Farbsehen

Fotorezeptoren der Netzhaut

Die Netzhaut beinhaltet lichtempfindliche Zellen, die sog. Fotorezeptoren, die aufgrund von Licht einen Nervenimpuls erzeugen, der an das Gehirn weitergeleitet wird. Es gibt zwei Arten der Fotorezeptoren: Die Stäbchen erkennen nur hell/dunkel, sind aber auch bei sehr geringer Beleuchtung noch wirksam. Die Zapfen erkennen Farben. Sie kommen in drei Varianten vor: Es gibt Zapfen, die rot-empfindlich sind, solche die grün-empfindlich sind und schliesslich die blau-empfindlichen Zapfen.

Im oberen Diagramm ist die Empfindlichkeit der Zapfen in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichts aufgezeigt. Erwartungsgemäss ist der Zapfen, der blau sieht am empfindlichsten bei blauem Licht von einer Wellenlänge von 420 nm. Der Zapfen reagiert aber auch, wenn das Licht eine Wellenlänge hat, die von diesem Wert abweicht, d.h. wir sehen auch bei einer Wellenlänge von z.B. 500 nm noch immer ca. 15-15% blau, obwohl die Spektralfarbe von 500 nm nicht wirklich blau ist!

Die beiden anderen Zapfenarten reagieren maximal bei 534 nm (grün) und 564 nm (rot). Betrachten wir Licht von einer Wellenlänge von 500 nm reagieren diese beiden Zapfen ebenfalls. Der Zapfen für grünes Licht reagiert am stärksten mit ca. 75%, der Zapfen für rot mit etwas mehr als 50%. Diese drei Nervensignale von drei Zapfen, die sich am fast gleichen Ort in der Netzhaut befinden, vereint das Gehirn zu einer Farbempfindung, d.h. wir sehen eine Farbe.

Grundfarbe	Zapfenart	Empfindlichkeit bei 500 nm im Vergleich zum Maximum
\(R\)	rot	ca. 55%
\(G\)	grün	ca. 75%
\(B\)	blau	ca. 15%

Bildschirme reproduzieren diese eine Farbe mit Hilfe der drei Grundfarben, die auf unsere drei Zapfenarten abgestimmt sind: rot, grün und blau (RGB). Am Computer können wir eine RGB-Farbe so einstellen, dass sie etwa die erwartete Intensität auf unsere Zapfen erzeugt. Der Bildschirm wird dann drei Pixel, die dicht nebeneinander liegen, mit der entsprechenden Helligkeit ansteuern. Unser Auge sieht die einzelnen Pixel, wegen ihrer Grösse, nicht. Die drei Grundfarben vermischen sich für uns und wir sehen eine Mischfarbe, die für uns gleich aussieht, wie die Spektralfarbe 500 nm.

Das Farbgemisch ist physikalisch gesehen nicht das Gleiche, wie die reine Spektralfarbe mit der Wellenlänge von 500 nm. Für unser Auge ist der Effekt aber genau der Gleiche, da die Zapfen gleich angeregt werden und wir nur aufgrund des Nervensignals der Zapfen eine Farbe sehen können. Haben wir in beiden Fällen das gleiche Signal, sieht die Farbe für unser Auge in beiden Fällen auch genau gleich aus.

Analog verhält es sich mit der “Scheinfarbe” weiss. Physikalisch gesehen, gibt es keine weisse Farbe. Wenn wir alle Wellenlängen, wie z.B. im Spektrum des Sonnenlichts vermischen, werden in unserem Auge die drei Zapfenarten gleich stark angeregt und unser Gehirn macht daraus weiss. Für den Bildschirm können wir uns das ganze Gemisch sparen. Es reicht, wenn wir die drei Zapfen gleich stark anregen, d.h. wenn wir ein Dreiergemisch von rot, grün und blau auf das Auge schicken, so wird dieses keinen Unterschied merken und es einfach weiss sehen.

Wir betrachten noch ein Beispiel: Links wird Licht mit einer Spektralfarbe mit der Wellenlänge von ca. 550 nm auf das Auge geschickt. Gemäss dem Diagramm für die Empfindlichkeit unserer Fotorezeptoren werden die Zapfen für die blaue Farbe nichts sehen. Die beiden Zapfenarten für grün und rot werden aber beide etwas gleich stark angeregt sein.

Gemäss additiver Farbmischung erhalten wir die Farbe gelb:

\[ R+G=Y \]

Jetzt schicken wir ein Lichtgemisch von zwei Farben, rot und grün auf das Auge. Die drei Zapfenarten werden genau gleich angeregt, wie im linken Fall. Das Gehirn kriegt das gleiche Signal und der betreffende Mensch kann unmöglich einen Unterschied zwischen den beiden Farben sehen, obwohl sie physikalisch gesehen nicht gleich sind!

Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass wir die Welt sehen, wie unsere Sinnesorgane es uns erlauben, nicht aber wie sie wirklich ist – alles ist subjektiv! Ander gesagt: Wir sind alle ein bisschen farbenblind.

Farbenfehlsichtigkeit

Es gibt verschiedene Formen von Farbenfehlsichtigkeit, die von kompletter Farbenblindheit (sieht gar keine Farben) bis hin zu leichten Farbstörungen, die bei Männern sehr verbreitet sind (v.a. Rot-Grün-Sehschwäche). Grundsätzlich liegt der Grund einer Farbenfehlsichtigkeit eigentlich immer in einer Fehlfunktion der Zapfen. Funktioniert eine Zapfenart nicht oder nur sehr eingeschränkt, erhält das Gehirn zu wenig Information, womit es die Farbe zusammensetzen und korrekt zuordnen kann. Als Resultat kann die betroffene Person gewisse Farben nicht unterscheiden oder zuordnen, obwohl sie eine Farbe sieht.

Die sog. Ishihara-Tests erlauben es die Farbfehlsichtigkeit zu untersuchen. In den Bildern mit Farbflecken wird eine Zahl versteckt, die für Normalsichtige erkennbar ist, für Fehlsichtige aber nicht. Oft werden auch andere Zahlen eingebaut, die für Normalsichtige nur schwach erkennbar sind, da die Farbinformation die andere Zahl zeigt. Für Fehlsichtige fehlt aber diese störende Farbinformation und sie sehen die zweite Zahl.