Physikalische und physiologische Grundlagen

Ausgangspunkt für die Farbwahrnehmung sind die ihr zugrundeliegenden physikalischen Reize: Ein Farbreiz ist diejenige elektromagnetische Strahlung, die in das Auge gelangt und dort bestimmte Sinneszellen - die Zapfen - erregt, so daß eine Farbempfindung entsteht. Als proximaler Reiz wirkt dabei also die von den Rezeptoren im Auge absorbierte Strahlungsleistung; als distaler Reiz die von einer Lichtquelle ausgesandte Strahlung bzw. die von Körpern reflektierte Strahlung.

Bei den Farbreizen handelt es sich genauer um elektromagnetische Schwingungen im Bereich zwischen 380 und 780 nm, die in Form von Photonen von unterschiedlicher Wellenlänge vorzustellen sind. Diesen Aspekt der Strahlungsenergie, dessen sich der menschliche Beobachter bei der visuellen Empfindung, die aus der Stimulation der Netzhaut resultiert, bewußt wird, bezeichnet man auch als Licht.

Aus den Prinzipien der Quantenmechanik folgt, daß die physikalisch realisierbaren Wellenlängen diskret (und nicht kontinuierlich) sind; dennoch ist die Anzahl aller möglichen Wellenlängen unendlich. Ein Farbreiz kann somit als Punkt in einem unendlich-dimensionalen Raum aufgefaßt werden, in dem jede Achse die Intensität einer bestimmten Wellenlänge (beispielsweise in Photonen pro Sekunde) darstellt. Da sich unendlich-dimensionale Räume nur schwer darstellen lassen, werden Farbreize meist durch deren spektrale Strahlungsverteilung charakterisiert: Dazu betrachtet man, wie sich die Strahlungsleistung auf die einzelnen Regionen des Spektrums verteilt: Bei der Untersuchung der spektralen Strahlungsverteilung im sichtbaren Bereich wird meist nicht die absolute Strahlungsverteilung betrachtet, sondern wichtiger ist die relative spektrale Strahlungsverteilung . Sie errechnet sich aus der absoluten spektralen Verteilung durch Multiplikation mit einer beliebigen Konstanten: . Üblicherweise wird diese Konstante C so gewählt, daß gleich 100.0 gesetzt wird. In Abbildung 1 ist als Beispiel eine derartige Strahlungsverteilung für das Tageslicht angegeben.

 
Abbildung 1: Relative spektrale Strahlungsverteilung der Tageslichts: Diese Abbildung zeigt die auf den Wert bei 560 nm normierte relative Strahlungsleistung von Tageslicht mit einer ähnlichsten Farbtemperatur von 6500 K für die Wellenlängen zwischen 300 und 830 nm. Die gezeichneten Werte wurden der Tabelle 2(1.2.1) von Wyszecki und Stiles (1982, S. 8 f.) entnommen.

Diese physikalischen Reize werden auf der Retina des Auges von speziellen Rezeptoren absorbiert, wobei sie eine chemische Reaktion hervorrufen, die im Zerfall von verschiedenen Arten von Sehpurpur besteht. Diese chemische Reaktion wird wiederum in eine Nervenerregung umgesetzt. Hierbei wird jedoch nur Strahlung im Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm, dem sogenannten sichtbaren Spektrum, absorbiert. Allerdings bleibt durch diesen Prozeß nicht die gesamte Information über die Intensitäten für alle Wellenlängen erhalten, sondern es werden von vier verschiedenen Systemen unterschiedlich gewichtete Summen der Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen gebildet.

Man unterscheidet bei den Rezeptorarten zwischen den extrafoveal gelegenen Stäbchen und den vor allem auf der fovea centralis angesiedelten Zapfen, von denen drei verschiedene Typen existieren, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Farbpigmente auf bestimmte Teile des Spektrums verschieden reagieren. In Abbildung 2 sind die entsprechenden spektralen Empfindlichkeiten der drei Zapfentypen L, M und S dargestellt: Für das L-System (für long-wavelength sensitivity cones) liegt das Empfindlichkeitsmaximum bei 590 nm, also im roten Bereich, bei dem M-System (für middle-wavelength sensitivity cones) bei etwa 540 nm (grün) und für das S-System (für short-wavelength sensitivity cones) ungefähr bei 440 nm (blau); das Verhältnis der Anzahlen der Rezeptortypen beträgt 40:20:1 für L:M:S, wobei die Rezeptoren vom Typ S nicht in der Mitte der fovea centralis vertreten sind und insgesamt die Rezeptordichte in eben dieser Mitte besonders hoch ist.

Abbildung 2: Relative spektrale Empfindlichkeiten der Zapfentypen: Hier sind die logarithmierten relativen spektralen Empfindlichkeiten nach Smith und Pokorny (1975) für die L-, M- und S-Zapfen dargestellt. Sie dienen als Schätzung der Absorptionsfunktion der jeweiligen Zapfentypen; dabei wird allerdings der Einfluß des Augenmediums nicht berücksichtigt.

Bei Betrachtung von Abbildung 2 fällt auf, daß sich die spektralen Empfindlichkeiten aller drei auch als Farbkanäle bezeichneten sensorischen Systeme bei jeder Wellenlänge überschneiden. Dies bedeutet, daß beliebige Spektren immer alle drei Systeme - wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß - aktivieren; v. Helmholtz (1867, S. 291) postuliert bereits ähnlich spektrale Empfindlichkeiten wie in Abbildung 2 angegeben und folgert: ``Indessen ist dabei nicht ausgeschlossen, muss vielmehr zur Erklärung einer Reihe von Erscheinungen angenommen werden, dass jede Spectralfarbe alle Arten von Fasern erregt, aber die einen schwach die anderen stark.''

Die unterschiedliche Empfindlichkeit des Stäbchen-Mechanismus für Reize unterschiedlicher Wellenlänge ist den spektralen Hellempfindlichkeitskurven für das Tagessehen (nach Vos, 1978) und das Nachtsehen (nach CIE, 1951) zu entnehmen, die in Abbildung 3 zu sehen sind. Diese spektralen Hellempfindlichkeitskurven beschreiben die Empfindlichkeit für monochromatische Reize. Als monochromatisch kann man Reize bezeichnen, deren Wellenlängenspektrum nicht mehr als 5 nm Bandbreite beträgt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß aus einem Licht alle Frequenzen außer einem schmalen Band herausgefiltert werden.

Abbildung 3: Die spektralen Hellempfindlichkeitsfunktionen für das Tages- und das Nachtsehen: Hier sind in logarithmischer Darstellung die auf 1 normierten spektralen Hellempfindlichkeitskurven dargestellt. Die Kurve für das Tagessehen (``photopisch''), auch als bezeichnet, basiert auf der von Vos (1978) modifizierten CIE 1932-Kurve, die die Daten von Brindley (1955) für den infraroten Bereich berücksichtigt; die Kurve für das Nachtsehen (``skotopisch'') wurde von der CIE (1951) als Standard akzeptiert und beruht auf von Crawford (1949) erhobenen Messungen an 50 Versuchspersonen.

Yilmaz (1962) weist darauf hin, daß das menschliche Auge nicht für alle Wellenlängen gleich empfindlich sein muß: Extrem kurze Wellenlängen (wie Röntgenstrahlen) enthalten wenig Information, da sie in unserer natürlichen Umwelt selten sind und kaum mit Gewebe interagieren. Auch extrem langwellige Strahlung ist selten; außerdem läßt das Auflösungsvermögen eines Sensors nach, wenn die Wellenlänge zunimmt. Aus diesen Gründen entwickelte sich ein mittlerer Wellenlängenbereich für das sog. sichtbare Spektrum. Außerdem fällt das sichtbare Spektrum nahe an das Energiemaximum von Tageslicht.

Ausführlichere Darstellungen der physiologischen Grundlagen des Farbensehens sind beispielsweise bei Brindley (1970), Pugh (1988), Wandell (1995) oder Kaiser und Bonton (1996) zu finden. Hier liegt das Interesse jedoch nicht auf den physiologischen Mechanismen, sondern auf den psychologischen: Forschungsgegenstand ist die subjektive Wahrnehmung der elektromagnetischen Schwingungen im sichtbaren Bereich; die dadurch ausgelöste Empfindung nennt man Farbe.