Loch zur Erde bildet, so wird auch bei unvollständiger Form der Sonne das Licht wieder die Figur abbilden, die die Sonne zeigt. Da nun der Sonnenkreis nicht vollständig ist, werden auch die Strahlen entsprechend hervorkommen. Bei kleinen Löchern ist die Erscheinung deutlicher als bei grösseren.
Im «Buch der Erfindungen» [2] wurde Aristoteles' Beobachtung mit zwei Holzstichen sehr schön visualisiert:
Bei Sonnenschein wird unter einem Baum tausendfach die Sonnenscheibe projiziert. Da die Sonnenflecken jedoch kreisrund sind fällt das niemandem weiter auf.
Erst bei einer partiellen Sonnenfinsternis wird erkennbar, dass es sich tatsächlich um seitenverkehrte Projektionen der teilweise verfinsterten Sonnenscheibe handelt!
Partielle Sonnenfinsternis vom 20. März 2015
Am 20. März 2015 zwischen etwa 09.30 und 11.30 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit fand über Nord- und Mitteleuropa eine partielle Sonnenfinsternis statt. Dabei konnte Aristoteles' Beschreibung 1:1 beobachtet werden. Das Blätterdach wurde dabei durch eine gelöcherte Alufolie simuliert.
Links die gelöcherte Alufolie (8 x 6 cm), rechts die Projektion.
Die Sonnenfinsternis wurde zum Vergleich auch mit einer Digitalkamera
Die Projektionen stehen auf dem Kopf.
Beobachtungen am Schatten eines Bürostuhls
Erstaunlicherweise kann man das von Aristoteles beobachtete Phänomen auch ohne Sonnenfinsternis beobachten. Dies beispielsweise bei einem ganz normalen Bürostuhl, dessen Rückenlehne mit einem Gitterstoff bezogen ist:
Die Sonne, die durch das Gitternetz des Bürostuhls scheint, erzeugt an der Wand ein eigenartiges Muster. Weil die Rückenlehne rundum mit Gitterstoff bezogen ist, erzeugen die zwei Stofflagen einen Moiré-Effekt, der hier aber nicht weiter interessiert.
Viel interessanter ist die Beobachtung der einzelnen Sonnenprojektionen am Rand des Musters. Hier entstehen nähmlich ähnliche halbmondförmige Projektionen, wie man sie bei einer partiellen Sonnenfinsternis beobachten kann! Wie kommt das?
In der Vergrösserung erkennt man, dass die projizierten Sonnenscheiben die Form des Vollmondes bis zum Neumond haben. Etwas seltsam ist nur, dass die Form nicht sichelförmig, sondern kreissegmentförmig ist. Der Grund dafür ist ganz einfach der, dass die Sonne am Rand des Musters durch den Fensterrahmen von Loch zu Loch mehr begrenzt wird, wobei sich hier nicht der Mond, sondern die Fensterkante vor die Sonne schiebt, was eben ein Kreissegment und keine Sichel ergibt.
Ein weiterer Beweis, dass es sich tatsächlich um einzelne Projektionen der Sonnenscheibe handelt, ist folgender: Wenn man die Hand zwischen Gitterstoff und Wand hält, entsteht ein ganz normaler scharf begrenzter Schatten (Bild links). Wenn man hingegen die Hand vor den Gitterstoff hält (Bild rechts), wird der Schatten durch unzählige Sonnenscheibchen begrenzt, die immer rund sind aber unterschiedlich hell, je nach dem, wie stark die Löcher durch die Hand (bzw. durch den Moiré-Effekt) «abgeblendet» werden.
Erste Abbildung einer Camera obscura als Zeichenhilfe
«Camera obscura» bedeutet «dunkle Kammer». Hier kommt das von Aristoteles beobachtete optische Phänomen zum Tragen. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein Zimmer oder ein Kasten mit einem kleinen Loch in der Wand, durch das ein auf dem Kopf stehendes Bild auf die gegenüberliegende Wand projiziert wird.
Die erste Abbildung, wie eine Camera obscura als Zeichenhilfe benutzt werden kann, befindet sich im Buch «Ars magna Lucis et Umbrae» [5], das der deutsche Jesuit und Universalgelehrte Athanasius Kircher im 17. Jahrhunderts geschrieben hat. Diese Camera obscura hatte noch die Grösse eines Zimmers und konnte durch vier Helfer an vier Tragegriffen herumgetragen werden. Wenn die Kammer ABCD durch die Helfer in die Höhe gehalten wurde, konnte der Zeichner durch ein Loch F im Boden in den Kasten schlüpfen. So gelangte er in einen kleineren Innenraum E, auf dessen Wände, die mit Seidenpapier bespannt waren, maximal 4 Bilder projiziert werden konnten (auf dem Bild sind nur zwei dargestellt). Der Zeichner konnte so aufrecht stehend die auf dem Kopf stehenden Bilder abpausen, ohne selbst den Lichtstrahlen im Wege zu stehen.
Der Berg Fuji durch ein Astloch
Im berühmten Holzschnittbuch «Hundert Ansichten des Berges Fuji» (1834-1847) [4] hat Katsushika Hokusai auf Bild 99 einen auf dem Kopf stehenden Fuji dargestellt. Ein Diener hält beim Saubermachen inne, um zwei Gäste auf den Camera-obscura-Effekt hinzuweisen. Als Erklärung dafür zeigt er auf ein kleines Astloch, durch das die Lichtstrahlen durch die geschlossenen Läden dringen und auf der gegenüberliegenden Seite des Ganges auf das durchscheinende Seidenpapier der Schiebetüre (Shoji) fallen.
In der Tokugawa-Periode (1603-1868) wurde in der japanischen Litertur mehrfach von diesem Phänomen berichtet, welches aber als ortsgebunden gedeutet wurde und optisch nicht korrekt erklärt werden konnte.
Selbstbau einer Camera obscura (Lochkamera)
Eine kleine Camera obscura – in dieser Form meist Lochkamera genannt – kann ganz einfach und in kurzer Zeit selbst gebaut werden. Dazu wir nur eine Blechdose (hier eine Teebüchse) und ein Stück Transparentpapier benötigt:
In den Deckel der Teebüchse wird mit einer Blechschere eine viereckige Öffnung geschnitten und mit einem Transparentpapier beklebt (als Mattscheibe)
In den Boden der Büchse wird ein Loch von maximal 1,5 mm Durchmesser gebohrt, wobei der Rand des Lochs sauber verputzt werden muss (kein Grat!)
Auf der Dachterasse von Photobibliothek.ch kann man auf der Mattscheibe von blossem Auge das seitenverkehrte und auf dem Kopf stehende Bild der Kirche von Diessenhofen erkennen. Um ein genügend helles Bild zu bekommen, musste das Loch mit 1,5 mm Durchmesser relativ gross gemacht werden. Für eine wirklich scharfe Abbildung müsste das Loch viel kleiner sein. Den Einfluss des Lochdurchmessers (Blende) auf Helligkeit und Bildschärfe hatte bereits Aristoteles erkannt (vgl. den letzen Satz in der Beschreibung ganz am Anfang). Die Belichtungszeit mit der Digitalkamera betrug 1/4 Sekunde bei Blende 2,8.
Die Camera obscura mit Linse als Zeichenhilfe zu Goethes Zeiten
Spätestens um 1550 wurde erkannt, dass Helligkeit und Bildschärfe entscheidend verbessert werden können, wenn anstelle des Loches ein «geschliffenes Glas» – heute sagen wir dazu «Linse» oder «Objektiv» – verwendet wird.
Ab etwa 1650 wurden kleine, tragbare Camera obscurae gebaut, die mittels zwei ineinander schiebbaren Kästen scharf gestellt werden konnten. Solche tragbaren Camera obscurae scheinen um 1800 gross in Mode gewesen zu sein. So berichtet Goethe in «Die Wahlverwandtschaften» [3] über einen Engländer, der sich – 30 Jahre vor Erfindung der Photographie! – in der Art eines «frühen Amateurphotographen» betätigte:
[Der Engländer] beschäftigte sich die grösste Zeit des Tags, die malerischen Aussichten des Parks in einer tragbaren dunklen Kammer aufzufangen und zu zeichnen, um dadurch sich und andern von seinen Reisen eine schöne Frucht zu gewinnen. Er hatte dies schon seit mehreren Jahren in allen bedeutenden Gegenden getan und sich dadurch die angenehmste und interessanteste Sammlung verschafft.
Zum Vergleich folgt hier noch eine Camera obscura, wie sie zu Goethes Zeiten verwendet wurde:
Durch den verschiebbaren Innenkasten mit dem Objektiv wird die Schärfe eingestellt.
Bei dieser Art Camera obscura wird das Bild über einen um 45° geneigten Spiegel auf die Mattscheibe gelenkt. Dies hat den grossen Vorteil, dass das Bild aufrecht steht, aber spiegelverkehrt bleibt es trotzdem. Mit dem Deckel wird die Mattscheibe so gut wie möglich abgeschattet. Sobald der Ausschnitt ausgewählt und das Bild scharf gestellt ist, wird auf die Mattscheibe ein möglichst durchsichtiges Papier oder eine mit Gummiarabicumlösung beschichtete Glasplatte gelegt. Auf dieser Oberfläche kann dann das Bild mit Feder und Tinte oder mit einem Bleistift festgehalten werden.
Im Vergleich zur Lochkamera ist das Bild hier viel heller und schärfer. Die Belichtungszeit mit der Digitalkamera betrug 1/30 Sekunde bei Blende 2,8.
Zum Vergleich noch das seitenrichtige Bild der Digitalkamera. Die beiden Mattscheiben-Aufnahmen und dieses Bild wurden zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen, weshalb Beleuchtung und Wolken unterschiedlich sind.
Zitierte Literatur
[1] Wolfgang Baier: Quellendarstellungen zur Geschichte der Fotografie. München: Schirmer/Mosel, 1977.
[2] Das neue Buch der Erfindungen, Gewerbe und Industrien. Pracht-Ausgabe. Leipzig und Berlin: Otto Spamer, 5. Auflage 1864-1867.
[3] Johann Wolfgang von Goethe: Die Wahlverwandtschaften. Die Erstausgabe erschien 1809 bei Cotta in Tübingen.
[4] Katsushika Hokusai: Hundert Ansichten des Berges Fuji. München: Prestel, 1988. Die Erstausgabe erschien 1834 bis 1847 in 3 Bänden.
[5] Athanasius Kircher: Ars magna Lucis et Umbrae. In X. Libros digesta. Editio altera priori multo auctior [zweite Auflage]. Amstelodami [Amsterdam]: Joannes Janssonium à Waesberge, & Haeredes Eilzaei Weyerstraet, 1671.