Farbwahrnehmung

Im Vergleich zwischen Auge und Kamera kann die Linse im menschlichen Auge als Kameraoptik und die Netzhaut (Retina) als Leinwand verstanden werden. Auf der „Leinwand“ bewirken zwei Typen von Rezeptoren die Umwandlung des eingehenden Signals. Vereinfacht ausgedrückt ermöglichen die lichtempfindlichen „Stäbchen“ das Schwarz-Weiß-Sehen und die „Zapfen“ eine ausgeprägte Farbwahrnehmung. Damit die Zapfen allerdings einen „Farbfilm“ auf der „Leinwand“ abbbilden können, ist eine ausreichende Helligkeit notwendig. So entsprechen die Stäbchen dem Nachtsehen (photopisches Sehen) und die Zapfen dem Tagsehen (skotopisches Sehen). Sowohl für das photopische als auch das skotopische Sehen existieren seitens der CIE (Internationale Beleuchtungskommission) standartisierte Empfindlichkeitsfunktionen. Für den Bereich des „Dämmerungssehens“ (mesopisches Sehen) ist dies nicht der Fall. Der mesopische Bereich zeichnet sich durch eine nichtlineare Interaktion beider Rezeptorentypen aus. Für die komplexen Strukturen des Sehens im mesopischen Bereich existiert seitens der CIE keine Empfehlung für photometrische Bewertungen.

Aufgenommen wird das Licht über die Sinneszellen (Photorezeptoren) auf der Netzhaut. Diese Sinneszellen werden in Stäbchen und Zapfen unterschieden. Die weitaus empfindlicheren Stäbchen dienen dem Hell-Dunkel-Sehen, da diese auch schwache Lichtreize wahrnehmen und als Signal an das Gehirn weiterleiten können. Auf der menschlichen Netzhaut sitzen etwa 120 Millionen Stäbchen als Sinneszellen zur Helligkeitswahrnehmung. Die farbempfindlichen Photorezeptoren werden als Zapfen bezeichnet. Da die Zapfen weniger empfindsam sind, benötigen sie eine gewisse Beleuchtungsstärke um die Weitergabe der Farbreize überhaupt zu gewährleisten. Die etwa 7 Millionen Zapfen auf der Netzhaut werden, in Abhängigkeit davon, auf welche Lichtwellenlänge sie reagieren, in drei Typen unterteilt. Dabei liegen die Absorptionsmaxima der S-Zapfen bei 420 – 450 nm, bei M-Zapfen bei 530 – 550 nm und bei den L-Zapfen bei 560 – 680 nm. (Die Zapfenbezeichnungen in S-, M- und L-Typen beziehen sich auf die absorbierten Wellenlänge;  S: short wavelength receptor, M: medium wavelength receptor und L: long wavelength receptor). Über die beschriebenen Wellenlängenbereiche können die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau wahrgenommen werden. Aus diesen lassen sich sämtliche weiteren Farben und Farbnuancen ableiten.

Die eigentliche Farbwahrnehmung findet im Farbzentrum des Gehirns statt. Auge und Netzhaut haben die Aufgabe die eingehenden Signale aufzunehmen und über den Nervenstrang weiterzuleiten. Farbwahrnehmung ist demnach ein Prozess der Zusammenarbeit von Auge und Gehirn. Entsprechend breit sind die Interpretationen der wahrgenommenen Farbreize. Erfahrungen erzeugen im Bewusstsein (und Unterbewusstsein) Assoziationen zu bestimmten Gegenständen und Farben. Beobachten wir unsere Umwelt, sind die Farbveränderungen in Abhängigkeit der vorherrschenden Lichtverhältnisse unübersehbar.

Eine populäre Beobachtung stellt der sog. Purkinje-Effekt dar. Dieses Phänomen der Farbverschiebung beim Übergang zum Dämmerungssehen wurde erstmals im Jahr 1825 durch Jan E. Purkinje beschreiben. Im Vergleich zum zapfenbasierten photopischen Sehen sind im skotopischen Bereich lediglich die Stäbchen auf der Netzhaut aktiv. Mit abnehmendem Adaptionsniveau nimmt die Hellempfindung kurzwelliger Strahlung zu. Die spektrale Hellempfindlichkeit ist in den kurzwelligen Bereich verschoben, d. h. das besonders der bläuliche Bereich besser wahrgenommen wird. Es gilt, dass „rot“ unter photopischen Bedingungen und „blau“ unter skotopischen Bedingungen als jeweils heller erscheinen. Beispielsweise wirkt das Rot einer roten Blume beim Übergang zum stäbchenbasierten Nachtsehen deutlich dunkler (grauer), während eine blaue Blume immer noch als deutlich blau zu erkennen ist. Bei der unteren Abbildung der roten Blume ist die Verschiebung in den kurzwelligen Bereich dargestellt. Die Empfindlichkeit für das Rot auf der menschlichen Netzhaut nimmt mit zunehmender Dunkelheit ab, während sich die Empfindlichkeit bei Dämmerlicht in den bläulichen Bereich verschiebt. So beschreibt der Purkinje-Effekt die Helligkeitswirkung von Farben unter Variation des Leuchtdichteadaptionsniveaus. Dies stellt den zentralen Vorgang der mesopischen Wahrnehmung dar. Der Übergang vom Zapfen- zum Stäbchenmechanismus wird im englischen zumeist mit Purkinje-Shift beschrieben. In der Fachliteratur findet sich auch die Bezeichnung „dark adaption“.

Bei ausreichender Helligkeit kann das menschliche Auge im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums fünf der sechs Grundfarben sehen. Dies sind die drei Primärfarben des Additiven Farbmischsystems (rot, grün, blau) und zwei der drei Primärfarben des Subtraktiven Farbmischsystems (cyan, gelb). Die sechste Grundfarbe (magenta) resultiert in unserer Wahrnehmung nur, wenn zeitgleich kurz- und langwellige elektromagnetische Impulse auf die Netzhaut treffen.

Abgebildet ist lediglich der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Unterhalb des Wellenlängenbereichs von ca. 380 nm beginnt die für den Menschen nicht sichtbare UV-Strahlung. Werden die Wellenlängen noch kürzer, folgt die Röntgenstrahlung und schließlich die Gammastrahlung. Am anderen Ende des sichtbaren Spektrums schließt sich dem Farbeindruck rot die Infrarot-Strahlung an. Ab einer Wellenlänge von ca. 780 nm befinden sich die Energiestrahlen außerhalb dessen, was durch den menschlichen Sehapparat „verarbeitet“ werden kann. Die elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich wird als Wärmeenergie wahrgenommen. Im Weiteren  folgen die deutlich längeren Mikrowellen und Radiowellen, welche alle außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs liegen.

Die Farbwahrnehmung ist wesentlich durch die Empfindlichkeitsbereiche der drei Zapfentypen im menschlichen Auge geprägt. Diese lassen sich hinsichtlich ihrer Reaktion im kurzwelligen (short), mittelwelligen (medium) und langwelligen (long) Bereich voneinander unterscheiden. Entsprechend den englischen Begriffen werden diese auch als S-Zapfen, M-Zapfen und L-Zapfen bezeichnet. Während die kurzwellig empfindlichen Zapfen sensibel auf den Wellenlängenbereich eines dunklen Blau reagieren, sprechen die mittelwelligen Zapfen im Bereich der Farbe Grün und die langwelligen Zapfen bei Wellenlängen des Farbeindrucks Rot an. Die Absoprptionskurven der Zapfenpigmente sind in ihrer relativen Empfindlichkeit in der Abbildung veranschaulicht. Gemeinhin werden als Maxima für Blau = 420 nm, für Grün = 534 nm und für Rot = 564 nm angenommen. In verschiedentlicher Fachliteratur finden sich hiervon auch leicht abweichende Angaben. Mit der gestrichelten Linie ist die normierte Pigmentabsorption der Rezeptoren in den Stäbchen eingezeichnet.

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