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Farbmessung

Auch hier zuerst ein paar Worte zur Begriffsdefinitions. Meistens meint man mit "Farbmessung" ein Quantifizieren des Farbeindrucks in der Art, dass zwei Proben mit gleichen Messwerten auch ein gleiches Erscheinungsbild zeigen. Information dazu findet sich weiter unten.
Nicht minder wichtig ist aber die Frage, wie die photometrischen Größen zu interpretieren sind, wenn man Licht unterschiedlicher Farbe - oder weißes Licht - miteinander vergleicht. Dazu mehr im nächsten Absatz.

Photometrische Größen und Farbe

Die Definition der photometrischen SI-Basiseinheit (Candela) geht von monochromatischem - also perfekt einfarbigem - Licht aus. Die im Standard angegebenen 540·10¹² Hz entsprechen einem kräftigen Grün mit leichter Nuance ins Gelb (555nm). Wie "übersetzt" man das auf andere Farben oder weißes Licht?
Der Schlüssel dazu ist der "spektraler Hellempfindlichkeitsgrad" (oft auch V(λ)-Kurve genannt), der die Empfindlichkeit des Auges in Abhängigkeit der Wellenlänge (sprich der Farbe) des Lichts angibt.

V-lambda Kurve

Diese Kurve hat bei 555 nm ihr Maximum (Wert 1) und fällt zu beiden Seiten am Ende des sichtbaren Bereichs auf null ab. Möchte man nun Licht einer beliebigen Wellenlänge λ (photometrisch) messen, ist der (üblicher weise radiometrische gemessene) Wert mit V(λ) zu multiplizieren. Beispiel: Ein Laserpointer liefert bei λ=650 nm einen Strahlungsfluss von 5 mW. Welchen Lichtstrom ergibt das? Nun, wäre die Wellenlänge 555 nm, könnte man diese Aufgabe direkt mittels der Definition von Candela und Lumen lösen: 1 Watt Strahlung entspricht dort 683 Lumen. Die geringere Empflindlichkeit des Auges im Roten wird durch V(λ) angegeben. Die Antowrt lautet also:

Φ=683 lm/W×0.005 W×0.107=0.365 lm

Für nicht einfarbige Lichtquellen - insbesondere für weißes Licht - muss diese Methode in Form eines Integrals über die Wellenlänge angewendet werden.

Messung des Farbwerts

Die Farbmessung unterscheidet sich grundsätzlich von der Messung anderer Größen: Der Farbeindruck existiert ausschließlich in der Erfahrungswelt des Menschen. Der physiologische Aufbau des Auges legt nahe, dass das Auge drei Grundfarben wahrnehmen kann. Diese entsprechen grob gesagt rot, grün und blau. Diese Tatsache ist unter dem Schlagwort "tristimulus Theory" bekannt. Wäre der Mensch einfach nur ein Messgerät, könnte man diese einzelnen "Farbkanäle" ausmessen und darauf aufbauend andere Messgeräte kalibrieren. Der Mensch ist aber weder zerlegbar noch sind Sinneswahrnehmungen objektiv quantifizierbar. Absolute Empfindlichkeiten für Grundfarben sind daher nicht bestimmbar. Das führt unter anderem dazu, dass man die spektrale Empfindlichkeit eines Farbkanals innerhalb gewisser Grenzen willkürlich festlegen kann.

CIE hat daher für den grünen Farbkanal die Empfindlichkeitskurve als ident zum spektralen Hellempfindlichkeitsgrad festgelegt, was messtechnische Vereinfachungen bringt. Über Versuchsreihen zur Farbwahrnehmung an Versuchspersonen wurden dann die spektralen Empfindlichkeiten des roten und blauen Kanals bestimmt. Die Intensitäten dieser drei Farbkanäle (manchmal auch Farbvalenzen genannt) werden meist mit X, Y und Z bezeichnet. Normalisiert man diese Werte nach der Gesamthelligkeit, so erübrigt sich ein Wert (nämlich Y, weil dieser ja der (λ)-Kurve entspricht) und aus X und Z werden x und y. Den Werten können in einem Diagramm Farben zugeordnet werden, wobei aber nicht jedes Wertepaar einer realen Farbe entspricht. Dieses Diagramm wird meist nur kurz "CIE Diagramm" genannt. Der Rand des gültigen Bereichs wird durch die Spektralkurve gebildet. Dort liegen Farben mit maximaler Farbsättigung. Der gekrümmte Teil entspricht echten Spektralfarben (rot, gelb, grün, cyan, blau, violett) und die gerade Verbindungslinie zwischen violett und rot schließt die Kurve über purpur, der einzigen maximal gesättigten Farbe, die nicht im Regenbogen vorkommt.
Bei Abbildungen von CIE-Diagramm ist aber immer Vorsicht geboten. Jede Art der technischen Reproduktion (Druck, Bildschirm, Projektion usw.) schräkt die darstellbaren Farben etwas ein. Gewisse Bereiche des Diagramms werden daher IMMER FALSCH DARGESTELLT werden. Selbst gedruckte Versionen, die in aufwändigen Verfahren hergestellt werden, können maximal gesättigte Farben nur unvollständig wiedergeben. Die EDV ist da i.A. noch schlechter dran. Ein CIE-Diagramm am Computermonitor kann daher nur eine sehr grobe Näherung der Realität sein. Besonders häufige Probleme sind: Innerhalb der intensiven Grüntöne ist kein Unterschied erkennbar; violett wird zu blau oder umgekehrt; auch gelb auf der Spektralkurve sieht nicht wirklich rein aus. Also: CIE-Diagramme nie zum Spezifizieren von Farben heranziehen, dafür gibt es eigens Farbpaletten. Das Diagramm dient eher dem Verständnis.

In der Umgebung von x=y=0.33 befinden sich Farben mit sehr geringer Farbsättigung oder einfacher gesagt: Weiß. Die Theoretiker sprechen gerne von dem "Unbuntpunkt", etwas eingängiger ist vielleicht Weißpunkt.
Eine thermische Lichtquelle verändert mit der Temperatur auch die Farbe - oder anders ausgedrückt: Sobald man die Temperatur eines thermischen Strahlers kennt, kann man die Farbe eindeutig bestimmen und ihm daher einen Ort im CIE-Diagramm zuweisen. Tut man das für alle Temperaturen, erhält man die "Planckkurve". Diese beginnt bei rot und verläuft über orange und ein weißliches gelb fast genau zum (theoretischen) Weißpunkt und von dort weiter - für sehr hohe Temperaturen - zu einem blassen blau mit leichtem türkis-Stich.
Jeder Ort im CIE-Diagramm entspricht einem Farbeindruck, sofern er sich innerhalb der Spektralkurve befindet. Ähnliche Farben sind auch im Diagramm benachbart. Soweit die guten Nachrichten. Möchte man aber den Farbunterschied quatifizieren, so ist die Entfernung im Diagramm kein gutes Maß. Der Abstand von zwei gerade noch unterscheidbaren Farbtönen hängt im CIE-Diagramm von der Farbe selbst ab. Oder in Zahlen ausgedrückt: Man kann in x und y nicht auf einfache Weise Ähnlichkeit oder Unterscheidbarkeit von Farben bestimmen. Das liegt einerseits an einer nichtlinearen Wahrnehmung (im gelben Bereich kann man Wellenlängenunterscheide von weniger als 0.5 nm leicht wahrnehmen, im Roten machen 10 nm aber kaum etwas aus) und andererseits an einer Verzerrung des Diagramms durch die Normalisierung. Es gibt mehrere Ansätze zu einem Farbmodell mit einfacher Abstandsmetrik, wobei der Bereich um den Weißpunkt besoders schwierig abzudecken ist. Eine detaillierte Diskussion würde jedoch den Rahmen dieses Überblicks sprengen.

Auf den ersten Blick möchte man vielleicht annehmen, dass die Farbmessung analog zu den photometrischen Größen eine "Farbeinheit" definieren und man in dieser Art dann einfach und reproduzierbar messen kann. Das funktioniert aber aus zweierlei Gründen nicht so recht:

Der Farbeindruck ist eine mehrdimensionale Größe, das heißt man kann Farbe nicht mit einer Zahl beschreiben. Leider sind auch drei Zahlen (wie z.B. X, Y und Z aber auch Systeme wie RBG, CMYK oder HSB) nicht in allen Situationen ausreichend. Farbwert, Sättigung und Helligkeit reichen für viele Anwendungen aus; das bedeutet aber nicht, dass alle Farbwahrnehmungen, deren Menschen fähig sind, damit darstellbar sind. Oberflächentextur (wie glänzend oder seidenmatt), Metallic- oder Perlmutt-Effekte und Transluzenz (wie tief man in das Metrial hineinsehen kann) haben auf den ersten Blick nichts direkt mit Farbe zu tun, beeinflussen aber die Farbwahrnehmung entscheidend. Außerdem gibt es fluoreszente Farben, die einen Teil der absorbierten Energie als Licht anderer Farbe wieder abstrahlen, was die Anwendung mancher Farbsysteme für Reflexionsfarben schwierig macht. Die Auto- und Kosmetikindustrie investieren jährlich meherer Millionen Euro in die Erforschung und Quantifizierung von solchen "Effektfarben".
Die subjektive Wahrnehmung von Farbe ist erstaunlich vielfältig. Auch wenn man Personen mit konkreten Farbschwächen ("Farbenblindheit") ausklammert, bleibt immer noch eine große Streubreite übrig. Besonders im blau-grünen Bereich scheiden sich die Geister, schon alleine bei der Benennung von Farben. Man kann einwenden, dass es sich hier nur um eine Konventionsfrage handelt ("Welche Farbe nenne ich wie?") - das Problem liegt aber tiefer. Auch auf die Frage, ob zwei Farben gleich oder unterscheidbar sind, gibt es nicht von jedem die gleiche Antwort. Diese Vielfalt kann physiologisch plausibel gemacht werden: Menschen nehmen, vereinfacht ausgedrückt, drei Grundfarben wahr. Für jeder dieser Grundfarben gibt es eine eigene Zellpopulation im Auge. Die relativen Häufigkeiten und möglicherweise auch die Empfindlichkeiten sind nicht bei jedem Menschen gleich. Da der Farbeindruck aber sehr empfindlich vom Verhältnis der Reizstärken abhängt, ist eine gewisse Streuung in der Farbwahrnehmung einfach zu verstehen.

Die Messung von Farbe ist immer noch ein Gebiet der Forschung und dauernden Weiterentwicklung.

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