Spektralfarbe: Unterschied zwischen den Versionen

Ein Prisma zerlegt „weißes Licht“ in Spektralfarben

Eine Spektralfarbe ist jener Farbeindruck, den ein aus dem Lichtspektrum ausgewähltes monochromatisches Licht bestimmter Wellenlänge bei der Farbwahrnehmung erzeugt. Sie ist in jedem Farbton die intensivste, mithin reine Farbe.

Das Spektrum des Lichts erstreckt sich über den gesamten sichtbaren Bereich zwischen Ultraviolett und Infrarot. Da sich in diesem Kontinuum von elektromagnetischer Strahlung Licht unterschiedlicher Energie theoretisch unendlich fein nach der Frequenz oder der Wellenlänge unterscheiden lässt, gibt es eine unbegrenzte Anzahl von Spektralfarben.

Im täglichen Umgang werden die fließend ineinander übergehenden Farbtöne, wie sie sich bei Brechung von Licht durch ein Prisma oder im Regenbogen zeigen, sprachlich nur grob unterschieden benannt. So ist oft nur von wenigen Farben – etwa Violett, Indigo, Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange und Rot – die Rede. Das sind oft nicht die reinen Spektralfarben bestimmter Wellenlängen, sondern die eines gleichartigen Farbeindruckes. Es kann sich also auch um Wellenlängengemische handeln, die unterschiedliche Farben enthalten, siehe auch Additive Farbmischung.

Spektrum

Das Spektrum (als Begriff der Farblehre) ist die Gesamtheit aller Linien und Banden bestimmter Frequenz in einem Strahlungsereignis. Weißes Licht ist im physikalischen Sinne ein aus Anteilen aller Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs energiegleich gemischtes Licht und praktisch kaum realisierbar. Meist versteht man deshalb darunter Tageslicht (Sonnenlicht) sowie die Normlichtarten mit ihren unterschiedlichen Farbtemperaturen. Die von einer energiegleichen Lichtquelle erzeugte Farbempfindung heißt exakterweise „unbunt“.

Durch Brechung am optischen Prisma, durch Beugung an Gittern oder in Interferenz gelingt es, weißes Licht in Spektralfarben zu zerlegen. Newton stellte diesen Sachverhalt in seinen Opticks dar. Er nannte sieben Spektralfarben, nämlich Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett, ohne ihnen eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich zuzuordnen.

Spektralfarben bzw. monochromatisches Licht können bei geeigneten Emissionsvorgängen auch direkt entstehen (Natriumdampflampe, Laser).

Eine besondere Bedeutung kommt der weißen Strahlung, also der energetisch gleichverteilten Strahlung, in der Fotometrie und verwandten Gebieten zu. Hier ist die Herausforderung, in einem erforderlichen Wellenlängenintervall diese Eigenschaft möglichst gut zu erreichen.

Für die Messung der Augenempfindlichkeitskurve ist eine quantenintensitätsgleiche Strahlung erforderlich. Solche Messungen dienen der Ableitung von Normspektralfarbwerten.

Farbmetrik

2°- und 10°-Spektralfarbenzug im Vergleich

Um einen dreidimensionalen Farbraum darstellen zu können, ist der Farbreiz des Wellenlängenspektrums auf die drei Zapfentypen (Art von farbsensitiven Fotorezeptoren) abzubilden. Dafür ist ein geeignetes System von Farbvalenzen, den Grundfarben für die Rot-, Grün-, Blauempfindlichkeiten aufzustellen. Die Rechenvorschrift dafür ist mit dem Tristimulusalgorithmus seit 1931 genormt. Notwendige Parameter wurden in späteren Untersuchungen präzisiert und im Prinzip bestätigt. Das Ergebnis in der grafischen Darstellung ist die „Schuhsohlenkurve“ der Normfarbtafel, das sogenannte Chromatizitätsdiagramm.

Die Spektralfarben liegen auf dem Umfang dieser Fläche. Die Spektralfarben sind also die gesättigsten Farben der jeweiligen dominanten Wellenlänge.

Eine Abhängigkeit der Farbkoordinaten von der Wahrnehmung ergibt sich durch die unterschiedliche Lage des Spektralkurvenzuges, je nachdem ob das 2°-Sichtfeld oder ein 10°-Sichtfeld benutzt wird. Innerhalb des 2°-Feldes wird auf die Netzhautfläche des „besten Farbsehens“ abgebildet, in der Netzhaut stehen die Zapfen hier am dichtesten beieinander. Im 10°-Sichtfeld nimmt die Dichte der Zapfen schon ab und es tritt die Empfindung der Stäbchen hinzu. Dieses Sichtfeld entspricht einer A4-Fläche im normalen Sehabstand.

Farbwahrnehmung

Rechteckiger Ausschnitt aus dem sichtbaren Spektrum

Irisierende dünne Risse in Eis, die bei weißer Beleuchtung Mischfarben erzeugen

Die Zapfenzellen in der menschlichen Netzhaut (sowie auch anderer Lebewesen) besitzen je nach Typ unterschiedliche Empfindlichkeitsspektren, die bestimmte Bereiche des empfangenen Lichtspektrums abdecken. Die Verarbeitung der von den Zapfen stammenden Signale wandelt das empfangene Licht der verschiedenen Spektralbereiche und Intensitäten in wahrgenommene Farben um. Da die Gewichtung der Spektralanteile von den Wahrnehmungsbereichen der Zapfentypen abhängt, ist auch die Farbwahrnehmung direkt davon abhängig. Jegliches Licht reizt stets 2 Zapfentypen, da sich die Bereiche der Zapfentypen überschneiden, werden bei jeder Wellenlänge Lichtreize wahrgenommen.

Der Spektralfarbenzug nach CIE wird in der Normfarbtafel mit der Purpurgeraden ergänzt, die nur Mischfarben enthält. Purpurtöne sind keine Spektralfarben. Jene werden nur bei gemischter Wahrnehmung von kurz- und langwelligem Licht gesehen. Im CIE-Diagramm entspricht den Purpurtönen mit höchster Sättigung diese Purpurgerade. Alle nicht spektralen Farben sind Mischfarben.

Die menschliche Farbwahrnehmung bei Tagessehen (Photopisches Sehen) ist auf drei Rezeptortypen für kurze, mittlere und lange Wellenlängen begrenzt. Manche Tiere, zum Beispiel Vögel, besitzen vier Farbrezeptoren. Dadurch können sie mehr Farben als ein Mensch unterscheiden. Andere Tierarten, wie Hunde, besitzen nur zwei Typen von Farbrezeptoren.

Am langwelligen roten Ende des sichtbaren Spektrums grenzt der Bereich des unsichtbaren Infrarot an. Durch den stetigen Übergang in der Empfindlichkeit auf reizende Wellenlängen ist diese Grenze fließend (zwischen 720 nm und 830 nm) und unterliegt individuellen Schwankungen. Dies wird im Wesentlichen durch den chemischen Aufbau des Rhodopsins (Sehpurpurs) bestimmt. Der wahrgenommene Farbton ändert sich ab 650 nm nur geringfügig.

Der infrarote Bereich des Spektrums wird auch als Wärmestrahlung bezeichnet. Die Wärmewirkung wird von Menschen durch Thermorezeptoren wahrgenommen, die jedoch nur nahe der Hautoberfläche vorhanden sind. Die Eindringtiefe der Strahlung ist wellenlängenabhängig. Während kurzwelliges Licht bereits an der Hautoberfläche in der Melaninschicht absorbiert, während nahe Infrarotstrahlung einige Millimeter in den Körper eindringt. Dadurch kann es zu unbemerkten Verbrennungen durch nahinfrarote Strahlung kommen.^[1]

Am kurzwelligen violetten Ende des sichtbaren Spektrums, bei Wellenlängen ca. <380 nm, grenzt der Bereich des Ultraviolett an. Diese Wellenlängen rufen keine Reizung der menschlichen Rezeptoren hervor, deshalb ist ultraviolettes Licht unsichtbar. Aus dem gleichen Grund wie am infraroten Ende des Lichtspektrums ist die Sichtbarkeit der Strahlung zwischen 360 nm und 410 nm individuell und altersbedingt Schwankungen unterlegen, noch stärker als im infrarot-nahen Bereich. Die Pigmentierung der Hornhaut spielt hier eine große Rolle. Außerdem verfärbt sich mit zunehmendem Alter die Linse gelblich, wodurch kurzwelliges Licht stärker gefiltert wird.

Bei Operation des grauen Star ist nach Entfernung der getrübten Linse die Filterwirkung beseitigt (aphakisches Sehen), was zu einer ausgeprägten Verbesserung der Wahrnehmung kurzer Wellenlängen führt, die auch nach Einsetzen der aus Kunststoff gefertigten Intraokularlinse erhalten bleibt.

Weblinks

Wiktionary: Spektralfarbe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• John Walker: Color rendering of Spectra. (englisch)

Einzelnachweise und Anmerkungen

Die in diesem Artikel angezeigten Farben sind nicht farbverbindlich und können auf verschiedenen Monitoren unterschiedlich erscheinen.
Eine Möglichkeit, die Darstellung mit rein visuellen Mitteln näherungsweise zu kalibrieren, bietet das nebenstehende Testbild (nur wenn die Seite nicht gezoomt dargestellt wird):
Tritt auf einer oder mehreren der drei grauen Flächen ein Buchstabe („R“ für Rot, „G“ für Grün oder „B“ für Blau) stark hervor, sollte die Gammakorrektur des korrespondierenden Monitor-Farbkanals korrigiert werden. Das Bild ist auf einen Gammawert von 2,2 eingestellt, das ist der gebräuchliche Wert bei TV-Geräten und Computern mit Windows oder macOS (ab Version 10.6)