Freitag, 7. August 2015

Physik-Crash-Kurs II: Licht und Farbe

kolorierte alte Zeichnung von Edisons Glühlampe
Wir kennen alle die LED-Lämpchen der 1. Generation, die alles in futuristischem Blau erscheinen lassen. Und ihr habt bestimmt auch die Erfahrung gemacht, dass auch unter vermeintlich normalem Licht Gegenstände - oder unser Gesicht - eine unnatürliche Farbe haben. 
Beim Basteln kombiniere ich bunte Dinge, und wenn es euch wie mir geht, dann möchtet ihr auch Licht, das Farben nicht verfälscht. Einfach eine Lampe mit der Aufschrift "neutralweiß" zu kaufen, so simpel ist es aber leider nicht. Ebenso hilft die Farbtemperatur in Kelvin nicht weiter. Was bedeuten diese Angaben dann? Und woran erkennt man dann eine Lampe mit naturgetreuer Farbdarstellung? 
Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir erneut einen kleinen Abstecher in die Physik machen...


Teil II des Crash-Kurses für Lampenkäufer
   

LICHT UND FARBE


1. Weiß ist nicht gleich Weiß 

Lichtbrechung im Prisma
Lichtbrechung macht die Spektralfarben sichtbar
Bestimmt hat jeder mal gehört, dass Sonnenlicht durch Lichtbrechung, z.B. in einem Prisma oder einem Wassertropfen, in seine Farbanteile zerlegt wird. Umgekehrt bedeutet das: Weiß ist keine eigenständige Farbe, sondern entsteht durch Mischung von farbigem Licht.

sog. additive Farbmischung
Beim Sonnenlicht wirken alle Spektralfarben Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot zusammen. Tatsächlich reichen aber die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau aus; daher auch das RGB-Farbsystem am Computer. 
In beiden Fällen sehen wir weißes Licht, unser Auge kann das enthaltene Farbspektrum nicht erschließen. Die Art der Zusammensetzung wirkt sich aber auf die Farbgebung der beleuchteten Gegenstände aus. Dazu mehr unter Punkt 3.

2. Farbtemperatur und Lichtfarbe

verschiedene Lichtfarben (Foto nachträglich bearbeitet)
Diese Angaben sind auch erst mit der Einführung der neuen Lampenarten nötig geworden, weil deren Licht im Vergleich zum alten Glühobst oft ganz anders war: nüchtern, kühl, bläulich. Glühlampen dagegen erzeugen gelblich-weißes Licht, das wir als angenehm, gemütlich und warm empfinden. Für Lichtfarbe wäre somit der Begriff "Lichtstimmung" passender, weil damit nur unser subjektiver Eindruck, oder auch Wohlfühlfaktor, bezeichnet wird. Damit der Verbraucher erkennen kann, welche Art Stimmung eine Lampe erzeugt, muss der Hersteller die Kategorie der Lichtfarbe angeben: warmweiß, neutralweiß oder tageslichtweiß (= kaltweiß). Da diese Definitionen aber ungenau und individuell oder kulturell unterschiedlich sind - und Hersteller auch noch selbst erfundene Ausdrücke verwenden - kommt noch die Farbtemperatur ins Spiel, die genau gemessen und als Zahlwert genannt werden kann.

Zusammenhang von Lichtfarbe und Farbtemperatur
Ich habe mir die Produktdaten verschiedener Lampenarten angesehen; am verbreitetsten scheinen wohl 2700 K (warmweiß), 4000 K (neutralweiß) und 5800 bzw. 6500 K (tageslichtweiß) zu sein. Kerzenlicht hat nur 1500 K; diese Temperatur würde im Handel als extra-warmweiß o.ä. bezeichnet werden.

Bei der Farbtemperatur verhält sich die Zuordnung von Wärmegrad und Farbe übrigens genau umgekehrt, wie wir es gewohnt sind: Ein heißer Körper, der rötliches Licht abstrahlt, ist kühler als einer, der bläuliches abgibt.
 

3. Farbwiedergabe

Die zum Basteln/Malen optimale künstliche Lichtquelle ist farbtreu, d.h. die Farben von angestrahlten Gegenständen werden unverfälscht wiedergegeben; das Veilchen genauso lila, die Sonnenblume genauso gelb. Ebenso sollen verschiedene Materialien, die in diesem Licht den gleichen Farbton haben, bei Tageslicht betrachtet nicht plötzlich unterschiedliche Nuancen aufweisen.

Sehr verbreitet ist die Behauptung, dass Lampen mit tageslichtweißem Licht eine sehr gute Farbwiedergabe haben. Dies kann man nur sehr eingeschränkt so stehen lassen: Im Vergleich zu sehr warmweißem Licht mag Tageslichtweiß tatsächlich besser abschneiden. Das heißt aber noch lange nicht, dass Farben von Gegenständen "naturgetreu dargestellt" werden.
Wie unter Punkt 1 schon erklärt, kann weißes Licht auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Die jeweilige Zusammensetzung des Lichtspektrums ist für uns nicht sichtbar, bestimmt aber, in welcher Farbtönung Materialien erscheinen. 
Farbwahrnehmung

Alle Körper haben nämlich die Eigenschaft, bestimmte Farbanteile des Lichts, das auf sie trifft, zu "verschlucken" (= absorbieren) oder passieren zu lassen (durchsichtige Materialien) und andere zu reflektieren (s. schematische Zeichnung). Nur letztere treffen auf unser Auge und erzeugen einen Farbeindruck.


Lichtspektrum Sonnenlicht
Aus je mehr unterschiedlichen Farbtönungen (= Wellenlängen) in ausreichender Intensität ein Lichtspektrum besteht, umso differenzierter sind die Reflexionen; und die Farbwiedergabe ist damit umso natürlicher.  Daher schneiden Lichtquellen, die alle Spektralfarben aussenden, am besten ab; z.B. das Sonnenlicht. 

Lichtspektrum Energiesparlampe (beispielhaft)
Von den elektrischen Leuchtmitteln schafft das nur eine Lampe mit Glühwendel. LED- und Energiesparlampen dagegen können nur bestimmte Lichtfarben erzeugen. Mittels gezieltem Einsatz von Leuchtstoffen und -schichten muss weißes Licht nach dem RGB-Prinzip ermischt werden. Um eine gute bis sehr gute Farbwiedergabe zu erreichen, sind aufwändige technische Maßnahmen nötig. Das heißt umgekehrt, dass billige Produkte Farben sicherlich nicht naturgetreu darstellen können. 

Farbverfälschung, nachgestellt am PC
Klar, dass nur mit Licht aus Rot, Grün und Blau - oder sogar nur mit Blau und Gelb - keine vielfältige Farbpalette von einem Körper reflektiert werden kann. So erklärt sich, warum ein grüner Gegenstand unter verschiedenem künstlichem Licht mal eher petrol (bei zu viel Blauanteil), mal eher oliv (bei zu viel Rot) aussieht. Wie also herausfinden, ob ein Leuchtmittel Farben unverfälscht wiedergibt?

4. Lampencheck

In der Realität: Kauft ihr im Geschäft ein und könnt Lampen ausprobieren, dann sind wohl Farbkarten sehr hilfreich. Verschiedene Farbtöne aus dem Spektrum, gesättigte und auch welche mit Grauanteil, ins Licht gehalten, sollten einigermaßen aufzeigen, ob und welche Schwächen in der Farbwiedergabe das jeweilige Leuchtmittel hat. Dabei aber aufpassen, dass nicht weitere Lichtquellen den Eindruck verfälschen.
In der Produktbeschreibung: Falls er überhaupt vorhanden ist, dann beachtet den Farbwiedergabeindex Ra oder CRI. Der Maximalwert für optimale Farbtreue ist 100, sehr gut sind auch noch Werte über oder gleich 90. Die meisten Alltagslampen befinden sich wohl in der Kategorie 80 bis 89. Unter 80 bedeutet schon eine deutliche Verfälschung.
Der Index kann auch indirekt erkennbar sein, wenn neben "Lichtfarbe" eine dreistellige Zahl steht; bei Leuchtstofflampen findet man das oft. 965 z.B. sagt aus, dass der Ra-Wert über 90 ist (erkennbar an der 1. Ziffer), und dass die Farbtemperatur 6500 K beträgt (2. und 3. Ziffer). Anderes Beispiel: Eine Lampe mit der Kennzeichnung 827 erzeugt warmweißes Licht (2700 K) in der Farbwiedergabeklasse 80 - 89.

Halogenglühlampen erzielen einen Ra von 100; ob die Reflektorvariante durch die Spiegel etwas schlechter ist, weiß ich nicht. Für Leuchtmittel mit LED- oder Leuchtstofftechnik kann man keine grundsätzliche Angabe machen, da es - wie oben erläutert - davon abhängt, welche und wie viele Elemente verbaut worden sind. Weil es technisch aufwändig ist, solche Art Lampen mit einem Index von deutlich über 90 herzustellen, ist es logisch, dass diese im Vergleich sehr teuer sind. Spezielle Bauweise allgemein kann auf Kosten von Lebensdauer und Effizienz gehen. 

Meine eigene Bastellampe liegt im Bereich zwischen 80 und 90. Vielleicht bin ich außergewöhnlich pingelig, was Farbwiedergabe betrifft, aber unter dieser Leuchtstofflampe haben alle Dinge einen minimalen Blaustich; Farben wirken kühler als sie in Wirklichkeit sind. 
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Wer Dinge möglichst naturgetreu sehen will, sollte auf Indexklasse 1A (Ra > 90) achten. 

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Unser Abstecher ist zu Ende - ich hoffe, meine Erklärungen waren verständlich und anschaulich.  

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