Farbe - Farbsehen

ARGE

Schulversuchspraktikum

Farbe &

Farbsehen

Farbe

Geschichte

Im 17. Jahrhundert bemerkte Sir Isaac Newton, dass Sonnenlicht mithilfe eines Prismas in farbige Bänder zerlegt werden kann.

Er erkannte, dass "blaues" Licht (kurze Wellenlänge) wesentlich stärker im Prisma gebeugt wird als "rotes" Licht (lange Wellenlänge). Dieser Effekt wird in der Physik als das "Huygenssches Prinzip" (Je kürzer Wellenlänge, desto stärker die Beugung) bezeichnet.

Begriffe

Die Farbverteilung wird "Spektrum" genannt, und bei der Lichtbrechung spricht man in der Physik von "Dispersion". Das Licht verschiedener Wellenlängen bezeichnet man als Spektralfarben.

Spektrum

Das gesunde durchschnittliche menschliche Auge kann Wellenlängen von 770 nm (Infrarot zu Rot) bis 385 nm (Violett zu Ultraviolett) wahrnehmen, wobei die Grenzbereiche für die eigentliche Farbwahrnehmung beinahe keine Bedeutung hat. Im Allgemeinen reicht es aus den Bereich zwischen 400 und 730 nm zu berücksichtigen.

Doch dieser Bereich ist nur ein sehr kleiner Ausschnitt des Spektrums elektromagnetischer Wellen. In dem Bild unten sind die Wellenlängen logarithmisch aufgetragen, da die Größe der Grafik ansonsten anschaulich nicht auf ein Blatt Papier zu bringen gewesen wäre.

Im kurzwelligeren Bereich sind folgende bedeutsamen elektromagnetischen Wellen anzutreffen:

die ultraviolette (UV bis 10 ^-8 m),

• die Röntgen- (bis 10 ^-12 m),
• die Gamma- (bis 10 ^-14 m) und

die kosmische Strahlung (kleiner 10 ^-14 m)

Im langwelligeren Bereich diese:

ultra- oder infrarote (IR bis max. 10 ^-3 m) einschließlich der

• Wärmestrahlung (Mikrowelle um 10 ^-4 m oder 2640 GHz), die
• Radarwellen (3 * 10 ^-3 m bis 1 m) und der
• Richtfunk, Satellitensteuerung und Rundfunk:
• UHF ("Ultra-High-Frequenz") von 10 ^-1 m bis 1 m (oder 3000 MHz bis 300 MHz),
• VHF ("Very-High-Frequenz") von 1 m bis 3 m (oder 300 MHz bis 100 MHz),
• UKW ("Ultra-Kurz-Welle") von 2,7 m bis 3,43 m (oder 108 MHz bis 87 MHz),
• KW ("Kurz-Welle") in verschiedenen Bändern von 11,5 m bis 50 m (oder 26,1 MHz bis 5,9 MHz) über
• MW ("Mittel-Welle") von 186,9 m bis 571,5 m (oder 1605 kHz bis 525 kHz) zu
• LW ("Lang-Welle") von 1053 m bis 2000 m (oder 285 kHz bis 150 kHz).
• Oberhalb dieser Grenzen finden wir das "Hintergrundbrummen" (Ober- und Grundfrequenzen) von schnell laufenden Elektromotoren ebenso wie

das Trägersignal unseres Wechselstromes aus der Steckdose.

Diese Strahlungsarten können von unserem Auge nicht wahrgenommen werden, wobei darauf hinzuweisen ist, dass andere Lebewesen zum Teil deutlich andere Wellenlängen mit deren Augen wahrnehmen als der Mensch.

Für den Mensch ist der sichtbare Teil des Spektrums nur ein winziger Ausschnitt.

Das von einem Körper reflektierte Licht, das wir als seine Farbe wahrnehmen, ist, abgesehen von künstlich erzeugtem monochromatischem Licht, eine Mischung aus Licht verschiedener Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums.

Farbtemperatur

Unter Farbtemperatur versteht man ein Licht, wie es von einem "ideal schwarzen" Körper bei Erhitzen auf diese Temperatur ausgestrahlt werden würde. Ein so genannter schwarzer bzw. planckscher Strahler ist ein innen geschwärzter Hohlkörper mit einer kleinen Öffnung. Wenn man den Körper erhitzt tritt aus der Öffnung Strahlung aus, dessen Licht man der Temperatur des Strahlers zuordnet.

Verständlicher Weise ändert sich die Farbe des ausgestrahlten "Lichts" mit der Temperatur des Körpers. So werden z.B. Farben wie dunkelrot, die vom Menschen subjektiv als warme Farben empfunden werden, einer niedrigen Temperatur zugeordnet; Farben (blau) jedoch, die vom Mensch subjektiv als "kalt" empfunden werden ordnet man allerdings einer hohen Farbtemperatur zu.

Diese wird in Grad Kelvin gemessen, weshalb die Skala auch den Ursprung beim absoluten Nullpunkt von 0 Grad Kelvin (-273 °C) hat.

Besondere Bedeutung erlangte die Angabe der Farbtemperatur im Bereich der Farbfotographie.

Auch anderen Strahler wie z.B. Gasentladungslampen, wie Neonröhren können Farbtemperaturen zugewiesen werden, die aber keineswegs der eigentlichen Temperatur des Leuchtkörpers entsprechen müssen.

Weiters macht die Angabe der Farbtemperatur auch keine Aussage über die Strahlungsverteilung, sondern lediglich über die Farbgleichheit des betrachteten und des Planck'schen Strahlers.

An einem grauverhangenen Tag entspricht das Licht in etwa einer Farbtemperatur von 6000 K. Das Licht eines strahlend blauen Himmels kann jedoch Werte bis zu 16000 K erreichen.

Da sich das Tageslicht von Sekunde zu Sekunde ändert, wurde es international gemittelt und man spricht von der Normlichtart D65 (D: Daylight; Oberflächentemperatur der Sonne: T = 6504 K).

Der "Normlichtart A", einem definiertem Kunstlicht, ordnet man die Temperatur T = 2856° K zu. Diese Lichtart empfiehlt sich daher für Objekte unter künstlicher Glühlampenbeleuchtung.

Menschliches Wahrnehmungsempfinden

Zur Wahrnehmung von Licht benutzt der Mensch, wie die übrigen Wirbeltiere, seine beiden Augen. Jedes besitzt eine feste Hülle ("Sklera"), eine durchsichtige Hornhaut ("Cornea"), eine Regenbogenhaut ("Iris"), eine Linse, einen gallertartigen Glaskörper, eine Netzhaut ("Retina") mit primären Sinneszellen, ein Pigmentepithel und eine Aderhaut ("Chorioidea").

Entwicklungsbedingt treffen die von der Linse gesammelten Lichtstrahlen zuerst auf mehrere Schichten von Ganglienzellen und ableitenden Nervenfasern, dann auf die Zellkörper der Sehzellen und zum Schluß erst auf deren lichtempfindliche Außenglieder. Dies verursacht zwangsläufig eine gewisse Unschärfe, die an der Stelle schärfsten Sehens durch eine Grube ("Fovea centralis") kompensiert wird, in der die Ganglienzellen und Nervenfasern zur Seite geschoben und schräg gelagert sind, so daß die Lichtstrahlen fast unmittelbar aus dem Glaskörper auf die Sehzellen fallen.

Die menschliche Netzhaut besitzt zwei verschiedene Typen

von Sehzellen, so genannten "Rezeptoren"

Stäbchen werden hauptsächlich für das hell-dunkel sehen verwendet. Das menschliche Auge besitzt nur wenige davon. Wesentlich ausgeprägter sind diese Rezeptoren bei nachtaktiven Lebewesen, bei denen man bereits von einer Stäbchenretina sprechen kann.
Man nennt das Sehen mit Stäbchen auch das farblose oder "skototopische" Sehen

• Zäpfchen
  Im menschlichen Auge existieren drei verschiedene Typen von Stäbchen mit unterschiedlichem Absorbtionsverhalten. Es lässt sich aber verallgemeinern, dass alle drei Typen erst bei ausreichender Beleuchtung reagieren.
  Das Sehen mit den Zäpfchen wird auch als Farbsehen oder "phototopisches" Sehen bezeichnet.

Farbsehen oder "photopisches" Sehen

Farben des sichtbaren Spektrums lösen in der Netzhaut Farbreize aus, welche dann im Gehirn zu einem Farbeindruck verarbeitet werden. Wie bereits aus der Biologie bekannt lösen gleiche Reize auch immer die gleiche Farbempfindung aus.

Die verschiedenen Zapfen haben wie bereits erwähnt verschiedenes Adsorptionsverhalten, deren Maxima bei

Rot ("Orangerot")

Grün ("Laubgrün")

Blau ("Violettblau")

liegen.

Somit kann man von genau drei verschiedenen Typen von Zäpfchen sprechen woraus folgt, dass der Farbraum dreidimensional eindeutig beschreibbar ist ("trichromatisches System").

Für das menschliche Auge existiert sowohl eine untere als auch eine obere Reizschwelle jenseits der keine Reaktion erfolgt.

Bei Reizen die andauern tritt eine Gewöhnung ("Adaption") ein, die bis zum Fortfall der Wahrnehmung führen kann. Ursache der Gewöhnung kann eine Verminderung der Empfindlichkeit des Sinnesorgans oder auch eine veränderte Reaktion des Nervensystems sein.

Beispiel:

Wenn man ca. 1 Minute auf die schwarze Glühbirne mit dem weißen Glühfaden starrt, und danach auf die weiße leere Fläche daneben blickt, dann kann man das Negativ der Vorlage erkennen. Eine weiße Glühbirne mit schwarzem Glühfaden.

Adaption

Wie bereits erwähnt kann sich das Auge verschiedenen Situationen wie zum Beispiel unterschiedlichen Beleuchtungsstärken anpassen. Bei hohen Lichtstärken ist das Auge um einiges unempfindlicher als bei geringen Lichtstärken wo das Auge am sensibelsten ist.

Die Anpassung an geringes Umgebungslicht nennt man Dunkeladaption. Der Anpassungsvorgang dauert eine Weile, wobei die Lichtempfindlichkeit der Stäbchen weit höher ist als die der Zäpfchen. Die Adaption im Auge erfolgt durch Bleichung bzw. Regeneration der Sehpigmente. Bei Dunkeladaption muss erst wieder genügend Rhodopsin (Iodopsin) regeneriert werden. Dieser Vorgang benötigt in etwa 30 Minuten bis er vollständig abgeschlossen ist.

Die Helladaption geht wesentlich schneller von statten. Innerhalb 1 Minute werden die Sehpigmente gebleicht. Dabei werden die Rezeptoren stark gereizt und geblendet. Dieser Effekt tritt zum Beispiel ein wenn man im Sommer am Tag eine Kinovorstellung verlässt.

Farbsysteme

Über Farbsysteme wurde bereits in anderen Vorträgen sehr viel gesprochen. Dazu möchte ich noch einige Dinge ansprechen die noch nicht erwähnt wurden.

Additive Farbmischung

Bei der additiven Farbmischung verwendet man für die Grundfarben diejenigen Farbenwerte, die als Maxima der CIE1931-Kurven gelten.

In der Technik kommen Farben meist durch Emissionen dreier spektraler Bänder zustande:

bis 490 nm

bis 590 nm

bis 720 nm

Diese unterscheiden sich jedoch deutlich von den so genannten "Elementarfarben", die subjektiv als "rein" empfunden werden.

"Elementargelb" (ca. 574 nm)

"Elemantargrün" (ca. 503 nm)

"Elementarblau" (ca. 475 nm)

Eine Mischung aus den Spektralfarben der Wellenlängen = 400 nm und 700 nm wird als "Elementarrot" bezeichnet und komplettiert die empfindungsmäßig ausgezeichneten vier rein-bunten Farben.

Subtraktive Farbmischung

Die subtraktive Farbmischung geht von einheitlichen Lichtverhältnissen aus, die eigentlich nicht vorausgesetzt werden dürfen. Eine andere spektrale Verteilung des zu reflektierenden Lichtes ergibt völlig andere Ergebnisse.

Wie man vielleicht bemerkt hat, schaut das Schnitzel in der Fleischhandlung anders aus als später nach dem Einkauf zu Hause am Küchentisch, was daran liegt, das in der Fleischabteilung meist rotstichiges Licht für die Beleuchtung der Waren verwendet wird, um eine bessere Qualität vorzutäuschen.

Mittlerweile gibt es aber dafür Grenzwerte, die gesetzlich festgelegt sind.

Die Faktoren, von der der Farbeindruck bei der subtraktiven Farbmischung abhängt sind:

Die spektrale Energieverteilung der Lichtquelle

• Die spektrale Reflexion des Lichtes durch das Objekt
• Die Normspektralwertfunktion der Rezeptoren
• Eventuell psycho-physikalische Erscheinungen

o       Auf großen Flächen wirken Farben leuchtender bzw. intensiver.

o       Der Einfluss der Hintergrundfarbe auf den Farbeindruck.

o       Auch die Entfernung zum betrachteten Objekt hat Einfluss auf den Farbeindruck.

Optische Täuschungen

Es gibt 6 verschiedene Arten von optischen Täuschungen:

Optische Täuschungen im Zusammenhang mit dem Aufbau des menschlichen Auges

Ganzes und Teil

Überbewertung vertikaler Linien

Überschätzung spitzer Winkel

Veränderliche Reliefwirkung und Perspektive

Figur und Hintergrund

Beispiele für die 6 Gruppen finden sich im Anhang als Folien einer Powerpointpräsentation:

Die Schnittstellen der schwarzen Streifen sehen nicht schwarz, sondern grau aus.

Die obere Figur erscheint in Umfang und Fläche kleiner als die untere, jedoch fallen sie beim Aufeinanderlegen zusammen.
Der innere Kreis der linken Figur scheint größer zu sein als der rechte innere Kreis.

Täuschungen bei schlauchartigen Figuren. Die linken Striche erscheinen länger als die rechten, obwohl sie ein und dieselbe Länge haben. Weiterhin erscheint die Fläche der rechten Figur größer, aber auch diese ist gleich groß der Fläche der linken Figur.
Das rechte schraffierte Quadrat erscheint schmaler und höher als das linke.

Parallele Geraden erscheinen durch den Einfluss des Hintergrundes gebogen und nicht parallel.
Die Seiten des Quadrats scheinen gekrümmt und das Quadrat deformiert zu sein.

Infolge Nichtbeachtung perspektivischer Regeln erscheint die Figur des vorangehenden Greises viel höher als die des Jungen, obwohl die Figuren gleich sind.
Welche Entfernung ist größer AB oder AC? Nicht wahr, AC ist größer? Und jetzt messen Sie!

Der Buchstabe C wird deutlicher gesehen (da er ein bekanntes Zeichen ist) als die helle Figur des Hintergrundes, die den Buchstaben einschließt.
Zuerst sieht man meist auf diesem Bild die Vase und dann zwei Silhouetten

Quellen

Internet:

http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-38.htm

http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Neue Medien:

Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001

Grafikindex (gereiht nach Folien im Anhang - 2 Folien pro Seite):

Folie 1:   selfmade

Folie 2:   Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001 (Newton)

http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html (Prisma)

Folie 3:   http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 4:   http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 5:   http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 6:   http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 7:   http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-38.htm

Folie 8:   http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 9:   http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-38.htm

Folie 10: http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-38.htm

Folie 11: selfmade

Folie 12: http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 13: http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 14: http://www.uni-regensburg.de/EDV/Misc/CompGrafik/Script_5.html

Folie 15: selfmade

Folie 16: selfmade

Folie 17: selfmade

Folie 18: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Folie 19: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Folie 20: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Folie 21: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Folie 22: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm

Folie 23: http://www.elektronik-web.de/htm/optische_taeuschungen.htm