Die Laterne hat die Farbe gewechselt: Lichtverschmutzungsfilter am Smartphone

Die Verpackung verspricht Bergluft vom Balkon aus. Drin liegt eine runde Glasscheibe in einer Plastikklammer, die man über die Handykamera klemmt, und der Aufdruck sagt, das Stadtlicht bleibe draußen. Hinter diesem Versprechen stand dreißig Jahre lang seriöse Physik. Dann änderten sich zwei Dinge: die Lampen auf der Straße und das Gerät, auf das Sie den Filter schnallen. Beides hat nichts miteinander zu tun, und schon eines davon genügt, um den Kauf zu ruinieren.

Der Filter kam gegen zwei Linien zur Welt

Die Lampen, die unsere Städte bis gestern beleuchtet haben, gaben kein weißes Licht ab: sie gaben Linien ab. Niederdruck-Natrium steckt fast seine gesamte Emission in das Dublett bei 589,0 und 589,6 Nanometern, in der Spektroskopie als D-Linien bekannt. Quecksilberdampf legt eine Handvoll heller Linien dazu, blau bei 435,8, grün bei 546,1, ein gelbes Paar um 577 und 579. Diese Wellenlängen stehen seit Jahrzehnten in den Atomdatenbanken des NIST und wandern keinen Nanometer.

Für einen Interferenzfilter ist die Aufgabe damit fast trivial. Man stapelt dünne Schichten, die genau diese Linien wegspiegeln und den Rest durchlassen, setzt das Glas vor die Kamera, und der Himmelshintergrund bricht ein, während die Sterne bleiben, wo sie waren. Das Signal, an dem Astrofotografen hängen, liegt zum Glück fast immer woanders: Wasserstoff-Alpha bei 656,3 Nanometern, zweifach ionisierter Sauerstoff bei 495,9 und 500,7, Sternlicht über das ganze sichtbare Fenster verschmiert. Schmal abziehen, breit behalten. Das war Rechnen, und es funktionierte.

Dann wurde die Laterne weiß

Eine weiße LED entsteht auf einem Weg, der mit Linien nichts zu tun hat. Man nehme einen blauen Emitter, lege einen Leuchtstoff darüber, der auf einem sehr breiten Band nachleuchtet, und heraus kommt ein kontinuierliches Spektrum quer durch das Sichtbare. In diesem Lampenspektrum gibt es nichts Schmales mehr zum Wegschneiden.

DarkSky International formuliert die Folge unfreundlich deutlich: Bei gleicher abgestrahlter Lichtmenge verschmutzt eine blaureiche weiße LED den Himmel rund zweieinhalbmal stärker als eine Natriumhochdrucklampe, und der Weltatlas der künstlichen Himmelshelligkeit warnte, eine Umstellung ohne Begrenzung des Blauanteils könne die Helligkeit des Nachthimmels mehr als verdoppeln. Die Messungen im Feld passen dazu. 2023 veröffentlichten Kyba und Kollegen in Science die Auswertung von über fünfzigtausend Beobachtungen mit bloßem Auge, gesammelt zwischen 2011 und 2022 im Projekt Globe at Night: Der von den Teilnehmern gemeldete Verlust sichtbarer Sterne entspricht einer Zunahme der Himmelshelligkeit von 9,6 Prozent pro Jahr.

Ein kontinuierlicher Hintergrund sitzt auf exakt denselben Wellenlängen wie Ihr Ziel. Welches Band der Filter auch blockiert, er blockiert denselben Anteil an Galaxie, Sternhaufen und Milchstraße. Das Glas erledigt seine Arbeit weiterhin präzise. Die Arbeit selbst ist sinnlos geworden.

Vor einem Weitwinkel arbeitet dieses Glas schief

Es gibt ein zweites Problem, und das betrifft ausgerechnet das Telefon. Das Durchlassband eines Interferenzfilters hängt vom Winkel ab, unter dem das Licht ihn durchquert. Die Regel schreiben alle Optikhersteller gleich auf, Edmund Optics eingeschlossen: Die Wellenlänge verschiebt sich wie die Wurzel aus eins minus dem Quadrat des Sinus des Winkels geteilt durch den effektiven Brechungsindex des Schichtpakets, und dieser Index liegt typisch zwischen 1,5 und 2,5. Außerhalb der Achse rutscht das Band immer ins Blaue.

Am Teleskop rechnen Sie mit dem Lichtkegel, und schon dort beißt es: Astronomik gibt den eigenen CLS-CCD für Öffnungsverhältnisse ab f/3 aufwärts an, also für recht gutmütige Kegel. Die Hauptkamera eines Telefons liegt bei etwa f/1,8. Der eigentliche Ärger kommt allerdings daher, dass die Klammer vor dem Objektiv sitzt statt dahinter: Dieses Glas sieht nicht den Kegel eines einzelnen Punktes, es sieht das komplette Bildfeld. Ein Objektiv mit 24 Millimetern Kleinbildäquivalent deckt rund 74 Grad in der Breite ab, am Rand trifft das Licht den Filter also 37 Grad neben der Achse, in den Ecken über 40. Ihr Ultraweitwinkel mit über hundert Grad steht deutlich schlechter da.

Die Rechnung geht schnell und lohnt sich. Mit effektivem Index 2 misst ein Band, das in der Bildmitte auf Wasserstoff-Alpha bei 656 Nanometern zentriert ist, am Rand noch etwa 626: dreißig Nanometer Rutsch, während Schmalbandfilter mit sechs oder zwölf Nanometern Breite verkauft werden. Der Bildrand bekommt einen anderen Filter als den, den Sie gekauft haben. Bei einem Breitbandfilter vom Typ CLS, dessen Übergang um 590 Nanometer liegt, sackt diese Schwelle am Rand unter 565 und beginnt, Grün zu fressen.

Das Ergebnis sehen Sie vor allem anderen: ein Farbstich, der sich von der Mitte zu den Ecken verändert, also ein Bild, für das der Weißabgleich keine einzige Lösung hat, weil keine Korrektur das ganze Feld gleichzeitig trifft. Hundert Aufnahmen zu stacken hilft kein bisschen. Der Gradient steckt identisch in allen hundert und übersteht die Mittelung unversehrt.

Die Photonenrechnung geht negativ aus

Bleibt das einfachste Argument, das mit zwei Brüchen auskommt. Nennen wir s den Signalanteil, den der Filter durchlässt, und b den Anteil des Himmelshintergrunds. Solange das Photonenrauschen des Hintergrunds regiert, bewegt sich das Signal-Rausch-Verhältnis wie s geteilt durch die Wurzel aus b.

Unter den alten Lampen war das großzügig. Ein Filter, der zwei Drittel eines auf wenige Linien konzentrierten Hintergrunds abschneidet und neun Zehntel des Signals durchlässt, brächte das Verhältnis auf das Anderthalbfache, mehr als eine halbe Blende geschenkt. Bei kontinuierlichem Hintergrund ähneln sich s und b, das Verhältnis schrumpft auf die Wurzel aus s, und was der Filter wegnimmt, zahlen Sie. Die Hälfte des Lichts abschneiden, um die halbe Stadt draußen zu halten, lässt Ihnen bei gleicher Aufnahmezahl 70 Prozent des vorherigen Signal-Rausch-Verhältnisses. Zurückholen heißt: doppelt so viele Aufnahmen. Ein kalter Akku diskutiert darüber nicht gern.

Wo Glas sich noch lohnt, und das ist hier nicht der Fall

Der falsche Filter ist kein schlechter Filter: Er ist ein Werkzeug für eine andere Optik. Schmalband auf Wasserstoff-Alpha und Sauerstoff, hinter einem lichtschwachen Objektiv und auf einer Montierung, die nachführt, bleibt die beste Art, Emissionsnebel mitten aus der Stadt heraus zu fotografieren, denn dort emittiert das Ziel tatsächlich in Linien und der kontinuierliche Hintergrund darf gnadenlos abgeräumt werden. Am Okular leistet ein UHC oder ein OIII am Planetarischen Nebel weiterhin etwas, das nach Zauberei aussieht.

Und dann gibt es den einen Filter, der am Telefon Pflicht statt Kür ist, den zertifizierten Sonnenfilter, der Sensor und Augen am Leben hält. Den kauft man, den prüft man vor jedem Einsatz, und den ersetzt nichts.

Was statt Glas wirklich hilft

Gegen einen Himmel, der mit kontinuierlichem Spektrum beleuchtet wird, bleiben vier Züge, jeder davon wirksamer als ein Zubehörteil. Zuerst die Entfernung: eine halbe Stunde Fahrt zu einem Himmel eine Klasse dunkler schlägt jede Glasscheibe, und die Bortle-Skala sagt Ihnen schon vor der Abfahrt, wie viel Sie gewinnen. Dann die Höhe: hoch zielen und der Lichtglocke der Stadt den Rücken zudrehen, dann liegt weniger beleuchtete Luft in der Sichtlinie, denn bei dreißig Grad über dem Horizont schauen Sie durch die doppelte Menge davon wie im Zenit.

Drittens die Zahl der Aufnahmen. Das Hintergrundrauschen sinkt mit der Wurzel aus der Zahl der gestackten Bilder, und dreihundert Aufnahmen zu acht Sekunden kommen mit dem Skyglow besser zurecht als jeder Filter, ohne dem Ziel ein einziges Photon zu klauen. Viertens verschwindet der Gradient hinterher, in der Bearbeitung, wo ein sauber subtrahiertes Hintergrundmodell wegräumt, was das Glas bloß anders eingefärbt hätte.

Eine physische Sache lohnt den Bau: eine Blende. Wenn die Laterne außerhalb des Bildes steht, ihr Licht aber trotzdem auf die Frontlinse fällt, nimmt ein zur Gegenlichtblende gefalteter schwarzer Karton Reflexe und Halos weg, die kein Filter anrühren kann, weil genau dieses Licht durchgelassen werden muss, sobald es von den Sternen kommt.

Das richtige Glas gegen die moderne Laterne gibt es, es wird überall verkauft und kostet wenig. Es heißt Kilometer.