Wie ooit vanuit een donkere locatie naar de nachtelijke hemel heeft gekeken, weet hoe overweldigend het verschil kan zijn met observeren vanuit een stad of voorstad. De oranje gloed boven het stedelijke landschap, veroorzaakt door straatverlichting, reclameborden en industriële installaties, tast de zichtbaarheid van zwakke hemellichamen ernstig aan. Voor de amateur-astronoom en astrofotograaf die niet altijd de luxe heeft om naar een donkere observatielocatie te reizen, bieden zogenaamde light pollution filters of lichtverontreinigingsfilters een waardevolle oplossing. Deze filters zijn echter geen wondermiddel, en om ze correct te gebruiken is een gedegen begrip van hun werking, samenstelling en beperkingen onontbeerlijk.
Wat is lichtverontreiniging en waarom is het een probleem?
Lichtverontreiniging is het gevolg van kunstmatig licht dat in de atmosfeer verspreid wordt en de achtergrondhelderheid van de hemel verhoogt. Dit fenomeen, ook wel sky glow genoemd, is de cumulatieve uitstraling van steden en dorpen die als een lichtkoepel boven bewoonde gebieden hangt. De ernst van de lichtverontreiniging wordt gemeten met de Bortle-schaal, die van 1 (volledige duisternis, ideaal) tot 9 (sterk vervuilde stadshemel) loopt. De meeste amateurs in West-Europa observeren vanuit gebieden die op de Bortle-schaal een 6 tot 8 scoren, wat de waarneming van zwakke nebulae, sterrenstelsels en andere deep-sky objecten aanzienlijk bemoeilijkt. Het probleem schuilt in het emissiespectrum van kunstmatige lichtbronnen. Traditionele natriumdamplampen (LPS, Low Pressure Sodium) stralen vrijwel monochromatisch licht uit op of rond de golflengten 589,0 nm en 589,6 nm, de beroemde natrium-D-dubbellijnen. Hogedruk natriumlampen (HPS, High Pressure Sodium) hebben een breder spectrum met emissielijnen verspreid over het zichtbare gebied, van circa 560 nm tot 640 nm. Kwikdamplampen stralen uit op karakteristieke golflengten als 404,7 nm, 435,8 nm, 546,1 nm en 578 nm. De nieuwere LED-straatverlichting vormt een bijzonder lastige uitdaging: moderne witte LEDs baseren zich op blauw licht (circa 450 nm) dat een fosforlaag stimuleert, wat resulteert in een breed continuüm met een uitgesproken blauwe piek en een warm of koel wit eindspectrum. Dit brede, continuüm-achtige emissieprofiel is veel moeilijker te filteren dan de smalle, discrete emissielijnen van natriumlampen.
Het principe achter light pollution filters
Een light pollution filter werkt op basis van selectieve transmissie: het laat bepaalde golflengten door terwijl het andere blokkeert. De golflengten die worden doorgelaten zijn zorgvuldig gekozen om samen te vallen met de emissiespectra van astronomisch interessante verschijnselen, terwijl de geblokkeerde golflengten overeenkomen met de emissielijnen van kunstmatige lichtbronnen. De meest relevante emissieprocessen in deep-sky objecten zijn de volgende. Waterstof-alfa (Hα) straalt uit op 656,3 nm, in het rood, en is karakteristiek voor geïoniseerde waterstofgas in emissienebulae. Waterstof-bèta (Hβ) zit op 486,1 nm, in het blauw-groen. Dubbel geïoniseerd zuurstof, aangeduid als OIII, heeft twee sterke emissielijnen op 495,9 nm en 500,7 nm en is verantwoordelijk voor de groene gloed in planetaire nevels en sommige emissienebulae. Enkelvoudig geïoniseerd zwavel (SII) straalt uit op 671,6 nm en 673,1 nm, in het diep-rood. Dubbel geïoniseerd stikstof (NII) heeft emissielijnen op 654,8 nm en 658,3 nm, vlak bij Hα. Deze emissielijnen zijn smal, typisch een paar nanometers breed, wat de basis vormt voor het ontwerp van narrowband filters.
Samenstelling en fabricage van astronomische filters
De fabricage van hoogwaardige astronomische filters is een precisietechnologisch proces. De kern van elk filter is een optisch substraat van hoogwaardig glas, gewoonlijk BK7 borosilicaatglas of soortgelijk optisch glas, dat gepolijst is tot nauwkeurige planparallelle vlakken om prismatische effecten te voorkomen die het ster-beeld zouden verslechteren. Op dit substraat worden dunne filmlagen aangebracht via een techniek die physical vapour deposition (PVD) of sputtering wordt genoemd. Bij PVD wordt het substraat in een vacuümkamer geplaatst. Vervolgens worden wisselende lagen van materialen met hoge en lage brekingsindex aangebracht, typisch combinaties van titaandioxide (TiO₂) of tantaalpentoxide (Ta₂O₅) als hoog-indexmateriaal en siliciumdioxide (SiO₂) als laag-indexmateriaal. Door de dikte en volgorde van deze lagen nauwkeurig te controleren, kan men gebruik maken van interferentie-effecten: golflengten waarvoor de faserelatie destructieve interferentie oplevert worden gereflecteerd, terwijl golflengten met constructieve interferentie worden doorgelaten.
Een typische narrowband filter kan tientallen tot meer dan honderd laagjes bevatten, elk met een dikte in de orde van een kwart golflengte van het beoogde licht, dat is dus typisch 100 tot 200 nanometer per laag. De bandbreedte van het filter, het zogenaamde pasband of FWHM (Full Width at Half Maximum), wordt bepaald door het aantal lagen en de nauwkeurigheid van de depositie. Bredere passband filters voor visueel gebruik hebben een FWHM van 20 tot 50 nm, terwijl narrowband filters voor astrofotografie bandbreedtes van 3 tot 12 nm hebben. Extreem smalle ultranarrowband filters van 1 tot 3 nm zijn ook beschikbaar voor gespecialiseerde toepassingen. Een cruciaal kenmerk van deze interferentiecoatings is dat de doorgegeven golflengte licht afhankelijk is van de hoek waaronder het licht het filter treft. Bij loodrecht invallend licht (0° hoek van inval) is de transmissie gecentreerd op de nominale golflengte. Bij schuin invallend licht verschuift de pasband naar kortere golflengten, een fenomeen dat blueshift wordt genoemd. Dit heeft praktische gevolgen voor gebruik met snelle optische systemen (kleine f-ratio, zoals f/4 of f/2), waarbij de lichtbundel een grotere hoeksprong bij het filter heeft en de effectieve bandbreedte verbreed en de centrale golflengte verschuift. Fabrikanten brengen vaak filters op de markt die geoptimaliseerd zijn voor specifieke f-ratios, en sommige filters zijn ontworpen met een licht roodverschoven nominale golflengte om de blueshift bij snelle systemen te compenseren.
Soorten light pollution filters
- Broadband of skygow filters
Dit zijn de meest toegankelijke en veelzijdige filters voor lichtverontreinigingsonderdrukking. Ze hebben een brede pasband van doorgaans 400 tot 700 nm met specifieke uitsneden op de frequenties van natriumlampemissie en kwikdampemissie. Bekende voorbeelden zijn de Astronomik CLS (City Light Suppression), de Lumicon Deep Sky filter, en de IDAS LPS (Light Pollution Suppression) serie. Het IDAS LPS-D2 filter is een goed gedocumenteerd voorbeeld. Het blokkeert de natriumdamplijnen rond 589 nm en de kwikdamplijn bij 546 nm, terwijl het Hα (656 nm), Hβ (486 nm) en OIII (500 nm) goed doorlaat. Het transmissieprofiel toont typisch transmissievensters van 400 tot 490 nm en 490 tot 530 nm en 550 tot 570 nm en 590 tot 700 nm, afhankelijk van het specifieke model. Deze filters zijn effectief voor LPS en HPS straatverlichting maar minder effectief bij LED-verlichting vanwege het brede continuüm van de laatste. Broadband filters zijn geschikt voor visueel gebruik en bredere kleurenfotografie. Ze handhaven de kleurbalans redelijk goed en zijn bruikbaar voor zowel reflectienebulae als emissienebulae, sterrenstelsels en sterrenhopen. - OIII filters
OIII filters zijn smalband filters met een pasband gecentreerd op de dubbellet van dubbel geïoniseerd zuurstof bij 496 en 501 nm. Typische bandbreedtes liggen tussen 6 en 12 nm voor fotografische toepassingen en 10 tot 20 nm voor visueel gebruik. Ze zijn bijzonder effectief voor planetaire nevels (zoals de Sluiernevel, NGC 7293 of de Ringnevel M57), supernova-resten en sommige emissienebulae met sterke OIII-emissie. Visueel gezien hebben OIII filters een sterk vergrootend effect op de zichtbaarheid van planetaire nevels: een object dat zonder filter nauwelijks zichtbaar is, kan met een OIII filter plotseling duidelijk zichtbaar worden. Dit is te danken aan het feit dat de sky glow breedbandig is en sterk gereduceerd wordt, terwijl de nauwe emissielijn van het object grotendeels intact blijft. De contrast-boost kan enorm zijn. - Hα filters
Hα filters zijn ontworpen voor de emissielijn van waterstof-alfa bij 656,3 nm. Voor astrofotografie worden smalbandige Hα filters met een FWHM van 3 tot 12 nm gebruikt. Ze zijn de hoeksteen van hydrogen-alpha fotografie van emissienebulae, HII-regio's en supernova-resten. Omdat Hα in het diepe rood valt, zijn deze filters vrijwel nutteloos voor visueel gebruik: het menselijk oog is bij lage lichtniveaus (scotopisch zien) nauwelijks gevoelig voor rood licht. Een fotocamera of CCD/CMOS sensor is echter uitstekend gevoelig in dit golflengtegebied, zeker wanneer de sensor gemodificeerd is om de standaard IR-cut filter te verwijderen. Een bijzonder aspect van Hα fotografie is dat het vrijwel volledig immuun is voor lichtverontreiniging, ongeacht de bron. De pasband van slechts enkele nanometers laat vrijwel geen kunstmatig licht door, waardoor steden geen belemmering meer vormen. Dit heeft geleid tot een bloei van narrowband astrofotografie vanuit stedelijke omgevingen.
SII filters
SII filters zijn gericht op de zwavellijn bij 672 nm. Ze worden hoofdzakelijk gebruikt voor de beroemde Hubble Palette fotografie, waarbij Hα, OIII en SII worden gecombineerd tot een driekanaalskleurenfoto die de kleurtoewijzing van de Hubble Space Telescope nabootst: SII wordt rood gekleurd, Hα groen, en OIII blauw. Dit levert de karakteristieke blauw-groen-gele afbeeldingen op die men herkent van Hubble-foto's van de Adelaarsnevel of de Spitsnevel. - Dual-narrowband filters
Een relatief nieuwe categorie zijn de dual-narrowband filters, die twee smalle pasvensters combineren in één filter. De meest populaire variant combineert Hα en OIII. Voorbeelden zijn de Optolong L-eNhance, L-eXtreme, en de IDAS NB1 en NB3. Deze filters zijn bijzonder populair voor gebruik met kleurencamera's (one-shot color of OSC cameras) en zijn ook toepasbaar met monochrome sensoren. Het voordeel van een dual-narrowband filter met een kleurencamera is dat de Hα-emissie overwegend in de rode pixels van de Bayermatrix valt, terwijl OIII in de groene en blauwe pixels landt. Via softwarematige bewerking, vaak gecombineerd met een techniek als het Hubble Palette of een synthetische groenkanaalextractie, kan men toch afzonderlijke emissiekaartenrekonstruieren uit een enkele opname. De L-eXtreme van Optolong heeft een FWHM van circa 7 nm voor zowel het Hα als OIII venster, wat het bruikbaar maakt in zwaar vervuilde stedelijke omgevingen. - UHC filters (Ultra High Contrast)
UHC filters, ook wel aangeduid als nebula filters, hebben een pasband die zowel Hβ als OIII doorlaat (de zogenaamde nebulaire hoofdlijnen) en in sommige varianten ook Hα includeert. Ze zijn ontworpen voor visuele observatie en bieden een goede balans tussen contrastverbetering en voldoende helderheid. Bekende modellen zijn de Astronomik UHC, de Lumicon UHC en de Baader UHC-S. Ze zijn minder restrictief dan een OIII-only filter en daardoor beter geschikt voor observateurs die meerdere typen objecten willen waarnemen zonder steeds van filter te wisselen.
Filterformaten en montageopties
Light pollution filters zijn verkrijgbaar in diverse formaten. Schroefdraadfilters zijn het meest gangbaar en worden gemonteerd in het schroefdraad van een oculair (doorgaans 1,25 inch of 2 inch). Filterlade-formaten zijn bedoeld voor montage in een filterwheel achter een focuser, voor gebruik met camera's. Clip-in filters zijn ontworpen om in het camerabody te worden geplaatst, vlak voor de sensor, en zijn een populaire optie voor DSLR-gebruikers die geen schroefdraadaansluiting op hun lensadapter hebben. Sommige fabrikanten, zoals Optolong en Astronomik, leveren clip-in versies van hun filters voor Canon, Nikon en Sony spiegelloze cameras.
Beperkingen
Light pollution filters zijn geen universele oplossing. Ze werken uitstekend voor emissienebulae, planetaire nevels en supernova-resten die sterk stralen in smalle emissielijnen. Ze werken echter slecht of helemaal niet voor reflectienebulae (die sterlicht weerkaatsen en dus een continu spectrum hebben), sterrenstelsels (die breedbandig continuüm uitstralen), en sterrenhopen. Voor deze objecttypen helpt alleen daadwerkelijk donkere lucht. Bovendien verdwijnt de lichtverontreiniging niet volledig: de filters reduceren haar, maar voor zwakke objecten bij zware lichtverontreiniging (Bortle 8 of 9) is de verbetering soms teleurstellend. De fundamentele oplossing blijft het opzoeken van een donkere hemel, hetzij door naar een donkere locatie te reizen, hetzij door gebruik te maken van remote observatoria op locaties als Spanje, Chili of Namibië, die tegenwoordig als betaalbare online dienst beschikbaar zijn.
