FARBE UND WAHRNEHMUNG 3 LICHT UND FARBE

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1 FARBE UND WAHRNEHMUNG 3 LICHT UND FARBE 3.1 Die Sonne 3.2 Das Licht Das optische Spektrum des Lichts Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen Der Regenbogen 3.3 Die physiologische Wirkungskette zwischen mpfindung Das Licht Das Material Der Farbreiz Registrierung im Auge Die Korrekturmechanismen des Sehorgans Der Code Die Nervenbahnen Farbempfindung als Bewusstsein 3.4 Warum Farben ihr Aussehen verändern Adaptation Umstimmung Simultankontrast Der Einfluss des Beleuchtungslichtes Literatur 1

2 3 LICHT UND FARBE Licht und Materie sind farblos. Farbe ist immer und ausschließlich die Sinnesempfindung eines Betrachters. 3.1 Die Sonne Die etwa 150 Millionen km von der Erde entfernte Sonne, Hauptquelle des Lichtes für unseren Planeten, liefert der Erde jährlich 175 Milliarden Megawatt Energie. Im bis zu 16 Millionen Kelvin heißen Kern der Sonne verschmelzen pro Sekunde etwa 650 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium. Die kontinuierlich ablaufende Kernfusion setzt Licht (Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung) frei. 2

3 3.2 Das Licht Die von der Sonne ausgehende Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus. Die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum beträgt etwa km/sec. Trifft diese Strahlung auf ein Hindernis, wird sie absorbiert oder reflektiert Das optische Spektrum des Lichts Dispersion Dringt weißes Licht durch Wassertropfen (bei Regenbogen) oder durch prismenförmig geschliffenes Glas, wird dieses Licht an den Grenzflächen zweimal gebrochen. Kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges, daher kann mit Hilfe eines Prismas weißes Licht in seine Wellenanteile zerlegt werden. (Dispersion). 3

4 Das Spektrum des sichtbaren Lichts Das Phänomen der Dispersion wurde erstmals 1704 von Isaac Newton in seinem Werk Opticks beschrieben. IR = Infrarot UV = Ultraviolett Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 425nm (Nanometer) wird von unserem Sehorgan als blaues Licht, bei ca. 535nm als grünes, ab etwa 600nm als rotes Licht registriert. Infrarot-Strahlung (IR) jenseits von etwa 770nm wird von unserem Sehorgan nicht mehr als Lichteindruck wahrgenommen. Ultraviolett-Strahlung (UV) im Bereich von unter 380nm ist für das menschliche Auge ebenfalls nicht mehr wahrnehmbar. (1 nm = 10-9 m, 1 Millionstel Millimeter) 4

5 3.2.2 Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen Abb.: W. Ruhstorfer, Skriptum Bildverarbeitung, Universität Regensburg 1997 Elektromagnetische Wellen schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung (transversal), und sie übertragen Energie. Die meisten elektromagnetischen Wellen wie Radiowellen oder die Röntgenstrahlung sind für unser Auge nicht sichtbar. Die Wellen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge: Rundfunkwellen können mehrere hundert Meter lang sein, während kosmische Höhenstrahlung Wellenlängen im Bereich von Millionstel Nanometer (1 nm = 10-9 m) besitzt. Das nicht mehr sichtbare Infrarot wird als Wärmestrahlung wahrgenommen. Das nicht mehr sichtbare Ultraviolett erzeugt Sonnenbrand (Zellschädigungen, von Hautrötungen bis zu schweren Verbrennungen). Die Wellenlänge des für uns sichtbaren Lichts liegt zwischen ca. 770 und 380 nm. (Optisches Spektrum). 5

6 3.2.3 Der Regenbogen Beim Eintritt eines Sonnenstrahls in einen Regentropfen ändert sich der Ausbreitungswinkel des Lichtstrahls, er wird gebrochen. Ebenso beim Austritt. Der kurzwellige blaue Anteil des weißen Lichts wird stärker gebrochen als der langwellige rote. Das weiße Licht der Sonne wird in seine Spektralanteile zerlegt. Der Hauptregenbogen kommt durch dreimalige Ablenkung der Sonnenstrahlen (Brechung, Reflexion, Brechung) zustande. Der rote Saum des Spektrums erscheint außen, der blauviolette innen. Der Regenbogen erscheint kreisrund, sein Mittelpunkt liegt auf einer Geraden mit der Sonne und dem Auge des Beobachters. Der Beobachter erblickt den Regenbogen stets in einem Winkel von 42 Grad zu dessen Mittelpunkt. Je höher die Sonne steht, desto tiefer erscheint der Regenbogen und umgekehrt. Steht die Sonne höher als 42 Grad über dem Horizont, ist kein Regenbogen über dem Horizont zu sehen. Außerhalb des Hauptregenbogens erscheint gelegentlich ein blasser Nebenregenbogen im Winkel von 51 Grad. Er entsteht durch viermalige Ablenkung der Strahlen. Beim Nebenregenbogen erscheint das Farbenspiel umgekehrt: außen blauviolett, innen rot. 6

7 3.3 Die physiologische Wirkungskette zwischen mpfindung Wie unser Wahrnehmungsapparat aus Auge und Gehirn Signale aus dem All und aus unserer Umgebung interpretiert, können wir rein physikalisch nicht mehr beschreiben. Welche Farbe wir wahrnehmen, ist das Ergebnis der Verarbeitung der Signale durch Auge und Gehirn. Dies steht nicht zwingend in direkter Beziehung zum physikalischen Reiz, den unser Auge empfangen hat. Farbreiz Der erste Abschnitt der Wirkungskette beschreibt den so genannten Farbreiz. Er steht für eine sichtbare Strahlung, die durch direkte Reizung der Augennetzhaut eine Reaktion auslöst. Dieser Farbreiz kann grundsätzlich auf drei verschiedene Arten entstehen. Die Strahlung eines Selbstleuchters tritt direkt in das Auge. Die Strahlung eines Selbstleuchters geht durch einen Farbfilter und dann erst in das Auge. Die Strahlung eines Selbstleuchters fällt erst auf einen Körper und geht von dort in das Auge. Diese drei Erscheinungsformen nennt man auch "äußere Erscheinung". Sie bilden den Farbreiz, der mit physikalischen Mitteln messbar ist. 7

8 Farbvalenz Die zweite Stufe der Wirkungskette wird als Farbvalenz bezeichnet. Der Farbreiz erzeugt eine Erregung auf der Netzhaut, die zur Farbvalenz führt. Gleiche Valenzen werden nicht immer durch jeweils gleiche Reize erzeugt. Wir unterscheiden bedingt gleiche (metamere) Farben unbedingt gleiche (monomere) Farben Unter bedingt gleichen Farben verstehen wir Farben von unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung, die auf der Netzhaut jedoch die gleiche Valenz hervorrufen. II I I I = II I Es ist zum Beispiel für unsere Wahrnehmung nicht unterscheidbar, ob gelbes Licht etwa genau 580 nm Wellenlänge aufweist (monochromatische Strahlung), oder ob das Licht aus zwei Strahlungen mit 560 nm und 620 nm im gleichen Verhältnis besteht (polychromatische Strahlung). Die Valenz ist in beiden Fällen dieselbe. Unter unbedingt gleichen Farben verstehen wir Farben, deren spektrale Zusammensetzung und somit deren Farbreiz ebenfalls gleich ist. 8

9 Farbempfindung Die dritte Stufe der Wirkungskette findet im Gehirn statt. Die Aktionsströme werden durch Korrekturmechanismen des Auges weiter verändert, als elektrische Codes über Nervenbahnen in das Gehirn geleitet und lösen dort eine Farbempfindung aus. Abb. links oben, links unten: Die Färbung des Ringes links und rechts ist jeweils gleich, liefert identische Farbreize für grau bzw. grün und löst dieselbe Valenz aus. Empfunden wird die Farben des Ringes jedoch links und rechts unterschiedlich. Abb. rechts: Der Farbreiz des kleinen grauen Quadrats ist in allen Fällen gleich. In Abhängigkeit von der Farbe seiner Umgebung wird sie jedoch unterschiedlich empfunden. Gleiche Valenzen verursachen nicht unbedingt gleiche Farbempfindungen. 9

10 Nachbilder + Fixieren Sie für einige Sekunden den grünen Farbfleck und blicken Sie dann rechts auf die weiße Fläche bei +. Für kurze Zeit erscheint dort ein gegenfarbiges Nachbild. Eine Farbempfindung kann auch ohne entsprechende Valenz als Nachwirkung eines lang anhaltenden Farbreizes auftreten. 10

11 Die physiologische Wirkungskette zwischen mpfindung (Zusammenfassung) Licht (1) fällt auf einen Gegenstand. Ein Teil des Lichtes wird von Material absorbiert, d.h. in Wärme umgewandelt (2). Der nicht absorbierte Teil, das Restlicht, wird als Farbreiz (3) ins Auge eines Betrachters reflektiert und erzeugt dort eine Farbvalenz (4). Nach Korrekturmechanismen des Auges wird für jeden Bildpunkt auf der Netzhaut ein elektrischer Code gebildet und über die Nervenbahnen (5) ins Gehirn geschickt. Aus diesen farblosen Daten baut sich das vielfarbige dreidimensionale Gesichtsfeld als Farbempfindung im Bewusstsein auf (6). (Nach H. Küppers) Das Licht Licht ist Energiestrahlung im Bereich der Wellenlängen zwischen etwa 380 und 770 nm. Diese Strahlung wird von unserem Sehorgan registriert und in elektrische Impulse umgewandelt. Lichtstrahlen sind farblose Energiestrahlen. 11

12 3.3.2 Das Material Materie besteht aus unterschiedlichen Zusammenschlüssen von Atomen, aus Molekülen. Absorption und Reflexion Je nach ihrer molekularen Struktur besitzt Materie die Fähigkeit, vom auffallenden Beleuchtungslicht einen bestimmten Teil zu absorbieren. Der nicht absorbierte Teil des Lichts wird reflektiert. (Restlicht). Fällt dieses Restlicht ins Auge eines Betrachters, erzeugt es einen Farbreiz. 12

13 3.3.3 Der Farbreiz Spektrum des Sonnenlichtes ( weißes Licht ) Spektralverteilung des von einem grünen Blatt reflektierten Sonnenlichts Die Wellenlängen des sichtbaren Spektrums können im Farbreiz in den unterschiedlichsten Intensitäten vertreten sein. (Spektrale Verteilung). Von der spektralen Zusammensetzung des Farbreizes hängt es ab, welche Farbe wir sehen. 13

14 3.3.4 Registrierung im Auge Schematischer Schnitt durch das menschliche Auge. Aus: David H. Hubel, Auge und Gehirn. Neurobiologie des Sehens. Heidelberg Der Farbreiz wird durch das optische System des Auges auf die Netzhaut (Retina) projiziert. In die Netzhaut eingebettet sind Sehzellen, die man Stäbchen und Zäpfchen nennt. Das Licht muss die Schichten der Ganglien- und Bipolarzellen durchdringen, bevor es die Stäbchen und Zapfen erreicht. An der Austrittstelle des Sehnervs befinden sich keine Sehzellen. Blinder Fleck. 14

15 Fovea centralis und blinder Fleck Blick auf den Augenhintergrund, die Retina. In der Bildmitte ist die Fovea centralis, die Zone des scharfen Sehens, zu erkennen. Rechts davon als helles Feld die Eintrittsstelle des Sehnervs und der Blutgefäße (Papille, blinder Fleck ). Der durch den blinden Fleck verursachte Ausfall im Gesichtsfeld wird im Sehorgan durch Extrapolation der Umgebungsreize aktiv kompensiert. Die aktive Rolle der menschlichen Wahrnehmung kann durch Demonstration des blinden Flecks anschaulich belegt werden. Die an der Stelle der Papille fehlenden Bildinformationen werden unauffällig durch Einbeziehung von Reizen aus der benachbarten Umgebung ersetzt. Die Kompensation des blinden Flecks reicht bis zur Fortsetzung unterbrochener Muster. Siehe folgendes Beispiel. 15

16 Demonstration des blinden Flecks Verdecken Sie Ihr linkes Auge und fixieren Sie mit dem rechten Auge das Kreuz x links von der Musterfläche. Nähern Sie sich der Betrachtungsfläche bis auf etwa 30cm, bis das weiße Loch im Muster verschwindet. Das quadratische Musterfeld erscheint Ihnen plötzlich unversehrt. Das fehlende Loch an der Stelle Ihres blinden Flecks wird durch Ihre Wahrnehmung sinnvoll ergänzt. 16

17 3.3.5 Die Korrekturmechanismen des Sehorgans Die Sehzellen wandeln die Energie des Farbreizes in Energieimpulse um und bilden einen elektrischen Code. Zuvor finden jedoch im Auge einige organeigene Korrekturmechanismen statt. Adaptation Bei sehr großer Helligkeit verengt sich die Iris des Auges und vermindert so die Gesamtintensität des Farbreizes. Umstimmung Die Anpassung an die spektrale Zusammensetzung des Beleuchtungslichtes. Simultankontrast Die Veränderung des Aussehens einer Farbe durch die Farbe des Umfelds. Wir verfügen über erheblich mehr Sehzellen auf der Retina als einzelne Nervenfasern auf der Retina. Nicht von jeder einzelnen Sehzelle wird ein individueller elektrischer Impuls an das Gehirn weitergeleitet. Anzahl der Stäbchen im menschlichen Auge: ca. 120 Millionen Anzahl der Zäpfchen im menschlichen Auge: ca. 6 Millionen Der Sehnerv umfasst etwa 1 Million Nervenfasern. Die meisten Sehzellen sind demnach bereit in der Retina untereinander verschaltet. Dadurch ist auch der Durchmesser des Sehnervs so gering wie möglich dimensioniert. Ähnlich einem aus der digitalen Bildverarbeitung bekannten Datenkompressionsprogramm sorgen diese Schaltkreise auch für optimierte Trennschärfe und Kontrast bei minimaler Datenmenge Der Code Nach den organeigenen Anpassungsvorgängen der Adaption, der Umstimmung und des Simultankontrasts wird im Auge ein elektrischer Code gebildet, der zur Farbempfindung führt. 17

18 3.3.7 Die Nervenbahnen Abb.: Norbert Welsch, Claus Cr. Liebmann, Farbe,, München , S. 255 Für jeden Bildpunkt auf der Netzhaut wird ein Code gebildet, der zu einer entsprechenden Farbempfindung führt. Der elektrische Code wird über Nervenbahnen ins Gehirn geleitet. Die linken Netzhauthälften beider Augen senden ihre Impulse an die linke Hälfte der Sehrinde, die rechten Netzhauthälften an die rechte Hälfte der Sehrinde. Das zur Rechten liegende Gesichtsfeld beider Augen wird somit gemeinsam an der Sehrinde der linken Gehirnhälfte "abgebildet", das linke Gesichtsfeld an der Sehrinde der rechten Gehirnhälfte Farbempfindung als Bewusstsein Für jeden Bildpunkt auf der Netzhaut wird ein Code gebildet, der zu einer entsprechenden Farbempfindung führt. Von der Netzhaut fließt ein kontinuierlicher Strom von Daten zum Gehirn, wo das vielfarbige dreidimensionale Bild aufgebaut wird. Bis heute ist nicht entschlüsselt, wie aus diesen Daten im Gehirn ein Bild des dreidimensionalen vielfarbigen Gesichtsfeldes aufgebaut wird. 18

19 3.4 Warum Farben ihr Aussehen verändern Farben verändern ihr Aussehen durch äußere Einflüsse und durch Korrekturmechanismen des Sehorgans. Äußere Einflüsse Einfluss des Beleuchtungslichtes Korrekturmechanismen des Sehorgans Adaptation Umstimmung Simultankontrast 19

20 3.4.1 Der Einfluss des Beleuchtungslichtes Mit der Zusammensetzung des Beleuchtungslichts ändert sich auch spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts. Abmusterungslicht ist genormtes Beleuchtungslicht, das zum Prüfen von Farben und zum Farbabgleich zwischen einem Muster und seiner Nachstellung zu verwenden ist. Die normierten Lichtarten D 50 und D 65: Lichtart D 50 (Farbtemperatur 5000 Kelvin) Lichtart D 65 (Farbtemperatur 6500 Kelvin) entspricht dem direkten Sonnenlicht zu Mittag. entspricht dem mittleren Tageslicht zu Mittag bei bedecktem Himmel. A Spektrum schwarzer Strahler 5000K B Tageslicht-Leuchtstoffröhre. C Spektrum schwarzer Strahler 2000K D Sonnenuntergang E Spektrum schwarzer Strahler 1000K F Abmusterungslampe Lichtart D 50 20

21 3.4.2 Adaptation Wie sich die Blende eines Fotoapparats schließt und öffnet sich die Iris des Auges bei Veränderungen der Intensität des Lichts. Reicht in extremen Fällen die mechanische Regulierung der Iris nicht aus, tritt eine physiologische Veränderung der Sensibilisierung der Rezeptoren der Netzhaut ein. Adaptation ist die Anpassung des Sehorgans an die Intensität des Beleuchtungslichtes. 21

22 3.4.3 Umstimmung Beleuchtungslicht kann unterschiedliche spektrale Zusammensetzungen haben, die wir Strahlungsverteilungen nennen. Wenn Licht verschiedene Strahlungsverteilungen hat, spricht man von verschiedenen Lichtarten. Mittagslicht Abendsonne objektiv subjektiv durch Umstimmung objektiv subjektiv durch Umstimmung (Computersimulation) (Computersimulation) Die Umstimmung ist die Anpassung des Sehorgans an die spektrale Zusammensetzung des Lichtes, an die "Lichtart". Der Korrekturmechanismus der Umstimmung ist in der Lage, geänderte Lichtverhältnisse auszugleichen, sodass innerhalb naturtypischer Schwankungen der Farbe des Beleuchtungslichtes subjektiv keine Änderung des Farbreizes wahrgenommen wird, obwohl eine Änderung objektiv zu registrieren ist - z.b. mit analogem Fotoapparat: Ein in hellem Mittagslicht aufgenommenes Motiv zeigt Blaustich, das selbe Motiv bei Sonnenuntergang oder dem Licht einer Glühbirne zeigt Rotstich. 22

23 3.4.4 Simultankontrast Farben verändern ihr Aussehen auch durch den Einfluss ihrer Umgebung, durch Umfeldfarben. Der graue Streifen in der Mitte ist objektiv völlig gleichförmig. Durch den Einfluss der Helligkeitsunterschiede des Umfelds erscheint im mittleren Streifen der Eindruck eines gegenläufigen Hell-Dunkel-Verlaufs. Gegenprobe durch Abdecken der Umfeldstreifen. Simultankontrast dient der Kontraststeigerung, um Farbunterschiede in der Empfindung zu vergrößern, in der Wahrnehmung deutlicher zu machen. Simultankontrast ist die Fähigkeit des Sehorgans, das Aussehen von Farben durch den Einfluss der Umfeldfarben zu verändern. 23

24 Simultankontrast 24

25 Literatur David H. Hubel: Auge und Gehirn. Neurobiologie des Sehens. Heidelberg Harald Küppers: Das Grundgesetz der Farbenlehre. Köln 1978 ( ) Norbert Welsch, Claus Chr. Liebmann: Farben. Natur, Technik, Kunst. München Moritz Zwimpfer: Bruce MacEvoy: Ludwig Gall: Stephan H. Hartl: Thomas Seilnacht: Farbe Licht Sehen Empfinden. Eine elementare Farbenlehre in Bildern. Bern, Stuttgart 1985 Color Vision. Light and the Eye. Messen Kontrollieren Rezeptieren. Was ist Farbe? Das Phänomen Farbe

26 Dieses Skriptum dient als Orientierungs- und Lernhilfe. Es erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und ersetzt nicht den Besuch der Lehrveranstaltung. AProf. Mag. Dr. Peter Stoeckl Design / Grafik und Werbung Universität für angewandte Kunst Wien peter.stoeckl@uni-ak.ac.at