Displays

Displays
Inhalte
ƒ Licht
1. Was ist Licht?
2. Unsere sichtbare Welt:
nur ein kleiner Ausschnitt
3. Geballte Energie
4. Reizbare Zapfen und Stäbchen
5. Additive Farbmischung
copyright 2007
1. Was ist Licht?
Bis heute bleibt Licht ein faszinierendes Phänomen. Zwar ist dieses
Wesen aus der Quantenwelt von den Formeln der Physiker ausführlich
beschrieben – und doch: Licht ist eine Welle – bloß woraus? Und
gleichzeitig ist Licht ein Teilchenstrom, d. h. kleine Photonen genannte
Energiepakete.
Tatsächlich ist Licht erst als Kombination als Welle und als Teilchen
überhaupt zu verstehen (Welle-Teilchen-Dualismus)
Es kommt nur auf die Situation an, was erklären werden soll: Zur
Beschreibung der Ausbreitung von Licht eignet sich das Wellenmodell
sehr gut, das dem Licht einen bestimmten Platz in einem Spektrum
elektromagnetischer Strahlung zuweist.
Hier gleicht Licht einer Welle, das allerdings kein Medium wie Wasser
braucht, um sich zu bewegen. Am besten kommt es im Vakuum voran,
denn Lichtwellen bestehen aus elektromagnetischen Feldern, d. h. aus
Energie und nicht aus Materie. Wenn es jedoch um die Beschreibung der
Wechselwirkung von Licht mit Materie im atomaren Maßstab geht,
kommen die Teilcheneigenschaften ins Spiel. Sie sind dazu geeignet, das
Licht als Sonde, Detektor, Informationsträger und – bei hinreichender
Intensität – auch als Erzeuger höchster mechanischer Kräfte zu
beschreiben.
Erst die Relativitätstheorie und später die Quantenphysik brachten
mehr Licht ins Dunkle und erklärten, warum Licht sich immer mit
derselben Geschwindigkeit ausbreitet und nur in diskreten
Energieportionen vorkommt. Diese Energieportionen, d. h. Photonen, sind
die Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung, einer der vier
fundamentalen Wechselwirkungen des Universums. Neben der Gravitation
ist die elektromagnetische Wechselwirkung die unser Leben am meisten
bestimmende Kraft. Zusätzlich zu ihren sichtbaren Spuren wie z.B. das
Licht sorgt sie auch dafür, dass sich Materie gerne zusammenballt.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
2. Unsere sichtbare Welt:
nur ein kleiner Ausschnitt
Was haben Licht, Radio- und Funkwellen, Infrarot- und Röntgenstrahlung
gemeinsam? Sie alle gehören zu dem großen Spektrum
elektromagnetischer Wellen, die sich in ihren Wellenlängen voneinander
unterscheiden.
Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen 380 nm
und 780 nm. Rot entspricht langwelliger Strahlung und Blau der kurzen.
Die Spannbreite ist dabei riesig: Die längsten sind Funkwellen mit mehr
als 10 km Länge, die kleinsten sind die der radioaktiven
Gammastrahlung mit Wellenlänge von gerade bis zu 10 pm (Pikometer
= ein Billionstel eines Meters).
Und nur ein winziger Bereich dieses elektromagnetischen Spektrums ist
für uns Menschen sichtbar und wird deshalb Licht genannt. Die
Photorezeptoren unserer Netzhaut reagieren nur auf einen
Wellenlängenbereich im Bereich einiger Hundert Nanometer (ein
Nanometer, nm = Milliardstel eines Meters), genauer: von rund 380 nm
(Violett) bis 780 nm (Rot).
Das langwellige Infrarot (780 nm bis 1 mm) spüren wir nur als Wärme,
während wir Fernseh-, Radio- und Funk-Wellen gar nicht mehr
wahrnehmen können. Ebenfalls für uns Menschen unsichtbar sind die
kurzwelligen UV-Strahlen (380 nm bis 10 nm), die in die
Röntgenstrahlen (10 nm bis 0,01 nm) übergehen. Je kürzer die Wellen,
desto energiereicher sind sie –Röntgenstrahlen können daher tief in
den menschlichen Körper eindringen. Noch kleinere Wellenlängen haben
nur die Gammastrahlen, der elektromagnetische Teil der Radioaktivität.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
3. Geballte Energie
Licht hat Kraft – besonders, wenn es gebündelt wird, gewissermaßen im
Gleichschritt und in eine Richtung marschiert. Eine der revolutionärsten
Erfindungen des 20. Jahrhunderts basiert auf diesem Effekt: der Laser,
englische Abkürzung für „light amplification by stimulated emission of
radiation“, also Lichtverstärkung durch angeregte Emission von
Strahlung.
Laserstrahlen sind gebündeltes, kohärentes Licht. „Kohärent“ bedeutet,
dass alle Photonen im Gleichschritt marschieren. (Jenoptik Laser, Optik,
Systeme GmbH)
Um das zu verstehen, müssen wir uns auf Atomebene begeben – und
uns Licht als einen Strom von Photonen, d. h. Energiequanten,
vorstellen. Photonen können nun so erzeugt werden, indem Elektronen,
die in unterschiedlichen Orbitalen um einen Atomkern gebunden sind,
Energie zugeführt wird: Sie wechseln dann von einem Orbital niedriger
Energie zu einem höherer Energie.
Wenn das Elektron dann wieder auf das „alte“ Orbital zurückfällt, wird die
Energiedifferenz in Form von Licht freigesetzt (emittiert), genauer
gesagt: in kleinen, bestimmten Energiepaketen, den Quanten. Meist
aber strahlen die Atome eher spontan und unkoordiniert ihre Energie in
Form von Licht ab, doch es geht auch anders.
Schubser mit Folgen
Während bei herkömmlichen Lichtquellen dieser Übergang spontan
erfolgt, gleicht dieser beim Laser einer sich selbst verstärkenden Lawine
stimulierter Lichtemission: Aus wenigen Photonen werden mithilfe von
Spiegeln unzählige Kopien erstellt. Das so erzeugte Licht hat ein ganz
spezielles Merkmal: Laserlicht ist nämlich keine Mischung aus
Wellenzügen verschiedener Länge wie etwa das Sonnenlicht, sondern es
ist zeitlich und örtlich kohärent.
Das heißt, die Lichtwellen schwingen im gleichen Takt und breiten sich in
dieselbe Richtung aus. Viele im Gleichschritt laufende Photonen werden
zu einem engen Strahl gebündelt. Das Ergebnis: Lichtwellen eines Lasers
können noch nach großen Distanzen interferieren, herkömmliches Licht
vermag dies nicht.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
4. Reizbare Zapfen und Stäbchen
Das Sehen verdanken wir zwei Sorten von lichtempfindlichen
Empfängern, die in der Netzhaut unseres Auges eingebettet sind: die
Zäpfchen und die Stäbchen. Von den Zäpfchen gibt es drei Sorten, die
jeweils auf eine bestimmte Wellenlänge des Lichts, also auf kurzwelliges,
mittelwelliges und langwelliges Licht –Blau, Grün oder Rot –
ansprechen. Mit ihnen können wir somit Farben wahrnehmen.
Die Netzhaut unserer Augen ist mit drei unterschiedlichen Sensoren, für
die Farben Rot, Grün und Blau überzogen. (Wikipedia)
Die Stäbchen hingegen sind für Hell-Dunkel-Sehen zuständig, sie sind
empfindlicher als die Zapfen. Dies ist der Grund dafür, dass wir bei
Dunkelheit noch etwas sehen, aber eben keine Farben mehr
unterscheiden können.
Grün ist nicht gleich Grün
Farbe ist nicht nur eine reine Eigenschaft der physikalischen Welt,
sondern eine Sinneswahrnehmung: Farbe ist von der menschlichen
Wahrnehmung von bestimmten Lichtwellenlängen geprägt. Erst unsere
Augen und vor allem das Gehirn erzeugen einen Farbeindruck.
Ein grünes Blatt erscheint uns „grün“, wenn es von weißem Licht
getroffen wird: Der rote Teil dieses Lichts wird von der Oberfläche
„verschluckt“ und der Rest wird reflektiert, also wieder abgestrahlt. Dies
ist die Grundlage der subtraktiven Farbmischung
Sichtbar bleibt schließlich die Farbe, deren Anteil am wenigsten
verschluckt, genauer absorbiert, wird. Vom ursprünglich vorhandenen
Spektrum des Sonnenlichts, also alle Farben, wird durch jede Teilfarbe
ein Stück „subtrahiert".
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
Für unser Blatt heißt es also: Es absorbiert besonders im roten Bereich
und sieht deswegen grün aus. Nicht ganz ohne Grund: Sonnenlicht ist im
Wesentlichen Gelb-Rot, so dass die Pflanzen die meisten Photonen
sammeln können. Betrachten wir unser Blatt allerdings unter einem
anderen Umgebungslicht, also z.B. unter einer Leuchtstofflampe oder
einer Glühbirne, ändert sich seine Farbe in ein bläuliches oder rötliches
Grün. Die wahrgenommene Farbe des Blattes ist also abhängig von der
Lichtquelle, mit der wir es betrachten.
Weißes Licht lässt sich in seine Farbkomponenten aufspalten, da die
Brechung von der Lichtwellenlänge abhängt. Dies nennt man
„Dispersion“.
Farben hängen nicht nur von unserer individuellen Augenempfindlichkeit
ab, sondern natürlich auch von der beleuchtenden Lichtquelle, z. B.
Neonlicht oder Tageslicht. Farbig erscheint uns ein Körper immer dann,
wenn er Licht verschiedener Wellenlänge unterschiedlich stark ausstrahlt,
also bestimmte Farben bevorzugt aussendet (bei selbstleuchtenden
Körpern) bzw. bestimmte Farben absorbiert (bei reflektierenden
Körpern).
Ein Körper, der alle Farben gleichmäßig gut ausstrahlt bzw. reflektiert,
erscheint weiß; ein Körper, der alle Farben absorbiert, erscheint uns
schwarz. Darüber hinaus werden Farben auch durch Strukturen
bestimmt. Milch z. B. ist weiß, weil die kleinen Fetttröpfchen Licht jeder
Wellenlänge gleichmäßig gut streuen. Die blauen Flügel mancher
Schmetterlinge hingegen werden durch eine Lochstruktur hervorgerufen.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
5. Additive Farbmischung
Farben lassen sich nicht nur im Farbkasten mischen, sondern auch durch
die Kombination von Licht. Obwohl gewöhnliches Licht, wie es etwa von
der Sonne oder einer Glühlampe erzeugt wird, in der Regel weiß scheint,
sind darin dennoch viele verschiedene (Licht-)Farben enthalten.
Das dafür bekannteste Phänomen in der Natur ist der Regenbogen: Er
entsteht, wenn das Sonnenlicht von Millionen kleiner Wassertropfen in
seine Bestandteile zerlegt wird (Lichtbrechung). Solch eine Zerlegung
(Dispersion) ist auch mit einem Glasprisma möglich. Das bunte
Zerlegungsbild, Spektrum genannt, zeigt die Spektralfarben des Lichts.
Die Wasserwand aus vielen Regentropfen spaltet das weiße Sonnenlicht
in seine Farbkomponenten auf (hier zu sehen: Haupt- und Nebenbogen).
Solch eine Zerlegung (Dispersion) ist auch mit einem Glasprisma möglich.
Das bunte Zerlegungsbild, Spektrum genannt, zeigt die Spektralfarben
des Lichts. Weil nun im weißen Licht alle Farben enthalten sind, die alle
für das Farbsehen zuständigen Sinnesorgane in unserem Auge, die
Zäpfchen, gleichmäßig anregen, entsteht Weiß. Anders ausgedrückt: Die
Teilspektren verschiedener Farben addieren sich zu einem
Gesamtspektrum, die Grundlage der additiven Farbmischung.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de
Der RGB-Farbraum als Farbwürfel-Modell – betrachtet von vorne und
hinten. Jede Farbe entspricht genau einem Punkt dieses Würfels.
Auf diesem Prinzip basieren auch die Displays. Hier werden drei kleine
Farbflächen (Subpixel) in Rot, Grün und Blau so dicht nebeneinander
platziert, dass sie bei ausreichendem Abstand nicht mehr vom Auge
separat aufgelöst werden können und scheinbar zu einer Farbe
zusammenfließen. Die resultierende Mischfarbe entsteht dadurch, dass
die einzelnen Bildpunkte unterschiedlich stark leuchten.
www.techtower.de - Eine Initiative vom Bundesministerium für Bildung und Forschung - www.bmbf.de