Das Spektrum des sichtbaren Lichts
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| Das Spektrum der Sonne ist ohne geeignete Apparate "in der Natur" kaum jemals zu sehen. Heute kennt jeder die bunten Farberscheinungen an den CDs (compact discs). Betrachtet man zum Beispiel das Licht einer kleinen Glühbirne (möglichst ohne Reflektor) im Spiegel so einer CD, so sieht man außer dem Spiegelbild der Lampe unter etwas anderem Winkel deren Licht in die Spektralfarben aufgespalten.
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Früher war es mur unter ganz besonderen Bedingungen zu beobachten – wenn z.B. in einem verdunkelten Raum ein Strahl von der Sonne durch ein kleines Loch auf ein geschliffenes Glas fällt und dann einen bunten Streifen an der Wand erzeugt, eben eine "(seltsame) Erscheinung" in der ursprünglichen Bedeutung des Wortes Spektrum.
Zunächst vielleicht zufällig beobachtet, wurden die Bedingungen dann von Isaac Newton künstlich mit Hilfe von Glasprismen herbeigeführt, das Phänomen beschrieben und durch verschieden starke Brechung der verschiedenen Farben des Lichts erklärt. Aber erst William Hyde Wollaston (1804) und unabhängig von ihm Joseph Fraunhofer (1814) entwickelten die Versuchsanordnung so weit, dass sie dann auch unerwartet feine Details im Sonnenspektrum sehen konnten: Absorptionslinien, deren Wellenlängen von Fraunhofer gemessen werden konnten und die dann nach ihm benannt wurden.
| "Sonnenspektrum" mit Fraunhoferschen Linien. Ausschnitt aus einer Briefmarke zu Ehren von Joseph Fraunhofer anläßlich seines 200. Geburtstages. | |
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Es gibt heute – z.B. im AstroMedia-Verlag, Würzburg,
Bauteile und einen einfachen Bausatz für ein Hand-Spektroskop
preiswert zu kaufen; die Konstruktion ist sicherlich noch verbesserbar, aber
Gitter, Prismen, Linsen finden Sie dort auch.
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Die Farben des Regenbogens weisen eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Spektrum auf, sind aber Mischfarben, insbesondere auch, weil sie nicht vor einem schwarzen Hintergrund gesehen werden. |
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Auf die theoretischen Grundlagen werde ich noch zu sprechen kommen; hier
geht es zunächst um die Beschreibung und Veranschaulichung.
Bilder, die zeigen sollen, wie das Spektrum des Lichtes aussieht, findet man in
Büchern und zahlreich auch im Internet (ein Beispiel aus vielen: Dan Brutons Seiten über Farbe), – selten wird dazugesagt,
dass dies höchstens grob qualitativ zu verstehen ist, denn reine
Spektralfarben lassen sich im Druck und auf dem Bildschirm prinzipiell nicht
darstellen. Dies wird durch die folgende Abbildung illustriert:
Das CIE-x-y-Diagramm mit dem auf einem
sRGB-Bildschirm darstellbaren Bereich ("Palette") und dem Spektralfarbenzug.
Es werden zwei Möglichkeiten illustriert, wie die Spektralfarben auf den Rand des Dreiecks projiziert werden können. Die grauen Linien verbinden Punkte auf dem Spektralzug mit farbtongleichen Punkten der Palette, die Pfeile zeigen auf die Punkte, die sich ergeben, wenn die negativen Farbmaßzahlen R, G oder B Null gesetzt und die positiven beibehalten werden. Die Ergebnisse werden im nächsten Bild einander gegenübergestellt.
Wie sieht ein Spektrum aus?
Die Darstellung der "Spektralfarben" ist ein harter Test für jedes Verfahren der Wiedergabe von bunten Bildern, für Druck, Farbfilm, Kathodenstrahlröhren (Farbfernsehen und Computerbildschirme) und insbesondere auch die Flachbildschirme. (Woher die auf manchen Flachbildschirmen zu sehenden Unregelmäßigkeiten und Streifen in dem untenstehenden Bildchen kommen, habe ich bis jetzt nicht herausgefunden. Auf einem Kathodenstrahlröhren-Monitor treten sie nicht auf.)
Gegenüberstellung von zwei Veranschaulichungen des sichtbaren
Spektrums (entsprechend einem glühenden Körper von 6000K). Oben wurden Farbton und relative Helligkeit möglichst genau
angepasst, d.h. es wurde Weiß beigemischt, bis der Rand des
darstellbaren Bereichs erreicht wurde, und dann die Helligkeit nachgestellt.
Unten wurden die negativen R,G,B-Anteile Null gesetzt und die Helligkeit
nachgestellt.
Die größte im Bild auftretende R, G oder B-Maßzahl darf den
Maximalwert von 1 nicht überschreiten, dadurch ist die Helligkeit
beschränkt.
Wo bleibt das Gelb?
Zunächst fällt auf, dass in beiden Varianten kein wirkliches
Gelb zu sehen ist – der Übergangsbereich zwischen Rot und Grün
wirkt wie grünliches Orange oder orange-stichiges Grün. Das
hört sich seltsam an, aber sehen Sie selbst! Die korrekte
Bezeichnung der Farbe ist Oliv.
| Schaut man durch ein Prisma auf einen schmalen weißen Streifen auf schwarzem Untergrund, so sieht man das weiße Licht zerlegt, aber man sieht eigentlich, wie schon Goethe beschrieben hat, nur die drei Farben Rot, Grün und Violettblau. |
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Auch mit einem Spektroskop sieht man in einem Spektrum geringerer Helligkeit
kein Gelb, ja, das Spektrum erscheint bei geringerer Helligkeit nicht
besonders farbenprächtig, sondern man sieht im wesentlichen die drei eben genannten Farben mit dem erwähnten "missfarbigen"
Übergang zwischen Rot und Grün.
Erst bei ausreichender Helligkeit
werden feinste Farbabstufungen sichtbar und das Spektrum erstrahlt in
seiner ganzen Pracht. Dann ist auch das Gelb da. Die Abhängigkeit des
empfundenen Farbtons von der Helligkeit ist seit dem 19.
Jahrhundert unter dem Namen
Bezold-Brücke-Effekt bekannt.
Ein weiterer, ähnlicher Effekt ist die Verschiebung des empfundenen
Farbtons bei Verweißlichung (Abney-Effekt), dieser macht sich bei der
in der oberen Bildhälfte gezeigten Veranschaulichung des Spektrums
störend bemerkbar (nicht bei dem kleinen Bildchen, aber beim
großen Original, dessen PostScript-Quelldatei Sie hier finden): das dunkle "Rosarot"
entspricht viel weniger dem, was man
sieht, als das Rot darunter.
Die in der oberen Hälfte des Bildes gezeigte Simulation des Spektrums ist gewissermaßen das Optimum der erreichbaren Wirklichkeitsnähe, wenn möglichst getreue Wiedergabe von Farbton und Helligkeitsverlauf angestrebt wird. Das "Fehlen" von Gelb ist nicht zu beheben, solange der Helligkeitsverlauf dem wirklichen entspricht. Physiologisch ist Gelb als Farbe heller als Rot und Grün, im kontinuierlichen Spektrum liegt die Helligkeit bei der Wellenlänge von 570 bis 580 nm aber immer zwischen denen der benachbarten Farben. Es gibt keine wirklich befriedigende Wiedergabe des Spektrums auf dem Bildschirm oder im Druck.
Die in der unteren Hälfte gezeigte Simulation zeigt sattere Farben, aber deutliche Farbtonverfälschungen: Bei der Wellenlänge von 520 nm sollte ein weder blau- noch gelbstichiges reines Grün zu sehen sein, aber es wird auf das Gelbgrün des grünen Leuchtstoffes projiziert.
Die hier angesprochene Problematik finden Sie auf den Seiten von Andrew T. Young noch ausführlicher dargestellt und sorgfältig diskutiert; dort wird auch eine Kompromisslösung zwischen Wirklichkeitsnähe und gewohntem Aussehen von Gelb vorgestellt.
Geschichtliches
Isaak Newton hat 1666 die Zerlegbarkeit des Sonnenlichtes entdeckt und beschrieben, und er zählt die sieben Farben auf, die dann erscheinen: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Allein aus dieser Aufzählung kann man schon schließen, dass Newtons Versuchsanordnung recht einfach war: eine nicht zu kleine Öffnung in der Verdunkelung des Raumes, durch die das Sonnenlicht fiel, ein Prisma und in einigem Abstand davon ein Schirm, vielleicht ein weißes Blatt Papier. Das beobachtete "Spektrum" könnte ungefähr so ausgesehen haben wie das Bild rechts (allerdings mit dunklerem Hintergrund)..
Rechts: ein von einer Facette eines geschliffenen Glases an die Wand geworfener Lichtfleck.
Hätte Newton das Spektrum so gesehen wie es weiter oben gezeigt wurde, dann wäre er bei der Benennung vermutlich mit drei Farben ausgekommen: Rot, Grün und Indigo, oder mit vieren, wenn er das Orange noch mit dazugenommen hätte.
Es mag befremdlich erscheinen, dass unter den Farben des Spektrums Indigo genannt wird – das erscheint gewissermaßen wie eine Verdopplung von Blau. Aber es gibt Hinweise darauf, dass Newton mit "Blau" ein dem Himmelblau ähnliches helles Blau gemeint hat, also etwa die Farbe, die wir heute im Bereich der Drucktechnologie gerne als Cyan bezeichnen. Synthetisches Indigo wird zum Färben von blue jeans verwendet – jeder kennt deren Farbe, Blau, wie der Name schon sagt. In heutiger Sprechweise würden wir die Newtonschen sieben Farben im Licht Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett nennen.
Die physiologischen Grundfarben
Die Erscheinungsweise des Spektrums bei geringer Helligkeit – rot, grün und violettblau – ist natürlich durch die Eigenschaften der Rezeptoren in der Netzhaut bedingt: das sind die physiologischen Grundfarben, die der Reizung von jeweils nur einer Zapfenart entsprechen. Diese Farben sind im oberen Teilbild des Spektrenvergleiches bei 630 nm, 530 nm und 450 nm zu sehen. Bei modernen Verkehrsampeln entspricht das Rot (so wie man es am hellen Tage sieht) in guter Näherung der physiologischen Grundfarbe, die von manchen Autoren gerne als Orangerot bezeichnet wird. Bei Dunkelheit steigt die Empfindlichkeit der Zapfen, dann werden die grünempfindlichen von dem roten Licht schon merklich gereizt, dadurch verschiebt sich die Farbempfindung ins Gelbliche (Bezold-Brücke-Effekt). Bei einer Digitalkamera ist das übrigens völlig analog:
Links: Am hellen Tag und gegen den hellen Himmel gesehen erscheint das rote Licht einer Verkehrsampel tiefrot. Rechts: Bei Dämmerung gegen einem dunklen Hintergrund und nachts empfindet man das gleiche rote Licht als gelblich.
Ästhetische Kriterien
Zum Schluss noch ein Zitat aus den interessanten Internetseiten von Philip Laven, die sich mit der Optik von Wassertropfen – Anwendung der Theorie von Mie auf Regenbögen, Glorien und ähnliche Phänomene – befassen. In seinen aufwendigen Programmen zur Berechnung dieser Erscheinungen verwendet Laven zur Berechnung der Farbkoordinaten für die Darstellung auf dem Bildschirm ein sehr schlichtes Verfahren und schreibt dazu:
"The Bruton algorithm is obviously a simplification of a complex process. More complex algorithms have been investigated, such as those developed by CIE (Commission Internationale Eclairage – International Lighting Commission) but none of them produce an aesthetically pleasing spectrum!"
Der Sachverhalt, dass ein korrekt berechnetes Spektrum nicht so aussieht wie erwartet, ist also der Grund, lieber ein schlechtes Verfahren zu verwenden, das "schönere" Ergebnisse liefert. Schade. Die Moral von der Geschicht': Ästhetischen Kriterien ist nicht unbedingt zu trauen.
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