Farb-Pixel


Displays in aktuellen Geräten sind hochauflösende Farbdisplays. Der Begriff "hochauflösend" bedeutet, dass das Display sehr viele Pixel pro Quadratzentimeter besitzt und "Farbdisplay" bedeutet, dass das Display viele verschiedene Farben darstellen kann. Ein Pixel in einem Farbdisplay ist so konstruiert, dass der Sehprozess des menschlichen Auges optimal unterstützt wird.

In diesem Kapitel wird die Funktionsweise des Wahrnehmens von Farben durch das menschliche Auge vorgestellt. Damit ein Auge scharfe Bilder von der Umgebung an das Gehirn weiterleiten kann, muss das Umgebungslicht mit Hilfe der Augenlinse auf die Netzhaut fokussiert werden. Im Thema "Optik" aus dem Physik-Unterricht der Klasse 6 werden die notwendigen Kenntnisse über die Funktionsweise eines Auges vermittelt: Klasse 6 - Optik.


Aufbau der Netzhaut

Das Sonnenlicht ist die Lichtquelle, die uns seit Jahrmillionen mit Licht versorgt. Das Licht der Sonne besteht aus folgenden Farben:

Andere Farben gibt es nicht!

Was ist dann mit den Farben braun, ocker, magenta, sandfarben und vielen anderen mehr, die wir sehr wohl sehen können? Andere Farben, als die, welche im Licht der Sonne vorkommen, sind subjektive Farben, die unser Gehirn als eine Mischung aus den Farben der Sonne wahrnimmt. Der Grund für die Fähigkeit des Menschen, andere Farben als die Farben des Sonnenlichts wahrzunehmen, ist der Aufbau des menschlichen Auges.

Wenn das Sonnenlicht mit Hilfe der Pupille und der Linse fokussiert auf die Netzhaut trifft, dann wird die Energie des ankommenden Lichts an die Netzhaut übertragen. Im Physikunterricht in Klasse 12/13 lernen Sie, dass Licht aus einzelnen Energiepaketen, den Photonen besteht. Ein Photon gibt seine Energie an genau einen Lichtsensor in der Netzhaut des Auges ab. In der Netzhaut haben sich 4 verschiedene Lichtsensoren entwickelt:

  • Sensoren für "Hell-Dunkel",
  • Sensoren für die Farbe "Rot",
  • Sensoren für die Farbe "Grün",
  • Sensoren für die Farbe "Blau"

Es gibt Millionen einzelner dieser Sensoren auf unserer Netzhaut, die gleichmäßig über die Netzhaut verteilt sind. Jeder Sensor ist mit dem Sehnerv verbunden, der Signale an das Gehirn leiten kann.

Sehprozess:

  • Wenn ein Photon auf die Netzhaut trifft, gibt es seine Energie an genau einen Lichtsensor ab.
  • Wenn pro Sekunde genügend Photonen einen Lichtsensor treffen, erzeugt dieser aus der Lichtenergie ein elektrisches Signal, das an den Sehnerv weitergeleitet wird.
  • Der Sehnerv bündelt alle elektrischen Signale der Lichtsensoren und leitet diese an das Gehirn weiter.
  • Im Gehirn kann unser Bewusstsein aus den ankommenden Signalen ein Abbild unserer Umgebung erzeugen.

Sehen im Dunkeln:

  • In der Dämmerung oder in der Nacht treffen pro Sekunde sehr wenige Photonen die Netzhaut.
  • Ab einer gewissen Dunkelheit treffen pro Sekunde so wenige Photonen einen Farbsensor, dass dieser kein elektrisches Signal mehr an den Sehnerv abgegen kann. Wir sehen eine graue Welt ohne Farben.
  • Der Grund warum wir bei sehr wenig vorhandenem Licht die Welt noch sehen können, sind die "Hell-Dunkel"-Sensoren. Ein "Hell-Dunkel"-Sensor kann auch bei sehr wenigen aufgenommenen Photonen ein elektrisches Signal an den Sehnerv abgegeben, so dass wir uns uns auch bei fast völliger Dunkelheit noch orientieren können. Der Preis dafür ist, dass wir eine farblose Welt sehen.

Farbwahrnehmung

Wenn nur rotes Licht unsere Netzhaut trifft, werden nur die roten Sehnerven angeregt:

Wenn nur grünes Licht unsere Netzhaut trifft, werden nur die grünen Sehnerven angeregt:

Wenn nur blaues Licht unsere Netzhaut trifft, werden nur die blauen Sehnerven angeregt:

Andere Farben als rot, blau und grün nimmt unser Gehirn wahr, wenn die Signale der drei Lichtsensoren verschieden intensiv sind. Wenn zum Beispiel gleichzeitig helles rotes Licht und helles grünes Licht das Auge erreicht, dann senden die roten und grünen Sensoren jeweils ein starkes Signal an das Gehirn. Für das Gehirn bedeutet das gleichzeitige Wahrnehmen eines starken roten und eines starken grünen Signals die Farbe "gelb":

Die Farbe gelb gibt es zwar im Sonnenlicht, unsere Netzhaut hat aber keine Sensoren für gelbes Licht. Da gelbes Licht im Sonnenspektrum zwischen rotem und grünem Licht liegt, werden gleichzeitig rote und grüne Lichtsensoren auf der Netzhaut angeregt, wenn gelbes Licht unser Auge trifft und wir können die Farbe gelb sehen.

Ein helles rotes und ein helles blaues Signal wird vom Gehirn als die Farbe "magenta" wahrgenommen:

Mit einer geeigneten Kombination der drei Farben "rot", "grün" und "blau" kann zum Beispiel auch die Farbe "braun" im Gehirn erzeugt werden:

Wenn alle Farben des Sonnenlichts mit gleicher Lichtstärke gleichzeitig unser Auge treffen, feuern alle Lichtsensoren gleichzeitig gleich viele elektrische Signale an den Sehnerv und wir nehmen die Farbe "weiß" wahr. Die Farbe "weiß" gibt es in der Natur nicht, sondern sie ist ein subjektiver Farbeindruck, den unser Gehirn unserem Bewußtsein erzeugt, wenn die drei Farbsensoren der Netzhaut mit voller Intensität elektrische Signale an den Sehnerv feuern:

In der folgenden Simulation können Sie die Farbwahrnehmung des Gehirns erkunden.

Quelle: PhET


Aufbau eines Farb-Displays

Bei einem Schwarz-Weiß-Display kann jedes Pixel nur die Farbe "weiß" oder "schwarz" darstellen.

Der Aufbau eines Farb-Displays unterstützt direkt die Art und Weise, wie wir Menschen Farben sehen. In der Netzhaut gibt es die Farbsensoren für die Farben rot, grün und blau. In einem Farbdisplay besteht ein einzelnes Pixel aus drei Subpixeln. Es gibt drei verschiedene Subpixel:

  • Subpixel "rot"
  • Subpixel "grün"
  • Subpixel "blau"

Die Helligkeit von jedem einzelnen Subpixel kann gezielt eingestellt werden. Aus der Kombination der Helligkeit von drei direkt nebeneinander liegenden Subpixeln kann für das Gehirn jede sichtbare Farbe erzeugt werden. Das können Sie in der folgenden App erkunden.

In einem neuen Fenster starten: RGB-Pixel


Übung 1: Anzahl von Pixeln in modernen Displays

Erstellen Sie eine Übersicht in einem Anwendungsprogramm ihrer Wahl, wie sich die Anzahl der Pixel in einem modernen Smartphone-Display und in einem modernen Fernseher-Display in den letzten 10 Jahren entwickelt hat.