OPTIK Lektion 1

Licht, das «Rohmaterial» der Fotografie

Jedes fotografische Verfahren – ob analog oder digital – benötigt zur Bilddarstellung ein optisches System. Innerhalb der müßigen Diskussion um Vor- und Nachteile analoger und digitaler Aufzeichnungsverfahren vergisst man dies gern. Ob eine Digitalkamera mit zwölf, vierundzwanzig oder mehr Megapixeln arbeitet, hat letztlich einen geringeren Einfluss auf das Bild als die Qualität des eingesetzten Objektivs und der gekonnte Umgang mit dem Rohmaterial Licht. Marchesis neue Serie trägt dieser Tatsache Rechnung und vermittelt optische Kenntnisse und Phänomene im Zusammenhang mit angewandter Fotopraxis.

Gott sprach

«Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht. Und Gott sah, dass das Licht gut war. Da schied Gott das Licht von der Finsternis und nannte das Licht Tag und die Finsternis Nacht.»

In meinen Ohren tönt dieser Teil der Genesis wie ein Bekenntnis zur Fotografie, in der wir beides – Licht und Finsternis – gestalterisch kombinieren, eben «Schreiben mit Licht», was die Kunst der Fotografie letztlich ist. In der vorliegenden ersten Folge wollen wir uns intensiv und ausschließlich mit diesem für die Fotografie wichtigstem Rohmaterial befassen.

Was ist Licht?
Diese banale Frage kann zu etlichem Kopfzerbrechen führen. Betrachtet man die Frage nicht aus philosophischer, sondern aus naturwissenschaftlicher Sicht, sind zur Antwort und Erklärung zwei einander ergänzende Denkmodelle notwendig.

Die Wellentheorie
Licht ist aus dem riesigen Gebiet elektromagnetischer Wellen ein ganz winziger Ausschnitt, für welchen der Mensch ein direktes Empfangsorgan, das Auge, besitzt. Wie aber muss man sich eine elektromagnetische Strahlung eigentlich vorstellen? Machen wir dazu ein Gedankenexperiment mit einem einfachen Modell: Ein Atom kann man sich vereinfacht als Schalenmodell denken. Um einen Kern kreisen auf verschieden entfernten Bahnen Elektronen, einem planetarischen System nicht unähnlich. Stellen wir uns jetzt vor, wir würden ein solch kreisendes Elektron durch äußere Energieeinwirkung, zum Beispiel durch starke Erhitzung (Temperaturstrahler) oder durch Beschuss mit anderen Elektronen (Gasentladungslampe), etwas weiter vom Kern wegstossen. Die Energie, die dazu aufgewendet werden musste, ist jetzt gewissermaßen im Elektron gespeichert. Es befindet sich auf einem «höheren Energieniveau». Fällt es wieder auf die ursprüngliche Kreisbahn des «tieferen Energieniveaus» zurück, wird die ursprünglich aufgewendete Energie in irgendeiner Form wieder frei. Bei einem solchen ständigen Wechsel vom energiereicheren in den energieärmeren Zustand (Wechsel der Elektronenschale) und umgekehrt wird die Energiedifferenz als elektromagnetische Strahlung emittiert.

Ein oszillierendes (ständig schwingendes) Elektron führt zu einer Störung des elektrischen Feldes. Jede Änderung des elektrischen Feldes aber bewirkt eine Änderung des Magnetfeldes. Es entsteht eine sich allseitig und wellenförmig ausbreitende Störung des Magnetfeldes, eine elektromagnetische Störwelle.

Je nach Oszilliergeschwindigkeit entstehen unterschiedlich lange Wellen. Die Energie ist proportional zur Störfrequenz, was nichts anderes bedeutet, als dass die Energie um so größer, je kleiner die Wellenlänge ist.

Die Palette der elektromagnetischen Wellen ist fast unendlich groß. Sie reicht von den extrem kurzwelligen und energiereichen Gammastrahlen bis zu den langen Radiowellen. Der winzige Ausschnitt daraus mit den Wellenlängen von 380 bis 760 nm (nm = Nanometer =Milliardstel Meter = 10–9 m), der vom menschlichen Auge erfasst werden kann, bezeichnen wir als «Licht».

Licht ist ein winziger Ausschnitt aus dem riesengroßen Bereich elektromagnetischer Wellen.

Die Wellenlänge bestimmt den Farbeindruck. So empfinden wir Wellen mit der Länge von rund 400 bis 500 nm als Blau, solche von rund 500 bis 600 nm als Grün, und Wellen zwischen rund 600 und 700 nm als Rot. Trifft auf unser Auge ein Wellenlängengemisch zwischen rund 400 und 700 nm, bezeichnen wir den visuellen Eindruck als «weißes Licht».

Die Amplitude bestimmt die Strahlungsintensität, die wir bei Licht als Helligkeit bezeichnen. Die Frequenz ist die Schwingungszahl pro Sekunde. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Strahlung mit rund 300’000 km pro Sekunde im Vakuum konstant bleibt, ist die Frequenz um so größer, je kleiner die Wellenlänge ist.

Die Korpuskulartheorie
Viele Phänomene in der Optik lassen sich mit Hilfe der Wellentheorie begründen und erklären. Für andere ist die Theorie ungeeignet. Hier hilft die Teilchentheorie. Man stellt sich dabei Licht als winzig kleine Energieteilchen vor, die eine bestimmte Masse besitzen, und bezeichnet solche Teilchen als Lichtquanten oder Photonen.

Etwas vereinfacht und für unsere Zwecke völlig genügend, lässt sich das Modell der Korpuskulartheorie wie folgt erklären: Die wichtigsten Atombauteile kennen wir. Es sind die relativ massereichen positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden. Die Elektronen, negativ geladen und rund 2000 mal masseärmer, umkreisen in respektvoller Distanz diesen Kern. Unter bestimmten Voraussetzungen ist es möglich, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei seine positive Ladung verliert. Bei diesem Beta-Zerfall entstehen neben dem Neutron zwei weitere leichte Teilchen, ein «ungeladenes Elektron» Neutrino und ein «positives Elektron», Positron genannt. Die Existenz dieser beiden Teilchen ist gesichert und nachgewiesen.

Beta-Zerfall: Ein Proton zerfällt in ein Neutron. Dabei entsteht ein Neutrino und ein Positron.

Stösst nun ein positiv geladenes Positron auf ein normales (negativ geladenes) Elektron, müssen sich die beiden entgegengesetzten Ladungen aufheben. Die geringe Masse der beiden beteiligten Teilchen verschwindet und wird in Energie umgewandelt. Das entstehende Energiepaket besteht aus zwei Photonen (Lichtquanten). Man bezeichnet diesen Vorgang als Paarvernichtungsprozess.

Der Paarvernichtungsprozess: Stösst ein Positron auf ein Elektron wird die entgegengesetzte Ladung neutralisiert und es entsteht ein Energiepaket aus 2 Photonen.

Der Vorgang ist natürlich auch umkehrbar. Trifft elektromagnetische Strahlung auf
das Feld eines Atomkerns, kann erneut ein Elektron und ein Positron entstehen. Zwei Photonen werden dabei gewissermaßen wieder in die Ursprungsteilchen Positron und Elektron umgewandelt. Dieser Vorgang wird als Paarerzeugungsprozess bezeichnet. Die Korpuskulartheorie sagt also im Wesentlichen aus, dass vom Punkt einer Lichtentstehungsreaktion Energieteilchen nach allen Seiten abgeschossen werden.

Lichtentstehung
Licht kann physikalisch auf unterschiedliche Art erzeugt werden:

Temperaturstrahler
Erhitzt man einen beliebigen Stoff, der im Normalfall einen
festen Aggregatzustand aufweist, so beginnt er beim Erreichen einer bestimmten Temperatur zu glühen, das heißt nichts anderes als Licht auszusenden. Es ist dabei völlig gleichgültig, welche Beschaffenheit der Stoff aufweist. Beim Erreichen gewisser Temperaturen ist die Farbe des ausgesendeten Lichts – unabhängig von der stofflichen Zusammensetzung – immer gleich.

Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über die Relation zwischen der Temperatur eines Stoffes und der ausgestrahlten Lichtfarbe.

Grauglut

400°C

673 K

Rotglut

600°C

873 K

Orangeglut

1100°C

1373 K

Weissglut

1300°C

1573 K

Kunstlicht

2927°C

3200 K

Die Temperaturangabe erfolgt sowohl in «unserer» gewohnten Celsius-Skala (°C) wie auch in der absoluten Temperaturskala von Kelvin (K). Der absolute Nullpunkt, die tiefstmöglichste Temperatur überhaupt, liegt bei rund –273°C, was 0 K entspricht. Gefrierendes Wasser weist demnach eine Temperatur von 0°C oder 273 K auf, und kochendes Wasser ist 100°C oder 373 K heiß. Die absolute Temperaturskala hat den Vorteil, nur mit positiven Werten arbeiten zu müssen. Bei dieser Art der Lichtentstehung geht man den – nicht sehr wirkungsvollen – Umweg über die Wärme.

Die bekannteste Art eines solchermaßen arbeitenden Temperaturstrahlers ist die frühere Glühbirne. Man schickt dabei durch den Metallwendel aus Wolfram einen elektrischen Strom. Dadurch wird das Metall derart heiß, dass es beginnt, weißes Licht auszustrahlen. Um einer Verbrennung des Leuchtwendels vorzubeugen, gibt man diesen in einen von Luft evakuierten Glaskolben, oder aber man ersetzt den Luftraum innerhalb des Glaskolbens durch Stickstoff (Nitra-Lampe) oder ein Edelgas (Krypton-Lampe). Je nach Lampenart strahlt eine Glühlampe lediglich rund 10% der zugeführten Energie in Form von Licht ab. Die restliche freiwerdende Energie ist Wärme. Die herkömmliche Glühlampe wurde aus energetischen Gründen in einigen Ländern – so auch in der EU und der Schweiz – aus dem Handel genommen. Ein Restdasein fristen noch die Halogenglühlampen, welche durch Beigabe von Jodquarz einen Wolfram-Halogenid-Kreislauf auslösen, welcher bei den hohen Temperaturen das freiwerdende Wolfram bindet und wieder zum Wendel zurückführt. Durch diese Methode können auch Lampen mit kleinem Glaskolben, hoher Lichtleistung und besserer Energieeffizienz hergestellt werden.

Auch andere Lichtquellen, die durch Verbrennung eines Stoffs Licht aussenden (Feuer, Kerzen), sind Temperaturstrahler. Im früheren Blitzlämpchen (Kolbenblitz) wurde in einer Sauerstoffatmosphäre Magnesium-, Aluminium- oder Zirkoniumwolle «blitzartig» verbrannt. Die Kohlenbogenlampe, die Sonne und alle anderen Lichtquellen, die Licht über den Umweg von Wärme erzeugen, sind Temperaturstrahler. Das durch Temperaturstrahler entstehende Spektrum ist in jedem Fall kontinuierlich.

Kontinuierliches Spektrum: Spektrale Zusammensetzung von Glühlicht

Nichttemperaturstrahler
Licht kann nicht nur über den Umweg von Wärme entstehen. Wie wir aus Erfahrung wissen, existieren eine ganze Anzahl von Lichtquellen, die bei der Emission nicht merklich warm werden. Solche Lumineszenz-Erscheinungen, das heißt, die Lichtentstehung ohne Wärmeentwicklung, kann zum Beispiel durch die Anregung von Gasatomen in einer Glasröhre durch Elektrizität erfolgen. Da die Leuchterscheinungen dieser Strahler ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur wirken, spricht man oft auch von «kaltem Licht». Das Spektrum von Nichttemperaturstrahlern ist im Gegensatz zu demjenigen der Temperaturstrahler nicht gleichmäßig, das heißt, es ist diskontinuierlich.Die wichtigsten Nichttemperaturstrahler für unsere Zwecke sind neben den heute zur Beleuchtung überwiegend eingesetzten LEDs (Leuchtdioden) Gasentladungslampen, wie Elektronenblitzröhren, Leuchtstoffröhren, Neonröhren, Natriumdampflampen, Quecksilberdampflampen usw. Neben der Gasanregung gibt es noch eine Reihe von weiteren Lumineszenz-Erscheinungen:

Phosphoreszenz
Gewisse Phosphorstoffe leuchten mehr oder weniger lang nach (Nachleuchter), auch wenn sie nicht mehr mit Licht bestrahlt werden (Leuchtfarben, faulendes Holz, Leuchtziffern).

Fluoreszenz
Andere Substanzen, wie zum Beispiel Fluorite, leuchten nur bei Bestrahlung auf (Aufleuchter). Die Lichterscheinung verschwindet, sobald die anregende Bestrahlungsquelle ausgeschaltet wird. Neben sichtbaren Lichtstrahlen können die anregenden Strahlen auch Ultraviolett-, Röntgen- oder Elektronenstrahlen sein.

Diskontinuierliche Spektren von Fluoreszenzlicht-Röhren.
links: Klare Leuchtstoffröhren ohne Fluoreszenzstoff strahlen ein Spektrum aus, das neben einer kleinen Grün- und Gelbbande fast nur Ultraviolett und Blau enthält. rechts: Spektrale Emission einer hochentwickelten Leuchtstoffröhre mit einem Mischspektrum aus der Gasentladung (diskontinuierliche Spektralbanden) und dem kontinuierlichen Anteil des zusammengesetzten Leuchtstoffs.

Unsere üblichen Leuchtstoffröhren und sogenannte Stromsparlampen sind an der Innenwandung mit einem Fluoreszenzstoff (Leuchtstoff) belegt, der im sichtbaren Bereich zu strahlen beginnt, wenn er von der kurzwelligen UV-Strahlung der Gasentladung getroffen wird. Er wandelt gewissermaßen die kurzwellige UV-Energie in eine langwelligere sichtbare Strahlung um. Die dazu verwendeten Halophosphate leuchten insbesondere im blauen und grünen, weniger im roten Bereich auf. Sogenannte Dreiband- Leuchtstoffröhren enthalten weitere drei zusätzliche Leuchtstoffe, welche im Blau-, Grün- und Rot-Bereich Emissionsspitzen abgeben. Der Vorteil ist die bedeutend bessere Farbwiedergabe.

Dasselbe Prinzip mit der Fluoreszenz geschah früher in der Fernsehröhre und im CRT- Computer-Monitor. Hier leuchten die farbigen Leuchtstoffpunkte auf, wenn sie vom Elektronenstrahl der Strahlkanone getroffen werden.

Belichtungszeiten mit Leuchtstoffröhren
Moderne Leuchtstoffröhren mit Fluoreszenzstoff haben ein unterlegtes kontinuierliches Spektrum, das sich behelfsmäßig zum Fotografieren eignet. Allerdings «blitzt» eine solche Leuchte bei jeder Wechselstromhalbphase auf, das heißt, 100 mal pro Sekunde. Um gleichmäßig belichtete Resultate zu erhalten, sollten bei jeder Aufnahme möglichst viele Blitze erfasst werden. Ideal sind daher Belichtungszeiten von 1/15 Sekunde oder länger.

Ein dreistelliger Code – der bei allen Röhrenfabrikaten zu finden ist – macht eine Aussage über die farbliche Qualität und die Farbtemperatur einer Leuchtstoffröhre.

Induktionslampen
Eine Art moderne Fluoreszenzröhre stellt die Induktionslampe dar. Es handelt sich dabei um eine ringförmige Röhre oder um einseitig gesockelte Glaskolben in Form üblicher Glühlampen mit E27- oder E40-Fassung. Diese Typen können somit als Ersatz von gewöhnlichen Glühlampen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gasentladungslampen entsteht die Ionisierung des Füllgases nicht mit abnützbaren Elektroden. Bei der Induktionslampe wird die Ionisierung durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz von rund 2,6 MHz bewirkt. Eine in den Lampenkolben eingesetzte Ferrit-Antenne erzeugt ein Streufeld und überträgt die zugeführte Energie auf das Füllgas. Das elektromagnetische Feld dieser Sendeantenne induziert in der Gasfüllung einen hochfrequenten Strom, wodurch weitere Elektronen aus ihrer Bahn geworfen (angeregt) werden. Durch diese atomaren Wechselvorgänge entsteht im Innern der Metalldampfmoleküle mehrheitlich unsichtbare UV-Strahlung, die mittels Fluoreszenz in der Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des Lampenkolbens sichtbares Licht erzeugt.

Wegen des Fehlens abnützbarer Elektroden haben Induktionslampen eine Lebensdauer von durchschnittlich 60’000 Stunden. Ihr Spektrum ist demjenigen von modernen Leuchtstoffröhren ähnlich. Im Gegensatz zu diesen starten sie jedoch sofort und flackerfrei und besitzen eine höhere Lichtausbeute bis 120 lm/Watt.

LED Leuchtdiode
Die Glühlampe ist in Europa wegen ihrer energetischen Ineffizienz fast vollständig vom Markt verschwunden. Ein ähnliches Schicksal ist den älteren Leuchtstoffröhrentypen beschieden und später werden auch die Halogenlampen für den allgemeinen Gebrauch verschwinden. Die Zukunft heißt LED (Lightemitting Diode oder lichtemittierende Diode oder einfach Leuchtdiode).

Die ersten LEDs kamen in den 1960er Jahren auf den Markt, waren rot und noch wenig effizient. Vielleicht erinnern Sie sich an die damaligen ersten Digitaluhren mit roter LED- Anzeige? Später folgten weitere Farben. Aber erst um die Jahrtausendwende gelang es, erste weiß strahlende LEDs herzustellen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aufbau einer einzelnen LED (Durchmesser 5mm)

Funktionsprinzip einer LED
Die Leuchtdiode ist eine spezielle Halbleiterdiode, deren Grenzschicht beim p/n-Übergang Licht oder als Varianten infrarote oder ultraviolette Strahlung aussendet. Die ausgesandte Wellenlänge ist abhängig vom Halbleitermaterial und der Dotierung. Der eigentliche Halbleiterkristall ist in einem Gehäuse aus Epoxidharz eingebettet, das zusätzlich zum Schutz als Linse wirkt.

Weiße LED
Die maximale Stromaufnahme reicht von 2 mA über 20 mA bei Standard-LEDs bis rund 20 A bei Hochleistungs-LEDs. Als Betriebsspannung gelten wenige Volt Gleichspannung.

Für Beleuchtungszwecke sind nur weiße LED interessant. Der Farbwiedergabeindex liegt bei 80 bis 95, das heißt, gleich oder besser als bei modernen Leuchtstoffröhren. Mit einer aktuellen Lichtausbeute von 50 bis 70 lm/W (Tendenz steigend) liegen LEDs etwa gleich wie Stromsparlampen. Farblich werden LED-Lampen als Ersatz von Glühlampen mit «kaltweiß» (5500 bis 6000 K) und «warmweiß» (2700 bis 3000 K) bezeichnet.

Die Lebensdauer (Zeitraum bis Helligkeit nur noch 70%) liegt bei 20’000 bis 100’000 Stunden. LEDs werden in Glaskolben und Spotformen eingebaut als Ersatz von Glüh- und Halogenlampen. Es gibt aber auch bereits leistungsfähige Großraum- und Strassenbeleuchtungen und Foto- bzw. Videoleuchten.

Weisse LED und LED-Leuchte
links: RGB-Weißlicht-LED. Die einzelnen Kristalle sind direkt auf die Leiterbahn gelötet (SMD surface-mounted-device). Aufnahme Sven Killig.
rechts: LED BiColor-Leuchte für Foto- und Videozwecke. Tages- und Kunstlicht umschaltbar, dimmbar.

Mittels additiver Farbmischung können blaue und gelbe LEDs (Variante 1) sowie LEDs in den drei additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau (Variante 2) weißes Licht erzeugen. Bei beiden Varianten ist es notwendig, die verschiedenfarbig leuchtenden Halbleiterkristalle sehr nahe beieinander zu platzieren. Zur besseren Durchmischung sind zusätzliche optische Komponenten notwendig. Durch unterschiedliche Strahlstärken der einzelnen Farben sind Farbtemperaturvarianten zwischen 2700 bis 10’000 Kelvin möglich. Bei gewissen LED-Lampen kann die gewünschte Lichtfarbe sogar individuell eingestellt werden.

Preisgünstiger sind weiße LEDs herzustellen, wenn eine blaue oder UV-LED mit einem Fluoreszenzfarbstoff (Leuchtstoff) kombiniert wird. Auch hier existieren zwei Varianten. Die meisten dieser Typen verwenden eine blaue LED mit einem einzigen, breitbandigen Leuchtstoffgemisch. Bei der anderen Variante ist eine UV-LED im Einsatz zusammen mit drei verschiedenen schmalbandigen Leuchtstoffen für Rot, Grün und Blau.

Spektrale Abstrahlung LED
links: Spektrale Abstrahlung einer warmweißen LED 3000 K (entspechend fotografischem Kunstlicht)
rechts: Spektrale Abstrahlung einer kaltweißen LED 5500 K (entsprechend fotografischem Tageslicht)

Elektronenblitz
Unter einem Elektronenblitz versteht man die kurzfristige Lichtabstrahlung einer Gasentladungslampe. Um ein Spektrum zu erhalten, das möglichst nah an reines Tageslicht heranreicht, werden Blitzröhren verwendet, die mit dem Edelgas Xenon gefüllt sind. Zwar entsteht dadurch ein Linienspektrum, doch sind die einzelnen Linien so nah beieinander, dass der Eindruck eines kontinuierlichen Spektrums entsteht.

In die stab-, ring- oder wendelförmige Blitzröhre aus Quarzglas sind an beiden Enden Elektroden aus Wolfram oder Molybdän eingeschmolzen. Legt man an die beiden Elektroden die Anschlüsse eines geladenen Kondensators, dessen eine Seite einen Elektronenüberschuss, die andere einen Elektronenmangel aufweist, kann sich dieser Spannungsunterschied nicht ausgleichen, weil das Edelgas im Innern der Entladungsröhre elektrisch nichtleitend ist.

Prinzip eines Studio-Blitzgerätes mit 230V-Wechselstromanschluss
Bei batteriebetriebenen Geräten wird die Batterie-Gleichspannung über einen digitalen Zerhacker in eine (hochfrequente) Wechselspannung umgewandelt und direkt auf die hohe Betriebsspannung des Kondensators transformiert. Vor dem Kondensator wird die Wechselspannung ebenfalls in die notwendige Gleichspannung umgewandelt.

Legt man jedoch an oder um die Röhre eine Zündelektrode in Form eines Drahtes und gibt man an diese Elektrode einen Hochspannungsimpuls von über 10’000 Volt, wird dadurch die Gasstrecke ionisiert und somit kurzfristig elektrisch leitend. Die Ladungsdifferenz beider Seiten des angelegten Kondensators kann sich über das Xenon-Gas in der Röhre entladen. Das geschieht derart heftig, dass alle Xenon-Atome einen kollektiven Quantensprung ausführen, wodurch eine starke, jedoch nur kurzfristige Lichtemission – der Blitz – erzwungen wird. Das Licht entspricht in seiner Zusammensetzung der Farbtemperatur von mittlerem Tageslicht mit rund 6300 K. Da der Anteil von nahem UV direkt unterhalb von 400 nm noch relativ groß ist, versehen die Hersteller die Blitzröhre mit einem goldig schimmernden Filterbelag, der sogenannten UV-Beschichtung oder stülpen über die Blitzröhre eine entsprechend beschichtete Schutzglocke bzw. ein Schutzglas. Die Beschichtung bewirkt neben der UV-Absorption die gewünschte Farbkorrektur von 6300 auf 5500 K.

Die Blitzleuchtdauer ist unter anderem von der Betriebsspannung des Blitzkondensators abhängig. Studioblitzgeräte sind meistens Langsamblitzer; sie werden mit Spannungen von bis zu 500 V am Blitz-Kondensator betrieben. Im Gegensatz dazu arbeiten kleine, batteriebetriebene Elektronen-Blitzgeräte mit deutlich höheren Spannungen, wodurch deren Blitzleuchtdauer entsprechend kürzer ist. Mittels Thyristor-Schaltung kann die Blitzleuchtdauer zusätzlich beschnitten werden.

Verteilungs- und Farbtemperatur
Die Tatsache, dass ein glühender Körper bei relativ niedriger Temperatur rötliches, bei höherer mehr bläuliches Licht ausstrahlt, hat zur Schöpfung eines theoretischen Körpers geführt, dessen farbliche Ausstrahlung bei einer gewissen Temperatur als Vergleich für die farbliche Strahlung einer Lichtquelle hinzugezogen wird.

Man stellt sich dabei einen schwarzen Hohlraumkörper vor, der sämtliche auf ihn fallende Energie absorbiert und selber keinerlei Reflexionsfähigkeit besitzt. Ein schwarzer Strahler (oft auch «schwarzer Körper» genannt) verwandelt daher alle auftreffende Strahlung – unabhängig von Wellenlänge und Temperatur – in Wärme; andrerseits verwandelt er alle ihm zugeführte Wärmeenergie in Strahlung. Natürlich handelt es sich dabei um ein reines Denkmodell, denn kein uns bekanntes Material könnte die geforderten Eigenschaften erfüllen. Es gibt jedoch Körper aus Stoffen wie Platin, Kohle, Russ, Wolfram usw., die sich annähernd wie ein schwarzer Strahler verhalten.

Die Planck’sche Strahlungsformel zeigt, dass bei hohen Temperaturen die abgestrahlte Strahlleistung wächst und sich zugleich das Energiemaximum gegen kürzere Wellenlängen hin verschiebt: Bei tiefstmöglichster Temperatur, dem absoluten Nullpunkt (–273°C = 0 K), erscheint der Körper vollständig schwarz. Heizt man ihn auf, beginnt er allmählich sichtbare Strahlung auszusenden. Bei einer Temperatur von etwa 2000 K strahlt der Körper eine rötliche Lichtfarbe, ähnlich einer Kerze, aus. Bei Erhöhung der Temperatur steigt der relative Anteil an blauer Strahlung gegenüber der schon bei verhältnismässig tiefer Temperatur vorhandenen roten Strahlung allmählich an. Das Emissionsspektrum verschiebt sich mehr und mehr gegen Blau. Wird der Körper schließlich auf über 8000 K erhitzt, strahlt er eine Lichtfarbe aus, wie sie beispielsweise ein blauer Himmel aufweisen kann.

Die prozentuale Energieverteilung der abstrahlenden blauen, grünen und roten Wellenlängen ist direkt abhängig von der Temperatur, auf die der Körper erhitzt wird. Da sich jeder Temperaturstrahler gleich verhält wie ein schwarzer Körper, kann man die Farblichkeit seiner Lichtausstrahlung direkt mit der Temperatur dieses Strahlers vergleichen und sie in absoluten Temperaturwerten nach Kelvin angeben. Je höher der Kelvinwert, umso größer ist der Anteil an blauer Strahlung.

Kerzenlicht strahlt mit etwa 1300 K. Die Temperatur von Petroleumlicht ist höher und daher kälter. Die linke Aufnahme entstand mit einer Digitalkamera bei automatischem Weissabgleich. Hätte man die Aufnahme auf Tageslicht-Farbfilm gemacht, wäre ein starker Rotstich entstanden, wie ihn das rechtsstehende Bild zeigt.

Verteilungstemperatur
Temperaturstrahler erzeugen ein kontinuierliches Spektrum. Man charakterisiert die Farblichkeit ihrer Strahlung durch die Strahltemperatur in Kelvin und sagt beispielsweise, das Kunstlicht einer Fotolampe weise eine Verteilungstemperatur von 3200 K auf. Der Begriff der Verteilungstemperatur kann nur für Temperaturstrahlungen angewendet werden, die eine kontinuierliche spektrale Energiekurve aufweisen.

1300 K

Kerzenlicht

2800 K

Glühlampe

3200 K

Fotolampe

5500 K

mittleres Tageslicht

Farbtemperatur
Nichttemperaturstrahler erzeugen ein diskontinuierliches oder – wie zum Beispiel Fluoreszenzröhren – eine Mischung aus kontinuierlichem Spektrum mit einzelnen hervorragenden Spektrallinien. Die Farbigkeit lässt sich mit derjenigen eines Temperaturstrahlers lediglich vergleichen. Im Gegensatz zum Licht von Temperaturstrahlern (Verteilungstemperatur) spricht man hier von Farbtemperatur und meint damit die Temperatur in Kelvin auf die man einen schwarzen Körper erhitzen müsste, um für das menschliche Auge einen ähnlichen Eindruck zu vermitteln. Die Angabe der Farbtemperatur wird für Strahler angewendet, die eine diskontinuierliche Energiekurve aufweisen, das heißt für Nichttemperaturstrahler.

Von einer gegebenen Farbtemperatur aus darf nicht auf die gleiche Verteilungstemperatur geschlossen werden. Für die Farbfotografie ist dieser Schluss wichtig: Selbst wenn die Farbtemperatur eines Nichttemperaturstrahlers 5500 K beträgt, entsteht auf einem analogen Farbfilm, der auf die Verteilungstemperatur von 5500 K sensibilisiert ist (Tageslicht-Farbfilm) üblicherweise ein Farbstich. Gleiches gilt natürlich auch für ein digitales Bild, sofern der Weißabgleich des Sensors bei der Aufnahme auf eine Verteilungstemperatur von 5500 K gemacht wurde (Einstellung auf das Sonnen-Symbol). Dagegen ergibt eine Verteilungstemperatur von 5500 K eines Temperaturstrahlers auf demselben Film bzw. Sensor ein farbstichfreies Resultat.

Anpassung an die Sensibilisierung des Aufnahmematerials
Analoge Farbfilmmaterialien sind für ganz bestimmte Verteilungstemperaturen sensibilisiert:
Tageslichtfilme: 5500 bis 5600 K
Kunstlichtfilme Typ B: 3100 bis 3200 K

Jede Änderung der Verteilungstemperatur des Aufnahmelichts gegenüber der Sensibilisierung des Filmmaterials führt zu einem rötlichen oder bläulichen Farbstich. Der Farbstich lässt sich bei der digitalen Aufnahme durch den automatischen oder manuellen Weissabgleich und bei der analogen Aufnahme durch ein Konversionsfilter eliminieren. Das sind bläuliche und rötliche Filter unterschiedlicher Dichte. Die notwendige Dichte dieser Ausgleichsfilter kann man rechnerisch ermitteln, wenn die Sensibilisierung des Filmmaterials und die Verteilungstemperatur des Aufnahmelichts bekannt ist.

Dagegen führen Nichttemperaturstrahler zu Farbstichen in allen möglichen Farbrichtungen (selbst wenn die Farbtemperatur mit der Sensibilisierung des Films übereinstimmt), die sich nur behelfsmäßig durch die Anwendung eines Farbkorrekturfilters (CC-Filter) bzw. durch Kombination von Konversionsfilter und CC-Filter ausgleichen lassen. Da das Auge den gleichen Farbeindruck bei sehr verschiedenen spektralen Strahlungsverteilungen vermitteln kann, lässt sich aus der Farbtemperaturangabe eines Nichttemperaturstrahlers unmöglich auf die wirkliche spektrale Strahlungsverteilung der Lichtquelle schließen. Die notwendige Filterkombination kann nur durch Testaufnahmen ermittelt werden. In der Praxis erweisen sich auch sehr teure Farbtemperaturmessgeräte bei Lichtquellen mit nichtkontinuierlichen Spektren als nur bedingt brauchbar.

Konversionsfilter
Ein Verteilungstemperatur-Unterschied von 100 K ist im roten Bereich relativ viel, im bläulichen aber vergleichsweise wenig. Die nicht lineare Skala nach Kelvin eignet sich daher nicht zum Errechnen der notwendigen Dichte eines Konversionsfilters. Für vereinfachtes Filterrechnen, ersetzt man die Kelvinwerte durch den linearen Mikroreziprokalwert Reziproke Megakelvin MK–1. Dieser im SI-System (Systeme Internationale d’Unitée) definierte Begriff ersetzt (bei unveränderten Werten) den früher in der Fotografie üblichen Wert MIRED (microreciprocal degrees).

Die notwendige Konversionsfilterung ermittelt sich durch eine einfache Vergleichsrechnung. Nehmen wir an, wir hätten als Aufnahmelicht eine Halogenleuchte zur Verfügung und als Aufnahmematerial einen normalen Kunstlichtfilm, der auf 3100 K sensibilisiert ist. Die Rechnung lautet dann wie folgt:

 

Licht:

3400 K

= 294 MK-1

Film

3100 K

= 323 MK-1

Korrekturwert

= + 29 MK-1

Das Licht mit der höheren Kelvinzahl ist etwas blauer als die Sensibilisierung des Films. Der Konversionsfilter muss daher das bläulichere Licht etwas weniger blau machen, die Färbung des Filters muss gegen rötlich tendieren. Für die vorstehende Aufgabe ist ein rötlicher Konversionsfilter mit der Korrekturkraft von 29 MK–1 notwendig. Bläuliche Konversionsfilter tragen negative Vorzeichen, rötliche positive Vorzeichen.

Bei Außenaufnahmen in direktem Sonnenlicht und blauem Himmel erscheinen die Schatten bläulich, da diese nicht direkt durch die Sonne, sondern lediglich durch den blauen Himmel beleuchtet werden. Um dies zu korrigieren empfiehlt sich die Verwendung eines leicht gelblichen Konversionsfilters 81 oder 81A, das in diesem Fall als «Skylight-Filter» bezeichnet wird. Skylight-Filter absorbieren zudem den Ultraviolett-Anteil bis etwa 420 nm und wirken dadurch zusätzlich als UV-Sperrfilter, was sich besonders bei Aufnahmen im Gebirge und an der See als wohltuend kontrastverstärkend auswirkt.

Konversionsfilter – meistens mit der Nomenklatur von Kodak – gab es von vielen Herstellern, entweder als dünne (und verletzliche) Gelatinefolien, als stabilere Kunstharzfilter oder in Form von verkitteten Filtern, bei denen Originalgelatinefilter (von Kodak) zwischen planparallelen und mehrfachvergüteten Glasscheiben mit Metallfassung und Schraubgewinde optisch hochwertig eingekittet sind.

In der analogen Fotografie sind Konversionsfilter immer dann notwendig, wenn man auf Farbdiafilm farblich korrekte Resultate erzielen will und wenn die Verteilungstemperatur des Aufnahmelichts nicht mit der Filmsensibilisierung (Tageslichtfilm 5500K, Kunstlichtfilm 3200K) übereinstimmt. Entsteht eine Aufnahme dagegen auf Farbnegativmaterial ist nur dann eine Konversionsfilterung notwendig, wenn es heißt, mittels Tageslichtfilm bei Kunstlicht (Filter 80A) oder mittels Kunstlichtfilm bei Tageslicht (Filter 85B) zu fotografieren. Geringerfügige Abweichungen zwischen Sensibilisierung und Verteilungstemperatur werden bei diesem Verfahren im Negativ-Positivprozess durch eine Farbfilterung im Printvorgang ausgeglichen.

In der Digitalfotografie spielen Konversionsfilter keine Rolle, weil die Kameras einen sogenannten Weißabgleich zulassen. Entweder erfolgt dieser Weißabgleich automatisch oder durch manuellen Eingriff, indem beim betreffenden Aufnahmelicht ein weißes Blatt Papier fotografiert und dem System gesagt wird, dies sei die Referenz. Weiter kann man bei den meisten Digitalkameras auch die Lichtart (Tageslicht, Kunstlicht usw.) vorgeben wie es die folgende Abbildung aus dem Handbuch einer digitalen Canon EOS illustriert.

Digitalkameras ermöglichen automatischen Weißabgleich (AWB) oder für bestimmte vorgegebene Lichtsituationen sowie den manuellen Weißabgleich durch das Fotografieren eines weißen Blattes (für korrektes Vorgehen Gebrauchsanleitung der betreffenden Kamera konsultieren!).

Farbiges Licht
Mit starken Filterfolien vor den Blitzleuchten sind dem Einsatz von farbigem Licht keine Grenzen gesetzt. Es gibt kaum ein Einsatzgebiet, in dem man nicht durch den bewussten Einsatz von farbigem Licht akzentuiert und impressiv arbeiten kann. Die einigermaßen wärmebeständigen Farbfiltersets verschiedener professioneller Elektronenblitzhersteller decken das gesamte Farbspektrum ab. Die farbliche Wirkung beim Einsatz einzelner, mit Farbfiltern bestückten Leuchten, ist natürlich stark vom ungefilterten Allgemeinlicht abhängig. Eine Probeaufnahme verschafft aber jeweils rasch Klarheit über die Intensität.

Mit farbigem Licht lassen sich Hintergründe anstrahlen; nicht nur weiße. So kann sich ein hellblauer Hintergrund durch Anstrahlung mit Gelb in einen grünen umwandeln oder mittels Purpurfilter in einen roten. Oder mit blauem Licht wird ein hellblauer Hintergrund tiefblau. Die Kombination eines Wabenfilters mit einem Farbfilter lässt farbige Verläufe entstehen, was insbesondere in der Stillife-Fotografie die Bildspannung vergrößern kann.

Durch Kalt-Warm-Effekte der Beleuchtung sind im Studio, unabhängig von Tages- und Jahreszeit oder Witterung, praktisch alle möglichen (und unmöglichen) Situationen simulierbar. Die etwas wärmer gefärbte Anstrahlung oder Aufhellung der Haut kann zum Beispiel den vielleicht zu weißen Körper eines Models plötzlich sommerlich gebräunt erscheinen lassen.

 

Text und Abbildungen © by Jost J. Marchesi
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Veröffentlicht unter Repetitorien, Repetitorium OPTIK