Bei meiner günstigen Schreibtischlampe kann ich zwischen drei Farbtemperaturen wählen. Ich habe mir mit dem optischen Gitter einmal die Spektren angeschaut.

Die Lampe wird verschieden abgestimmte LEDs verbaut haben, die man umschalten kann. Sie hat drei Modi: rötlich, neutral, und bläulich. Wir bezeichnen rötlich und bläulich als »warm« bzw. »kalt«, dabei ist das physikalisch gesehen genau falsch herum, wärmere Gegenstände glühen bläulich.

Die Farbtemperatur basiert auf dem Modell der Schwarzkörperstrahlung. Das ist ein schwarz lackierter Körper, der glühend heiß ist. Wenn der mit einer Temperatur von 5700 K (ungefähr 6000 °C) glüht, dann strahlt der Licht mit einer Farbtemperatur von 5700 K ab. Das entspricht dann unserem Sonnenlicht.

Bei LED-Lampen ist die Strahlung alle andere als das glatte Schwarzkörperspektrum. Man nimmt vielmehr das Spektrum und passt die theoretische Kurve daran an, auch wenn sie überhaupt nicht passt.

Ich wollte mir das Spektrum jedenfalls einmal anschauen, insbesondere mit den drei Modi. Wahrscheinlich haben sie dort rötliche und bläuliche LEDs verbaut und schalten die einfach nur unterschiedlich stark zusammen.

Spektrometer mit Gitter und Kamera

An sich müsste man das mit einem teuren Spektrometer ausmessen, damit das wirklich sinnvoll funktioniert. Die Teile sind aber zu teuer, um das mal aus Spaß zu machen. Also habe ich mir eine einfache Version selbst gemacht.

Das erste ist das optische Gitter. Das ist eine Folie, die extrem feine vertikale Linien aufgedruckt hat. Zur Schulzeit fand ich das im Physik-LK so cool, da habe ich mir für vielleicht 10 EUR ein gebrauchtes gekauft. Das sieht plan betrachtet unspektakulär aus. Wenn man es aber leicht kippt, so sieht man den reinsten Regenbogen, den man je gesehen hat.

Mit dem Bastelskalpell habe ich dann einen feinen Schlitz aus übriger Pappe geschnitten. Die Pappe befestige ich an der Lampe und kann so einen feinen Lichtspalt erzeugen.

Das Gitter klebe ich dann vor das Objektiv der Kamera. Das ganze betrachte ich dann aus einem Winkel, damit ich das erste Beugungsmaximum fotografieren kann.

Spektren

Die aufgenommenen Spektren sehen dann so aus:

rötlich:

bläulich:

neutral:

Da kann man schon gut erkennen, dass die neutrale Einstellung die Überlagerung der beiden anderen ist. Wenn man die Lampe einschaltet, sieht man ebenfalls, wie im neutralen Modus die rechten und linken LEDs aktiv sind. Bei rötlich und bläulich ist nur die rechte oder die linke Seite aktiv.

Im rötlichen Modus fehlt das Violett komplett, im bläulichen Modus ist viel mehr davon da. Das Rot und Orange ist auch etwas anders.

RGB-Sensoren

Das, was wir hier am Bildschirm als Gelb sehen, ist überhaupt kein Gelb. Der Monitor aktiviert Rot und Grün, das sehen wir dann als Gelb. Unsere Augen können nämlich auch gar kein Gelb sehen. Wir haben L-, M-, und S-Zapfen im Auge, die jeweils auf einen gewissen Teil des optischen Spektrums ansprechen. Gelbes Licht aktiviert L- und M-Zapfen, somit können wir es als Gelb identifizieren. Sehen wir aber eine Überlagerung von Rot und Grün, aktiviert das die gleichen Zapfen und wir sehen es auch als Gelb.

Der Sensor in der Fotokamera funktioniert genauso, der deckt Rot, Grün und Blau (RGB) ab. Der Monitor zeigt genau diese drei Komponenten an. Und unser Auge spricht auf genau die wieder an. Das System ist aufeinander abgestimmt.

Das bedeutet allerdings auch, dass ich mit einer Kamera nicht Gelb von einer Überlagerung aus Rot und Grün unterscheiden kann, wie es ein Spektrometer mit einem monochromatischen Sensor kann. Was ich letztlich machen kann ist ein Schwarzweißbild des Spektrums hinter dem Gitter aufzunehmen, das ist die beste Annäherung, die ich machen kann.

Analyse der Messwerte

Wir können nun die drei Fotos nehmen, über die Höhe hinweg mitteln und uns dann die Intensität in den drei Kanälen sowie der gewichteten Kombination anschauen. Somit erhalten wir diese drei Graphen:

In dieser Darstellung kann man gut sehen, wie die einzelnen Kanäle der Kamera überlappen. Der Übergang von Rot zu Grün ist ein Gemisch, genau das was wir uns vorher bezüglich Gelb überlegt haben. Bei den hohen x, also den Blautönen, sieht es aber nicht so einfach aus.

Um innerhalb eines Kanals die Farbtemperaturen vergleichen zu können, drehen wir die Darstellung einmal um. Nun ist jede Untergrafik ein Kanal der Kamera (oder die gewichtete Kombination davon). Wir haben die drei Farbtemperaturen. Aufgrund meines unprofessionellen Versuchsaufbaus sind die nicht alle bei x ideal synchron, da darf man nicht zu genau hinschauen.

Fangen wir bei der Helligkeitskurve an, bei der sollten die Effekte der Kamera weitestgehend reduziert sein. Vergleicht man da das rötliche und bläuliche Licht (orange und blaue Kurve), sieht man letztlich das, was man erwartet. Bei kleinen x, also den roten Farben, ist das rötliche Licht intensiver, bei den hohen x das bläuliche Licht. Dazwischen wechseln sie sich dann ab. Das neutrale Licht ist insgesamt intensiver; das liegt wohl an den gleichzeitig aktiven LEDs.

Interessant finde ich vor allem die höhere Intensität im roten Kanal bei hohen x (Violett) beim bläulichen Licht. Daraus kann man ableiten, wie der Kamerasensor generell arbeitet. Der Rot-Kanal spricht also auch auf Violett an, nicht nur auf Rot. Wir analysieren also nicht nur die Lampe, sondern auch die Kamera noch mit. Das macht das alles noch deutlich komplizierter.

Generell kann man aus dem Rotkanal noch mitnehmen, dass die neutrale Farbtemperatur die Summe der beiden anderen ist. Somit sind das wirklich beide LED-Sorten gleichzeitig.

Fazit

Die Spektren sind sich ähnlicher, als das Licht auf den ersten Blick vermuten lässt. Durch den leicht höheren Blauanteil und geringeren Rotanteil verschiebt sich das für unsere Wahrnehmung schon deutlich genug. So richtig etwas gelernt habe ich aus der Analyse nicht. Es hat trotzdem mal wieder Spaß gemacht, etwas Physik zu machen.