Infrarotkamera im Eigenbau

Das menschliche Auge nimmt nur einen Teil des Lichtspektrums war, das die Sonne abstrahlt – höhere Frequenzbereiche wie etwa Infrarot bleiben ihm verborgen. Der RasPi bietet mit dem passenden Kameramodul eine günstige Möglichkeit, diese abzulichten.

Um von vornherein keine Missverständnisse aufkommen zu lassen: Eine Infrarotkamera ist keine Wärmebildkamera. Wärmestrahlen sind noch deutlich langwelliger als Infrarotlicht und lassen sich nur mit speziellen Thermografiekameras registrieren. Aber auch für IR-Fotografie benötigen Sie Spezialkameras. Mit dem NoIR-Kameramodul [1] für den Raspberry Pi steht eine zentrale Komponente dazu kostengünstig zur Verfügung. Im Folgenden beschreiben wir den Bau und Betrieb einer Infrarotkamera auf Basis dieses Moduls.

Theorie

Infrarotlicht grenzt an den sichtbaren Bereich des Lichts (Abbildung 1), der je nach Quelle zwischen 380 und 780 Nanometer liegt, und belegt den Bereich darüber bis 1400 nm [2]. Für das menschliche Auge bleibt dieses Licht unsichtbar, die Photodioden auf den Kamerasensoren dagegen reagieren darauf und machen es über die Elektronik sichtbar.

Abbildung 1: Jenseits das Spektrums sichtbaren Lichts beginnt der Infrarotbereich, der richtig in Szene gesetzt für eindrucksvolle Effekte in Bildern sorgt. (Quelle: Wikipedia)

Das ist aus mehreren Gründen ungewollt. Jede Wellenlänge besitzt einen anderen Brechungsindex, was Objektive durch spezielle Gläser korrigieren müssen, weil andernfalls unscharfe Bilder entstehen. Dieser Abgleich fällt deutlich leichter, beschränkt man sich auf den sichtbaren Lichtbereich. Obendrein führt ein wie auch immer sichtbar gemachtes Infrarotlicht zu Farbverschiebungen im Bild, und das entspricht nicht unseren Sehgewohnheiten.

Kamerahersteller bauen deshalb vor den Sensor einen Sperrfilter ein, der kaum Infrarotlicht durchlässt. Daher eignen sich normale Kameras auch nur sehr beschränkt für die Infrarotfotografie. Neben diesem IR-Sperrfilter gibt es aber noch eine weitere Filterschicht, den sogenannten Bayer-Filter. Erst diese Schicht aus roten, blauen und grünen Feldern macht die eigentlich farbenblinden Lichtsensoren für Farbe empfindlich: Die Kamera oder der RAW-Konverter mischt dann die Farbwerte der Pixel per Interpolation aus den Nachbarwerten zusammen.

Wären die Pixel des Bayer-Filters tatsächlich nur für die Farben durchlässig, bräuchte es keinen IR-Sperrfilter und es gäbe auch keine IR-Fotografie. Aber der Bayer-Filter lässt auch im Infrarotbereich Licht passieren, je nach Farbe an unterschiedlichen Stellen des Spektrums, aber überlappend. Aus diesem Grund erscheinen Infrarotaufnahmen auch mehr oder weniger farbig, je nach der unterschiedlichen Durchlässigkeit der Farbpixel.

Ein anderer Infrarotfilter

Das NoIR-Modul des RasPi besitzt zwar einen Bayer-Filter, aber keinen für Infrarot. Damit erreicht ein deutlich größerer Wellenlängenbereich den Sensor. Das wiederum bewirkt, dass damit aufgenommene Bilder sehr rotlastig ausfallen (Abbildung 2). Die roten Sensorpixel sind offensichtlich im IR-Bereich am empfindlichsten. In der IR-Fotografie spielt aber nur der infrarote Teil des Spektrums eine Rolle – deshalb benötigt die Kamera einen zusätzlichen Sperrfilter, der normales Licht ausfiltert (Abbildung 3).

Abbildung 2: Wegen des fehlenden IR-Sperrfilters wirkt die NoIR-Aufnahme extrem rotlastig.

Abbildung 3: In dieser Aufnahme sperrt ein 720-nm-Filter das normale Licht. Die Kamera nimmt entsprechend nur noch den infraroten Wellenbereich auf.

Solche Filter erhalten Sie im Fotofachhandel, fälschlicherweise unter der Bezeichnung Infrarotfilter – dabei bedeutet dieser Begriff hier genau das Gegenteil: Der Filter sperrt nicht den IR-Anteil, sondern alles außer dem IR-Anteil. Die Filter gibt es in verschiedenen Ausführungen, etwa für 715 nm, 720 nm oder 830 nm. Die Zahl gibt dabei die Wellenlänge an, bis zu der der Filter das Licht sperrt. Je niedriger die Zahl, umso mehr sichtbares Licht aus dem oberen Wellenlängenbereich kommt durch. Die 7xx-Filter erlauben damit zumindest theoretisch noch etwas Infrarot-Falschfarbenfotografie, während der 830-nm-Filter nur die Helligkeitsinformation passieren lässt – hier lassen die Farbpixel des Bayer-Filters fast gleich viel Licht durch.

Alle sieben Sachen

Die Tabelle “Teileliste” führt alle Komponenten auf, die Sie für den Bau der Infrarotkamera benötigen. Neben dem RasPi zählen dazu ein Touchscreen und das NoIR-Kameramodul als zentrale Bestandteile. Letzteres schließen Sie nach Anleitung an den entsprechenden Port des RasPi an.

Die Wahl für den Touchscreen fiel auf die 2,8-Zoll-Variante von pi3g [3], die wir in RPG 05/2014 vorgestellt haben [4]. Die Grundinstallation ohne Kamerasoftware unterscheidet sich nicht wesentlich von einer normalen Einrichtung. Als Basis dient ein angepasstes Image des Touchscreen-Herstellers, das alle notwendigen Treiber enthält [5].

Am besten schließen Sie für die Grundinstallation ein Netzwerkkabel an und rufen nach dem Anmelden über das Kommando sudo raspi-config die normale Konfiguration auf. Hier aktivieren Sie die Unterstützung für die Kamera, setzen die Sprache und das Keyboard-Layout gegebenenfalls auf Deutsch und sorgen dafür, dass der Rechner in die Kommandozeile bootet.