Wie entsteht Farbe?

…oder warum ist der Apfel grün?

Farbentstehung

Farbe ist eine Sinneswahrnehmung, ähnlich wie Kälte und Wärme. Der ganze Sehvorgang beginnt mit einem Nervenreiz und endet in einer Sinneswahrnehmung, es handelt sich dabei um eine subjektive Wahrnehmung, welches durch ein objektives Ereignis ausgelöst und von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Von wesentlicher Bedeutung für das Farbempfinden sind die Lichtquelle, mit der ein Objekt bestrahlt wird, das Objekt selbst, der momentane psychische und physische Zustand sowie die persönlichen Erfahrungen des Betrachter selbst.

Das Auge


In unser Auge eintreffendes Licht trifft auf Millionen von Stäbchen und Zäpfchen, welche sich auf der Netzhaut (Retina) im hinteren Teil des Auge befinden. Die lichtempfindlichen Stäbchen (ca. 20 Mio) sind farbenblind, sie reagieren nur auf die Lichtstärke, also die Leuchtkraft die von einer Lichtquelle ausgeht und vermitteln lediglich die Wahrnehmung von Helligkeitsunterschieden → Das Nachtsehen

Die Zäpfchen (ca. 5 Mio) hingegen sind farbtüchtig und zuständig für das Tagsehen. Es gibt insgesamt drei verschiedene Typen von Zäpfchen, die je ein Photopigment besitzen und für je ein Spektraldrittel (Rot, Grün, Blau) empfindlich sind. So ist eine Zäpfchenart für die kurzen Wellenlängen des blauen Spektraldrittels (400 - 500 nm) empfindlich, die zweite Zäpfchenart für das grüne (500 - 600 nm) und die dritte Zäpchenart für das rote (600 - 700 nm) Spektraldrittel. Diese drei Zäpfchen machen nun auf Grundlage der additiven Farbmischung, die wir später noch näher erläutern werden, jede Farbe für den Menschen sehbar.

Vom Licht zum Farbkreis


Licht setzt sich aus einer Anzahl elektromagnetischer Schwingungen verschiedener Wellenlängen zusammen. Das gesamte Spektrum elektomagnetischer Strahlung, welche z.B. von der Sonne ausgestrahlt wird, beginnt bei der kurzwelligen und energiereicher Gammastrahlung und endet bei den langwelligen Radiowellen. Zwischen der Ultraviolettstrahlung (UV) und der Infrarotstrahlung (IR) liegt das sichtbare Spektrum, welches vom Auge als »Licht« wahrgenommen wird.

Bereits im 17. Jahrundert zerlegte Isaac Newton das Sonnenlicht an einem Glasprisma in seine Spektralfarben (Dispersion des Lichts) und konnte so nachweisen, dass sich weißes Licht in eine Vielzahl von Einzelfarben teilen lässt. Das Prisma bricht blaues Licht stark, rotes Licht hingegen erfährt nur eine leichte Brechung – dazwischen liegen unendlich viele Abstufungen und ein Lichtspektrum von Violett über Blau, Grün, Gelb und Orange bis zum Rot. Das so von Newton entworfene Modell des Farbkreises hat bis heute Gültigkeit.









Farbmischprinzipien:

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Formen der Farbmischung, die man je nach ihrem Zustandekommen als additive oder subtraktive Farbmischung bezeichnet. In der Natur begegnet man diesen beiden Farbmischgesetzen praktisch gleichzeitig, nämlich in dem Augenblick, in dem eine Lichtquelle (Emission von Lichtfarben) auf ein farbiges Objekt auftrifft, das die Eigenschaft hat, bestimmte Wellenlängen des Lichts zu absorbieren, transmittieren oder zu remittieren (Körperfarben).

Das Prinzip der additiven Farbmischung (Lichtfarben)


Rot, Grün, Blau (RGB) werden als Grundfarben oder Primärfarben des Lichtes bezeichnet, weil sich mit rotem, grünem und blauen Licht sämtliche Farbnuancen des Spektrums, welche vom menschlichen Auge wahrnehmbar sind, nachbilden lassen. Dies geschieht durch Addition der Lichtenergien von zwei oder drei Grundfarben in unterschiedlicher Kombination und Intensität sowie verschiedenen Anteilen. Durch Überlagerung der Lichtkegel und somit Addition verschiedenfarbigen Lichtes ergeben sich neue Farben. Durch Überlagerung von Rot, Grün und Blau bei voller Intensität resultiert weißes Licht.

Wird die Intensität gleichmäßig um die Hälfte reduziert, entsteht ein mittleres Grau. Wird sie noch weiter reduziert, gibt es schließlich Schwarz, weil gar kein Licht mehr vorhanden ist. Werden jeweils nur zwei Primärfarben zu gleichen Teilen addiert, ergeben sich die so genannten Sekundärfarben Cyan, Magenta und Gelb. Da Lichtmenge addiert wird, sind die resultiuerenden Mischfarben grundsätzlich heller und weniger gesättigt, als die zugrunde liegenden Primärfarben.

Ein Orange beispielsweise ensteht beim additiven Mischen von roten und grünen Licht, wobei die Intensität des grünen Lichts um die Hälfte reduziert ist. Mischt man noch etwas Blau dazu, wird die Sättigung der Mischfarbe durch eine leichte Verweißlichung reduziert. Man errinnert sich; R,G,B bei voller Intensität ergibt Weiß.




Das Prinzip der subtraktiven Farbmischung (Körperfarben)


Im Gegensatz zur additiven Farbmischung, wo Lichtenergie zu Lichtenergie addiert wird - als Emissionserscheinung einer Lichtquelle - basiert die subtraktive Farbmischung auf Wegnahme von Lichtenergie, das heißt auf Absorption gewisser Spektralanteile des weißen Lichts an Oberflächen. Die Primärfarben der subtraktiven Farbmischung sind Cyan, Magenta und Gelb (Die Sekundärfarben der additiven Farbmischung). Sowohl die Oberflächenbeschaffenheit als auch die Reflexions- (Remissions-), Transmissions- oder Absorptions- Eigenschaften von Pigment- oder Farbstoffschichten sowie die Art der vorhandenen Strahlung (Lichtbeschaffenheit) haben einen Einfluss auf die farbliche Erscheinung eines selbst nicht leuchtenden Körpers.

Wie bereits erwähnt, ist neben sichtbarer Strahlung (Licht) eine Körperoberfläche (Objekt) notwendig, die sichtbare Strahlung reflektiert (z.B. unser Apfel) oder transmittiert (Farbdia, Farbfilter oder Farbfolie), um Farben überhaupt wahrnehmen zu können. Ein Gegenstand der mit weißem Licht bestrahlt wird, erscheint uns weiß, wenn er aufgrund seiner Oberflächenbeschaffenheit das gesamte sichtbare Spektrum von ca. 380 - 780 nm reflektiert. Das heißt, alle drei Spektraldrittel (Rot, Grün, Blau) werden vollständig zurückgeworfen. Werden alle drei Spektraldrittel von einer Oberfläche absorbiert, entsteht durch die vollständige Subtraktion der gesamten Lichtenergie Schwarz. Erscheint uns eine Körperfarbe als Gelb, werden die blauen Spektralanteile von der Oberfläche absorbiert, während die roten und grünen Wellenlängen reflektiert werden. Gleichzeitig erfolgt wiederum eine additive Farbmischung der roten und grünen Wellenlängen im Auge und wir empfinden Gelb. Eine Körperfarbe hat also eine gewisse Filtereigenschaft.



Hier einige Beispiele, welche dieses Verhalten illustrieren sollen:







Im Druck ergibt sich beispielsweise die Farbe Grün aus den Primärfarben Cyan und Gelb, wie in der nebenstehenden Darstellung gezeigt wird. Die erste Farbschicht, das Cyan hier in diesem Beispiel, absorbiert nur das Rot. Gelb und Grün werden noch nicht beeinflusst und erreichen die nächste Farbschicht, hier das Gelb. Dieses Gelb wiederum filtert den blauen Bestandteil heraus. Nur das Grün findet also seinen Weg zurück und zum Auge des Betrachters. Dort ruft es dann den Farbeindruck "Grün" hervor. Man erhält also ein Grün, indem man die Farben druckt, welche die dazu nicht benötigten Bestandteile Rot und Blau absorbieren.


Komplementärfarben:




Ein sich im Farbkreis gegenüberliegendes Farbenpaar ergänzt sich bei der subtraktiven Farbmischung zu Schwarz (bei der additiven Farbmischung zu Weiß). Auch hier besteht das Komplementärfarbenpaar wieder aus einer Primär- (CMY) und einer Sekundärfarbe (RGB) der subtraktiven Farbmischung. Eine subtraktive Farbmischung findet grundsätzlich bei jeder Art von Mal- bzw Drucktechnik wie beispielsweise im Offsetdruck statt aber auch beim Hintereinanderschalten von Farblitern oder bei Farbdias.

Beim Übereinanderdrucken von zwei lasierenden, subtraktiven Grundfarben entsteht entweder Rot, Grün oder Blau, die wiederum die Grundfarben des additiven Modells darstellen. Kommt eine dritte Farbe dazu, ergibt das Schwarz. Die enge Verknüpfung von additiver und subtraktiver Farbmischung ist somit offensichtlich.


Farbtemperatur

Wesentliches Kennzeichen aller Lichtquellen ist ihre spektrale Strahlungsverteilung, die durch Angabe einer Farbtemperatur beschrieben wird. Sie wird definiert als die Temperatur, auf die man einen Schwarzen Körper (Referenzkörper oder Planck'scher Strahler) aufheizen müsste, damit er Licht der gleichen Farbe abgibt. Die Einheit für die Farbtemperatur ist Kelvin (K). Jede Lichtquelle - egal ob Sonnenlicht, das Licht einer Glühbirne, Kerzenschein, Neonlicht - hat eine andere Farbtemperatur. Im Vergleich zu Sonnenlicht (5.000 bis 6.000 K) enthält das Licht einer Glühbirne (2.500 bis 3.000 K) deutlich höhere Rot-Anteile - es wirkt daher "wärmer". An einem bewölkten Tag (6.500 bis 7.500 K) wiederum enthält das Licht größere Blau-Anteile als an einem strahlend hellen Tag ohne Wolken.












Da das Spektrum z.B. einer Glühbirne nun einen deutlich höheren Rot-Anteil besitzt (siehe Grafik), kommt es bei der Betrachtung eines Gegenstandes (Körperfarbe) zwangsläufig zu Farbverschiebungen. Betrachtet man nun z.B. eine Zitrone unter einer Glühbirne (wir erinnern uns, eine gelbe Oberfläche reflektiert nur die grünen und roten Spektraldrittel) wird durch den höheren Anteil des roten Spektraldrittels der Glühbirne mehr Rot als Grün reflektiert, was das Gelb einer Zitrone mehr Orange erscheinen lässt. Im Gegensatz zur Glühbirne hat das mittlere Tageslicht gleichmäßig viele Anteile des gesamten sichtbaren Spektrums, wie in der Grafik dargestellt und erscheint somit Weiß.


Hier einige Werte typischer Lichtquellen (Nur Richtwerte):


^ Lichtquelle ^ °K ^

Kerze 1.500 K
Glühlampe (40 W) 2.200 K
Glühlampe (60 W) 2.680 K
Glühlampe (100 W) 2.800 K
Glühlampe (200 W) 3.000 K
Halogenlampe 3.000 K
Fotolampe Typ B, Halogenglühlampe 3.200 K
Fotolampe Typ A bzw. S, Spätabendsonne kurz vor Dämmerungsbeginn 3.400 K
Leuchtstoffröhre (Kaltweiß) 4.000 K
Xenon-Lampe]], Lichtbogen 4.500–5.000 K
mittleres Tageslicht, D50-Lampe (Druckerei) 5.000 K
Vormittags-/Nachmittagssonne 5.500 K
Elektronenblitzgerät 5.500–5.600 K
Mittagssonne, Bewölkung 5.500–5.800 K
Tageslichtlampe 5.600–7.000 K
Bedeckter Himmel 6.500–7.500 K
Nebel, starker Dunst 7.500–8.500 K
Blauer Himmel (z. B. im Schatten) bzw. kurz nach Sonnenuntergang
und kurz vor Sonnenaufgang, Blaue Stunde
9.000–12.000 K
Klares blaues, nördliches Himmelslicht 15.000–27.000 K

Normlichtarten

Es dürfte mittlerweile klar geworden sein, dass es sehr unterschiedliches Licht gibt. Das verursacht sowohl in der grafischen Industrie wie auch in anderen Industriezweigen, die mit Farbe zu tun haben, gewisse Probleme, denn die farblichen Ergebnisse sind je nach Umgebungslicht nicht bzw. nur schwer vorhersehbar (Wir erinnern uns an die Zitrone im Licht der Glühbirne). Demnach ist es unmöglich farbige Erzeugnisse herzustellen, die unter verschiedenen Lichtbedingungen immer perfekt gleich aussehen.

Deshalb wurden bereits 1931 von der Commission International de I'Éclaiarge (CIE) sogenannte Normlichtarten festgelegt. Die Druckindustrie hat sich dabei auf die Lichtart D50 festgelegt und bezeichnet sie auch als Abmusterungslicht. »D« steht für Daylight und deutet daraufhin, dass es sich hierbei um tageslichtähnliche, kontinuierliche und somit lückenlose Spektren handelt.

D50 entspricht einem mittleren Tageslicht (weißes Licht) ohne UV Anteil bei 5000K.

D65 hat sich als "Standard Weiß" in der Fernsehtechnik durchgesetzt.

Weißabgleich

Wie Eingangs schon erwähnt, spielt auch die Psyche eine große Rolle bei der Farbwahrnehmung. Das Auge liefert uns zwar ein exaktes Bild unter den gegebenen Lichtverhältnissen, jedoch rechnet unser Gehirn seine Erfahrungswerte mit in die bewusste Wahrnehmung ein. Wir erinnern uns an die Zitrone, die im Licht einer Glühbirne eher orange erscheint; Jedoch unser Gehirn kennt den Gegenstand Zitrone und weiß auch das er Gelb ist. Das Gehirn führt somit automatisch einen Weißabgleich durch und die Zitrone erscheint uns wieder mehr gelb als orange.

Lichtempfindliche Sensoren, wie z.B. in Digitalkameras haben diese Erfahrungswerte nicht und bilden den Gegenstand so ab, wie er sich rein physikalisch unter den gegebenen Lichtverhältnissen darstellt. Dieses Problem kennen alle Fotografen mit farbstichigen Bildern. Damit Farbstiche nicht entstehen, arbeiten Digitalkameras mit einem Weißabgleich. Beim Weißabgleich erfasst die Kamera die Farbtemperatur des Lichts und erhält so Informationen über das Farbspektrum des das Motiv beleuchtenden Lichts. Die Kamera erfasst so, welche Farben wie stark im Licht vertreten sind. Entsprechend der Farbanteile wird das Foto abgeglichen.

Ein Beispiel: Ein Foto wird unter Kunstlichtbedingungen von etwa 4.000 Kelvin aufgenommen. Die Kamera misst das Licht und ermittelt etwa 4.000 Kelvin. Die Kamera hat für verschiedene Farbtemperaturen bestimmte Werte für die Farbverteilung im Licht gespeichert. Entsprechend dieser gespeicherten Werte kann die Kamera nun das Foto dem menschlichen Empfinden angleichen, das Foto ohne Farbstich berechnen. Im Beispiel weiß die Kamera, dass das Farbspektrum des Lichts ein wenig in Richtung Rot verschoben ist (4.000 Kelvin). Dem Spektrum fehlt etwas Blau; Rot überwiegt. Dieses Ungleichgewicht wird bei der Berechnung der Farben für das Foto berücksichtigt, blaues Licht wird stärker mit eingerechnet und das fertige Foto weist keinen Rotstich auf.

Der Apfel

Da wir jetzt wissen wie Farbe entsteht, welche Voraussetzungen dafür gegeben sein müssen und welche Faktoren einen Einfluss auf die farbliche Wahrnehmung haben, wissen wir auch warum unser Apfel grün erscheint… ;-)

pronto 2008/03/21 01:45

Weitere Überlegungen

Mit einer Freundin bin ich bei einem Kneipengespräch kürzlich vor der Frage gestanden, warum man Luft nicht sehen kann? Sind die Teilchen durchsichtig? Sind es so wenige, dass sie nicht auffallen? Wobei sich die Frage zumindest zum Teil selbst beantwortet hatte, als ich so durch das Bierglas in meiner Hand starrte. Die Möglichkeit, dass es so wenig Teilchen sind, dass sie nicht auffallen scheidet hier schon mal aus. Aber warum ist das Glas jetzt durchsichtig? Die Antwort ist, zumindest für die Nicht Physiker unter uns, verblüffend.

Wie wir bereits wissen, besteht Licht aus einer elektromagnetischen Welle, bzw ganz vielen unterschiedlichen Wellenlängen, welche versuchen die Elektronen eines Atomkerns, auf den sie treffen, in Schwingungen zu versetzen. Gelingt dies nicht, dann gibt es keine Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen und die Welle kann auch keine Energie an die Atome abgeben. Folgen die Elektronen den Schwingungen des Lichtfeldes aber, dann nehmen die Elektronen offensichtlich Energie von der Lichtwelle auf und diese wird auf dem Weg durch das Medium so immer schwächer. Die auf das jeweilige Material fallenden Lichtstrahlen werden also aufgenommen, absorbiert - das Material ist undurchsichtig. Eine Besonderheit ergibt sich noch dadurch, dass die Elektronen, die im Lichtfeld schnell hin- und her schwingen, selbst wieder Licht ausstrahlen können. Materialien mit sehr leicht beweglichen Elektronen sind daher oft auch gut reflektierend und natürlich auch undurchsichtig, da das Licht "umgelenkt" wird. In Glas sind die Elektronen stark an die Atome gebunden. Es findet keine Wechselwirkung zwischen den Lichtstrahlen und den Elektronen statt, das Licht kann somit seine Energie nicht abgeben. Auf dem Weg durch das Glas wird das Licht also nicht abgeschwächt - das Glas ist transparent1).

So haben wir es noch in der Kneipe recherchiert aber wir hatten auch gleich die nächste Frage auf den Lippen: Wenn jetzt die Lichtwelle Energie an die Elektronen des Mediums abgibt, damit es wahrgenommen werden kann, welche Eigenschaften braucht ein Stoff, damit er in einer bestimmten Farbe leuchtet? Um also wieder auf unseren Apfel zurückzukommen, von dem wir ja bereits glauben zu wissen, warum er grün ist, bekommt diese Frage jedoch eine völlig neue Bedeutung, wenn wir die Frage um den Punkt erweitern warum absorbiert der Apfel alle Frequenzen des Lichts bis auf die, die uns grün erscheint?

Trifft weißes Licht auf einen Körper, wird der Lichtstrahl zumeist teilweise reflektiert und teilweise absorbiert. Werden kurzwellige Anteile absorbiert, so enthält die reflektierte Strahlung vorwiegend langwellige Anteile (bis 790 nm) und der Farbeindruck Rot wird wahrgenommen, bei vorwiegend kurzwelliger Absorption ab 380 nm aufwärts ist die Farbwahrnehmung Violett aus dem reflektierten Licht. Farbstoffe absorbieren einen begrenzten Teil des sichtbaren weißen Lichtes und reflektieren den nicht absorbierten Teil des weißen Lichtes. Die Komplementärfarbe des wahrgenommen Lichtes wird vom Farbstoff absorbiert2).

Absorbiert ein Stoff einen Teil des sichtbaren Lichts, so erscheint er farbig. Man beobachtet die Mischfarbe der verbleibenden Spektralfarben. Stoffe, die nur außerhalb des sichtbaren Bereiches absorbieren, sind farblos. Glas absorbiert zB nur im ultravioletten Bereich. Es existieren in den Molekülen ebenso wie in den Atomen für die Elektronen nur ganz bestimmte mögliche Energiezustände. Normalerweise befinden sich alle Elektronen auf dem niedrigstmöglichen Niveau (Grundzustand). Entspricht die Energiedifferenz zwischen dem Grundniveau und einem höheren unbesetzten Niveau der Energie (d. h. der Frequenz) des eingestrahlten Lichtes, so wird dieses absorbiert. Das heißt, das Licht vermag die Elektronen in einen höheren Energiezustand zu heben.

Wie wird diese Energie umgesetzt?

  • Schwingungsenergie: Im Normalfall wird sie in Form kleiner Energiebeträge in Schwingungsenergie des Moleküls umgesetzt. Die Moleküle bewegen sich heftiger - der Stoff erwärmt sich.
  • Chemische Reaktionen: Die aufgenommene Energie kann aber auch zur Trennung von Bindungen, d. h. zu chemischen Reaktionen führen. Beispiele sind, die radikalische Substitution bei Alkanen mit Halogenen (Halogenmolekül wird durch Licht gespalten und zu einem Radikal) oder die Photosynthese.
  • Licht: Manchmal wird nur ein kleiner Teil der Lichtenergie in Molekülschwingungen umgewandelt, die Hauptmenge wird sofort wieder als Licht (etwas größerer Wellenlänge) abgestrahlt. Man spricht von Fluoreszenz: sofortige Abstrahlung Fluoreszierende Farbstoffe dienen als Leuchtfarben (z. B. für Markierstifte oder Warnzeichen) und als optische Aufheller in Waschmitteln oder Phosphoreszenz: wenn die Abstrahlung mit einer zeitlichen Verzögerung (Sekundenbruchteile bis einige Stunden) erfolgt. Phosphoreszierende Substanzen werden für Leuchtzifferblätter und Lichtschalter verwendet, da sie noch einige Zeit nach Abschalten des Lichts nachleuchten.

Ob ein Stoff nun farbig ist, d. h. sichtbares Licht absorbiert, hängt davon ab, ob das erstmögliche höhere Energieniveau der Elektronen so nahe beim Grundzustand liegt, dass es schon durch Absorption von sichtbarem Licht erreicht wird. Ein Stoff ist farbig, wenn sichtbares Licht genügt, um das höhere Energieniveau zu erreichen3).

Fazit: Demnach besitzt ein Farbstoff die chemisch-physikalische Eigenschaft seine Elektronen nur durch die übertragene Energie bestimmter Wellenlängen anregen zu lassen bzw auf ein höheres Energieniveau bringen zu lassen.

Eine spannende Frage, auf die ich bei der gesamten Arbeit bzgl. des Colormanagement so nicht gekommen wäre. Erst die Frage warum ich durch das Bierglas schauen kann, hat dann die Recherche zu diesen Nachtrag ausgelöst. Wobei man jetzt bei aller Liebe zur Wissenschaft natürlich den nächstliegendsten Grund nicht aus dem Auge verlieren darf: Vermutlich war einfach nur das Bierglas leer.

Note: Da ich selber keine Ahnung von den hier genannten chemischen und physikalischen Zusammenhängen habe, habe ich mir erlaubt, die Antwort darauf aus ein paar bereits vorhandenen Artikeln diesbzgl. heraus zu nehmen.

pronto 2010/10/02 17:46

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