מצלמת חריר

מצלמה מודרנית שעוצבה להיות מצלמת חריר ביתית

מצלמת חריר היא מצלמה פשוטה ללא עדשה אך עם צמצם זעיר – המצלמה היא קופסה אטומה לאור עם חור קטן בצד אחד. האור עובר דרך הצמצם ומקרין תמונה הפוכה בצד הנגדי של הקופסה, מה שידוע כאפקט קמרה אובסקורה. גודל התמונות תלוי במרחק בין האובייקט לחור.

יום צילום חריר עולמי מצוין בכל שנה יום ראשון האחרון של חודש אפריל.

היסטוריה

קמרה אובסקורה

תמונת מצלמה אובסקורה או חריר היא תופעה אופטית טבעית. תיאורים מוקדמים ידועים נמצאים בכתבי מוזי הסיניים (מסביבות 500 לפנה"ס) ופרובלמטה האריסטוטליות (מסביבות 300 לפנה"ס – 600 לספירה).

תרשים המתאר את תצפיותיו של אבן אל-היית'ם על התנהגות האור דרך חור סיכה

אבן אל-חיית'ם (965–1039), פיזיקאי ערבי המכונה גם אל-חאזן, תיאר את אפקט הקמרה אובסקורה. לאורך מאות השנים החלו להתנסות בו, בעיקר בחדרים חשוכים עם פתח קטן בתריסים, בעיקר כדי ללמוד את טבע האור וכדי לצפות בבטחה בליקוי חמה.

ג'מבטיסטה דלה פורטה כתב בשנת 1558 בספרו "מגייה נטורליס" על שימוש במראה קעורה כדי להקרין את התמונה על נייר ועל שימוש בה ככלי עזר לציור. עם זאת, בערך באותו הזמן, הוכנסה לשימוש העדשה במקום חריר. במאה ה-17, הקמרה אובסקורה עם עדשה הפכה לעזר ציור פופולרי שפותח עוד יותר כמכשיר נייד, תחילה באוהל קטן ומאוחר יותר בקופסה. המצלמה המודרנית, כפי שפותחה בתחילת המאה ה-19, הייתה בעיקרה עיבוד של הקמרה אובסקורה מסוג קופסה עם עדשה.

המונח "חריר" בהקשר של אופטיקה נמצא בספרו של ג'יימס פרגוסון משנת 1764, "הרצאות על נושאים נבחרים במכניקה, הידרוסטטיקה, פנאומטיקה ואופטיקה".

תחילתם של צילומי חריר

מצלמת חריר מוקדמת. אור חודר לקופסה חשוכה דרך חור קטן ויוצר תמונה הפוכה על הקיר שממול לחור.

התיאור הידוע הראשון של צילום חריר נמצא בספר "הסטריאוסקופ" משנת 1856 מאת הממציא הסקוטי דייוויד ברוסטר, הכולל את תיאור הרעיון כ"מצלמה ללא עדשות, ועם חריר בגול סיכה בלבד".

סר ויליאם קרוקס וויליאם דה וויבלסלי אבני היו צלמים מוקדמים נוספים שניסו את טכניקת החריר.

ניסויים בצילום אינטגרלי ובפילם

על פי הממציא ויליאם קנדי דיקסון, הניסויים הראשונים שכוונו לתמונות נעות על ידי תומאס אדיסון וחוקריו התרחשו בסביבות שנת 1887 וכללו "תצלומים מיקרוסקופיים בעלי נקודות מדויקות, שהונחו על קליפה גלילית". גודל הגליל תאם את גליל הפונוגרף שלהם, מכיוון שהם רצו לשלב את התמונות הנעות עם הקלטות קול. התעוררו בעיות בהקלטת תמונות ברורות "במהירות פנומנלית", "גסות" והאמולסיה הצילומית כאשר התמונות הוגדלו. תצלומי הנקודות המדויקות המיקרוסקופיים ננטשו במהרה. בשנת 1893 הוצג סוף סוף הקינטוסקופ עם תמונות נעות על רצועות פילם צלולואיד. המצלמה שתיעדה את התמונות, שכונתה קינטוגרף, צוידה בעדשה.

אז'ן אסטנבה התנסה בצילום אינטגרלי, והשיג תוצאות בשנת 1925 שפורסמו בכתב העת "לה נטור". לאחר 1930 הוא בחר להמשיך בניסוייו עם חרירים כמחליפים את המסך העדשי.

שימושים

ברז כיבוי אש שצולם על ידי מצלמת חריר עשויה מקופסת נעליים, נחשף על נייר צילום ליצירת תמונת תשליל (למעלה). התמונה הפוזיטיבית (למטה) נוצרה דיגיטלית מתמונת התשליל. משך החשיפה היה 40 שניות. ישנה התלקחות ניכרת בפינה הימנית התחתונה של התמונה, ככל הנראה עקב כניסת אור חיצוני לקופסת המצלמה.

ניתן להקרין את תמונת מצלמת חריר על מסך שקוף לצפייה בזמן אמת (המשמשת לתצפית בטוחה בליקוי חמה) או כדי לעקוב אחר התמונה על נייר. אך לרוב משתמשים בה ללא מסך שקוף לצילום חריר, כאשר סרט צילום או נייר צילום מונחים על המשטח הנגדי לפתח החריר.

שימוש נפוץ במצלמות חריר הוא ללכוד את תנועת השמש לאורך תקופה ארוכה. סוג זה של צילום נקרא סולאריגרפיה. צילום חריר משמש מסיבות אמנותיות, אך גם למטרות חינוכיות כדי לאפשר לתלמידים ללמוד ולהתנסות ביסודות הצילום.

מצלמות חריר עם CCD (התקנים צמודי מטען) משמשות לעיתים למעקב משום שקשה לאתר אותן.

מצלמות קשורות, מכשירי יצירת תמונה, או פיתוחים שלה כוללים את "מצלמת חריר רחבת השדה של פרנקה", מצלמת פינספק ומראה חריר .

ייצור מודרני מאפשר ייצור של עדשות חריר איכותיות בהן ניתן להשתמש במצלמות דיגיטליות.

בניה

מצלמת חריר תוצרת בית (משמאל), עטופה בפלסטיק שחור למניעת דליפות אור, וחומרי פיתוח נלווים

מצלמות חריר יכולות להיות מיוצרת בעבודת יד על ידי הצלם למטרה מסוימת. בצורתה הפשוטה ביותר, מצלמת חריר כוללת קופסה אטומה לאור עם חור חריר בקצה אחד, וסרט או חומר רגיש אחר לאור בקצה השני. מיכלים מתאימים כוללים פחיות גליליות ריקות, כאשר קצה אחד פתוח בעל מכסה נשלף כדי להקל על טעינת הסרט, והקצה השני (הסגור) מצויד בחריר. הוראות לבניית מצלמת חריר פורסמו על ידי קודאק, תוך שימוש במחסנית סרט 126 או בפחית ריקה. ניתן לנקב או לקדוח את חור החריר באמצעות מחט תפירה דרך חתיכת נייר אלומיניום או יריעת אלומיניום דקה או פליז. לאחר מכן, חתיכה זו מודבקת לחלקה הפנימי של הקופסה האטומה לאור, מאחורי חור שנחתך או נקדח בקצה אחד של הקופסה. ניתן להשתמש בכנף קרטון המכסה את חור החיר, המחוברת בחתיכת סרט דביק, כתריס. פנים מצלמת חריר יעילה צבוע בשחור כדי לדכא השתקפויות אור תועה פנימיות.

מצלמות חריר יכולות להיות בנויות עם מחזיק סרט הזזה או גב כדי להתאים את המרחק בין הסרט לחור הסיכה. זה משנה למעשה את אורך המוקד, מה שמשפיע הן על זווית הראייה והן על יחס ה-f האפקטיבי. קרבת הסרט לחור הסיכה תגרום לשדה ראייה רחב זווית וזמן חשיפה קצר יותר. רחקת הסרט מחור הסיכה תגרום לטל-פוטו או תצוגה בזווית צרה וזמן חשיפה ארוך יותר.

במקום חומרים ביתיים פשוטים, ניתן לבנות מצלמות חריר גם על ידי החלפת מכלול העדשה במצלמה קונבנציונלית במצלמה חריר. בפרט, מצלמות קומפקטיות בגודל 35 מצלמות מילימטר שהעדשה ומכלול המיקוד שלהן ניזוקו ניתנות לשימוש חוזר כמצלמות חריר, תוך שמירה על השימוש במנגנוני התריס והפילם. כתוצאה מהעלייה העצומה במספר ה-f, כדי לשמור על זמני חשיפה דומים, הצלם חייב להשתמש בסרט צילום מהיר באור שמש ישיר או בתנאי תאורה בהירים אחרים. ניתן להשתמש גם בחרירי חריר תוצרת בית או מסחריים במקום העדשה במצלמת רפלקס עם עדשה יחידה (SLR) או במצלמת עדשות מתחלפות ללא מראה. שימוש עם מצלמת SLR דיגיטלית מאפשר מדידה וקומפוזיציה באמצעות ניסוי וטעייה, ומכיוון שהפיתוח הוא למעשה חופשי, זוהי דרך פופולרית לנסות צילום חריר.

בחירת גודל חור הסיכה

עד לנקודה מסוימת, ככל שהחור קטן יותר, כך התמונה חדה יותר, אך התמונה המוקרנת עמומה יותר. באופן אופטימלי, קוטר הצמצם צריך להיות קטן או שווה ל-1/100 מהמרחק בינו לבין התמונה המוקרנת.

בגבולות מסוימים, חור קטן דרך משטח דק יביא לרזולוציית תמונה חדה יותר מכיוון שמעגל הבלבול המוקרן במישור התמונה הוא כמעט באותו גודל כמו חור הסיכה. חור קטן במיוחד, לעומת זאת, יכול לייצר אפקטים משמעותיים של דיפרקציה ותמונה פחות ברורה עקב תכונות הגל של האור. בנוסף, ויגנציה מתרחשת כאשר קוטר החור מתקרב לעובי החומר בו הוא מנוקב, מכיוון שדפנות החור חוסמים את כניסת האור בכל זווית שאינה 90 מעלות.

החריר הטוב ביותר הוא עגול לחלוטין (מכיוון שאי-סדרים גורמים לאפקטים של דיפרקציה מסדר גבוה יותר) ועשוי מחתיכת חומר דקה במיוחד. מצלמות חריר המיוצרות באופן תעשייתי נהנים מרמת חריטה בלייזר, אך חובב עדיין יכול לייצר חורים באיכות גבוהה מספיק לעבודות צילום.

שיטה לחישוב קוטר החור האופטימלי פורסמה לראשונה על ידי ג'וזף פצוואל בשנת 1857. הקוטר הקטן ביותר האפשרי של נקודת התמונה ולכן רזולוציית התמונה הגבוהה ביותר האפשרית והתמונה החדה ביותר ניתנים כאשר:

$d=\sqrt{2f\lambda }=1.41\sqrt{f\lambda }$

בשנות ה-70, יאנג מדד את גבול הרזולוציה של מצלמת חור הסיכה כפונקציה של קוטר החור ומאוחר יותר פרסם מדריך בכתב העת The Physics Teacher. הוא הגדיר ושרטט שני משתנים מנורמלים: גבול הרזולוציה המנורמל, $\frac{RL}{s}$, ואורך המוקד המנורמל, $\frac{f}{\left(\frac{s^2}{\lambda }\right)}$, איפה

d מייצג גדול החור

f מרחק החור מסרט הצילום

λ לאורך גל האור

(כלומר חור בקוטר כ-0.23 מ"מ)

הראשון שהחיל את תורת הגלים על הבעיה היה לורד ריילי בשנת 1891. אך עקב מספר ניכויים שגוי ושרירותי הוא הגיע ל:

$d=2\sqrt{f\lambda }$

אז החור האופטימלי שלו היה גדול בכ 41 % מזה של פטזבל.

גודל אופטימלי נוסף של חור, שהוצע על ידי יאנג (1971), משתמש בקירוב פראונהופר של תבנית הדיפרקציה מאחורי פתח מעגלי, וכתוצאה מכך:

$d=\sqrt{2.44}\sqrt{f\lambda }=1.562\sqrt{f\lambda }$

ניתן לפשט זאת ל: $d=0.0366\sqrt{f}$, בהנחה ש - d ו - f נמדדים במילימטרים ו - λ הוא 550 ננומטר, התואם לאורך הגל המרכזי (צהוב-ירוק) של אור נראה. עבור מרחק של 1 אינץ (25.4 מילימטרים) בין החור לסרט, זה מסתכם ב-0.185 קוטר מ"מ. עבור f = 50 מ"מ הקוטר האופטימלי הוא 0.259 מ"מ. ערך מפתח הצמצם המקביל (f-stop) הוא f/193.

עומק השדה הוא למעשה אינסופי, אך אין פירוש הדבר שלא מתרחש טשטוש אופטי. עומק השדה האינסופי פירושו שטשטוש התמונה תלוי לא במרחק האובייקט אלא בגורמים אחרים, כגון המרחק מהצמצם למישור הצילום, גודל הצמצם, אורך הגל של מקור האור ותנועת האובייקט או הבד. בנוסף, צילומי חריר אינם יכולים להימנע מהשפעות של ערפול.

דוגמה לתמונה בת חשיפה של 20 דקות

דוגמה לתמונה בת זמן חשיפה של 20 שניות

בסיס לגודל אופטימלי של חור סיכה

גרף של מגבלת הרזולוציה של מצלמת חריר כפונקציה של אורך המוקד (מרחק תמונה)

בשנות ה-70, יאנג מדד את גבול הרזולוציה של מצלמת חור הסיכה כפונקציה של קוטר חור הסיכה ומאוחר יותר פרסם מדריך בכתב העת The Physics Teacher. הוא הגדיר ושרטט שני משתנים מנורמלים: גבול הרזולוציה המנורמל, $\frac{RL}{s}$, ואורך המוקד המנורמל, $\frac{f}{\left(\frac{s^2}{\lambda }\right)}$, איפה

RL הוא גבולה הרזולוציה

s הוא קוטר החור (d/2)

f הוא משך החשיפה

λ הוא אורך הגל של האור, בדרך כלל 550 מ"מ.

בצד שמאל של הגרף (כאשר אורך המוקד המנורמל קטן מ-0.65), חור הסיכה גדול, ואופטיקה גאומטרית חלה; גבול הרזולוציה המנורמל קבוע בקירוב בערך של 1.5, כלומר גבול הרזולוציה בפועל הוא בערך פי 1.5 מרדיוס חור הסיכה, ללא תלות באורך המוקד המנורמל. (רזולוציה מזויפת נראית גם בגבול הגאומטרית-אופטיקה.)

בצד ימין (אורך מוקד מנורמל גדול מ-1), חור הסיכה קטן, ודיפרקציית פראונהופר חלה; גבול הרזולוציה ניתן על ידי נוסחת הדיפרקציה בשדה רחוק המוצגת בגרף, אשר עולה ככל שגודל חור הסיכה קטן, בהנחה ש - f ו - λ קבועים:

$RL=\frac{0.61\cdot \lambda f}{s}$

בגרסה זו של הנוסחה כפי שפורסמה על ידי יאנג, רדיוס החור משמש ולא קוטרו, כך שהקבוע הוא 0.61 במקום 1.22 הרגיל יותר.

במרכז הגרף (אורך המוקד המנורמל הוא בין 0.65 ל-1), שהוא אזור הדיפרקציה בשדה הקרוב (או דיפרקציית פרנל), חור הסיכה ממקד את האור מעט, וגבול הרזולוציה ממוזער כאשר אורך המוקד המנורמל שווה לאחד. כלומר, אורך המוקד בפועל f (המרחק בין חור הסיכה למישור הסרט) שווה ל - $\frac{s^2}{\lambda }$ באורך מוקד זה, חור הסיכה ממקד את האור מעט, וגבול הרזולוציה המנורמל הוא בערך, כלומר, מגבלת הרזולוציה היא ~2\3 מרדיוס החור. החור, במקרה זה, שווה ערך ללוח אזור פרנל עם אזור יחיד. הערך s²/ λ הוא במובן מסוים אורך המוקד הטבעי של החור.

הקשר f = s²/λ מניב קוטר חור אופטימלי d = 2 √ fλ, כך שהערך הניסויי שונה במקצת מהאומדן של פצבל, לעיל.

חישוב מספר ה-f והחשיפה הנדרשת

ניתן לחשב את מספר ה-f של המצלמה על ידי חלוקת המרחק מחור העין למישור הצילום (אורך המוקד) בקוטר חור העין. לדוגמה, מצלמה עם 0.5 חור סיכה בקוטר מ"מ, ו-50 אורך מוקד של מ"מ יהיה בעל מספר f של 50/0.5, או 100 (f /100 בסימון קונבנציונלי).

בשל מספר ה-f הגדול של מצלמת חריר, חשיפות לעיתים קרובות יתקלו בכשל הדדיות. לאחר שזמן החשיפה חורג משנייה אחת עבור פילם או 30 שניות עבור נייר, יש לפצות על הפירוק בתגובה הליניארית של הסרט/נייר לעוצמת התאורה על ידי שימוש בחשיפות ארוכות יותר.

חשיפות המוקרנות על סרט צילום מודרני רגיש לאור יכולות בדרך כלל לנוע בין חמש שניות לכמה שעות, כאשר חורים קטנים יותר דורשים חשיפות ארוכות יותר כדי לייצר תמונה באותו גודל. מכיוון שמצלמת חריר דורשת חשיפה ארוכה, ניתן להפעיל את התריס שלה באופן ידני, למשל באמצעות דש עשוי מחומר אטום כדי לכסות ולחשוף את מצלמת החריר.

תופעת חריר טבעית

בליטות בצורת סהר של ליקוי חמה שנוצרו על ידי חורים טבעיים שיצרו עלי עצים

פנס רחוב LED מקרין על המדרכה דרך חורי סיכה טבעיים שנוצרו על ידי עלי העץ.

אפקט מצלמת חריר יכול לפעמים להתרחש באופן טבעי. חורים קטנים הנוצרים על ידי הפערים בין עלי עצים חופפים לענפים מייצרים תמונות העתק של השמש (או מקורות אור אחרים) על משטחים שטוחים. במהלך ליקוי חמה, זה מייצר סהרונים קטנים, ובמקרה של ליקוי חמה, טבעות חלולות. כדורי דיסקו יכולים גם לתפקד כמצלמות חריר מחזירות אור טבעיות (הידועות גם כמראה-חריר).

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מצלמת חריר בוויקישיתוף

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

מצלמת חריר42399153Q313742