Infrarot-Fotografie
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Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist nur
ein winzig kleiner Ausschnitt des Spektrums der elektromagnetischen
Strahlung. Der Infrarotbereich schließt sich im Bereich mit
größeren Wellenlängen als das sichtbare Licht an,
die Strahlung mit kürzerer Wellenlänge wird als Ultraviolett
bezeichnet. Obwohl sich der Infrarotbereich bis zu Wellenlängen
von 100 Mikrometern (100 000 Nanometer) reicht wird für fotografische
Techniken nur die Strahlung bis etwa einem Mikrometer Wellenlänge
verwendet. Der spektrale Empfindlichkeitsbereich der üblichen
panchromatischen Filme der analogen Fotografie reicht bis etwa 650
Nanometer im roten Bereich, orthochromatische Filme nur bis 600 Nanometer.
Um in den infraroten Spektralbereich vorzustoßen der ab 700
Nanometer beginnt sind speziell sensibilisierte Filme erforderlich.
Die Basis der meisten Filme bildet die lichtempfindliche Verbindung
Silberbromid oder Silberchlorid. Diese Silberverbindung wird durch
einfallendes Licht gespalten und die dabei entstehenden Silberkeime
bilden die Grundlage für die, bei der späteren Entwicklung
entstehenden Schwärzung. |
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Reines Silberbromid
ist in den Fotopapieren enthalten, dessen spektrale Empfindlichkeit
nur bis 500 Nanometer geht. Um eine Empfindlichkeit bei anderen Farben
zu erhalten müssen die Materialen sensibilisiert werden. Das
geschieht durch angelagerte Farbstoffe. Diese Farbstoffe sind in der
Lage die Energie von gelbem oder rotem Licht einzufangen und auf das
Silberbromid zu übertragen. Durch diesen Übertragungsprozess
wird damit Silberbromid auch auf Licht längerer Wellenlängen
empfindlich. Bestimmte organische Farbstoffe erlauben die Empfindlichkeit
der Schichten bis in den Infrarotbereich zu erweitern. Allerdings
sind infrarotempfindliche Filme anspruchsvoll in der Lagerung und
müssen kühl gelagert werden. Werden die unbelichteten Filme
einer höheren Temperatur ausgesetzt neigen sie zu Schleierbildung. |
Für den Kodak Infrared Aerographic Film 2424
wird zum Beispiel eine Lagertemperatur von weniger als 13° C verlangt.
Da die Filme vor Gebrauch aufgewärmt werden müssen um Kondenswasserbildung
zu vermeiden ist der Gebrauch ziemlich umständlich. |
Doch nun
zu der heutigen Situation. Alle üblichen Digitalkameras,
sei es Spiegelreflex-, Kompakt- oder Webkameras verwenden Bildsensoren
auf Siliziumbasis und deren spektrale Empfindlichkeit entspricht
weitgehend den physikalischen Eigenschaften dieses Halbleiters.
So zeigt der Blick auf die Empfindlichkeitskurve eines fotoelektrischen
Bauteils, wie einer Fotodiode auch die Empfindlichkeitskurve
einer Kamera. Die Kurve der Fotodiode BPW 34 zeigt eine Empfindlichkeit
bis über 1000 Nanometer, weit mehr als übliche Infrarotfilme
sodass Infrarotaufnahmen mit einer Digitalkamera kein Problem
sein sollten. Man sieht dass der Bereich der maximalen Empfindlichkeit
schon im Infraroten bei 900 Nanometern liegt. Für die Fotografie
im üblichen sichtbaren Bereich ist diese Empfindlichkeitsverteilung
aber wenig geeignet. Deshalb verwenden viele Kamerahersteller
ein Sperrfilter, das vor den Sensorchip gesetzt, dessen Infrarotempfindlichkeit
unterdrückt. |
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So verhindert man auch Unschärfen die durch
die unterschiedlichen Brennweiten der Objektive für unterschiedliche
Wellenlängen entstehen. Die Brennweite der meisten Objektive
ist für infrarote Strahlen deutlich länger als für
sichtbare. Eine Ausnahme bilden Spiegelobjektive die keine Linsen
enthalten. |
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Am Besten ist es die Kamera erst mal auf die IR-Empfindlichkeit
zu testen. Dazu eigenen sich IR-Leuchtdioden. Diese Dioden sind in
den meisten IR-Fernbedienungen eingebaut, fast alle IR-LEDs strahlen
bei 880nm oder 950 nm. Da man nicht weiß welche Diode sich in
der Fernbedienung befindet ist es besser sich eine entsprechende Diode
zu kaufen.Mit den Dioden wurden 4 Kameras getestet, drei SRL-Kameras
und eine USB-Kamera. |
USB-Kamera |
Nikon D70 5s |
Fuji S1pro 5s |
Nikon D80 30s |
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Wie zu erwarten hat die USB-Kamera ohne Filter die höchste
IR-Empfindlichkeit.Das IR-Filter der D80 ist offenbar sehr wirksam,
sie zeigt die niedrigste Empfindlichkeit. Die D70 hat eine ausreichende
Empfindlichkeit, die Fuji liegt etwa dazwischen. Angesichts der Messungen
ist es fraglich ob sich das Risiko lohnt den IR-Filter der D70 zu
entfernen, IR-Bilder, zumindest mit Stativ und langer Belichtungszeit
kann man auch im Originalzustand machen. |
Weitere Aussagen über den Bildaufnehmer der
Kamera und seine Filter erhält man durch die Fotografie
eines Spektrums. Das Spektrum wird am einfachsten mit einem
Diaprojektor und einem Prisma erzeugt. Aus schwarzem Karton
und einem Diarahmen wird ein Spalt gebastelt, die Breite des
Spaltes sollte etwa 0,5 Millimeter betragen. Das Bild des Spaltes
wird auf einen weißen Papierschirm projektiert. Wird nun
direkt vor dem Objektiv des Projektors ein Prisma eingefügt
entsteht auf dem Papierschirm das Spektrum das fotografiert
werden kann. |
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Das Bild des Spektrums
kann in die drei Kanäle, rot, grün und blau getrennt
werden. Ein Linienprofil der drei Bilder ergibt dann die spektrale
Empfindlichkeit der einzelnen Pixel. Höheren Ansprüchen
genügt dieses Verfahren aber nicht da das Spektrum eines
Prismas sehr nichtlinear ist, gedehnt im blauen und violetten
und gestaucht im roten Bereich. Zudem ist die Lichtleistung
der Lampe im Diaprojektor nicht über den Spektralbereich
konstant sondern entspricht im Wesentlichen einem Planckschen
Strahler, hat somit im Roten eine größere Intensität
als im Blauen. Immerhin gestattet die Spektralaufnahme eine
orientierende Übersicht. Man sieht auch dass es prinzipiell
nicht möglich ist die Spektralfarbe Violett korrekt wiederzugeben.
Für einen violetten Eindruck müssten rote und blaue
Pixel angesprochen werden, anhand der Empfindlichkeitsverteilung
ist das aber nicht möglich. Das eigentlich violette Ende
des Spektrums kann nur mehr oder weniger helles Blau wiedergeben
werden. Ebenso unmöglich ist die korrekte Wiedergabe der
Farbe schmalbandiger Lichtquellen wie Spektrallinien oder Laser. |
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Für die Aufnahmen
im Infrarotbereich werden die Kameras mit einem Infrarotfilter
bestückt um die sichtbare Strahlung zu schwächen.
Gut geeignet ist der Filter RG 850. Dieses Filter ist
ein Kantenfilter das unterhalb einer gewissen Wellenlänge
einen starken Abfall der Transmission zeigt sodass mit
Sicherheit nur die infraroten Strahlen das Bild erzeugen.
Das infrarote Bild des Spektrums hat einen bläulichen
Farbstich. Trennt man das Bild in die drei Aufnahmekanäle
Rot, Grün und Blau sieht man dass die Pixelfarbfilter
für Rot und Grün etwa die gleiche Infrarotdurchlässigkeit
aufweisen. Die blauen Pixel haben eine etwas höhere
Empfindlichkeit für die infrarote Strahlung, daher
die bläuliche Tönung des Bildes. |
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Der Wood-Effekt:
Der Wood-Effekt beruht auf die starke Reemission des infraroten
Lichtes durch das Blattgrün, Chlorophyl, lebender Pflanzen. Dadurch
erscheinen Blätter auf Infrarotaufnahmen sehr hell. |
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Vergleicht man die beiden
Bilder sieht man neben dem Wood-Effekt auch das der Himmel im
IR-Bild dunkel wiedergegeben wird. Da die Streustrahlung des
blauen Himmels sehr wenig Infrarot enthält wirkt der Himmel
sehr dunkel. In der bildmäßigen Fotografie kann dies
zur einer Gestaltung einer Nachtstimmung verwendet werden. Obwohl
bei Tag aufgenommen wirkt das Bild wie eine Nachtaufnahme. Der
geringe Anteil an infrarotem Licht im Himmelsblau hat seinen
Grund in der Rayleigh-Streuung des Lichtes an den Luftmolekülen.
Da die Rayleigh-Streuung mit der vierten Potenz der Frequenz
des beteiligten Lichtes zunimmt wird infrarotes Licht mit seiner
niedrigen Frequenz weniger gestreut als gelbes, grünes
oder blaues. Daraus folgt das Infrarot feinen Nebel oder Dunst
besser durchdringt als sichtbares Licht und deshalb bei Fernaufnahmen
im Dunst klarere Bilder liefert. Allerdings ist der Effekt nicht
allzu groß, durch dichten Nebel dringt auch kein infraroter
Strahl.
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Auf den Wood-Effekt beruht eine militärische Anwendung der
IR-Fotografie. So wird es einfach zwischen echtem Bewuchs und grünen
Tarnnetzen zu unterscheiden. Die folgenden Bilder von einer Schlange
zeigen der Unterschied.
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Während die Schlange im sichtbaren Bild sich gut
getarnt im grünen Gras versteckt, ist sie auf dem IR-Bild gut
zu sehen. Zwar handelt es sich hier um eine Gummischlange, aber auch
eine echte Schlange hat kein Chlorophyll in ihrer Haut und wäre
ebenfalls gut zu erkennen.Für das Bild wurden zwei Aufnahmen
gemacht, eine mit und eine ohne Infrarotfilter. Dann wurde der rote
Kanal im sichtbaren Bild durch den blauen Kanal des infraroten Bildes
ersetzt. Auf eine ähnliche Weise arbeitet auch der Infrarot Falschfarbenfilm
von Kodak. |
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Die Infrarottechnik
eignet sich in manchen Fällen auch zur Sichtbarmachung
unleserlicher Schriften, wie das Beispiel einer Briefmarke zeigt.
Durch die dunkle Druckfarbe des Bildes ist der schwarze Poststempel
im sichtbaren Licht fast nicht zu erkennen. Da aber die Druckfarbe
im Gegensatz zur Stempelfarbe infrarotes Licht gut reflektiert
wird bei dieser Beleuchtung der Stempel gut lesbar. Diese Technik
wird in der Kriminaltechnik und bei der Prüfung von Dokumenten
verwendet. Auch die Fälschung von Unterschriften kann aufgedeckt
werden wenn Farben unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet
wurden. |
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Thermografie |
Ein weiterer Einsatzbereich der IR-Strahlung liegt in
der Thermografie. Jeder Körper mit einer höheren Temperatur
als dem absoluten Nullpunkt emittiert elektromagnetische Strahlung
der Stärke und Frequenz mit den Planckschen Strahlungsgesetzen
berechnet werden kann. Ebenso kann aus der Frequenz und Stärke
der Strahlung die Temperatur des strahlenden Körpers dessen Temperatur
bestimmt werden. Diese Art der Temperaturmessung wird in der Thermografie
angewandt. Das Diagramm zeigt die Emissionskurven bei verschiedenen
Temperaturen. Zwei Kurven sind besonders hervor gehoben. Bei Zimmertemperatur
(300°K ~ 27°C) liegt das Maximum der Strahlung bei 10 Mikrometer
Wellenlänge und das kurzwellige Ende bei etwa 2,5 Mikrometern.
Die zweite wichtige Kurve zeigt die Strahlung bei 5700°K. Die
Strahlungstemperatur der Sonne beträgt 5700°K und es ist
natürlich kein Zufall dass das Maximum der zugehörigen Strahlung
genau im sichtbaren Bereich liegt. Durch die Evolution wurden die
Sehorgane der meisten irdischen Lebewesen so entwickelt dass sie die
Strahlung der Sonne optimal nützen können. Obwohl wirkliche
>>Thermografie<<
nur mit elektronischen Mitteln realisiert werden kann, kann man mit
Digitalkameras schon einige Experimente unternehmen |
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Schon mit einer normalen Digitalkamera sind
Aufnahmen heißer Gegenstände möglich wie die Bilder
von zwei heißen Herdplatten zeigen. Auf den Infrarotbildern
lassen sich deutlich die heißen Heizspiralen in den Herdplatten
erkennen. Besonders differenziert erscheint das Bild der Aufnahme
durch ein violettes Filterglas BG 12. Dieses Filter hat zwei Durchlassbereichet
und zwar im blauen Bereich bei 400 Nanometer und im infraroten ab
700 Nanometer. Daurch trägt sowohl die normale Beleuchtung wie
auch die Infrarotstrahlung zum Bildaufbau teil. |
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Für das Falschfarbenbild wurden die drei
Bilder in die drei kanäle eines RGB-Bildes kopiert.
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