Metamerie-index

Mit Metamerie bezeichnet man in der Optik den Sachverhalt, dass unterschiedliche Spektren für eine gegebene Lichtart beim Menschen den gleichen Farbeindruck hervorrufen können. Metamer sind zwei Farbtöne immer dann, wenn sie nur unter einer Lichtart identisch aussehen, jedoch nicht unter einer anderen.^[1]

Quantifiziert wird Metamerie durch den Vergleich der Farbabstände ΔE zweier Proben unter zwei verschiedenen Lichtquellen. Das Maß ist der sogenannte Metamerie-Index.

Grundlagen

Der Farbreiz führt zur unmittelbaren Wirkung auf den Zapfenapparat und ergibt eine Farbvalenz. Die Farbvalenz führt zusammen mit anderen Einflüssen, vor allem der Farbstimmung, zur Farbempfindung.

„Eine Farbvalenz wird ja … durch drei Farbwerte bestimmt, die ihrem Wesen nach Integralwerte sind. Zwei Farbvalenzen sind gleich, wenn die einander entsprechenden Integrale gleich sind. Dazu ist es aber nicht erforderlich, daß auch die Farbreizfunktionen einander gleich sind. Sind beide Farbflächen von der gleichen Lichtart beleuchtet, so können trotz gleicher Farbvalenzen (also gleichem Aussehen) die Remissionsfunktionen [also die spaktrale Verteilung] verschieden sein. Gleiches Aussehen trotz verschiedener Remissionsfunktionen wird nur von der paarweisen Gleichheit der Farbwert-Integrale bedingt.“

– Manfred Richter^[2]

Das Licht, das die Farbinformationen für den Sehsinn enthält, besteht nun aus einem kontinuierlichen Spektrum elektromagnetischer Strahlung. Etwa zwischen 380 nm und 780 nm mit variablen Intensitäten zu jeder dieser Wellenlängen ist es sichtbar. Dieses Spektrum wird nun auf den physikalischen Apparat des Auges abgebildet und von nur drei Sensor-Typen (den Zapfen) und gegebenenfalls den Hell-Dunkel-Rezeptoren (Stäbchen) registriert. Jeder dieser Rezeptoren (Sensoren)besitzt eine eigene spektrale Empfindlichkeit.

Bei der Abbildung des Farbreizes auf die Zapfen (nahezu unendliche Realität auf drei Sensoren) können so gleiche Eindrücke bei gleichen äußeren Bedingungen auf unterschiedlichen Spektren beruhen. Somit kann die gleiche Farbvalenz (Farbempfindung) durch sehr verschiedene Farbreize erzeugt werden.

Beispiele

• Zwei Textilien (Körperfarbe) können unter einer bestimmten Lichtart gleich aussehen, während sie unter einem anderen Licht unterschiedlich aussehen (Abendfarbe). Will man die Metamerie eines Stoffes herausfinden, müssen die Proben immer unter mindestens zwei unterschiedlichen Lichtverhältnissen bewertet werden. Dazu wird häufig Tageslicht und als zweite Lichtquelle eine Glühlampe oder Leuchtstofflampe verwendet. Dieses Problem kennt jeder, der zu einem Kleidungsstück etwas später ein anderes in der gleichen Farbe kaufen will. Im Geschäft unter Kunstlicht sieht es gleich aus, aber bei Tageslicht ist die Farbe doch nicht identisch.

• Metamerie tritt auf, wenn die Färbemittel der vorgelegten Proben unterschiedlich sind. Werden die Spektralkurven mit einem Spektralfotometer erstellt, so können sich diese zwar schneiden, aber sie sind nicht deckungsgleich. Je mehr Schnittpunkte vorhanden sind, desto höher ist die Metamerie.

• Metamerie bezieht sich immer auf zwei Probenpaare und die Differenz derer Farbtonabstände.

• Farbtonumschlag oder Farbumstimmung meint den Vorgang, dass sich nur eine einzelne Probe bei variiertem Licht ändert. Das ist der Fall, wenn sich eine Vorlage in der Tertiärfarbe eines „rötlichen Brauns“ in ein „grünliches Braun“ ändert. Ist jedoch eine zweite Probe unter einer der Lichtarten identisch, aber unter der anderen nicht, so spricht man von Metamerie.

• Bei Tierexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass für Menschen metamere Farben für andere Lebewesen nicht gleichfalls metamer sein müssen und umgekehrt. Dies liegt an einer anderen Zahl von Farbrezeptoren, beispielsweise bei Säugetieren meist zwei, bei Vögeln oft vier, oder abweichenden Empfindlichkeitskurven der Farbrezeptoren bei anderen Lebewesen. Dadurch unterscheiden sich auch die zur Farbempfindung notwendigen Gewichtungen der Signale der Zapfen.

• Aufgrund von Metamerie vergleicht man Farben manchmal unrichtig, beispielsweise erscheinen die Farben einer roten, reifen sowie einer blassen, unreifen Tomate im engen Farbspektrum rot-gefilterten Kunstlichts am Gemüsestand gleich rot. Anderes Licht als das auftreffende rote kann die unreife Tomate nicht reflektieren. Erst am Fenster, wo sie nicht nur überwiegend Rot reflektiert, sondern das ganze Spektrum auftrifft, tritt der Farbunterschied zutage.

Kalibrierung

Mit der Metamerie-Kalibrierung beschäftigt sich die Internationale Beleuchtungskommission (IBK) beziehungsweise die "Commission Internationale de l'Éclairage" (CIE). Das ist nötig, da das Auge den ganzen Tag metamer kalibriert ist, aber für den Stand der Technik der mittlere Messpunkt nur das mittlere Tageslicht ist. Demzufolge kann eine Analyse der spektralen Zusammensetzung von Licht (beispielsweise der Abstrahlung eines beleuchteten Gegenstands), basierend allein auf Farbdarstellungen (beispielsweise Farbfotos des Gegenstands), nicht durchgeführt werden.

Mit Hilfe der Farbmetrik ist der Metamerie-Beleuchtungseffekt messtechnisch erfassbar und dadurch die erforderliche gleichmäßige Kalibrierung möglich.

Umgekehrt dagegen macht Metamerie Farbreproduktionen mit nur drei Grundfarben überhaupt erst möglich. Ein frisch gepflücktes, grünes Blatt einer Pflanze und ein gedrucktes Bild eines Blattes ganz ohne grüne Druckfarbe, sondern mit gelber und blauer können sich durchaus gleichen.

Bestimmung des Metamerie-Index

Die genannten Effekte können durch die Bestimmung des Metamerieindex frühzeitig erkannt werden. Dies dient dazu, Fehlinterpretationen auszuschließen, was im Alltag nicht immer möglich ist.

Zur Bestimmung des Metamerieindex wird ein Probenpaar unter mindestens zwei verschiedenen Lichtarten gemessen. Als metameriefrei werden dabei Probenpaare bezeichnet, die unter allen verwendeten Lichtarten einen sehr geringen Farbabstand haben. Als metamer werden Probenpaare bezeichnet, die unter einer Lichtart nahezu identisch sind, unter den anderen Lichtarten aber merklich unterschiedlich erscheinen.

Es existieren verschiedene Methoden zur Berechnung des Metamerie-Index. Die einfachste ist die Größe zwischen den Farbabständen bei den gewünschten Lichtarten, also die Bestimmung des ΔE. Ist dieser Wert Null oder nahe Null, kann das Probenpaar als frei von Metamerie betrachtet werden.^[3][4]

Wege zur Vermeidung von Metamerie

Vorzugsweise bei Tageslicht wird die Kombinierbarkeit von Kleidungsstücken beurteilt. Bei Stoffen in der Textilindustrie ist die Änderung der Farberscheinung durch den Metamerieeffekt besonders wichtig. Meist wird in der Herstellung versucht, ihn durch geeignete Farbstoffauswahl zu minimieren, um feste Farbkombinationen unter verschiedenen Beleuchtungen zu gewährleisten. Man kann Metamerie durch die Textilfärbung aber auch so ausnutzen, dass bestimmte Muster erst bei besonderer Beleuchtung zum Vorschein kommen.

Der Metamerieeffekt tritt auch in der Lackindustrie auf. Hier wird er durch die Verwendung verschiedener Pigmentkombinationen hervorgerufen. Durch die Vielzahl möglicher Pigmente, die bei der Nachstellung von Farbtonmustern verwendet werden können, ist die Vermeidung von Metamerie eine häufig anzutreffende Fragestellung. Schwierigkeiten treten etwa bei der Nachstellung von mit den üblichen, allerdings schlecht wetterbeständigen Pigmenten hergestellten Drucken durch verschiedene Hersteller auf.

Die Metamerie der Nachstellungen zur gedruckten Vorlage ist somit offensichtlich, meist erhält man jedoch durch die Vielzahl der Möglichkeiten auch eine Metamerie zwischen den Lackherstellern. Ebenso kann die Verwendung unterschiedlicher Lacktypen durch die jeweils unterschiedliche Einschränkung der Pigmentauswahl zu Metamerie führen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von einerseits Nasslack und zum anderen Pulverlack. Derselbe Effekt kann aber auch innerhalb der Gruppe der Nasslacke auftreten, z.B. bei einerseits lösemittelhaltigen und andererseits wässrigen Systemen. Hier ist die Berechnung der verschiedenen Metamerie-Indices das Mittel der Wahl, um diese (nicht immer völlig zu vermeidenden) Effekte zumindest einzuschränken.

Metamerie ist auch ein Problem beim sogenannten Weißabgleich in der Digitalfotografie. Trotz manuellen Abgleichs auf eine genormte Weiß- oder Graukarte kann die unterschiedliche Farbempfindlichkeit von Auge und Kamerasensor zu unnatürlicher Farbwiedergabe führen. Die Verwendung ungeeigneten Materials zum Abgleich, beispielsweise Papier, das optische Aufheller enthält, kann je nach Beleuchtungsfarbe und -art zu unerwarteten Ergebnissen führen.

Einzelnachweise

1. ↑ A. Goldschmidt, H.-J. Streitberger; BASF-Handbuch Lackiertechnik; Vincentz-Verlag; Hannover; 2002
2. ↑ Manfred Richter: Einführung in die Farbmetrik.Walter de Gruyter, Berlin New York 1976. S. 84
3. ↑ DIN 6172: Metamerie-Index von Probenpaaren bei Lichtartwechsel; Beuth-Verlag; Berlin 1993
4. ↑ DIN EN 13523-15: Metamerie; Beuth-Verlag; Berlin 2002