Metamerie - das Farb-Phänomen erklärt

Metamerie beschreibt das Phänomen, dass verschieden zusammengesetztes Licht beim Menschen ein und dasselbe Farbempfinden auslösen kann. Oder andersherum: Dasselbe Objekt hat unter nur leicht verändertem Licht plötzlich eine andere Farbe.

Das kennen Sie vielleicht schon aus dem Supermarkt: Die unter dem Supermarkt-Kunstlicht vermeintlich tiefroten Rispen-Tomaten entpuppen sich zu Hause als unreife Früchte. Wie kann das sein?

Das Problem Metamerie trieb schon Isaac Newton im 17. Jahrhundert um. Glücklicherweise schrieb er seine Forschungen 1672 in einem Brief an die britische Royal Society nieder, so dass wir heute davon wissen.

Newton begann 1666, eigene optische Linsen zu schleifen, um bessere Teleskope herstellen zu können. In diesem Zuge besorgte er sich auch ein Prisma aus Glas, um damit experimentieren zu können. Er verdunkelte seine Werkstatt komplett und ließ das Sonnenlicht nur durch ein kleines kreisförmiges Loch durch das Fenster in den Raum dringen. In diesen Lichtstrahl setzte Newton das Prisma und erfreute sich des entstehenden Farbenspiels. Dann fiel ihm auf, dass die regenbogenfarbenen Strahlen, die das Prisma verlassen und auf dem Tisch einen beleuchteten Fleck hinterlassen, gar nicht wie erwartet einen runden Fleck produzieren, wie es der Lichtstrahl ohne das Prisma in seiner Bahn tun würde. Stattdessen sah der Fleck eher schmal und rechtwinklig aus, mit klaren und geraden Seitenkanten und sich verlaufenden Enden. Der beleuchtete Fleck war ungefähr 5-mal länger als er breit war. Diese Beobachtung weckte Newtons Forschergeist. Warum hatte der Fleck gerade diese Form, und warum im 5:1-Verhältnis? Newton stellte verschiedene Thesen auf: Es könnte an der Dicke des Glases des Prismas liegen, oder an der Größe des Lichtspalts im abgedunkelten Fenster, oder aber an der Lage des Prismas im Lichtstrahl. Doch keiner dieser Faktoren änderte etwas am erzeugten bunten Fleck.

Newtons nächster Verdacht fiel auf Irregularitäten im Glas selbst. Also kaufte er noch ein zweites, baugleiches Prisma, und entwarf eine Versuchsanordnung: Das hinter dem ersten Prisma gebrochene Licht sollte durch das zweite Prisma wieder zurück auf die ursprüngliche Bahn gebracht werden. Die These dahinter: Die nicht durch Irregularitäten abgelenkten Strahlen würden so weiterlaufen, als sei der Strahl aus dem Fensterspalt überhaupt nicht durch die Prismen abgelenkt worden, und die abgelenkten Strahlen werden auf diese Weise deutlicher sichtbar.

Das Resultat: Zwar wurde der ursprüngliche Strahl aus dem Fenster wieder in die Form gebracht, die der Lichtspalt im Fenster hatte. Von durch Fehler im Glas verursachten abgelenkten Strahlen fehlte aber jede Spur.

So leicht gab Newton aber zum Glück nicht auf. Nach einem weiteren wenig erfolgreichen Versuch, dem Phänomen mathematisch auf die Spur zu kommen (er maß akribisch alle Abstände, Durchmesser und Brechungswinkel und untersuchte diese Zahlen auf Zusammenhänge), kam ihm eine neue Vermutung:

Beim Tennis-Spiel hatte Newton schon mehrmals beobachtet, wie ein Ball nach dem Schlagen mit einem Schläger aus vollem Holz in einer gekrümmten Bahn weiterfliegt. Der Ball beschreibt nach Newton gleichzeitig eine Drehbewegung um die eigene Achse und eine geradlinige Bewegung über die Spielfläche. An der Stelle, an der Drehbewegung und Translation aufeinander treffen, muss mehr Widerstand gegen die Luft ausgeübt werden als auf der anderen Seite - was zu einer Bewegungsänderung des Balls führen würde.

Vielleicht, so Newton, verhält es sich mit den Lichtstrahlen ab Austritt aus dem Prisma ja ebenso? Vielleicht verhalten sich die Strahlen wie runde Körper in Drehbewegung um sich selbst? Dann gäbe es auch hier größere Widerstände auf einer Seite, was zur Ablenkung der Bahn in die Gegenseite führen würde. Doch dann müsste ja das Licht auch hier eine krumme Bahn beschreiben - der beobachtbare Verlauf jedoch war geradlinig. Auch dieser Ansatz entpuppte sich als Sackgasse.

Eine weitere Versuchsanordnung war dann jedoch fruchtbar. Newton blieb beim ursprünglichen Loch der Fensterabdeckung, dahinter brach ein Prisma das Licht. Hinter das Prisma stellte er ein Brett, das mittig mit einem kleinen Loch versehen war. 3 Meter dahinter kam ein zweites, identisches Brett, und wiederum dahinter das zweite Prisma. Nach Austritt aus dem zweiten Prisma wurde der Lichtstrahl an der Rückwand des Zimmers sichtbar.

Newton bewegte nun das erste Prisma in der Anordnung leicht hin und her, um dafür zu sorgen, dass immer nur ein Teil des aufgefächerten Regenbogens durch das Loch im zweiten Brett fiel. So konnte er systematisch beobachten, in welchem Winkel diese jeweiligen Teile des Lichtflecks auf der Wand auftraten. Das Ergebnis: Die Ablenkung war an einem Ende des Regenbogens stärker als am anderen Ende.

Daraus schloss Newton, dass das kuriose 5:1-Verhältnis des aufgefächerten Flecks entsteht, weil das Licht aus Strahlen mit unterschiedlichem Brechungswinkel besteht. Darum wurden sie entsprechend ihres Brechungswinkels an unterschiedlichen Stellen der Wand sichtbar.

Weitere Versuche machten deutlich, dass die einzelnen Lichtstrahlen mit einer bestimmten Farbe auch immer einen bestimmten Brechungswinkel hatten. Und beide Eigenschaften, Farbe und Brechungswinkel, sagen sich gegenseitig vorher: Aus dem Brechungswinkel kann man auf die Farbe schließen, und auch umgekehrt. Dabei zeigt rot den kleinsten Winkel und tiefes Violett den größten.

Und die Strahlen scheinen diese Eigenschaften zu bewahren, auch wenn man sie verschieden mischt: In einer Versuchsanordnung trennte Newton gemischtes Licht erfolgreich in einzelne Farben auf, um die einzelnen Strahlen anschließend wieder zusammenzuführen. Newton's scharfsinniger Schluss: Offenbar ändern sich jeweils nicht die Lichtstrahlen selbst, sondern nur unsere Wahrnehmung dieser Strahlen.

Das war für sich genommen schon eine wesentliche Erkenntnis, denn bis dahin hielt man Farbigkeit für eine Eigenschaft der Objekte selbst, und nicht für eine des Lichts.

Beim Auftrennen des sichtbaren Sonnenlichts erschienen Newton 7 Farben, die er als Primärfarben bezeichnete: rot, gelb, grün, blau, lila-violett, orange und indigo und natürlich beliebige Mischungen zwischen ihnen. Heutzutage werden diese Farben als Spektralfarben oder umgangssprachlich als Regenbogenfarben bezeichnet.

Und dann kam die bahnbrechende Erkenntnis, der wir u.a. die Metamerie zu verdanken haben: Diese Primärfarben ließen sich auch zusammen mischen! Eine Mischung von gelben und blauen Strahlen ergab einen grünen Strahl, rot und gelb ergab orange usw. Newton erkannte sogar das System: Die beiden Quellfarben müssen im Regenbogen-Spektrum ungefähr gleich weit von der Primärfarbe entfernt sein, um zusammen diese Primärfarbe zu ergeben.

Damit hatte Newton den ersten schriftlichen Beleg für Metamerie hinterlassen - jedoch noch ohne das Phänomen als Metamerie zu bezeichnen.

Newton gab uns für dieses Zusammenmischen jedoch gleich eine Einschränkung mit auf den Weg: Das Ganze klappt nur, wenn die beiden Strahlen im Spektrum nicht allzu weit voneinander entfernt sind. Orange und indigo ergibt kein grün mehr.

Warum ist das so? Ohne es zu wissen, kam Newton hier einer Begrenzung der menschlichen Farbwahrnehmung auf die Schliche. Dem menschlichen Auge stehen nur drei Rezeptoren zur Verfügung. Diese Rezeptoren, Zapfen genannt, sind jeweils für einen unterschiedlichen Teil des Spektrums sensibel. Sie werden nach ihrer Sensibilität für bestimmte Wellenlängen als S-Rezeptor (shortwave, also der kurzwellige, blaue Bereich des sichtbaren Lichts), M-Rezeptor (der mittelwellige, grüne Bereich) und L-Rezeptor (der langwellige, rote Bereich) bezeichnet.

Nun können wir im Alltag ja mehr als drei Farben wahrnehmen. Das Geheimnis: Unser Gehirn nutzt die Signale der drei Rezeptoren recht geschickt: Einmal bekommen wir die Signale direkt und nehmen sie als bestimmte Farben wahr. Dann werden diese Signale aber auch noch miteinander verschaltet, und die Ergebnisse dieser Verschaltungen nehmen wir auch als direkte Farbe wahr: Wir können beispielsweise nicht direkt gelb im Sinne eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von ca. 570 nm wahrnehmen, weil wir für gelb keinen eigenen Rezeptor haben.

Trotzdem sehen wir ja eindeutig das Gelb einer Sonnenblume als direkt gelb. Das passiert genau dann, wenn die Verschaltung des Rot-Rezeptors und des Grün-Rezeptors ein bestimmtes Verhältnis ergibt.

Das ist auch das Phänomen, das Newton beschrieben hat. Der Lichtstrahl wird als gelb empfunden, wenn die Subtraktion aus den Signalen der beiden Zapfen ein bestimmtes Ergebnis hat. Aber natürlich können verschiedene Werte - miteinander subtrahiert - dieselbe Differenz ergeben: Zwei minus zwei ergibt Null, aber fünf minus fünf ergibt ebenfalls Null. Das erklärt Newtons Beobachtung: Solange M-Rezeptor und L-Rezeptor ungefähr gleich große Werte liefern, solange werden wir das Ergebnis als dieselbe Farbe empfinden.

Aber irgendwann erreichen wir bei einem der Rezeptoren den Rand von dessen Sensibilitätskurve. Dann mag das Licht auf dem gegebenen spektralen Bereich noch immer gleich stark strahlen, aber der dafür zuständige Rezeptor ist nicht mehr in der Lage, diese Daten in der vorhandenen Intensität aufzunehmen, weil er in diesem spektralen Bereich nicht mehr sensibel genug ist. Folgerichtig ergibt sich aus der Verschaltung der beiden Rezeptoren dann auch eine andere Differenz - und wir nehmen eine andere Farbe wahr.

Genau das ist es, was Newton beobachtet hat: Zwei verschiedene Lichtstrahlen zusammen gemischt ergeben für unser Auge genau die Farbe, die von der Wellenlänge her dem Mittelwert dieser beiden Strahlen entspricht. Wir können die beiden Strahlen im Spektrum des sichtbaren Lichts immer weiter auseinander schieben - so lange ihr Mittelwert gleich bleibt, so lange nehmen wir auch dieselbe Farbe wahr. Ab einer bestimmten spektralen Distanz jedoch erreichen wir die Grenzen der Leistungsfähigkeit unserer Augen, und wir nehmen eine andere Farbe wahr.

So kommt auch das Farb-Phänomen der Metamerie zustande: Zwei Körper, die uns unter Tageslicht in identischem Gelb erscheinen, können in Wirklichkeit ganz unterschiedliches Licht in unser Auge werfen. Während der eine Körper vielleicht in einem engen Bereich um 570 nm herum reflektiert, wirft der andere Körper beispielsweise einmal Licht bei 530 nm (Gelbgrün) und einmal bei 610 nm zurück (orange). Der Mittelwert dieser beiden Reflexionen ist ebenfalls 570 nm. Das kombinierte Signal, das nach Verschaltung des M- und des L-Rezeptors unser Auge erreicht, ergibt also dasselbe Gelb wie beim ersten Körper. Beide Objekte haben also scheinbar dieselbe Farbe.

Die Illusion zerbricht, sobald sich das Umgebungslicht verändert. Vielleicht haben Sie eine LED-Schreibtischlampe, die im Grün-Spektrum etwas schwächelt. In diesem Moment würde der zweite Körper scheinbar seine Farbe verändern: Wenn weniger Gelbgrün beim Körper ankommt, dann kann er auch weniger Gelbgrün in Richtung unseres Auges reflektieren - und in unserer Wahrnehmung verschiebt sich die Farbe von Körper 2 ins Orangene. Das ist Metamerie.

Manchmal ist Metamerie ein unerwünschter Effekt. Ein Beispiel ist ein Fahrrad mit lackiertem Metallrahmen und einem farblich passenden Sattel aus Kunststoff. Die Lackierung des Rahmens soll zur Farbe des Sattels passen - und das sowohl unter dem Kunstlicht im Verkaufsraum als auch danach im Sonnenlicht. Der Farbeindruck allein reicht hier nicht. Um den passenden Lack für den Rahmen auswählen zu können, müssen wir mehr über den "Aufbau" des Lichts erfahren, den der Lack reflektiert. Dafür werden Spektrometer wie das Spektralwerk verwendet. Anders als bei einem Farbsensor wird der Farbreiz bei einem Spektrometer nicht in seiner Gesamtheit betrachtet. Stattdessen wird das Licht ganz wie bei Newtons Versuchsaufbau an einem Spalt oder Gitter gebeugt und die Strahlungsintensität pro Wellenlängenbereich gemessen. Auf diese Weise können die spektralen Informationen selbst ausgewertet werden. Gelb als Primärfarbe bzw. als Farbmischung können mit einem Spektrometer deutlich unterschieden werden. Aus den spektralen Informationen, die nach einer Messung des Lacks vorliegen, kann klar entschieden werden, ob es hier das Risiko von Metamerie geben wird oder nicht.

Das Phänomen der Metamerie machen sich auch die Supermärkte bei den eingangs erwähnten Tomaten zunutze: Auch das unreife Gemüse reflektiert ja bereits einen gewissen Rot-Anteil. Es wirft aber auch grünes Licht zurück, was unseren Eindruck der Gesamtfarbe ebenfalls ins Grüne verschiebt. Die Supermärkte verstecken dank des Metamerie-Effekts das Grün aber einfach vor unseren Augen, indem direkt über den Gemüseablagen Lichtquellen angebracht werden, die nicht im Neutralweiß des Sonnenlichts leuchten, sondern mehr Anteile im Gelb-Rot-Bereich haben. Dadurch erreicht mehr Rot das Gemüse, und das Gemüse kann mehr Rot reflektieren und uns Reife vorgaukeln, die gar nicht vorhanden ist. Der Geheimtipp: Die normale Supermarkt-Beleuchtung ist meist eher neutral-weiß. Heben Sie die Tomaten beim nächsten Mal einfach aus dem trügerischen Lichtkegel, so dass sie das Gemüse im neutraleren Licht betrachten können. So schlagen Sie der Metamerie ein Schnippchen und sehen, ob sich der Einkauf wirklich lohnt.

Übrigens, falls Sie Isaac Newtons Brief im erstaunlich lesbaren Original sehen möchten: Hier ist er als PDF verfügbar.