Licht, Farben und Farbmodelle

Die Spektralfarben des Lichtes

Was ist eigentlich Licht? Diese Frage stellt sich die Menschheit seit Urzeiten. Besteht ein Lichtstrahl aus winzig kleinen Teilchen oder ist Licht einfach eine Welle, wie sie auch ein einfaches Radio oder Funkgerät empfangen?

Es gibt ein Naturphänomen, das die Menschheit schon immer fasziniert hat und auch heute noch für Begeisterung bei Jung und Alt sorgt: ein prächtiger, weit gespannter Regenbogen am Himmels-Horizont. Dieses bunte Farbenspiel, wo man Farben von violett über grün und gelb bis rot fließend ineinander übergehend sieht, ist immer wieder schön zu sehen. Es sollte jedoch bis ins 17. Jahrhundert dauern, bis dieses Phänomen wissenschaftlich gedeutet werden konnte.

Isaac Newton war der große Tüftler, der weißes Sonnenlicht an einem Glasprisma in seine Spektralfarben zerlegen konnte. Von nun an war bekannt, dass weißes Licht eine Mischung aus einer Vielzahl von Einzelfarben ist. An einem Prismal wird blaues Licht sehr stark gebrochen; rotes Licht dagegen erfährt nur eine leichte Brechung. Dazwischen gibt es unendlich viele Abstufungen. So entsteht das Lichtspektrum von Violett über Blau, Grün, Gelb und Orange bis zu Rot.

Der Effekt, den Newton mit einem Glasprisma erzielte, spielt sich in gleicher Weise bei einem Regenbogen ab. Kleine Wassertröpfchen oder Eiskristalle brechen das Licht genauso wie ein Glasprisma.

Licht als elektromagnetische Welle

Durch die Prismen-Experimente von Isaac Newton wurde den Menschen bekannt, dass sich weißes Licht aus vielen einzelnen Farben zusammensetzt bzw. dass sich weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen lässt. Aber was ist nun eigentlich Licht, woher kommt Licht, wie breitet sich Licht aus?

Im 19. Jahrhundert gelang es den Physikern James Maxwell und Heinrich Hertz nachzuweisen, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Aber was genau ist eine elektromagnetische Welle? Nach James Maxwell kann ein elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugen und umgekehrt. Bei einer elektromagnetischen Welle wandeln sich nun elektrische Feldenergie und magnetische Feldenergie zyklisch ineinander um. Im Gegensatz zu Schall- oder Wasserwellen brauchen elektromagnetische Wellen keinen Träger, d.h. eine elektromagnetische Welle kann sich im luftleeren Raum ausbreiten.

Licht ist also eine elektromagnetische Welle, die sich auch im luftleeren Weltraum ausbreiten kann. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen elektromagnetischen Welle ist ca. 300.000 km/s, also der Wert, der als Lichtgeschwindigkeit bezeichnet wird.

Licht als Teil der elektromagnetischen Strahlung

Nun mag jemand zurecht aufmerken, dass eine elektromagnetische Welle doch eher so eine Welle ist, die ein einfaches Radio oder Funkgerät empfängt. Elektromagnetische Wellen sind doch auch die Wellen, die im Mikrowellengerät das Essen warm machen. Während solche Wellen unsichtbar sind, handelt es sich bei Licht doch um etwas Sichtbares!

In der Tat unterscheidet sich eine Lichtwelle von einer Radiowelle oder einer Mikrowelle nicht in ihrer Natur sondern nur in der Wellenlänge bzw. Frequenz. Jeder weiß, dass man UKW-Radiosender im Frequenzbereich zwischen 87.5 und 108.0 MegaHertz empfangen kann. Noch niedrigere Frequenzen haben Funkgeräte. Daher bezeichnet man elektromagnetische Wellen in diesem Frequenzbereich auch als Funkwellen. Wellen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 30.000 Hz kennt auch jeder: Schallwellen.

Im Gigahertz-Bereich der elektromagnetischen Strahlung findet man die bekannten Mikrowellen, die sich jedoch keineswegs nur im Küchengerät ausbreiten; auch die Satelliten des GPS-Navigationssystems senden im Mikrowellenbereich.

Erhöht man die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung immer weiter, so gelangt man schließlich in den Bereich der Röntgenstrahlung, dann in den der Gamma-Strahlung (radioaktive Strahlung) und ab Frequenzen von über 10²² in den Bereich der kosmischen Strahlung.

Der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine Wellenlänge zwischen 100 Nanometern und 1 Millimeter bzw. eine Frequenz zwischen 10¹¹ und 10¹⁶ Hertz hat, wird als Licht bezeichnet. Jetzt wird klar, weshalb Licht nur ein kleiner Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung ist.

Selbst Licht kann wieder in eine Vielzahl von einzelnen Bereichen unterteilt werden. Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist nur ein kleiner Ausschnitt von dem Bereich, der allgemein als Licht bezeichnet wird. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern. Eine elektromagnetische Welle, deren Wellenlänge 380 Nanometer hat, kann also mit dem Auge als sichtbares violettes Licht wahrgenommen werden. Eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern kann als rotes Licht wahrgenommen werden. Dazwischen befindet sich das gesamte sichtbare Farbspektrum von violett über blau, grün, gelb, orange bis zu rot.

Was aber befindet sich jenseits der Grenzen sichtbaren Lichts in dem Bereich, der ebenfalls als Licht bezeichnet wird? Verkleinert man die Wellenlänge weiter, so erhält man das bekannte ultraviolette Licht (UV-A, UV-B, UV-C), das bekanntlich für die gesunde Urlaubsbräune sorgt. In der anderen Richtung kommt der Infrarot-Bereich, auch Wärmestrahlung genannt.

Wie viele Farben gibt es?

Als sichtbares Licht bezeichnet man denjenigen Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern hat. Licht mit einer Wellenlänge von 380 Nanometern hat eine violette Farbe, Licht mit 780 Nanometern Wellenlänge hat eine rote Farbe. Dazwischen befindet sich das sichtbare Lichtspektrum. Die beiden Grenzen 380 und 780 mögen zunächst zur Annahme verleiten, dass es 400 einzelne Spektralfarben gibt. In der Tat kann eine elektromagnetische Welle auch die Wellenlänge von 475.162 Nanometern haben. Man erkennt also, dass es im Bereich des sichtbaren Lichtes theoretisch unendlich viele Spektralfarben gibt.

Weißes Sonnenlicht enthält sämtliche Spektralfarben im sichtbaren Bereich. Eine einzelne Spektralfarbe mit einer ganz bestimmten Wellenlänge lässt sich nur mit einem Laser erzeugen.

Es gibt also bereits theoretisch unendlich viele einzelne Spektralfarben mit unterschiedlichen Wellenlängen. In der Natur sieht man jedoch nie eine einzelne Spektralfarbe, sondern immer Mischungen. Aus beliebiger Mischung einer beliebigen Anzahl von Spektralfarben können also beliebig viele neue Farben entstehen, was jedoch nicht bedeutet, dass das menschliche Auge alle möglichen Farbtöne unterscheiden kann.

Farbe und Farbempfinden

Wenn ich im vorigen Kapitel geschrieben habe, dass Licht mit einer Wellenlänge von 380 Nanometern eine rote Farbe hat, ist dies nicht ganz richtig ausgedrückt. Farbe ist schließlich keine physikalische Größe sondern ein physiologisches Phänomen. Fällt in unser Auge eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereiches des sichtbaren Lichts, so wird ein Farbreiz ausgelöst, den unser Gehirn zu einer gewissen Farbempfindung verarbeitet. Während eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Frequenz physikalisch eindeutig beschreibbar ist, ist Farbe keine absolute physikalische Größe, sondern ein empfundener Sinnesreiz. Beispiel: Es gibt optische Täuschungen, bei denen unser Gehirn mehr Farben wahrnimmt als tatsächlich vorhanden sind.

Was bedeutet es nun, wenn z.B. ein Blumentopf die Farbe rot hat? Physikalisch gesehen hat der Blumentopf überhaupt keine Farbe sondern nur ein gewisses Absorptions- und Reflexionsvermögen, wenn er von einer Lichtquelle angestrahlt wird. Schließlich ist der Blumentopf in einem dunklen Raum genauso schwarz wie die Umgebung. Auch der Mond ist am Himmel scharz, wenn er nicht von der Sonne angestrahlt wird.

Wird nun ein rot erscheinender Blumentopf von weißem Sonnenlicht angestrahlt, so bedeutet dies, dass die Oberfläche des Blumentopfes die roten Anteile des Lichtgemisches reflektiert, während es die übrigen Lichtanteile absorbiert. Auf diese Weise entsteht das rote Farbempfinden.

Wozu verwendet man Farbmodelle?

Aus unendlich vielen Spektrallichtern können durch beliebiges Mischen unendlich viele Lichter entstehen. Ich spreche jetzt bewusst von Lichtern, also elektromagnetischen Wellen, und nicht von Farbempfindungen. In keinem Computer oder in keinem optisch-digitalen Instrument können unendlich viele Lichter dargestellt bzw. unterschieden werden. Deshalb werden Farbmodelle verwendet, die einen möglichst großen Bereich der möglichen Farbempfindungen erfassen.

Vom CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) gibt es das berühmte CIE-Diagramm, auf dessen Randkurfe sich sämtliche Spektrallichter und in dessen Inneren sich sämtliche möglichen Mischungen dieser Spektrallichter befinden. In diesem Diagramm sind also alle möglichen Lichter und Lichtmischungen enthalten, die aus den Spektrallichtern entstehen können.

Ein Farbmodell könnte nun also z.B. so aussehen, dass man 100 oder 1000 Punkte auf der Randkurve dieses CIE-Diagrammes auswählt und eine Farbe als fein abgestufte Mischung dieser 100 oder 1000 Punkte darstellt. Ein solches Farbmodell würde einen Großteil des CIE-Farbmodelles abdecken. In der Praxis müsste dann ein Punkt auf dem Bildschirm aus 100 oder 1000 Einzellämpchen zusammengestellt werden, Grafikkarten müssten die Ausmaße eines Großrechners haben, und im Tintenstrahldrucker müssten 100 Farbpatronen eingesetzt werden.

Die im Folgenden beschriebenen Farbmodelle verzichten auf eine Gesamtabdeckung des möglichen Farbraumes, sind dafür jedoch viel einfacher zu beschreiben und in die Praxis umzusetzen. Es sei vorweg gesagt, dass es viele Farbmodelle gibt, die alle ihre Berechtigung und ihre Vor- und Nachteile haben. Es sind alles nur Modelle, die die Wirklichkeit möglichst einfach aber dennoch möglichst genau beschreiben wollen.

Das additive RGB-Farbmodell

Beim RGB-Farbmodell werden sämtliche Farben des RGB-Farbraumes aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) additiv zusammengesetzt. Man verwendet also nur 3 Basisfarben, um durch deren Mischung alle weiteren Farben zu erzeugen. Mischt man rot und grün in gleichem Verhältnis, so erhält man gelb; rot und blau ergibt magenta; blau und grün ergibt cyan. Mischt man alle drei Grundfarben, so erhält man weiß; schaltet man alle drei Grundfarben ab, so bleibt schwarz.

Das RGB-Farbmodell lehnt sich an das menschliche Auge an, wo unterschiedliche Rezeptoren auf der Netzhaut auf diese drei Grundfarben reagieren. Nach dem RGB-Farbmodell arbeiten aktiv strahlende Geräte wie ein Fernsehapparat, ein Scanner oder eine Digitalkamera. Bei einem Fernsehgerät wird ein Bildpunkt durch drei Lämpchen mit den Farben rot, grün und blau erzeugt. Sind alle Lämpchen aus, ist das Bild schwarz; leuchten alle Lämpchen in voller Stärke, erhält man ein weißes Bild. Bei einem Scanner bildet die Vorlage die aktive Lichtquelle, bei einer Digitalkamera das strahlende Motiv.

Mit den drei Grundfarben rot, grün und blau lassen sich durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse eine große Anzahl von unterschiedlichen Farbtönen darstellen. An einem Computer-Monitor wird zum Beispiel mit einer Farbtiefe von 24 Bit gearbeitet, d.h. 8 Bit pro Farbkanal. Das bedeutet, dass sowohl das rote als auch das grüne und das blaue Lämpchen eines Bildpunktes mit 8 Bit Farbtiefe insgesamt 256 Farbtöne darstellen können. Insgesamt erhält man somit 256³, also ca. 16 Millionen Farben.

Betonen möchte ich noch einmal, dass sich die Farben beim RGB-Farbmodell additiv aus den Grundfarben zusammensetzen. Um sich diese Tatsache klar zu machen, versetzt man sich gedanklich in den Weltraum, wo nichts ist und Dunkelheit herrscht. Strahlt eine Lampe rotes Licht aus, so wird aus dem Nichts ein Rot. Strahlt eine zweite Lampe grünes Licht auf das rote drauf, so addieren sich Rot und Grün zu Gelb. Strahlt schließlich eine dritte Lampe blaues Licht auf das gelbe, so erhält man einen weißen Farbton. Schwarz ist also die Farbe, die das Nichts charakterisiert, Weiß ist die Farbe, die das Alles charakterisiert.

Das subtraktive CMYK-Farbmodell

Das RGB-Farbmodell ist ein einfaches Modell, um die Mischung von Licht aus unterschiedlichen Lichtquellen zu beschreiben. In der Natur entstehen Farbeindrücke jedoch nicht nur durch Lichtquellen sondern auch - und sogar meistens - durch Reflexion und Absorption. Eine gelbe Blume auf einer grünen Wiese erscheint uns nicht deshalb gelb, weil sie aktiv gelbes Licht ausstrahlt, sondern weil sie das auf sie einfallende weiße Sonnenlicht derart absorbiert und reflektiert, dass ein gelber Farbeindruck entsteht. Was bedeutet dies im Einzelnen? Die Blume absorbiert vom Sonnenlicht, welches sich aus dem gesamten Farbspektrum zusammensetzt, die meisten Farbtöne bis auf den gelben; der wird reflektiert und vom Betrachter wahrgenommen.

Die Farbe Gelb entsteht also nicht durch additive Farbmischung der Grundfarben Rot und Grün im RGB-Farbmodell sondern durch subtraktive Farbmischung. Aus dem weißen Sonnenlicht werden - einfach ausgedrückt - die roten und grünen Anteile subtrahiert, so dass Gelb übrig bleibt. Gemäß einer solchen subtraktiven Farbmischung ist das CMYK-Farbmodell entstanden. Um das additive RGB-Farbmodell zu verstehen, haben wir uns in den Weltraum versetzt, wo wir mit Lichtquellen aktiv Licht in das Nichts brachten. Um das CMYK-Farbmodell zu verstehen, bleiben wir auf der Erde, wo tagsüber weißes Sonnenlicht zu finden ist. Es ist also zunächst einmal alles (alle Farbtöne) da.

Filtert man vom weißen Sonnenlicht die Rotanteile komplett heraus, so bleibt die Farbe Cyan übrig. Filtert man sämtliche Grünanteile aus dem weißen Sonnenlicht heraus, bleibt die Farbe Magenta übrig. Die Filterung sämtlicher Blauanteile resultiert in gelber Farbe. Aus diesen drei Farben setzt sich das CMYK (Cyan, Magenta, Yellow) Farbmodell zusammen. Die komplette Farbpalette erhält man, indem man diese drei Grundfarben in verschiedenen Nuancen mischt.

Was für eine Farbe erhält man, wenn man zwei CMYK-Grundfarben wie Magenta und Gelb mischt? Magenta entsteht durch Subtraktion des Grünanteils des Sonnenlichtes. Gelb ensteht durch Subtraktion der Blauanteile. Werden aus dem Sonnenlicht also die Grün- und Gelb-Anteile herausgefiltert, bleibt nur noch die Farbe Rot übrig. Bei der Addition der beiden CMYK-Farben Magenta und Gelb addieren sich also die subtraktiven Wirkungen beider Farben. Die Addition von Cyan, Magenta und Gelb bedeutet also eine Subtraktion von Rot, Grün und Blau vom weißen Sonnenlicht; übrig bleibt nichts, also schwarz.

Jetzt dürfte auch klar werden, weshalb man in einem Tintenstrahldrucker nicht etwa rote, grüne und blaue Farbpatronen findet sondern die Farben Cyan, Magenta und Yellow. Ausgangspunkt ist wie beim Sonnenlicht weißes Papier, das Lichtanteile reflektiert. Trägt man die Farben Cyan, Magenta und Gelb aufeinander auf, ergibt sich ein schwarzer Farbton. Da dieses Schwarz jedoch nicht schwarz genug ist, wird als zusätzliche vierte Farbe, bzw. Tintenpatrone, reines schwarz verwendet. Daher auch die Bezeichnung CMYK (K steht für Key-Farbe).

Farben und Farbmittel

Wenn ich mit einem roten, grünen und blauen Studio-Schweinwerfer eine Wand bestrahle, entsteht ein nahezu rein weißer Scheinwerfer-Spot wie es sich gemäß dem RGB-Farbmodell gehört. Was aber ergibt sich für eine Farbe, wenn ich ein weißes Blatt Papier zuerst mit einem roten, dann mit einem grünen und schließlich mit einem blauen Filzstift anmale, etwa wieder ein weißes Blatt? Man erhält nie und nimmer irgendeinen hellen Farbton, sondern eine unschöne braun-schwarze Farbe.

An dieser Stelle möchte ich auf den unsauberen Gebrauch des Wortes Farbe in der deutschen Sprache hinweisen. Das Wort Farbe wird in unserer Sprache zur Bezeichnung sowohl einer Farbempfindung als auch eines Farbmittels verwendet. Die Farbempfindung ist das, was unser Gehirn daraus macht, wenn eine elektromagnetische Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts auf das Auge trifft. Ein Farbmittel ist das, was wir verwenden, um eine Wand zu streichen oder um ein Blatt Papier zu bemalen. Die englische Sprache unterscheidet sauber zwischen Farbempfindung und Farbmittel: Im Baumarkt kauft man paint um ein Zimmer zu streichen. Die Wände haben dann eine Farbe color.

Zurück zu obiger Frage: Ein Scheinwerfer ist eine aktive Lichtquelle, der ein ganz bestimmtes Licht ausstrahlt, das sich mit den anderen Scheinwerferlichten zu einem neuen Farbton gemäß dem RGB-Farbmodell überlagert. Ein roter Filzstift ist ein Farbmittel, welches auf ein mit Sonnenlicht bestrahltes Blatt Papier aufgetragen gemäß einem subtraktiven Farbmodell die Blau- und Grünanteile des Lichtes absorbiert und somit nur die roten Anteile reflektiert. Entsprechendes gilt für die grünen und blauen Filzstifte. Trägt man diese drei Farbmittel aufeinander auf, werden quasi alle Lichtanteile des Sonnenlichtes absorbiert und dann entsteht gemäß dem subtraktiven Farbmodell ein nahezu schwarzer Farbton.

Während sich Lichter additiv mischen, werden Farbmittel subtraktiv gemischt, d.h. bei der Mischung zweier Farbmittel addiert sich deren subtraktive Wirkung.

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