Die Qualität von Licht beim Fotografieren
Wir wollen als Fotograf beeindruckende Fotos, oft werden die Grundlagen allerdings nicht beachtet, wie z.B. die Lichtqualität. Die Qualität von Licht wirkt sich stark auf die Qualität von Fotos beim Fotografieren aus. Was gibt es zu beachten? Aber der Reihe nach – was macht die Qualität von Licht aus?
Vor der Frage nach der Qualität von Licht sollte man sich als Fotograf bewusst machen, was Licht überhaupt ist!
Was ist Licht? Die physikalische Beschreibung über die Wellen
Licht ist für uns Menschen der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Hier vereinfachen wir und schauen uns weder die Komponente „magnetische Strahlung“ an noch gehen in die Diskussion, ob Licht eine Welle oder Teilchen sind. Wir schauen uns Licht unter dem Aspekt der Fotografie an.
Diese Strahlung wird in Wellenlängen beschrieben. Diese Welle hatte Wellenberge und Wellentäler. Hier kann man den Abstand messen (wobei herzhaft egal ist, ob das beim Wellenberg oder Wellental geschieht, da die Welle gleichmäßig ist).
Die Wellenhöhe bestimmt die Intensität. Für unsere folgenden Betrachtungen sind die Wellenlängen wichtig.
Neben dem sichtbaren Licht haben wir weitere elektromagnetische Wellen, die wir in unserem täglichen Leben nutzen:
Wir haben also eine räumliche Ausdehnung und somit nutzen wir ein Längenmaß wie z.B. Meter. Allerdings sind diese Wellen deutlich kleiner – wir benötigen als Maßeinhalt Nanometer (ein Nanometer sind 0,000.000.001 Meter – oder andersherum: 1 Meter entspricht 1.000.000.000 Nanometer) oder wissenschaftlich geschrieben 10-6.
Weißes Licht ist eine Mischung aus allen Farben!
Das für Menschen wahrnehmbares Licht hat einen Bereich von 380 Nanometer (Violett, Blau) bis zu 780 Nanometer (Rot).
Sind wir knapp unter den 380 Nanometer (bis zu 100 nm), haben wie Ultraviolett (lat. „ultra“ jenseits). Diese Wellenlänge ist für das Auge nicht sichtbar, aber durch die Kurzwelligkeit nicht unproblematisch. Eine Überdosis UV-Strahlung bewirkt Augenentzündungen und Sonnenbrand bzw. im schlechtesten Fall Krebserkrankungen.
Wir haben also bei kurzen Wellenlängen (blauen) mehr Energie als bei langen Wellenlängen wie z.B. bei den roten.
Jenseits von Rot (also über 780 nm) sind wir in dem langwelligen Infrarot-Bereich (IR bzw. Infrarot-Strahlung).
Diese Randbereiche (Ultraviolett und Infrarot) sind teilweise für andere Lebewesen sichtbar und nützlich. Einige Tiere erkennen so den Reifegrad von Früchten.
Was hat es mit Frequenzen zu tun?
Im Vergleich das Gehör: eine Schallwelle hat einen Wellenlängenbereich von 17 Millimeter bis 21 Meter. Allerdings spricht man beim Gehör gerne von Frequenzen (flapsig gesagt: „wie oft geht die Welle in eine Sekunde“).
Farben/Regenbogenfarben sichtbar machen: Prisma
Wenn wir Sonnenlicht durch ein Prisma gebrochen sehen, werden die enthaltenen Farben sichtbar. Weißes Licht besteht also aus den typischen „Regenbogenfarben“. Durch die Wellenlängen ist auch die Reihenfolge der Farben festgelegt:
- Rot (Rottöne 780 nm – 630 nm)
- Orange (Orangetöne 630 nm – 580 nm)
- Gelb (Gelbtöne 580 nm – 560 nm)
- Grün (Grüntöne 560 nm – 480 nm)
- Blau (Blautöne 480 nm – 420 nm)
- Indigo
- Violett (Violetttöne 420 nm – 380 nm)
Durch das Prisma wird ein Lichtstrahl durch die Übergänge von Luft und Glas wieder in Luft „aufgebrochen“ und wir sehen die typischen Regenbogenfarben. Die gleiche Brechung von Licht passiert in der Luft durch Regentropfen.
Fun Fact Licht: Isaac Newton legte die 7 Farben fest, da man mit einer magischen Zahl wie 7 nichts falsch machen konnte (7 ist eine Primzahl, in der Schöpfungsgeschichte taucht die 7 oft auf „am siebten Tag sollst du ruhen“, die Woche hat 7 Tage, C-Dur hat 7 natürliche Noten). Vom Sechsfarbenspektrum geht man in der modernen Wissenschaft aus – die meisten Menschen nehmen Indigo nicht als eigene Regenbogenfarbe wahr.
Wie nehmen Menschen Farbe wahr?
Es macht einen Unterschied, was für ein Tier man ist. Bienen können kein Rot erkennen, dafür aber UV-Licht. Beim Wolf fehlt der für Rot empfindliche Farbrezeptor, was dazu führt, dass der Wolf eine Verschiebung in Richtung Ultraviolett hat. Ein Wolf ist also flapsig gesagt „Rot-farbenblind“.
Wir nehmen als Menschen durch unsere 3 Farbrezeptoren Licht mit einer Wellenlänge von 380 Nanometer bis 780 Nanometer wahr. Wir haben im Auge 3 Farbrezeptoren für die Farben Blau, Grün und Rot, die sich teilweise überschneiden.
Bei normaler Helligkeit (Tag) können wir also Farben zwischen 380 Nanometer und 780 Nanometer erkennen (bei Normalsichtigkeit).
Trifft also ein farbiger Lichtstrahl auf unsere Rezeptoren im Auge, werden diese je nach Wellenlänge und Wellenintensität aktiviert und geben an das Gehirn der Information Farbe XYZ weiter.
Durch die unterschiedlichen Mischungen und Helligkeit der „Wellen“ kommt eine Vielzahl von Farben zustande. In unseren Fernsehgeräten wird versucht, dies nachzuahmen. Dazu werden 3 Farben (Rot, Grün und Blau) genommen und entsprechend leuchten gelassen. Durch die 3 Farben und die kleinen Punkte nehmen wir ab einem gewissen Abstand nur noch 1 Farbe wahr. Geht man nahe genug an den Fernseher heran, sind durchaus die 3 Leuchtpunkte zu sehen. Rechnerisch ergibt sich daraus 8 hoch 3 = 16,7 Millionen Farben. Unser Auge kann aber deutlich mehr Farben erkennen. Fernseher und Monitoren bilden also nur einen kleinen Teil der Realität ab!
Begriffserklärungen: Farbspektrum, Lichtspektrum, Vollspektrum, Vollspektrumlicht, Spektralfarben
Farbspektrum
Wichtig ist die Unterscheidung von bestimmten Begrifflichkeiten. Wir haben ein Farbspektrum, dass die meisten Menschen (es gibt auch Farbfehlsichtige) zwischen 380 nm und 780 nm liegt.
Lichtspektrum
Meint das Gleiche wie Farbspektrum, es ist ein anderer Begriff für das Farbspektrum. Das Lichtspektrum lenkt die Aufmerksamkeit auf Licht und nicht auf Farbe. Wenn man an Farbe denkt, vergisst man schnell die komplette Zusammensetzung (sprich weiß).
Vollspektrum bzw. Vollspektrumlicht
Ein Licht, das über alle Wellenlängen in gleicher Stärke verfügt. Das ist ein rein theoretischer Wert, da selbst Sonnenlicht die verschiedenen Wellenlängenbereiche unterschiedlich stark abgibt bzw. diese je nach Sonnenstand und Bewölkungsgrad variiert.
Bei den Produzenten von Licht versteht man darunter, dass bei einer Lichtquelle (Lampe) die Farbwiedergabe dem Sonnenlicht nahekommt. Hier spricht man von Vollspektrumlampen bzw. Vollspektrum-Tageslichtlampen. Diese kommen auch gegen Winterdepressionen zum Einsatz (mit Stärken von mindestens 10.000 Lux).
Spektralfarben
Unsere 7 Regenbogenfarben. Rot, Orange, Gelb, Grün, Hellblau, Indigo und Violett
kontinuierliches Spektrum
Wenn Farben nahtlos fließend ineinander übergehen, spricht man von kontinuierlich. Wenn wir eine komplette Verteilung über alle Farben haben, wird dies kontinuierliche Lichtspektrum genannt. Es müssen also alle Wellenlängen vom sichtbaren Licht enthalten sein. Das sagt noch nichts über die Stärken der einzelnen Wellenlängen aus!
Wenn wir uns nun das Sonnenlicht ansehen, sehen wir eine Verteilung über das komplette Lichtspektrum.
Die Höhe zeigt die Intensität der einzelnen Farben an.
Schaut man sich das Lichtspektrum der Sonne ohne Wolken an, sieht man die unterschiedliche Verteilung. Wichtig ist, dass weiterhin alle Farben nahtlos fließend vorhanden sind.
_bild[Lichtspektrum der Sonne bei wolkenlosem Himmel zur Mittagszeit]_
Dieses Lichtspektrum kann über ein Spektrometer gemessen werden. Da diese Geräte nicht billig sind, kann man sich zum sichtbar machen auch dem guten alten Prisma bedienen (das hatte man im Physikunterricht).
Der Gegensatz zum kontinuierlichen Spektrum sind die Linienspektren.
Linienspektren
Fehlen also in unserem Lichtspektrum Wellenlängen, bekommen wir beim Fotografieren schnell Probleme. Dies ist der Fall bei den alten Leuchtstoffröhren. Wer mit Leuchtstoffröhren Hauttöne richtig einfangen will, sitzt auf einem sinkenden Schiff.
Fotografieren wir mit natürlichem Licht, dann haben wir das komplette Lichtspektrum. Sobald wir künstliches Licht verwenden, bekommen wir das Thema, inwieweit das Lichtspektrum komplett ist und wie gut die einzelnen Bereiche vorhanden sind. Dazu später mehr.
Jetzt zum Verständnis noch natürliches Licht genauer betrachtet.
INHALT für Kapitel zu künstlichem Licht
Ra – Qualität einer Lampe
Je ausgeglichener das Farbspektrum, desto besser die Farbwiedergabe. Das ist wichtig für Druckereien, Museumsausstellungen, Fotografen etc. Die Qualität einer Lampe wird über den Ra angegeben.
Farbeindruck bei natürlichem Licht: Sonnenlicht mit und ohne Wolken
Unser natürliches Licht variiert sehr deutlich im Farbeindruck. Diese Unterschiede beim Licht wird durch die Beschreibung des Farbeindrucks umschrieben: von warmen bis kalten Licht, also von rötlichen bis zu blauem Licht.
Man spricht von Farbtemperatur. Diese Farbtemperatur wird als Zahl in Kelvin beschrieben, die zwischen 1.000 Kelvin bis 12.000 Kelvin liegt.
Wir sind in unserem Alltag eher Celsius (°C) als Maßeinheit für Temperatur gewohnt. Im wissenschaftlichen Bereich wird die Temperatureinheit Kelvin (K) genutzt. Diese hat den Vorteil, dass es keine negativen Werte gibt. Dazu ist der Nullpunkt verschoben. Kelvin beginnt beim absoluten Nullpunkt: -273 Grad Celsius.
Was hat es mit dem schwarzen Strahler auf sich?
Kurz: Die Strahlung eines schwarzen Strahlers dient bei der Beschreibung anderer Strahlungsquellen als Vergleichsmaßstab
Und nun die lange Fassung für eine gute Verständlichkeit:
Der schwarze Strahler und die Farbtemperatur in Kelvin
Der Physiker William Thomson, Lord Kelvin hat 1848 die Definition der Wärme eines Objekts bestimmt. Dieses bekommt über die Erhitzung eine bestimmte Farbe (man denke an rot glühend). Und hier haben wir die Verbindung. Natürlich ist es für uns als Fotograf erst einmal merkwürdig, dass Rot weniger heiß (3000 Kelvin) ist als Weiß (rund 5500 Kelvin). Erhitzt man ein rotglühendes Objekt immer weiter, erhalten wir die Farben Weiß und Blau. Wichtig ist, dass Lord Kelvin von einem idealen schwarzen Körper ausging. Ein perfekter (idealer) schwarzer Körper absorbiert jedes einfallende Licht. Dadurch haben wir keine „Verfremdung“ des Lichtes, sondern messen wirklich nur das Licht von dem Strahler (schwarzer Strahler).
Die Messung der Strahlung unseres Schwarzkörperstrahlers (so heißt es physikalisch korrekt) ergibt für die unterschiedlichen Temperaturen (T) folgenden Kurven:
Blendet man unter den Kurven die Farbverteilung ein, sieht man, wie die unterschiedlichen Farbeindrücke zustande kommen. Je nachdem, wo das Maximum liegt, ist die Farbverschiebung dann, zwischen gelblich (5.000 K) und bläulich (7.000 K) so haben wir einen mehr oder weniger starken Eindruck von Schwarz, da alle Farben für unser Auge gleichmäßig verteilt sind!
Der Farbeindruck entsteht durch die Lage vom Kurvenmaximum!
Wer Spaß an einer Simulation hat, findet eine sehr schön umgesetzte zum Testen unter: https://phet.colorado.edu/sims/html/blackbody-spectrum/latest/blackbody-spectrum_de.html
Wer Spaß am Nachrechnen und Physik hat: Der ursprünglich experimentell ermittelte Kurvenverlauf wurde durch das kirchhoffsche Strahlungsgesetz, das wienschen Verschiebungsgesetz und das Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann wissenschaftlich begründet und durch Max Planck exakt beschrieben.
Von den Kurven zum typischen Verlauf der Farbtemperatur
Nimmt man die Fläche des sichtbaren Lichtes unter der entsprechenden Kurve, erhält man die Farbtemperatur. Das gilt dann, wenn wir die Sonne oder einen Schwarzkörperstrahler als ideale Lichtquelle haben.
Wenn man nun die Flächen der Kurven hat (Farbtemperatur) kann man die Maximalpunkte der Kurve hinzunehmen. Vom Maximalpunkt nutzen wir die Wellenlänge für folgendes Diagramm.
Nun trägt man beides (Wellenlänge in nm, Kelvin und Farbtemperaturen) in ein Diagramm ein:
Warmweiß, Kaltweiß und Tageslichtweiß
Um noch ein wenig Verwirrung zu beseitigen. Im Fachhandel werden Lampen mit den Bezeichnungen Warmweiß, Kaltweiß und Tageslichtweiß verkauft. Dahinter verstecken sich folgende Kelvin-Werte:
- Tageslichtweiß: ab 5.300 Kelvin
- Kaltweiß: zwischen 3.300 Kelvin und 5.300 Kelvin
- Warmweiß: bis zu 3.300 Kelvin
- Es gibt nach Extra Warmweiß: kleiner als 2.700 Kelvin
Resümee Teil 1
Im bisherigen Kapitel haben wir gesehen, wie weißes Licht und Farben durch das Sonnenlicht entstehen, wie diese über einen schwarzen Strahler nachempfunden werden, um einen Vergleichswert zu bekommen und wie sich die Farbtemperatur ergibt.
Im zweiten Teil schauen wir uns nochmals genauer an, warum es bei Sonnenlicht verschiedene Farbtemperaturen durch Tageszeit und somit Sonnenstand und Bewölkungsgrad gibt.
Danach gehen wir vom natürlichen Licht auf künstliches Licht für die Fotografie, um unser Wissen direkt darauf anwenden zu können und die Probleme von Farbverschiebungen in Zukunft umgehen zu können.