Physik

Die Gabe des Sehens wird durch die Existenz von Farben bereichert. Objekte und Lichter sind reich an Tausenden von Farbtönen, die unsere Augen, unser Gehirn und unsere Emotionen stimulieren. In dieser kurzen Abhandlung werden zwei grundlegende Fragen behandelt: Was bedeutet Farbe in wissenschaftlicher Hinsicht, und wie nehmen wir Menschen sie wahr?

Einfache Theorie des Farbsehens

Wir haben bereits festgestellt, dass Farbe mit der Wellenlänge der sichtbaren elektromagnetischen Strahlung verbunden ist. Wenn unsere Augen Licht mit reiner Wellenlänge empfangen, sehen wir in der Regel nur einige wenige Farben. Sechs dieser Farben (die am häufigsten genannt werden) sind rot, orange, gelb, grün, blau und violett. Dies sind die Regenbogenfarben, die entstehen, wenn weißes Licht nach verschiedenen Wellenlängen gestreut wird. Es gibt Tausende von anderen Farbtönen, die wir wahrnehmen können. Dazu gehören Braun, Türkis, Gold, Rosa und Weiß. Eine einfache Theorie des Farbsehens besagt, dass alle diese Farbtöne die Reaktion unseres Auges auf verschiedene Kombinationen von Wellenlängen sind. Das stimmt bis zu einem gewissen Grad, aber wir stellen fest, dass die Farbwahrnehmung noch subtiler ist als die Reaktion unseres Auges auf verschiedene Wellenlängen des Lichts.

Die beiden Haupttypen von lichtempfindlichen Zellen (Photorezeptoren) in der Netzhaut sind Stäbchen und Zapfen

Die Zapfen sind am stärksten in der Fovea, dem zentralen Bereich der Netzhaut, konzentriert. Hier gibt es keine Stäbchen. Die Fovea befindet sich in der Mitte der Makula, einer Region mit einem Durchmesser von 5 mm, die für unser zentrales Sehen verantwortlich ist. Die Zapfen funktionieren am besten bei hellem Licht und sind für das hochauflösende Sehen verantwortlich. In der menschlichen Netzhaut gibt es etwa 6 Millionen Zapfen. Es gibt drei Arten von Zapfen, und jede Art ist für verschiedene Wellenlängenbereiche empfindlich, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Eine vereinfachte Theorie des Farbensehens besagt, dass es drei Grundfarben gibt, die den drei Arten von Zapfen entsprechen. Die Tausenden von anderen Farbtönen, die wir unterscheiden können, entstehen durch verschiedene Kombinationen von Reizen der drei Zapfentypen. Beim Farbfernsehen wird ein Dreifarbensystem verwendet, bei dem der Bildschirm mit einer gleichen Anzahl roter, grüner und blauer Leuchtstoffpunkte bedeckt ist. Die breite Palette an Farbtönen, die der Zuschauer sieht, wird durch verschiedene Kombinationen dieser drei Farben erzeugt. So nehmen Sie beispielsweise Gelb wahr, wenn Rot und Grün im richtigen Verhältnis zueinander beleuchtet werden. Weiß kann wahrgenommen werden, wenn alle drei Farben beleuchtet sind. Es scheint also, dass alle Farbtöne durch die Addition von drei Primärfarben in verschiedenen Verhältnissen erzeugt werden können. Es gibt jedoch einen Hinweis darauf, dass das Farbensehen komplexer ist. Es gibt keinen eindeutigen Satz von drei Grundfarben. Ein anderer Satz, der funktioniert, ist Gelb, Grün und Blau. Ein weiteres Indiz für die Notwendigkeit einer komplexeren Theorie des Farbsehens ist, dass verschiedene Kombinationen denselben Farbton erzeugen können. Gelb kann mit gelbem Licht oder mit einer Kombination aus Rot und Grün wahrgenommen werden, aber auch mit weißem Licht, aus dem Violett entfernt wurde. Der Drei-Primärfarben-Aspekt des Farbensehens ist gut etabliert; anspruchsvollere Theorien erweitern ihn eher, als dass sie ihn leugnen.

Überlegen Sie, warum verschiedene Objekte Farbe zeigen – warum sind Federn blau und rot in einer karmesinroten Rosella? Die wahre Farbe eines Objekts wird durch seine Absorptions- oder Reflexionseigenschaften bestimmt. Abbildung 2 zeigt weißes Licht, das auf drei verschiedene Objekte fällt, ein rein blaues, ein rein rotes und ein schwarzes, sowie rein rotes Licht, das auf ein weißes Objekt fällt. Andere Farbtöne werden durch komplexere Absorptionseigenschaften erzeugt. Rosa, z. B. bei einem Galakakadu, kann auf eine schwache Absorption aller Farben außer Rot zurückzuführen sein. Ein Objekt kann bei nicht-weißer Beleuchtung in einer anderen Farbe erscheinen. Ein rein blaues Objekt, das mit rein rotem Licht beleuchtet wird, erscheint beispielsweise schwarz, weil es das gesamte rote Licht, das auf es fällt, absorbiert. Die wahre Farbe des Objekts ist jedoch blau, unabhängig von der Beleuchtung.

Auch Lichtquellen haben Farben, die durch die von ihnen erzeugten Wellenlängen definiert sind. Ein Helium-Neon-Laser emittiert reines rotes Licht. Der Begriff „reines rotes Licht“ ist dadurch definiert, dass es ein scharf begrenztes Spektrum hat, ein Merkmal von Laserlicht. Die Sonne erzeugt ein breites gelbliches Spektrum, Leuchtstoffröhren geben bläulich-weißes Licht ab, und Glühlampen strahlen rötlich-weiße Farbtöne aus, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Wie zu erwarten, nehmen Sie diese Farben wahr, wenn Sie die Lichtquelle direkt betrachten oder ein weißes Objekt damit beleuchten. All dies passt gut zu der vereinfachten Theorie, dass eine Kombination von Wellenlängen verschiedene Farbtöne erzeugt.

Farbkonstanz und eine modifizierte Theorie des Farbensehens

Das Farbsensorsystem des Auges und des Gehirns kann durch den Vergleich verschiedener Objekte in seinem Blickfeld die wahre Farbe eines Objekts unter verschiedenen Lichtbedingungen wahrnehmen – eine Fähigkeit, die als Farbkonstanz bezeichnet wird. Wir können zum Beispiel eine weiße Tischdecke als weiß empfinden, unabhängig davon, ob sie von Sonnenlicht, Leuchtstoffröhren oder Kerzenlicht beleuchtet wird. Die Wellenlängen, die in das Auge eindringen, sind in jedem Fall recht unterschiedlich, wie die Diagramme in Abbildung 3 zeigen, aber unser Farbsehvermögen kann die wahre Farbe erkennen, indem es das Tischtuch mit seiner Umgebung vergleicht.

Theorien, die die Farbkonstanz berücksichtigen, stützen sich auf eine Vielzahl anatomischer Beweise sowie auf Wahrnehmungsstudien. Es gibt Nervenverbindungen zwischen den Lichtrezeptoren auf der Netzhaut, und es gibt weit weniger Nervenverbindungen zum Gehirn als Stäbchen und Zapfen. Das bedeutet, dass es im Auge eine Signalverarbeitung gibt, bevor die Informationen an das Gehirn weitergeleitet werden. So vergleicht das Auge beispielsweise benachbarte Lichtrezeptoren und ist sehr empfindlich für Kanten, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Anstatt einfach auf das in das Auge einfallende Licht zu reagieren, das in den verschiedenen Rechtecken in dieser Abbildung gleichmäßig ist, reagiert das Auge auf die Kanten und nimmt falsche Dunkelheitsschwankungen wahr.

Eine Theorie, die verschiedene Faktoren berücksichtigt, wurde von Edwin Land (1909-1991), dem kreativen Gründer der Polaroid Corporation, aufgestellt. Land schlug, zum Teil auf der Grundlage seiner vielen eleganten Experimente, vor, dass die drei Arten von Zapfen in Systemen organisiert sind, die Retinexe genannt werden. Jede Retinex bildet ein Bild, das mit den anderen verglichen wird, und so kann das Auge-Gehirn-System ein von einer Kerze beleuchtetes weißes Tischtuch mit seiner im Allgemeinen rötlichen Umgebung vergleichen und feststellen, dass es tatsächlich weiß ist. Diese Retinex-Theorie des Farbsehens ist ein Beispiel für modifizierte Theorien des Farbsehens, die versuchen, dessen Feinheiten zu erklären. Ein eindrucksvolles Experiment von Land zeigt, dass eine Art von Bildvergleich das Farbensehen hervorrufen kann. Es werden zwei Bilder einer Szene auf Schwarz-Weiß-Film aufgenommen, eines mit einem Rotfilter, das andere mit einem Blaufilter. Die so entstandenen Schwarz-Weiß-Dias werden dann auf einen Bildschirm projiziert und überlagert, wodurch erwartungsgemäß ein Schwarz-Weiß-Bild entsteht. Dann wird ein Rotfilter vor das mit einem Rotfilter aufgenommene Dia gelegt, und die Bilder werden erneut auf einer Leinwand übereinander gelegt. Man würde ein Bild in verschiedenen Rosatönen erwarten, aber stattdessen erscheint das Bild dem Menschen in voller Farbe mit allen Schattierungen der ursprünglichen Szene. Dies bedeutet, dass das Farbensehen durch den Vergleich von Schwarz-Weiß- und Rot-Bildern ausgelöst werden kann. Das Farbensehen ist nicht vollständig verstanden oder erklärt, und die Retinex-Theorie wird nicht vollständig akzeptiert. Es ist offensichtlich, dass das Farbensehen viel subtiler ist, als es der erste Blick vermuten lässt.

Zusammenfassung des Abschnitts

• Das Auge hat vier Arten von Lichtrezeptoren – Stäbchen und drei Arten von farbempfindlichen Zapfen.
• Die Stäbchen sind für das Nachtsehen, das periphere Sehen und für Bewegungsänderungen zuständig, während die Zapfen für das zentrale Sehen und die Farbe verantwortlich sind.
• Wir nehmen viele Farbtöne wahr, die sich aus Licht mit verschiedenen Wellenlängen ergeben.
• Eine vereinfachte Theorie des Farbensehens besagt, dass es drei Primärfarben gibt, die den drei Zapfentypen entsprechen, und dass verschiedene Kombinationen der Primärfarben alle Farbtöne erzeugen.
• Die wahre Farbe eines Objekts hängt mit seiner relativen Absorption verschiedener Lichtwellenlängen zusammen. Die Farbe einer Lichtquelle hängt mit den Wellenlängen zusammen, die sie erzeugt.
• Farbkonstanz ist die Fähigkeit des Augen-Gehirn-Systems, die wahre Farbe eines von verschiedenen Lichtquellen beleuchteten Objekts zu erkennen.
• Die Retinex-Theorie des Farbsehens erklärt die Farbkonstanz, indem sie die Existenz von drei Retinexen oder Bildsystemen postuliert, die mit den drei Arten von Zapfen verbunden sind, die verglichen werden, um differenzierte Informationen zu erhalten.

Glossar

Töne: Identität einer Farbe, die sich speziell auf das Spektrum bezieht

Stäbchen und Zapfen: zwei Arten von Photorezeptoren in der menschlichen Netzhaut; Stäbchen sind für das Sehen bei schwachen Lichtverhältnissen verantwortlich, während Zapfen bei höheren Lichtverhältnissen aktiv sind

vereinfachte Theorie des Farbsehens: eine Theorie, die besagt, dass es drei Primärfarben gibt, die den drei Zapfentypen entsprechen

Farbkonstanz: ein Teil des visuellen Wahrnehmungssystems, der es dem Menschen ermöglicht, Farbe unter verschiedenen Bedingungen wahrzunehmen und eine gewisse Konsistenz in der Farbe zu sehen

Retinex: eine Theorie, die vorgeschlagen wurde, um die Wahrnehmung von Farbe und Helligkeit und deren Konstanz zu erklären; ist eine Kombination aus den Wörtern Retina und Kortex, die die beiden Bereiche sind, die für die Verarbeitung visueller Informationen verantwortlich sind

Retinex-Theorie des Farbsehens: die Fähigkeit, Farbe in einer farbigen Umgebung wahrzunehmen