Farblehre

Additive Farbmischung

Beim Zusammenfügen der drei additiven Grundfarben (Primärfarben) Rot. Grün und Blau in gleichen Teilen entsteht die Farben Weiß. Alle anderen Farben ergeben sich aus dem Mischungsverhältnis der drei additiven Grundfarben. Werden nur zwei der drei additiven Grundfarben gemischt, erhält man als Mischfarbe eine subtraktive Grundfarbe, die auch als Komplementärfarbe (Sekundärfarbe) bezeichnet wird. Komplementärfarben sind Farben, die mit einer Primärfarbe gemischt. weißes Licht ergeben. Als kompensative Farben werden Farben bezeichnet. aus denen man durch additive Mischung eine unbunte Farbe (Schwarz-Grau-Weiß) mischen kann. Das Prinzip der additiven Farbmischung wird bei selbstleuchtenden Oberflächen (Fernseher. LED-Wände) oder bei der Farbmischung durch Projektion eingesetzt. Die Farbempfindung im Auge geschieht ebenfalls über eine additive Farbmischung.

Das RGB-Farbmodell basiert auf dem Prinzip der additiven Farbmischung. Mit den drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) und den drei subtraktiven Grundfarben (Cyan, Magenta, Gelb) sowie Weiß und Schwarz können Farbräume definiert werden, in denen eine bestimmte Farbe anhand von Koordinaten angegeben werden kann. Die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (auch als Primärvalenzen bezeichnet) werden als Farbwerte definiert und mit den Buchstaben RGB abgekürzt. Die Farbe Weiß aus den RGB-Farbwerten, wenn jeder Farbwert die Größe 1 hat. Mit den RGB-Farbwerten lässt sich ein dreidimensionaler Farbraum aufspannen, wobei jede Grundfarbe in eine unterschiedliche Richtung zeigt. Die Spitzen der drei Basisvektoren stellen die Farben Rot, Grün und Blau dar, der Koordinatenursprung ist Schwarz. Werden die drei Endpunkte der RGB-Farbwerte miteinander verbunden. entsteht eine dreieckförmige Ebene. Diese Ebene gibt Farborte für beliebige Mischfarben an. Durchstößt der Vektor einer Farbe die Ebene, ausgehend vom Unbuntpunkt (Schwarz), wird der Farbort anhand der Farbwertanteile r.g und b bezeichnet. wobei r + b + g = 1 ist.

Die Farbwertanteile berechnen sich über eine Transformation der RGB-Farbwerte. Zur Kennzeichnung eines Farbortes sind nur zwei Farbwertanteile ausreichend, der Dritte lässt sich berechnen. Je näher der Farbvektor dem Weißpunkt bei r = g = b = 0,333 kommt, desto entsättigter ist die Farbe. Die Helligkeit einer Farbe kann in diesem System nicht ohne weiteres dargestellt werden, da sie über die Länge des Farbvektors angegeben wird. Das RGB-Farbmodell ist das Standardmodell für Grafik- und Fernsehbildschirme (Selbststrahler).

Subtraktive Farbmischung

Bei der subtraktiven Farbmischung werden bestimmte Wellenlängen aus dem Lichtspektrum entfernt. Die subtraktiven Grundfarben Cyan, Magenta und Gelb ergeben gemischt Schwarz (alle Wellenlängen sind aus dem Spektrum entfernt). Alle anderen Farben ergeben sich aus dem Mischungsverhältnis der drei subtraktiven Grundfarben. Werden nur zwei der drei Farben gemischt, erhält man als Mischfarbe eine additive Grundfarbe. Dieses Prinzip wird beim Malen, Drucken und bei der Filterung von Licht durch Farbfilter eingesetzt.

Alle Körperfarben entstehen durch subtraktive Farbmischung. Je nach Oberflächenbeschaffenheit bzw. Pigmenteigenschaften eines Körpers werden bestimmte Wellenlängen auftreffender Lichtstrahlen reflektiert oder absorbiert. Das Ergebnis einer subtraktiven Farbmischung hängt nicht alleine von der Farbe der gemischten Farbmittel (wie bei der additiven Farbmischung). sondern auch von deren Eigenschaften ab. Bei Verwendung von Pigmentfarben wirken die einzelnen Farbpartikel wie breitbandige Farbfilter.

Spektrale Darstellung der subtrakiven Farbmischung: Bei der subtraktiven Farbmischung müssen die Transmissionsgrade (von z. B. Farbfiltern) bzw. die Reflexionsgrade (von z. B. Pigmentfarben) miteinander multipliziert werden. Das einfachste Beispiel für die subtraktive Darstellung ist das Hintereinanderschalten mehrerer Farbfilter, wobei die einzelnen Transmissionsgrade miteinander multipliziert werden

CMY-Farbmodell

Das CMY-Farbmodell (Cyan, Magenta, Yellow) benutzt die gleiche Teilmenge des kartesischen Koordinatensystems wie das RGB-Farbmodell. Anstelle von Schwarz im Unbuntpunkt 0,0,0 liegt hier jedoch Weiß im Unbuntpunkt, von dem die drei Farbwerte Cyan, Magenta und Gelb ausgehen. Bei der Angabe einer Mischfarbe wird die subtraktive Farbmischung verwendet, d.h., es wird angegeben, welche Farbe von Weiß entfernt werden muss, um die gewünschte Mischfarbe zu erhalten. Das CMY-Farbmodell wird in der Druckindustrie, in der mit Körperfarben (Farbpigmente auf einem Untergrund) gearbeitet wird. Ein erweitertes Farbmodell mit der Bezeichnung CMYK benutzt als vierte Farbe Schwarz (K für black). Ausgehend vom CMY-Farbmodell wird hier Schwarz anstelle gleicher Anteile von Cyan, Magenta und Yellow verwendet. Mit einfachen Transformationen können die acht möglichen RGB-Farben einer Bildschirmanzeige in die acht möglichen CMY-Farben einer Druckausgabe umgewandelt werden. Dies ist besonders wichtig für den Druck einer Bildschirmansicht.

Farbfilter

Mit Hilfe von Farbfiltern (englisch: Gels) können bestimmte spektrale Anteile aus einer Lichtstrahlung gefiltert werden. Dieses geschieht über das Prinzip der subtraktiven Farbmischung. Dabei werden bestimmte spektrale Anteile (Wellenlängen) der Lichtstrahlung vom Filter absorbiert oder reflektiert (Absorption, Reflektion), andere Wellenlängenbereiche werden durchgelassen (Transmission).

Pigment-Farbfilter

Bei Pigment-Farbfiltern sind feine Pigmente in ein Trägermaterial eingebettet, die bestimmte Wellenlängen des einfallenden Lichts absorbieren. Diese Absorption hat ein Erhitzen des Trägermaterials zur Folge. Je nach Filterbeschaffenheit und Material führt dies zum Ausbleichen der Farbe oder zur Zerstörung des Trägermaterials. Die Transmission hängt entscheidend von der Filterfarbe ab. Je dunkler (viele Pigmente) ein Farbfilter ist, desto mehr Licht wird vom Filter bei gleichzeitiger Erhitzung des Filtermaterials absorbiert. So lassen bestimmte tiefblaue Filter nur 10-20 % des einfallenden Lichtes passieren, wohingegen helle Filter (wenig Pigmente) bis zu 90 % des einfallenden Lichtes durchlassen. Die Flanken der Transmissionskurven von Pigment-Farbfiltern sind 20 relativ flach, wodurch keine auf bestimmte Wellenlängen abgestimmten reinen und gesättigten Farben erzeugt werden können. Konversionsfilter zur Farbtemperaturanpassung absorbieren nur einen kleinen Teil des einfallenden Lichts, so dass eine geringe Helligkeitsreduktion beobachtet werden kann. Die Farbgenauigkeit und Reproduzierbarkeit von Pigment-Farbfiltern sind sehr gut (bei Polyester- und Polycarbonatfiltern) bis relativ genau (bei Gelatinefiltern und Farbgläsern). Bestehen Farbfilter aus einem brennbaren Trägermaterial, muss dieses nach DIN 4102 selbstverlöschend sein. Filterfolien habe üblicherweise eine Dicke von 0,02 mm bis 0,03 mm.

Gelatinefilter

Gelatinefilter sind sehr preisgünstig und vielseitig in der Anwendung. Sie sind jedoch nicht hitzebeständig. werden bei hohen Temperaturen spröde und können sich entzünden. Ebenfalls verändern Gelatinefilter beim Einsatz die Farbe. Bei Berührung mit Wasser lösen sich Gelatinefilter auf.

Farbgläser

Farbgläser werden durch den Zusatz von verschiedenen Metallen wie Eisen. Kobalt oder Kupfer erzeugt. Diese Metalle werden zum flüssigen Glas zugesetzt und bewirken eine farbliche Veränderung des Materials. Farbgläser können auch durch eine farbliche Behandlung der Oberfläche erzeugt werden. Farbgläser sind sehr farb- und hitzebeständig über die gesamte Lebensdauer (Dauertemperatur 110°C; Spitzentemperatur 460°C). Sie sind jedoch sehr teuer, haben eine geringe Farbauswahl und sind durch Größe, Gewicht und Zerbrechlichkeit nur beschränkt einsetzbar. Ebenso sind exakte Farbnuancen einer Farbe bei verschiedenen Fertigungsdurchgängen nicht problemlos reproduzierbar. Ein inhomogenes Erhitzen beim Betrieb der Farbgläser kann ein Zerplatzen derselben auslösen, wodurch ein Sicherheitsproblem gerade bei gehängten Scheinwerfern entsteht. Farbgläser haben eine Dicke von ca. 2 mm bis 4 mm.

Polyesterfilter

Polyesterfilter sind heute wegen ihrer großen Farbauswahl und Vielseitigkeit sehr weit verbreitet. Farbpigmente werden dabei entweder auf der Oberfläche aufgetragen, in die Oberfläche eingelassen oder mit dem ganzen Material vermischt. Polyesterfilter sind wärmebeständig bis zu einen Bereich von 146°C, nicht brennbar und bewahren über einen langen Zeitraum ihre Originalfarbe (Dauertemperatur 125°C; Spitzentempererstur 300°C). Sie werden überwiegend für helle Farbtöne verwendet oder für solche Farbstoffe, die nicht in Polycarbonatfilter eingebracht werden können. Filter aus Polyester sind preiswert und als Rollen oder Bogen erhältlich.

Polycarbonatfilter

Polycarbonatfilter bieten die besten Eigenschaften als Farbträger. Sie sind bis zu Temperatur von 163°C wärmebeständig (Dauertemperatur 160°C; Spitzentemperatur 225°C) und nicht brennbar. Herstellungsverfahren und Farbauswahl sind vergleichbar mit Polyesterfiltern, wobei Polyesterfilter jedoch einfacher herzustellen und somit preiswerter in der Anschaffung sind. Besonders temperaturresistente Polycarbonatfilter werden unter der Produktbezeichnung HAT (Lee) und Supergel (Rosco) angeboten.

Dichroitische Farbfilter

Dichroitische Farbfilter (Dichroismus; gr.-lat. di=zwei; chroma=Farbe) filtern das Licht über das Interferenz-Prinzip. Sie bestehen aus einem üblicherweise 3 mm dicken Glasträger aus sich wenig ausdehnenden Glassubstraten (Borosilikatglas), auf den eine Vielzahl von dünnen Oxydschichten aufgedampft wird. Die Dicke der einzelnen Oxydschichten entspricht einem Viertel der Wellenlänge einer bestimmten (gewünschten) Farbe, dividiert durch den Brechungsindex der Oxydschichten. Das Interferenz-Prinzip bewirkt eine Transmission der ausgewählten Wellenlänge (Farbe) bei gleichzeitiger Ausspiegelung (Reflektion) aller anderen Wellenlängen (Farben). An den verschiedenen Oxydschichtgrenzen werden bestimmte Anteile der Lichtstrahlung reflektiert und transmittiert. So kommt es zu einer großen Anzahl von Reflektionen zwischen den einzelnen Schichten. Die auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmten Schichtdicken bewirken auslöschende und verstärkende Interferenzen zwischen den reflektierten Lichtanteilen. Die Interferenz erzeugt eine Phasenverschiebung einiger reflektierter Wellenlängen um 180°, so dass sich die Reflektionen durch die Überlagerung der Wellenberge mit den Wellentälern aufheben. Alleine die ausgewählte Wellenlänge unterliegt keiner Phasenverschiebung, so dass diese Wellenlänge durch alle Schichten reflektiert wird und schließlich den Glasträger als monochromatisches Licht verlässt. Die ausgespiegelte Farbe entspricht der Komplementärfarbe der transmitierten Farbe. Durch die Totalreflektion aller anderen Wellenlängen ist die Wärmebelastung für den Glasträger sehr gering, weil kaum Energie im Träger absorbiert wird. Da die Dicken der einzelnen Oxydschichten auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt werden, müssen einfallende Lichtstrahlen genau senkrecht und am besten parallel auf die Oberfläche des Glasträgers auftreffen. Tritt eine Verschiebung des Lichtstrahls von der senkrechten Achse auf., verlängert sich der Weg des Lichtstrahls durch die Oxydschichten. Der verlängerte Laufweg durch die Oxydschichten bewirkt eine Farbverschiebung, da andere Wellenlängenanteile durchgelassen bzw. ausgespiegelt werden. Bereits eine Veränderung des Eintrittswinkels um 20° bewirkt eine sichtbare Farbverschiebung. Eine Farbverschiebung ist auch bei einem Abstrahlwinkel von mehr als 40° zu beobachten. In diesem Fall kommt es zu farbigen Ausfransungen und Ringen an den Rändern des Lichtfeldes. Dichroitische Filter lassen sich sehr genau fertigen, wodurch eine exakte Filterung bzw. Durchlässigkeit für bestimmte Wellenlängenbereiche erreicht werden kann. Die Oxydschichten müssen absolut eben auf dem Glasträger aufgebracht sein, um Farbverschiebungen (Unterschied zur Ausgangsfarbe) zu vermeiden. Je nach Qualität und Preis ergeben sich gewisse

Toleranzbereiche, die zwischen 5 und 15 nm liegen können. Eine Toleranz von 15 nm bedeutet jedoch bereits eine deutliche Farbverschiebung. Ebenso können dichroitische Filter der gleichen Farbe aus unterschiedlichen Fertigungsdurchgängen leichte Farbdifferenzen aufweisen.

Der Transmissionsgrad von dichroitischen Filtern ist bis zu 40 % größer als bei Pigment-Farbfiltern. Ebenso sind die Flanken der Transmissionskurve wesentlich steiler, wodurch sehr reine und gesättigte Farben erzeugt werden können. Dichroitische Farbfilter sind bis zu einer Temperatur von 400° C dauerhaft farbstabil bei einer sehr langen Lebensdauer (Dauertemperatur 230°C; Spitzentemperatur 490°C). In Farbmischsystemen werden häufig dichroitische Farbfilter mit den Farben Cyan, Magenta und Gelb eingesetzt, mit denen über eine subtraktive

Farbmischung nahezu alle Farben gemischt werden können.

In Reflektorsystemen werden dichroitische Farbfilter als Kaltlichtreflektoren eingesetzt. Kaltlichtreflektoren transmittieren alle Wellenlängen des Infrarotbereichs und reflektieren alle anderen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Im Gegensatz zu Pigmentfiltern sind dichroitische Farbfilter jedoch sehr teuer und nur für wenige Einsatzzwecke wirtschaftlich sinnvoll.

Wichtige Punkte im Umgang mit dichroitischen Farbgläsern

  • Eintrittswinkel max. < 20°, Lichtstrahlen müssen möglichst senkrecht auf der Beschichtung auftreffen
  • Austrittswinkel max. <40°, der Austrittswinkel darf nicht größer als 40° sein
  • Max. Temperatur < 90°C/cm², trotz der guten thermischen Eigenschaften des Filters darf die Temperatur 90°C/cm² nicht überschreiten. Dies gilt gerade im Zusammenhang mit der Hot-Spot-Charakteristik vieler Scheinwerferoptiken
  • Positionierung der Beschichtung in Richtung Leuchtmittel
  • Vorsicht vor Glasbruch