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Teilchenmodell: Lichtstrahlen bestehen aus Teilchen (Photonen), die sich in geraden Bahnen ausbreiten (früher akzeptiertes Modell)
Wellenmodell: Licht zeigt Eigenschaften einer Welle (Frequenz, Polarisation usw.) – später akzeptiertes Modell
Wellen-/Teilchendualismus: Licht zeigt beide Eigenschaften, daher kann man beide Modelle zur Beschreibung benutzen (Quantenmechanik)
Licht ist elektromagnetische Welle: Licht breitet sich wie Wasserwelle in alle Richtungen aus, hat Wellenlänge \(\lambda \), Frequenz \(f = \nu \) und Geschwindigkeit \(c\), unter Annahme
gleichförmiger Bewegung gilt \(c = \lambda \cdot \nu \). Licht versteht man heute als elektromagnetische Welle, im Spektrum besitzt sichtbares Licht Wellenlängen zwischen \(\SI {300}{\nano \meter }\)
und \(\SI {700}{\nano \meter }\) (kürzer: \(\gamma \)-Strahlung, UV, Röntgen, länger: Radiowellen, IR, Mikrowellen)
Brechzahl \(n\): gibt an, wie schnell Licht in einem bestimmten Stoff ist, d. h. \(c’ = \frac {c}{n}\), z. B. \(c_\text {Wasser} = 1.3\)
Übergang zwischen Stoffen: z. B. von Luft in Wasser, nach EES bleibt Energie (Frequenz) erhalten, d. h. die Wellenlänge muss sich nach \(\lambda ’ = \frac {\lambda }{n}\)
ändern (da sich \(c\) ändert) – doch Badehose im Wasser ändert nicht die Farbe, da die Frequenz des Lichts die wahrgenommene Farbe bestimmt
Grund für Farbensehen: Objekte können durch die zusätzliche Information besser identifiziert werden (bspw. Früchte)
Mensch besitzt drei Farbkanäle: Zapfen sind farb-empfindlich, für Rot/Grün/Blau gibt es solche Sehzellen (daher haben TV/Monitor/Bayer-Sensor in Kameras solche Pixel)
additive Farbmischung: verschiedene Farben entstehen durch Kombination von Licht verschiedener Wellenlängen (Rot + Grün = Gelb)
Empfindlichkeit der Zapfen: für Blau sehr gering, für Grün mittel und Rot am stärksten – blaue Sehzellen weniger empfindlich, außerdem gibt es weniger blaue Sehzellen.
Verteilung Rot/Grün ist stark individuell abhängig (daher unterschiedlicher Farbeindruck), Wellenlängen mit max. Empfindlichkeit für Rot/Grün liegen nah beieinander
(Begründung mit Evolution: früher nur zwei Farbkanäle, dann Abspaltung) – Rot-Grün-Blindheit: 5 % der Männer (Gen liegt auf dem X-Chromosom), hier hat die Mutation
nicht stattgefunden (scheint kein großer Nachteil für das Überleben zu sein)
nachts: geht das Farbempfinden verloren, die Wahrnehmung wird eher blau-empfindlich
Tierwelt: Insekten/Vögel sehen auch UV-Licht (Rabe ist für andere Raben weiß, da viel UV-Licht reflektiert wird), Schmetterlinge mit 16 Farbkanälen
Farbkreis: es gibt Farben, die nicht im Spektrum sind, sondern eine Mischung aus anderen Farben (Newton), Farbkreis entsteht durch Farbband, das am Rand verklebt wird, zur Mitte wird es heller, in der Mitte ist weiß,
Farbmischung kann mittels Vektoraddition erfolgen, um Weiß zu erhalten, können alle Farben oder nur zwei Komplementärfarben (gegenüberliegend) gemischt werden – Komplementärfarben
generieren die stärkste visuelle Spannung, wichtig: Warm-/Kalt-Kontrast (z. B. Wandfarbe), LED-Taschenlampen scheinen weiß, weil sie zwei Peaks bei Komplementärfarben haben
Metamerie: Objekte haben unterschiedliche Farben, da sie Licht von verschiedenen Wellenlängen absorbieren und nur Licht von bestimmten Wellenlängen streuen, allerdings kann ein weißes Objekt
auch rot erscheinen, wenn es nur mit rotem Licht bestrahlt wird, dies nennt sich Metamerie (gleicher Farbeindruck trotz unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung) – z. B. Einkaufen im Laden (Neonlampen) im
Gegensatz zu Tageslicht
subtraktive Farbmischung: Grundfarben Cyan/Magenta/Gelb, z. B. Mischung von Cyan und Gelb: türkises Farbpigment absorbiert Rot (Komplementärfarbe von Cyan) und gelbes Farbpigment
absorbiert Blau (Komplementärfarbe von Gelb), also bleibt Grün übrig, daher der Name (Farben werden aus dem Lichtstrahl entfernt) – Drucken/Malen
Drucker: CMYK, K für Schwarz (key), zusätzlicher Kontrast, kleine Punkte zur Farberzeugung, Druckerverschwörung (yellow dots) ist wahr
warum mischt man nicht alles aus Grundfarben: Farbpigmente absorbieren nicht nur Komplementärfarbe, sondern auch etwas mehr, d. h. zu viele Anteile werden absorbiert, besser: Verwendung von
andersfarbigen Farbpigmenten (außerdem z. B. bei Drucker: zu teuer)
Absorption: Photonen regen Elektronen in höheres Energieniveau an, beim Zurückfallen kann neues Photon emittiert (Glas, daher langsame Ausbreitungsgeschwindigkeit) oder in andere Energieformen
umgesetzt werden (Wärme, chemische Energie bei Fotosynthese oder Ladungstrennung bei Fotodioden), in jedem Fall wird Photon vernichtet, d. h. Farbe, Energie eines Photons beträgt \(E = h \cdot
\nu \) mit dem Planckschen Wirkungsquantuum \(h\)
Farbe von Atomen/Molekülen: die meisten Atome absorbieren stark im IR- und UV-Bereich, z. B. Wasser (\(\text {H}_2 \text {O}\)) hat breite Resonanz im Roten, daher ist Wasser leicht
bläulich, die Tiefe beeinflusst die Farbstärke
Edelsteine: Farbe stark von Stoff (oder Kristallstruktur) abhängig, z. B. Ersetzen jedes 100. Atoms eines Diamanten durch ein Bor-Atom führt zu tiefem Blau, oder Ersetzen jedes 100.
Aluminium-Atoms eines weißen Saphirs durch ein Chrom-Ion führt zu rotem Rubin
Blautopf nach Regen: erscheint türkis wg. Sedimenten in Suspension, analog bei Stränden (Licht muss kleine Strecke durch Wasser laufen)
psychologische Grundfarben: Rot/Gelb/Grün/Blau, Grund liegt in der neuronalen Verschaltung in der Netzhaut
gelbe Sonnenbrillen: bringt wahrscheinlich nichts für Kontrastverbesserung, aber bringt etwas bei hellen Objekten auf gelbem/bläulichem Hintergrund oder bei vielen kleinen blauen Strukturen, in
jedem Fall ist der Effekt stark subjektiv, beachtet werden muss auch die psychologische Wirkung auf den Brillenträger
Farbkonstanz: Objekte werden auch bei spektral veränderter Beleuchtung in der korrekten Farbe wahrgenommen (Gehirn führt Weißabgleich durch), z. B. ein Würfel mit farbigen,
schattierten Flächen, oder Beleuchtung von Leinwand mit rotem Licht und Erzeugung eines Schattens kann dazu führen, dass Schatten grün oder blau erscheint (es muss allerdings noch kritisches
weißes Licht vorhanden sein)
Retinex-Farbtheorie (Edwin Land, 1971): einzelne Farbkanäle werden getrennt betrachtet und jeder für sich normiert (z. B. in der Form \((R, G, B)\)
hat Leinwand die Farbe \((50, 10, 10)\) und der Schatten \((10, 10, 10)\), anschließende Normierung auf \((1, 1, 1)\) bzw. \((0.2, 1, 1)\), d. h. Schatten erscheint farbig)
Reflexion bei Metallen: viele freie Elektronen vorhanden, schwingen mit elektromagnetischen Wellen mit, schwingende Ladungen strahlen selbst elektromagnetische Welle ab, Summe beider Wellen \(0\) in Lichtrichtung,
maximal entgegen Lichtrichtung,
Elektronen können nur bis zur sog. Plasmafrequenz folgen, bei Gold/Kupfer liegt diese Frequenz im sichtbaren Spektralbereich, sodass blau z. B. kaum reflektiert wird,
sehr dünne Metallfilme sind durchsichtig ab einer gewissen Grenzfrequenz (Nutzung bei Raumanzügen, Sonnenschutzfolien und Skibrillen)
Chamäleon: Haut mit Chromatophoren (Farbzellen mit Pigmenten) überdeckt, können von Muskel klein/groß gemacht werden, Musterzeugung zur Tarnung/Kommunikation
Theromochromismus: Erhitzung bewirkt Änderung der Energieniveaus und somit Farbänderung, z. B. Stimmungsringe (mood rings) besitzen mehrere Farbschichten
Leukofarbstoffe: Temperatur- führt zu Phasenänderung und damit zu Änderung des Absorptionsspektrums (Ladestandsanzeigen bei Batterien oder bedruckte Tassen)
Fotochromismus: Licht bewirkt Farbänderung (z. B. bedrucktes T-Shirt mit Farbänderung)
Pulver, Schaum, Schnee: weiß, da sie wenig Licht absorbieren (sehr kleine Teilchen) und viele Oberflächen aufweisen (sehr viele Teilchen), geringe Absorption wegen des kleines Volumens ist im Vergleich zur
massenhaften Reflektion an den Grenzflächen vernachlässigbar, sodass in alle Richtungen viel Licht reflektiert wird
spiegelnder Monitor: im Vorteil, wenn alle Lichtquellen so positioniert sind, dass Licht nicht in Betrachterrichtung reflektiert wird, bei nicht-spiegelndem Monitor ist die Oberfläche aufgeraut, im Vorteil, wenn
Licht direkt zum Betrachter reflektiert werden würde, da die Lichtintensität sich aufteilt
Usambara-Effekt: bläuliches Cola-Glas wirkt am Rand deutlich violett (unterschiedliche Materialdicke am Rand im Vergleich zur Mitte)