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Neue Möglichkeiten mit LEDs

Sensoren für das richtige Licht

11. April 2012, 9:37 Uhr | Dr. Torsten Schulz und Todd Bishop

Integrierte Farb-Sensoren, die bereits vorverstärkte oder gar digitalisierte Ergebnisse liefern, sind sehr komfortabel und preislich interessant. Allerdings gibt’s es Einschränkungen bezüglich der Genauigkeit durch die verwendete Technik oder die Umgebung beim Messaufbau geben. Nach einer generellen Einführung in die Farberkennung werden diese Problemfelder im Detail qualitativ beschrieben.

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Farbe ist etwas, das im menschlichen Gehirn oder auch dem einiger Tiere erzeugt wird. Die Physik des Lichtes arbeitet nicht mit Farben, sondern nur mit elektromagnetischen Wellen verschiedener Länge. Das menschliche Auge hat drei verschiedene Sorten konisch aufgebauter Nerven, die empfindlich sind für verschiedene Wellenlängen. Der Bereich, in dem diese Nerven empfindlich sind, reicht ca. von 380 nm bis 780 nm. Im Gehirn werden die Signale, die diese drei Sehnervtypen liefern, so verarbeitet, dass wir den Eindruck von Farbe haben. Dieser sehr komplexe Zusammenhang ist anderswo mit der notwendigen Ausführlichkeit beschrieben (siehe [1], [2], [3]).

Auf eine weitere Besonderheit sei in diesem Zusammenhang hingewiesen. Während das Gehirn Töne, die über das Ohr wahrgenommen werden, als einzelne Töne in einem Klangbild wahrnehmen kann, gilt das so nicht für das Licht. Wenn rotes und grünes Licht zusammen auf unser Auge treffen, sehen wir gelb. Jedes Farbdisplay arbeitet nach diesem Prinzip. Man spricht von additiver Farbmischung. Typischerweise werden für die Farbmischungen die Farben Rot, Grün und Blau (R, G, B) verwendet. Ein anderes häufig verwendetes Tripel ist Cyan, Magenta und Gelb (C, M, Y – Y für yellow), aber auch andere Farbtripel können benutzt werden. Je größer der Abstand der Farben im CIE-Diagram ist, desto größer ist der Gamut, der sich damit aufspannen lässt. Innerhalb des Gamuts liegen alle die Farben, die sich aus den drei Eckfarben erzeugen lassen. Farbpunkte außerhalb können nicht durch Überlagerung erzeugt werden.

Die Hauptaufgabe der Farbwissenschaft ist, den physikalischen Teil der Beschreibung von Licht, in dem bestimmte Wellenlängen mit verschiedenen Farben korrespondieren, zu verknüpfen mit dem physiognomischen Teil der menschlichen Farbwahrnehmung. Wie gerade beschrieben, werden drei Farben gebraucht, um irgendeine andere Farbe innerhalb des entsprechenden Gamuts zu erzeugen. Andersherum lässt sich auch jede Farbe bestimmen, wenn es gelingt, die Anteile ihrer drei Basisfarben zu bestimmen bzw. die entsprechenden spektralen Anteile. Aus Testbefragungen (die Zahl der befragten Personen war deutlich kleiner als 100) hat die CIE (Commission International de l’Eclairage) Anfang der dreißiger Jahre des 20. Jahrhunderts folgende Funktionen x_bar (l), y_bar (l), z_bar(l) abgeleitet (Bild 1).

Es soll noch erwähnt werden, dass das bisher beschriebene Farbmodell die wahrgenommenen Farbunterschiede nicht korrekt wiedergibt. Farbpunkte, die in der CIE-Ebene gleiche Abstände haben, nehmen wir nicht als äquidistant wahr. Erweiterungen des Farbmodells (z.B. CIELUV oder CIELAB) kommen unserer Wahrnehmung schon wesentlich näher.