Chrám Sv.Víta v Praze snímek pořízený pomocí camery obscury

Ilustrovaný encyklopedický slovník z roku 1976 říká, že camera obscura je "temná místnost, resp. komora, s jedním malým otvorem, jímž prochází světlo a na protější straně vytváří převrácený obraz předmětů před otvorem. Princip znám už v 11. století, později zdokonalen zasazením čočky do otvoru (zvětšila se světelnost obrazu)."

Historie

Lidská paměť je krátká a tak se nezřídka stává, že následující generace znovu a znovu objevují něco, co bylo známo už jejich předkům. V 11. století byla camera obscura známa, slovník tedy nelže. Ale už v 5. století př.n.l. čínský filozof Mo Ti popsal vznik obrazu po průchodu světla malým otvorem. Už on věděl, že předměty odrážejí světlo všemi směry a že světlo odražené od horní části předmětu vykreslí spodní část obrazu. Další popisy tohoto jevu se objevují v čínských pramenech z 9. a 10. století.

nákres z jednoho z mnoha článků,zabývajících se principy camery obscury (The Photo Miniature 1905)

Otázky týkající se průchodu světla otvorem vznáší ve svém díle Problémy i Aristoteles ve 4. stol. př.n.l., nedává však žádné vysvětlení. Proč když slunce svítí skrz pravoúhlý otvor, je jeho obraz kulatý? - trochu to připomíná meditaci nad tím, že hranatá dlažební kostka vržená z mostu do Vltavy dělá kruhy.

V 10. století se arabský fyzik a matematik Abu Ali al-Hasan zabýval lomem a odrazem světla a čočkami. Při svém bádání použil také desku s dírkou, před kterou postavil vedle sebe do řady svíčky, jejichž obraz se promítal na pozadí na druhé straně desky. Zakrýváním svíček zjistil, že obraz pravé svíčky se promítne nalevo a odvodil, že světlo se šíří přímočaře.

A samozřejmě by to nebyl Leonardo da Vinci, kdyby se v jeho zápiscích (Codex Atlanticus) nenašla zmínka o formování obrazu vnější osluněné krajiny v zatemněné místnosti. Jak jinak než pomocí dírky.

V katedrále ve Florencii nechal roku 1475 matematik a astronom Paolo Toscanelli vsadit do jednoho z oken bronzovou destičku s dírkou, kterou se promítá obraz Slunce na podlahu katedrály. Na podlaze je značka, na kterou obraz Slunce dopadal právě v poledne a určoval tak přesný čas. Toto zařízení potřebovala církev pro určení data Velikonoc, které jsou vždy v neděli po prvním úplňku následujícím po jarní rovnodennosti.

Podobné zařízení využívající projekci obrazu Slunce na podlahu pomocí dírky použil dominikánský mnich Egnatio Danti. Roku 1576 zřídil observatoř - tedy dírku ve střeše a poledník vsazený do podlahy - v bazilice Sv. Petra v Bologni. O čtyři roky později předložil výsledky svého bádání papeži Řehořovi XIII. a dokázal, že jarní rovnodennost nastala o 10 dní dříve, než měla. Po dvouletém zvažování pak papež upravil juliánský kalendář a nechal vytvořit kalendář gregoriánský, který užíváme dodnes.

Ilustrace z díla Gemmy Frisia

Ale to už jsme v 16. století, kdy lidstvo konečně dostalo ucelený popis camery obscury. Vytvořil jej v roce 1558 neapolský vědec Giovanni Battista della Porta ve svém díle Magia Naturalis. Občas se setkáte s tvrzením, že cameru obscuru vynalezl, avšak není tomu tak.

První nákres camery obscury najdete v díle De Radio Astronomica et Geometrica z roku 1545, kde holandský astronom Regnie Gemma Frisius popisuje své pozorování zatmění Slunce v roce 1544.

Zlatý věk církevních astronomických observatoří v kostelích, které se k pozorováním hodily díky velkým rozměrům a šeru panujícímu uvnitř, trval do poloviny 18. století, kdy byly dalekohledy zdokonaleny natolik, že byly již pro daný účel vhodnější. Dnes památku na tuto dobu najdeme v kostelích v Římě, Paříži, Milanu, Florencii, Bologni, Palermu, Bruselu, Antverpách...

V 17. století došla camera obscura značného rozšíření. Dírka byla zvětšena a osazena čočkou, což zvýšilo jas obrazu a samotná místnost mohla mít také formu stanu či přenosné skříně. A když roku 1620 Jan Kepler, který je mimochodem považován za autora samotného termínu camera obscura, vyvinul přenosnou verzi tohoto přístroje, dostali malíři krajináři do rukou pomůcku, která jim usnadnila práci.

Leták zvoucí turisty k návštěvě camery obscury v Edinburghu

V 19. století pak byly zatemněné místnosti určené k pozorování obrazů stavěny pro zábavu i poučení leckde po světě. Některé z nich se zachovaly dodnes. Pokud třeba zavítáte do Edinburghu, jednou z atrakcí města je camera obscura přímo na Kálovské míli. Obraz města je tu přes čočku a zrcadlo promítán na stůl v zatemněné místnosti. Camery obscury byly stavěny i ve 20. století.

Když tedy opomeneme, že dírkovou komoru používá jako orgán vidění loděnka (nautilus), můžeme směle říct, že camera obscura byla třetím optickým přístrojem, které lidstvo objevilo. Tím prvním bylo v šerém dávnověku zařízení umožňující vidět skrz zdi, tedy okno, druhým pak zrcadlo.

Osobně se domnívám, že camera obscura je jen variantou přístroje prvního, tedy místnost s oknem, které je hodně malé. Tak malé, že je pohodlnější dívat se na promítnutý obraz na protilehlé stěně, byť převrácený, než se pokoušet vyhlédnout ven.

Přestože může být po nějakou dobu zábavné pozorovat převrácený obraz v temné místnosti, časem se takový pohled omrzí. Ale místnost jinam nepřenesete - ledaže byste ji zmenšili. To má ovšem jeden háček: uděláte-li cameru obscuru tak malou, aby se dala pohodlně přenášet, nevejdete se dovnitř, abyste mohli pozorovat. A tak nám nezbyde, než si optický zážitek nějak zprostředkovat. Do komory vložíme nějaký citlivý fotografický materiál, dírkou osvětlíme a po vyvolání můžeme prohlížet kdekoliv.

Camera obscura jako fotografický přístroj

Variabilní dírková komora z přelomu 19. a 20. století (The Photo Miniature 1901)

A tím jsem se konečně dostal na pevnější půdu, protože takový přístroj se jmenuje česky dírková komora a s tou mám trochu větší zkušenosti než s temnými místnostmi s okny, jejichž velikost se limitně blíží nule.

Dírkovou komoru vyrobíte snadno: vezmete libovolnou světlotěsnou krabici, do jedné stěny propíchnete dírku, na protější nalepíte ve tmě fotopapír nebo film. Krabici nasměrujete na předměty, které chcete zachytit, dírku odkryjete a necháte světlo dopadat na citlivý materiál. Ten pak vyvoláte, případně zkopírujete, a je hotovo.

Snímky pořízené dírkovou komorou se pravidelně publikovaly (The Photo Miniature 1901)

Jedním z prvních, kdo něco takového udělal, byl v roce 1850 skotský vědec sir David Brewster, který ve svém textu The Stereoscope poprvé použil slovo pinhole pro označení dírky ve fotoaparátu bez čočky. Toto označení se vžilo a v anglické literatuře se pro přístroje bez čočky používá termín pinhole camera, u nás je to pak dírková komora. Po Brewsterovi následovala řada dalších, teorii i praxi fotografování bez čočky se věnovali ctihodní pánové z Londýnské fotografické společnosti, vyšla řada článků věnujících se teorii i praktickým aspektům výroby dírkové komory.

Zájem o dírkovou komoru neupadá ani v dnešní době. Používá se jako didaktická pomůcka, fotografování dírkovou komorou se - ať už jen příležitostně nebo dlouhodobě a systematicky - věnují tisíce amatérů po celém světě. Dokonce se od roku 2001 každoročně koná Světový den dírkové fotografie. Účastníci se poslední dubnovou neděli věnují fotografování rozličnými dírkovými komorami, výsledky pak naskenují a pošlou pořadatelům, kteří je vystaví v galerii. Tam můžete vidět stovky černobílých i barevnývch snímků, které byly pořízeny kamerami od děravé krytky na digitální zrcadlovce přes klasické krabice od vloček a od bot až po sofistikované přístroje, koupené za ne právě levné peníze v obchodě. Jsou to fotografie pořízené na film, fotopapír, polaroid, nebo konečně i na čip. Oficielní stránky Mezinárodního dne dírkové fotografie naleznete na www.pinholeday.org.

Zobrazení bez optiky se ale stále uplatňuje i v oblasti vědy, výzkumu a výroby. Dírkové komory jako nenápadné špionážní fotoaparáty mají nejspíš největší období slávy už za sebou, stále však nejsou dostupné vhodné optické materiály například pro oblast velmi krátkých vlnových délek a tak se dírka používá pro ultrafialové paprsky a v oblasti kosmického a gama záření.

Princip dírkové komory lze i obrátit a přes dírku promítnout obraz z negativu. Tím získáme dírkový zvětšovací přístroj, který může mít i více dírek a vytvářet zajímavé efekty. Opět, tohoto principu bylo použito při výrobě integrovaných obvodů, kdy obrazec byl promítnut na křemíkovou destičku přes síť dírek.

Praktická realizace

Vraťme se teď ale k jednoduché dírkové komoře. Máme chuť si to vyzkoušet a rádi bychom se dostali k výsledku ne příliš dlouhou cestou.

Potřebujeme tři hlavní součásti: citlivý materiál, světlotěsnou krabici odpovídajících rozměrů a dírku.

Citlivý materiál

Nejmenší nároky na zpracování klade fotografický papír. Je dostupný v různých formátech, je relativně levný, dá se s ním pracovat v příslušném ochranném osvětlení a vyvolání není tak náročné jako vyvolání filmu. Nevýhodou je menší citlivost a tudíž delší expoziční časy (20x-100x delší než u filmu ISO 100). Výsledný obraz je negativní a pokud chceme pozitiv, je třeba obraz kontaktně překopírovat. Usušený negativ položíme v ochranném osvětlení na čistý fotopapír emulzi na emulzi, zatížíme sklem a prosvítíme bílým světlem. Doba expozice závisí na tloušťce podložky papíru, intenzitě a vzdálenosti zdroje. Nutno vyzkoušet.

Karlův most v Praze kinofilm, dírka 0.25mm, ohnisko 60mm

S filmem je nutno pracovat v úplné tmě. Vzhledem k malému rozlišení a ostrosti obrazu z dírkové komory není příliš vhodný kinofilm, pokud ale máme vhodný přístroj, dobře se s ním pracuje a je levný. Lepší výsledky dává 6 cm svitkový film nebo plochý film. Ten je dostupný v různých rozměrech, cena je však zvláště u větších formátů vysoká. Výsledky bývají lepší než na fotopapíře, protože film má větší expoziční pružnost, zachytí větší rozsah světel a stínů. Polaroid dává okamžité výsledky a výsledný obraz je pozitivní. Pro polaroidové papíry se vyrábějí kazety pro deskové přístroje, tato varianta je však náročná finančně. Pro zaryté tradicionalisty je tu stále možnost připravovat si vlastní citlivé desky poléváním skla emulzí. Pokud máte problémy s chemikáliemi, Foma dodává hotovou emulzi v plechovce. Citlivost zhruba odpovídá fotografickému papíru.

Jakou krabici?

Náměstí v Telči svitkový film 6x9, dírka 0.25mm, ohnisko 20mm

Ponecháme stranou výstřelky typu zatemněných obýváků, proděravělých lednic a dodávkových aut a zkusíme něco najít něco, co bude rozměrově odpovídat zvolenému citlivému materiálu. Světlotěsnost je samozřejmým požadavkem. V Americe s oblibou používají krabice od ovesných vloček, ale postačí i silná krabice od bot nebo si můžete krabici dle své fantazie slepit z překližky, spájet z plechu, použít kulatou plechovku od bonbonů, od kávy. V dnešní, číslicovou technikou posedlé době, si můžou dírkovou komoru ze svého miláčka vytvořit vlastníci digitálních zrcadlovek. Potřebují na to navíc jen krytku těla a kousek alobalu.

I tímhle se dá fotografovat

Do středu krytky se vyvrtá větší díra, tak 5mm, ta se zalepí alobalem a do středu se jehlou udělá dírka malá. Ale je to tak trochu jako dát si na mercedesa kola od žebřiňáku, ne? Totéž se samozřejmě dá udělat i s filmovou zrcadlovkou a vlastníci velkoformátových přístrojů mají možnosti k experimentování ještě širší. Pokud upravíte nějaký existující fotoaparát, získáte navíc výhodu opakovaného použití, aniž byste po každém snímku museli spěchat do temné komory. Hloubka krabice opět může být poměrně libovolná a vzdálenost dírky v poměru k rozměru materiálu bude určovat, zda budeme mít dírkovou komoru kreslící jak je obvyklé pro základní objektivy fotoaparátů, širokoúhlou nebo "telekomoru".

Dírka

Dírka a závěrka jedno z mnoha řešení

Dírka je hlavní součástí dírkové komory, jejím hlavním optickým prvkem a na ní bude záviset i expoziční doba. To, jak vyrobíme dírku, poznamená výsledek našeho snažení. Velikost dírky ani tloušťka materiálu, do kterého ji vytvoříme, není v jistých mezích kritická, přesto však je třeba zvážit určité skutečnosti, pokud se chceme vyhnout nezdaru. Dírka by měla být vytvořena do co nejtenčího materiálu. Silný materiál výrazně omezuje úhel, který je komora schopna zachytit. Kromě toho může docházet k odrazům paprsků na stěnách otvoru. Velmi tenký materiál je podmínkou úspěchu u širokoúhlých komor.

Vliv tloušťky materiálu na úhel záběru

Jako materiál je doporučována tenká bronzová planžeta, běžně se používá alobal nebo plech z plechovek od nápojů, je možné dírku vytvořit přímo do stěny krabice. Já při svých pokusech dírky vrtám do cuprextitu (mědí plátovaný laminát pro plošné spoje), ze kterého provrtanou folii strhnu a vyleštím. Dírka by měla být pravidelná a mít pokud možno hladké okraje bez otřepů. Dírku je možné vytvořit mnoha způsoby. Na internetu naleznete nabídky dírek vypalovaných laserem, jeden postup mluví o použití gramofonové jehly jako důlčíku a následném opatrném odbrušování hrbolku z druhé strany brouskem, nejčastěji se ale používají jehly. Jehlou se za stálého tlaku otáčí až projde skrz, vzniklý otřep se odstraní velmi jemným brusným papírem a dírka se nakonec ještě jednou "zkalibruje" jehlou. Já dírky vrtám vrtáčkem 0,25mm, který se mi před mnoha lety podařilo získat.

Co ovlivňuje ostrost obrazu, ilustrace k volbě optimálního průměru dírky

Jak má být dírka velká? Velikost dírky ovlivní expoziční dobu a ostrost výsledného obrazu. Potože každý bod fotografovaného předmětu se zobrazí do plošky odpovídající velikosti dírky, bylo by výhodné mít dírku co nejmenší. Bohužel, jako vždy vstupují do hry i jiné faktory, v tomto případě ohyb paprsků, který se více uplatňuje u velmi malých otvorů než u těch větších. Od devatenáctého století vzniklo několik vzorců pro optimální průměr otvoru, jejich autoři brali v úvahu výsledky bádání pánů Huygense, Frauenhofera a Fresnela, avšak průměry vycházející pro danou ohniskovou (tedy ne ohniskovou, protože dírka žádné ohnisko nemá, spíše bych měl říkat obrazovou, ale abych podtrhl analogii s objektivy, zůstanu u vžitého označení) vzdálenost se podle použitého vzorce liší i o 100%. Obvykle se jako vodítko k určení optimální ohniskové vzdálenosti f pro daný poloměr dírky r uvádí vztah f=r²/l, kde l je vlnová délka světla (vše v metrech).

Měření průměru dírky filmovým scanerem a editačním programem :-)

Praktici občas určují optimální vzdálenost pro daný průměr experimentálně: dírku umístí před matnici a mění její vzdálenost, až je obraz nejvíce uspokojuje. Pro první pokusy však vyhoví dírka o průměru 0,2-1mm, podle ohniskové vzdálenosti. Nenechte se stresovat výsledky z různých programů pro výpočet optimálních velikostí dírek, které se na internetu vyskytují. Pokud dojdete v experimentování s dírkovou komorou tak daleko, že vám kvalita dosažená propíchnutým alobalem přestane stačit, budete mít tolik zkušeností, že sami najdete cestu dál.

Máme vyrobenou dírku, jak zjistíme v amatérských podmínkách její průměr? Můžeme ji vložit do zvětšováku, změřit promítnutý obraz a přepočítat skutečnou velikost podle nastaveného zvětšení, případně ji zvětšit či naskenovat společně s měřítkem. Také prý je možné dírku naskenovat se známým rozlišením a spočítat pixely.

Určení expozice

Varianty komor. U většiny se značně mění světelnost se vzdáleností od osy dírky, což vede k vinětaci obrazu

Dírková komora je hotová, koupili jsme si film a chceme vědět, jak dlouho je třeba exponovat.

Máme-li expozimetr nebo fotoaparát, který ukazuje naměřenou expozici, je to snadné. Světelnost dírkové komory získáme podělením ohniskové vzdálenosti průměrem dírky. Například pro dírku 0,25mm a ohniskovou vzdálenost 50mm tedy bude světelnost (clonové číslo) 200. Tuto hodnotu nejspíš na stupnici expozimetru nenajdete. Změříme tedy například pro daný materiál a pro clonu 11 a výsledek přepočítáme. Zmenšení průměru dírky na polovinu (dvojnásobné clonové číslo, čtvrtinová plocha otvoru) vyžaduje prodloužení času na čtyřnásobek: závislost času na cloně je kvadratická. Podělíme tedy clonové číslo naší komory clonou, pro kterou jsme měřili a podíl umocníme na druhou. Výsledkem vynásobíme naměřený čas. Je-li tedy naměřená expozice 11 a 1/125s, pro 200 to bude (200/11)²/125= 2.6s

Chyba reciprocity filmových materiálů (příklad)

Není-li k dispozici expozimetr nebo fotoaparát s měřením, je možné se řídit pravidlem, podle kterého za plného slunce v otevřené krajině exponujeme clonou 16 a časem číselně odpovídajícím citlivosti filmu (tzv. sunny 16 rule). V literatuře a na internetu je možné najít řadu tabulek, jak tuto hodnotu upravovat v závislosti na počasí, denní době a zastíněnosti fotografovaného objektu. U většiny dírkových komor navíc musíme brát v úvahu světelnost měnící se v závislosti na vzdálenosti od osy dírky, případně i změnu efektivní plochy dírky u krajů obrazu v důsledku tloušťky materiálu, do kterého je dírka vytvořena. Aby byl obraz prokreslen až do krajů, bude tedy třeba prodloužit výrazně expozici. Míra únosného přeexponování středu obrazu a podexponování krajů se bude lišit i podle materiálu a záměru fotografa a experimentování se proto nevyhneme ani při sebepřesnějším měření a výpočtech. Moderní negativní filmy jsou nám však příznivě nakloněny, dostaneme použitelné výsledky i při polovičním nebo dvojnásobném čase expozice než je optimální hodnota.

Při fotografování na film je třeba ještě změřenou dobu prodloužit kvůli tzv. chybě reciprocity. U dlouhých osvitových dob (nad 0,5 - 1s) zčernání materiálu nezávisí na době osvitu lineárně. Výrobce zpravidla publikuje potřebné údaje pro každý materiál.

Jaký výsledek můžeme očekávat?

Staroměstské náměstí v Praze svitkový film 6x9, dírka 0.25mm, ohnisko 20mm

Již jsem se zmínil o neostrosti, způsobené velikostí dírky a ohybem paprsků. Díky tomu nebude vysoká ani rozlišovací schopnost. Protože u klasické komory s rovným citlivým materiálem se od středu ke krajům zvětšuje vzdálenost dírky od materiálu, zmenšuje se i světelnost a obraz bude směrem ke krajům tmavnout. Se zvětšujícím se úhlem od osy se bude také zplošťovat průmět dírky do elipsy, případně se bude (vlivem tloušťky materiálu) zmenšovat jeho plocha, což ovlivní vzhled obrazu. První nedostatek můžeme odstranit tím, že se postaráme o pokud možno neměnnou vzdálenost materiálu od dírky, nejjednoduššeji tím, že film stočíme do válce.

Kromě vad má dírková komora i výhody, obtížně realizovatelné u fotoaparátů s optikou: je to především velká hloubka ostrosti a to, že zobrazení je rektilineární.

Ukázky

A teď několik praktických ukázek dírkových komor a snímků jimi pořízených:

Komora na kinofilm, ohnisková vzdálenost cca 50mm

Komora vznikla úpravou reprodukčního zařízení ke zvětšováku Opemus. Má štěrbinovou závěrku ovládanou drátěnou spouští a je možné do ní vkládat běžný kinofilm v kazetách.

Dírková komora	Rybník Velký Tisý	Karlův most, Praha
Staré Město, Praha	Autoportrét	Z Karlova mostu, Praha

Dírková komora s širokým úhlem záběru

Upravený vrak měchového přístroje dává možnost pořídit osm extremně širokoúhlých záběrů formátu 6x9cm na jeden svitkový film. Ohnisková vzdálenost je cca 20mm, průměr dírky 0.25mm

		Chrám Sv.Mikuláše, Malá Strana
Chrám Sv.Víta, Hradčany	Časový záznam posezení v restauraci

Panoramatická komora

Krabice na sušenky ve tvaru poloviny válce je ideálním polotovarem pro panoramatickou komoru na svitkový film. V tomto případě je úhel záběru omezen úhelníky, držícími film v rozvinuté poloze

Panorama Malé Strany

Komora z krabičky od bonbonů

má opět široký úhel záběru, obraz je však poněkud nepřirozený: v krajích je ohnisková vzdálenost výrazně menší než uprostřed. Film byl umístěn po obvodě krabičky a osvětlen jednou dírkou.

Stejná krabička, jiné umístění filmu. Film byl stočen do válce, umístěn soustředně do středu krabičky a osvětlen čtyřmi dírkami. Může tedy zachytit celých 360 stupňů, jednotlivé části však na sebe nenavazují

Experimenty

Náš redaktor Tomáš Cihelka (Tobík) pořídil dírkovou komorou unikátní snímek průčelí chrámu sv. Víta. I ve velmi omezeném prostoru se mu podařilo zachytit chrám od paty až po špičky věží, aniž by docházelo ke sbíhání svislých linií. Použil k tomu stejné techniky jako u velkoformátových přístrojů, tedy výškového posunutí dírky při zachování rovnoběžnosti rovin citlivého materiálu a průčelí budovy.

Sada pro pokusy

Pro reprodukční zařízení jsem si zhotovil sadu výměnného příslušenství, umožňujícího docílit zajímavých efektů. Kromě držáků dírek (ohnisková vzdálenost cca 15 a 50mm) obsahuje destičky s jednou či několika dírkami, nasazovací držák štěrbiny a destičky se štěrbinami. Několik dírek promítne obraz několikrát a pokud se jejich průměry liší, budou výsledné obrazy i různě jasné. Dvě za sebou umístěné na sebe kolmé štěrbiny vytvářejí deformovaný obraz: měřítka zobrazení ve svislém a vodorovném směru budou různá. Na předložené ukázce byla svislá štěrbina blíže k filmu a obraz je proto ve vodorovném směru "širokoúhlejší" než ve svislém

Výměnné destičky s dírkami a štěrbinami	Čtyři dírky	Zkřížené štěrbiny

Kam pro další informace ?

• článek Jona Grepstada - povinná četba pro všechny zájemce o dírkovou komoru
• stránky Nicka Dvoraceka, obsahují mimo jiné faksimile historických pramenů
• Matt Young: Teorie, odvození rozlišovací schopnosti dírkové komory
• článek J. L. Heilbrona The Sun in the Church, ve kterém mimo jiné naleznete informace o využití kostelů jako dírkových komor pro astronomická pozorování
• ukázky fotografií, návody na stavbu, určení expozice
• světový den dírkové fotografie
• stránky Davida Balihara věnované dírkové fotografii
• zde najdete mé pokusy s dírkovými komorami