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Infrarot-Fotografie

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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.

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.

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.
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.
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
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.
Für das Falschfarbenbild wurden die drei Bilder in die drei kanäle eines RGB-Bildes kopiert.