Verschiedene Lichtwellenlängen

Spektrum des sichtbaren Lichts

Farbe	Wellenlänge	Frequenz
rot	About 625~740 nm	About 480~415 MHz
Orange	About 590~625 nm	About 510~480 MHz
Gelb	About 565~570 nm	About 530~510 MHz
Grün	About 500~565 nm	About 600~530 MHz
Cyan	About 485~500 nm	About 620~600 MHz
Blau	About 440~485 nm	About 680~620 MHz
Violett	About 380~440 nm	About 790~680 MHz

Die Wellenlänge und Intensität elektromagnetischer Wellen kann sehr unterschiedlich sein. Im für Menschen fühlbaren Wellenlängenbereich (ca. 380 nm bis 740 nm) spricht man von sichtbarem Licht, manchmal auch als Licht bezeichnet. Wenn wir die Intensitäten verschiedener Wellenlängen einer Lichtquelle zusammenzählen, erhalten wir das Spektrum der Lichtquelle.

Das Spektrum eines Objekts bestimmt seine optischen Eigenschaften, einschließlich seiner Farbe. Unterschiedliche Spektren können als gleiche Farbe empfangen werden. Obwohl wir eine Farbe als die Summe all dieser Spektren definieren können, sehen verschiedene Tiere verschiedene Farben und verschiedene Menschen fühlen verschiedene Farben, daher ist diese Definition relativ subjektiv.

Eine Oberfläche, die alle Lichtwellenlängen diffus reflektiert, ist weiß, während eine Oberfläche, die alle Lichtwellenlängen absorbiert, schwarz ist.

Jede Farbe eines Regenbogens enthält nur eine Lichtwellenlänge. Wir nennen diese Farbe monochromatisch. Das Spektrum eines Regenbogens ist eigentlich kontinuierlich, aber es wird im Allgemeinen in sieben Farben unterteilt: Rot, Orange, Gelb, Grün, Grün, Blau und Lila, aber die Klassifizierung jeder Person ist immer etwas anders. Die Intensität von monochromatischem Licht beeinflusst auch die Wahrnehmung der Menschen von der Farbe einer Lichtwellenlänge, z. B. wird dunkles Orange von Menschen als braun empfunden und dunkles Gelbgrün wird als olivgrün wahrgenommen und so weiter.

Das Display erzeugt kein einfarbiges Orange. Aufgrund des physiologischen Prinzips des Auges können wir die Farben dieser beiden Lichtarten nicht unterscheiden.

Es gibt auch viele Farben, die nicht einfarbig sein können, weil es keine solche einfarbige Farbe gibt. Schwarz, Grau und Weiß sind zum Beispiel all diese Farben, ebenso Rosa oder Violett.

Die Wellengleichung wird verwendet, um die Lichtgleichung zu beschreiben, also sollten wir in der Lage sein, die Farbinformationen durch Lösen der Wellengleichung zu erhalten. Im Vakuum lautet die Wellengleichung des Lichts im Raum:

Utt = c2(uxx + uyy + uzz)

 

Hier ist C die Lichtgeschwindigkeit, x, y und Z sind die Raumkoordinaten, t sind die Zeitkoordinaten, u (x, y, z) ist die Funktion, die das Licht beschreibt, und der Index bedeutet partielle Ableitung. An einem festen Punkt im Raum (x, y, Z fixiert) wird u eine Funktion der Zeit.

Durch die Fourier-Transformation können wir die Amplitude jeder Wellenlänge erhalten. Daraus können wir die Intensität dieses Lichts bei jeder Wellenlänge erhalten. Auf diese Weise können wir aus der Wellengleichung ein Spektrum erhalten.

Aber um zu beschreiben, welche Farbe eine Gruppe von Spektren erzeugt, müssen wir die physiologische Funktion der Netzhaut verstehen.

Aristoteles hatte bereits die Beziehung zwischen Licht und Farbe diskutiert, aber es war Isaac Newton, der die Beziehung wirklich klärte. Auch John Wolfgang Goethe hat sich mit den Ursachen der Farbe beschäftigt. Thomas Young stellte 1801 erstmals die Theorie der Trikolore auf, später perfektionierte Herman von Helmholtz sie. In den 1960er Jahren entdeckten die Menschen das Pigment, das die Farbe im menschlichen Auge wahrnehmen kann, sodass die Richtigkeit dieser Theorie bestätigt wurde.

Zapfenzellen und Stäbchenzellen im menschlichen Auge können Farbe wahrnehmen. Im Allgemeinen gibt es im menschlichen Auge drei Arten von Zapfenzellen: Die erste fühlt sich hauptsächlich rot an und ihr empfindlichster Punkt liegt bei etwa 565 nm; Der zweite fühlt sich hauptsächlich grün an und sein empfindlichster Punkt liegt bei etwa 535 nm; Der dritte fühlt sich hauptsächlich blau an und sein empfindlichster Punkt liegt bei etwa 445 nm. Es gibt nur eine Art von stäbchenförmigen Zellen, und ihre empfindlichste Farbwellenlänge liegt zwischen Blau und Grün.

Die Empfindlichkeitskurve jedes Kegelzellentyps ist ungefähr glockenförmig. Daher entspricht das in das Auge eintretende Licht im Allgemeinen diesen drei Arten von Zapfen und Stäbchen dendritischer Zellen, die in vier unterschiedliche Intensitätssignale unterteilt wurden.

Da jede Zelle auch andere Wellenlängen reflektiert, können nicht alle Spektren unterschieden werden. Beispielsweise kann grünes Licht nicht nur von grünen Zapfen angenommen werden, sondern auch andere Zapfen können bestimmte Intensitätssignale erzeugen. Die Kombination all dieser Signale ist die Summe der Farben, die vom menschlichen Auge unterschieden werden können.

Wenn unsere Augen lange auf eine Farbe schauen, werden wir unsere Augen abwenden und die Komplementärfarbe dieser Farbe an anderen Stellen sehen. Dies wird als Komplementärprinzip der Farbe bezeichnet. Kurz gesagt, wenn eine Zelle durch Licht einer bestimmten Farbe stimuliert wird, gibt sie gleichzeitig zwei Signallichter ab: Gelb wird stimuliert und gleichzeitig wird die gelbe Komplementärfarbe violett.

Tatsächlich entspricht das vom Licht in der Netzhaut einer Szene erzeugte Signal nicht zu 100 % dem Gefühl der Menschen. Das menschliche Gehirn verarbeitet diese Signale und analysiert und vergleicht die umgebenden Signale. Zum Beispiel ein Bild des Weißen Hauses mit einem Grünfilter – das Bild des Weißen Hauses ist tatsächlich grün. Aber aufgrund des innewohnenden Eindrucks des menschlichen Gehirns auf das Weiße Haus und des grünen Farbtons der Umgebung wird das menschliche Gehirn die grüne Barriere entfernen – oft wird das Weiße Haus immer noch als weiß empfunden.

Das menschliche Auge kann etwa 10 Millionen Farben unterscheiden, aber das ist nur eine Schätzung. Da die Struktur jedes Auges unterschiedlich ist und jede Person etwas andere Farben sieht, ist die Unterscheidung zwischen Farben ziemlich subjektiv. Wenn eine oder mehrere kegelförmige Zellen einer Person das einfallende Licht normalerweise nicht reflektieren können, kann die Person weniger Farben unterscheiden. Eine solche Person wird achromatisch genannt. ja   Dies wird auch als Farbenblindheit bezeichnet, ist aber eigentlich nicht korrekt, da es nur sehr wenige Menschen gibt, die nur zwischen Schwarz und Weiß unterscheiden können.

Stäbchenartige Zellen. Obwohl allgemein davon ausgegangen wird, dass stäbchenförmige Zellen Schwarz und Weiß unterscheiden können, ist ihre Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Farben etwas unterschiedlich, sodass bei dunklem Licht die lichtempfindlichen Eigenschaften von stäbchenförmigen Zellen immer wichtiger werden.

Einige Tiere, wie die meisten anderen Säugetiere, haben weniger Arten von Farbsensorzellen als Menschen. Einige Tiere können Farben fühlen, die für Menschen unsichtbar sind, wie Bienen, können ultraviolettes Licht fühlen.

Wenn wir die X-, Y- und Z-Achsen im euklidischen Raum verwenden, um die Intensität der empfindlichsten Wellenlängen menschlicher Zapfenzellen darzustellen, dann können wir einen dreidimensionalen Farbraum erhalten. Der Ursprung dieses Raums ist schwarz. Je weiter weg vom Ursprung, desto stärker das Licht. Weiß hat in diesem Raum keine Fixpunkte. Je nach Farbtemperatur und Umgebungslicht können wir verschiedene Punkte in diesem Bild als weiß betrachten.

Die Farbe, die man auf diesem Bild fühlen kann, ist ein Kegel mit einem Pferdetritt am unteren Ende. Theoretisch hat der Kegel keinen Haltepunkt, aber zu viel Licht kann die Augen schädigen. Bei geringer Lichtintensität ändert sich die Farbwahrnehmung der Menschen, aber im Allgemeinen reagieren Menschen empfindlich auf den Teil, der durch die schwarze Linie rechts dargestellt wird.

Um genau zu sein, gibt es in diesem Bild keine Farben wie Braun oder Grau. Diese Farben sind eigentlich Orange und Weiß, die dunkler sind als die umgebenden Farben. Wir können diesen Punkt leicht beweisen: Wenn wir das Bild eines Projektors betrachten, der auf ein Stück weißes Tuch projiziert wird, sehen wir die schwarzen Wörter auf das weiße Tuch projiziert, aber tatsächlich ist die Farbe dieser schwarzen Wörter dieselbe wie die des weißen Tuches, wenn es nicht projiziert wurde. Nach der Projektion wird das weiße Tuch um diese schwarzen Wörter herum beleuchtet, sodass wir das Gefühl haben, dass sie relativ schwarz sind.

Menschen können reines Rot, Grün oder Blau nicht sehen, weil unsere Zapfen auf andere Farben reagieren. Wenn wir reines Blau betrachten, erzeugen unsere roten und grünen Zapfen ebenfalls Signale, es ist wie eine Mischung aus Rot und Grün in Blau.

Unterschiedliche Spektren können im menschlichen Auge den gleichen Farbsinn hervorrufen. Beispielsweise setzt sich das weiße Licht einer Leuchtstofflampe aus mehreren ziemlich schmalen Spektrallinien zusammen, während das Sonnenlicht aus kontinuierlichen Spektren besteht. Lichttechnisch kann das menschliche Auge beides nicht unterscheiden. Nur wenn sie auf Objekten unterschiedlicher Farbe reflektieren, können wir erkennen, dass es sich bei dem einen um das Licht einer Leuchtstofflampe und beim anderen um das Sonnenlicht handelt.

In den meisten Fällen können die Leute sehen, dass die Farbe aus Metafarbe bestehen kann. Dies wird in Fotos, Drucken, Fernsehen usw. verwendet, um die Farbe widerzuspiegeln.

Trotzdem ist die Passfarbe oft nicht genau gleich wie das reine Monochrom, gerade im mittleren sichtbaren Spektrum kann die Passfarbe dem monochromatischen Licht nur sehr nahe kommen, aber ihre Wirkung nicht voll entfalten. Beispielsweise können grünes Licht (530 nm) und blaues Licht (460 nm) kombiniert werden, um blaues Licht zu erzeugen. Aber dieses blaue Licht lässt die Menschen sich immer nicht sehr rein fühlen. Dies liegt daran, dass menschliche Rotkegel auch Grün und Blau wahrnehmen können und ihre Reaktion auf die passende Farbe besser ist als die von reinem Cyan (485 nm), sodass wir die Farbe mit ein wenig „Rot“ empfinden, ein wenig unrein.

Außerdem sind die in der Technik verwendeten Primärfarben nicht rein, können also im Allgemeinen kein reines monochromatisches Licht darstellen. In der Natur gibt es jedoch nur wenige reines monochromatisches Licht, so dass im Allgemeinen die aus Primärfarben zusammengesetzte Farbe die ursprüngliche Farbe sehr gut wiedergeben kann. Die Summe der Farben, die ein technisches System erzeugen kann, wird Gamut genannt.

Auch beim Aufzeichnen von Farben durch eine Kamera oder einen Scanner können Fehler auftreten. Im Allgemeinen unterscheiden sich die lichtempfindlichen Eigenschaften der lichtempfindlichen Elemente in diesen Instrumenten stark von denen des menschlichen Auges. Daher kann die von diesen Instrumenten erzeugte Farbe unter spezieller Beleuchtung stark von der Wirkung abweichen, die das menschliche Auge wahrnimmt.

Licht emittierende Medien (wie Fernsehgeräte) verwenden rote, grüne und blaue Trikoloren, und jedes Licht stimuliert so weit wie möglich nur die Kegel, die auf sie zielen, ohne andere Kegel zu stimulieren. Die Farbskala dieses Systems macht den größten Teil des Farbraums aus, den Menschen fühlen können, daher verwenden Fernseh- und Computerbildschirme dieses System.

Theoretisch können wir auch andere Farben als Metafarben verwenden, aber wir können den menschlichen Farbraum maximieren, indem wir Rot, Grün und Blau verwenden. Leider gibt es keine feste Wellenlängendefinition für Rot, Grün und Blau, daher können verschiedene technische Instrumente unterschiedliche Wellenlängen verwenden, um eine leicht unterschiedliche Farbe auf dem Bildschirm zu erzeugen.

Wir können eine größere Farbskala erhalten, indem wir cyanfarbene, magentafarbene und gelbe transparente Pigmente auf den weißen Hintergrund malen. Diese drei Farben sind subtraktive Trikolore. Manchmal fügen wir Schwarz hinzu, um eine dunklere Farbe zu erzeugen.

Beugung, eine bestimmte Lichtfarbe wird in einem bestimmten Winkel reflektiert. Die Oberfläche dieses Objekts erzeugt einen speziellen regenbogenähnlichen Blitz. Pfauenfedern, viele Schmetterlingsflügel, Fritillaria usw. erzeugen solche Strukturfarben. Neuerdings verwenden einige Autohersteller auch Speziallacke, um diesen fluoreszierenden Effekt zu erzielen.