Das sichtbare Spektrum
Beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium wird Licht infolge eines Geschwindigkeitsverlusts gebrochen. Da kurzwellige Strahlen dabei einer stärkeren Brechung unterworfen sind als langwellige, wird ein weisser Lichtstrahl dabei nicht nur von seiner Richtung abgelenkt, sondern auch noch in ein farbiges Regenbogenband, das Spektrum, aufgefächert. Besonders schön sieht man den Effekt dieser Dispersion beim Passieren eines Lichtstrahls durch ein Prisma. Das entstehende Spektrum zeigt ein kontinuierliches Farbband von Blau über Blaugrün, Grün, Gelb, Orange bis Rot.
Analyse des sichtbaren Lichts durch Dispersion in einem Glasprisma
Bei der Dispersion des Sonnenlichts kann vor einer Gewitterfront an der Summe der Wassertröpfchen in der Atmosphäre ebenfalls ein Spektrum entstehen – der Regenbogen.
Im Wesentlichen können wir im Spektrum drei Hauptabschnitte erkennen: Blau (400 bis 500 nm), Grün (500 bis 600 nm) und Rot (600 bis 700 nm). Man nennt diese Abschnittsdrittel in Anlehnung an die Theorien von Young und Helmholtz Spektralhauptfarben oder Primärfarben. Treffen nur einzelne Wellenlängen oder Wellenlängengruppen unser Auge, sehen wir daher einzelne Farben. Die Summe aller Wellenlängen zwischen 600 und 700 nm erkennen wir als Rot, genau so übrigens, wie die alleinige Wellenlänge von ca. 650 nm. Unser Auge kann in den meisten Fällen nicht unterscheiden, ob der Farbreiz durch ein Wellenlängengemisch oder durch eine einzelne Spektrallinie der Strahlung ausgelöst wird.
Die additive Farbmischung
Die Spektralhauptfarben sind durch eine Zerlegung des weissen Lichts entstanden. Daraus ableitend können wir gut verstehen, dass auch umgekehrt aus den Hauptfarben durch einfache Addition wieder weisses Licht entstehen muss. Stellen wir uns dazu drei Projektoren vor. Im ersten Projektor wird Licht mit den Wellenlängen von 400 bis 500 nm (Blau) erzeugt, im zweiten ein solches mit Wellenlängen von 500 bis 600 nm (Grün) und im dritten schliesslich Licht mit Wellenlängen von 600 bis 700 nm (Rot). Richtet man nun die drei Projektionsstrahlen übereinander gegen eine weisse Wand, so addieren sich die entsprechenden Wellenlängen zur Summe von 400 bis 700 nm, was unser Auge wieder als weisses Licht erkennt. Durch Übereinanderprojektion der Hauptfarben Blau, Grün und Rot synthetisiert man weisses Licht. Weil dabei Lichtenergie zu Lichtenergie addiert wird, spricht man bei dieser Mischmethode von additiver Farbmischung. Aus dem gleichen Grund werden die Hauptfarben Blau, Grün und Rot als additive Grundfarben bezeichnet. Additive Grundfarben schreibt man üblicherweise in der Muttersprache; als Abkürzung genügt B, G, R, oder wie im Amerikanischen üblich, RGB.
Durch additive Farbmischung lässt sich aus den Spektralhauptfarben Rot, Grün und Blau wieder weisses Licht synthetisieren. Aus je zwei additiven Grundfarben entstehen die helleren Mischfarben Yellow, Magenta und Cyan.
Rot + Grün = Yellow (= Weiss minus Blau)
Rot + Blau = Magenta (= Weiss minus Grün)
Grün + Blau = Cyan (= Weiss minus Rot)
Werden nur jeweils zwei Grundfarben addiert, so ergeben sich daraus die helleren Mischfarben Gelb (Yellow), Purpur (Magenta) und Blaugrün (Cyan). Weil bei der additiven Farbmischung Lichtenergie zu Lichtenergie addiert wird, sind die entstehenden Mischfarben heller. Die Sättigung ist zwangsläufig kleiner als diejenige der Ausgangsfarben. Bei der additiven Farbmischung müssen daher die Grundfarben eine möglichst hohe Sättigung aufweisen, da diese durch die Farbmischung nicht mehr erhöht werden kann. Aus Gründen, wie sie anschliessend noch erläutert werden, nennt man die aus der Mischung zweier additiver Grundfarben entstehenden Misch- oder Sekundärfarben auch subtraktive Grundfarben und schreibt sie üblicherweise englisch: Yellow, Magenta und Cyan. Sinngemäss wird zur Abkürzung der Anfangsbuchstabe verwendet: Y,M,C oder im Amerikanischen CMY.
Die additive Farbmischung ist nur mit Licht möglich. Durch verschieden starke Mischung der additiven Grundfarben kann jeder beliebige Zwischenton erzeugt werden. Strahlen bei der Addition von Grün und Rot zum Beispiel beide Projektoren gleich stark, entsteht ein reines Yellow. Ist der Grün-Projektor nur halb so stark wie der Rot-Projektor, entsteht ein Gelb mit Tendenz nach Rot, ein Orange. Ist das Intensitätsverhältnis umgekehrt, so weist das entstehende Gelb eine Tendenz nach Grün auf, die Mischfarbe ist gelbgrün. Die additive Mischung ist ohne Unterschied für das menschliche Auge auch durch Addition einzelner Spektrallinien möglich.
Bei diesem «Mischpult» werden 100% Rot mit 50% Grün gemischt; das Resultat ist ein rötliches Yellow = Orange.
Das Bild stammt übrigens von einer Shockwave-Animation, welche mein Kollege Fritz Maurer programmiert hat. Sofern Sie einen Browser mit einem Shockwave-PlugIn im Einsatz haben, bzw. das PlugIn aktivieren lässt (z.B. in Firefox) können Sie die Animation ausprobieren. Auf Dropbox finden Sie im Verzeichnis «FARBE» und dort unter Lektion_2 einen Ordner, der «shocks» heisst. Laden Sie diesen Ordner auf Ihren Computer; er enthält zwei .html und zwei gleichlautende .dcr-Dateien. Ziehen Sie dann die betreffende html-Datei in Ihren Browser, welche ihrerseits die betreffende .dcr-Dateien öffnet.
Mit Hilfe dieser additiven Farbmischung erstellte Maxwell 1861 die erste durch Projektion erzeugte Farbaufnahme (siehe Repetitorium Farbe 1). Auch das Drehen eines Farbkreisels, der mit verschiedenfarbigen Sektoren beklebt ist, basiert auf der additiven Farbmischung, ebenso die Farbwirkung der Autochrome-Stärkekörner bei der Autochrome-Platte von Lumière (siehe Titelbild von Repetitorium Farbe 1) und ihren Abwandlungen. Alltäglich ist das Prinzip der additiven Farbmischung auch beim Fernsehen (oder dem farbigen Computer-Monitor).
Das Prinzip des Autochrome-Verfahrens der Gebrüder Lumière. Die Belichtung erfolgt durch die Glasplatte hindurch, so dass das Licht die farbigen Stärkekörnchen durchdringen musste, bevor es auf die panchromatische Schwarzweiss-Schicht fallen konnte. Wurde beispielsweise ein gelber Gegenstand fotografiert, so liessen nur die grünen und roten Stärkekörnchen das gelbe Licht passieren, nicht jedoch die blauen. Hinter den grünen und orangen Körnern wurde die Silberbromidschicht belichtet. Nach einer Umkehrentwicklung war an diesen Stellen kein Silber mehr enthalten. Bei der Durchsicht oder Projektion konnte das weisse Licht diese Stellen passieren und wurde von den grünen und roten Stärkekörnern gefärbt. Infolge des mangelhaften Auflösungsvermögens unseres Auges entstand so durch additive Farbmischung an dieser Stelle der dem Original entsprechende gelbe Farbeindruck.
Im Sommer 1907 kamen die ersten «Autochrome»-Platten auf den Markt und fanden in der Fachwelt rasch ein positives Echo. 1929 brachte Lumière auf dieser Basis auch «Filmcolor»-Planfilme auf den Markt. «Lumicolor» (1932) und «Alticolor» (1952) hiessen die Farbraster-Rollfilme, die Lumière in Lyon bis 1955 produzierte.
Agfa brachte 1916 mit der Agfa-Farbenplatte ein Konkurrenzprodukt auf den Markt. Im Gegensatz zu Autochrome bestanden die mikroskopisch kleinen Farbfilterchen nicht aus Kartoffelstärke, sondern aus einer Art Farbtröpfchen auf Kautschuk-Benzol-Basis, welche dicht aneinanderschlossen und somit nicht wie bei der Kartoffelstärke von Lumière mit Russ ergänzt werden mussten.
Komplementärfarben
Aus der additiven Mischung zweier additiver Grundfarben entsteht eine subtraktive Grundfarbe. Die dritte, zur additiven Bildung von Weiss noch fehlende Farbe, nennt man Ergänzungsfarbe (zu Weiss) oder Komplementärfarbe. Blau ist daher komplementär zu Yellow, denn Yellow entsteht aus Grün und Rot, zu Weiss fehlt daher noch Blau.
Den Begriff Ergänzungsfarbe oder Komplementärfarbe versteht man am besten mit dem in nachstehender Abbildung dargestellten Versuch: Wir erzeugen mittels Brechung an einem Prisma ein sichtbares Spektrum mit den Spektraldritteln Blau, Grün und Rot. Mit einem kleinen Dreikantprisma oder einem Miniaturspiegel blenden wir den Grünanteil (500 bis 600 nm) aus, so dass im Spektrum nur noch die Spektraldrittel Blau (400 bis 500 nm) und Rot (600 bis 700 nm) zurückbleiben, welche wir mittels einer Linse übereinander projizieren, so dass Magenta (Blau + Rot) entsteht. Grün und Magenta sind Farben, die sich gegenseitig additiv zu Weiss ergänzen, es sind daher Ergänzungsfarben oder Komplementärfarben. Wenn wir Grün sehen, können wir uns auch fragen, was denn noch zu Weiss fehle. Es fehlt noch Blau und Rot, was ja nichts anderes als Magenta ist. Also sind Grün und Magenta ebenfalls Komplementärfarben.
Komplementärfarben sind Ergänzungsfarben zu Weiss. Folgende Paare sind zum Beispiel komplementär:
BLAU ––– YELLOW
GRÜN ––– MAGENTA
ROT –––– CYAN
Die subtraktive Farbmischung
Legen wir einen Gelbfilter (Yellow) auf ein weisses Papier, erscheint uns das Papier gelb gefärbt. Wir haben mit dem Gelbfilter einen Teil des reflektierenden weissen Lichts subtrahiert, nämlich den Blauanteil aus dem Spektrum. Zurückgeblieben ist der Grün- und der Rotanteil. Gelbes Licht setzt sich gemäss additiver Farbmischung aus grünem und rotem Licht zusammen.
Legen wir nun einen Purpurfilter (Magenta) darüber, so subtrahieren wir noch den Grünanteil. Zurück bleibt der Rotanteil, das ursprünglich weisse Papier sieht nun Rot aus. Mit den beiden Farben Yellow und Magenta haben wir Rot erzeugt. Legen wir über die beiden Filter noch einen Blaugrünfilter (Cyan), dann subtrahieren wir auch noch das rote Licht, wodurch uns die Stelle schwarz erscheint. Denselben Versuch kann man auch machen, indem man die drei Filter vor das Objektiv eines einzelnen Projektors hält oder indem man weisses Papier mit Lasurfarben überpinselt.
Subtraktive Farbmischung
Weil hier die Farbmischung mittels Energiesubtraktion vorgenommen wird, sind die entstehenden Farben dunkler. Die Sättigung der Mischfarben ist höher als diejenige der Ausgangsfarben. Die Grundfarben müssen daher eine möglichst kleine Sättigung aufweisen, da diese durch die subtraktive Mischung nicht weiter reduziert werden kann. Man nennt diese Methode subtraktive Farbmischung und die verwendeten, ehedem bei der additiven Mischung erzeugten Farben Yellow, Magenta und Cyan, subtraktive Grundfarben.
Durch verschieden starke Mischung der subtraktiven Grundfarbe kann jeder Zwischenton erreicht werden. So ergibt zum Beispiel die subtraktive Mischung von 100% Yellow mit 50% Magenta ein Rot mit gelber Tendenz, ein Orange. Jeder denkbare Farbton – inklusive Weiss, Schwarz und Grau – ist daher mit nur drei Grundfarben mischbar: Entweder mit Blau, Grün und Rot durch die additive Mischmethode oder mit Yellow, Magenta und Cyan durch die subtraktive Mischmethode. Alle im täglichen Leben vorgenommenen Farbmischungen, wie die Mischung von Malfarben oder farbigen Lösungen, das Zusammenkneten von farbigem Plastilin, das Hintereinanderschalten von farbigen Filtern usw. beruhen auf subtraktiver Farbmischung.
Die Kombination eines additiven Dreifarbenauszugs und einer subtraktiven Farbproduktion mit den jeweils komplementären Farben ist das Urprinzip aller modernen Farbfoto-Verfahren. Betrachten wir dies anhand der ersten Farbbildversuche aus dem vorletzten und letzten Jahrhundert: Gleich wie in der additiven Dreifarbenfotografie wurden drei schwarzweisse Auszugsdiapositive hergestellt, diese jedoch zu einem einzigen Bildsandwich zusammenmontiert. Dazu musste in jedem Dia das schwarze Silberbild ausgebleicht und durch einen lasierenden Farbstoff ersetzt werden. Die unbelichteten (und damit schwarzen) Stellen des Blauauszugsdias werden durch einen Yellow-Farbstoff (Yellow = «Nichtblau»), diejenigen im Grünauszugsdia durch einen Magenta-Farbstoff (Magenta = «Nichtgrün» bzw. komplementär zu Grün) und im Rotauszugsdia durch einen Cyan-Farbstoff (Cyan = «Nichtrot») ersetzt.
Die Kombination eines additiven Dreifarbenauszuges mit der subtraktiven Farbstoffproduktion ist das Urprinzip aller modernen Farbfoto-Verfahren.
Text © by Jost J. Marchesi
Abbildungen: Archiv Jost J. Marchesi
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Repetitorium Farbe 1: «Was ist das eigentlich, Farbe?» (01.01.2021)
Am nächsten Freitag in der 3. Folge: «Die Mathematik der Farbe»
