Farbtemperatur

Farbtemperatur in Kelvin

Die Farbtemperatur ist ein Maß zur quantitativen Beschreibung des Farbeindrucks von Lichtquellen. Als Referenz dient dabei das Spektrum eines idealen thermischen Strahlers („Schwarzer Strahler“), das allein von der Temperatur abhängig ist. Mit steigender Temperatur wechselt dessen Farbeindruck von Rot über Weiß bis ins Hellblau. Da rötliche Farben als „warm“ und bläuliche als „kühl“ empfunden werden, entspricht eine höhere Farbtemperatur einer „kühleren“ Farbe. Gebräuchliche Leuchtmittel haben Farbtemperaturen in den Größenordnungen von unter 3.300 Kelvin (Warmweiß), 3.300 bis 5.300 Kelvin (Neutralweiß) bis über 5.300 Kelvin (Tageslichtweiß).

Gewöhnlich weicht das Spektrum einer Lichtquelle von dem eines Schwarzen Strahlers ab. Bei kleiner Abweichung ordnet man der Lichtquelle die Farbtemperatur zu, deren Lichtwirkung bei gleicher Helligkeit und unter festgelegten Beobachtungsbedingungen der Lichtquelle am ähnlichsten ist.[1][2] Ist die Abweichung groß („farbiges Licht“), ist die Angabe einer Farbtemperatur nicht sinnvoll.[1]

Definition und Maßeinheit

Kurve der Strahlung eines Schwarzen Körpers im sicht­baren Spektrum mit Temperatur­angaben in Kelvin und Mired

Ein idealer thermischer Strahler („Schwarzer Körper“, „Schwarzer Strahler“ oder „planckscher Strahler“) sendet elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und unsichtbaren Bereich aus, deren Wellenlängenverteilung allein durch die Temperatur vorgegeben ist. Für reale thermische Lichtquellen (Flamme, Glühbirne, Sonne) gilt das näherungsweise. Wenn ein Schwarzer Strahler langsam erhitzt wird, durchläuft er eine Farbskala von Dunkelrot, Rot, Orange, Gelb, Weiß bis zum Hellblau. Die Temperatur des Schwarzen Strahlers, bei der mit der zu bestimmenden Lichtquelle die bestmögliche Farbgleichheit besteht, ist die Farbtemperatur des Leuchtmittels.

Die Maßeinheit der Farbtemperatur ist die Temperatureinheit Kelvin (K). In der Fotografie ist die Angabe der reziproken Farbtemperatur in Mired (inverse Megakelvin) als das Millionenfache des Kehrwertes der Kelvin-Angabe gebräuchlich. Zum Beispiel entspricht 4.000 K einem Wert von 1.000.000 / 4.000 = 250 Mired. Die für energiesparende Leuchtmittel relevante EU-Verordnung 244/2009 verlangt explizit die Angabe der Farbtemperatur in Kelvin.[3]

Subjektive Farbwahrnehmung

Charakteristische Lichtfarben nach DIN EN 12665[4]
LichtquelleFarbtemperatur
in Kelvin
Reziproke
Farbtemperatur
in Mired
Warmweiß< 3300 K> 303 Mired
Neutralweiß3300 … 5300 K303 … 189 Mired
Tageslichtweiß,
Kaltweiß
> 5300 K< 189 Mired

Die Farbtemperatur ist durch die physikalisch definierte Oberflächeneigenschaft eines Strahlers festgelegt. Die übliche Einteilung von Farben in kalte oder warme Farbtöne geht auf ein subjektives Empfinden zurück und ist nicht durch eine Temperatur zu beschreiben. Künstliche Lichtquellen geben vom Tageslicht abweichende Farbwahrnehmungen. Mischungen verschiedener Arten von Lichtquellen können sogar das Wohlgefühl stören.

Im künstlerischen Bereich wird die Farbtemperatur oft abweichend verwendet. Beispielsweise durch die Verwendung der Mired-Skala erhalten kalte Farben einen niedrigen Wert und warme einen eher höheren Wert.

Berechnung der Farbtemperatur

Wahrnehmbare Farben (CIE-XYZ-Farbraum). Auf der Umrandung liegen die Farben mono­chroma­tischer Strah­lung der Wellenlänge 380…700 nm. Die gekrümmte schwarze Linie entspricht den Farben des Schwarzen Körpers. Für Punkte fernab dieser Line ist die Angabe einer Farb­tempe­ratur nicht sinnvoll.

Der CIE-XYZ-Farbraum ist einer der ersten mathematisch definierten Farbräume, welcher 1931 durch die Internationale Beleuchtungskommission (Commission Internationale de l’Éclairage, CIE) geschaffen wurde. Der in der CIE-Normtafel dargestellte Farbraum zeigt alle aus den Spektralfarben additiv mischbaren Farben. Es handelt sich um alle prinzipiell erzielbaren Farben. Jede wahrnehmbare Farbe lässt sich in den drei Anteilen x, y und z ausdrücken.[5]

Auf der x-Achse der Normtafel wird der Rotanteil der Farbe abgetragen, wohingegen die y-Achse den Grünanteil der Farbe darstellt. Sowohl der Grün- als auch der Rotanteil können direkt aus der Normtafel abgelesen werden. Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 kann in dem CIE-Diagramm auf den z-Wert verzichtet werden, da dieser durch einfache Umformung der Gleichung in z = 1 − x − y ermittelt werden kann.

Möchte man nun die Farbtemperatur einer Lichtquelle berechnen, muss man ihren sogenannten Farbort bestimmen. Dieser Farbort wird dann mit den Farbörtern des schwarzen Strahlers verglichen. Sie gelten als Referenz zur Berechnung der Farbtemperatur von Lampen. Die Farbtemperatur wird dabei nicht im x-y-Farbraum, sondern im u-v-Farbraum ermittelt. Der u-v-Farbraum hat den Vorteil, dass er Farbabstände besser darstellt. Folgende Gleichungen beschreiben den Zusammenhang des uv-Farbraums mit dem xy-Farbraum:

Wenn der Farbort vom Farbort eines planckschen Strahlers so sehr abweicht, dass

sollte keine Farbtemperatur zugeordnet werden.[1]

Im CIE-Diagramm gehört zu jeder Farbtemperatur einer Lichtquelle ein Weißpunkt dieser Beleuchtungsart. Die spektrale Verteilung des Lichts von Strahlern mit gleicher Farbtemperatur kann sehr unterschiedlich sein, sogenannte metamere Lichtquellen. Metameres Licht kann wie bei Glühlampen ein kontinuierliches Spektrum aufweisen oder sich wie bei Energiesparlampen und Flachbildschirmen auf einige schmale Spektralbänder beschränken. Der Farbwiedergabeindex gibt die Qualität der Farbwiedergabe bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle an.

Farbtemperaturen von Lichtquellen

Künstliche Lichtquellen

Glühlampen sind näherungsweise thermische Strahler, aber die Farbtemperatur ist etwas höher als die Temperatur des Glühfadens, weil der kurzwellige Anteil etwas höher ist (→ siehe Glühlampe#Lichtspektrum und Farbtemperatur).

Laser emittieren nur Licht einer Wellenlänge (monochromatisches Licht); daher kann für sie i. A. keine Farbtemperatur angegeben werden. Natriumdampflampen geben zwar auch (fast) monochromatisches Licht ab, aber die Wellenlänge von 589 nm liegt im Farbraum recht nahe an der Farbe eines schwarzen Körpers von 2000 K (siehe Diagramm).

Leuchtstofflampen emittieren ebenfalls nur Licht weniger Wellenlängen, aber durch Beschichtung des Glases wird mehr oder weniger „weißes“ Licht erzeugt, dem man eine Farbtemperatur zuordnen kann.

Sonnenlicht

Spektrum der Sonne vom Weltraum aus gesehen (gelbe Fläche) im Vergleich zu einem Schwarzen Körper mit 5778 K (durch­gezogene Linie). Durch Absorption in der Atmo­sphäre ist das Spektrum auf der Erd­ober­fläche in einigen Wellen­längen­bereichen unter­drückt (rote Fläche).

Die Sonne hat eine effektive Oberflächentemperatur von 5778 K. Dies entspricht ungefähr der Farbtemperatur der Sonne vom Weltraum aus gesehen, d. h. ohne die filternde Wirkung der Erdatmosphäre. Von der Erde aus gesehen erscheint das Licht der Sonne durch Streuung und Absorption in der Luft, abhängig vom Sonnenstand, der Landhöhe und den Wetterbedingungen, mehr oder weniger stark gerötet. Die Normlichtart D50, die der Beleuchtung mit einer Farbtemperatur von 5004 K entspricht, wird an klaren Tagen am Vor- oder Nachmittag erreicht, wenn die Atmosphäre stärker dämpft. Gestreutes Himmelslicht hingegen hat einen wesentlich höheren Blauanteil und damit auch eine höhere Farbtemperatur als direktes Sonnenlicht (siehe Tabelle).

Sterne

Das Spektrum von Sternen entspricht näherungsweise der Strahlung eines Schwarzen Körpers und steht damit in direktem Zusammenhang mit der Farbtemperatur. Sterne werden nach Oberflächentemperatur in Spektralklassen eingeteilt. Die beiden leicht zu findenden Hauptsterne im Sternbild Orion, Beteigeuze und Rigel, lassen sich am Sternenhimmel farblich sehr gut unterscheiden. Beteigeuze ist deutlich rötlicher und gehört mit einer Oberflächentemperatur von 3.450 K in die Spektralklasse M, der bläuliche Rigel ist mit 10.500 K deutlich heißer und gehört zur Spektralklasse B. Bei heißeren Sternen als der Sonne weichen Effektiv- und Farbtemperatur bisweilen stark voneinander ab; ein typischer Stern der Klasse A0V (z. B. Wega) hat eine Effektivtemperatur von ca. 9500 K, aber eine Farbtemperatur von ca. 15000 K.[6]

Typische Farbtemperaturen

FarbtemperaturLichtquelle
1500 KKerze
2000 KNatriumdampflampe (SON-T)
2600 KGlühlampe (40 W)
2700 KGlühlampe (60 W)
2800 KGlühlampe (100 W)
2700–2800 KHalogenlampe (230 V, Eco-Halogen, 30–60 W)
3000 KGlühlampe (200 W)
3000–3200 KHalogenlampe (12 V)
3200 KFotolampe Typ B, Halogenglühlampe
3400 KFotolampe Typ A bzw. S, Spätabendsonne kurz vor Dämmerungsbeginn
3600 KOperationssaalbeleuchtung
4000 KLeuchtstofflampe (Neutralweiß)
4120 KMondlicht
4500–5000 KXenonlampe, Lichtbogen
5000 KMorgen-/Abendsonne, D50-Lampe (Druckerei)
5500 KVormittags-/Nachmittagssonne
5500–5600 KElektronenblitzgerät
5500–5800 KMittagssonne, Bewölkung
6500–7500 KBedeckter Himmel
7500–8500 KNebel, starker Dunst
9000–12.000 KBlauer (wolkenloser) Himmel auf der beschatteten Nordseite Blaue Stunde
15.000–27.000 KKlares blaues, nördliches Himmelslicht

Messung

Zur Bestimmung der Farbtemperatur gibt es Farbtemperaturmesser (Kolorimeter). In den 1950er Jahren wurde mit dem Sixticolor des Herstellers Gossen ein Gerät für Amateurfotografen angeboten, das ausschließlich der Messung der Farbtemperatur diente. Eine preiswertere Variante war der Color Finder in verschiedenen Belichtungsmessern dieser Firma. Ein Farbbalken wurde mit verschiedenen Farbfeldern verglichen, das (subjektiv) farbähnlichste Feld gab die Farbtemperatur an. Seit den 1990er Jahren sind Kolorimeter mit Digitalanzeige üblich, bei welchen der Messwert direkt in Kelvin angezeigt wird.

Fotografie

Einfluss verschiedener Farbtemperatur-Einstellungen bei der Digitalfotografie. Das erste Bild wurde fälsch­licher­weise auf 2800 K (warmes Glüh­lampen­licht) eingestellt. Die Software glich den vermeint­lich sehr geringen Blau­anteil der Beleuchtung aus.

In der Fotografie ist die Berücksichtigung der Farbtemperatur wichtig, damit ein Motiv in den Farben aufgenommen werden kann, die dem natürlichen Seheindruck entsprechen (sollten). Im nebenstehenden Bild ist die Farbwiedergabe des gleichen Motivs bei Aufnahme mit unterschiedlichen manuell eingestellten Farbtemperaturen der Lichtquelle dargestellt. Um beispielsweise den gelblichen Farbton einer Halogenlampe (2800 K) auszugleichen, mithin die Farben dem natürlichen Seheindruck des Menschen anzupassen, erhält das Foto einen Blaustich, der die unterrepräsentierten Blauanteile verstärkt. Umgekehrt werden bei der 10.000-K-Einstellung gelb-orange Farbtöne verstärkt, um ein durch blaustichiges Licht angestrahltes Motiv möglichst farbneutral darzustellen. Wird der automatische Weißabgleich von digitalen Foto- und Videokameras genutzt, so versucht die Schaltung eigenständig jene Einstellung – bezogen auf die „weißeste“ Bildfläche – passend zu ermitteln.

Die internationale Norm für mittleres Sonnenlicht beträgt 5500 Kelvin;[7] es ist der Ton eines Sonnentages bei klarem Himmel am Vor- oder Nachmittag. Tageslichtfilme sind so sensibilisiert, dass sie bei Farbtemperaturen um 5500 K eine der Wirklichkeit entsprechende Farbwiedergabe möglich machen. Kunstlichtfilme entsprechen je nach Typ einer Farbtemperatur von 3100 bis 3400 K.

Um andere Farbtemperaturen zu erreichen, werden Konversionsfilter vor das Objektiv gesetzt. In der Digitalfotografie wird (oft automatisch) ein Weißabgleich vorgenommen. Eine Nachbearbeitung unkorrekter Farben in einer Bildbearbeitungssoftware ist in gewissen Grenzen möglich, mindert aber die Qualität der Abbildung, sofern nicht mit den Rohdaten des Kamerasensors gearbeitet wird (RAW-Fotografie). Die Wirkung eines Konversionsfilters lässt sich quantifizieren; sie ist in der Einheit Mired angegeben. Negative Werte stehen für bläuliche Filter, positive für rötliche Werte. Die korrigierte Farbtemperatur erhält man, indem man den Mired-Wert des Filters zur gegebenen Farbtemperatur des Lichts addiert. Dabei sind die Vorzeichen der Filter zu beachten.

Weblinks

Commons: Farbtemperatur – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Farbtemperatur – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. a b c International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary (IEV). ref. 845-23-068, correlated colour temperature (CCT) (abgerufen am 20. Februar 2022).
  2. Deutsche Ausgabe des IEV, Stichwort „ähnlichste Farbtemperatur“, Eintrag 845-03-50 (abgerufen am 20. Februar 2022)
  3. EU-Verordnung 244/2009. (PDF; 193 kB) BMU, archiviert vom Original am 17. September 2013; abgerufen am 17. Januar 2016.
  4. Neue Norm für die Planung der Innenraumbeleuchtung, Teil 1: Änderung bei der Planung mit DIN EN 12464-1 – neue Begriffe. (PDF; 3,29 MB) Elektropraktiker, Berlin 57 (2003) 12, abgerufen am 28. Februar 2018.
  5. Fachwissen Farbe und Qualität. (PDF; 3,29 MB) Heidelberger Druckmaschinen AG, archiviert vom Original am 23. Oktober 2014; abgerufen am 16. Januar 2016.
  6. Albrecht Unsöld, Bodo Baschek: Der neue Kosmos. 6. Auflage. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg / New York 1999, ISBN 3-540-64165-3.
  7. DIN 5031 T3 und DIN 5033 T7, Lichtart D55.

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PlanckianLocus.png
CIE xy 1931 chromaticity diagram including the Planckian Locus. The Planckian locus is the path that a black body color will take through the diagram as the black body temperature changes. Lines crossing the locus indicate lines of constant correlated color temperature. Monochromatic wavelengths are shown in blue in units of nanometers. Latest version (16 April 2005) uses 1931 CIE standard observer, since this is the most commonly used standard observer.
Color temperature black body 800-12200K.svg
Autor/Urheber: Bhutajata, Lizenz: CC BY-SA 4.0

Color emitted by a black body on a linear scale from 800 kelvins to 12200 kelvins, given by Planck's Law, assuming a monitor properly calibrated to sRGB color space - D65 white point - 2.2 gamma.
Colors are out of gamut below 1934 K, so those have been desaturated to fit in sRGB color space (relative mapping).
It has been done with Microsoft Excel and Adobe Illustrator.

Every 1 kelvin, a sample was computed as follow :
Temperature (K) → Planck's law → CIE 2006 2° LMS color matching functions (1nm) → sRGB color space (Relative) → Gamma 2.2 → SVG
Then the whole data set has been optimized in order to rely on gradient interpolation when no visible difference occured.

Special thanks to Mitchell Charity whose website helped me to start this project.
Solar spectrum en.svg
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This figure shows the solar radiation spectrum for direct light at both the top of the Earth's atmosphere and at sea level. The sun produces light with a distribution similar to what would be expected from a 5525 K (5250 °C) blackbody, which is approximately the sun's surface temperature. As light passes through the atmosphere, some is absorbed by gases with specific absorption bands. Additional light is redistributed by Rayleigh scattering, which is responsible for the atmosphere's blue color. These curves are based on NREL data for above the atmosphere and at sea level, which are standards adopted by the photovoltaics industry to ensure consistent test conditions and are similar to the light that could be expected in North America. Regions for ultraviolet, visible and infrared light are indicated.
Black body visible spectrum.gif
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The black-body radiation curves for the visible spectrum. Vertical axes of Planck's law plots building this animation were proportionally transformed to keep equal areas between functions and horizontal axis for wavelengths (λ) 380-780 nm. Built with Graph, GIF Movie Gear 4.0 and Adobe Photoshop Elements. Hexadecimal values of colors for the color plate were taken from Mitchell Charity webpage.
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Zdjęcie zrobione z różnymi ustawieniami balansu bieli (napis na zdjęciu).