5. – 13. Schuljahr

Alexander Pusch

there is more than meets the eye

Naturphänomene im nahen Infrarotbereich mit Webcams sichtbar machen

Rot, grün blau solche Farbeindrücke sind völlig geläufig. Die Natur wartet mit einer großen Farbenvielfalt auf. Die Farben sind Teil des sichtbaren Spektrums, das auf der einen Seite von rot, auf der anderen von blau-violett begrenzt wird. Aber was liegt eigentlich „vor rot und was kommt „nach blau-violett? Die Wahrnehmung solcher Strahlung, die in der Natur unter Umständen eine wichtige Rolle spielt, ist durch unsere Sinnesorgane begrenzt. Digitale Medien und Sensoren erlauben es uns jedoch, über den Tellerrand unseres begrenzten Sehvermögens zu schauen und unseren Blickwinkel mit wenig Aufwand zu erweitern. Mithilfe einer einfachen Webcam lässt sich beispielsweise elektromagnetische Strahlung im nahinfraroten Bereich „sichtbar zu machen.
Mit einer umgebauten Webcam (s. z.B. Abb. 1 ) können Lernende untersuchen, welche Rolle Strahlung im nahen Infrarotbereich der Natur spielt, und erkennen, dass im Infrarot- und (analog) auch im Mikrowellenbereich noch die gleichen optischen Phänomene gelten, wie sie aus dem sichtbaren Spektralbereich bekannt sind (s.a. Kasten 1).
Optische Phänomene im sichtbaren und im nahen Infrarot-Bereich
Optische Phänomene im sichtbaren und im nahen Infrarot-Bereich
Interferenz, Beugung oder Absorption können bei allen elektromagnetischen Wellen auftreten. Da das menschliche Auge nur im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum (etwa im Bereich 400 nm bis zu 780 nm) empfindlich ist, können bereits die angrenzenden Wellenlängen (Ultraviolett < 400 nm bzw. Infrarot > 780 nm) nicht mehr mit dem Auge direkt erfasst werden. Bereits im nahen Infrarotbereich (ca. 780 bis 1000 nm) verändern sich aber die optischen Eigenschaften vieler Objekte, die wir aus dem sichtbaren Bereich kennen. So sind manche Objekte, die im sichtbaren Bereich transparent erscheinen, für IR-Strahlung undurchlässig oder solche, die im sichtbaren Bereich Strahlung absorbieren, lassen IR-Strahlung ungehindert hindurch und erscheinen somit für diese „durchsichtig.
Um Phänomene im nahen Infrarotbereich auf einfache und günstige Weise sichtbar zu machen, kann eine Webcam so verändert werden, dass sie auf nahes Infrarot-Spektrum empfindlich reagiert. In diesem Artikel werden die notwendigen Modifikation einer Webcam sowie einige Beobachtungen von Naturphänomenen und Experimenten im nahen Infrarotbereich beschrieben. Weitere Literatur zu diesem Thema findet sich beispielsweise in [1].
Fachlicher und technischer Hintergrund
Wann kann man im nahen Infrarotbereich etwas sehen?
Streuung und Absorption findet im Infrarotbereich in gleicher Weise wie im sichtbaren Spektrum statt. Auch im Infrarotbereich (IR) ist die Voraussetzung für das „Sehen eines Objekts, dass dieses entweder Licht im entsprechenden Spektralbereich streut oder selbst aussendet.
Für Beobachtungen im nahen Infrarotbereich muss deshalb eine Lichtquelle vorhanden sein, die elektromagnetische Wellen mit Anteilen im Bereich von ca. 780 bis 1000 nm mit ausreichender Intensität aussendet. Dies ist beispielweise bei Tageslicht, herkömmlichen Glühlampen oder speziellen LEDs der Fall.
Worin besteht der Unterschied zu einer Wärmebildkamera?
Die von Wärmebildkameras bekannten eingefärbten Temperaturverteilungen auf Flächen und Gegenständen (s. dazu S. 38-43) sind mit Nahinfrarot-Kameras nicht aufzunehmen. Der Grund liegt in der Wellenlänge der Strahlung und der Empfindlichkeit der Sensoren. Wärmebildkameras sind im mittleren bis langwelligen Infrarot-Bereich (ca. 3000 bis 15000 nm) empfindlich, Sensoren einer herkömmlichen Digitalkamera sind (nach Entfernen des Infrarot-Sperrfilters, s.u.) nur im nahen Infrarotbereich (bis ca. 1000 nm) sensibel. Größere Wellenlängen können diese Sensoren also nicht wahrnehmen, hierfür sind andere Sensortypen notwendig.
In welchem Spektralbereich Objekte Strahlung emittieren, hängt von...

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