Spektralfarbe

Prisma: Zerlegung von „weißem Licht“ in Spektralfarben

Eine Spektralfarbe ist jener Farbeindruck, den ein aus dem sichtbaren Teil des Lichtspektrums ausgewähltes monochromatisches Licht erzeugt. Sie ist in jedem Farbton die intensivste, mithin reine Farbe.

Obwohl es theoretisch unendlich viele Spektralfarben gibt, ist im täglichen Umgang mit ihnen oft nur von einer bestimmten, relativ kleinen Anzahl von Spektralfarben die Rede, zum Beispiel von den sieben Regenbogenfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Sie sind nicht eng aus dem Lichtspektrum ausgewählt, im besten Fall sind alle leicht unterschiedlichen Farben je eines Wellenlängenbereiches gemeint, und die Wellenlängenbereiche stoßen lückenlos aneinander.

Spektrum

Sieben Spektralfarbbereiche des Lichtes

Farbname	Wellenlängenbereich	Frequenzbereich
rot	≈ 700–630 nm	≈ 430–480 THz
orange	≈ 630–590 nm	≈ 480–510 THz
gelb	≈ 590–560 nm	≈ 510–540 THz
grün	≈ 560–490 nm	≈ 540–610 THz
blau / indigo	≈ 490–450 nm	≈ 610–670 THz
violett	≈ 450–400 nm	≈ 670–750 THz

Das Spektrum (als Begriff der Farblehre) ist die Gesamtheit aller Linien und Banden bestimmter Frequenz. „Weißes Licht“ ist im physikalischen Sinne (und praktisch kaum realisierbar) ein aus Anteilen aller Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs energiegleich gemischtes Licht. Meist versteht man 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. Spektralfarben als monochromatisches Licht können bei geeigneten Emissionsvorgängen auch direkt entstehen (Natriumdampflampe, Laser). 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 definitiv zuzuordnen.

Eine besondere Bedeutung kommt der „weißen Strahlung“, also der energiegleichen Strahlung in der Fotometrie und verwandten Gebieten zu. Hier ist es wichtig in den notwendigen (betrachteten) Wellenlängenintervallen diese Eigenschaft zu erreichen. Für die Messung der Augenempfindlichkeitskurve ist neben der energiegleichen Strahlung sogar 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 (farbsensitiven) Zapfentypen-Sensorentypen 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

→ Hauptartikel: Farbwahrnehmung

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 Spektralbereich und Intensität in wahrgenommene Farben um. Da die Gewichtung der Spektralanteile von den Wahrnehmungsbereichen der Zapfentypen abhängt, ist auch die Farbwahrnehmung direkt davon abhängig. Wird etwa von LEDs ein nahezu monochromatisches Licht dargeboten, so wird diese Lichtfarbe als sehr rein (gesättigt) und hell wahrgenommen, also als Spektralfarbe. Im Falle des menschlichen Sehens gibt es kein Lichtspektrum, das nur einen einzigen Zapfentyp reizt. Da sich die Bereiche der Zapfentypen überschneiden, werden immer mehrere Typen gleichzeitig angesprochen.

beispielhaftes Rechteckspektrum

Der Spektralfarbenzug nach CIE wird in der Normfarbtafel mit der Purpurgeraden ergänzt, die allerdings Mischfarben enthält. Physikalisch gibt es für Purpurtöne keine zugehörigen Spektralfarben. Diese werden nur bei gemischter Wahrnehmung von kurz- und langwelligen Licht gesehen. Im CIE-Diagramm entspricht den Purpurtönen mit höchster Sättigung diese Purpurgerade. Prinzipiell sind alle nicht spektralen Farben Mischfarben.

Die menschliche Farbwahrnehmung bei Tagessehen (Photopisches Sehen) ist auf drei Rezeptortypen für kurze, mittlere und lange Wellenlängen begrenzt. Manche Tiere, vor allem Vögel, wie die Tauben, besitzen vier Farbrezeptoren. Dadurch können sie mehr Farbvarianten und Farbarten als ein Mensch unterscheiden. Andere Tierarten, wie Hunde, besitzen nur zwei Typen von Farbrezeptoren. Das führt zu einem kleineren Umfang an unterscheidbaren Farbtönen.

Am langwelligen roten Ende des sichtbaren Spektrums grenzt der Bereich des unsichtbaren infraroten Lichtes 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 (Sehpurpur) bestimmt. Der wahrgenommene Farbton ändert sich ab 650 nm nur geringfügig.

Der infrarote Bereich des Spektrums wird als Wärmestrahlung bezeichnet, obwohl jede absorbierte elektromagnetische Strahlung ihr Energieäquivalent als Wärme erzeugt, egal ob es sich um längstwellige Radiostrahlung oder um harte (sehr kurzwellige) Gammastrahlung handelt. Die Wärmewirkung von Infrarot- und Radiostrahlung wird von Menschen direkt durch andere Rezeptoren wahrgenommen. Die Eindringtiefe der Strahlung wiederum ist wellenlängenabhängig. Nahe Infrarotstrahlung dringt nur wenige Millimeter in den Körper ein, Radiostrahlung wird im gesamten Körper umgesetzt. Dieser Effekt wird bei der Kurzwellenbestrahlung genutzt, um innere Organe zu erwärmen.

Am kurzwelligen violetten Ende des sichtbaren Spektrums, bei Wellenlängen ab etwa 380 nm und kleiner, grenzt der Bereich des ultravioletten Lichtes 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 Operationen am grauen Star ist nach Entfernung der getrübten Linse die Filterwirkung beseitigt (aphakisches Sehen), was zu einer ausgeprägten Verbesserung der Wahrnehmung kurzer Wellenlängen führt. Nach Einsetzen der Kunststofflinse ist dieser besondere Effekt wieder aufgehoben.

Weblinks

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

Die in diesem Artikel verwendeten Farben werden auf jedem Monitor anders dargestellt und sind nicht farbverbindlich. Eine Möglichkeit, die Darstellung mit rein visuellen Mitteln näherungsweise zu kalibrieren, bietet das nebenstehende Testbild: 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 – den gebräuchlichen Wert für IBM-kompatible Computer. Apple-Macintosh-Rechner hingegen verwenden bis einschließlich System 10.5 („Leopard“) standardmäVorlage:SSig einen Gammawert von 1,8, seit dem System 10.6 („Snow Leopard“) kommt Gamma 2,2 zum Einsatz.