Eingangsfrage
Wenn Sie das Bild der Zitrone in Abbildung B1 auf dem Display ihres digitalen Gerätes betrachten – welche Wellenlänge besitzt das Licht, das dabei gerade in Ihr Auge fällt und den gelben Farbeindruck hervorruft?
Wenn Sie das Bild nun auf dem Farbdrucker ausdrucken und betrachten – fällt dann Licht derselben Wellenlänge in Ihr Auge?
Die Antwort ist: nein. Im zweiten Fall fällt Licht mit Wellenlängen im gelben Bereich in Ihr Auge, im ersten Fall Licht mit Wellenlängen im roten und grünen Bereich. Wie ist das zu erklären?
Greifen wir zunächst einmal auf die Überlegung aus Themengebiet 3 – Licht und Schatten zurück, wann wir ein Objekt sehen können. Dies ist dann der Fall, wenn Licht von diesem Objekt in unser Auge trifft. Entweder leuchtet das Objekt von sich aus oder es wird angeleuchtet und streut das Licht wieder von sich fort und in unser Auge. Farbeindrücke von Oberflächen kommen zustande, wenn Licht aus bestimmten Bereichen des Spektrums, also bestimmter Wellenlänge, ausgesendet wird, das aus anderen Bereichen hingegen nicht (siehe Abschnitt D).
Wir haben außerdem bereits grundsätzlich betrachtet, wie unser Auge Licht unterschiedlicher Farben (Wellenlängen) aufgrund seiner drei verschiedenen Arten von Farbrezeptoren auf der Netzhaut unterscheiden kann. Dieses Wissen können wir nun nutzen, um zu verstehen, wie sich Farben untereinander mischen lassen und wie dadurch neue Farbeindrücke entstehen.
Im Umgang mit Farben wird unterschieden zwischen
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- Grundfarben, die sich nicht aus anderen Farben mischen lassen und
- Mischfarben, die aus mindestens zwei Grundfarben in bestimmten Mischungsverhältnissen bestehen.
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Es muss außerdem zwischen zwei verschiedenen Arten unterschieden werden, wie Farben miteinander gemischt werden können:
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- der subtraktiven Farbmischung, die beispielsweise aus dem Mischen von Wasserfarben oder Farbdruckern bekannt ist und
- der additiven Farbmischung, die sich beispielsweise Displays von Handys und Computern oder Bühnenbeleuchtungen zunutze machen.
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Wir beginnen mit letzterer.
B.1 Additive Farbmischung (Farbaddition)
Auf dem Display des elektronischen Gerätes erscheint das Bild der Zitrone in gelber Farbe – und soll dennoch kein gelbes Licht aussenden? Schaut man ein solches Display genauer an, erkennt man, aus welchen leuchtenden (also lichtemittierenden) Farbpixeln es zusammengesetzt ist. Dafür reicht es je nach Auflösung des Displays schon aus, feine Wassertröpfen auf die Oberfläche des Displays zu sprühen, bzw. mit dem Finger zu schnipsen (siehe Abbildung B.2). Durch den Lupeneffekt der Wasserlinse (siehe Themenabschnitt 1 zu Wasser) lassen sich die Farben der Pixel so bereits erkennen.
Eine hochaufgelöste Aufnahme des Displays zeigt genauer, um welche Pixelfarben es sich handelt (siehe Abbildung B.2).
Im Display befinden sich Pixel in den Farben Rot, Grün und Blau (RGB). Diese Pixel senden Licht in bestimmten Bereichen des Spektrums aus. Die „Emissionskurven“ der drei Pixelarten sind in Abbildung B.4 dargestellt
Warum werden diese Farben für die Pixel gewählt und nicht beispielsweise Gelb?
Hierfür müssen wir noch einmal die Farbrezeptoren und ihre Empfindlichkeitskurven betrachten (siehe Abschnitt A1 und A3). Wir machen es uns dafür ein wenig leichter und betrachten ein vereinfachtes Bilder der Empfindlichkeitskurven der drei Farbzapfenarten im Auge (siehe Abbildung B.5).
Wann entsteht für uns also der Farbeindruck „gelb“? Dies ist der Fall, wenn sowohl der M- („grün“) als auch der L-(„rot“)Rezeptor durch den Einfall von Licht im Wellenlängenbereich um 580nm angesprochen werden, denn dort liegt der Wellenlängenbereich, dem wir die Farbe „gelb“ zuordnen (siehe Spektrum in Abbildung B.5). Der an unser Gehirn weitergeleitete Reiz ist also „Strahlung detektiert von M und L“. Das Gehirn formt darus die Information: „Dort ist es gelb“. Nun kommt das Entscheidende: Diese Reize können zum einen von „gelbem“ Licht der Wellenlänge um 580 nm ausgelöst worden sein – aber genauso auch von zwei unterschiedlichen Reizen durch „grünes“ Licht um ca. 530 nm und „rotes“ Licht um ca. 700 nm hervorgerufen werden. In beiden Fällen werden M- und L-Rezeptor ungefähr gleich stark angeregt. Für das Gehirn sind diese beiden Informationen nicht unterscheidbar, da sie auf die identischen Informationen seitens der beteiligten Zapfen führen.
Das bedeutet: Wenn ein Objekt betrachtet wird, das „gelb“ erscheint, dann kann von diesem Objekt Licht ausgehen, das aus dem „gelben“ Bereich des sichtbaren Spektrums stammt. Ebenso kann aber auch Licht von ihm ausgehen, das aus dem roten und grünen Bereich des Spektrums stammt – und sogar aus dem gesamten spektralen Bereich von Rot über Gelb bis Grün!
Wenn es also egal ist, ob unser Auge für den Farbeindruck „gelbes“ oder „rotes und grünes“ Licht empfängt, warum verwendet man dann keine gelben Pixel im Display? Der Vorteil der Kombination RGB (Red Green Blue) ist, dass mit diesen Reizen alle drei Rezeptoren annährend einzeln angesprochen werden können. (Dies ist nur annähernd der Fall, da die Bereiche der Empfindlichkeitskurven ja etwas mehr ineinander übergehen (siehe Abbildung A.3) als in unserer vereinfachten Annahme in Abbildung B.4.) Wenn die Pixel in ihrer Helligkeit variiert werden, dann können auf diese Weise alle Farbeindrücke nachgebildet werden.
Betrachten wir nun die Darstellung verschiedener Farben auf einem digitalen Display. In Abbildung B.6 ist links das Display als Screenshot und rechts als Aufnahme durch ein Digitalmikroskop dargestellt. Für letztere wurde das Bild der Farbkreise auf dem Screen deutlich verkleinert, so dass es in der Darstellung nur noch wenige Pixel groß war und dann durch das Digitalmikroskop hindurch aufgenommen. Bei normaler Betrachtung liegen die Pixel so dicht nebeneinander, dass das Auge sie nicht einzeln wahrnehmen kann und die Farben vermischt werden.
Vergleicht man die Farben links mit der Darstellung der Pixel rechts, dann wird deutlich: Rot, Blau und Grün werden durch die Aktivierung der jeweiligen Pixel realisiert. Für Cyan werden Blau und Grün angeschaltet, für Gelb sind Rot und Grün zuständig. Dies stimmt mit den Farben in Abbildung B.5 überein, in der die jeweiligen Mischfarben (Cyan, Gelb) entstehen, wenn die entsprechenden zwei Rezeptoren aktiviert werden. (Farbnuancen entstehen, wenn die Pixel in ihrer Helligkeit variiert, die Rezeptoren also unterschiedlich stark aktiviert werden.)
Rot und Blau liegen im Spektrum nicht nebeneinander. Wenn die hierfür sensitiven Farbrezeptoren (S für Blau und L für Rot) aktiviert werden, dann entsteht daher ein Farbeindruck, den es im „Regenbogenspektrum“ nicht gibt: Magenta (siehe Abbildung B.7).
Weiß wiederum entsteht, wenn alle drei Farbpixel angeschaltet und also alle drei Farbrezeptoren aktiviert werden. Bei Schwarz sind alle Pixel aus. Von dieser Stelle des Bildschirms gelangt kein Licht in unser Auge.
Diese Farbmischung von Licht verschiedener Wellenlänge nennt man die ADDITIVE FARBMISCHUNG.
Additive Mischung von Licht(farben) – kompakt
Bei der additiven Mischung von Farben (oder auch: Farbaddition) gelangt Licht verschiedener Wellenlängen gleichzeitig in unser Auge und trifft dort auf die Netzhaut. Dieses Licht verschiedener Wellenlängen wird also addiert – je mehr Licht ins Auge gelangt, desto heller wird der Farbeindruck.
Die Grundfarben dieser Farbmischung sind Rot, Grün und Blau (RGB). Mit Licht dieser Wellenlänge werden die einzelnen Farbrezeptoren mehr oder weniger einzeln angesprochen, so dass damit alle möglichen Farbkombinationen als Mischfarben hervorgerufen werden können. Aus der Mischung von rotem und grünem Licht würde sich entsprechend gelbes, aus der Mischung von rotem und blauem Licht magentafarbenes und aus der Mischung von grünem und blauem Licht cyanfarbenes Licht ergeben. Auf einem digitalen Display sind die Leuchtpunkte so eng nebeneinander gesetzt, dass unser Auge sie nicht einzeln, sondern nur in ihrer Mischung wahrnehmen kann. Dasselbe lässt sich herbeiführen, wenn man das Licht farbiger Taschenlampen auf einer hellen Fläche übereinanderlegt. Abbildung B.8 (Farbaddition mit farbigen Lampen) zeigt eine solche Anordnung.
Eine additive Farbmischung liegt immer dann vor, wenn durch jede neue Mischfarbe weiteres Licht hinzukommt und so die Helligkeit durch jeden weiteren Farbanteil zunimmt.
Auf den Fotos wird auch noch ein weiterer bereits angesprochener Aspekt deutlich: Wenn alle drei Grundfarben überlagert werden, dann entsteht der Farbeindruck Weiß (siehe Abbildung B.11 & B.12). Dies ist uns umgekehrt auch von typischen „Regenbogenphänomenen“ bekannt: Hier wird das (weiße) Sonnenlicht in seine einzelnen spektralen Anteile aufgeteilt (zur Erinnerung siehe Abbildung B.10 bei der Brechung am Prisma) und es entsteht das breite Spektrum des sichtbaren Lichts, wie es in Abbildung B.11 für das Licht der Sonne dargestellt ist.
(Expertenwissen: Die Absorptionslinien kommen übrigens dadurch zustande, dass Moleküle in der Erdatmosphäre das Licht dieser spezifischen Wellenlängen absorbieren, bzw. streuen. Das ist auch der Grund für Phänomene die das Blau des Himmels oder seine rötliche Färbung bei malerischen Sonnenauf- und untergängen.)
TIPP Auf den Seiten von Leifi-Physik können beide Farbmischungen auch in Simulationen nachgestellt werden:
KURZ & KNAPP:
Die Grundfarben der additiven Farbmischung sind Rot, Grün und Blau – RGB. Je mehr Farbe(n) bei dieser Farbmischung hinzugemischt werden, desto heller wird der Farbton (Helligkeit wird addiert).
Diese Farbmischung liegt beim Mischen von Farben auf elektronischen Displays und auch beispielsweise bei Bühnenbeleuchtung vor.
Alles verstanden? Auf dieser Website sind ein paar Fragen zu den behandelten Inhalten zu finden. Sie sollen dem Verständnis und einer nachhaltigen Erkenntnisgewinnung dienen.
B.2 subtraktive Farbmischung (Farbsubtraktion)
Soweit, so logisch, wenn wir uns das Mischen von farbigem Licht anschauen, dass durch mehr Licht aus anderen Wellenlängen seinen Farbeindruck verändert und heller wird. Aus dem Alltag bekannter ist vor allem Kindern aber eine andere Art der Farbmischung, die gleichzeitig ähnlich und umgekehrt zu der additiven Farbmischung funktioniert: Es handelt sich um die subtraktive Farbmischung.
Die subtraktive Farbmischung begegnet uns beim Malen und sonstigen Mischen von Farben (Wasserfarben, Wachsmalfarben, Filzstifte, Lacke usw.). Diese Farbmischung funktioniert in einem zentralen Punkt offensichtlich anders: Je mehr Farbe hier zusammengemischt wird, desto dunkler wird der Gesamtfarbeindruck. Daher wird diese Farbmischung auch subtraktiv genannt, da ein Zusammenmischen von immer mehr Farbe ein Abnehmen (Subtraktion) der Helligkeit zur Folge hat. Das ist aus dem Farbkasten bekannt: Je mehr Farbe in ein Glas Wasser hineingemischt werden, desto dunkler wird das Wasser (siehe Abbildung B.12).
Diese Farbmischung wollen wir im Folgenden genauer betrachten. Dazu müssen wir direkt mit einer aus Sicht der Physik fehlerhaften Information aufräumen:
Die drei Grundfarben der (subtraktiven) Farbmischung sind nicht Gelb, Rot und Blau.
Dies lässt sich leicht durch einen einfachen Versuch (siehe Video B1) nachvollziehen: Werden Blau und Rot aus dem Wasserfarbkasten miteinander vermischt, so entsteht kein schön klares, sondern eher ein schmutzig-dunkles Lila.
Video B1: Schmutziges Lila mischen aus Rot und Blau.
Ähnlich verhält es sich beim Mischen von Blau und Gelb, das ebenfalls kein schönes Grün, sondern einen eher trüb-dunkelgrünen Farbton ergibt. Und ein weiteres Problem taucht auf. Wenn es sich bei Gelb, Rot und Blau um die Grundfarben handelt, wie lassen sich dann die Farben Cyan und Magenta mischen?
Tatsächlich gibt es keine Möglichkeit, diese beiden Farben aus den angenommenen Grundfarben (Rot, Gelb, Blau) zu mischen. Die Farben Blau und Rot sind zu dunkel, um einige hellere Farbe mischen zu können.
Subtraktive Mischung von Farben – Filteranalogie
Warum das so ist, kann man sich anhand von Filtern vorstellen: Scheint (weißes) Licht einer Lichtquelle durch das Wasserglas hindurch, dann ist das saubere Wasser für das Licht transparent und es gelangt beinah ungehindert hindurch. Wird nun etwas Farbe in das Wasser gegeben, so trübt sich das Wasser. Das Licht wird nicht mehr ungehindert transmittiert, sondern durchläuft sozusagen einen Filter. Ein Teil des Lichtes wird durch den Filter hindurchgelassen, ein anderer Teil wird durch die Farbpartikel absorbiert und ggf. gestreut. Je mehr Farbpartikel nun in das Wasser eingebracht werden (vor allem wenn sie von unterschiedlichen Farben stammen), desto mehr Filter werden dadurch „hintereinandergelegt“ und verringern die Lichtmenge, die durch das Wasser hindurchkommt – und desto dunkler wird der Farbeindruck.
Die Grundfarben der Farbsubtraktion müssen also helle Farben sein, die nur wenig Licht absorbieren. Diese Grundfarben sind:
Cyan, Magenta und Gelb (Yellow). Dies sind auch die Farben, die in Druckern Verwendung finden. Sie ergeben das CYM-Farbsystem.
Im folgenden Video B2 lassen sich die subtraktive Farbmischung und die Filteranalogie noch einmal nachvollziehen.
Video B2: Filterfolien übereinanderlegen.
Dabei wird nun deutlich:
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- Die Primärfarben der subtraktiven Farbmischung sind: Cyan, Magenta und Gelb (Yellow)
- Die Sekundärfarben der subtraktiven Farbmischung sind: Blau, Rot und Grün.
Das üblicherweise heute verwendete (Ultramarin-)Blau ist nämlich kein reines Blau (Cyan), sondern eine Mischung aus Cyan und Magenta. Magenta hingegen ist das „reine Rot“, wohingegen das heute gebräuchliche (Signal-)Rot eine Mischung aus Magenta und Gelb ist.
Auch ein schönes Lila lässt sich nun mischen: Hierzu werden ebenfalls Cyan und Magenta gemischt, allerdings mit mehr Anteilen Magenta als Cyan.
Video B3: Lila zusammenmischen aus Magenta und Cyan.
Dies lässt sich auch im Realexperiment (Video B4) sehr gut zeigen.
Video B4: Farbsubtraktion Schritt für Schritt.
Abbildungen B.14 und B.15 zeigt außerdem das vergrößerte Bild zweier Farbausdrucke (durch ein Licht- und durch ein digitales Mikroskop). Vor allem durch das digitale Mikroskop sind deutlich die gelben, magenta- und cyanfarbenen Pixel zu sehen, die teilweise neben- und teilweise übereinander gedruckt werden, so dass auch Mischfarben (blau, rot, grün) erkennbar werden.
Und wie ist es nun mit dem ausgedruckten Bild der Zitrone vom Anfang? Wenn sie mit einem üblichen (CYM-)Drucker ausgedruckt wurde, wird sich ihre Farberscheinung aus vielen gelben Farbpunkten zusammensetzen, ggf. mit leichten magenta- und cyanfarbenen Zusätzen um Schattierungen und Verfärbungen anzudeuten. Das ausgedruckt Bild sendet daher vor allem Licht aus dem Bereich des „gelben Lichts“ in das Auge des Betrachters.
KURZ & KNAPP:
Die Grundfarben der subtraktiven Farbmischung sind Cyan, Magenta und Gelb (Yellow) – CYM. Je mehr Farbe(n) bei dieser Farbmischung hinzugemischt werden, desto dunkler wird der Farbton (Helligkeit wird subtrahiert).
Diese Farbmischung liegt beim Mischen von Farben im Wasserfarbkasten und bei Farbdruckerzeugnissen vor.
Die Auflösung zum Lila
Abschließend zur subtraktiven Farbmischung: Warum ergibt sich nun aus der Mischen von Rot und Blau kein „schönes“ Lila, sondern nur ein „schmutziges“? – Wenn Blau sich in der subtraktiven Farbmischung aus Cyan und Magenta zusammensetzt und Rot aus der Mischung von Magenta und Gelb entsteht, dann führt die Mischung von Blau und Rot alle drei Grundfarben zusammen. Eine Mischung aus allen drei Grundfarben aber ergibt immer einen Farbton von Braun und keine „schöne“ Farbe. Wird die Mischung der drei Grundfarben als sich überlappende Kreise gezeichnet, ergibt sich in der Mitte als Mischung aus allen dreien schwarz (siehe Abbildung B16).
B.3 Zusammenfassung der beiden Farbmischsysteme
Abschließend werden beide Farbmischsysteme nebeneinander in der vereinfachten Ansicht ihrer Grund- und Sekundärfarben betrachtet (siehe Abbildung B17). Dazu schließen wir das lineare Spektrum zum Kreis. – Wir haben bereits betrachtet, dass Magenta aus der additiven Mischung aus Rot und Blau entsteht, die eigentlich auf den gegenüberliegenden Seiten des Spektrums liegen. Dadurch entsteht der folgende Farbkreis mit den beiden Grundfarbensystemen für die additive und die subtraktive Farbmischung. Die jeweils drei heller erscheinenden Farben Cyan, Gelb (Yellow) und Magenta bilden das Grundfarbensystem CYM der subtraktiven Farbmischung, die drei dunkler erscheinenden Farben Rot, Grün und Blau das Grundfarbensystem RGB der additiven Farbmischung. Die jeweils zwischen zwei Grundfarben des einen Mischsystems liegende Farbe ist gleichzeitig eine der drei Grundfarben des andern Mischsystems. Diese schöne Symmetrie ergibt sich durch unsere oben diskutierte Farbwahrnehmung anhand der drei verschiedenen Rezeptoren.
Die sich aus diesen Farbmischungen ergebenden Farbeindrücke lassen sich einerseits durch die Filteranalogie veranschaulichen:
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- Passiert das Licht auf seinem Weg zum Auge mehrere, hintereinanderliegende Filter, so dass immer mehr Licht herausgefiltert wird und die Helligkeit abnimmt? -> subtraktiv
- Kommt pro Mischfarbe eine weitere Lichtquelle mit vorgeschaltetem Filter hinzu und bringt so zusätzliches Licht ein, so dass die Helligkeit zunimmt? -> additiv
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So ergeben sich insgesamt die in Abbildung B18 dargestellten beiden Systeme der Farbmischung.
Wie viele Farben?
Wir haben uns bisher auf ein sogenanntes 6er System des Farbkreises beschränkt. Also auf 3 Grundfarben und 3 Sekundär- (oder Misch-)Farben. Mit diesem System können am leichtesten die beiden Farbmischsysteme erklärt werden, da es gut zur Physiologie des Auges passt. Hier noch einmal eine Zusammenfassung im Video B5:
Video B5: Keine Ahnung war gestern: Farbmischsysteme.
Es können aber ebenso eine andere Anzahl von Mischfarben betrachtet werden. Beispielsweise enthalten die meisten Wasserfarbkästen ein 9er oder ein 12er System. Das 9er System geht ebenfalls von den Grundfarben Cyan, Gelb und Magenta aus. Dazwischen legt es jeweils zwei Mischfarben, wie Abbildung B19 zeigt.
Dabei ergeben sich die jeweils zwei Mischfarben zwischen den Grundfarben aus unterschiedlichen Mischungsverhältnissen: Für Ultramarinblau wird etwas mehr Cyan als Magenta verwendet. Für Violett hingegen etwas mehr Magenta als Cyan.
Ein 12er System enthält jeweils die Farbe aus einem 1:1 Mischverhältnis als noch jeweils eine Mischung mit mehr Anteilen der einen Grundfarbe (siehe Abbildung B21).
Tertiärfarben enthalten Anteile aller drei Grundfarben. In der subtraktiven Mischung läuft diese Mischung auf einen braun-grauen bis schwarzen Farbton hinaus. In der additiven Mischung führt die Überlagerung aller drei Grundfarben dazu, dass das Licht als weiß wahrgenommen wird. Das ist dann der Fall, wenn alle drei Sorten von Zapfen auf der Netzhaut auf einen Reiz reagieren. Bei dem ankommenden Licht kann es sich dabei um das komplette sichtbare Spektrum oder auch nur um einzelne Wellenlängen in den Bereichen des blauen, grünen oder roten Lichts im Spektrum handeln. Daher erscheint sowohl das Licht der Sonne (fast vollständiges Spektrum) als auch das Licht des mit allen drei Farbpixeln beleuchteten Handys als weiß.
Alles verstanden? Auf dieser Website sind ein paar Fragen zu den behandelten Inhalten zu finden. Sie sollen dem Verständnis und einer nachhaltigen Erkenntnisgewinnung dienen.