Wie verbindet sich Licht zu neuen Farben?

Die Farbwahrnehmung ist ausschließlich eine biologische (und psychologische) Reaktion. Die Kombination aus rotem und grünem Licht sieht für das menschliche Auge nicht von bestimmten gelben Lichtwellenlängen zu unterscheiden, aber das liegt daran, dass menschliche Augen die spezifischen Arten von Farbfotorezeptoren haben, die sie haben. Dasselbe gilt nicht für andere Arten.

Ein vernünftiges Modell für Farbe ist, dass das Auge die Überlappung des Wellenlängenspektrums des einfallenden Lichts mit der Antwortfunktion der drei Arten von Photorezeptoren betrachtet, die im Wesentlichen so aussehen:

^Bildquelle

Wenn das Licht zwei scharfe Spitzen auf Grün und Rot hat, ist die Ausgabe, dass sowohl die M- als auch die L-Rezeptoren gleichermaßen stimuliert werden, sodass das Gehirn dies interpretiert als „Nun, dann muss das Licht in der Mitte gewesen sein“. . Aber natürlich, wenn wir einen zusätzlichen Rezeptor in der Mitte hätten, könnten wir den Unterschied erkennen.

Es gibt zwei weitere ziemlich interessante Punkte in Ihrer Frage:

Jede Farbe innerhalb des sichtbaren Spektrums kann irgendwie durch "Kombinieren" der drei in unterschiedlichen Intensitäten erzeugt werden.

Das ist falsch. Es gibt einen beträchtlichen Teil des Farbraums, der für RGB-Kombinationen nicht verfügbar ist. Das grundlegende Werkzeug, um dies abzubilden, wird als Chromatizitätsplot bezeichnet, das wie folgt aussieht:

^Bildquelle

Die reinen Wellenlängenfarben befinden sich an der gekrümmten Außenkante und sind mit ihrer Wellenlänge in Nanometern gekennzeichnet. Der Kernstandard, den RGB-Kombinationsgeräte anzeigen können sollen, sind die innerhalb des Dreiecks mit sRGB gekennzeichneten; Je nach Gerät kann es zu kurz kommen oder darüber hinausgehen und ein größeres Dreieck abdecken (und wenn dieses größere Dreieck groß genug ist, um beispielsweise einen guten Teil des Adobe RGB -Raums abzudecken, wird es normalerweise prominent beworben). aber es ist immer noch ein Bruchteil des gesamten Farbraums, der dem menschlichen Auge zur Verfügung steht.

(Ein Warnhinweis: Wenn Sie Farbdiagramme auf einem Gerät mit einem RGB-Bildschirm sehen, werden die Farben außerhalb des darstellbaren Bereichs Ihres Geräts nicht richtig gerendert und sie erscheinen flacher als die tatsächlichen Farben, die sie darstellen. Wenn Sie das Ganze wollen Unterschied, besorgen Sie sich ein Prisma und eine Weißlichtquelle und bilden Sie ein vollständiges Spektrum und vergleichen Sie es mit dem Rand des Diagramms, wie es auf Ihrem Gerät angezeigt wird.)

Ist RGB das einzige solche Triplett?

Nein. Es gibt viele mögliche Zahlen-Triplett-Methoden zur Codierung von Farben, die als Farbräume bekannt sind , jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Einige gebräuchliche Alternativen zu RGB sind CMYK (Cyan-Magenta-Gelb-Schwarz), HSV (Farbton-Sättigungswert) und HSL (Farbton-Sättigung-Helligkeit), aber es gibt auch einige exotischere Optionen wie die CIE- XYZ- und LAB - Räume . Abhängig von ihren Bereichen können sie Neucodierungen des RGB-Farbraums sein (oder mit Neucodierungen von RGB in Teilen ihrer Domänen zusammenfallen), aber einige Farbräume verwenden separate Ansätze zur Farbwahrnehmung (d. h. sie können additiv sein , wie z RGB, subtraktiv wie CMYK oder eine nichtlineare Neucodierung von Farben wie XYZ oder HSV).

In der Netzhaut des Auges gibt es drei Arten von Zapfen, die wie die Filter in der Abbildung wirken und ziemlich breite Frequenzbänder überspannen.

Dort können Sie sehen, dass reines gelbes Licht sowohl "rote" als auch "grüne" Zapfen stimuliert.

Wenn also Licht von nahe gelegenen roten und grünen Pixeln empfangen wird, reagieren die Netzhautkegel genauso wie von reinem Gelb, wenn die Mischung stimmt.

Es ist also sehr viel eine biologische Sache. Beachten Sie, dass eine Wellenlänge, die einen grünen Kegel stimuliert, auch mindestens einen der roten und blauen Kegel stimuliert. Wir könnten uns also vorstellen, nur grüne Zapfen (mit Elektroden) künstlich zu stimulieren und könnten dann eine sogenannte unmögliche Farbe sehen.

Was RGB-Alternativen angeht, ja, es gibt andere Farbräume , die verwendet werden können, um auf ähnliche Weise alle möglichen Farben (wie von der menschlichen Netzhaut definiert) zu mischen.

Beachten Sie, dass RGB-Bildschirme normalerweise nicht alle Farben wiedergeben können. Das folgende Bild zeigt das Begrenzungsdreieck auf einem typischen Bildschirm. Professionelle Bildschirme decken tendenziell mehr, aber selten alle Farben ab.

Die anderen Antworten von Bernander und Emilio Pisanty erklären bereits, wie Augen Licht einfangen und in elektrische Impulse umwandeln. Es gibt noch ein paar Dinge zu verstehen. Meine Antwort konzentriert sich hauptsächlich auf Frage 1, da Frage 2 bereits vollständig abgedeckt ist.

Licht ist eine Kombination aus mehreren Wellenlängen

Wenn Sie Licht nehmen, ist es tatsächlich eine elektromagnetische Welle (ich vereinfache hier zu stark, aber sonst kommen wir nicht weiter). Das Problem ist, dass es kaum eine Lichtquelle gibt, die nur eine Wellenlänge erzeugt (Laser tun dies). Das Licht ist also im Wesentlichen eine Kombination aus vielen verschiedenen Wellenlängen. Um es zu sehen, müssen Sie ein Prisma verwenden, das den Lichtstrahl separat in jede der Wellenlängen aufteilt. Das ist im Wesentlichen der Grund, warum wir einen Regenbogen sehen – Wassertropfen wirken als natürliche Prismen und das Sonnenlicht ist so ziemlich eine Kombination aus (fast) allen sichtbaren Wellenlängen.

Wenn Sie mehr als eine Lichtquelle verwenden, erhalten Sie auf jeder der Wellenlängen eine Lichtsumme, die von jeder der Quellen kommt. Mit anderen Worten, wenn wir uns drei Laser vorstellen, rot, grün und blau, von denen jeder genau eine Wellenlänge erzeugt, wenn wir ihre Strahlen in einem Punkt schneiden und dort einen Schirm platzieren, wird es ein einzelner Punkt sein, der mit diesen drei Wellenlängen an der beleuchtet wird gleiche Zeit. Wir werden dort keine drei Farben sehen, es wird nur ein Fleck mit einer Farbe sein. Welche Farbe wird es sein? Ich komme später darauf zurück.

Augenrezeptoren erfassen nur, ob Licht vorhanden ist (und seine Stärke)

Das ist schwierig. Es gibt grundsätzlich 4 Arten von Rezeptoren auf der Netzhaut des Auges. Einer (Stäbchen) ist dafür verantwortlich, jede sichtbare (1) Wellenlänge zu erkennen, und drei sind dafür verantwortlich, Licht nur innerhalb eines Teils des sichtbaren Wellenlängenbereichs zu erkennen. Sie reagieren stärker auf das Licht, das näher an seiner optimalen Wellenlänge liegt (was vom Rezeptor-/Zapfentyp abhängt – entweder rot, grün oder blau, wie bereits von anderen erklärt) und je weiter die Lichtwellenlänge von diesem Optimum entfernt ist, desto schwächer ist die Reaktion. Ich werde Stäbe ignorieren, die für Licht verantwortlich sind , da sie meistens verwendet werden, wenn nicht genug Licht für die anderen drei (Zapfen) vorhanden ist (deshalb sehen wir bei sehr schwachem Licht alles in Grautönen).

Die Rezeptoren können nicht sagen, welche Wellenlänge sie eingefangen haben. Wenn für einen einzelnen Rezeptor nur ein schwacher Strahl mit seiner optimalen Wellenlänge oder ein starker Strahl, aber am Rand dessen, was wahrnehmbar ist, vorhanden ist, erkennt ein einzelner Rezeptor nur so ziemlich die gleiche Lichtmenge. Und Impulse für das Gehirn erzeugen.

Es ist das Gehirn, das entscheidet, was mit den Informationen zu tun ist

Dies ist der schwierigste Teil. Sehr, SEHR knifflig . Die Sache ist, dass das Gehirn Impulse von verschiedenen Augenrezeptoren empfängt und sie kombiniert. Basierend auf dem, was es in der Vergangenheit gelernt hat (auch bekannt als Erfahrung), präsentiert es Ihrem Bewusstsein etwas, das als Farbe bekannt ist.

Wenn Sie Licht mit einer einzigen Wellenlänge verwenden, reagieren Ihre Zapfen auf eine bestimmte Weise. Auf diese Weise kann Ihr Verstand diese Farben (vom Regenbogen!!!) lernen. Wenn nun eine Kombination vieler Wellenlängen eine ähnliche Kegelreaktion hervorruft, wird der Verstand nicht in der Lage sein zu verstehen, dass es mehrere Wellenlängen gab, und Ihnen nur die Farbe zeigen, die er kenntaus Licht mit einer einzigen Wellenlänge, das die gleiche Zapfenreaktion erzeugt. Wenn also die Kombination von Signalen von Augenrezeptoren zeigt, dass es etwas rotes und grünes Licht gibt (dh diese beiden Arten von Zapfen erzeugen ein starkes Signal, wenn sie etwas Licht ausgesetzt sind), aber nicht viel Blau, dann interpretiert Ihr Verstand, dass es etwas geben muss, das Sie als gelb kennen . Hinweis - es spielt keine Rolle, ob das Licht nur ein Strahl mit einer einzigen gelben Wellenlänge, einer einzigen starken Wellenlänge von Rot und einer einzigen starken Wellenlänge von Grün zusammen war oder ob es eine Kombination vieler Wellenlängen war, die sowohl grüne als auch rote Kegel reagieren ließen. Dein Verstand hat nur 3 Signale und muss basierend darauf sagen, welche Farbe es ist.

Wenn Sie also die drei zuvor erwähnten Laserstrahlen richtig ausbalancieren, erhalten Sie möglicherweise einen weißen Punkt, aber Sie können beispielsweise auch einen gelben Punkt erhalten. Oder ein brauner Punkt. Alles hängt davon ab, wie die Zapfen auf jede der verwendeten Wellenlängen reagieren und wie stark die Reaktionen sein werden.

Und so ungefähr funktioniert RGB

Was hier schwierig ist, ist, dass einige Kombinationen von Wellenlängen eine Kombination von Kegelreaktionen erzeugen, die sich von allen Lichtreaktionen mit einer einzelnen Wellenlänge unterscheiden. Dein Verstand muss es immer noch irgendwie interpretieren, damit er es dir auf irgendeine Weise anders präsentiert als jede Farbe, die aus der physischen Perspektive existiert . So können wir Farben wie Braun oder Grau sehen.

Was ist mit dieser Erfahrung

Wie bereits erwähnt, ist die Grundlage, dass die Farbe, die Sie sehen werden, die Beziehung zu früheren Erfahrungen ist - wenn die Zapfenreaktion auf die Kombination mehrerer Wellenlängen einer bekannten Farbreaktion mit einer einzigen Wellenlänge ähnlich ist, werden Sie diese Farbe sehen. Wenn nicht, werden Sie etwas anderes sehen (aber wieder in sich wiederholender Weise(2) - aber lesen Sie weiter).

Sie können mehrere optische Täuschungen finden, die sich auf Farben oder Grautöne beziehen. Eines der berühmtesten Beispiele, die kürzlich im Internet zu sehen waren, war ein Kleid auf einem Foto, das einige bei starkem Licht als blau und schwarz interpretierten, während andere weiß und gelb in einem Farbton waren. Wenn Sie bei sehr schwachem Licht in den Wald gehen, sehen Sie die Blätter schwach grün, obwohl Ihre Zapfen nicht genug Licht zum Arbeiten bekommen und alles, was Sie sehen, tatsächlich ein bisschen Licht ist (also etwas Grau). Doch Ihr Verstand weiß , dass Blätter grün sein sollten, also malt er sie für Sie. Wenn Sie später in vollem Licht zurückkommen, sehen Sie vielleicht tatsächlich, dass einige dieser grünen Blätter rot oder gelb sind. Aber unser Verstand versuchte sein Bestes, um die Lücke zu füllen, und nutzte die Erfahrung, um eine Farbe hinzuzufügen. Es ist noch verwirrender, wenn das Licht nicht weiß ist - der Verstand nutzt immer noch Erfahrung und passt sich (bis zu einem gewissen Grad) an das Licht an - so dass Grün im roten Licht eines Sonnenuntergangs immer noch grün aussieht.

Warum funktioniert RGB?

Einfach gesagt verursacht das Licht, das in jeder der Lichtquellen verwendet wird, eine spezifische (bis zu einem gewissen Grad vorhersagbare) Reaktion der Zapfen, wie oben beschrieben. Da es die meisten möglichen Zapfenreaktionen hervorrufen kann, können Sie die meisten Farben auf einem Fernseh-/Monitorbildschirm sehen.

TL/DR

Was Sie sehen, ist eine Kombination aus dem, was Licht zu Ihren Augen gelangt, wie die Augen daraus elektrische Impulse erzeugen, die das Gehirn erreichen, und wie das Gehirn sie basierend auf früheren Erfahrungen interpretiert.

(1) Wir nennen es sichtbar, weil unsere Augenrezeptoren es wahrnehmen können. also sollte es vielleicht sagen "irgendein Wellenlängenbereich, den wir sichtbar nennen . Auch hier gibt es eine kleine Vereinfachung - Zapfen haben möglicherweise eine etwas breitere Wellenlängenabdeckung als Stäbchen. Auch dies kann bei verschiedenen Menschen leicht variieren, aber diese Unterschiede können außer Acht gelassen werden. Auf der Andererseits reagieren andere Arten auf andere Wellenlängenbereiche, z. B. haben Hunde nur zwei Arten von Zapfen, sodass sie im Wesentlichen weniger Farben sehen.

(2) es wird auch so interpretiert, dass die Farben, die nur eine geringfügig andere Zapfenreaktion hervorrufen , ziemlich ähnlich erscheinen (Schattierungen).

Hier sind sowohl Physik als auch Biologie am Werk.

Grundlegende physikalische Eigenschaften des Lichts

Das Erste, was man verstehen muss, ist, dass Licht eine Eigenschaft hat, die als „Wellenlänge“ bekannt ist, da Licht eine elektromagnetische Welle ist. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei Gipfeln dieser EM-Welle. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, ist der Abstand extrem klein und wird normalerweise in Nanometern gemessen, zumindest für sichtbares Licht (mehr darüber, was es sichtbar macht, gleich).

Grundlegende Biologie des Sehens

Das menschliche Auge hingegen verfügt über spezielle Zellen, sogenannte „Fotorezeptoren“, die lichtempfindlich sind und Nervenzellen dazu veranlassen, ein Signal an das Gehirn zu senden, wenn Licht auf sie trifft. Mehr Licht darauf, stärkeres Signal (hier etwas vereinfacht, fürs Protokoll). Photorezeptoren sind jedoch nur für Licht bestimmter Wellenlängen empfindlich. Wenn Licht eine Wellenlänge hat, für die keiner unserer Fotorezeptoren empfindlich ist, können wir es nicht sehen – sichtbares Licht ist also nur das Licht, für das wir Fotorezeptoren haben.

Sichtbares Lichtspektrum

Diese Grafik zeigt die verschiedenen Arten von Licht, die wir anhand ihrer Wellenlänge erkennen, wobei die Wellenlängen, die für typische Menschen sichtbar sind, hervorgehoben sind:

^{( Wikipedia EM-Spektrum )}

Das Wichtigste, was Sie hier beachten möchten, ist, dass Gelb zwischen Rot und Grün liegt. Das ist ein wesentlicher Grund dafür, warum das Mischen von Rot und Grün Gelb ergibt, aber es ist nicht die ganze Geschichte. Es ist die physikalische Realität, über die uns unsere Biologie zu informieren versucht, aber wie unsere Biologie das tut, spielt eine größere Rolle.

Biologie des Farbensehens

Menschliche Photorezeptoren werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt – Stäbchen und Zapfen – und die Zapfen, die mit Farbe umgehen (normalerweise ¹ ), gibt es in drei Varianten: diejenigen, die am empfindlichsten für rote Wellenlängen sind, diejenigen, die am empfindlichsten für grüne Wellenlängen sind, und die am empfindlichsten zu blauen Wellenlängen. Daher RGB. Wir sehen etwas als rot, denn wenn das rote Licht auf unsere Fotorezeptoren trifft, werden die rotempfindlichen Zapfen am meisten aktiviert. Dasselbe gilt für grünes Licht, das unsere grünen Zapfen aktiviert.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Empfindlichkeit der Zapfen nicht scharf definiert ist; Stattdessen sind sie nur für eine Farbe am empfindlichsten und werden dann zunehmend weniger empfindlich, wenn sich die Wellenlänge von dieser Farbe entfernt. Und die Empfindlichkeiten der verschiedenen Zapfen überschneiden sich. Selbst bei grünem Licht werden Ihre blauen und roten Zapfen also immer noch aktiviert – nur nicht so stark wie die grünen.

Hier ist ein Diagramm der Photorezeptorempfindlichkeit eines typischen menschlichen Auges:

^{( Wikipedia Farbempfindlichkeit )}

Gelbes Licht oder rotes und grünes Licht?

Und so kann das Auge dem Gehirn Informationen über Licht geben, das nicht rot, grün oder blau ist: Trifft gelbes Licht auf das Auge, werden sowohl die roten als auch die grünen Zapfen aktiviert. Das Gehirn erhält die Signale von den roten und grünen Zapfen (und das Fehlen oder schwächere Signal von den blauen Zapfen) und interpretiert dies als „gelb“, d. h. Licht mit einer Wellenlänge zwischen den Spitzenempfindlichkeiten der rote und grüne Zapfen.

Aber die einzige Information, die das Gehirn wirklich bekommt, ist, dass die roten und grünen Zapfen aktiviert sind. Das kann an gelbem Licht liegen, aber es kann auch nur rotes und grünes Licht sein, das gleichzeitig auf das Auge trifft. Das Gehirn verfügt nicht über die Informationen, die es benötigt, um den Unterschied zu erkennen, und behandelt diese beiden Situationen einfach gleich – als das, was wir „gelb“ nennen. Aus diesem Grund können Sie Rot und Grün (und nicht Blau) ausgeben und das Auge gelb sehen lassen, ohne tatsächlich eine gelbe Lichtquelle haben zu müssen. Und das tut das Auge mit allen Farben; Da sich die Empfindlichkeiten der Zapfen überschneiden, gibt es immer eine Art Mischung von Signalen, die das Gehirn zu einer einzigen Farbe kombiniert, normalerweise so etwas wie den „Durchschnitt“ unter ihnen.

Rotes und blaues Licht – definitiv kein grünes

Eine wichtige Ausnahme von dieser „Mittelwertbildung“ (die mathematisch gesehen kein strenger Mittelwert ist) ist, wenn Sie rote und blaue Zapfen aktiviert haben, aber grüne Zapfen nicht (so stark) aktiviert sind. Anders als bei Gelb – wo das Gehirn keine Informationen darüber hatte, ob es gelbes Licht oder eine Kombination aus rotem und grünem Licht sah – verfügt das Gehirn über Informationen, die ihm sagen, dass das grüne Licht nicht vorhanden ist, weil die grünen Zapfen vorhanden sind. t so stark aktiviert. Rot und Blau zu „mitteln“, um Grün zu machen, wäre also wirklich falsch – das ist die eine Farbe, von der das Gehirn weiß , dass sie nicht vorhanden ist.

Stattdessen nimmt das Gehirn die Kombination von Rot und Blau als Magenta wahr, eine Farbe, die im eigentlichen EM-Spektrum nicht existiert . Keine einzelne Lichtwellenlänge erscheint uns magentafarben: Nur die Kombination von blauem und rotem Licht kann dazu führen, dass wir diese Farbe wahrnehmen.

RGB „Universalität“

Nein, RGB ist nicht universell.

Erstens kombinieren Lichtquellen „additiv“, das heißt, wenn Sie etwas Licht nehmen und ein neues Licht einer anderen Wellenlänge hinzufügen, wird die neue Wellenlänge der Kombination hinzugefügt.

Farbstoffe kombinieren jedoch „negativ“, das heißt, wenn Sie Farbstoffe miteinander mischen, entfernen Sie mehr Wellenlängen davon. Der Grund dafür ist, dass Farbstoff einen Teil des Lichts absorbiert und andere reflektiert – bei weißem Licht nehmen wir eine Mischung aller Wellenlängen wahr, die wir sehen können. Wenn also weißes Licht auf rote Farbe trifft, werden die blauen und grünen Wellenlängen entfernt und nur Rot wird reflektiert zurück zu unserem Auge. Deshalb sind die Grundfarben, die Sie in der Grundschule gelernt haben, Rot, Blau und Gelb , ² wobei Grün durch Mischen von Blau und Gelb entsteht. Dies ist auch der Grund, warum Drucker CMYK gegenüber RGB bevorzugen: Cyan-Magenta-Gelb ist ein besserer Ort, um mit dem Entfernen von Wellenlängen zu beginnen als Rot-Grün-Blau (Schwarz wird separat behandelt, nur weil Schwarz beim Drucken besonders wichtig ist und Sie separat erstellen möchten awirklich gutes Schwarz , anstatt zu versuchen, alle Ihre anderen Tinten zu verwenden, um zu versuchen und es nicht zu schaffen, alle Wellenlängen zu entfernen).

Es gibt auch andere Ansätze zum Umgang mit Licht, die nicht direkt etwas mit Wellenlängen zu tun haben, sondern eher darauf basieren, wie das Licht wahrgenommen werden soll. Farbton, Sättigung und Helligkeit erzeugen beispielsweise Farben einer bestimmten Wellenlänge oder Kombination von Wellenlängen, aber die Zahlen geben nicht die Intensität von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen an, wie sie es bei RGB oder CMYK sind.

Schließlich deckt keines davon tatsächlich das gesamte Farbspektrum ab, das das menschliche Auge sehen kann. Das liegt daran, dass natürliches Licht ein kontinuierliches Wellenlängenspektrum abdeckt , d. h. die Anzahl der Wellenlängen beispielsweise im Sonnenlicht ist buchstäblich unzählbar, ³und unsere Fotorezeptoren sind immer noch etwas empfindlich für die Farben um ihre Spitzen, sodass unsere Augen einige dieser Wellenlängen wahrnehmen können. RGB spezifiziert die Kombination von nur drei Wellenlängen mit unterschiedlichen Intensitäten, und es wird einfach immer Farben geben, die Sie nicht mit nur drei Wellenlängen erzeugen können. Sie könnten mehr Wellenlängen hinzufügen, aber das bedeutet mehr unabhängige Lichtquellen, und Sie werden sicherlich nie unendlich viele davon haben. Aber drei ist ziemlich gut; die Vierfarbfernseher sind genau deshalb nicht wirklich durchgestartet.

Dieses Diagramm zeigt die Farben, die Sie mit einem typischen RGB-Setup erzeugen können, mit dem großen grauen Bereich darum herum alle Farben, die Sie nicht erzeugen können.

^{( Wikipedia sRGB-Farbraum )}

Beachten Sie, dass der Bogen entlang der Oberseite das Spektrum monochromatischer Farben ist, d. h. das Licht, das nur aus einer Wellenlänge besteht – die Spektren in den obigen Diagrammen würden um diese Kurve gewickelt. Und Magenta bildet einen Großteil der Linie, die die beiden unteren Enden der Kurve verbindet.

1. _{Farbenblindheit tritt auf, wenn einige dieser Zapfenzellen nicht oder zumindest nicht gut funktionieren. Es gab auch einige Berichte über Menschen mit vier Arten von Zapfen . Und andere Arten können ganz andere Sätze von Fotorezeptoren mit ganz unterschiedlichen Empfindlichkeiten haben, die es ihnen ermöglichen, mehr Farben wahrzunehmen, die für uns gleich aussehen würden, und ihnen auch ermöglichen, Licht wahrzunehmen, das für uns einfach unsichtbar ist.}

2. _{Wenn Sie, wie ich, die Primärfarben mit einer Art Farbe gelernt haben, ist dieses Mischen tatsächlich komplizierter, als nur „negativ“ zu sein, aber für Grundschulkinder ist es gut genug. Für diese Antwort bleibe ich bei Farbstoffen, die dem einfachen Negativfall physikalisch am nächsten kommen.}

3. _{Praktisch jedenfalls. Die Quantenmechanik könnte darauf hindeuten, dass alles Licht eine Wellenlänge hat, die ein Vielfaches einer unglaublich kleinen Entfernung ist, möglicherweise der Planck-Länge, aber dafür hat niemand wirklich eine Theorie aufgestellt, geschweige denn experimentell gezeigt.}

Licht ist ein kontinuierliches Spektrum

Mit „Licht“ meine ich die elektromagnetische Welle im Weltall. Dabei spielt es keine Rolle, ob es von einer Lichtquelle kommt, von einem transparenten/transluzenten Objekt gefiltert oder von einer beleuchteten Fläche reflektiert wird; die Interpretation der Farbe des Lichts ist die gleiche.

Die Wellenlänge des Lichts ist nicht nur auf Rot, Grün oder Blau beschränkt. Dazwischen sind unendlich viele Wellenlängen möglich, also sprechen wir von einem "kontinuierlichen" Spektrum. Tatsächlich kann die Wellenlänge außerhalb des Bereichs liegen, den wir sehen können; das macht es nur unsichtbar. Das meiste Licht ist eigentlich eine Mischung aus vielen Wellenlängen.

Wir können das kontinuierliche Lichtspektrum sehen, indem wir ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein Spektrophotometer verwenden.

Die menschliche Wahrnehmung reduziert die Farbe auf drei Werte

Anstatt unendlich viele Werte verarbeiten zu müssen, reduziert das menschliche Auge die Farbe auf drei Werte: Rot ($r$), grün ($g$), und Blau ($b$). Dies geschieht durch die Zapfenzellen der Netzhaut des Auges; jedes erscheint unter dem Mikroskop entweder als rot, grün oder blau. Die roten Zapfen verarbeiten rotes Licht und erzeugen ein Signal$r$die mit der Intensität des Lichts zunimmt. Sie reagieren auch auf benachbarte Wellenlängen wie Orange und Gelb, nur nicht so stark wie rote Wellenlängen. Ein ähnlicher Vorgang findet für die grünen und blauen Zapfen statt. Die Reaktionen jedes Zapfensatzes auf jede der Wellenlängen sind in diesem Diagramm dargestellt:

[ ]

Eine Wellenlänge des Lichts

Angenommen, Sie schalten eine gelbe LED mit einer Wellenlänge von 570 nm ein. Ihr Spektralfotometer meldet, dass es eine einzige Lichtwellenlänge (*1) bei 570 nm gibt.

Das Licht stimuliert teilweise die roten Zapfen Ihres Auges und erzeugt ein Signal von$r=9000$. (Siehe Diagramm unten. Machen Sie sich keine Gedanken über die Einheiten, sie sind willkürlich.) Das Licht stimuliert auch die grünen Zapfen und produziert$g=8000$. Sie stimulieren die blauen Zapfen also nicht$b=0$. Ihr Gehirn empfängt die Signale$(9000, 8000, 0)$und interpretiert dies als "gelb".

Zwei Lichtwellenlängen

Nehmen wir nun an, Ihr Computerbildschirm erzeugt eine gelbe Farbe, indem er etwas rotes (600 nm) und etwas grünes (535 nm) Licht zusammen emittiert. Das rote Licht trifft auf Ihre roten Kegel und erzeugt ein Signal von 6000. Aber das grüne Licht erzeugt auch ein Signal auf den roten Kegeln, sagen wir 3000. Die beiden Signale ergeben zusammen ein Signal$r=6000+3000=9000$. In ähnlicher Weise kann der grüne Kegel ein Signal von 2500 von rotem Licht und 5500 von grünem Licht erzeugen, also$g=2500+5500=8000$. Weder Licht stimuliert also den Blaukegel$b=0$.

Ihr Gehirn empfängt die Signale$(9000, 8000, 0)$und interpretiert dies als dieselbe gelbe Farbe wie die LED. Das Spektralfotometer misst jedoch Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Sie nehmen die Farben als gleich wahr, obwohl sie unterschiedliche Spektren haben.

Verallgemeinerungen

1. Dies ist nicht der einzige Weg, um dieselbe Wahrnehmung zu erzeugen. Ich hätte 625 nm Rot und 550 nm Grün mischen können, um dasselbe "Gelb" zu erzeugen. Alles, was wir brauchen, ist, dasselbe zu produzieren$(r,g,b)$Signale, um Ihrem Gehirn vorzutäuschen, dass es die gleiche Farbe hat.

2. Sie können dies mit mehr als zwei Wellenlängen tun und erhalten immer noch die gleiche Wahrnehmung. Beispielsweise ist gelbes Sternenlicht eine Kombination aus vielen Wellenlängen. Die Mathematik ist komplizierter, aber es geht.

3. Ein Großteil des Lichts, das wir sehen, ist ein kontinuierliches Spektrum. Sie brauchen Kalkül, um mit der unendlichen Anzahl von Wellenlängen fertig zu werden, aber die Berechnungen können durchgeführt werden.

4. Seit Anbeginn der Geschichte haben Menschen die Kunst und Wissenschaft praktiziert, sich selbst dazu zu bringen, verschiedene Farben wahrzunehmen.

5. Auch wenn Sie den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Arten von gelbem Licht nicht erkennen können, kann das Spektralfotometer den Unterschied erkennen . Das sollte nicht überraschen, wenn man bedenkt, dass Ihre Augen die Informationen in unendlich vielen Wellenlängen auf nur drei Werte reduziert haben.

6. Die Art und Weise, wie ein Tier Farben wahrnimmt, ist von Art zu Art unterschiedlich. Primaten (z. B. Menschen, andere Menschenaffen, Affen) haben drei Zapfen: rot, grün und blau. Andere Säugetiere haben nur zwei Zapfen: gelb und blau. Ihre Katze oder Ihr Hund kann also Rot und Grün nicht unterscheiden, geschweige denn alle Formen von „Gelb“. Dagegen sehen Reptilien und Vögel in vier Farben. Sie täuschen Ihren Sittich nicht mit Ihrer "gelben" LED und Ihrem Computerbildschirm!

(*1) Technisch gesehen erzeugen LEDs einen schmalen Wellenlängenbereich um die gewählte Farbe herum, aber das ist für diese Diskussion nicht von Bedeutung.

Es ist eine Durchschnittssache. Wir haben drei Arten von Farbdetektoren (Zapfenzellen) in unseren Augen, deren spektrale Empfindlichkeiten sich etwas überschneiden: In diesem Wikipedia-Artikel finden Sie ein Bild der spektralen Empfindlichkeiten . Sie können daraus ersehen, dass monochromatisches (einzelne Wellenlänge) gelbes Licht dazu führt, dass sowohl der rote als auch der grüne Kegel das Licht „sehen“, und was wir als gelb interpretieren, ist daher einfach die kombinierte Reaktion dieser beiden Zellen in geeigneten Proportionen.

Wenn wir anstelle von monochromatischem gelbem Licht eine geeignete Mischung aus monochromatischem rotem und grünem Licht in das Auge senden, können wir die gleiche Reaktion von den roten und grünen Zapfenzellen hervorrufen (ich denke, Sie müssen aufpassen, dass das Grün nicht zu ist kurze Wellenlänge oder Sie können nicht vermeiden, dass auch die blauen Zellen feuern). Und das Auge/Gehirn kann diese beiden Fälle überhaupt nicht unterscheiden, also interpretieren wir das auch als gelb.

Die Antwort auf die Frage, was ein „universelles Triplett“ ausmacht, ist, dass es der Farbempfindlichkeit der Zapfen in unseren Augen entsprechen muss. Daran ist in physikalischer Hinsicht nichts „universell“.