Lichtfarbe

Die Lichtfarbe ist der Farbeindruck von Licht, das direkt von einer selbstleuchtenden Lichtquelle stammt.^[1][2] Der zugehörige Farbreiz beruht auf der spektralen Zusammensetzung dieser Strahlung. In Verbindung mit den Fotorezeptoren im Auge und der Verarbeitung im Nervensystem und im Gehirn hat dann jedes „farbige Licht“ eine bestimmte Charakteristik, die Farbvalenz.

Das von einem erleuchteten Körper reflektierte und farblich veränderte „Licht“ wird als Körperfarbe wahrgenommen. Um eine Körperfärbung erkennen zu können, ist zur Beleuchtung weißes Licht günstig.

Der Farbreiz des Lichtes 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. Im technischen Vorgang kann die Lichtfarbe allerdings auch durch Filterung verändert werden. Eine Messung der Valenz der Lichtfarbe orientiert sich an den physiologischen Wahrnehmungseigenschaften des menschlichen Auges.

Kontinuierliche Lichtemission aufgrund der Temperatur eines Strahlers

Bei steigender Farbtemperatur liegen die zugehörigen Weißpunkte auf einer Kurve

Licht kann ein kontinuierliches Spektrum haben, wenn es, wie das Sonnenlicht oder das Licht einer Glühlampe, von einem glühenden Körper ausgeht. Solch ein Spektrum folgt im Wesentlichen dem Planckschen Strahlungsgesetz. Die Lichtfarbe wird durch die Wellenlänge des Maximums des kontinuierlichen Spektrums bestimmt. Man kann eine entsprechende Farbtemperatur (T_CP), gemessen in Kelvin (K), zuordnen, die gleich der Temperatur des strahlenden Glühkörpers ist.^[3] Solche Strahlung beginnt bereits unmittelbar über dem absoluten Nullpunkt mit der Wärmestrahlung im fernen Infrarot. Je höher die Temperatur steigt, umso kürzere Wellenlängen werden ausgesandt und desto „blauer“ wird folglich das Maximum.^[4] Dadurch erscheint eine glühende Herdplatte rot, Kerzenlicht gelblich, Sonnenlicht weiß und 10.000 K heiße Plasmen oder Fixsterne bläulich.

Elektronenprozesse

Andere Lichtquellen erzeugen Licht durch Elektronenübergänge zwischen Energieniveaus der Elektronenhülle von Atomen. Ihr Emissionsspektrum ist bedingt durch die Quantelung der Energiedifferenzen ein schmalbandiges Linienspektrum (siehe auch Gasentladung). 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. Beispiele sind Laser, Leuchtstoffe im Monitor, Leuchtdioden, Quecksilberdampflampen oder Natriumdampflampen. Spektrallampen können schmalbandige, sehr wellenlängenstabile Spektralfarben abgeben.

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.

Lichtfarben werden subjektiv wahrgenommen, können aber als Farbreiz durch Farbsensoren gemessen werden. Solch eine Farbvalenz entstehen aus dem Licht von Lichtquellen durch additive Farbmischung und bei Körperfarben durch subtraktive Farbmischung. Die Farbvalenz (Farbe) Grün der Vegetation beruht darauf, dass das Chlorophyll den purpurnen Lichtanteil photochemisch absorbiert.

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:

Behaglichkeitskurve als Beleuchtungsstärke versus Lichtfarbe

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

1. die Lichtart,
2. die Farbtemperatur,
3. den Farbort in einem geeigneten Farbendreieck (der Hellwert bleibt unbewertet),
4. den Farbwiedergabeindex R_a
5. einen Farbnamen oder ersatzweise eine generische Zahl beschrieben werden.^[6]

Die 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 R_a = (85) → 8, 40 die Farbtemperatur 4000 K und die Lichtfarbe „Cool White“.

Wegen der Weiterentwicklung der Leuchtmittel wurde zur Vergleichbarkeit im Rahmen der IEC ein internationales Bezeichnungssystem entwickelt, das „Internationale Lampenbezeichnungssystem ILCOS“ (IEC 1231/ International Lamp Coding System) definiert und in nationale Normen beispielsweise DIN 49805:2000 übernommen^[7][8].

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.

Das Licht von Lampen gleicher Lichtfarbe kann unterschiedliche spektrale Zusammensetzung besitzen: metameres Licht erscheint dann auf weißen Oberflächen farblich gleich, auf bunten Oberflächen können aber Unterschiede auftreten. Daher kann man allein aus der Lichtfarbe einer Lampe nicht auf die exakte oder gleiche Farbwiedergabe schließen.

Bei einem Monitor oder Fernseher kann aus den drei Lichtfarben (rot, grün und blau) nur der Farbraum reproduziert werden, der innerhalb dieser drei Grundfarben liegt (Farbdreieck). Es wurden verschiedene derartige Farbräume definiert, sodass die reproduzierten Farben von den Einstellungen bei der Aufnahme eines Bildes als auch den Einstellungen des Wiedergabegerätes abhängen. Weichen diese voneinander ab, kommt es zu Farbverschiebungen.

Leuchtmittel und deren Einsatz

Energiesparlampen mit unterschiedlicher Farbtemperatur im Vergleich

Verschiedene Lampen unterschiedlicher Lichtfarbe (von links nach rechts)

Sparlampe: 13 W, 6500 K

Matte Glühlampe: 60 W

Sparlampe: 15 W, 2644 K

Sparlampe: 14 W, 3000 K

Spektrum einer Sparlampe. Durch ein Brechungsgitter vor der Kamera werden die unterschiedlichen Farben im Licht einer Sparlampe sichtbar. Eine normale Glühlampe würde ein durchgehendes Spektrum ohne Lücken zeigen (einen kompletten Regenbogen).

Bei Leuchtstoffröhren bestimmen die Leuchtstoffe auf der Innenseite der Glasröhre die Lichtfarbe. So kann fast jeder Farbreiz erzeugt werden, aber auch durch eingefärbtes (Lampen-)Glas oder nachgesetzte Filter verändert werden. Die Reflektoren von Kaltlichtspiegellampen lassen zum Beispiel den Rot- und Infrarotanteil der Glühlampe passieren und erzeugen so ein thermisch kälteres Lichtbündel mit weniger Wärmestrahlung. Weiß erscheinende Leuchtstofflampen werden oft durch mehrere Leuchtstoffschichten erreicht, je weiterbandig als umso angenehmer wird es empfunden. So erzeugtes Licht besteht aus einzelnen Spektralbereichen und nicht wie bei einer glühenden Wendel aus einem kontinuierlichen Spektrum, wobei die Glühwendel der Verteilung des Schwarzen Strahlers nach Planck nahekommt.

Nahezu weiß erscheinende Lichtquellen verursachen vom Tageslichteindruck abweichende Farbverfälschungen, wenn sie ein diskontinuierliches Spektrum aufweisen. Die Qualität der Farbwiedergabe eines Leuchtmittels wird durch den Farbwiedergabeindex (Ra) beschrieben. Der Wert 100 entspricht der Qualität einer guten Glühlampe. Auf einen hohen Farbwiedergabeindex ist zu achten, wenn die Farben von beleuchteten Objekten „unverfälscht“ wahrgenommen werden sollen^[10].

Farbtemperatur nach dem planckschen Strahlungsgesetz, über Energie skaliert

827 bezeichnet warmweiße (=2700 Kelvin) Lampen mit durchschnittlicher Farbtreue (=80…89) wie in Europa zumeist angeboten, während in den USA auch 830 (=3000 Kelvin) als warmweiß verkauft wird. Das menschliche Farbempfinden einer 830 entspricht eher dem einer sehr hellen Glühlampe, während das einer 827 häufig als weniger hell und grünstichiger empfunden wird. Halogenglühlampen haben je nach Bauart und Leistung eine Lichtfarbe zwischen 2800 K und 3500 K und können der Grund für ein leicht von der gewohnten Farbtemperatur abweichende subjektive Farbempfinden sein. So wird 840 also 4000 K als (neutralweiß) für Büros und Arbeitsplätze empfohlen^[11]. Es wirkt weniger ermüdend und bildet einen bei Tag und Nacht angenehmen Kompromiss, wenn die Lichtstärke im Raum angepasst ist. Auch der Kontrast der üblichen schwarzen Schrift auf weißem Untergrund kann subjektiv der Lichtfarbe unterliegen. In Innenräumen wird eine Ausleuchtung mit 4000 Kelvin kaum als störend wahrgenommen und oft überhaupt nicht bemerkt. Die Bestimmungen für Arbeitsplatzbeleuchtung sind in DIN EN 12464-1:2003 geregelt.^[12]

Die Tageslichtvarianten (850, 865), auch „cool-white“ (kaltweiß) und „day-white“ (tagesweiß) genannt, sind für die Kombination mit Tageslicht empfehlenswert, wie es für die Beleuchtung von Geschäftslokalen notwendig ist. Wenn große Glasflächen viel Tageslicht in den Raum lassen oder bedampfte Glasscheiben die Rotanteile im Tageslicht stark dämpfen, ist diese Lichtfarbe empfehlenswert, um störende Farbschatten zu vermeiden. Auch für Nachtarbeit kann der Einsatz lohnend sein, weil durch die hohen Blauanteile dem Körper Tageszeit vorgegaukelt (weniger Melatonin produziert) wird.

Die Zifferncodes nach ILCOS sind „herstellerabhängig“ besser zur Bewertung der Lampen geeignet als die Angaben in Textform, die mitunter eher dem Marketing als einer objektiven Vergleichbarkeit dienen. Mancher Hersteller bezeichnet 4000 K schon als cool-white, andere 3000 K als neutralweiß. Die farbwiedergabebesseren 9xx-Exemplare der Fluoreszenzlampen sind wegen der größeren Anzahl an Leuchtstoffschichten aufwendiger herzustellen und damit teurer und wiederum in ihrer Leistung Lumen je Watt etwas weniger effizient.

Psychologische Wirkung

Im Zusammenhang mit dem Verkaufsverbot für Glühlampen wurde in den Medien der Einfluss der Lichtfarbe aufgeworfen. Danach wurde auf die „Farbpsychologie“ des Menschen verwiesen und der unterschiedliche Einfluss von Glühlampen und Leuchtstofflampen disputiert. Auf Grund des Tagesablaufs besitzt die Lichtfarbe einen stammesgeschichtlich begründeten psychologischen Einfluss.

Am Tage herrscht Sonnenlicht mit hoher Lichtstärke vor, die Nacht ist an die wesentlich geringere Lichtstärke der Beleuchtung durch den Mond gebunden. Zwischen Tag und Nacht ändert sich auch die Lichtfarbe des natürlichen Tagesrhythmus. Blaues Licht kann zu einer Verringerung der Melatonin-Ausschüttung führen und solches „kaltes“ Licht kann ermunternd und belebend wirken, während „warmes“ Licht (rötlich/gelblich, auch Warmton) gemütlich und wohltuend wirkt. Bewusst wird dies in der Lichttherapie durch kaltes Licht gegen Winterdepressionen eingesetzt. Weiterhin verbessert es das 3D-Sehen und die Auge-Hand-Koordination und erhöht die Kontraste.^[13]

Durch Kienspan, Öllampe, Glühlampe war lange Zeit künstliche Beleuchtung mit Farbtemperaturen unter 3000 Kelvin gewohntes „Kunstlicht“ (warmwhite) und (natürliches) Tageslicht hatte Farbtemperaturen oberhalb 5000 Kelvin. Letzteres wird mit der Weiterentwicklung der Leuchtmittel heute zur Lichtfarbe (daylight). Zum anderen sollte die eingesetzte Lichtfarbe mit einer bestimmten Beleuchtungsstärke korrelieren, um eine positive psychologische Wirkung zu erzeugen. Bei neueren Leuchtmitteln besteht zudem ein Zusammenhang zur Güte der Lichtfarbe: je besser die Farbwiedergabe, desto geringer die Lichtausbeute pro Watt. Seit den 2000er Jahren sind auch sogenannte Vollspektrum-Tageslicht-Lampen (daylight de luxe) erhältlich, die ein tageslichtähnliches, nahezu kontinuierliches Licht liefern und werbewirksam als „gesundheitsfördernd“ gehandelt werden. Der höhere Preis erklärt sich allerdings durch den Einsatz von fünf statt drei Leuchtstoffen in den älteren Lampen. Die Wirkung auf die innere Uhr (über die lichtmengenabhängige Melatonin-Ausschüttung) können andererseits gegensätzlich sein. Beispielsweise könnten 6500 Kelvin (Lampenfarbe: 965) beim abendlichen Computergebrauch Schlaflosigkeit fördern.^[14] Um den Zusammenhang zwischen Lichtstärke und Lichtfarbe für den technischen Gebrauch zu dokumentieren, existieren mehrere auf spezielle Arbeits- und Wohnsituationen abgestimmte Normen und Empfehlungen von DIN und VDE.

„[So sollten …] für niedrige Beleuchtungsniveaus keine Lichtquellen mit einer hohen Farbtemperatur eingesetzt werden, es entsteht sonst der Eindruck der Dämmerung oder des Mondlichtes, wodurch Arbeitsfreudigkeit und Behaglichkeit beeinträchtigt werden. Die Wirkung ist im wesentlichen durch die chromatische Aberration des Auges bedingt.“

– Hans-Georg Buschendorf: Lexikon - Licht- und Beleuchtungstechnik. Verlag Technik, Berlin 1989, ISBN 3-341-00724-5, Stichwort: Behaglichkeitskurve. lang=de

Die Wirkung von Vollspektrum-Lampen (Glühlampen, Fünfbandenlampen, „de luxe“-Lampen) gegenüber den in der Farbwiedergabe schlechteren einfachen Dreibandenlampen (Quecksilberdampflampen mit einfachen Leuchtstoffaufträgen, LED-Lampen) beruht nicht auf dem direkten Einfluss der Lichtfarbe über das Zapfensystem des Auges, sondern über den geänderten (also ungewohnten) Farbreiz der umgebenden Körperfarben.

Einzelnachweise

Die in diesem Artikel verwendeten Farben werden auf jedem Monitor anders dargestellt und sind nicht farbverbindlich. Eine Möglichkeit, die Darstellung mit rein visuellen Mitteln näherungsweise zu kalibrieren, bietet das nebenstehende Testbild: Tritt auf einer oder mehreren der drei grauen Flächen ein Buchstabe („R“ für Rot, „G“ für Grün oder „B“ für Blau) stark hervor, sollte die Gammakorrektur des korrespondierenden Monitor-Farbkanals korrigiert werden. Das Bild ist auf einen Gammawert von 2,2 eingestellt – den gebräuchlichen Wert für IBM-kompatible Computer. Apple-Macintosh-Rechner hingegen verwenden bis einschließlich System 10.5 („Leopard“) standardmäßig einen Gammawert von 1,8, seit dem System 10.6 („Snow Leopard“) kommt Gamma 2,2 zum Einsatz.