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Licht, Auge, Sehen und Farbe

Das Licht
Das menschliche Auge
Sehen und Farbe


 

Das Licht

 

Das Wort Optik stammt aus dem Griechischen und kann mit „Lehre vom Licht“ oder „Lehre vom Sichtbaren“ übersetzt werden. Die Optik ist Teilgebiet der Physik und befasst sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie.

 

Optik ist unzertrennlich mit dem Vorgang des „Sehens“ verbunden, da Licht die unabdingbare Voraussetzung für das Sehen ist. Nicht umsonst hat unsere Sprache das Wort „Augenlicht“ hervorgebracht. In der Jägersprache werden die Augen vieler Wildarten als „Lichter“ bezeichnet.

 

Licht ist eine für unser Auge erkennbare elektromagnetische Strahlung, die sich vom Ort ihrer Entstehung als Kugelwelle geradlinig nach allen Seiten ausbreitet (auf den Doppelcharakter des Lichtes, auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet, soll hier nicht eingegangen werden). Die Geschwindigkeit des Lichts hat im Vakuum den Wert 299.792.458 m/s, also annähernd 300.000 km/sec.

 

Licht besteht aus extrem schnellen Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes in einem bestimmten Frequenzbereich, der beim Lichtspektrum von ca. 4x1014 Hertz (Hz) bis 7,5x1014 Hz reicht.

 

Diese Grafik basiert auf dem Bild Electromagnetic spectrum.svg der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Autor ist Horst Frank.

 

Wie der Grafik zu entnehmen ist, kann jeder Frequenz eine Wellenlänge zugeordnet werden. Die Wellenlängen beim sichtbaren Spektrum reichen beim menschlichen Auge von etwa 400 nm bis 700 nm (nm ist die Abkürzung für Nanometer, die Bezeichnung für ein Milliardstelmeter oder ein Millionstelmillimeter).

 

Wenn alle Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs mit ähnlicher Intensität auftreten, so erscheint das Licht weiß. Farben, die durch die Zerlegung weißen Lichtes entstehen, werden als Spektralfarben oder Primärfarben bezeichnet. Alle anderen, durch Farbmischung entstehende Farben sind Mischfarben oder Sekundärfarben. Jeder Wellenlänge entspricht ein ganz bestimmter Farbton, den das menschliche Auge wahrnimmt. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm erscheint violett, von 700 nm rot. Dazwischen liegen fortschreitend die Wellenlängen für blaues, grünes, gelbes und orangefarbenes Licht.

Höhere Frequenzen (= kürzere Wellenlängen) umfassen die ultraviolette Strahlung und die Röntgenstrahlung. Niedrigere Frequenzen (= größere Wellenlängen) werden als infrarote Strahlung bezeichnet.

 

Ein an das Licht adaptiertes Auge hat seine höchste Empfindlichkeit bei etwa 555 nm, also im grünen Bereich des Spektrums. Das Spektrum umfasst nicht alle Farben, die vom Auge und Gehirn des Menschen unterschieden werden können. Braun, rosa und magenta beispielsweise sind nicht vertreten, weil sie eine Mischung aus verschiedenen Wellenlängen benötigen.

 

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Visible spectrum aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

 

Helligkeit ist eine subjektive Wahrnehmung der Lichtmenge, die von einer Quelle auszugehen scheint. Helligkeit kann auch als die Wahrnehmung der Lichtstärke (Luminanz) eines vom Auge aufgefassten Ziels bezeichnet werden. Fotometrisch wird die Leuchtdichte als Maß für die Helligkeit verwendet. Leuchtdichte ist das, was wir als Helligkeit wahrnehmen. Eine Lichtquelle erscheint umso heller, je kleiner ihre Fläche im Vergleich zur Lichtstärke ist.

 

Dieser Artikel basiert auf den Artikeln Helligkeit und Leuchtdichte aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren (Helligkeit; Leuchtdichte) verfügbar.

 

 

Abnahme der Helligkeit mit zunehmender Tiefe.

 Dieses Bild basiert auf dem Bild LightningVolt Deep Blue Sea.jpg der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Autor ist Lars Lentz.

 

 

Licht breitet sich geradlinig in alle Richtungen aus. Dabei nimmt die Leuchtstärke pro Flächeneinheit mit dem Quadrat der Entfernung ab. Wenn Licht auf ein anderes Medium (eine Substanz, einen Körper) trifft, wird ein Teil des Lichtes reflektiert (lat. zurückgebeugt, zurückgeworfen), während der verbleibende Teil (der „gebrochene Strahl“) in das Medium eindringt, wo er absorbiert oder transmittiert wird. 

 

Das lateinische Wort absorbere bedeutet „aufsaugen“ oder „in sich aufnehmen“. In der Optik ist Absorption gleichbedeutend mit einer Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in Wärmeenergie. Umgangssprachlich sagt man auch, dass das Licht „verschluckt“ wird. Der absorbierte Lichtanteil steht somit für optische Prozesse nicht mehr zur Verfügung. Reflexion und Absorption sind direkt voneinander abhängig: Je größer das Reflexionsvermögen eines Stoffes, desto geringer die Absorption, und umgekehrt. Der Absorptionsgrad charakterisiert eine lichtabsorbierende Substanz mit gegebener Schichtdicke. Der Absorptionsgrad 1 bedeutet vollständige Absorption elektromagnetischer Wellen.

 

Transmission (siehe Kapitel 3.4.6) ist in der Physik eine Größe für die Durchlässigkeit eines Mediums für Wellen. In der Optik gibt der Transmissionsgrad den Anteil des einfallenden Strahlungsflusses oder Lichtstroms an, der ein transparentes Bauteil komplett durchdringt. Man kann dies als die "Durchlassgüte" eines Glases bezeichnen, die uns sagt, wie viel Licht nach dem Passieren eines optisch wirksamen Elementes „drüben ankommt“.

 

Einige Wellenlängen werden stärker reflektiert als andere, wodurch die Körper ihre  Farbe erhalten. Weiße Oberflächen reflektieren alle Wellenlängen des Lichtes gleichmäßig, schwarze Oberflächen absorbieren das Licht fast vollständig.

 

Die hier beschriebenen optischen Phänomene treten nur selten – wie beispielsweise bei der Totalreflexion – in reiner Form auf. Meist laufen sie in Mischformen ab (z. B. bei der Remission, einer Kombination von Absorption und Reflexion bzw. Transmission).

 

Dieser Artikel basiert teilweise auf dem Artikel Transmission (Physik) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

 

Die Größenordnungen der Einzelprozesse und des Gesamtprozesses sind abhängig von den unterschiedlichsten Parametern, so z. B. von Wellenlänge, Materialdicke,  optischer Dichte, Schichtdicke, Oberflächenstruktur etc.

 

Diese komplexen, auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhenden Prozesse spielen bei Berechnung, Herstellung, Bearbeitung und Einbau optischer Elemente eine wichtige Rolle. Ihre Umsetzung hat entscheidende Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und Güte des Fernrohrs.

 

 

Das menschliche Auge

 

Das Auge, unser Organ für den Sehsinn, ist ein Wunderwerk der Evolution. In dem hier vorliegenden Text können nur die grundsätzlichen Bausteine des Sehvorgangs und die unmittelbar daran beteiligten Teile des Auges behandelt werden. Das Eingehen auf den komplizierten Feinaufbau, die äußerst komplexe Vernetzung mit dem Gehirn, die Vielfalt der nervösen Prozesse und physiologischen Eigenschaften und Funktionen des Auges würden den Rahmen dieser Arbeit bei Weitem sprengen.

 

Dieses Bild basiert auf dem Bild Eye iris.jpg aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Che. 

 

 

 

 

Anatomischer Aufbau des Auges

 

Diese Grafik basiert auf dem Bild Auge der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Autor ist Uwe Gille.

 

Die Funktionsweise des Auges ähnelt dem einer Kamera. Oder richtiger ausgedrückt: Kameras arbeiten nach dem Vorbild des Auges.

Die starre Frontlinse (Hornhaut, Cornea) und die verstellbare Augenlinse (lens cristallina) des Auges dienten als Vorbild für das Linsen- und Verschlusssystem der Kamera. Die Regenbogenhaut (Iris) mit der Pupille fungiert als „Blende“ zur Regulierung des Lichteinfalls; die Netzhaut (Retina) arbeitet als „Bildträger“; die Schutzfunktion der Lederhaut kann mit dem Kameragehäuse verglichen werden.

 

Die gesunde Linse des menschlichen Auges ist ein kristallklarer, elastischer Körper, der sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterseite konvex gekrümmt ist. Als Sammellinse bündelt sie das durch die Pupille eintretende Licht an der Hinterseite des Auges so, dass auf der Netzhaut ein scharfes Bild entstehen kann.


 

Licht von einem entfernten Gegenstand (linkes Bild) und von einem nahen Gegenstand (rechtes Bild) wird durch die jeweils angepasste Krümmung der Linse gesammelt und auf der Netzhaut fokussiert.

 

Diese Grafik basiert auf dem Bild Focus in an eye2 der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Autor ist unbekannt.

                                                                                                                                                                                                            

 

Zur Nah- und Ferneinstellung muss die Linse ihre Brechkraft und somit ihre Krümmung verändern können. Dies geschieht durch den Ziliarkörper, dessen Muskulatur (Musculus ciliaris, Ziliarmuskel) den Krümmungsgrad der Linse reguliert. Die Kräfte dieses glatten Muskels werden über die vom Ziliarkörper seitlich in die Linsenkapsel einstrahlenden Fibrae zonulares auf die Linse übertragen.

Die Stelle des schärfsten Sehens ist die Netzhautgrube (Fovea centralis), die in der Mitte des Gelben Flecks (Macula lutea) liegt, genau gegenüber der Pupille.

 

Die Augenpupille ist die kreisförmige Öffnung der Iris. Als maßgebende Engstelle aller Lichtwege ist die Pupille eine wichtige Blende im physiologisch-optischen 'System Auge'. Sie steuert, vom Menschen nicht bewusst beeinflussbar, den Lichteinfall ins Auge. Durch Zusammenziehen bzw. Vergrößern stellt sie sich auf die vorhandenen Lichtverhältnisse ein. Dieser Vorgang heißt Adaptation (von lat. adaptare, anpassen). Je nach Helligkeit und Lebensalter bewegt sich der Pupillendurchmesser zwischen 1 mm und 8 mm. Die untenstehende Grafik vermittelt einen Eindruck von der Komplexität dieses Vorgangs, der sich täglich unzählige Male vollzieht.

 

 

Verschaltungsschema der Nervenbahnen zur Verengung der Pupille.

 

Diese Grafik basiert auf dem Bild Pupillenreflex1.png der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Autor ist unbekannt, das Bild ist gemeinfrei, erstellt auf der Grundlage: Werner Kahle et al., dtv-Atlas der Anatomie, Band 3, S. 312, Deutscher Taschenbuchverlag München, 1978. ISBN3-423-03019-4.

 

Die Kap. 3.4.1 und 4.1.3 befassen sich ebenfalls mit diesem Thema und seinen Auswirkungen auf Fernoptik.

 

Unsere Augen besitzen lichtempfindliche Zellen, die eng mit dem Gehirn verknüpft sind. Sehen wird erst dadurch möglich, dass die Erregungen und Signale dieser Zellen im Gehirn zu einem Bild verarbeitet werden. Der eigentliche Sehvorgang findet somit nicht im Auge, sondern im Gehirn statt.

Die lichtempfindliche Zellstruktur besteht aus ca. 125 Millionen Stäbchen und 3 – 6 Millionen Zapfen der Netzhaut (die erst kürzlich entdeckten Sinneszellen, die den Organismus auf den circadianen Rhythmus einstellen, werden hier nicht behandelt, da sie an der Objekterkennung nicht beteiligt sind). Die Zapfen ermöglichen das Farbensehen, während die Stäbchen lediglich Hell-Dunkel-Unterschiede erkennen lassen.

In der Mitte der Fovea centralis besteht die lichtempfindliche Schicht ausschließlich aus Zapfen, während in den anderen Bereichen der Netzhaut Zapfen- und Stäbchenzellen gemeinsam vorkommen. Die Zahl der Zapfen nimmt zum Rand des lichtempfindlichen Bereichs hin allerdings ab, ganz außen finden sich nur noch Stäbchenzellen. Als Folge dieser Verteilung kann der Rat gegeben werden, bei Nacht nicht genau auf das Beobachtungsobjekt zu starren, sondern es in den Bereich des peripheren Sehens zu legen – wird der Blick neben das Objekt gerichtet, ergibt sich ein besseres Abbild als bei direktem Anschauen. Zudem wird die Sinnestäuschung vermieden, dass sich das Objekt bewegt.

 

Nachdem das Licht des betrachteten Objektes die Augenlinse passiert hat, entsteht auf der Netzhaut ein umgekehrtes Abbild des Objektes. Dieses „auf dem Kopf stehende“ Bild ist für unser Gehirn normal, da es seit dem frühen Kindesalter daran gewöhnt ist und „weiß“, dass es das Bild unserem Wahrnehmungsapparat „richtig herum“, also aufrecht, präsentieren muss.

 

 

Sehen und Farbe

Der Sehvorgang erfordert die Anwesenheit von Licht. Wir können bei schwachem Licht sehen, nicht aber bei völliger Abwesenheit von Licht.

 

Zum Erkennen von Farben stehen dem Auge drei Zapfentypen zur Verfügung, die für die drei Grundfarben (Blau, Grün, Rot) sensibel sind. Nach der trichromatischen Theorie des Farbensehens von Young und Helmholtz sind alle anderen Farben aus diesen Grundfarben mischbar und somit für die Netzhaut mit diesen drei Rezeptortypen erkennbar.

Dieses Prinzip wird als Additive Farbmischung (auch Additive Farbsynthese) oder RGB-Modell bezeichnet (Rot/Grün/Blau bzw. im Englischen Red/Green/Blue). Diese drei Lichtfarben sind die additiven Primärfarben, die bei ungefähr gleicher Farbintensität zusammen weißes Licht ergeben.

 

 

Lichtfarbe: Prinzip der Additiven Farbsynthese.

Weißes Licht ist das Ergebnis.

 

Dieses Bild basiert auf dem Bild AdditiveFarbmischung.png aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Oliver Runge.

 

Die im Auge ausgelösten Nervenerregungen werden zum Gehirn geleitet und treten dort als Farbe in unser Bewusstsein. Farbe ist also keine physikalische Eigenschaft eines Gegenstandes, sondern eine Sinnesempfindung, eine Wahrnehmung. Der Begriff der Farbe ergibt nur einen Sinn in Bezug auf einen lebenden Organismus, der über Sinneszellen für Licht verfügt. Das Phänomen Farbe ist daher auch nicht auf der Oberfläche eines Objektes selbst lokalisiert, sondern nur auf dessen Abbild, das unser Gehirn unserem Bewusstsein präsentiert.

 

Unser Auge kann das ankommende Licht nicht in seine spektralen Komponenten zerlegen. Daher kann dieselbe Farbempfindung durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse – und damit unterschiedliche physikalische Reize – der drei additiven Primärfarben hervorgerufen werden. Die meisten der für uns  wahrnehmbaren Farben entstehen dadurch, dass der betreffende Gegenstand vom weißen Licht einen Teil (also bestimmte Wellenlängenbereiche) absorbiert und nur den Rest reflektiert oder transmittiert. Die sichtbare Farbe resultiert aus dem Mischungsverhältnis der reflektierten und durchgelassenen Wellenlängen. Ein roter Gegenstand "verschluckt" die Farben Grün und Blau und reflektiert das Rot, woraufhin der Gegenstand dann auch als rot wahrgenommen wird: Dieser Vorgang wird als Subtraktive Farbmischung (oder Subtraktive Farbsynthese) bezeichnet.

 

 

Körper-/Gegenstandsfarbe: Prinzip der Subtraktiven Farbsynthese

Schwarz ist das Ergebnis.

 

Dieses Bild basiert auf dem Bild SubtraktiveFarbmischung.png aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Oliver Runge.

 

In der Additiven Farbmischung geht es um das Mischen von Licht (Lichtfarbe ist die farbige Erscheinung von Licht/eines Lichtstrahls = die Mischung von rotem und grünem Licht ergibt gelbes Licht). In der Subtraktiven Farbmischung dagegen geht es um die Mischung von Stoffen (Körperfarbe ist die farbige Erscheinung von Objekten = die Mischung gelber Farbpaste mit cyanfarbener Farbpaste ergibt grüne Farbpaste. Bei der Additiven Farbmischung addieren sich die Lichtfarben, die Helligkeit nimmt zu. Bei der Subtraktiven Farbmischung nimmt die Helligkeit infolge der Absorption der Lichtstrahlen ab, die gemischten Farben erscheinen dunkler.

Die Komplexität des Sehens und Farbsehens wird beim Blick auf die Wirkungsweise der Zapfen und Stäbchen deutlich: Der Zapfentyp 1 ist zuständig für kurze Wellenlängen um 430 nm (Übergangsbereich violett → blau), Typ 2 für mittlere Wellenlängen um 540 nm (Spitze bei grün) und Typ 3 für 570 nm für hohe Wellenlängen (Spitze bei gelb). Die jeweilige elektrische Erregung wird in einen bestimmten Sektor des Sehzentrums geleitet. Betrachten wir z. B. eine überwiegend grüne Buschgruppe, werden nur Zapfen des Typs 2 angeregt. Sie senden ihre Signale an das Gehirn, wo die Farbempfindung „grün mit leichten Gelbanteilen“ ausgelöst wird. Danach erfolgt eine genauere Analyse der Zusammensetzung der Wellenlängen und der Intensität der empfangenen Lichtintensität. Erst dann wird daraus der endgültige Farbeindruck des Beobachtungsobjektes entwickelt.

 

 

 

Die Wahrnehmung von Farben ist ein sehr komplexer Vorgang, insbesondere

bei nachlassendem Licht.

Quelle: Eigene Fotografie.

 

Die Zapfen benötigen zu ihrer Erregung eine etwa 2000fach höhere Lichtintensität als die Stäbchen. Bei nachlassendem Licht senden sie ab einer bestimmten Intensität keine Erregungssignale mehr an das Gehirn, obwohl noch Licht vorhanden ist. Dies ist der Grund dafür, dass wir in der Dunkelheit keine Farben erkennen können („In der Nacht sind alle Katzen grau“). Objekte sind nach wie vor – dank der Stäbchen – zu erkennen, nicht aber ihre Farbe. Denn die Stäbchen, die wesentlich weniger Licht zur Erregung benötigen, senden dem Gehirn noch Bildinformationen, wenn die Zapfen längst inaktiv sind. Diese Erregungssignale werden allerdings immer an den gleichen Gehirnsektor gemeldet, der nur die Differenzierung „dunkler/heller“ vornimmt, woraus ein Schwarz-Weiß-Muster resultiert. Das Erregungsmaximum der Stäbchen liegt bei 500 nm, also im Blaugrün-Bereich des Spektrums. Für die Konstruktion von Ferngläsern und Zielfernrohren mit Dämmerungstauglichkeit bedeutet dies, dass dem Auge gerade in diesem Wellenlängenbereich möglichst viel Licht zugeführt werden soll. Die Vergütungen (siehe Kap. 3.4.6) solcher Gläser müssen ihre höchste Durchlässigkeit also in diesem Wellenlängenbereich aufweisen. Eine durchgehend hohe Transmission über den gesamten Spektralbereich oder – wie in der Werbung oft herausgestellt – eine besondere Durchlässigkeit im grünen oder gelben Spektralbereich, ist für Dämmerungsgläser bedeutungslos oder gar unerwünscht. Dagegen sollen Gläser, die vorwiegend für Beobachtungen bei hellem Tageslicht ausgelegt sind, über das gesamte sichtbare Spektrum eine gleichmäßig hohe Transmission aufweisen.

 

Die Qualität der vom Auge an das Gehirn gelieferten Informationen, insbesondere die Schärfe der Abbildung, ist für die weitere Verarbeitung wichtig. Je besser diese Informationen, desto leichter für das Gehirn, daraus ein brauchbares Bild zu erzeugen. Ist das Bild schlecht (unscharf, verwackelt) muss das Gehirn vielfältige nervöse Prozesse und Ausgleichsmechanismen leisten, um eine verwertbare Abbildung zu erzeugen.

 

Dieser Artikel basiert teilweise auf den Artikeln Zapfen (Auge) und Stäbchen (Auge) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren (Zapfen (Auge);

Stäbchen (Auge)) verfügbar.

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