Augenempfindlichkeit

Engl. eye sensitivity; Eigenschaft des (insbes. menschlichen) Auges, elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen (sichtbares Licht: 380-780 nm) wahrzunehmen und als Helligkeit zu empfinden. Als absolute Augenempfindlichkeit bezeichnet man die Empfindlichkeit, die die Anzahl der Lichtquanten angibt, die zur Reizerzeugung auf der Netzhaut auftreffen müssen. Dagegen ist die spektrale Augenempfindlichkeit V von der Wellenlänge der Strahlung und ihrer Intensität abhängig. Sie besitzt ihr Maximum bei 555 nm (d.h. gelbes Licht erscheint bei gleicher Intensität heller als rotes Licht) und nimmt zum kurzwelligen (blauen) Bereich hin etwas schneller ab als zum langwelligen (roten) Bereich. Wegen der Individualität der Augen ist die Lage des Maximums nicht eindeutig und unterliegt Schwankungen. Beim Übergang vom Tagessehen zum Dämmerungssehen ist das Maximum der Augenempfindlichkeit um ca. 40 nm auf ca. 515 nm aufgrund der unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeit von Zapfen und Stäbchen im Auge verschoben. Als Folge erscheinen die Blautöne in der Dämmerung heller. Da die Rezeptoren zudem ungleich verteilt sind, ist die Farbwahrnehmung abhängig vom Lichtreiz und vom Einfallswinkel mit dem der Beobachter den Lichtreiz sieht.

Wegen der individuell unterschiedlichen Empfindlichkeitseindrücke hat man eine genormte, dem mittleren Empfinden angepasste Augenempfindlichkeitskurve gebildet, die als Referenz für visuelle Modelle dient.

Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges ist nicht im gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gegeben. Es ist nur empfindlich für Wellenlängen im Bereich von 380 und 780nm. Man nennt dies den sichtbaren Bereich oder 'Licht'. Und auch im sichtbaren Bereich reagiert unser Auge unterschiedlich auf verschiedene Wellenlängen. Seine Empfindlichkeit liegt bei Null an beiden Enden des sichtbaren Spektrums und hat sein Maximum bei 555 nm beim Tagessehen (photopisch) und bei 507 nm beim Nachtsehen (skotopisch). (vgl. Grafik)

Aus diesem Grunde ist es schwierig, Licht zu messen. Die Charakteristik eines Messinstruments muss an die des menschlichen Auges angepasst werden. Hierzu wendet man eine sogenannte V(λ)-Korrektur an. Sie führt dazu, dass das Instrument bei 555 nm am empfindlichsten ist und an beiden Enden am wenigsten empfindlich.

Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges Quelle: nach londonmet.ac.uk (R.o.)

Als Informationsträger für den menschlichen Sehsinn dient das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, das von der Sonne ausgeht. Dieses erstreckt sich von harter Röntgenstrahlung mit extrem kurzen Wellenlängen (< 0,1 Nanometer) bis hin zu langen Radiowellen (> 1 Kilometer). Ihre größte Intensität erreicht die Sonnenstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 780 Nanometern. Im Verlauf der Evolution hat sich das menschliche Auge darauf spezialisiert, genau diesen Bereich wahrnehmen zu können. Aus diesem Grund wird dieser gemeinhin als „sichtbares Licht“ bezeichnet. Einige der übrigen Wellenlängenbereiche werden von der Erdatmosphäre absorbiert, andere erreichen zwar den Erdboden, sind mit dem menschlichen Sehsinn aber nicht wahrnehmbar. Dazu zählen zum Beispiel UV- und Infrarotstrahlung.

Unabhängig von ihrer Sichtbarkeit für das menschliche Auge interagieren alle die Atmosphäre durchdringenden Strahlungsarten mit der Erdoberfläche und enthalten somit Informationen über deren Beschaffenheit. Aufgrund seiner begrenzten Empfindlichkeit für das Sonnenspektrum kann das menschliche Auge allerdings nur einen Bruchteil dieser Informationen aufnehmen.

Insbesondere bei geringen Lichtintensitäten ist die Funktion des menschlichen Auges eingeschränkt. In diesem Fall sind mit den sogenannten Stäbchen ausschließlich Rezeptoren eines einzigen Typs aktiv, wodurch lediglich eine Hell-Dunkel-Wahrnehmung der Umwelt im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 600 Nanometern erreicht wird. Das bedeutet, dass bei geringer Lichtintensität keine Differenzierung verschiedener Wellenlängen und damit auch keine Farbunterscheidung möglich ist. Die entstehenden Bilder ähneln den Aufnahmen einer panchromatischen Kamera.

Bei ausreichender Beleuchtung stellt das Auge hingegen einen Multispektralsensor mit drei relativ breiten spektralen Aufnahmebändern dar. Auf der Netzhaut im Augeninneren sitzen drei verschiedene Unterarten von Farbrezeptoren, die sogenannten Zapfen, deren Sehfarbstoffe Absorptionsspitzen bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen, sich in ihrer Empfindlichkeit aber teilweise überlappen. Im Gehirn wird die durch die Zusammensetzung der einfallenden Strahlung bedingte Aktivierung der einzelnen Zapfenarten verarbeitet und in ein farbiges Bild übersetzt. Ein violetter Farbeindruck entsteht dabei durch die kürzesten (ca. 380 bis 420 Nanometer), ein roter Farbeindruck durch die längsten noch wahrnehmbaren Wellenlängen (ca. 600 bis 780 Nanometer). Dazwischen liegen die Wellenlängenbereiche der übrigen Farbeindrücke. Zu beachten ist allerdings, dass ein bestimmter Farbeindruck sowohl durch Licht einer einzigen bestimmten Wellenlänge als auch durch Licht gemischter Wellenlängen entstehen kann. So kann beispielsweise der Farbeindruck „Gelb“ einerseits durch gelbes Licht, andererseits aber auch durch die Mischung von rotem und grünem Licht erzeugt werden.

Technische Multispektralinstrumente weisen in der Regel eine höhere spektrale Auflösung auf als das menschliche Auge, allerdings handelt es sich auch bei einer gewöhnlichen Digitalkamera bereits um ein Multispektralinstrument.