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2.2 Die Wahrnehmung von Licht durch das Auge

Bisher haben wir Licht mehr unter physikalischen und meßtechnischen Gesichtspunkten betrachtet, mit einem gelegentlichen Verweis auf den menschlichen Beobachter. Um jedoch genauer auf Licht und Farbe eingehen zu können, müssen wir zunächst das menschliche Auge näher analysieren.

Abbildung 3. Das menschliche Auge: Übersicht

Aufgabe der meisten Elemente des menschlichen Auges ist es, wie eine Kamera ein Bild aus der Umgebung scharf auf eine lichtempfindliche Fläche zu projizieren (s. Abbildung 3). Das in das Auge einfallende Licht wird zunächst durch eine Anzahl lichtbrechender Organe gebündelt und scharf gestellt: Die Hornhaut, das Kammerwasser dahinter, die für die Anpassung auf Nah- und Fernsicht (Akkommodation) zuständige Linse, und der Glaskörper. In der vorderen Augenkammer formt die Iris (Regenbogenhaut) die Pupille, das zur Steuerung der Lichtmenge in seiner Größe variable Sehloch. Alle diese Elemente dienen dazu, ein scharfes, nicht zu helles Bild auf die Retina (Netzhaut) zu projizieren. Dort befinden sich zwei Arten von Lichtaufnehmern: die nur hell-/dunkelempfindlichen Stäbchen und die farbempfindlichen Zapfen. Letztere liegen besonders dicht in der Sehgrube (Fovea), der Zone der größten Sehschärfe in der Mitte des gelben Flecks (Makula). Die weiteren Bestandteile des Auges, insbesondere das komplexe Nervensystem, das das aufgenommene Bild an das Gehirn weiterleitet, sollen uns hier nicht weiter interessieren.

Abbildung 4. Das menschliche Auge: Verteilung der Stäbchen und Zapfen

Die Zapfen und die Stäbchen dienen unterschiedlichen Zwecken. Etwa 110 bis 125 Millionen Stäbchen sind über die gesamte Retina verteilt, mit der geringsten Konzentration in der und um die Sehgrube (s. Abbildung 4; hier ist die Dichte der beiden Arten von Sinneszellen aufgetragen gegen den Winkel in Richtung Schläfe/in Richtung Nase). Stäbchen sind etwa 10000 mal so lichtempfindlich wie Zapfen und dienen vor allem dem dunkeladaptierten Sehen. (Sie kennen vielleicht den Effekt, daß Sie einen nicht sehr hellen Stern sehen können, wenn Sie leicht danebenschauen, aber nicht mehr, wenn Sie ihn fixieren? Das ist ein Ergebnis der geringen Konzentration von Stäbchen in der Sehgrube.) Da die für die Nachtsicht zuständigen Stäbchen keine Farben unterscheiden können, sind “nachts alle Katzen grau”. Stäbchen erreichen ihre höchste Empfindlichkeit bei etwa 507 nm (ein leicht bläuliches Grün).

Abbildung 5. Spektrale Empfindlichkeit von Stäbchen und Zapfen

Anders beim helladaptierten Sehen: Hier sind die Zapfen zuständig, die ihre höchste Dichte in der Sehgrube erreichen. Zapfen funktionieren bei Leuchtdichten ab größenordnungsmäßig 1 cd/m2, bei wesentlich geringeren Leuchtdichten können nur noch die Stäbchen zum Sehen beitragen. Zapfen gibt es in drei Varianten: ein Teil der Zapfen ist für langwelligeres Licht besonders empfindlich, das wir als rot empfinden, ein Teil für mittlere Wellenlängen, die wir als grün empfinden, und ein kleiner Teil (ein paar Prozent) für kurzwelligeres Licht, das wir als blau empfinden. Dies ist in Abbildung 5 zu sehen; hier sind auch noch einmal die Stäbchen mit ihrer spektralen Empfindlichkeit eingetragen, die allerdings nicht zum Farbsehen beitragen. (Interessanterweise sind die “roten” Zapfen am empfindlichsten für Gelb: Rot erkennen wir anscheinend an stärkerer Anregung der “roten” Zapfen als der “grünen” Zapfen.)

Diese Ausführungen über die drei Arten von Zapfen im menschlichen Auge erklären, wieso die Farbwahrnehmung im wesentlichen als Kombinationen der drei Farbstimuli Rot, Grün und Blau beschrieben werden kann: Im Prinzip läßt sich zu jeder wahrgenommenen Farbe eine Kombination von Rot-, Grün- und Blau-Anteilen in jeweils bestimmten Intensitäten angeben, die genauso wahrgenommen wird (additive Farbmischung, s. Abbildung 6). So ist z.B. Gelb ein Farbeindruck, der durch Mischung von rotem und grünem Licht hervorgerufen werden kann. Es gibt aber auch gelbes Licht mit nur einer Wellenlänge: Die Wellenlänge dieses Lichtes liegt zwischen rot und grün und wird deswegen von beiden Arten von Zapfen in einem bestimmten Verhältnis wahrgenommen, das wir als Gelb empfinden — es kann vom Auge nicht von einer geeignet gewählten Kombination von Rot und Grün unterschieden werden.

Abbildung 6. Additive Farbmischung

Anmerkung

In der Schule haben Sie vielleicht gelernt, daß Rot, Gelb und Blau die drei Grundfarben sind. Das bezieht sich auf subtraktive Farbmischung, in der die drei Druckfarben Gelb, Cyan (ein grünliches Blau) und Magenta (ein purpurnes Rot) auf Papier gemischt werden (in Ihrem Schultuschkasten gab es aber kein Cyan und kein Magenta, daher Blau und Rot). Diese Druckfarben leuchten nicht selbst, sondern verschlucken jeweils eine der drei Grundfarben: gelbe Farbe absorbiert blaues Licht, grün-blaue Farbe absorbiert rotes Licht und Magenta-Farbe absorbiert grünes Licht. Über die Kombination dieser lichtentfernenden Komponenten läßt sich auf weißem Papier eine gewünschte Farbe hervorrufen. Mehr zur subtraktiven Farbmischung später.

Eine Anmerkung zum Schluß: Mit dem Wissen über die unterschiedliche Dichte der Zapfen verstehen Sie jetzt vielleicht auch, warum blaue Schrift auf schwarzem Hintergrund oder gelbe Schrift auf weißem Hintergrund (die sich ebenfalls nur in der Blau-Komponente unterscheiden) so schwer zu lesen ist: Wir haben weniger Zapfen, die auf blau spezialisiert sind, und können diese Unterschiede daher nicht mit der gleichen Auflösung sehen wie andere Farbunterschiede.

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