Im Anfangsunterricht des Fachgebiets Optik beschäftigen wir und mit der geradlinigen Ausbreitung von Licht und der optischen Abbildung von Gegenständen. In diesem Zusammenhang wird auch das Beispiel “Lochkamera” herangezogen, das es (von seinem Aufbau) das einfachste optische Gerät darstellt, mit dessen Hilfe ein Bild von einem Gegenstand erzeugt wird. Da die “original” Lochkamera keine Linse o.ä. optischen Hilfsmittel verwendet, dient die Lochkamera (auch) zum Nachweis der geradlinigen Ausbreitung von Licht.
Eine Lochkamera besteht aus einem lichtundurchlässigen Gehäuse mit einer kleinen Öffnung (Loch) und einem Schirm im Inneren des Gehäuses. Auf diesem Schirm erscheint das Bild des Gegenstandes, das mit der Lochkamera “beobachtet” wird. Zumdemerscheint das Abbild des Gegenstandes auf dem Kopf stehend, im Vergleich zu dem Gegenstand, vor sich der Kamera befindet
Wie eingangs erwähnt, dient die Lochkamera um die geradlinige Ausbreitung des Lichtes nachzuweisen. Dabei lässt sich das Abbild des Gegenstands auf dem Schirm durch die Konstruktion des entsprechenden Strahlengang erklären. Das Licht trift einen Gegenstand, von diesem Gegenstand wird ein Teil des auftrefenden Lichts wieder reflektiert. Dieses Licht breitet sich nach breitet sich nach allen Seiten geradlinig aus, wo es auch auf die Öffnung der Lochbildkamera trift und auf dem Schirm eine Abbildung erzeugt.
Im Physikunterricht wird in der Regel eine brennende Kerze zum Abbilden in einer Lochkamera verwendet (warum werden wir später erfahren). Dabei breitet sich das Licht der Kerze wieder geradlinig in alle Richtungen auf. Dabei gelangen auch Lichtstrahlen durch die Lochöffnung der Lochkamera und treffen auf den Schirm und erzeugen dort eine Abbildung der Kerze. Konstruieren wir nun den Strahlengang von der Kerze bis zum Schirm der Lochkamera, so beobachten wir, dass in Folge der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes stellt der unterste Punkt der Kerze den obersten Punkt auf dem Schirm dar. Der oberste Punkt der Kerze erscheint als unterster Punkt auf dem Schirm. Diese Konstruktion des Strahlengangs bei einer Lochkamera erklärt auch, warum ein auf dem Kopf stehendes Bild des Gegenstandes auf dem Schirm erzeugt wird. Zusätzlich können wir durch die Konstruktion auch erklären, warum die Abbildung auf dem Schirm nicht nur auf dem Kopf steht, sondern auch seitenverkehrt ist.
Werten wir nun ein solches Experiment mit einer Lochkamera aus, so beobachten wir folgende Ergebnisse:
Dies alles lässt sich auch mit Hilfe einer Formel angeben. Diese Formel kennen wir bereits aus der Konstruktion eines Strahlengangs. Mit Hilfe des zweiten Strahlensatzes lässt sich herleiten:
mit
Gegenstandsgröße = Größe des Gegenstandes
Bildgröße = Größe der Abbildung auf dem Schirm
Gegenstandsweite = Abstand zwischen Gegenstand und Lochöffnung
Bildweite = Abstand zwischen Lochöffnung und dem Schirm
Die grundlegende Komponenten einer Lochkamera sind: ein lichtdichtes Gehäuse, eine kleine Öffnung (das Loch) und eine Bildebene (normalerweise eine lichtempfindliche Oberfläche).
Die Lochkamera arbeitet nach dem Prinzip der Rektalinen Projektion. Licht, das durch das kleine Loch dringt, erzeugt ein auf der Bildebene umgekehrtes und seitenverkehrtes Bild des vor der Öffnung befindlichen Objekts.
Das Hauptmerkmal des von einer Lochkamera erzeugten Bildes ist, dass es umgekehrt und seitenverkehrt ist.
Die Größe des Lochs hat einen signifikanten Einfluss auf die Bildqualität. Ein kleineres Loch führt grundsätzlich zu scharferen, jedoch dunkleren Bildern. Ein größeres Loch hingegen erzeugt heller, jedoch unschärfere Bilder.
Die Entfernung zwischen der Lochöffnung und der lichtempfindlichen Oberfläche beeinflusst die Größe des erzeugten Bildes. Ein näheres Bild wird vergrößert dargestellt, während ein ferneres Bild verkleinert dargestellt wird.
Eine Lochkamera benötigt keine Linse, da das kleine Loch funktioniert wie eine einfache Blende, welche die Menge an Licht, das auf die Bildebene trifft, reguliert und das konvergierende Licht fokussiert.
Die Rektalinen Projektion bezieht sich auf das Prinzip der direkten Projektion von Lichtstrahlen durch ein kleines Loch, was ein seitenverkehrtes und auf den Kopf gestelltes Bild auf der gegenüberliegenden Seite erzeugt.
Die Lochgröße in einer Lochkamera spielt eine entscheidende Rolle bei der Schärfentiefe. Ein kleineres Loch liefert eine größere Schärfentiefe, während ein größeres Loch eine geringere Schärfentiefe liefert.
Während beide Arten von Kameras Bilder erzeugen, sind die von einer Lochkamera erzeugten Bilder seitenverkehrt und auf den Kopf gestellt. Bilder einer Linsekamera sind hingegen aufrecht und nicht seitenverkehrt.
Eine Lochkamera hat einen unendlichen Schärfebereich und kann daher sowohl für Nahaufnahmen als auch für Fernaufnahmen verwendet werden. Dabei hängt jedoch die Helligkeit des Bildes von der Größe des Lochs und der Distanz zum Objekt ab.