Licht en Kleur

De drie dimensies van Kleurruimte

In de jaren 1660 begon Isaac Newton een reeks experimenten met zonlicht en prisma’s waarmee hij aantoonde dat helderwit zonlicht is samengesteld uit alle kleuren van een regenboog: het visuele spectrum van licht. Daarmee werd de weg geopend om op een wetenschappelijke manier met kleur te experimenteren. Gaandeweg werden wetenschappers het erover eens dat kleur het best wordt beschreven met drie dimensies: de kleur zelf (kleurtoon), de verzadiging (voor verf: de zuiverheid van de pigmenten) en de helderheid (lichtheid of luminantie, een maat voor de energie van het licht). Men kan aan elk van deze dimensies een waardeschaal toekennen. Als die assen in een figuur worden gecombineerd ontstaat een ruimtelijke driedimensionale figuur (lengte, breedte en hoogte), vandaar de naam kleurruimte.

Er zijn in de loop der eeuwen tientallen wiskundige vormen van 3-D kleur ruimtes gepresenteerd: bol, piramide, kubus, cilinder, kegel, etc.… Hieronder een paar voorbeelden:

De drie primaire kleuren van het oog

In de 20e eeuw is de kleurenleer zover gevorderd dat ze met succes en met mathematische precisie toegepast kan worden voor het weergeven van kleuren in de drukkunst, de fotografie, op een beeldscherm. Het CIE Lab is daarvan een voorbeeld.
Na de ontdekking van de driekleurendruk in de 17e eeuw vroeg men zich af hoe het kan dat het oog alle kleuren kan zien terwijl er toch maar drie kleuren gedrukt worden.

In 1801 suggereerde Young al dat onze retina niet op een oneindig aantal kleuren kan reageren, maar slechts op drie kleuren, die daarom primaire kleuren heten. Het wetenschappelijk bewijs hiervoor werd pas in1983 geleverd door Dartnall, Bowmaker, en Mollon.
Het oog heeft drie soorten kegeltjes die elk gevoelig zijn voor een deel van het lichtspectrum: voor rood, groen en blauw (niet rood, geel en blauw) en een soort staafjes die vooral gevoelig zijn bij een lage lichtintensiteit. Het oog is erg gevoelig voor verschillen in helderheid, veel minder voor kleine kleurverschillen. Sinds 1801 is er veel wetenschappelijk onderzoek gedaan naar licht in relatie met ons gezichtsvermogen en kleuren zien.
Hieronder een samenvatting van hedendaagse inzichten met de nadruk op kleur en het gebruik ervan in de schilderkunst.

Kleuren zien

Van het daglicht is slechts een deel van de straling, het lichtspectrum, zichtbaar voor het menselijk oog. Het spectrum van daglicht bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Het menselijk oog kan al die kleuren onderscheiden omdat het drie soorten lichtgevoelige cellen (kegels) heeft die elk gevoelig zijn voor licht met een andere kleur (= golflengte): Rood (L: long), Groen (M: medium) en Blauw (S: short wave). Elke soort kegel is gevoelig voor een deel van het lichtspectrum, de blauwe kegels zijn maximaal gevoelig voor blauw, maar ook een beetje voor groen, de groene zijn extra gevoelig voor groen, maar ook een beetje voor blauw en rood, de rode voornamelijk voor rood, maar ook voor groen en zelfs nog enigszins voor blauw.

De kleur groen.

De lichtgevoeligheidscurven van de drie soorten kegeltjes overlappen elkaar. De blauwe en vooral de rode kegeltjes zijn ook nog gevoelig voor groen licht. Het oog is dus het meest gevoelig voor groen licht zoals uit de totale kleurgevoeligheid van het oog blijkt. Omdat het oog maar een beperkte hoeveelheid licht aankan lijkt het alsof bij het zien van een groene kleur de kegels al grotendeels verzadigd raken, alsof er a.h.w. minder plaats overblijft voor de andere kleuren.
Dit verklaart ook waarom schilders en tapijtwevers altijd al hebben ervaren dat groen andere kleuren in het schilderij lijkt te vervagen, behalve als er de juiste complementaire kleur naast gezet wordt.
Cézanne en Monet verkregen schitterende resultaten door het gebruik van de juiste tegenkleuren.

De RGB-kleurencirkel voor licht en oog

Rood, Groen en Blauw (RGB) noemen we de primaire kleuren van het licht. De secundaire kleuren cyaan, geel en magenta verkrijgt men door twee primaire kleuren van het licht te mengen: rood en groen geeft geel, rood en blauw wordt magenta, en blauw en groen geeft cyaan.

Door twee of drie primaire kleuren licht te mengen in wisselende verhouding kan met alle zichtbare kleuren verkrijgen.

Christiaan Huygens (1629 -1695), een tijdgenoot van Newton, toonde experimenteel aan dat licht van bepaalde kleur met slechts twee of drie verschillende lichtkleuren verkregen kan worden. Dezelfde kleur kan met talloos verschillende combinaties van gekleurd licht verkregen worden.

Wordt het licht minder helder (de lamp of het zonlicht minder sterk) dan worden de kleuren minder fel, minder helder, dus donkerder waargenomen.

Recht tegenover elkaar gelegen kleuren op de rand van de kleurencirkel noemen we complementair. Alle tegenover elkaar gelegen kleuren op de cirkelrand (die de uiteinden van een denkbeeldige rechte lijn door het middelpunt vormen) zijn complementair. Als we twee complementaire kleuren mengen krijgen we wit licht, zoals de complementair-paren: Blauw + geel, Groen + magenta, Rood + cyaan. In feite zijn er eindeloos veel combinaties van complementaire lichtparen die samen een wit licht opleveren.

Een voorwerp dat door daglicht beschenen wordt krijgt kleur doordat maar een gedeelte van het invallende licht weerkaatst wordt, de rest wordt geabsorbeerd. Een roodgekleurd voorwerp absorbeert dus alle kleuren van het daglicht, behalve het gereflecteerde rode deel van het spectrum. Met het absorberen van een deel van het spectrum wordt ook de bijbehorende lichtenergie geabsorbeerd. Die weerkaatste kleur is daardoor minder helder dan het invallende licht, heeft minder energie.

Eugène Chevreul vond in al 1839 dat de kleuren van bepaalde kleurenparen intenser overkomen als ze stijf tegen elkaar gezet worden dan als ze niet tegen elkaar staan en afzonderlijk gezien worden. Bij andere kleurenparen lijkt het juist of naast elkaar staande kleuren elkaar verzwakken. Worden de vlakken uit elkaar gehaald dan verkrijgen ze weer hun normale helderheid.

Complementaire en successieve contrastwerking

Complementair of simultaan contrast.

Chevreul definieerde het complement als het deel van het spectrum dat in het licht ontbreekt. In een rood licht is alleen het rode deel van het spectrum aanwezig.
Als alleen de voor rood gevoelige kegeltjes geprikkeld worden willen de andere kegeltjes kennelijk ook wat doen en roepen tegelijkertijd (simultaan) de ontbrekende (complementaire) kleuren op. Deze simultaan ontstane kleur is niet echt aanwezig, maar ontstaat pas in ons oog. Kennelijk is het voor het oog prettig als de kleuropbouw evenwichtig is, als de drie verschillende kleurkegeltjes ongeveer even veel geprikkeld worden. Als dat niet het geval is heeft het oog de neiging naar de ontbrekende kleur te zoeken, als het ware de ontbrekende kleur aan te vullen, te complementeren.
Dus een rood oppervlak, dat groen (en blauw) absorbeert, neigt ertoe alle aanliggende oppervlakten groener te doen lijken. Groen lijkt dus meer groen door er rood naast te zetten, terwijl omgekeerd het rood roder lijkt door het naastliggende groen. De complementaire contrasten rood-cyaan, blauw-geel en groen-magenta zijn het meest sprekend.

Successieve (opeenvolgende) contrastwerking (nabeeld)

Wanneer men een tijdje op één kleur staart en vervolgens naar een gewoon wit oppervlak kijkt dan ziet men het successief (opeenvolgend) contrast of negatief nabeeld - de vage kleuraanvulling (complement) van de oorspronkelijke kleur, een nabeeld - in dezelfde vorm tegen de witte achtergrond in wat Chevreul in 1839 de complementaire kleur of tegenkleur noemde. De verklaring hiervoor is dat de kegeltjes in de ogen die blauw registreren “moe” worden van het lang kijken naar een blauwe stip waardoor die kleur in het oog een beetje onderdrukt wordt. Kijkt men vervolgens met vermoeide kegeltjes naar een wit scherm, dan ziet het oog een wit waar een beetje blauw aan onttrokken is waardoor op die plek kortstondig een nabeeld van een vage stip ontstaat in de complementaire kleur geel.

Het effect vertekent ook je perceptie van naast elkaar gelegen kleuren. Kijkend naar een heldere vlek oranjerood met vlak daarnaast een gele vlek. Het negatieve nabeeld van oranjerood is groenblauw, de gele vlek wordt daardoor als doffer waargenomen dan hij in werkelijkheid is. Je "ziet" een minder verzadigd geel door de overlap van het blauw-groene nabeeld.

De biologische eigenschap van het oog

Dit simultane en successieve contrastwerking treedt op bij alle kleurparen waarbij het ene paar als levendig en het andere als saai ondervonden wordt. Het ervaren daarvan is een visuele eigenschap van het oog, biologisch bepaald.

Afbeelden in licht en kleur

Kleurmenging: Additief, subtractief, optisch (partitief of gemengd)

In een additief kleursysteem (optellen van lichtenergieën) , met lichtmenging, ontstaat wit licht uit twee complementaire kleuren met dezelfde helderheid. Additief omdat de kleur ontstaat door het samenvoegen van gekleurd licht waardoor de samengestelde kleur helderder is dan elk van de samengestelde kleuren. Voorbeelden: de kleurstippen van de tv en beeldschermen, toneelverlichting.

Subtractief (aftrekken van lichtenergieën). Van een gekleurd voorwerp wordt een deel van het (dag)licht dat erop valt door een of meerdere kleurstoffen geabsorbeerd, de rest wordt teruggekaatst. Aan het teruggekaatste licht ontbreken dus kleuren en het voorwerp wordt daardoor gekleurd. Dit geldt voor alle materiële en zichtbare dingen om ons heen.

Optische (Partitieve of gemengde) kleurmenging doet zich voor als verschillend gekleurde stippen naast elkaar gezet worden en bij snel opeenvolgende kleurwisselingen. Het is een tussenvorm: Het teruggekaatste licht van subtractieve kleurstippen of vlakjes (b.v. op een schilderij of in drukwerk) worden optisch in het oog gemengd. Hierdoor zijn optische mengkleuren minder helder dan die van additieve menging (puur licht), maar helderder dan die van de subtractieve kleuren die gereflecteerd worden door grote egale kleurvlakken (muur, schilderij, etc.).

De Kleur van stippen op drukwerk of een pointillistisch schilderij ontstaat doordat het pigment een deel van het lichtspectrum van de gekleurde stippen wegfiltert waardoor het teruggekaatste licht minder fel is dan het invallende. De teruggekaatste kleuren vallen echter wel als licht in het oog en omdat de stippen zo dicht op elkaar staan mengen ze op grotere afstand additief (licht) in het oog. Schilderijen kunnen, net als modern drukwerk, met een combinatie van subtractief en optisch kleurgebruik gemaakt zijn. Dat was altijd al mogelijk, maar na het bekend worden van de theorie konden schilders die voor het eerst doelgericht gaan gebruiken. Dat gebeurde vooral in het Pointillisme (stippeltechniek) en het Impressionisme in de tweede helft van de 19e eeuw, kort nadat de theoretische kennis van de moderne kleurenleer beschikbaar was gekomen. Cézanne heeft dit principe in zijn rijpe werk consequent toegepast.

Kleursystemen voor oog en palet.

In de praktijk gebruikt men verschillende kleurencirkels als men met kleur werkt. De additieve en subtractieve kleurcirkels hebben de kleuren op de buitenrand gemeen, dit zijn de zuivere kleuren.

• Voor daglicht, toneellampen en beeldschermen (additief). Hiervoor gebruikt men de RGB-cirkel (de primaire kleuren rood, groen, blauw). Naar het centrum toe worden de additieve kleuren lichter en helderder, er wordt immers met licht gemengd; licht-energieën worden opgeteld.
• Voor kleurendruk en het palet (subtractief). Op de subtractieve cirkel worden de kleuren naar het centrum toe donkerder en minder zuiver omdat er door menging lichtenergie geabsorbeerd wordt. In de drukkunst gebruikt men de drie primaire kleuren cyaan, magenta en geel. Een mengsel van de drie primaire kleuren of van een complementair kleurenpaar zou zwart moeten opleveren, maar in de praktijk ontstaat er een soort bruin. Daarom voegt men apart zwart toe (kleurendruk: CMYK). Omdat er lichtenergie geabsorbeerd wordt kan er geen wit gemengd worden. Het wit van het papier wordt benut of men gebruikt witte inkt.

Alles wat we zien komt als licht ons oog binnen, dus voor het oog geldt de additieve kleurcirkel. Als een schilder optische kleurwerking wil gebruiken omdat hij heldere kleuren wil verkrijgen is het gebruik van de subtractieve cirkel handig omdat dat nu eenmaal de manier is waarop verf zich op een doek gedraagt. Zodoende kan hij zich concentreren op de mogelijkheden die complementaire en successieve kleurwerking bieden voor het vervaardigen van het schilderij. De nog vaak door schilders gebruikte kleurschema’s van Blanc of Itten zijn gebaseerd op het mengen van verf en daarom handig bij het mengen van kleur op het palet. Geel wordt als primaire kleur gebruikt i.p.v. groen.

Kleurenleer na Chevreul

Schema van Blanc

Charles Blanc werkte de theorie van Chevreul verder uit en publiceerde in 1867 zijn boek “Grammaire des Arts du Dessin”. Hij legt zijn theorie uit aan de hand van een kleurenschema dat uit zes driehoekjes bestaat, de primaire kleuren rood, geel en blauw en de secundaire of mengkleuren oranje, groen en violet. Dit schema was evenals dat van Chevreul gebaseerd op het mengen van verf en niet op het mengen van licht. Doordat niet het groen als primaire kleur is gekozen ontstaan er afwijkingen t.o.v. de moderne kleurcirkels. Zijn kleurenschema voldoet dus niet aan de visuele werking van het oog. Ondanks dit kleine verschil is zijn schema toch de basis voor het ontwikkelen van de moderne kleurenleer, die op basis van licht en oog experimenten tot stand kwam.

Hij legt uit hoe kleuren met behulp van zijn schema gemengd kunnen worden en stelt dat kleuren hun maximale intensiteit bereiken als ze vlak naast hun complement staan. Maar hij waarschuwt ook dat ze elkaar of triomfantelijk kunnen ondersteunen, of volledig vernietigen.

Hij adviseert schilders o.a.: kleuren zo veel mogelijk optisch te gebruiken i.p.v. van het traditionele mengen op het palet. Dat inspireerde veel schilders van die tijd tot het doen van experimenten met kleur. O.a. de Impressionisten, Cézanne, Monet, van Gogh en Matisse, hebben onderzocht hoe ze daarvan een optimaal gebruik konden maken voor de ontwikkeling van een heldere schilderkunst.

Schema van Johannes Itten

In de 20e eeuw is Blancs kleurenleer verder uitgebouwd door Johannes Itten (Bauhaus). Hij publiceerde een kleurcirkel gebaseerd op subtractieve kleurmenging (verf) en die nog steeds door veel schilders gebruikt wordt bij het mengen op het palet. Ook hij gebruikt geel als primaire kleur i.p.v. groen.
Hij onderscheidt zeven contrasterende kleurparen:

Allereerst de drie kleurparen die overeenkomen met de drie dimensies van de kleurruimte voor licht:

1. De kleur zelf of kleurtoon afhankelijk van de frequentie van licht (alle kleuren langs de rand van de kleurcirkel),
2. De verzadiging of zuiverheid (met verf: de hoeveelheid pigment of menging met andere kleuren
3. De helderheid (lichtheid of luminantie), een maat voor de energie van het licht dat in het oog valt:

Dan twee paren die het gevolg zijn van de werking van het oog. Chevreul definieerde het als een verschijnsel: “het complementair of simultaan contrast”. Bij Itten zijn het twee los van elkaar staande contrastparen :

1. Het complementair contrast. Sommige naast elkaar geplaatste kleurparen lijken elkaar te versterken, andere lijken elkaar juist te verzwakken.
2. Het simultaan contrast Het verschijnsel dat een willekeurige kleur de complementair-kleur virtueel oproept, zo neemt grijs binnen oranje schijnbaar een blauwe tint aan.

Dan nog twee contrastparen die op de menselijke ervaring gebaseerd zijn:

1. Het kwantiteitscontrast: veel van een of twee kleuren tegenover weinig van een andere kleur.
2. Het warm-koud contrast: bijvoorbeeld rood (warm) tegen blauw (koud).

Daarnaast bespreekt hij twee-, drie-, vier- en zes-klanken in kleur, hoe grote meesters uit het verleden kleuren toepasten en wat ze er mee tot uiting konden brengen.

Schilders na Chevreul en Blanc

De kleurenleer van Chevreul en Blanc werd door veel schilders uit tweede helft van de 19e eeuw omarmd, men ging uitgebreid experimenteren. Toch is gebruik daarvan nog erg gecompliceerd omdat men er met veel meer aspecten (contrasten) rekening dient te houden dan alleen het naast elkaar zetten van de juiste kleurparen.

Kleuren hebben een verschillende mate van helderheid (energie) zoals Itten al wist (kwantiteitscontrast) en Gerritsen wetenschappelijk aantoonde. Itten geeft zelfs de verhoudingen van de grootte van vlakken met verschillende kleuren voor het verkrijgen van een visueel gelijkwaardige indruk. Dit zijn iets andere verhoudingen van de relatieve helderheid volgens de theorie van Gerritsen..

Het komt erop neer dat men in veel gevallen gelijktijdig rekening moet houden met meerdere kleuren en kleurcontrastparen, zoals b.v. Itten ze definieert, plus nog de niet door hem genoemde reffecten zoals: - Het verschijnsel dat sommige kleuren naar voren lijken te komen, andere lijken te wijken, of - de subjectieve waarden van kleuren.

De schilders waren dus op de ervaring van hun ogen aangewezen. Dat zijn ze altijd al geweest, maar in de tweede helft van de 19e eeuw openden zich allerlei interessante mogelijkheden die ze al schilderend en met de principes van de nieuwe kleurenleer in hun achterhoofd proefondervindelijk onderzochten. Zo ontdekten ze dat bepaalde kleurrelaties op zeker moment ineens op elkaar lijken in te werken, alsof het hele doek plotseling tot leven komt, of juist niet.