Farbtemperatur

Die Farbtemperatur einer Lichtquelle ist die Temperatur eines idealen Schwarzkörperstrahlers, der Licht einer mit der Lichtquelle vergleichbaren Farbe ausstrahlt. Die Farbtemperatur ist eine Eigenschaft des sichtbaren Lichts, die wichtige Anwendungen in der Beleuchtung, Fotografie, Videografie, Verlagswesen, Herstellung, Astrophysik, Gartenbau und anderen Bereichen hat. In der Praxis ist die Farbtemperatur nur für Lichtquellen von Bedeutung, die tatsächlich etwas der Strahlung einiger schwarzer Körper entsprechen, d. H. Diejenigen auf einer Linie von rötlich / orange über gelb und mehr oder weniger weiß zu bläulich weiß; es macht keinen Sinn, von der Farbtemperatur von z. B. grünem oder violettem Licht zu sprechen. Die Farbtemperatur wird üblicherweise in Kelvin ausgedrückt, wobei das Symbol K, eine Maßeinheit für die absolute Temperatur, verwendet wird.

Farbtemperaturen über 5000 K werden als „kühle Farben“ (bläulich weiß) bezeichnet, während niedrigere Farbtemperaturen (2700-3000 K) als „warme Farben“ (gelblich weiß bis rot) bezeichnet werden. „Warm“ ist in diesem Zusammenhang eine Analogie zum Wärmestrom der traditionellen Glühlampenbeleuchtung anstelle der Temperatur. Die spektrale Spitze von warmem farbigem Licht ist näher am Infrarot, und die meisten natürlichen, warm gefärbten Lichtquellen emittieren signifikante Infrarotstrahlung. Die Tatsache, dass „warme“ Beleuchtung in diesem Sinne tatsächlich eine „kühlere“ Farbtemperatur hat, führt oft zu Verwirrung.

Kategorisierung verschiedener Beleuchtung
Die Farbtemperatur der elektromagnetischen Strahlung, die von einem idealen schwarzen Körper emittiert wird, ist definiert als ihre Oberflächentemperatur in Kelvin oder alternativ in Mired (Mikroreziprok-Kelvin). Dies erlaubt die Definition eines Standards, mit dem Lichtquellen verglichen werden.

In dem Ausmaß, in dem eine heiße Oberfläche Wärmestrahlung emittiert, aber kein idealer Schwarzkörper-Strahler ist, ist die Farbtemperatur des Lichts nicht die tatsächliche Temperatur der Oberfläche. Das Licht einer Glühlampe ist eine Wärmestrahlung, und die Glühlampe nähert sich einem idealen Schwarzkörper-Strahler an, so dass ihre Farbtemperatur im Wesentlichen die Temperatur des Glühfadens ist. So emittiert eine relativ niedrige Temperatur ein mattes Rot und eine hohe Temperatur emittiert die fast weiße Glühlampe der traditionellen Glühlampe. Metallarbeiter können die Temperatur heißer Metalle anhand ihrer Farbe beurteilen, von dunkelrot bis orange-weiß und dann weiß (siehe rote Hitze).

Viele andere Lichtquellen, wie etwa Fluoreszenzlampen oder LEDs (Licht emittierende Dioden) emittieren Licht hauptsächlich durch andere Prozesse als Wärmestrahlung. Dies bedeutet, dass die emittierte Strahlung nicht der Form eines Schwarzkörperspektrums folgt. Diesen Quellen wird eine sogenannte korrelierte Farbtemperatur (CCT) zugeordnet. CCT ist die Farbtemperatur eines Schwarzkörperstrahlers, der zur menschlichen Farbwahrnehmung am besten mit dem Licht der Lampe übereinstimmt. Da eine solche Annäherung für Glühlampenlicht nicht erforderlich ist, ist die CCT für ein Glühlampenlicht einfach ihre nicht eingestellte Temperatur, die aus einem Vergleich mit einem Schwarzkörperstrahler abgeleitet wird.

Die Sonne
Die Sonne nähert sich einem Schwarzkörperstrahler. Die effektive Temperatur, definiert durch die gesamte Strahlungsleistung pro Quadrateinheit, beträgt etwa 5780 K. Die Farbtemperatur des Sonnenlichts über der Atmosphäre beträgt etwa 5900 K.

Wenn die Sonne den Himmel überquert, scheint sie je nach Position rot, orange, gelb oder weiß zu sein. Die sich im Laufe des Tages ändernde Farbe der Sonne ist hauptsächlich eine Folge der Lichtstreuung und nicht auf Veränderungen der Schwarzkörperstrahlung zurückzuführen. Die blaue Farbe des Himmels wird durch Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts durch die Atmosphäre verursacht, die dazu neigt, blaues Licht mehr als rotes Licht zu streuen.

Einige frühe Morgen- und Abendstunden (goldene Stunden) haben eine niedrigere Farbtemperatur aufgrund der erhöhten Lichtstreuung bei niedriger Wellenlänge durch den Tyndall-Effekt. Dieser Effekt wurde besonders durch die Zunahme von kleinen Staubpartikeln in der Atmosphäre nach den Eruptionen des Mount Tambora im Jahr 1815 und des Krakatau im Jahr 1883, die zu intensiven roten Sonnenuntergängen auf der ganzen Welt führten, deutlich.

Tageslicht hat ein ähnliches Spektrum wie ein schwarzer Körper mit einer korrelierten Farbtemperatur von 6500 K (D65-Betrachtungsstandard) oder 5500 K (Tageslicht-ausgewogener fotografischer Filmstandard).

Anwendungen

Beleuchtung
Für die Innenbeleuchtung von Gebäuden ist es oft wichtig, die Farbtemperatur der Beleuchtung zu berücksichtigen. Ein wärmeres Licht (d. H. Eine niedrigere Farbtemperatur) wird häufig in öffentlichen Bereichen verwendet, um die Entspannung zu fördern, während ein kühleres (höhere Farbtemperatur) Licht verwendet wird, um die Konzentration zu erhöhen, beispielsweise in Schulen und Büros.

Das CCT-Dimmen für die LED-Technologie wird als eine schwierige Aufgabe angesehen, da Binning, Alters- und Temperaturdrift-Effekte von LEDs die tatsächliche Farbwertausgabe verändern. Hier werden beispielsweise mit Farbsensoren Feedback-Loop-Systeme eingesetzt, um die Farbausgabe von mehreren Farbmisch-LEDs aktiv zu überwachen und zu steuern.

Aquakultur
In der Aquaristik hat die Farbtemperatur verschiedene Funktionen und Schwerpunkte in den verschiedenen Zweigen.

In Süßwasseraquarien ist die Farbtemperatur in der Regel nur zur Erzeugung eines attraktiveren Displays von Bedeutung. Lights sind in der Regel so angelegt, dass sie ein attraktives Spektrum erzeugen, manchmal mit zweitrangiger Aufmerksamkeit, um die Pflanzen in den Aquarien am Leben zu erhalten.

In einem Salzwasser- / Riffaquarium ist die Farbtemperatur ein wesentlicher Bestandteil der Tankgesundheit. Innerhalb von etwa 400 bis 3000 Nanometern kann Licht mit kürzerer Wellenlänge tiefer in Wasser eindringen als längere Wellenlängen, was essentielle Energiequellen für die Algen liefert, die in (und haltenden) Korallen enthalten sind. Dies entspricht einer Zunahme der Farbtemperatur mit Wassertiefe in diesem Spektralbereich. Da Korallen normalerweise in seichtem Wasser leben und intensives, direktes tropisches Sonnenlicht erhalten, lag der Fokus einmal darauf, diese Situation mit 6500 K Licht zu simulieren. Inzwischen sind Lichtquellen mit höherer Temperatur populär geworden, zuerst mit 10000 K und neuerdings 16000 K und 20000 K. Aktinische Beleuchtung am violetten Ende des sichtbaren Bereichs (420-460 nm) wird verwendet, um eine Nachtsicht ohne zunehmende Algen zu ermöglichen blühen oder verbessern die Photosynthese, und um die etwas fluoreszierenden Farben vieler Korallen und Fische „Pop“ zu machen, schaffen hellere Displaytanks.

Digitale Fotografie
In der digitalen Fotografie wird der Begriff Farbtemperatur manchmal austauschbar mit dem Weißabgleich verwendet, der eine Neuabbildung von Farbwerten ermöglicht, um Variationen der Umgebungsfarbtemperatur zu simulieren. Die meisten Digitalkameras und die RAW-Bildsoftware liefern Voreinstellungen, die bestimmte Umgebungswerte (z. B. sonnig, wolkig, Wolfram usw.) simulieren, während andere die explizite Eingabe von Weißabgleichwerten in Kelvin erlauben. Diese Einstellungen variieren Farbwerte entlang der blau-gelben Achse, während einige Software zusätzliche Steuerelemente (manchmal als „Tönung“ bezeichnet) enthält, die die Magenta-Grün-Achse hinzufügen, und sind zum Teil willkürlich und eine Frage der künstlerischen Interpretation. Die Verwendung von absoluten Farbtemperaturwerten ist bei Digitalfotografen unwahrscheinlich beliebt, wie diejenigen mit naturwissenschaftlichen Hintergründen feststellen werden. Die allgemeine Vorstellung von hohem K (blau-weiß) und niedrigem K (rot-orange) wird jedoch alle informieren, die mit ihrer eigenen Hardware und Software experimentieren wollen.

Fotografischen Film
Photographischer Emulsionsfilm scheint manchmal die Farbe des Lichts zu übertreiben, da er nicht auf die Lichtfarbe in der Art und Weise anspricht, wie die menschliche visuelle Wahrnehmung dies tut. Ein Objekt, das für das Auge weiß erscheint, kann sich in einem Foto als sehr blau oder orange erweisen. Die Farbbalance muss möglicherweise während des Druckens korrigiert werden, um einen neutralen Farbdruck zu erzielen. Das Ausmaß dieser Korrektur ist begrenzt, da der Farbfilm normalerweise drei Schichten aufweist, die für verschiedene Farben empfindlich sind, und wenn er unter der „falschen“ Lichtquelle verwendet wird, kann jede Schicht nicht proportional reagieren, was zu ungeraden Farbstichen in den Schatten führt wurden unter dem Vergrößerer richtig weiß ausgeglichen. Lichtquellen mit diskontinuierlichen Spektren, wie beispielsweise Leuchtstoffröhren, können auch beim Drucken nicht vollständig korrigiert werden, da eine der Schichten kaum ein Bild aufgenommen haben kann.

Photographischer Film wird für spezifische Lichtquellen (meistens Tageslichtfilm und Wolframfilm) gemacht und, richtig benutzt, erzeugt einen neutralen Farbdruck. Das Anpassen der Empfindlichkeit des Films an die Farbtemperatur der Lichtquelle ist eine Möglichkeit, die Farbe auszugleichen. Wenn Wolframfolie in Innenräumen mit Glühlampen verwendet wird, erscheint das gelblich-orangefarbene Licht der Wolframglühlampen weiß (3200 K) auf dem Foto. Farbnegativfilm ist fast immer Tageslicht ausgeglichen, da angenommen wird, dass die Farbe beim Drucken angepasst werden kann (mit Einschränkungen, siehe oben). Farbtransparenzfolie, die das endgültige Artefakt in dem Prozess ist, muss auf die Lichtquelle abgestimmt sein, oder Filter müssen verwendet werden, um die Farbe zu korrigieren.

Filter auf einer Kameralinse oder Farbgele über der / den Lichtquelle (n) können zur Korrektur der Farbbalance verwendet werden. Bei Aufnahmen mit bläulichem Licht (hohe Farbtemperatur) wie an einem bewölkten Tag, im Schatten, im Fensterlicht oder bei Verwendung von Wolframfilm mit weißem oder blauem Licht wird dies durch einen gelb-orangefarbenen Filter korrigiert. Für Aufnahmen mit Tageslichtfilm (kalibriert auf 5600 K) unter wärmeren (niedrige Farbtemperatur) Lichtquellen, wie Sonnenuntergänge, Kerzenlicht oder Kunstlicht, kann ein bläulicher Filter (z.B. # 80A) verwendet werden. Feinere Filter werden benötigt, um den Unterschied zwischen beispielsweise 3200 K und 3400 K Wolframlampen zu korrigieren oder um den leicht bläulichen Abguss einiger Blitzröhren, die 6000 K sein können, zu korrigieren.

Wenn es mehr als eine Lichtquelle mit unterschiedlichen Farbtemperaturen gibt, besteht eine Möglichkeit, die Farbe auszugleichen, darin, eine Tageslichtfolie zu verwenden und Farbkorrekturgelfilter über jeder Lichtquelle zu platzieren.

Fotografen verwenden manchmal Farbtemperaturmesser. Diese sind normalerweise so ausgelegt, dass nur zwei Bereiche entlang des sichtbaren Spektrums (rot und blau) gelesen werden können. Teurer lesen drei Regionen (rot, grün und blau). Sie sind jedoch unwirksam mit Quellen wie Leuchtstoff- oder Entladungslampen, deren Licht in der Farbe schwankt und möglicherweise schwerer zu korrigieren ist. Da dieses Licht oft grünlich ist, kann ein Magenta-Filter es korrigieren. Wenn solche Messgeräte fehlen, können komplexere Farbmeßwerkzeuge verwendet werden.

Desktop-Publishing
In der Desktop-Publishing-Branche ist es wichtig, die Farbtemperatur eines Monitors zu kennen. Farbanpassende Software, wie z. B. Apple ColorSync für Mac OS, misst die Farbtemperatur eines Monitors und passt die Einstellungen entsprechend an. Dadurch kann die Farbe auf dem Bildschirm besser mit der gedruckten Farbe übereinstimmen. Die üblichen Monitor-Farbtemperaturen sowie die entsprechenden Standard-Leuchtmittel in Klammern lauten wie folgt:

5000 K (D50)
5500 K (D55)
6500 K (D65)
7500 K (D75)
9300 K

D50 ist eine wissenschaftliche Kurzschrift für ein Standard-Leuchtmittel: das Tageslichtspektrum bei einer korrelierten Farbtemperatur von 5000 K. Ähnliche Definitionen gibt es für D55, D65 und D75. Bezeichnungen wie D50 werden verwendet, um die Farbtemperaturen von Leuchttischen und Sichtkabinen zu klassifizieren. Wenn Sie eine Farbfolie auf einem Lichttisch betrachten, ist es wichtig, dass das Licht richtig ausbalanciert ist, so dass die Farben nicht in Richtung Rot oder Blau verschoben werden.

Digitalkameras, Webgrafiken, DVDs usw. sind normalerweise für eine Farbtemperatur von 6500 K ausgelegt. Der für Bilder im Internet gebräuchliche sRGB-Standard sieht unter anderem einen 6500 K-Display-Weißpunkt vor.

Fernseh-, Video- und Digitalkameras
Die NTSC- und PAL-Fernsehnormen verlangen nach einem konformen TV-Bildschirm zur Anzeige eines elektrischen Schwarz-Weiß-Signals (minimale Farbsättigung) bei einer Farbtemperatur von 6500 K. Bei vielen Consumer-Fernsehgeräten besteht eine sehr deutliche Abweichung von dieser Anforderung. Bei höherwertigen Fernsehgeräten für den Privatbereich können die Farbtemperaturen jedoch auf 6500 K eingestellt werden, indem eine vorprogrammierte Einstellung oder eine benutzerdefinierte Kalibrierung verwendet wird. Aktuelle Versionen von ATSC fordern ausdrücklich, dass die Farbtemperaturdaten in dem Datenstrom enthalten sind, aber alte Versionen von ATSC erlaubten, dass diese Daten weggelassen wurden. In diesem Fall beziehen sich die aktuellen Versionen von ATSC abhängig vom Format auf Standard-Farbmetrikstandards. Beide zitierten Standards legen eine Farbtemperatur von 6500 K fest.

Die meisten Video- und Digitalkameras können die Farbtemperatur anpassen, indem sie auf ein weißes oder neutrales Objekt zoomen und den manuellen „Weißabgleich“ einstellen (der Kamera wird mitgeteilt, dass „dieses Objekt weiß ist“). Die Kamera zeigt dann echtes Weiß als Weiß und passt alle anderen Farben entsprechend an. Ein Weißabgleich ist besonders bei Innenaufnahmen unter Leuchtstoffbeleuchtung und beim Wechsel der Kamera von einer Lichtsituation zu einer anderen erforderlich. Die meisten Kameras haben auch eine automatische Weißabgleichfunktion, die versucht, die Farbe des Lichts zu bestimmen und entsprechend zu korrigieren. Während diese Einstellungen einst unzuverlässig waren, sind sie in heutigen Digitalkameras wesentlich verbessert und erzeugen einen genauen Weißabgleich in einer Vielzahl von Lichtsituationen.

Künstlerische Anwendung über die Kontrolle der Farbtemperatur

Videokameraführer können Objekte, die nicht weiß sind, in Weiß ausgleichen und die Farbe des Objekts, das für den Weißabgleich verwendet wird, herunterspielen. Zum Beispiel können sie mehr Wärme in ein Bild bringen, indem sie etwas, das hellblau ist, ausbalancieren, wie z. B. verblichenen blauen Jeansstoff; Auf diese Weise kann der Weißabgleich einen Filter oder ein Beleuchtungsgel ersetzen, wenn diese nicht verfügbar sind.

Cinematographen „white balance“ nicht in der gleichen Weise wie Videokamera-Betreiber; Sie verwenden Techniken wie Filter, Wahl des Filmmaterials, Vorblitzen und, nach dem Fotografieren, Farbkorrekturen, sowohl durch Belichtung in den Laboren als auch digital. Kameraleute arbeiten auch eng mit Bühnenbildnern und Lichtteams zusammen, um die gewünschten Farbeffekte zu erzielen.

Für Künstler haben die meisten Pigmente und Papiere einen kühlen oder warmen Eindruck, da das menschliche Auge sogar eine winzige Sättigung feststellen kann. Grau mit gelb, orange oder rot gemischt ist ein „warmes Grau“. Grün, Blau oder Lila erzeugen „cool grays“. Beachten Sie, dass dieser Temperatursinn umgekehrt ist als der der realen Temperatur; blauer wird als „kühler“ beschrieben, obwohl es einem schwarzen Körper mit höherer Temperatur entspricht.

Lichtdesigner wählen manchmal Filter nach Farbtemperatur aus, um Licht zu erreichen, das theoretisch weiß ist. Da Leuchten, die Entladungslampen verwenden, ein Licht mit einer beträchtlich höheren Farbtemperatur als Wolframlampen erzeugen, könnte die Verwendung der beiden in Verbindung einen starken Kontrast erzeugen, so dass manchmal Leuchten mit HID-Lampen, die üblicherweise Licht von 6000-7000 K erzeugen, eingebaut werden mit 3200 K Filtern, um Wolframlicht zu emulieren. Vorrichtungen mit Farbmischungsmerkmalen oder mit mehreren Farben (einschließlich 3200 K) können ebenfalls Wolfram-ähnliches Licht erzeugen. Die Farbtemperatur kann auch ein Faktor bei der Auswahl von Lampen sein, da jeder eine andere Farbtemperatur hat.

Farbwiedergabeindex
Der CIE-Farbwiedergabeindex (CRI) ist eine Methode, um zu bestimmen, wie gut die Beleuchtung einer Lichtquelle mit acht Probenfeldern mit der von einer Referenzquelle gelieferten Beleuchtung verglichen wird. Zusammengenommen geben der CRI und der CCT eine numerische Schätzung darüber, welche Referenz (ideale) Lichtquelle ein bestimmtes künstliches Licht am besten annähert und worin der Unterschied besteht.

Spektrale Energieverteilung
Lichtquellen und Leuchtmittel können durch ihre spektrale Leistungsverteilung (SPD) charakterisiert werden. Die relativen SPD-Kurven, die von vielen Herstellern zur Verfügung gestellt wurden, wurden möglicherweise in 10 nm-Schritten oder mehr auf ihrem Spektralradiometer erzeugt. Das Ergebnis ist eine glattere („vollere Spektrum“) Energieverteilung, als die Lampe tatsächlich hat. Wegen ihrer stacheligen Verteilung sind viel feinere Inkremente für die Messung von Fluoreszenzlicht ratsam, und dies erfordert eine teurere Ausrüstung.
Farbtemperatur in der Astronomie

Charakteristische spektrale Leistungsverteilung eines A0V-Sterns (Teff = 9501 K, vgl. Vega) im Vergleich zu Schwarzkörperspektren. Das 15.000 K-Schwarzkörperspektrum (gestrichelte Linie) entspricht dem sichtbaren Teil der stellaren SPD viel besser als der schwarze Körper von 9500 K. Alle Spektren sind so normiert, dass sie sich bei 555 Nanometer schneiden.

In der Astronomie wird die Farbtemperatur durch die lokale Steigung des SPD bei einer gegebenen Wellenlänge oder in der Praxis durch einen Wellenlängenbereich definiert. Wenn zum Beispiel die Farbgrößen B und V gegeben sind, die für einen A0V-Stern (z. B. Vega) gleich kalibriert sind, ist die stellare Farbtemperatur T_ {C} durch die Temperatur gegeben, für die der Farbindex BV eines schwarzen Körpers ist Heizkörper passt der stellaren. Neben der B-V können auch andere Farbindizes verwendet werden. Die Farbtemperatur kann stark von der effektiven Temperatur abweichen, die durch den Strahlungsfluss der Sternoberfläche gegeben ist. Zum Beispiel beträgt die Farbtemperatur eines A0V-Sterns etwa 15000 K im Vergleich zu einer effektiven Temperatur von etwa 9500 K.