Infrarot - Dr. Christian Pinter - Fototipps

Je weiter man ins IR vordringt, desto ruhiger scheint allerdings die Erdatmosphäre zu werden. Die Turbulenzen nehmen ab, das Seeing gerät besser. Es liegt daher nahe, diesen exotischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums in astrofotografische Überlegungen mit einzubeziehen.

Der Luftturbulenzen machen sich außerdem in einem schmalen Spektralbereich weniger bemerkbar als in einem breiten. Der siliziumbasierte Kamerasensor funktioniert grob bis 1.100 nm. Setzt man einen sehr spät (z.B. bei 850 nm) öffnenden IR-Pass-Filter davor, ergibt sich bereits ein recht eingeschränkter Bereich.

Ein IR-Schmalbandfilter ließe noch viel weniger Spektrum übrig. Mir ist hier allerdings nur der Methanbandfilter (880 - 900 nm) bekannt: Ich stelle ihn weiter unten vor.

Der englische Hofastronom William Herschel wiederholte im Jahr 1800 einen Versuch Isaac Newtons. Er ließ Sonnenlicht durch einen Spalt ins Zimmer fallen und zerlegte es mit einem Glasprisma in ein Regenbogenband.

Anders als Newton wollte Herschel jedoch die Temperaturen der einzelnen Lichtfarben mit Quecksilberthermometern messen. Vielleicht lenke ihn ein Überraschungsgast ab. Als er zu seiner Versuchsanordnung zurück kehrte, hatte sich die Sonne weiter bewegt.

Sichtbares Rot reicht im Spektrum etwa von 600 bis 700 nm. Längere Wellen werden als Infrarot bezeichnet. Das ans Rot anschließende Licht heißt nahes Infrarot (NIR). Es reicht bis etwa 1400 nm, wobei die Definitionen am unteren und oberen Ende variieren.

Die Sensoren von CMOS-Kameras kommen in der Regel bis etwa 1.000 oder 1.100 nm. Soweit reicht z.B. die Darstellung der Sensitivität bei Zwo Asi Cams seitens des Herstellers. Der nutzbare IR-Abschnitt ist somit somit grob 350 nm breit.

Betrachtet man Pflanzen durch einen Rotfilter, fällt dieser Effekt weg - Blätter muten dann besonders dunkel an. Anders im Infraroten: Da steigt die Reflexion plötzlich steil an. So sprunghaft, dass man von der roten Kante im Spektrum spricht.

Deren exakte Lage hängt von der Chlorophyllkonzentration ab. Generell findet der Übergang zwischen Absorption zu Reflexion im Bereich zwischen 690 bis 730 nm statt.

Deshalb erscheinen uns Blätter im nahen IR unvertraut hell. Aus weiter Ferne betrachtet, würde sich unsere Erde anhand dieser roten Kante übrigens als von Pflanzen bewohnter Planet verraten.

Sterne folgen dem Prinzip des Schwarzen Strahlers, wie es 1862 Gustav Robert Kirchhoff (Artikel) in Heidelberg formuliert hatte.

Denkt man sich deren Atmosphären weg, senden sie Strahlung aller Wellenlängen aus, entsprechend ihrer Oberflächentemperatur.

Verdoppelt man die Temperatur, halbiert sich die Frequenz, bei der sie die größte Strahlungsleistung abgeben.

Körper mit Temperaturen zwischen 1.800 und 3.600° C senden das Maximum ihrer Strahlung im nahen Infrarot aus.

Foto: Kirchhoff-Büste von Bernhard Römer (Abguss)

Dazu gehören die Oberflächen roter Riesensterne (wie Aldebaran oder Mira) und roter Zwerge (wie Proxima Centauri); ebenso die Leuchtfäden traditioneller Glühlampen.

Wie gesagt, es geht dabei ums Strahlungsmaximum. Im sichtbaren Licht wird ebenfalls Strahlung ausgesandt, sonst könnten wir solche Objekte ja gar nicht sehen.

Geschwächt wird die NIR-Strahlung von der Erdatmosphäre. Hier tritt vor allem der Wasserdampf in Erscheinung, gefolgt von Kohlendioxid und molekularem Sauerstoff. Diese atmosphärischen Absorptionen sind mit ein Grund, warum man professionelle Teleskope, die im IR arbeiten, an möglichst hohen Plätzen errichtet.

Anders IR-empfindliche Kameras: Sie registrieren das Aufleuchten der LED sehr wohl, weil in ihnen kein IR-blockierender Filter steckt. Mit großer Wahrscheinlichkeit "sieht" die Cam in Ihrem Smartphone die LED der Fernsteuerung. Mit noch größerer Wahrscheinlichkeit gelingt dies Ihrer DSLR nicht.

Die Antwort lautet: Keine. Infrarot ist nicht einfach ein besonders dunkles Rot, sondern für uns unsichtbar. Das Attribut "Farbe" gibt es somit nicht.

Nun sind die Elemente der Bayer-Matrix sowie die Pixel des Sensors selbst für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich sensitiv. Es kann also durchaus sein, das ein Bild im IR bläulich, rötlich, rosarot oder purpurn anmutet. Weil sich das spektrale Verhalten von Pixeln und Bayer-Matrix über den IR-Bereich hinweg ändert, produzieren unterschiedliche IR-Pass-Filter auch etwas unterschiedliche Farben.

Bei meiner Asi 678MC führt im IR zunächst also noch das rote Licht Regie. Dann wird blaues ebenso hell abgebildet - was den violetten Farbton auf den Fotos erklärt.

Astronomische Cams sind oft auch im IR empfindlich. DSLRs sind es im Originalzustand nicht. Es gibt aber Anbieter, die digitale Spiegelreflexkameras von sämtlichen eingebauten Filtern befreien, auch vom fix eingebauten UVIR-Sperrfilter: In diesem Fall spricht man von einer Vollspektrummodifizierung (nicht zu verwechseln mit einer bloßen Astromodifizierung).

Kameras, die im visuellen und IR-Spektralbereich empfindlich sind, arbeiten wahlweise:

• im visuellen und infraroten Bereich gleichzeitig (nur mit Spiegelteleskopen sinnvoll)
  
• nur im visuellen Bereich (IR-Sperrfilter nötig)
  
• nur in einem wählbaren IR-Bereich (IR-Pass-Filter nötig)
  
• nur in einem schmalen visuellen Bereich (Schmalbandfilter plus IR-Sperrfilter nötig)
  
• nur in einem schmalen IR-Bereich (IR-Schmalbandfilter nötig, z.B. fürs Methanband)

Im folgenden stelle ich solche Filter vor.

Auf den ersten Blick scheint es unsinnig, auf einer Seite über Fotografie im IR ausgerechnet einen Filter vorzustellen, der IR aussperrt. Dennoch ist es nötig.

Viele CMOS-Planetenkameras sind sowohl im sichtbaren Licht als auch im Infraroten empfindlich. Will man nur in sichtbaren Bereich fotografieren, muss man das IR also blockieren - ansonsten wird der Sensor mit IR geflutet. Das geht mit UVIR-Sperrfiltern.

Manchmal will man mit Schmalbandfiltern oder wenigstens mit Farbgläsern im blauen, grünen oder roten Bereich des sichtbaren Spektrums fotografieren. Schauen die Aufnahmen trotz solcher Filter alle ähnlich aus, liegt das am IR-Leck. Die meisten Filter lassen nämlich auch infrarotes Licht durch. Sperrt man mit diesen Filtern viel sichtbares Licht aus, wird das IR sogar dominant.

Machen wir einen simplen Test mit einer TV-Fernsteuerung, einer IR-empfindlichen Cam und verschiedenen Filtern zwischen Sender und Empfänger!

Von 19 Filtern, die sich bei mir seit 1984 angesammelt haben, sind 18 auch im IR durchlässig. 16 davon sehr deutlich: Die Cam registriert trotz des Filters die IR-LED der Fernsteuerung.

Daher muss beim Einsatz solcher Filter vor IR-sensitiven Cams zusätzlich auch ein UVIR-Sperrfilter eingesetzt werden. Übrigens schlossen selbst meine beiden UVIR-Sperrfilter das IR nicht restlos aus.

Die einfache Linse bildet nur das Licht einer Wellenlänge (salopp: Farbe) scharf ab. Das Licht der anderen Wellenlängen bildet eine unfokussierte Wolke drum herum.

Ein zweilinsiges (achromatisches) Objektiv schafft den Trick mit zwei Wellenlängen, ein dreilinsiges (apochromatisches) Objektiv mit drei. Hier werden also Bilder in zwei bzw. drei Wellenlängen wirklich scharf abgebildet. Die Wellenlängen dazwischen aber nicht.

Die Glassorten zusammengesetzter Objektive werden anhand ihres Brechungsindex' so ausgewählt, dass wir visuell einen möglichst reinen Farbeindruck erhalten. Das unsichtbare Infrarot wird dabei nicht berücksichtigt. Deshalb würde selbst der Apochromat einen infraroten Saum ums scharf anmutende Objekt hinterlassen.

Mit Newton-Spiegelteleskopen hat man dieses Problem nicht, weil das Licht dort kein Glas durcheilen muss. Bei Schmidt-Cassegrain-Teleskopen passiert es nur eine sehr dünne Korrektor-Glasplatte: Der Farbfehler bleibt minimal. Ähnlich ist das theoretisch bei Maksutov-Teleskopen mit ihrer schmalen frontalen Meniskuslinse.

Sobald man also mit einem Linsenteleskop (Refraktor), einem Mak mit Linsenergänzung oder auch nur mit einer Barlowlinse im Strahlengang arbeitet, kommt man um den UVIR-Sperrfilter kaum herum. Man montiert diesen direkt vor dem IR-empfindlichen Kamerasensor.

Warnung: Die im folgenden diskutierten Filter eignen sich definitiv nicht als Sonnenfilter, selbst wenn sie vermeintlich dunkel anmuten. Bei der Sonnenbeobachtung muss ein fachgerechter Sonnenschutzfilter vor dem Objektiv (also zwischen Sonne und Teleskop) fixiert werden. Anderenfalls droht beim Blick ins Okular sofortige Erblindung. Teile im Inneren des Teleskop bzw. der Kamerasensor würden ohne diesen fachgerechten Schutz außerdem in der Gluthölle schmelzen. Ich verwende die Folie AstroSolar von Baader als Sonnenschutzfilter vor dem Objektiv.

Es gibt Filter, die das sichtbare Licht praktisch oder wirklich komplett blockieren und nur das Infrarote zum Sensor vorlassen. Sie besitzen meist eine steile Kante zum Roten hin und unterscheiden sich unter anderem in der Wellenlänge dieser Kante.

Sie wird in Nanometer (nm) ausgedrückt und steckt, etwas vereinfacht gesagt, meist im Filternamen. Ich habe drei solcher IR-Pass-Filter im Einsatz:

Je höher die Wellenlänge ist, desto später öffnet sich der Filter fürs IR: Der Baader IR ab 685 nm, der Zwo Asi IR ab 850 nm. Damit sinkt aber auch die Menge an Photonen, die zum Sensor vordringt. Außerdem fällt das Fokussieren zunehmend schwerer.

Im Fall der Venus hielten Amateure u.a. eine schmale, aber lange Unterbrechung der allgegenwärtigen Wolkenschicht im IR fest: Die 2016 entdeckte Venus’ Cloud Discontinuity erstreckt sich grob von Nord nach Süd und schneidet dabei den Venus-Äquator. Zur Fotografie dieser Struktur werden NIR-Filter eingesetzt, die einen Lichtbereich von 685 bis 1050 nm durchlassen - und Teleskope um 14 Zoll Öffnung.

Fotografisch haben einige versierte Amateure im NIR sogar dunkle Flecke - kühlere Berge - auf der Nachtseite der Venusoberfläche festgehalten. Im IR tun sich nämlich Fenster auf, die Blicke durch den undurchdringlichen Wolkenschleier erlauben! Der Durchlass soll bei 1.000 nm liegen bzw. beginnen. Da machen wohl erst Teleskope ab 20 cm Öffnung Sinn.

Die Belichtungszeiten betragen jeweils viele Sekunden. Damit der Himmel nicht vom IR-Licht der Sonne aufgehellt wird, sollte diese außerdem mindestens 5 Grad unterm Horizont weilen. Mir selbst ist es bislang nicht gelungen, die Cloud Discontinuity oder gar Berge auf der Venus festzuhalten. Die Überstrahlung durch den beleuchteten Teil des Planeten ist wohl mit ein Grund.

Für Amateurastronomen interessant ist vor allem der im IR arbeitende Methanbandfilter, auch CH4-Filter genannt. Er lässt nur infrarotes Licht zwischen 880 und 900 nm durch. Alles andere sperrt er aus. Derartige Filter werden u.a. von Baader und Zwo Asi angeboten.

Eigentlich mutet der obige Durchlassbereich paradox an - denn gerade in diesem schmalen Bereich reflektieren die Gasplaneten am wenigsten Licht.

In ihren Atmosphären kommt es nämlich zu sehr starken Methanabsorptionen. Jupiter und Saturn dunkeln damit großteils stark ein und schauen höchst ungewöhnlich aus.

Die Randzonen, wo wir tangential auf Jupiter blicken, muten jetzt noch dunkler an.
Heller erscheinen hingegen sehr hohe Atmosphäreschichten, die über den methanhaltigen Schichten schweben. Dazu zählt Dunst über den Polen (auf der folgenden Aufnahme über dem Südpol). Auch der Große Rote Fleck trttt klar hervor.

All das schenkt dem Jupiter eine neue Figur: Er ist jetzt nicht mehr abgeplattet und bauchig, sondern mehr hoch als breit.

Monde stechen bei Verwendung eines solchen Filters relativ zu den Planetenkugeln hervor. Die Ausnahme ist wohl der Titan, in dessen Atmosphäre selbst ja auch Methan steckt. Die Eisteilchen des Saturnrings werden ebenfalls hell anmuten.

Wer Monde vor dem Jupiter fotografieren will, wird mit diesem Filter vielleicht Freude haben. Bei Saturn überstrahlt der Ring allerdings weiterhin die ihm besonders nahestehenden Monde. Schafft es ein Amateur, mit dem Methanfilter den Vorübergang eines Saturnmonds vor dem Planeten zu filmen?

Theoretisch dürfte man den Schmalbandfilter getrost mit Linsenteleskopen verwenden. Er lässt ja bloß das Licht einer einzigen Wellenlänge passieren. Allerdings dringt unterm Strich nur wenig Strahlung zum Sensor vor. Man muss also das Gain und die Belichtungszeit stark erhöhen. Die Bildrate pro Sekunde (fps) sinkt entsprechend.

Auch der Mars lässt sich mit dem CH4-Filter ins Visier nehmen. Das Seeing sollte dabei besser werden. Doch geringere Auflösung, längere Belichtungszeit und höheres Gain konterkarrieren diesen Vorteil.

Mars am 4.4.2025: Links ohne Filter (visuell plus IR), rechts mit Methanbandfilter. Unten vergrößert

Beim folgenden Mondfoto diente das CH4-Filter zur Bildstabilisierung. Anders als beim rasch rotierenden Jupiter kann man sich hier Zeit beim Belichten lassen.

Methan gibt es übrigens auch in der irdischen Atmosphäre. Zwei Drittel der Methanmoleküle gehen schon auf menschliche Aktivitäten zurück. Methan ist ein überaus starkes Treibhausgas, um vieles mehr als CO2. Im Schnitzelland Österreich stammt es primär aus der industriellen Rinderhaltung. Daran wird sich hierzulande auch nichts mehr ändern. Der ÖVP-Bauernbund mischt seit 1987 de facto immerwährend in der Bundesregierung mit.