Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • In welchem Wellenlängenbereich liegt die für das menschliche Auge sichtbare Strahlung?
  • Welche drei Rezeptortypen sind für die Farbwahrnehmung verantwortlich?
  • Wie kann das menschliche Auge mit nur drei Rezeptortypen so viele unterschiedliche Farben wahrnehmen?
  • Welcher Rezeptortyp ist für die hell-dunkel-Wahrnehmung zuständig?
  • Aus welchen Wellenlängen besteht weißes Licht?
  • Wie entsteht der unterschiedliche Farbeindruck von Gegenständen?
  • Was sind Komplementärfarben und wie werden diese gebildet?

Wahrnehmung von Farben

Das menschliche Auge kann verschiedene Farben wahrnehmen. Dies zeigt sich typischerweise bei der Betrachtung eines Regenbogens, der alle für das menschliche Auge sichtbaren Farben enthält: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Diese deutlich voneinander unterscheidbare Farben werden auch als Spektralfarben bezeichnet. Zudem kann das menschliche Auge zwischen den Spektralfarben liegende Farbnuancen wahrnehmen sowie hell und dunkel unterscheiden. Es ergeben sich somit Millionen von Farbeindrücken, die das menschliche Auge theoretisch wahrnehmen kann.

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Abbildung: Spektralfarben eines Regenbogens

Ob eine Farbe nun bspw. als rot oder als blau wahrgenommen wird, hängt von der Wellenlänge des ins Auge fallenden Lichtes ab. Im Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 450 nm erscheint uns das Licht violett. Im Wellenlängenbereich von etwa 630 nm bis 700 nm wird das Licht hingegen als rötlich wahrgenommen (siehe Abbildung “Elektromagnetisches Spektrum”).

Der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges kommt durch unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes zustande!

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Abbildung: Elektromagnetisches Spektrum

Verantwortlich für diese Farbwahrnehmung sind Rezeptoren auf der Netzhaut des Auges, die sogenannten Zapfen. Unterschieden werden dabei drei Arten von Zapfen, die jeweils unterschiedlich stark auf bestimmte Wellenlängen reagieren:

  • Blaurezeptor
  • Grünrezeptor
  • Rotrezeptor

Je nachdem wie stark die verschiedenen Zapfen auf das einfallende Licht reagieren, bestimmt sich der Farbeindruck. Die Empfindlichkeiten der einzelnen Farbrezeptoren sind dabei nicht scharf auf bestimmte Wellenlängenbereiche begrenzt, sondern gehen fließend ineinander über. Bei rotem Licht wird hauptsächlich der Rotrezeptor angesprochen und bei bläulichem Licht der Blaurezeptor. Bei violettem Licht hingegen reagieren beide dieser Rezeptortypen gleichermaßen auf den Lichtreiz. Bei gelbem Licht werden hauptsächlich die Rot- und Grünrezeptoren angesprochen.

Verschiedene Farbrezeptoren in unserem Auge, sogenannte Zapfen, reagieren jeweils unterschiedlich auf die im Licht enthaltenen Wellenlängen und vermitteln somit die Farbe des Lichtes!

Die untere Abbildung zeigt welche Farben gemäß der additiven Farbmischung jeweils wahrgenommen werden, wenn die unterschiedlichen Zapfentypen einen Lichtreiz wahrnehmen.

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Abbildung: Additive Farbmischung

Wahrnehmung von hell und dunkel

Die Erfahrung zeigt, dass unser Auge nicht nur bunte Farben sondern auch sogenannte unbunte Farben, die weder Farbton noch Sättigung haben, wie Weiß und Schwarz, wahrnehmen kann (sowie Grau). Ein Gegenstand wird von unserem Auge immer dann als schwarz wahrgenommen, wenn dabei jeglicher Sinnesreiz für die Rezeptoren fehlt. Von einem solchen schwarzen Gegenstand geht also für das Auge keinerlei wahrnehmbare Strahlung aus. Deshalb “sehen” wir in der Nacht, fernab von jeglicher Lichtquelle, auch alles in schwarz bzw. genauer gesagt nichts, da das Auge keinerlei Strahlung wahrnimmt!

Fehlt jeglicher Sinnesreiz für das menschliche Auge, so erscheint der betrachtete Gegenstand schwarz!

In den meisten Fällen wird auch von einem schwarzen Gegenstand immer eine gewissen Menge Strahlung ausgehen, und sei sie noch so gering. Der Gegenstand wird deshalb nie exakt schwarz sein sondern in einem grau erscheinen. Tatsächlich werden auch vermeintlich farbliche Gegenstände bei lichtschwachen Verhältnisse grau erscheinen. Dies liegt daran, dass die Zapfen in unserem Auge eine relativ hohe Lichtintensität benötigen, um einen Reiz auszulösen. Der Farbeindruck von Gegenständen verschwindet deshalb bei geringen Lichtverhältnissen, da die Farbrezeptoren nicht mehr angeregt werden.

Dass wir diese Gegenstände aber dennoch erkennen können, liegt an einem weiteren Rezeptortyp, den sogenannten Stäbchen. Im Gegensatz zu den Zapfen, reagieren die Stäbchen bereits bei deutlich geringeren Lichtintensitäten. Dafür können die Stäbchen aber keine Unterschiede in den Wellenlängen des Lichts wahrnehmen und somit keine Farbeindrücke vermitteln. Stäbchen sind deshalb nur für das Wahrnehmen von hell und dunkel zuständig. Tatsächlich besitzt das menschliche Auge rund 20 mal so viele Stäbchen wie Zapfen, nämlich über 100 Millionen!

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Abbildung: Stäbchen und Zapfen (vereinfacht)

Während Zapfen für den Farbeindruck verantwortlich sind, sorgen Stäbchen für die Wahrnehmung von hell und dunkel!

Wahrnehmung von Weiß

Im Gegensatz zur Wahrnehmung eines schwarzen Gegenstandes, bei der jeglicher Sinnesreiz fehlt, werden bei der Wahrnehmung von Weiß hingegen alle drei Zapfentypen in unserem Auge gleichermaßen angesprochen (siehe Abbildung “additive Farbmischung”). Dies legt den Schluss nahe, dass die unbunte Farbe Weiß alle sichtbaren Wellenlängen gleichermaßen beinhaltet.

Und tatsächlich kann dies mit einem Prisma relativ einfach nachgewiesen werden. Trifft das weiße Sonnenlicht auf ein solches Prisma, dann werden die Strahlen beim Ein- und Austritt gebrochen. Da die Stärke der Lichtbrechung von der Wellenlänge abhängig ist (Dispersion), werden die farblich unterschiedlichen Lichtstrahlen auch unterschiedlich stark gebrochen. So werden bspw. die bläulichen Strahlen stärker gebrochen als die rötlichen. Die im weißen Licht enthaltenen Spektralfarben teilen sich auf diese Weise auf und können einzeln wahrgenommen werden.

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Abbildung: Lichtbrechung in einem Prisma (Dispersion)

Würde man anschließend diese einzelnen Spektralfarben wieder zu einem einzigen Lichtstrahl bündeln, dann würde dieses Licht wieder weiß erscheinen! Auch die einzelnen Spektralfarben des Regenbogens, die aus dem weißen Sonnenlicht hervorgehen, entstehen nach dem Prinzip eines solchen Prismas (als “Prismen” dienen dabei Regentropfen).

Weißes Licht enthält den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich gleichermaßen!

Farbentstehung von Gegenständen

Das Entstehen des Farbeindrucks eines Gegenstandes beruht letztlich auf dem Prinzip der Absorption und Reflexion von Licht, wenn dieses auf den Gegenstand fällt und anschließend auf das Auge trifft. Trifft zum Beispiel Sonnenlicht mit all seinen Wellenlängen auf einen opaken Gegenstand, dann werden je nach Eigenschaft der Oberfläche bestimmte Wellenlängenbereiche absorbiert und der Rest entsprechend reflektiert. Je nachdem welche Wellenlängen im reflektierten Spektrum vorhanden sind (und dieses reflektierte Licht in unser Auge fällt), erscheint uns der Gegenstand mit der entsprechenden Farbe.

Aus dem reflektieren Anteil des auftreffenden Lichtes auf einen Gegenstand entsteht der Farbeindruck Gegenstandes!

Ein Blatt an einem Baum im Sommer absorbiert bspw. nahezu allen sichtbaren Wellenlängenbereiche bis auf jenen zwischen 500 nm und 550 nm. Dieser nicht absorbierte Wellenlängenbereich wird folglich wieder reflektiert und liegt im grünen Wellenlängenbereich. Deshalb erscheint ein Blatt im Sommer auch grün.

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Abbildung: Grüner Farbeindruck eines Blattes

Absorbiert ein Gegenstand von dem auftreffendem weißen Licht hingegen nur die Farbe grün und reflektiert alle andere Wellenlängen, dann werden im Auge hauptsächlich die Blaurezeptoren und Rotrezeptoren angesprochen. Wie bereits erwähnt, erscheint der Gegenstand in diesem Fall violett.

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Abbildung: Lila Farbeindruck eines Stoffes

Für den Fall, dass ein Gegenstand keine sichtbaren Wellenlängen absorbiert und damit alle Wellenlängen gleichermaßen reflektiert, werden im Auge auch alle Rezeptortypen im selben Maße angesprochen. Der Gegenstand erscheint in diesem Fall weiß.

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Abbildung: Weißer Farbeindruck eines Stoffes

Sollte ein Gegenstand hingegen alle sichtbaren Wellenlängen im besonderen Maße absorbieren, dann wird (fast) keine sichtbare Strahlung mehr reflektiert. Die Farbrezeptoren im Auge werden dann auch nicht angesprochen und der Gegenstand erscheint schwarz.

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Abbildung: Schwarzer Farbeindruck einer Holzkohle

Komplementärfarben

Zwei Farben sind immer dann komplementär zueinander, wenn diese gemischt, die Farbe Weiß ergeben (lat. complementum für “Ergänzung”).

Als Komplementärfarben werden zwei Farben bezeichnet, die gemischt, die unbunte Farbe Weiß ergeben!

Anschaulich kann man sich das Zustandekommen der Komplementärfarben wie folgt vorstellen. Zuerst wird mit einem Prisma weißes Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Nun filtert man in Gedanken eine Farbe heraus, indem man bspw. einen kleinen absorbierenden Gegenstand an die entsprechende Stelle im aufgetrennten Farbstrahl stellt. Die restlichen Strahlen werden nun mit einer Linse wieder gebündelt. Die entstehende Farbe des gebündelten Lichts ergibt nun die Komplementärfarbe zu der gefilterten Farbe.

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Abbildung: Entstehung von Komplementärfarben

Die Komplementärfarben werden häufig in einem Farbkreis dargestellt. Zwei gegenüberliegende Farben sind dabei jeweils komplementär zueinander. Sehr häufig finden sich solche Farbkreise in Computerprogrammen zur Farbauswahl wieder.

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Abbildung: Farbkreis