Infrarotfotografie – Grundlagen

Zur IR-Fotografie bin ich gekommen durch einen Arbeitskollgen, der auf einer Vernisage in Nürnberg tolle Fotos präsentiert hat, die mit einer umgebauten NIKON D700 Kamera fotografiert wurden. Dadurch inspiriert, habe ich mir günstig eine gebrauchte Panasonic Lumix G3 besorgt, die bei IRreCams auf eine definierte Wellenlänge von 700 nm umgebaut wurde. Ins Thema eingelesen habe ich mich mit dem Buch von Klaus MangoldDigitale Infrarotfotografie“ und mit einem Artikel in c’t Fotografie 06/14 von Ralph Altmann.

Die Infrarotfotografie ist ein sehr spezielles Gebiet der Fotografie, bei der es nicht selten zu Missverständnissen kommt. Um die technischen Hintergründe besser zu verstehen, daher zunächst ein kleiner populärwissenschaflicher Ausflug in die Physik.

Das menschliche Auge registriert nur einen sehr kleinen Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung und kann Farbe im Wellenlängenbereich von etwa 400 nm (UV-Strahlung, Ultraviolett) bis etwa 750 nm (Wärmestrahlung, Rot) wahrnehmen. In allgemeinen sprechen wir hier von Licht, ausserhalb dieses Bereichs ist es besser von Strahlung zu sprechen, da wir aufgrund der fehlenden Rezeptoren in unserem Auge hier nichts mehr „sehen“. Anders ausgedrückt, unterhalb von 400 nm und oberhalb von 750 nm haben wir keine Farbrezeptoren. Das infrarote Licht können wir also nicht mit unseren Augen spektral erfassen und somit keine farbige Information wahrnehmen, die Bilder sind monochrom.

Strahlungsspektrum (Quelle: Der ursprünglich hochladende Benutzer war Degreen in der Wikipedia auf DeutschImproved Baba66 (opt Perhelion) on request;En. translation LocustaFr. translation Eric BajartNl. translation BoH – Übertragen aus de.wikipedia nach Commons.;, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10287551)

Ein neues Auge …

Bei der Infrarotfotografie befinden wir uns also paradoxerweise in einer Welt, die wir eigentlich gar nicht farbig sehen können. Was also tun? Möglichkeiten gibt es hier logischerweise auf der Seite der schon angesprochenen Rezeptoren oder auch Sensoren. Früher war die IR-empfindliches Filmmaterial, heute gibt es glücklicherweise ja die Digitalkameras. Ihre Siliziumchips, die, zumindest was die Spektralempfindlichkeit betrifft, dem menschlichen Auge überlegen sind, machen ebenfalls die infrarote Welt für uns sichtbar, da sie prinzipiell immerhin ein kleines Stück dieses Wellenlängenbereichs abdecken (die Empfindlichkeit der Si-Fotozellen reicht etwa bis 1400 nm).

Eine Anmerkung noch: Infrarotfotografie ist nicht zu verwechseln mit der Aufnahme reiner Wärmestrahlung (nicht mehr mit unseren Augen wahrnehmbar), die manch einer evtl. von den sogenannten thermografischen Bildern z.B. bei der Gebäudeisolierung kennt. Hierfür werden spezielle Halbleitersnsoren (CCD) verwendet, die den IR-Bereich von 10000 nm und darüber abdecken.

… und was es sieht

Der typische Effekt von IR-Bildern ist der sogenannte Wood-Effekt, benannt nach dem US-amerikanischen Physiker Robert Williams Wood (1868 – 1955). Die Farbe Grün erscheint uns farblos, da das IR-Licht fast vollständig reflektiert wird, und die eigentlich grünen Blätter von Bäumen sind wie schneebedeckt. Gemeinhin wird vermutet, dass es das Chlorophyll der Blätter ist, welches die Reflektion hervorruft, dies ist aber falsch. Das Licht wird an den feinen Blattstrukturen (sog. Schwammgewebe) im unteren Blattbereich zurückgeworfen, auf den IR-Aufnahmen finden sich daher auch kaum noch Informationen zu den Blattsrukturen der Oberfläche.

Der Wood-Effekt läßt sich aufgrund dieser Eigenschaft wunderbar für mystische Landschaftaufnahmen einsetzen. Das Grün der Pflanzen wird sehr hell, es treten ungewohnte Details zu Tage und es bilden sich spannende Kontraste zwischen diesen Bereichen und den weiterhin sehr dunklen Regionen z. B. der Baumstämme. Nimmt man dann noch den korrekten Weißabgleich vor und arbeitet mit ein paar Bildbearbeitungstricks, schafft man es auch, den Himmel in ein absurd tiefes Blauschwarz zu versetzen. Etwaige Wolken erscheinen darin wie unwirkliche Zuckerwatte, Dunst verschwindet nahezu vollständig, was das Märchenhafte solcher Bilder noch stärker unterstreicht.

Und wie kommt jetzt die Farbe in die Bilder? Farbe – so wie wir sie wahrnehmen – ist schlicht eine Erfindung unseres Gehirns. Licht bzw. elektromagnetische Strahlung hat keine Farbe! Aber mit Hilfe geeigneter Sensoren z. B. unserer drei farbempfindlichen Zäpfchen für Blau, Grün und Rot sind wir in der Lage Wellenlängen zu unterscheiden und diese Information im Gehirn in Farbinformation zu übersetzen.

Ein digitaler Bildsensor kennt ebenfalls keine Farben sondern registriert nur Helligkeit, die allerersten Modelle waren auch nur reine Schwarz-Weiß-Modelle. Die Lösung wie man Farbe in die Bilder bekommt liegt aber natürlich auf der Hand: man stattet die Sensoren mit farbempfindlichen Filtern aus, es werden quasi die oben beschriebenen Zäpfchen des menschlichen Auges imitiert. In der Praxis hat sich hier die Filteranordnung in einer sogenannten Bayer-Matrix durchgesetzt.

Filter der Bayer Matrix über den Sensorfeldern des Digitalkamerachips (Quelle: Cburnett – Own workThis vector image was created with Inkscape., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org)/w/index.php?curid=1496858

Auffällig ist dabei, dass diese Matrix doppelt so viele Grünfilter gibt, wie Blau- oder Rotfilter, was der Tatsache Rechnung trägt, dass das menschliche Auge ebenfalls besonders sensitiv für den grünen Bereich ist.

Die Sensoren der Kameras werden also -ähnlich wie das menschliche Auge – ebenfalls mit drei Typen von farbempfindlichen Sensoren augestattet: einer für Blau mit Empfindlichkeitsmaximum bei etwa 450 nm, einer für Grün (550 nm) und einer für Rot (630 nm). Es fällt auf, dass kein spezifisch auf den IR-Bereich zugeschnittener Filter dabei ist. Wichtig ist hier der Hinweis, dass die Bayer-Filter auch im IR-Bereich empfindlich sind, d. h. sie verlieren oberhalb von ca. 750 nm quasi Ihre Filterwirkung, das Infrarotlicht erreicht alle Sensorzellen auf gleichem Wege und das einfallende Licht erscheint farblos. Mit anderen Worten haben wir im IR-Bereich wieder eine reine Schwarz-Weiß-Kamera.

Für die Infrarotfotografie wird also keine neue Farbe erschaffen, um die Wellenlängen oberhalb von 750 nm irgendwie zu codieren. Jederzeit möglich ist es aber, unsere bekannten sichtbaren Wellenlängen auf den jetzt erweiterten Spektralbereich neu aufzuteilen, manch einer mag sich an dieser Stelle an die Falschfarbenfotografie erinnert fühlen. Hierin besteht dann auch der große Reiz der Infrarotfotografie, eröffnet sie doch neuen Raum für eine ganz spezielle kreative Kunst.

Unglücklicherweise haben die Hersteller fast aller Kameras durch den Einbau spezieller IR-Sperrfilter verhindert, dass Licht oberhalb von 750 nm den Si-Sensor erreicht. Für diese Massnahme gibt es technische Gründe und für unsere IR-Fotografie resultieren daraus einige Schwierigkeiten, auf die ich im zweiten Teil zum Thema Infrarotfotografie eingehe.

Als kleiner Vorgeschmack hier ein paar Beispiele zur IR-Fotografie …

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.