自分だけのピンホールビデオカメラを作ろう！

スクリーンに画像を投影する最も簡単な方法は、ピンホールを使うことです。ピンホールって一体何？ピンで開けるほど小さな穴のこと。ほら、科学ってそんなに難しいものじゃないでしょ？

何百年もの間、人々はこの仕組みを使って画像ビューアを作ってきました。元々は「暗い部屋」を意味するカメラ・オブスキュラとして知られていました。そのアイデアは、外に向かって小さな穴が開いているだけの暗い部屋に何人かの人々を入れるというものでした。魔法のようですが、その穴からの光が部屋の壁に外の世界の画像を映し出すのです。

もちろん、後で暗室に入りたくない場合は、人物を化学フィルムに置き換えれば、ピンホールカメラの完成です。今日はさらに一歩進んで、ピンホールビデオカメラを作ってみましょう。あなたにもできますよ！この記事の最後に、家にある基本的な材料を使って作る方法を説明した動画を用意しました。

しかし、まずは、これはどのように機能するのでしょうか？まずは簡単な実験から始めましょう。

点光源の場合

実際、最も単純なケースに戻りましょう。ピンホールのある障壁の前に点光源があったらどうなるでしょうか。下の図をご覧ください。

ほとんどの光線は様々な方向に発散しますが、その詳細については別のブログ記事で詳しく説明します。一部の光線は障壁に当たって反射したり吸収されたりしますが、わずかな光線はちょうど良い角度で穴を通り抜け、スクリーンに到達します。これらの光線はスクリーンで反射し、明るい点のように見えます。

では、もう少しレベルを上げてみましょう。もしライトが2つあったらどうなるでしょうか？オレンジ色のライトを緑色のライトの上に、約15cm離して置いたとします。画面には何が表示されるでしょうか？設定はそれほど難しくありません。鉛筆の先に2つのLEDをテープで貼り、ボタン電池を使って点灯させます。

これで、穴にかざして、後ろのスクリーンに何が表示されるか確認できます。

正直言って、この写真がこんなにうまく撮れたことに驚きました。iPhoneカメラの低照度性能は素晴らしいと思います。でも、画面上で緑色の点がオレンジ色の点の上に出ているのはなぜでしょうか？簡単な光線図で簡単に確認できます。

上のオレンジ色のライトは穴を一方通行でしか通れないので、その位置は下になるしかありません。緑のライトも同様です。これで大丈夫ですか？

では、こんなのはどうでしょう。最初の穴の隣に、もっと大きな穴が2つ並んでいたらどうでしょう。オレンジと緑のライトが画面に映し出されると、どんな模様が見えるでしょうか？ さあ、答えをどこかに描いてください。待っています。さて、セットアップの写真はこちらです。

段ボールにアルミホイルを貼り付けて使いました。アルミホイルは穴を開けやすく、穴の縁もきれいなので便利です。それでは、実際に見てみましょう。画面に映ったのがこちらです。

ああ、でも大きな点は右側にあるし、大きな穴も右側にある。なぜ色のように反転していないんだろう？次の図を見ればわかるはずだ。上から見た図で、緑色の光とスクリーン上の緑色の点だけが見える。

驚いたことに、光線を描いたのではなく、光錐をいくつか描きました。穴は無限に小さいわけではないので、通過できる光線はたくさんあり、光錐はこれらすべての光線を表しています。

では、もう一つ。穴が3つある場合はどうでしょうか？これについては説明しませんが、図を描いていただければわかると思います。

ピンホールカメラの仕組み

ピンホールカメラと一体何の関係があるのでしょうか？2つのLEDの代わりに、明るい日光の下に立っている人を想像してみてください。光はその人に当たり、様々な方向に反射します。しかし、その一部は穴を通り抜けます。頭からの光も穴を通り抜け、スクリーンの下部に点を作ります。足からの光も上部に点を作ります。体の残りの部分も同様です。これら全てを合わせると、人物の上下逆さまの像が出来上がります。

確かに、画像は非常に暗いです。もしデバイスに他の光が漏れていたら、画像を見ることすらできないでしょう。なぜこんなに暗いのでしょうか？それは、穴がとても小さいからです。人物から発せられる光のうち、ほんのわずかな光しか画面に届きません。

もっと大きな穴を使えばいいんじゃないでしょうか？確かにそうですが、画像はぼやけてしまいます。その理由を理解するには、LEDが2つの穴から光を放っている図をもう一度見てください。大きな穴の方が大きな点を作り出しているのです。もし100個の色付きLEDでできた人間（奇妙でクールですね）が1つの大きな穴を通り抜けたら、スクリーンには100個の大きな点が重なり合うでしょう。小さなピンホールが小さな点を投影することで、より高解像度の画像が得られます。

さて、質問です。現代のカメラのピンホールとレンズの違いは何でしょうか？レンズや鏡がどのようにしてフィルムやセンサーに記録できる「実像」を作り出すのかを知りたい方は、こちらの以前の投稿をご覧ください。基本的に、レンズは光源からの光を曲げて特定の一点に集光させ、その一点にコヒーレントな像を描きます。

レンズで形成される像には、2つの大きな違いがあります。まず、穴（または絞り）はピンホールよりもはるかに大きくできます。つまり、好きなだけ大きくしたり小さくしたりできるのです。レンズのサイズが大きいということは、より多くの光を集め、より明るい像を形成できるということです。暗い部屋でなくても、その像を見ることができます。

第二に、レンズは特定の場所にのみ像を結びます。像の位置は、レンズの特性（焦点距離）と物体からレンズまでの距離によって決まります。つまり、何かを見るためには、スクリーンが像の位置にある必要があります。ピンホールレンズの場合、スクリーンはどこにでも設置できます。スクリーンを穴から遠ざけると、像は大きくなり（そして暗くなります）、ピンホールレンズの焦点が合う位置からずれるほど、像は大きくなります。

自然なピンホール効果と、遠く離れたスクリーンを使って大きな像を作った素晴らしい例です。ぜひご覧ください。

これらの三日月形の光は、2017年の日食の際に太陽が月によってほぼ隠されていた瞬間に、ピンホールで投影された太陽の像です。頭上の木の葉の小さな隙間が、この三日月形の光を作り出しています。地球から見ると太陽は0.5度ほどの角度で非常に小さく見えますが（注意：太陽を直視してはいけませんよ、バカ者め）、ピンホールから地面までの距離が遠いため、像はかなり大きく見えます。実にクールです。

ハイテクピンホールカメラを自分で作ろう

ピンホールカメラは自分で作れます。簡単です。小さな穴の開いた箱を用意し、箱の内壁に像を投影します。そして、中を覗いて像を見ることができるように、覗き穴のようなものをあけます。覗き穴の開け方には注意が必要です。余分な光が入ってしまうと、ピンホールの像がぼやけてしまいます。

でも待ってください！もっといい方法があります。2つ目の穴を開ける代わりに、携帯電話を箱の中に入れ、画面に向けるだけでいいのです。静止画だけで満足する必要はないでしょう？この仕組みを使えば、ピンホールビデオカメラも作れます。撮影した映像はこんな感じです。私が（逆さまに）手を振っているのが分かります。

いや、画質は良くないですね。それに、箱に入れずにスマホで動画を撮ればよかったのに、と自覚しています。でも、それじゃ面白くないですよね？ 正直に言うと、これは家にいる間にぴったりのプロジェクトです。この動画では、自分で作る方法を紹介します。たった5分ほどで作れます。さらに、おまけに私の裏庭をピンホールで巡るツアーも付いています。

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