Farbtemperatur
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Die Farbtemperatur ist ein Maß, um einen jeweiligen Farbeindruck einer Lichtquelle quantitativ zu bestimmen.
Die Farbtemperatur ist definiert als die Temperatur eines Schwarzen Körpers, des sogenannten Planckschen Strahlers, die zu einer bestimmten Farbe des Lichts gehört, das von dieser Strahlungsquelle ausgeht. Konkret ist es die Temperatur, deren Lichtwirkung bei gleicher Helligkeit und unter festgelegten Beobachtungsbedingungen der zu beschreibenden Farbe am ähnlichsten ist.[1]
| Lichtquelle | Farbtemperatur in Kelvin | Farbtemperatur in Mired |
|---|---|---|
| Warmweiß | unter 3300 K | über 303 MK−1 |
| Neutralweiß | 3300–5000 K | 303–200 MK−1 |
| Tageslichtweiß (auch Kaltweiß) | über 5000 K | unter 200 MK−1 |
Definition und Maßeinheit
Die Einheit der Farbtemperatur ist Kelvin (K). Daraus wird das Mired (=MK−1) als das Millionenfache des Kehrwertes der Kelvin-Angabe abgeleitet. Im CIE-Diagramm gehört zu jeder Farbtemperatur einer Lichtquelle ein Weißpunkt dieser Beleuchtungsart. Die spektrale Verteilung des Lichts von Strahlern mit gleicher Farbtemperatur kann sehr unterschiedlich sein, sogenannte metamere Lichtquellen. Metameres Licht kann wie bei Glühlampen ein kontinuierliches Spektrum aufweisen oder sich wie bei Energiesparlampen und Flachbildschirmen auf einige schmale Spektralbänder beschränken. Der Farbwiedergabeindex gibt die Qualität der Farbwiedergabe bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle an.
Berechnung der Farbtemperatur
Hintergrund:
Der CIE-XYZ-Farbraum ist einer der ersten mathematisch definierten Farbräume, welcher 1931 durch die Internationale Beleuchtungskommission (Commission Internationale de l’Éclairage) geschaffen wurde. Der in der CIE-Normtafel dargestellte Farbraum zeigt alle aus den Spektralfarben additiv mischbaren Farben. Es handelt sich um alle prinzipiell erzielbaren Farben. Jede wahrnehmbare Farbe lässt sich in den drei Anteilen x, y und z ausdrücken.[2]
Vorbereitung:
Auf der X-Achse der Normtafel wird der Rotanteil der Farbe abgetragen, wohingegen die Y-Achse den Grünanteil der Farbe darstellt. Sowohl der Grün- als auch der Rotanteil können direkt aus der Normtafel abgelesen werden. Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 kann in dem CIE-Diagramm auf den z-Wert verzichtet werden, da dieser durch einfache Umformung der Gleichung x + y + z = 1 in z = 1 − x − y ermittelt werden kann.
Berechnung:
Möchte man nun die Farbtemperatur einer Lichtquelle berechnen, muss man ihren sogenannten Farbort bestimmen. Dieser Farbort wird dann mit den Farbörtern des schwarzen Strahlers verglichen. Sie gelten als Referenz zur Berechnung der Farbtemperatur von Lampen. Die Farbtemperatur wird dabei nicht im x-y-Farbraum, sondern im u-v-Farbraum ermittelt. Der u-v-Farbraum hat den Vorteil, dass er Farbabstände besser darstellt. Folgende Gleichungen verdeutlichen den Zusammenhang des uv-Farbraums mit dem xy-Farbraum:
$ u={\frac {4x}{-2x+12y+3}}\quad v={\frac {6y}{-2x+12y+3}} $
Fotografie
In der Fotografie ist die Berücksichtigung der Farbtemperatur wichtig, damit ein Motiv in den Farben aufgenommen werden kann, die dem natürlichen Seheindruck entsprechen (sollten). Im nebenstehenden Bild ist die Farbwiedergabe des gleichen Motivs bei Aufnahme mit unterschiedlichen manuell eingestellten Farbtemperaturen der Lichtquelle, angegebenen in Kelvin, dargestellt. Um beispielsweise den gelblichen Farbton einer Halogenlampe (2800 K) auszugleichen, mithin die Farben dem natürlichen Seheindruck des Menschen anzupassen, erhält das Foto einen Blaustich, der die unterrepräsentierten Blauanteile verstärkt. Umgekehrt werden bei der 10.000-K-Einstellung gelb-orange Farbtöne verstärkt, um ein durch blaustichiges Licht angestrahltes Motiv möglichst farbneutral darzustellen. Wird der automatische Weißabgleich von digitalen Foto- und Videokameras genutzt, so versucht die Schaltung eigenständig jene Einstellung – bezogen auf die „weißeste“ Bildfläche – passend zu ermitteln.
Die internationale Norm für mittleres Sonnenlicht beträgt 5500 Kelvin;[3] es ist der Ton eines Sonnentages bei klarem Himmel am Vor- oder Nachmittag. Tageslichtfilme sind so sensibilisiert, dass sie bei Farbtemperaturen um 5500 K eine der Wirklichkeit entsprechende Farbwiedergabe möglich machen. Kunstlichtfilme entsprechen je nach Typ einer Farbtemperatur von 3100 bis 3400 K.
Um andere Farbtemperaturen zu erreichen, werden Konversionsfilter vor das Objektiv gesetzt. In der Digitalfotografie wird (oft automatisch) ein Weißabgleich vorgenommen. Eine Nachbearbeitung unkorrekter Farben im Labor ist in gewissen Grenzen möglich, mindert aber die Qualität der Abbildung, sofern nicht mit den Rohdaten des Kamerasensors gearbeitet wird (RAW-Fotografie). Die Wirkung eines Konversionsfilters lässt sich quantifizieren; sie ist in der Einheit Mired angegeben. Negative Werte stehen für bläuliche Filter, positive für rötliche Werte. Die korrigierte Farbtemperatur erhält man, indem man den Mired-Wert des Filters zur gegebenen Farbtemperatur des Lichts addiert. Dabei sind die Vorzeichen der Filter zu beachten.
Zur Bestimmung der Farbtemperatur gibt es Farbtemperaturmesser (Colorimeter). In den 1950er Jahren wurde mit dem Sixticolor des Herstellers Gossen ein Gerät für Amateurfotografen angeboten, das ausschließlich der Messung der Farbtemperatur diente. Eine preiswertere Variante war der Color Finder in verschiedenen Belichtungsmessern dieser Firma. Ein Farbbalken wurde mit verschiedenen Farbfeldern verglichen, das (subjektiv) farbähnlichste Feld gab die Farbtemperatur an. Seit den 1990er Jahren sind Colorimeter mit Digitalanzeige üblich, bei welchen der Messwert direkt in Kelvin angezeigt wird.
Charakteristische Farbtemperaturen (beispielhaft)
| Farbtemperatur | Lichtquelle |
|---|---|
| 1500 K | Kerze |
| 2000 K | Natriumdampflampe (SON-T) |
| 2600 K | Glühlampe (40 W) |
| 2700 K | Glühlampe (60 W) |
| 2800 K | Glühlampe (100 W) |
| 2700–2800 K | Halogenlampe (230 V, Eco-Halogen, 30–60 W) |
| 3000 K | Glühlampe (200 W) |
| 3000–3200 K | Halogenlampe (12 V) |
| 3200 K | Fotolampe Typ B, Halogenglühlampe |
| 3400 K | Fotolampe Typ A bzw. S, Spätabendsonne kurz vor Dämmerungsbeginn |
| 3600 K | Operationssaalbeleuchtung |
| 4000 K | Leuchtstofflampe (Neutralweiß) |
| 4120 K | Mondlicht |
| 4500–5000 K | Xenonlampe, Lichtbogen |
| 5000 K | Morgen-/Abendsonne, D50-Lampe (Druckerei) |
| 5500 K | Vormittags-/Nachmittagssonne |
| 5500–5600 K | Elektronenblitzgerät |
| 5500–5800 K | Mittagssonne, Bewölkung |
| 6500–7500 K | Bedeckter Himmel |
| 7500–8500 K | Nebel, starker Dunst |
| 9000–12.000 K | Blauer (wolkenloser) Himmel auf der beschatteten Nordseite, kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang, Blaue Stunde |
| 15.000–27.000 K | Klares blaues, nördliches Himmelslicht |
Subjektive Farbwahrnehmung
Die Farbtemperatur ist durch die physikalisch definierte Oberflächeneigenschaft eines Strahlers festgelegt. Die übliche Einteilung von Farben in kalte oder warme Farbtöne geht auf ein subjektives Empfinden zurück und ist nicht durch eine Temperatur zu beschreiben. Künstliche Lichtquellen geben vom Tageslicht abweichende Farbwahrnehmungen. Mischungen verschiedener Arten von Lichtquellen können sogar das Wohlgefühl stören.
Im künstlerischen Bereich wird die Farbtemperatur oft abweichend verwendet. Beispielsweise durch die Verwendung der Mired-Skala erhalten kalte Farben einen niedrigen Wert und warme einen eher höheren Wert. Die für energiesparende Leuchtmittel relevante EU-Verordnung 244/2009 verlangt explizit die Angabe der Farbtemperatur in Kelvin.[4]
Spektralklassen der Sterne
Die Spektralklassen von Sternen sind nach Oberflächentemperatur untergliedert. Ihr Spektrum entspricht näherungsweise der Strahlung eines Schwarzen Körpers und steht damit in direktem Zusammenhang mit der Farbtemperatur. Die beiden leicht zu findenden Hauptsterne im Sternbild Orion, Beteigeuze und Rigel, lassen sich am Sternenhimmel farblich sehr gut unterscheiden. Beteigeuze ist deutlich rötlicher und gehört mit einer Oberflächentemperatur von 3.450 K in die Spektralklasse M, der bläuliche Rigel ist mit 10.500 K deutlich heißer und gehört zur Spektralklasse B. Bei heißeren Sternen als der Sonne weichen Effektiv- und Farbtemperatur bisweilen stark voneinander ab; ein typischer Stern der Klasse A0V (vgl. Wega) hat eine Effektivtemperatur von ca. 9500 K, aber eine Farbtemperatur von ca. 15000 K.[5]
Die Sonne hat eine effektive Oberflächentemperatur von 5778 K. Dies entspricht ungefähr der Farbtemperatur der Sonne vom Weltraum aus gesehen, d. h. ohne die filternde Wirkung der Erdatmosphäre. Von der Erde aus gesehen erscheint das Licht der Sonne durch Streuung und Absorption in der Luft, abhängig vom Sonnenstand, der Landhöhe und den Wetterbedingungen, mehr oder weniger stark gerötet. Die Normlichtart D50, die der Beleuchtung mit einer Farbtemperatur von 5004 K entspricht, wird an klaren Tagen am Vor- oder Nachmittag erreicht, wenn die Atmosphäre stärker dämpft. Gestreutes Himmelslicht hingegen hat einen wesentlich höheren Blauanteil und damit auch eine höhere Farbtemperatur als direktes Sonnenlicht (siehe Tabelle).
Weblinks
- Farbtemperatur und Weißabgleich – ScanDig
- Lichtanalyse in der Beleuchtungstechnik von Norbert Unzner
Einzelnachweise
- ↑ Internationales Wörterbuch der Lichttechnik CIE/IEC – Kapitel 845
- ↑ Fachwissen Farbe und Qualität. (PDF; 3,29 MB) Heidelberger Druckmaschinen AG, archiviert vom Original am 23. Oktober 2014; abgerufen am 16. Januar 2016.
- ↑ DIN 5031 T3 und DIN 5033 T7, Lichtart D55
- ↑ EU-Verordnung 244/2009. (PDF; 193 kB) BMU, archiviert vom Original am 17. September 2013; abgerufen am 17. Januar 2016.
- ↑ Albrecht Unsöld, Bodo Baschek: Der neue Kosmos, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 6. Auflage 1999, ISBN 3-540-64165-3