Lichtfarbe

Lichtfarbe ist die Farbe einer selbstleuchtenden Lichtquelle. Das von einem beleuchteten Körper (teilweise) reflektierte Licht führt dagegen zur Wahrnehmung einer Körperfarbe. Farbiges Licht kann auch durch Absorption, Streuung, Beugung oder auch dispersive Brechung entstehen.

Der Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung des Lichts. Er setzt sich entweder aus diskreten einzelnen Spektralfarben bestimmter Wellenlänge, aus einem Lichtgemisch mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche oder aus einem kontinuierlichen Spektralbereich zusammen. Die Intensitätsverteilung über die Wellenlängen des (sichtbaren) Spektrums ist charakteristisch für die Lichtquelle. Durch Filterung kann die Lichtfarbe verändert werden.

In Verbindung mit den Fotorezeptoren des Auges und der Verarbeitung im Nervensystem hat jede Lichtfarbe eine bestimmte Charakteristik, die Farbvalenz. Eine Messung der Farbvalenz orientiert sich an den Wahrnehmungseigenschaften des menschlichen Sehsystems. Solch eine Farbvalenz entsteht aus dem Licht von Lichtquellen durch additive Farbmischung.

Die wahrgenommene Farbe einer Lichtquelle (oder eines Körpers) ist allerdings durch deren Lichtspektrum nicht eindeutig bestimmt. Sie hängt darüber hinaus stark von Spektrum des jeweiligen Hintergrundes ab. So können gleiche Spektren (einer Lichtquelle oder eines Körpers) zu ganz unterschiedlicher Farbe führen.

Das bedeutet: Farbe entsteht in der (menschlichen) Wahrnehmung und beruht auf dem Spektrum des jeweiligen Lichts im Vergleich mit dem jeweiligen Hintergrund. Isolierte Lichtfarben können aber auch, unter geeigneten Bedingungen, als Farbspektren durch Farbsensoren bestimmt werden.

Wahrnehmung verschiedener Lichtwellenlängen

Der Farbraum mini|Das Farbdreieck im Farbraum. Monochromatische Spektralfarben liegen auf der äußeren Kurve, gemischte Farben innerhalb dieses Bogens. Die Farben eines thermischen Strahlers liegen im Farbdiagramm auf einer Kurve, hier als „Black-Body-Kurve“ bezeichnet. Bei steigender Farbtemperatur ändert sich die Farbe von rot zu blauweiß.

Im menschlichen Auge gibt es drei Typen von Sinneszellen (Farbrezeptoren), die je nach Wellenlänge des Lichts unterschiedlich stark empfindlich sind. Die relative Stärke, mit der diese Rezeptoren auf einen Lichtreiz ansprechen, lässt sich durch zwei Koordinaten in einer Ebene darstellen (CIE-Normvalenzsystem). Die möglichen Kombinationen bilden in dieser Darstellung das so genannte Farbdreieck. Eine Farbe, bei der alle drei Sorten von Farbrezeptoren gleichermaßen ansprechen, entspricht dem Mittelpunkt des Dreiecks; wenn nur zwei Sorten der Farbrezeptoren ansprechen, entspricht dies einem Punkt auf einer Kante; dass nur eine Sorte anspricht, einer Ecke des Dreiecks. Letzteres ist allerdings physiologisch unmöglich, weil bei keiner Wellenlänge nur genau eine Sorte Farbrezeptoren anspricht.

Linienspektrum durch Elektronenprozesse

In Atomen oder Molekülen werden die Elektronen durch Zufuhr von Energie angeregt und so in einen Zustand höherer Energie versetzt. Nach kurzer Zeit fällt das angeregte Elektron wieder in einen Zustand niedrigerer Energie zurück und gibt die zuvor erhaltene Energie in Form eines Photons ab. Ähnliches gilt für Konformationsänderungen und Übergängen zwischen Schwingungs- und Rotationszuständen von Molekülen, die mit Energieaufnahme bzw. ‑abgabe verbunden sind. Je größer diese Energie ist, desto größer ist die Frequenz und desto kleiner ist die Wellenlänge der emittierten Strahlung. Liegt ihre Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts, also zwischen ca. 400 nm und 800 nm, so sieht man den Körper leuchten. Elektronische Übergänge zwischen inneren Schalen sind typischerweise so energiereich, dass die dabei entstehende Strahlung im Röntgen- oder UV-Bereich liegt und damit unsichtbar ist. Übergänge zwischen Schwingungs- und Rotationszuständen sind wiederum so energiearm, dass die Strahlung hier im ebenso unsichtbaren IR- oder Mikrowellen-Bereich liegt. Sichtbares farbiges Licht entsteht also vor allem bei Übergängen in der äußeren Atomhülle.

Da die Elektronen eines Atoms nicht beliebige, sondern nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen können, werden immer nur ganz bestimmte Mengen an Energie (Quanten) und damit ganz bestimmte Wellenlängen abgestrahlt. Das Ergebnis sind sogenannte Spektrallinien mit monochromatischem (einfarbigem) Licht von einer bestimmten Wellenlänge. Solche Spektrallinien werden vom Menschen als sehr intensive Spektralfarben wahrgenommen. Im Farbdreieck liegen diese Farben auf einer gebogenen Kurve. Alle Mischungen aus verschiedenen Spektralfarben liegen innerhalb dieser Kurve.

Beispielhaft kann man diese Spektralfarben bei einem Demonstrationsversuch am Gasherd beobachten. Hierbei wird Natriumchlorid in die Flamme gebracht. Durch deren Hitze werden Elektronen der äußeren Schale der Natriumatome angeregt. Fallen diese Elektronen wieder in den Grundzustand, senden sie ein Photon im Bereich des orangen Lichtes aus. Auch an Straßenlaternen mit Natriumdampflampen sieht man diesen Farbeffekt.

Bei LEDs erfolgt der Elektronensprung nicht zwischen den Energieniveaus einzelner Atome, sondern zwischen den Bändern des Halbleiters. Maßgeblich für die Farbe des abgestrahlten Lichts ist hier also die Bandlücke. Das Prinzip bleibt jedoch dasselbe.

Beispiele für schmalbandige Lichtquellen sind Laser, Leuchtstoffe im Monitor, Leuchtdioden, Quecksilberdampflampen oder Natriumdampflampen. Spektrallampen können schmalbandige, sehr wellenlängenstabile Spektralfarben abgeben.

Fluoreszenz in Festkörpern oder auch die Emission heißer dichter Plasmen erzeugt breitere Banden. Die wahrgenommene Farbe ist die einer einzelnen dominanten Linie oder Bande oder sie bildet sich aus mehreren Linien oder Banden durch additive Farbmischung.

Lichtquellen mit mehreren oder durch hohen Druck verbreiterten Emissionslinien können weiß erscheinendes Licht abgeben (Xenon-Höchstdrucklampen, Halogen-Metalldampflampen). Eine weitere Möglichkeit, weißes Licht zu erzeugen, wird bei Leuchtstoffröhren angewandt, indem die in einer Quecksilberdampf-Niederdruck-Entladung dominierende Ultraviolett-Strahlung durch fluoreszierende Substanzen in fehlende Spektralbereiche gewandelt wird.

Kontinuierliches Spektrum von thermischen Strahlern

Licht, das von einem glühenden Körper ausgeht – beispielsweise das Licht der Sonne, einer Kerze oder einer Glühlampe – hat ein kontinuierliches Spektrum von verschiedenen Wellenlängen. Alle Körper senden durch die thermische Bewegung ihrer Teilchen elektromagnetische Strahlung aus, deren spektrale Verteilung von der Temperatur abhängt und im Wesentlichen dem Planckschen Strahlungsgesetz folgt. Solche Strahlung beginnt bereits unmittelbar über dem absoluten Nullpunkt mit der Wärmestrahlung im fernen Infrarot. Das Spektrum hat einen glockenförmigen Verlauf: Große Wellenlängen tragen wegen ihrer verhältnismäßig geringen Energie wenig zum Spektrum bei; sehr energiereiche Übergänge sind aus thermodynamischen Gründen unwahrscheinlich. Dazwischen existiert ein Maximum der Strahlungsleistung, dessen Wellenlänge von der Temperatur abhängig ist: Je heißer der Strahler, desto kurzwelliger ist es (Wiensches Verschiebungsgesetz).

Bei Zimmertemperatur wird elektromagnetische Strahlung hauptsächlich als Infrarotstrahlung gesendet. Je höher die Temperatur steigt, desto mehr verschiebt sich das Spektrum hin zu kürzeren Wellenlängen und zu sichtbarem Licht – zunächst rot, und dann blauer.Umrechnung von Farbtemperatur in Lichtart Dadurch erscheint eine glühende Herdplatte rot, Kerzenlicht gelblich, Sonnenlicht weiß und 10.000 K heiße Plasmen oder Fixsterne weißbläulich. Die Menge möglicher Farben ist dabei begrenzt und bildet im Farbdiagramm eine Linie, die sich vom Rand (im roten Bereich) gekrümmt ins Zentrum des Farbdreiecks zieht. Licht thermischer Strahler kann zum Beispiel niemals grün, tiefblau oder violett sein.

Den Lichtfarben ordnet man eine entsprechende Farbtemperatur (TCP), ausgedrückt in Kelvin (K), zu.DIN EN 12464-2:2007-10: Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten – Teil 2: Arbeitsplätze im Freien. Auch wenn das Licht nicht von einem thermischen Strahler stammt, im Farbdiagramm aber auf oder nahe der Kurve thermischer Farben liegt, gibt man eine Farbtemperatur an.

Kennzeichnung der Lichtfarbe Die Lichtfarbe ist eine Kenngröße, um Leuchtmittel zu charakterisieren. So werden insbesondere Leuchtstofflampen zum Vergleich mit Glühlampen in folgende drei Gruppen eingeteilt: mini|Behaglichkeitskurve als Beleuchtungsstärke versus Lichtfarbe + Technische Unterteilung von Qualitäten Bezeichnung Farbtemperatur Beschreibung Wirkung auf den Menschenwarmweiß (ww) unter 3300 K gelbweißes Licht als gemütlich und behaglich empfunden.neutralweiß (nw) 3300 bis 5300 K weißes Licht sachliche Atmosphäre, Kunstlichtcharakter.tageslichtweiß (tw) über 5300 K tageslichtähnliches Licht   wirkt technisch, anregend, passt zu einfallendem Tageslicht

Technisch ist Lichtfarbe die Angabe der Farbe einer vergleichbaren Lampe. Liegt kein kontinuierliches Spektrum des Leuchtmittels vor, muss zur Herstellung der Lichtfarbe Weiß additive Farbmischung oder eine geeignete Auswahl der Leuchtstoffe eingesetzt werden. Eine Lichtfarbe kann durch die Lichtart, die Farbtemperatur, den Farbort in einem geeigneten Farbendreieck (der Hellwert bleibt unbewertet), den Farbwiedergabeindex Ra einen Farbnamen oder ersatzweise eine generische Zahl beschrieben werden.Hans-Georg Buschendorf: Lexikon - Licht- und Beleuchtungstechnik. Verlag Technik, Berlin 1989, ISBN 3-341-00724-5.

Letztere Möglichkeit wird zur Charakterisierung der Lichtfarbe von Leuchtmitteln eingesetzt. Die dreistellige Zahl wird durch die erste Ziffer für den Spektraltyp aus dem Farbwiedergabeindex und den folgenden zwei Stellen aus der Farbtemperatur in Kelvin gebildet. Somit enthält die Lampenangabe des Herstellers eine Kennzeichnung der Lichtfarbe und der Farbqualität. Die Klassifikation richtet sich nach ILCOS oder nach Firmenstandards der Hersteller. Die Lichtfarbe wird immer in Form einer dreistelligen Nummer hinter der Leistung angegeben. Die erste Ziffer bezeichnet den Bereich des Farbwiedergabeindex Ra, die letzten beiden Ziffern abgekürzt die Farbtemperatur. In der Abkürzung TL-D 58W/840 bezeichnet TL-D eine Lampe in Stabform, 58 W die Nennleistung, 8 die Farbwiedergabe mit Ra = (85) → 8, 40 die Farbtemperatur 4000 K und die Lichtfarbe .

Wegen der Weiterentwicklung der Leuchtmittel wurde zur Vergleichbarkeit im Rahmen der IEC ein internationales Bezeichnungssystem entwickelt, das Internationale Lampenbezeichnungssystem ILCOS (IEC 1231/ ) definiert und in nationale Normen, beispielsweise in die DIN 49805:2000, übernommenIEC 1231 in en: (PDF; 20 kB) (PDF)

+ Lichtfarbangaben für technische Leuchtmittel (beispielhaft Leuchtstofflampen nach (PDF; 947 kB)) Farbname Standardlichtherkömmliche Lichtquellen (Drei-)BandenlichtRa 80…89 Vollspektrumlichtde luxeRa 90…99 Speziallicht Warmweiß 530 (3000 K) 830 (3000 K) 930 (3000 K) Natriumdampf-Hochdrucklampen2200 K, Farbwiedergabe Kaltweißherstellerspezifisch 640 (4000 K) 840 (4000 K) 940 (3800 K) Tageslichtweiß 765 (6500 K), Ra 75 850 (5000 K)865 (6500 K) 954 (5400 K)965 (6500 K) Sky White 880 (8000 K)

Technisch-ästhetische Wirkung Unter Farbe des Lichtes ist die spektrale Zusammensetzung des Lichtes gemeint. Das weiße Licht eines schwarzen Strahlers wird im Chromatizitätsdiagramm durch den Weißpunkt festgelegt.

Normbeleuchtungsarten Um in der Farbmetrik und beim Colormanagement vergleichbare Bedingungen zu schaffen, wurden Lichtfarben normiert. Eine weitere Anwendung solcher Klassifizierungen für Lichtfarben sind die Beleuchtungsarten im Falle des Normfarbraumes, um definierbare (vergleichbare) Lichtverhältnisse für Farbangaben zu Körperfarben zu erhalten.