Licht und Farbe

Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 400 und 750 Nanometer. Farbe ist ein wahrnehmungspsychologisches Phänomen. Wesentlichen Beitrag zur Wahrnehmung einer Farbe hat die Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung des Lichts (rot, blau), die Intensität (hellgrün, schwarz), Oberflächeneffekte (silbern, mattschwarz) und Marketingstrategien (Arcticblau metallic).
 

Diese Grafik zeigt das ungefähre Spektrum des sichtbaren Lichts. Die Empfindlichkeit des Auges ist im grüngelben Bereich am höchsten. Daher werden diese Farben bei gleicher Intensität heller wahrgenommen. Begrenzt wird das sichtbare Spektrum durch den Ultraviolett-Bereich bei niedrigen Wellenlängen und den Infrarot-Bereich bei hohen Wellenlängen.

Das Auge besitzt zur Farbwahrnehmung drei verschiedene Rezeptoren, die ihre maximale Empfindlichkeit im roten, grünen und blauen Spektralbereich haben. Im Gehirn wird aus der Intensitätsbalance dieser drei Rezeptoren die passende Farbwahrnehmung zusammengemixt. Dieses recht einfache Prinzip des Auges erleichtert die Fotografie sehr, da es ermöglicht, jede Farbe aus nur drei Farben - den sogenannten Grundfarben - zusammenzumischen. Hierbei ist jedoch grundsätzlich zu unterscheiden, ob man farbiges Licht mischt, oder ob Farbstoffe gemischt werden.
 

Die additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau ergeben, als Licht gemischt, in der Summe weisses Licht. Nach diesem Prinzip funktioniert dieser Monitor (ich hoffe, niemand hat mehr Monochrommonitore). Wenn man die weisse Fläche auf dieser Seite mit einer starken Lupe betrachtet (z. B. Objektiv von der Kamera abnehmen, umdrehen und durchgucken), stellt man fest, dass sich das Bild aus roten, grünen und blauen Punkten zusammensetzt. Ein Fernseher funktioniert nach dem gleichen Prinzip.

Die subtraktiven Grundfarben Gelb, Magenta und Cyan erscheinen, mischt man Farbstoffe, in der Summe schwarz. Dies kommt daher, weil jeder dieser Farbstoffe eine der additiven Grundfarben absorbiert (die sogenannte Komplementärfarbe) und die anderen beiden reflektiert. Farbfotos (auch Dias) sind aus diesen drei Farben zusammengesetzt. Sie werden auch im Vierfarbdruck eingesetzt, dort kommt zusätzlich noch schwarz hinzu, um eine bessere Deckung zu erreichen.
 

Der Farbkreis stellt die Grundfarben so dar, dass jedes Feld die Farben als Nachbarn hat, aus denen die Farbe gemischt werden kann. So kann blauer Farbstoff durch mischen von Cyan und Magenta erhalten werden (subtraktive Farbmischung), rotes Licht gemischt mit grünem Licht ergibt gelbes Licht (additive Farbmischung). Gegenüber stehen die Komplementärfarben. Jeder Farbstoff erhält seine Farbe durch absorbieren der Komplementärfarbe. Mischt man Cyan (absorbiert Rot) nun mit Magenta (absorbiert Grün), bleibt vom weissen Licht (Rot, Grün und Blau) nur die blaue Farbe übrig.

Tritt Licht in ein anderes durchsichtiges Medium (Glas, Wasser, Luft) über, ändert sich die Lichtgeschwindigkeit. Durch eine Art Trägheitseffekt wird dabei der Strahl gebrochen, also abgelenkt. Die Stärke dieses Effekts hängt vom Medium ab, man misst ihn mit dem Brechungsindex. Er ist definiert als das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwingigkeit zur Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Er beträgt damit für Licht immer mehr als 1, da es keine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit gibt als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Für Luft kann man ihn noch mit hinreichender Genauigkeit gleich 1 setzen, für Wasser beträgt er rund 1.33. Die meisten Glassorten liegen im Bereich zwischen 1.5 und 2.
 

Gleichzeitig tritt eine Aufspaltung des weissen Lichts in die Spektralfarben auf, da der Effekt für die einzelnen Wellenlängen unterschiedlich ist. Dies bezeichnet man als Dispersion. Trifft ein Lichtstrahl auf ein Prisma, wird der Strahl von der brechenden Kante weg gebrochen. Die Dispersion hängt quantitativ nicht mit dem Brechungsindex zusammen, es gibt auch hochbrechende Gläser mit geringer Dispersion und niedrigbrechende mit hoher Dispersion. Diese Gläser mit anormaler Teildispersion spielen zur Korrektur von chromatischen Abbildungsfehlern eine wichtige Rolle im Objektivbau.
 

Eine Sammellinse hat kugelförmig gekrümmte (konvexe) Oberflächen. Sie entspricht daher am Rand einem Prisma, wodurch die Strahlen gebrochen werden, in der Mitte gehen die Strahlen gerade hindurch. Ein parallel einfallendes Strahlenbündel wird dadurch nach einer bestimmten Distanz hinter der Linse (der Brennweite f) in einem Punkt vereint. Von einem Punkt ausgehende Strahlen werden ebenfalls (im Idealfall) wieder in einem Punkt vereint, wodurch es zu einer Abbildung des Gegenstands kommt. Diese Abbildung kann auf einer Mattscheibe betrachtet ober mit Film aufgenommen werden. In der Praxis ist aber eine einzelne Linse dazu wenig geeignet, da sie zahlreichen Abbildungsfehlern unterliegt.