Die Wahrnehmung von Licht und Farben

Was ist Licht?

Licht ist nichts weiter als jener Teil der elektromagnetischen Strahlung, der im elektromagnetischen Spektrum dem Bereich der Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm entspricht. Je nach Wellenlänge, Frequenz und Energiegehalt der Photonen nennen wir die elektromagnetische Strahlung: Gammastrahlen, Licht, Radiowellen usw.

Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum
Grafik 1

Die Nervenzellen (Fotorezeptoren) in unseren Augen erfassen daher nichts, was unserer visuellen Vorstellung von "Licht" entspricht, sondern elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen eines winzigen Bereichs der uns ständig umgebenden elektromagnetischen Strahlung.

Die durch die elektromagnetische Strahlung ausgelösten Nervenimpulse gelangen über die Sehnervenbahnen zum Sehzentrum des Gehirns, wo sie schließlich zu einer optischen Wahrnehmung verarbeitet werden.

Statt dessen könnte das Gehirn diese Signale aber auch akustisch und dafür Schallwellen visuell aufbereiten und dabei verschiedenen Frequenzen die verschiedenen Farben zuordnen. Licht ist daher nur deshalb etwas besonders für uns, weil unser Gehirn diese Signale praktischerweise visuell aufbereitet und wir Lebewesen sind, die ihre Umwelt hauptsächlich visuell wahr nehmen.

Die Entstehung der Farben

Licht ist so gut wie immer eine Mischung aus verschiedenen Wellenlängen, weil es in der Natur praktisch nie vorkommt, dass Licht nur aus einer einzelnen Wellenlänge besteht. Wenn die separat erfaßten Wellenlängenbereiche (beim Menschen drei (siehe nachfolgender Abschnitt "Zapfen und Stäbchen") gleichermaßen auftreten, sehen wir weißes Licht bzw. bei geringer Strahlungsintensität Grautöne. Ist die Intensität der Strahlung der Wellenbereiche unterschiedlich, nehmen wir die Differenzen als Farben wahr.

Dabei erkennen wir aber keine Unterschiede in der Zusammensetzung der Wellenlängenbereiche. Wir nehmen nur die Gesamtintensität jedes separate erfaßten Wellenbereichs wahr. Während beim Tageslicht alle Wellenlängen des Lichts halbwegs gleichmäßig auftreten und nur wenige sehr schmale Lücken vorhanden sind, sieht die Sache besonders bei Leuchtstofflampen ganz anders aus. Diese geben das Licht nur in einigen schmalen Wellenlängenbereichen sehr intensiv ab, während andere deutlich breitere Wellenlängenbereiche nur minimal genutzt werden.

spektrale Zusammensetzung des Lichts
Grafik 2

Farbdifferenzierung bei Mensch und Tier

Wie gut einzelne Farben erkannt und differenziert werden können, ist abhängig davon, über welche Fotorezeptoren das Auge verfügt und wie deren Nervenimpulse vom Sehzentrum des Gehirns aufbereitet werden. Tiere nehmen ihre Umwelt teils deutlich anders wahr, weil ihre Augen mit mehr oder weniger oder anderen Fotorezeptoren ausgestattet sind und die Informationen in ihrem Gehirn anders aufbereitet werden. Immer in Abhängigkeit davon, was für die Spezies am vorteilhaftesten ist. Dadurch können einige Tierarten Infrarot- oder UV-Licht wahrnehmen, haben dafür aber teilweise mit anderen Wellenlängen Probleme. Der Mensch kann ca. 380.000 Farben wahr nehmen, die sich aus 128 verschiedenen Farbtönen, 130 verschiedenen Farbsättigungen und zwischen 16 (blauer Bereich) und 26 (gelber Bereich) verschiedenen Helligkeiten zusammensetzen. Bei wenig Licht können wir deutlich weniger Farbtonunterschiede wahrnehmen als bei mittlerer Helligkeit. Bei sehr hoher Helligkeit nimmt die Farbdifferenzierungsfähigkeit wieder ab.

Die Fähigkeit des Menschen, die Wellenlängen des Lichts visuell aufzulösen, ist ungleichmäßig ausgeprägt, wie an Grafik 3A zu erkennen ist. Der Farbverlauf ist sehr gleichmäßig, so dass davon ausgegangen werden könnte, dass die Wellenlängenabstände von Farbnuance zu Farbnuance gleichmäßig sind. Die darunter stehenden Wellenlängenangaben (nm) machen aber deutlich, das dem nicht so ist. Es variiert teils stark und an beiden Enden des sichtbaren Lichts können wir nur noch sehr große Wellenlängenunterschiede wahrnehmen. In Grafik 3B wird das Auflösungsvermögen anhand der sRGB-Farbtöne dargestellt.

Wellenlängen mit zugehöriger Farbe
Grafik 3A (Anklicken für eine größere Version)

Diagramm - Wellenlängenbreite in nm pro sRGB-Farbton
Grafik 3B (Je kleiner der Wert (Skala 0-12) ist, desto präziser werden die Wellenlängen wahrgenommen.)

Normspektralwertkurven für den CIE-10°-Beobachter - Diagramm
Grafik 4 (Die Normspektralwerte geben nicht die spektrale Augenempfindlichkeiten wieder!
Sie geben nur das Mischungsrezept für die Spektralfarben im RGB-Farbraum an.)

Zapfen und Stäbchen

Die 120 Millionen Stäbchen im menschlichen Auge sind hauptsächlich für das Sehen in der Dämmerung und bei Nacht wichtig, da sie im Gegensatz zu den Zapfen bei geringer Lichtintensität arbeiten. Die Stäbchen sind in der Lage, bei absoluter Dunkelheit einzelne Photonen wahrzunehmen. Zudem werden mehrere quasi zusammengeschaltet, was die Lichtempfindlichkeit, auf Kosten der Auflösung, weiter steigert. Zapfen benötigen etwa 200 Photonen für eine verläßliche Wahrnehmung. Bei hellem Tageslicht tragen die Stäbchen nicht zum Seheindruck bei, weil sie wesentlich früher von der Lichtstrahlung übersättigt sind als die Zapfen. Durch die Stäbchen können keine Farben unterschieden werden, weil alle Stäbchen dasselbe Empfindlichkeitsspektrum aufweisen.

Die 6-7 Millionen Zapfen sind hauptsächlich für das Sehen bei Tageslicht wichtig und für die Wahrnehmung von Farben. Beim Menschen unterscheidet man drei Zapfentypen, den S-Typ (Blaurezeptor), M-Typ (Grünrezeptor) und L-Typ (Rotrezeptor). Ihre höchste Empfindlichkeit haben sie bei den Wellenlängen, die den Farben Blauviolett, Smaragdgrün und Gelb entsprechen. Der Anteil der blau-empfindlichen Zapfen ist gering. Je nach Quelle, werden 9-12 Prozent gemessen an der Gesamtzahl der Zapfen, angegeben. Die Zapfendichte ist am Punkt des schärfsten Sehens (Fovea centralis) am größten. Die Dichte nimmt nach außen hin ab, und am Rand des Gesichtsfeldes sind kaum noch Zapfen vorhanden, dafür aber viele Stäbchen. In der Fovea centralis gibt es wiederum keine Stäbchen, grün-empfindliche Zapfen sind dort nur halb so häufig vorhanden wie rot-empfindliche Zapfen, die wenigen blau-empfindliche Zapfen sind nur in den äußeren Bereichen vertreten. Weil die Sehschärfe mit der Zapfendichte zusammenhängt, sind Muster, die ausschließlich die blau-empfindlichen Zapfen anregen, nur in niedrigen Auflösungen wahrnehmbar.

Normspektralwertkurven (Diagramm)
Grafik 5 (Es ist auch gut erkennbar, dass sich die erfaßten Wellenlängenbereiche
sehr stark überlappen. Weil die Empfindlichkeiten nicht direkt gemessen werden
können, weichen die tatsächliche Empfindlichkeitsverläufe möglicherweise ab.)

Helligkeitswahrnehmung bei Tag, Nacht und in der Dämmerung

Am Tag nehmen wir über die Zapfen den gelblich-grünen Farbbereich am hellsten wahr, weil die Zapfen in diesem Wellenlängenbereich am empfindlichsten sind. In der Nacht dagegen, den bläulich-grünen Farbbereich, weil die Stäbchen auf etwas kürzere Wellenlängen empfindlicher reagieren. (siehe Grafik 6)

Erwähnenswert ist auch der mesopische Bereich, in dem das Tagsehen (photopisches Sehen) und Nachtsehen (skotopisches Sehen) kombiniert sind. Hier tragen sowohl die Zapfen als auch die Stäbchen zur visuellen Wahrnehmung bei. Da die Stäbchen blau-empfindlicher sind, kommt es zu einer geänderten Wahrnehmung der Farben. Vor allem Blautöne erscheinen deshalb in der Dämmerung intensiver und heller und das Mondlicht wirkt etwas kälter als es eigentlich ist.

Spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Tagsehen und
 Nachtsehen (Diagramm)
Grafik 6

Farbwahrnehmung und Farbkonstanz

Der Mensch nimmt Farben selbst bei sehr unterschiedlichen Lichtbedingungen meist sehr ähnlich war. Das Gehirn gleicht mit seinen Erfahrungswerten selbst große Abweichungen aus, die durch unterschiedliche Beleuchtung entstehen. Ein weißes Blatt Papier bleibt weiß, eine Banane gelb und eine Pflanze grün, egal ob sie von kaltem Tageslicht beleuchtet oder von warmen Kerzenlicht in einem dunklen Raum angestrahlt werden. Selbst bei farbigem Kunstlicht wird bspw. eine Banane erstaunlich häufig noch als gelb wahr genommen. Die Farbwahrnehmung beruht also nicht allein auf den Messungen der Wellenlängen. Auf die vielen Sonderfälle, in denen das Gehirn Farben, Kontraste und Muster erstaunlich gut wahrnimmt, korrigiert aber zuweilen auch ordentlich daneben liegt, gehe ich möglicherweise in einem zukünftigen Artikel ein.

Quellen:
de.wikipedia.org
cvrl.ioo.ucl.ac.uk - Institut für Augenheilkunde der UCL (University College London) - Daten für Grafik 5
magnetkern.de/spektrum.html - Jan Behrens (Berlin) - Vorlage für den Farbkeil und Daten für Grafik 3B
6mpixel.org - Daten für Grafik 6 (Lambda-Kurven)
cie.co.at - Daten für Grafik 4
sonstige