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Licht- und Wärmereduzierung

!! VORWEG EINE ERNSTZUNEHMENDE WARNUNG !!

Blicken Sie niemals durch ein Teleskop, welches auf die Sonne gerichtet ist, ohne sich vorher zu überzeugen, dass geeignete Schutzmaßnahmen zur Licht- und Energiereduzierung getroffen wurden. Ein ungeschützter Blick, selbst durch ein kleines Sucherfernrohr, kann das Auge dauerhaft – bis zur völligen Blindheit – schädigen. Die einzige Ausnahme ist die Beobachtung mittels eines Sonnenprojektionsschirms.

Sonnenfilter sind die optimale Lösung zur Energiereduzierung für visuelle- oder fotografische Sonnenbeobachtungen im integralen (weißen) Licht. Es gibt verschieden Lösungen, die Licht- und Wärmekonzentration im Brennpunkt eines Teleskops zu reduzieren. Es muss aber deutlich zwischen der visuellen und der fotografischen Beobachtung unterschieden werden. Hier spielt unter anderem die Filterdichte eine entscheidene Rolle (siehe auch die Tabelle weiter unten).

Generell ist beim Einsatz von Sonnenfiltern die Art der Beobachtung zu unterscheiden.

Weißlichtbeobachtung (visuell + fotografisch)

Hier geht es in erster Linie darum, die enorme Licht- und Wärmestrahlung der Sonne so weit zu dämpfen und somit eine für das Auge sichere Sonnenbeobachtung zu ermöglichen. Für die visuelle Beobachtung kommt hier entweder die Baader AstroSolar® Folie der optischen Dichte 5 und (mit Zusatzfiltern) das Baader Herschel Prisma in Frage. Für die rein fotografische Beobachtung steht die Baader AstroSolar® Fotofolie mit der optischen Dichte 3.8 zur Verfügung. Diese Folie ist – auch mit Zusatzfiltern – NICHT für die visuelle Beobachtung geeignet.

Das Baader Herschel Prisma ist in einer visuellen und einer fotografischen Version lieferbar.

Die in vielen Texten dieser Website erwähnten Produkte der Zusatzfilter, wie das Baader K-Line Filter, das Solar Continuum Filter, das IR Passfilter, die Neutraldichte Filter usw. dürfen nur ZUSAMMEN mit der Baader AstroSolar® Folie und/oder dem Baader Herschel Prisma eingesetzt werden.

Schmalbandbeobachtung im H-alpha Bereich mit Solar Spectrum Filtern (visuell + fotografisch):

Hier erfolgt die Filterung in zwei Stufen. Das Baader D-ERF Filter wird VOR der Lichteintrittsöffnung des Teleskops montiert. Es ist ein Breitbandfilter, welches aus dem Sonnenlicht nur den Bereich zwischen 600- und 700 Nanometer passieren lässt (die Wellenlänge der H-alpha Linie liegt exakt bei 656,38 Nanometer). Somit wird sowohl die schädliche Wärmestrahlung (infrarotes Licht) größer 700 Nanometer als auch die für das menschliche Auge sehr schädliche kurzwelliges Licht unterhalb von 400 Nanometer komplett geblockt. Kurzwelliges UV Licht ist sehr energiereich und langwelliges Licht transportiert viel Hitze direkt in das schmalbandige H-alpha Filter. Ohne das D-ERF-Vorfilter würde diese Energie von beiden Enden des Spektrums nicht nur das Auge sondern auch das fokusseitige H-alpha-Filter schädigen.

Die enorme Lichtfülle der Sonne wird auch bei Verwendung eines D-ERF-Vorfilters nur unmerklich reduziert, deshalb darf das Teleskop NIEMALS zur visuellen oder fotografischen Sonnenbeobachtung eingesetzt werden ohne ein okularseitig montiertes SolarSpectrum H-alpha Filter einzusetzen.

Die erforderliche Lichtreduzierung erfolgt im H-alpha-Filter, indem aus dem Bereich zwischen 600 und 700 Nanometer ein extrem schmaler Bereich von ca. 0.05 Nanometer herausgefiltert wird.

Das Baader D-ERF Filter darf NUR zur Schmalband Sonnenbeobachtung und Fotografie im H-alpha Licht eingesetzt werden

Bei der visuellen Beobachtung ist unbedingt darauf zu achten, dass das verwendete Filter auch die für das menschliche Auge sehr schädlichen Ultraviolett- und Infrarotanteile des Spektrums herausfiltert. Bei zertifizierten Filtern ist das zuverlässig der Fall. Bei Verwendung von nicht zugelassenen, bzw. nicht geprüften Filterlösungen riskiert man bleibende Augenschädigungen bis hin zur völligen Blindheit. Deshalb raten wir von allen “Billiglösungen” ab, die in älterer Literatur immer wieder auftauchen, wie z.B.: ausbelichtete Negativfilme, Röntgenfilme, berußte Glasplatten, KFZ-Rettungsfolie oder ähnlichen Methoden. Die aktuellste – gefährliche – Methode, die auf dem “Markt” ist, ist die Beobachtung durch eine Musik- oder Daten CD-ROM hindurch. Alle diese Beobachtungsmethoden sind unsicher und würden niemals eine Zulassung für die Sonnenbeobachtung bekommen, weder mit bloßem Auge und schon gar nicht durch ein Teleskop!

Einfacher Okularsonnenfilter

Okularsonnenfilter – bitte nicht verwenden!

Auch sog. “Sonnen-Okularfilter” (siehe rechts), wie sie früher oft bei kleineren Kaufhausteleskopen mit Frontdeckeln von ca 40 mm Öffnung zur Sonnenbeobachtung mitgeliefert wurden, sind heutzutage ebenfalls völlig vom Markt verschwunden und sollten keinesfalls mehr eingesetzt werden. Solche Okularfilter stehen immer in der Nähe des Teleskopbrennpunktes, werden an dieser Stelle extrem heiß und können ohne Vorwarnung plötzlich zerspringen.

Anders als bei der visuellen Beobachtung möchte man oft für die Sonnenfotografie sogar einen möglichst weiten Spektralbereich erfassen können, um auch im ultravioletten Licht (der Kalzium K-Wellenlänge) feinste Details der Sonnenoberfläche (bitte nur fotografisch!) zu erfassen. Bei der Fotografie spielen generell andere Faktoren, wie z.B. die Bildschärfe, eine wesentliche Rolle. Bei Übersichtsaufnahmen der ganzen Sonne, z.B. mit einem Teleobjektiv oder bei geringer Vergrösserung mit einem Teleskop kann man die gleichen Filter anwenden wie bei der visuellen Beobachtung. Nur wenn man kleine Bereiche der Sonnenoberfläche mit hoher Vergrösserung durch ein Teleskop aufnehmen will versucht man durch extrem kurze Belichtungszeiten die Luftbewegung (in der Erdatmosphäre) regelrecht einzufrieren. Es gab sehr mutige Amateure, die zu diesem Zweck versucht haben, die Licht- und Wärmedämpfung nur über die Verschlusszeit zu regulieren und die sich dann gewundert haben, dass der Schlitzverschluss ihrer Kamera bereits während einer tausendstel Sekunde Belichtungszeit zerschmolzen ist. Bei modernen DSLR- und Video-Kameras würde in diesem Fall der Bildsensor irreparabel beschädigt. Auch bei der Fotografie von kleinsten Details auf der Sonnenoberfläche muss folglich das Sonnenlicht entsprechend abgedämpft werden, schwächer zwar, aber ganz ohne Filterung geht es nicht.

Die Filterwirkung (Licht- und Wärmereduzierung von Sonnenfiltern) wird entweder in der optischen Dichte (OD), der Transmission (T) in Prozent oder in der Absorption (astronomische Größenklassen) angegeben. Die drei Größen stehen folgendermaßen in folgendem Zusammenhang:

Optische Dichte
dimensionslos
Transmission T
[%]
Absoption
[astronomische
Größenklassen, m]
Filterfaktor
[1zu X]
Anwendung
2.0 1 – 5 100 fotografisch
3.0 0.1 -7.5 1 000 fotografisch
3.5 0.03 -8.8 3 333 fotografisch
4.0 0.01 -10 10 000 fotografisch
4.5 0.003 -11.3 33 333 visuell +
Zusatzfilter
5.0 0.001 -12.5 100 000 visuell

Filter der Dichte 2 sind Prismen und ausschließlich fotografisch einsetzbar. Filter der Dichte 4 bis 5 eignen sich nicht für die Detail-Fotografie, da die resultierenden Belichtungszeiten zu lang werden. Dies gilt für moderate Teleskop-Öffnungsverhältnisse von ca. 1:8 bis 1:15 (Refraktoren). Die Belichtungszeiten sollten – je nach Kameragehäuse – nicht länger als 1/500 bis 1/2000 Sekunde sein, um Luftunruhe “einzufrieren”

Hauptsächlich kommen nur drei Möglichkeiten zu Energiereduzierung in Betracht:

  1. Objektivfilter aus Glas (planparallel polierte Glasplatten vorausgesetzt)
  2. Objektivfilter aus Folie
  3. Prismen – kurz vor dem Teleskopbrennpunkt

Die Filterung des Sonnenlichtes vor dem Refraktorobjektiv oder vor der Lichteintrittsöffnung eines Spiegelteleskops hat den Vorteil, dass Licht und Wärme gar nicht erst in den Instrumententubus gelangen, und dort keine Bildunschärfen durch Luftwallungen (d.h. durch instrumentelle Seeingeffekte) erzeugen können.

Für Spiegelteleskope aller Art (ausgenommen spezielle Eigen- oder Sonderkonstruktionen) ist die Filterung vor der Eintrittsöffnung ein absolutes MUSS, da durch den konzentrierten Strahlengang sogar der Fangspiegel zerspringen kann und/oder Tubusblenden (vor allem die Kunststoffblenden von SC-Teleskopen) in Brennpunktnähe durch die Wärme zerstört werden können. Für Spiegelteleskope aller Art kommen somit nur Objektivfilter in Frage (es sei denn man blendet die Lichteintrittsöffnung soweit ab, dass die Auflösung dramatisch leidet).

Die Filterung mit Prismen in der Nähe des Brennpunktes kommt nur für größere Refraktoren in Frage und ist auch nur dann empfehlenswert, wenn man sehr hohe fotografische Bildvergrößerung bei der Okularprojektion anstrebt. Für Spiegelteleskope ist diese Art der Filterung aus oben genannten Gründen nicht empfehlenswert und gefährlich.

Objektivfilter aus Glas

Interferogramm

Dieses Interferogramm zeigt links ein “Billigfilter”, hergestellt aus Floatglas und rechts ein Zeiss Filter mit einer Planparalellität von 1/4 Wellenlänge. Je gerader und symmetrischer die Interferenzmuster, desto besser und genauer das Filter.© W. Paech + Baader Planetarium GmbH

Sog. Objektivfilter werden – wie der Name sagt – vor dem Objektiv bzw. vor der Licht-Eintrittsöffnung eines Spiegelteleskops montiert. Die optische Qualität des Filters hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bildqualität. Die Filterflächen müssen auf Bruchteile von Bogenminuten genau planparallel sein (sonst entsteht ein Doppelbild der Sonne) und beide Flächen müssen ebenso genau auspoliert sein wie die optischen Flächen des Teleskops. Ein Objektivsonnenfilter aus Glas ist die beste, aber leider auch die teuerste Lösung. Der Name Glas-Sonnenfilter wird heutzutage oft missbraucht und es werden preiswerte Filter aus nicht optisch poliertem Fensterglas angeboten – damit sind nur Übersichtsbeobachtungen der ganzen Sonne bei niedrigsten Vergrösserungen möglich. Hochpräzise Glasfilter kommen nur für den Beobachter in Frage, der sich langfristig mit der Sonnenbeobachtung beschäftigen will.

Vier wichtige Kriterien muss ein gutes Objektivfilter erfüllen:

  1. Es darf nicht wie eine Vorsatzlinse wirken, d.h. es darf keine eigene Brennweite haben. Die minimale Brennweite (f) die ein Filter haben darf, ohne dass sich der Brennpunkt der Optik verschiebt, beträgt z.B. bei einem Filterdurchmesser von 150mm 10 Kilometer!
    Noch wichtiger sind aber die folgenden zwei Punkte:
  2. Das Filter muss, innerhalb gewisser Toleranzen, planparallel sein. Die durch die Glasscheibe laufenden Lichtstrahlen dürfen nicht beeinflusst oder gestört (deformiert) werden. Die Planparallelität der Scheibe muss unterhalb der Lichtwellenlänge (kleiner Lambda/4) gewährleistet sein. Ist sie es nicht, so folgen daraus eklatante Bildunschärfen.
  3. Der Keilfehler, die Dickendifferenz zweier am Rand des Filters gegenüberliegenden Stellen, darf nicht zu groß sein. Ist der Keilfehler zu groß, wirkt das Filter wie ein Prisma und erzeugt ein kleines Spektrum. Bildunschärfen sind die Folge. Als zulässige Spektrumslänge gilt allgemein der Radius des ersten dunklen Beugungsringes, es folgt daraus (ausgehend von einem Filter mit 150 mm Durchmesser) eine zulässige Dickendifferenz von wenigen hundertstel Millimetern.
  4. Die aufgedampfte Filterschicht muss homogen sein (die gleiche optische Dichte haben) und möglichst wenige Löcher haben. Kleine Fehlstellen in der aufgedampften Schicht wirken als Sekundärlichtquellen und können den Bildkontrast deutlich mindern. All das gilt bei Glasfiltern für nur eine einzige Schicht. ein Glasfilter kann nicht beidseitig mit einer Spiegelschicht versehen werden, das würde ein Doppelbild der Sonne erzeugen.

Aus den o.g. Vorgaben wird deutlich, dass solche hochqualitativen Filter nicht billig produziert werden können. Objektivsonnenfilter dieser optischen Perfektion sind sehr teuer (siehe auch den Vergleich der interferometrischen Prüfbilder in der Abbildung oben). Glasobjektivfilter sind empfehlenswert einzusetzen bei Teleskopöffnungen größer als 200 Millimeter, wenn die Auflösung der Optik den 1.0 Bogensekundenbereich unterschreitet und somit die Sonnengranulation auch fotografisch sichtbar wird.

 

Sonnenfilter aus Folie

Für alle Eintrittöffnungen kann als Ersatz für die teuren Planparallelgläser auch Baader AstroSolar® Folie eingesetzt werden. Dies gilt ebenso für Aufnahmen mit Teleobjektiven oder Videoaufnahmen der partiellen Phase einer Sonnenfinsternis. Auch für die visuelle Beobachtung mit dem bloßem Auge und für Feldstecherbeobachtungen ist sie perfekt. Die Folie ist so dünn, dass der passierende Lichtstrahl nur unmaßgeblich beeinflusst wird.

Vor nunmehr fast 15 Jahren hat die Firma Baader Planetarium eine Spezialfolie entwickelt, die optisch so gut ist wie teure, planparallele Gläser. Die Folie wird in den Dichten OD3.8 für fotografische- und in OD5.0 für hauptsächlich visuelle Anwendung hergestellt. Diese Art von Filter ist optisch wesentlich schärfer als wesentlich dickere, russgefüllte sog. Dunkelkammerfolie, aber auch besser als die preiswerten Glasfilter aus einfachem Fensterglas. AstroSolar-Folien müssen faltenfrei aber gleichzeitig auch spannungsfrei vor einem Refraktorobjektiv oder vor dem Tubus eines Spiegelteleskops befestigt werden. Ein kleines Stück der Folie ist preiswert und man kann mittels einer simplen, selbstgebastelten Papp-Fassung ausprobieren, ob man bei der Sonnenbeobachtung bleiben will und in grössere Filter oder mehr Ausrüstung investieren möchte. Vor allem für Schulen ist die astronomische Beobachtung am Tage eine sehr gute Möglichkeit, die Schüler für die Astronomie und für die Naturwissenschaften zu begeistern.

Die Filterung in Brennpunktnähe mittels Prismen

Pentaprisma

Der Strahlengang in einem Pentaprisma
© 2001, W. Paech

Wie oben erwähnt, spielt diese Art der Filterung nur eine Rolle für größere Refraktoren und bei Okularprojektion mit hohen Vergrösserungen. Durch den Einsatz verschiedener Neutraldichtefilter oberhalb des Prismas (zwischen Prisma und Kamerasensor) lässt sich die Belichtungszeit an den jeweils gewählten Projektionsmaßstab anpassen.

Das Sonnenpentaprisma

Die Abbildung zeigt den Strahlengang in einem Pentaprisma. Die Licht- und Wärmereduzierung erfolgt mit einer Kombination aus Lichtbrechung- und reflexion. Das entstehende Bild (bei einem Refraktor) ist “astronomisch richtig”, d. h. es ist um 180 Grad gedreht (Westen links, Süden oben). Die Lichtschwächung liegt bei ca. 99.5 %. Allerdings werden drei optisch perfekt polierte Flächen benötigt.

Baader Safety Herschelprisma mit Cool-Ceramic Platte – zur ungefährlichen Lichtdispersion

Das Herschelprisma

Auch hier liegt die Lichtreduktion bei ca. 99.5% – viel zu hell für das Beobachten mit blossem Auge. Sowohl ein Sonnen-Pentaprisma als auch das 23 Grad Herschel-Prisma erfordern für die visuelle Beobachtung zwingend zusätzliche Neutraldichtefilter im Strahlengang. Die Filterung muss sorgfältig gewählt werden. Fotografisch ist so ein Sonnenprisma jedoch sehr interessant weil die Filterwirkung fast beliebig eingestellt werden kann.

Z.B. ist das Baader Herschel-Prisma deshalb als visuelle und fotografische Version lieferbar

© 2015 (überarbeitet): Wolfgang Paech in Zusammenarbeit mit H.Hilbrecht, C.-H. Jahn und P. Völker

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