Warum ändern sich Objektfarben durch einfallendes Licht?

Sie müssen zwischen Reflexion und Absorption und Emission unterscheiden .

Bei Lichteinfall$I$auf eine Oberfläche trifft, wird ein Teil davon reflektiert $R$und etwas wird absorbiert $A$:

• Der reflektierte Teil$R$des einfallenden Lichts breitet sich je nach Oberflächenrauheit und -struktur aus. Eine raue Oberfläche reflektiert gestreutes Licht, während eine sehr ebene und polierte Oberfläche scheint und das Licht so zurücksendet, wie es gekommen ist (z. B. ein Spiegel).

• Der absorbierte Teil$A$des einfallenden Lichts wird durch Umwandlung in Wärmeenergie teilweise im Material gehalten$Q$heizt es auf und wird teilweise wieder emittiert $E$:

  $$A=Q+E$$ Das reemittierte Licht$E$ist das, wovon du sprichst. Ein Material kann alle Wellenlängen absorbieren, gibt aber je nach Material und Temperatur nur bestimmte Wellenlängen wieder ab (das emittierte Licht ist nicht nur eine bestimmte Wellenlänge, sondern ein fließendes Spektrum, bei dem ein Teil des Spektrums intensiver ist als andere - der Teil mit der höchsten Intensität). übertönt andere weniger intensive Teile und bestimmt hauptsächlich die Farbe, aber die resultierende Farbe ist eine Mischung aus allem).

Das "ausgehende" Licht$O$das von der Oberfläche zurückkommt und das Licht ist, das Sie sehen, ist dann eine Mischung aus dem, was reflektiert wird$R$und was ausgestrahlt wird$E$:

Welcher dieser beiden Effekte stärker ist, beeinflusst das Erscheinungsbild der Materialoberfläche am stärksten. ZB wird eine komplett schwarze Oberfläche, die kein Licht zurückstrahlt, immer noch weiß (oder glänzend) aussehen, wenn sie durch feines Polieren stark reflektiert.

Wenn nur eine bestimmte Art von Licht (z. B. nur Licht mit roten Wellenlängen) auf eine Oberfläche trifft, ist die Reflexion nur rot (anstatt eine Mischung aus allen zu sein, dh weiß), und daher kann diese rote Reflexion eine größere visuelle Wirkung haben. Gleichzeitig absorbiert das Objekt noch einen Teil des roten Lichts und emittiert einige andere Lichtfarben wieder, wie es das grüne Blatt tut. Aber ich denke, dass diese grüne Reemission jetzt mit viel roter Reflexion gemischt wird und das resultierende Erscheinungsbild rötlich sein wird.

Im Idealfall, dh wenn

1. wirklich alle Farben bis auf eine werden absorbiert
2. Ihr rotes Licht ist perfekt (eine Wellenlänge)

die Objekte sollten eigentlich schwarz erscheinen, dh es wird kein Licht reflektiert.

In der realen Welt reflektiert ein blauer Stift eine kleine Menge Rot (und andere Farben). Deshalb erscheint es rötlich, wenn man es mit rotem Licht anstrahlt. Wahrscheinlich würde es dunkler erscheinen, als wenn Sie blaues oder weißes Licht mit der gleichen Intensität darauf strahlen.

Dies ist eigentlich ein sehr schwieriges Thema, da wir normalerweise glauben zu wissen, was Farbe ist, und was wir denken, dass es sich sehr von der Realität unterscheidet.

Wenn wir von „Farbe“ sprechen, sprechen wir über ein Konzept, das die Verarbeitung des Bildes in unserem Gehirn beinhaltet. Wir können nicht im physikalischen Sinne über „Farbe“ sprechen. Wir können über Wellenlängen und Spektren sprechen. Ich kann sagen, dass diese spezielle "weiße LED" einen schmalen Peak bei 450 nm und einen breiten bei 600 nm hat, aber das ist keine "Farbe". Das soll nicht heißen, dass diese Physikschicht nicht wichtig ist. Steevens Antwort geht auf die Details ein, wie die Physik des Lichts funktioniert. Es ist eine gute Lektüre, aber um weiter zu gehen, müssen wir über das menschliche Auge und das menschliche Gehirn sprechen.

Das menschliche Auge hat 3 farbempfindliche Pigmente (na ja, 4 oder 5, aber die großen 3 sind hier die wichtigsten). Ihre Empfindlichkeitskurven sind:

Was bedeutet das also? Wissenschaftler isolierten ein einzelnes Photopigment wie Cyanolabe (das für unsere Empfindlichkeit gegenüber "bläulichen" Wellenlängen im 400-nm-Bereich verantwortlich ist). Sie setzten es verschiedenen Lichtwellenlängen aus und maßen, wie stark es sich chemisch veränderte. So fanden sie heraus, dass Cyanolabe auf 420 nm doppelt so stark reagiert wie auf 470 nm und kaum auf 600 nm Wellenlänge. Da unsere gesamte Wahrnehmung von Licht aus der Messung der chemischen Wirkungen dieser Proteine ​​stammt, können wir unsere Vision getrost in 3 Zahlen unterteilen, die darstellen, wie stark wir jedes der drei Photopigmente chemisch aktivieren.

Dies ist leistungsfähig, da es die in Steevens Antwort erläuterten Lichtspektren auf 3 diskrete Zahlen vereinfacht. Viel von der Subtilität des Spektrums geht hier verloren, aber die Evolution hat entschieden, dass es ein guter Handel ist. (Der Mantis Shrimp zerlegt das Licht in 12 statt in 3 Bänder. Allerdings verarbeitet er diese Daten nicht annähernd so subtil in „Farbe“, wie wir es tun).

Jetzt beginnt der lustige Teil: das Gehirn. Bis jetzt war alles Chemie. Jetzt kommen wir zur Neurologie. Das Gehirn ist ... etwas Besonderes. Es macht Dinge, die wirklich überwältigend sind, und seine Farbverarbeitung ist keine Ausnahme.

Einer der faszinierenden Effekte ist direkt auf Ihre Frage anwendbar. Sie sagen: "Wenn jedoch rotes Licht auf diese Objekte fällt, wird ihre Farbe rötlich." Dies ist nicht immer der Fall. Das Auge nimmt sicherlich mehr Rot wahr, aber das Gehirn hebt dies in vielen Fällen wieder auf! In vielen Fällen ändert sich die Farbe des Objekts überhaupt nicht.

Machen Sie dieses Experiment. Gehen Sie mit jemandem auf die Seite und lassen Sie ihn im Schatten eines Baumes stehen. Schau sie dir an und lass sie in die Sonne gehen. Beobachten Sie, ob sie ihre Farbe ändern oder nicht. Die meisten Menschen stellen fest, dass dies nicht der Fall ist, und doch ist das Licht im Schatten viel blauer als das Licht in der Sonne, weil die beschattete Person nur vom blauen Himmel beleuchtet wird. Warum ändert sich die Farbe nicht?

Die wirkliche Antwort ist, dass wir es nicht wissen. Es ist Entwicklung. Es wird jedoch die Theorie aufgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn Sie etwas in der Savanne jagen und es durch einen Schatten läuft, während es Ihnen ausweicht, es von Vorteil ist, nicht zu beobachten, wie sich das Objekt verfärbt, da dies die Verfolgung erschweren würde. Ihre höheren Funktionen müssten entscheiden, ob dieses neu gefärbte Objekt tatsächlich dieselbe Gazelle ist, die Sie gejagt haben. Das menschliche Gehirn optimiert also die Farben basierend darauf, wie es die Beleuchtung des Objekts wahrnimmt.

Das ist wirklich faszinierend, wenn man darüber nachdenkt. Das menschliche Gehirn verarbeitet nicht nur das Bild, das auf die Netzhaut trifft, sondern erstellt auch Modelle darüber, wo sich die Lichtquelle befindet und was es für diese Lichtquelle hält!

Berühmt wurde diese vor einigen Jahren mit „dem Kleid“. Das Originalfoto ist hier:

Jetzt sagen Sie mir, ist das ein blau-schwarzes Kleid oder ein weiß-goldenes Kleid? Jetzt frag einen Freund. Was Sie feststellen werden, ist, dass die Leute anderer Meinung sind ! Einige schwören, dass es blau und schwarz ist, andere schwören, dass es weiß und gold ist.

Es läuft alles auf diese Farbverarbeitung hinaus, die Ihr Gehirn durchführt. Ihr Gehirn muss Vermutungen über die Beleuchtung im Bild anstellen. Wenn Ihr Gehirn entscheidet, dass das Kleid von hellen Lichtern (wie denen dahinter) beleuchtet wird, wird es das Kleid als blau wahrnehmen. Wenn das Gehirn jedoch entscheidet, dass das Kleid tatsächlich im Schatten liegt, nimmt es an, dass die Lichter darauf blau (blauer Himmel) waren, und berücksichtigt dies, was dazu führt, dass Sie das Kleid als weiß und golden wahrnehmen.

XKCD hat diesen Effekt hervorragend mit einem extremeren Cartoon gezeigt, der dasselbe Strichmännchen mit demselben Kleid in zwei verschiedenen Lichtsituationen zeigt. Sie können das Bild selbst öffnen und bestätigen, dass die Kleider genau die gleichen RGB-Koeffizienten haben. Nur der Hintergrund hat sich geändert.

Warum ändern sich also die Farben von Objekten durch einfallendes Licht? Die Antwort erweist sich als frustrierend schwierig und viel nuancierter, als Sie vielleicht denken!

Ich denke, diese Objekte reflektieren nicht wirklich nur eine Farbe. Zum Beispiel absorbieren Blätter Sonnenlicht und reflektieren grünes Licht, aber es reflektiert auch andere Farben in einem sehr kleinen Bruchteil, da die Oberfläche von Blättern nicht rein ist, sondern mit anderen Materialien kontaminiert ist. Wenn nur rote Farbe auf ein Blatt fällt, dann sieht man die schwache Reflexion der roten Farbe. Wenn das rote Licht auf ein künstliches Material fällt, das streng alles Licht absorbieren und nur grünes Licht reflektieren kann, sehen Sie eine schwarze Oberfläche.