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Was ist die hellste Farbe, die eine Lichtquelle erreichen kann, die nur blaues Licht emittiert?

Was ist die hellste Farbe, die eine Lichtquelle erreichen kann, die nur blaues Licht emittiert?


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Nehmen wir an, es gibt eine leuchtende Glühbirne, die nur blaues Licht aussendet und Sie (oder eine Kamera, wenn Sie es vorziehen) aus nächster Nähe betrachten. Wird die maximal wahrgenommene Helligkeit kein "Weiß" haben? Denn es gibt kein weißes Licht, wenn alles blau ist. Wahrscheinlich wäre das hellste, was es sein könnte, einfarbig blau? Daher könnten blaue Photonen je nach Lichtstärke oder Menge der Photonen, die pro Sekunde auf Ihr Auge treffen, einen Farbbereich von Schwarz bis Vollblau erzeugen? Wenn dies der Fall ist, was passiert dann, wenn Sie die Intensität der Glühbirne auf ein extremes Niveau erhöhen? Gibt es einen Abschneidepunkt, an dem Sie, selbst wenn Sie der Glühbirne mehr Intensität hinzufügen, immer noch die gleiche einfarbige blaue Farbe sehen?


Die Farbe, die das menschliche Sehvermögen für eine bestimmte Lichtfrequenz (vor der Sättigung aller Zapfen) wahrnimmt, wird aus den relativen Reaktionen verschiedener Zapfen abgeleitet. Bei etwa 480 nm ist die Reaktion von S- und M-Kegeln beispielsweise ungefähr gleich. Das menschliche Auge ist jedoch nicht in der Lage, reine Farben (einzelne Wellenlängen) von Kombinationen von Wellenlängen zu unterscheiden, die bei jedem der drei Kegeltypen die gleiche Reaktion erzeugen.

Es ist möglich, dass eine blaue Lichtquelle für das menschliche Auge weiß erscheint, da die Zapfen, die unsere Farbwahrnehmung bestimmen, nicht streng monochromatisch sind. Vielmehr haben sie einen Empfindlichkeitsbereich über das gesamte Spektrum, und alle Zapfen sind zumindest etwas empfindlich für blaues Licht. (Siehe dieses Diagramm.) Wenn das blaue Licht so intensiv ist, dass es alle Zapfen S (blau), M (grün) und L (rot) sättigt, wird es als weißes Licht wahrgenommen. Um jedoch die niederempfindlichen M- und L-Kegel zu sättigen, wäre die Intensität des Lichts blendend hoch. Vor diesem Punkt, aber nach Sättigung der S-Kegel, verschiebt sich die scheinbare Farbe des Lichts in Richtung Grün, bevor es schließlich weiß erscheint. Bei Intensitäten, die keine Kegel sättigen, bleibt der Farbton der Farbe Blau konstant, während sich ihr Wert (oder ihre Helligkeit) ändern kann.


Unterschied zwischen Tageslicht und weichweißen LED-Lampen

Abgesehen davon ist die gängige Terminologie, die mit energieeffizienten LED-Leuchten verbunden ist, Tageslicht, Hellweiß und Weichweiß. Dies sind nichts anderes als Darstellungen des quantitativen Wertes von Kelvins. Wir werden in diesem Artikel nur die Tageslicht- und Soft-White-LED-Glühbirnen besprechen. Tageslicht ist ein sehr helles weiß-blaues Licht mit einer sehr hohen Farbtemperatur im Bereich von 5000 – 6500 K. Sie reflektieren Farben auf natürliche Weise wie warmweiße LED-Leuchten und erzeugen einen nahezu perfekten natürlichen Effekt. Soft White erzeugt einen gelben Farbton und eine niedrigere Farbtemperatur im Bereich von 2700 – 3000 K. Denken Sie daran, je höher der Kelvin-Wert, desto heller das Licht. Wir präsentieren einen unvoreingenommenen Vergleich zwischen den beiden LED-Lampentypen basierend auf ihrer Farbtemperatur.


Was ist Vollspektrumlicht? Vollspektrum ist nicht direkt sichtbar oder beobachtbar

Zur Verwirrung bei den Verbrauchern trägt auch bei, dass die „Fülle“ eines Lichtspektrums für das menschliche Auge nicht direkt wahrnehmbar ist. Mit anderen Worten, eine Glühbirne ohne Vollspektrum und natürliches Tageslicht könnten genau dieselbe Farbe und Erscheinung des emittierten Lichts haben, obwohl sie deutlich unterschiedliche spektrale Eigenschaften haben.

Vollspektrum bezieht sich typischerweise auf die Vollständigkeit der Spektralenergie einer Lichtquelle, insbesondere im Vergleich zu natürlichen Lichtquellen wie natürlichem Tageslicht. Die genaue spektrale Zusammensetzung einer Lichtquelle kann nur durch spezielle photometrische Geräte, wie beispielsweise ein Spektrometer, bestimmt werden.

Mit anderen Worten, als Verbraucher haben Sie keine praktische Möglichkeit, unabhängig zu überprüfen oder zu bestätigen, dass eine von Ihnen gekaufte Vollspektrumlampe tatsächlich ein vollständiges Spektrum aufweist.

Spektral gesprochen gibt es viele Möglichkeiten, dieselbe Lichtfarbe zu erzeugen, und dies gilt auch für die Farbe des natürlichen Tageslichts (allgemein als Tageslichtweiß bezeichnet).

Werfen wir zunächst einen Blick auf das Lichtspektrum für natürliches Tageslicht. Sie werden feststellen, dass die Lichtenergie gleichmäßig über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt wird, ohne Lücken, Einbrüche oder Spitzen.

Es ist sehr wichtig, sich daran zu erinnern, dass sowohl natürliches Tageslicht als auch diese Leuchtstofflampe die gleiche scheinbare Lichtfarbe haben - tageslichtweiß. Mit anderen Worten, trotz eines signifikanten spektralen Unterschieds ist die Die Lichtfarbe der Leuchtstofflampe ist für unsere Augen nicht vom Tageslicht zu unterscheiden.


Anregungsbereich und Maximum

Ein angeregtes Fluorophor-Molekül emittiert energieärmeres Licht als das Licht, das es absorbiert. Daher gibt es entlang des Spektrums immer eine Verschiebung zwischen der Farbe des von dem Fluorophor während der Anregung absorbierten Lichts und der emittierten Farbe.

Ein fluoreszierender Farbstoff absorbiert Licht über einen Wellenlängenbereich – und jeder Farbstoff hat einen charakteristischen Anregungsbereich. Einige Wellenlängen innerhalb dieses Bereichs sind jedoch für die Anregung effektiver als andere Wellenlängen. Dieser Wellenlängenbereich spiegelt den Bereich der möglichen angeregten Zustände wider, die das Fluorophor erreichen kann. Für jeden Fluoreszenzfarbstoff gibt es also eine spezifische Wellenlänge – das Anregungsmaximum –, die die Fluoreszenz am effektivsten induziert.

Typische Darstellung der Darstellung von Fluorophor-Anregungsbereich (Balken) und Fluorophor-Anregungsmaximum (Sterne).


Zwischenspiel: der CIE X,Y,Z Farbraum

Es wäre möglich, eine Farbe durch den Wert der Antworten der drei Kegelzellen zu parametrisieren (normalisiert beispielsweise in Bezug auf ein Referenzweiß). Dies ist jedoch nicht der übliche Weg: Die genauen Reaktionsfunktionen der Zapfen auf Reize sind erst seit kurzem bekannt. Stattdessen sind einige ältere, konventionelle Funktionen von Nutzen: die Farbanpassungsfunktionen der CIE (Commission Internationale de l'Éclairage), langweilig als X, Y und Z bezeichnet. Die Funktion Y soll genau die Helligkeitsfunktion sein. Die Funktion Z ist (proportional zu) die Antwort der kurzen Kegel (diese ist leicht zu bestimmen, da sie für genügend große Wellenlängen verschwindet, sicherlich ab 620 nm). Und Funktion X ist eine mehr oder weniger willkürliche Konvention.

Typischerweise beseitigt man die lästige Abhängigkeit von der Leuchtkraft und bewegt sich wie folgt in den zweidimensionalen Farbraum: seien x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z) und z =Z/(X+Y+Z) (so dass x+y+z=1 und z redundant ist). Dann wird eine Farbe durch ihren Farbwert (x,y) und ihre Leuchtkraft Y (falls erforderlich) angegeben. Oft ist die Leuchtkraft nicht spezifiziert oder auf andere Weise irrelevant, und wir leben vollständig im zweidimensionalen (x,y)-Diagramm. Dies ist genau das Koordinatensystem, das wir zuvor verwendet haben, um die zweidimensionale Farbtafel darzustellen (mit x im Bereich von 0 bis 1 auf der Abszisse und y im Bereich von 0 bis 1 auf der Ordinate natürlich „lebt“ alles im unteren linken Dreieck , weil z=1−x−y auch nichtnegativ sein muss).

Hier einige Beispieldatenpunkte:

xjaCa.
Flachspektrum-Referenz0.33330.3333
Leuchtmittel D65 (sRGB weiß)0.31270.3290
Leuchtmittel D550.33240.3474
Leuchtmittel D50 (PCS weiß)0.34570.3585
Leuchtmittel A0.44760.4074
Leuchtmittel C0.31010.3161
sRGB roter Phosphor0.64000.3300
sRGB grüner Phosphor0.30000.6000
sRGB blauer Phosphor0.15000.0600
Schwarzkörper (unendliche Grenze)0.23990.2340
Schwarzkörper (9300K)0.28490.2932
Schwarzkörper (6500K)0.31350.3236
Schwarzkörper (5000K)0.34510.3516
Schwarzkörper (3000K)0.43690.4041
Schwarzkörper (0K-Grenze)0.73470.2653
Monochromatisch 420nm0.17140.0051
Monochromatisch 460 nm0.14400.0297
Monochromatisch 490nm0.04540.2950
Monochromatisch 520 nm0.07430.8338
Monochromatisch 532 nm („grüner Laser“)0.17020.7965
Monochromatisch 550 nm0.30160.6923
Monochromatisch 555 nm (Empfindlichkeitsspitze)0.33740.6588
Monochromatisch 570nm0.44410.5547
Monochromatisch 589 nm (orange Natriumlinie)0.56930.4301
Monochromatisch 590nm0.57520.4242
Monochromatisch 610 nm0.66580.3340
Monochromatisch 635 nm („roter Laser“)0.71400.2859
Langer Kegel reiner Reiz (theoretisch)0.75010.2499
Reiner Stimulus mit mittlerem Kegel (theoretisch)1.4669-.4669
Kurzer Kegel reiner Reiz (theoretisch)0.1669-.0180


Rotverschiebung und Blauverschiebung

Eine sich bewegende Lichtquelle ein Weg vom Hörer (v ist positiv) würde ein FL das ist weniger als FS. Im sichtbaren Lichtspektrum verursacht dies eine Verschiebung zum roten Ende des Lichtspektrums, daher wird es als a . bezeichnet Rotverschiebung. Wenn sich die Lichtquelle bewegt zu der Zuhörer (v negativ ist), dann FL ist größer als FS. Im sichtbaren Lichtspektrum bewirkt dies eine Verschiebung zum hochfrequenten Ende des Lichtspektrums. Aus irgendeinem Grund hat Violett das kurze Ende des Stocks und eine solche Frequenzverschiebung wird eigentlich als a . bezeichnet Blauverschiebung. Offensichtlich können diese Verschiebungen im Bereich des elektromagnetischen Spektrums außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums nicht wirklich in Richtung Rot und Blau erfolgen. Wenn du dich zum Beispiel im Infraroten befindest, verschiebst du dich ironischerweise ein Weg von Rot, wenn Sie eine "Rotverschiebung" erleben.


Wellenlänge-zu-Farb-Beziehung

Ein einfaches Werkzeug, um eine Wellenlänge in nm in eine RGB-, Hexadezimal- oder HSL-Farbe umzuwandeln.

Im Laufe von Millionen von Jahren hat sich das menschliche Auge so entwickelt, dass es Licht im Bereich von 380 &ndash 780 nm erkennt, einem Teil des elektromagnetischen Spektrums, das als . bekannt ist sichtbares Licht, die wir als Farbe wahrnehmen. Der besondere Wellenlängenbereich fällt mit einem Fenster in der Erdatmosphäre zusammen, durch das dieses Licht wandern kann. Strahlung mit höherer Frequenz wie Röntgenstrahlen wird von der Atmosphäre absorbiert, ebenso wie niedrigere Frequenzen wie Mikrowellen.

Sonnenlicht erscheint uns weiß, weil es über alle sichtbaren Frequenzen nahezu gleichmäßig emittiert. Ein Laser beispielsweise emittiert jedoch nur bei einer einzigen ganz bestimmten Frequenz. Helium-Neon-Laser emittieren bei 632,8 nm, was ein helles Rot ist. Die Laser in Ihrem Blu-ray-Player emittieren bei 405 nm, was, wie der Name schon sagt, blau ist. Wir können damit beginnen, uns ein Bild davon zu machen, wie die Frequenz mit der Farbe zusammenhängt.

Eine häufige Möglichkeit, auf Computerbildschirmen auf Farbe zu verweisen, ist die Verwendung des RGB-Systems. In diesem Modell erhält jede Farbe einen Wert für jede Rot-, Grün- und Blaukomponente im Bereich von 0 bis 255, was einen Gesamtwert von 16,7 Millionen möglichen Farben ergibt. Aufgrund der sehr komplexen Art und Weise, wie das Auge Farben wahrnimmt, können wir jedoch Farben sehen, die außerhalb der Farbskala des RGB-Schemas - es gibt kein eindeutiges Mapping, das eine Wellenlänge definitiv in eine Farbe umwandelt, und als solches sollte das obige Werkzeug eher als Annäherung denn als rigorose Ressource angesehen werden.


Was ist die hellste Farbe, die eine Lichtquelle erreichen kann, die nur blaues Licht emittiert? - Biologie


Fotos: Edison Tech Center / Planar: www.Planar.com

Verwendung von elektrischem Strom durch einen Phosphor oder Halbleiter
Handelsgeschichte
(1950er - Heute)

Einführung und Statistik

Wie sie arbeiten

Erfinder und Entwicklungen

Um es einfach auszudrücken EL-Lampen oder "Elektrolumineszenz-Hochfeldlampen" verwenden elektrischen Strom direkt durch einen Phosphor, um Licht zu erzeugen. Im Gegensatz zu den meisten Lampen können sie extrem flach oder in schmalen drahtähnlichen Formen geformt werden.
Elektrolumineszenz oder "EL" ist die nicht-thermische Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie. Dieses Phänomen wird in EL-Lampen, LEDs und OLEDs verwendet. Auf dieser Seite sprechen wir über EL-Geräte, die Licht erzeugen, indem sie hochenergetische Elektronen in Phosphormaterialien anregen wie ZnS:Mn. Dieser Gerätetyp verwendet "Hochfeld-Elektrolumineszenz".

Vorteile:
-Niedrige Wattleistung
-Langes Leben
-Keine externe Schaltung erforderlich (kein Vorschaltgerät zur Strombegrenzung erforderlich, es kann direkt an Wechselstrom angeschlossen werden und regelt den Strom durch seinen eigenen Widerstand selbst)
-Kann zu flachen flexiblen Platten, schmalen Schnüren und anderen kleinen Formen hergestellt werden
-Kann zu wasserdichten Computermonitoren verarbeitet werden, die haltbarer und leichter sind als LCDs oder Plasmabildschirme.
-Nicht gerichtet wie LCDs, wenn sie als Computermonitor verwendet werden, sieht in allen Winkeln gut aus
-EL-Displays können einen beeindruckenden Temperaturbereich von -60 ° C bis 95 ° C bewältigen, was LCD-Monitore nicht können

Nachteile:
-Nicht praktikabel für die Allgemeinbeleuchtung großer Flächen aufgrund geringer Lumenleistung von Leuchtstoffen (bisher)
-Schlechte Lumen pro Watt, jedoch wird die Lampe normalerweise sowieso nicht für eine hohe Lumenleistung verwendet
-Reduzierte Lumenleistung im Laufe der Zeit, obwohl neuere Technologien in diesem Punkt besser sind als ältere Phosphore
-Flexible flache EL-Platten verschleißen beim Biegen, an der Haltbarkeit wird gearbeitet
-Die Lampen können eine erhebliche Menge an Strom verbrauchen: 60-600 Volt
-Typischer EL Benötigt einen Wandler, wenn er mit Gleichstromquellen wie bei Uhren verwendet wird (um Wechselstrom mit höherer Frequenz zu erzeugen, ist dies hörbar)

EL-Statistik
*Lumen pro Watt: 2-6
*Lampenlebensdauer: 2.000 - 50.000 Stunden
*CRI - N/A
*Farbtemperatur - N/A
*Verfügbar in 0,01 - 3 W

Links: EL-Hintergrund mit LCD-Display,
in den 1990er Jahren von Timex als "Indiglo" vermarktet


Ein elektrolumineszierendes Rettungszeichen, einfach zu bedienen bei geringem Stromverbrauch und sehr langer Lampenlebensdauer. Foto: Limelite

1. Wie es funktioniert:

Es gibt verschiedene Variationen der Funktionsweise von EL, je nachdem, ob Sie von einem Flachbildschirm, einem Seillicht, einer DC-EL-Technologie, einem Dünnfilm-EL-Display oder einem anderen komplexen Design sprechen.

EL-Geräte sind Monoträger-Geräte die aufgrund der Stoßanregung eines optischen Zentrums wie dem Mn-Atom Licht abgeben. Sie tun dies, indem sie hochenergetische Elektronen in der Wirtsmatrix (üblicherweise ZnS) transportieren.

Der Einfachheit halber beschreiben wir eine einfache EL-Lampe:

Hochspannungs-Wechselstrom wird durch eine dünne Phosphor- oder Halbleiterschicht geleitet und dies verursacht eine Lichtemission. Zwei Schichten aus festem Material (eine davon transparent) wirken als Elektroden und ein pulverförmiger Leuchtstoff oder Halbleiter dazwischen leuchtet, wenn Elektronen von einer Elektrode zur anderen passieren. Durch die Entwicklung von transparenten Leitern wie Indium-Zinn entweicht Licht auf einer Seite aus dem Gerät.

EL-Lampen mit dickem Phosphorpulver werden in den meisten einfachen Lampen verwendet, die zur Beleuchtung verwendet werden, einschließlich der Nachtlichter und Ausgangs-/Sicherheitszeichen. Die folgende Grafik zeigt dicke Phosphorlampen.

Dünnschicht- und Dickdielektrikum-EL (TFEL, TDEL): Diese Technologie wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, EL-Displays (ELDs) werden am häufigsten verwendet. Ein Display ist keine "Lampe" im herkömmlichen Sinne, aber wir behandeln es hier wegen seiner Bedeutung für die Entwicklung von EL. TFEL und TDEL verwenden häufig Seltenerdmaterialien wie Er, Tm, In und mehr.

TFEL - Dünnschicht-Elektrolumineszenzgeräte
TFEL entstand in den 1950er Jahren und unterscheidet sich dadurch, dass es dünnere aktive Schichten und einen anderen Aufbau enthält. TFEL war eine Verbesserung gegenüber der dicken Pulverkonstruktion, es ermöglicht kleine Geräte und eine präzise Steuerung von Pixeln auf einem Display. Es war eine Herausforderung, Wege zu entwickeln, um dünne polykristalline Filme auf einem Substrat (dem Trägermaterial) abzuscheiden/zu wachsen, jedoch wurden viele Prozesse entwickelt, um die Erweiterung der TFEL-Technologien zu ermöglichen. Im Folgenden beleuchten wir den grundlegenden Aufbau eines TFEL-Geräts.
Notiz:
-TFEL hat ab 2012 maximal 6 Lumen pro Watt.
-TFEL benötigt typischerweise 1,5 Megavolt pro Zentimeter, damit die aktive Schicht Licht macht

Video des TFEL-Aufbaus:

So funktioniert TFEL:
TFEL hat eine Phosphorschicht, die Licht emittiert, wenn ein ausreichend großes elektrisches Feld angelegt wird. Dieser dünne Leuchtstofffilm erfordert ein so hohes Energieniveau, dass die Möglichkeit eines schädlichen Kurzschlusses durch Unvollkommenheiten im Leuchtstoff besteht. Zwischen der Elektrode und dem Leuchtstoff werden auf beiden Seiten Isolierschichten verwendet, um den Strom zu begrenzen und die ordnungsgemäße Funktion des TFEL zu gewährleisten.

TFEL-Geräte verhalten sich wie 3 in Reihe geschaltete Kondensatoren: Die Spannung steigt und eine Durchbruchspannung wird erreicht, wo Strom durch die halbleitende Schicht (den Phosphor) fließt, der den Phosphor anregt und Licht erzeugt. Die Isolatorschichten wirken als Kondensatoren mit Spannungsaufbau und -durchbruch.

Bevor Sie sehen, wie das EL-Gerät funktioniert, sollten Sie sich in diesem Video ansehen, wie ein Kondensator funktioniert:


Dünnschicht-EL verwendet einen Epitaxieprozess, um Kristalle auf einem Substrat zu züchten. Dieses Verfahren ermöglicht es, einen "Film" oder eine ultradünne Materialschicht (gemessen in Nanometern (nm)) auf Glas oder einer anderen ebenen Oberfläche zu erzeugen (diese Oberfläche liefert eine Struktur und wird "Substrat" ​​genannt). Bei der TFEL-Epitaxie werden etwa 500 Nanometer dicke Schichten erzeugt, wobei die Größe je nach Produkt variiert. Später wurde TDEL (thick dielektrische EL) entwickelt, um ein Produkt mit höherer Leuchtkraft als TFEL herzustellen. TDEL verwendet eine Struktur, bei der die Elektroden durch eine dünne Isolierschicht vom dickeren Leuchtstoff getrennt sind. Sowohl TFEL als auch TDEL verwenden Epitaxie, es gibt viele Formen der Epitaxie von MBE (Molecular Beam) bis ALE (Atomic Layer Epitaxy) (die in ALD (Atomic Layer Deposition) umbenannt wurde). Das Verständnis der Epitaxie erfordert ein wenig Zeit, wir empfehlen Online-Vorträge und Websites für diesen Bereich. Lesen Sie hier mehr über ALD von Tuomo Suntola (PDF).

Transparente und nicht transparente EL-Displays

Eine Möglichkeit, ein nicht transparentes TFEL-Display aufzubauen, besteht darin, zwei Schichten für Plastikfolie oder Glas zu verwenden, eine ist mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder einem anderen Halbleiter beschichtet, während die andere flache Oberfläche ein reflektierendes Material hat. In der „aktiven“ Schicht von Leuchtstoffen (z. B. ZnS Mn) wird Licht erzeugt. Licht, das in die falsche Richtung emittiert wird, wird von der Rückplatte reflektiert und geht durch die gegenüberliegende Seite mit dem transparenten Halbleiter, auf diese Weise erreichen Sie eine höhere Leuchtkraft. Bei vielen individuell gesteuerten Geräten und einem steuernden Computer können Sie das Gerät ein- oder ausschalten, zusammen ergibt dies einen Bildschirm. Bei einem mehrfarbigen Display können über den Einheiten angebrachte Filter steuern, ob die Einheit rotes, gelbes oder grünes Licht emittiert. Blau wurde noch nicht entwickelt, und aus diesem Grund können EL-Displays derzeit nicht mit der LCD-Technologie für Vollfarb-Consumer-Displays konkurrieren.

Transparente EL-Displays zwei Schichten transparenter leitender Filme (TCFs) wie die Elektroden mit dem Leuchtstoff dazwischen. Da sie keine reflektierende Rückseite haben, erzeugen sie derzeit nicht die gleiche Helligkeit wie Standard-EL-Displays. Trotzdem hat das Display einige sehr interessante und einzigartige Anwendungen, die noch nicht weit verbreitet sind.

Transparente leitfähige Folien (TCFs) umfassen Indium-Zinn-Oxid (ITO) und fluordotiertes Zinn oder Zinkoxid (FTO) (FZO). ITO wird auch in der Dünnschicht-Solarindustrie eingesetzt. Die Carbon-Nanotube-Technologie ist ein organischer leitfähiger Film, der teure Seltenerdmaterialien wie Indium ersetzen könnte. Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-PEDOT-Filme und andere Polymerfilme haben ebenfalls das Potenzial, ITO zu ersetzen. Die Herstellung neuer, billigerer Materialien ist wichtig, um das Wachstum von EL-Displays und -Leuchten im täglichen Leben der Verbraucher zu sehen.

Dieser Lampentyp erzeugt Licht als Elektronen, die in Löchern eines Halbleiters radioaktiv kombiniert werden. Um zu verstehen, wie Halbleiter auf molekularer Ebene funktionieren, ist eine lange Beschreibung oder eine ganze Vorlesung erforderlich. Das Indian Institute of Technology Madras bietet einen Multi-Video-Vortrag an, der mit einem 59-minütigen Video über Festkörpermaterialien beginnt.

TDEL:
Die TDEL- oder Dickschichtdielektrikum-EL-Technologie ist dafür bekannt, eine Lösung für das Blauproblem bereitzustellen. Es bietet die einzige derzeit verfügbare Vollfarb-RGB-Display-Technologie.

Als effektiv haben sich Dickschichtdielektrikum-Displays erwiesen: Sie haben eine gute Helligkeit (Leuchtkraft) und einen ordentlichen Wirkungsgrad. iFire Group und TDK Corporation halten derzeit die Patente für diese Technologie. Der Leuchtstoff in TDEL ist 10K - 20K Nanometer dick. Einige TDEL, wie sie in Displays verwendet werden, verwenden zwei Phosphorschichten. Die untere dicke Schicht ist gegen dielektrischen Durchschlag beständig, kann also einen höheren Strom transportieren und ein helleres Licht erzeugen. Über der dicken dielektrischen Schicht befinden sich farbige Leuchtstoffe aus ZnMgS:Mn (grün) und BaAl2S4:Eu (blau). Mit diesem System kann RGB erzeugt werden.

2. Erfinder und Entwicklungen:

Elektrolumineszenz wurde bereits 1936 vom Wissenschaftler Georges Destriau verwendet. Erst in den 1950er Jahren begannen Unternehmen mit der Entwicklung der Technologie für praktische Anwendungen.

1936 - Georges Destriau , die eine Mitarbeiterin von Marie Curie in ihrem Labor in Paris war, begann mit dem Studium der Elektrolumineszenz. Er prägte den Begriff, als er mit ZnS-Pulvern arbeitete.
Paris, Frankreich

1958 - Elmer Friedrich während der Arbeit für General Electric entwickelte EL-Lampen, von denen einige sehr anspruchsvoll im Design waren. Berühmt wurde Fridrich auch durch die Erfindung der Halogenlampe und die Weiterentwicklung der Leuchtstofflampentechnologie. Er war ein wichtiges Mitglied der Engineering-Teams bei Nela Park, Ohio und Schenectady, New York.
Foto: General Electric

1958 - Nataliya Andreeva Vlasenko und A. Popkov : Entwickelte den ersten TFEL-Prototyp und arbeitete an Methoden zur Steigerung der Leuchtkraft. Sie leisteten auch Pionierarbeit in der frühen Arbeit an DC-EL-Lampen.
Kiev, Ukraine

1968 - Aron Vecht entwickelt DC EL-Technologie für Lampen und Uhren. London, Vereinigtes Königreich
Foto: Universität Greenwich

1974 - Tuomo Suntola entwickelt ALE-Epitaxie für Dünnschicht-Elektrolumineszenz-(TFEL)-Technologien. Dieses Verfahren zum Abscheiden dünner Halbleiterschichten auf einem Substrat ist eine Grundlage für die TFEL-Produktion geworden. Dünne polykristalline Filme sind etwa 500 Nanometer dick. Dünne Filme ermöglichen eine stärkere Verwendung von EL als unhandlich dicke Leuchtstoffpulver.
Lohja, Finnland
Foto: Tuomo Suntola

1970er - Hiroshi Kobayashi arbeitete über 30 Jahre mit dem verstorbenen Professor Shosaku Tanaka an anorganischen Elektrolumineszenzvorrichtungen. Seine Arbeit half bei der Kommerzialisierung anorganischer EL-Displays in der japanischen Industrie. An der Tottori-Universität wurde viel gearbeitet. 2003 ging er in den Ruhestand und lebt heute in Tokio.
Präfektur Tottori / Tokio, Japan
Foto: Hiroshi Kobayashi

1974 - Toshio Inoguchi entwickelt das erste praxistaugliche ELD (Elektrolumineszenz-Display) bei der Sharp Corporation. Um dies zu ermöglichen, nutzt er TFEL. Seine Displays haben eine lange Lebensdauer und sind heller in der Leuchtkraft. Seine Arbeit bereitete die Bühne für spätere Fortschritte und hielt Sharp für die nächsten Jahrzehnte an der Spitze. Die Displays wurden zunächst als Displays für medizinische Instrumente verwendet. Die Displays waren monochromatisch, aber eine bessere Option als CRTs.
Osaka, Japan
Foto: Toshio Inoguchi und Sharp Corporation

1980er Jahre - Christopher N. King und team* entwickeln fortschrittliche EL-Displays, die Dünnschichttechnologie verwenden. Das Team hatte bei Tektronix angefangen und 1983 das Spin-off Planar Systems ins Leben gerufen. Die neuen Displays erhöhen mit der Zeit die Anzahl der verfügbaren Farben. In den 1990er und 2000er Jahren wurde es wichtig, Helligkeit und Kontrast zu erhöhen, um mit LCDs zu konkurrieren. Seit den 90er Jahren haben die Ingenieure von Planar das EL-Display verbessert, sie haben bessere Leuchtkraft, Kontrast und Effizienz erreicht. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite)
Beaverton, Oregon
Foto: Chris King

1990er Jahre - Xingwei Wu entwickelt die TDEL-Technologie. EL-Displays mit dickem Dielektrischem erreichen Blautöne, die hell genug sind, um in Vollfarbdisplays verwendet zu werden. TDEL ist heller als TFEL und verwendet das Verfahren "Farbe durch Blau", um ein gutes RGB zu erzielen. TDEL ist die erste vollfarbfähige EL-Technologie. Dr. Xingwei Wu ist der Hauptingenieur bei iFire Technology.

Oakville, Ontario, Kanada

Foto: Xingwei Wu. iFire-Technologie Ltd.

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2000er - EL-Lampen werden für den Durchschnittsverbraucher erschwinglicher und werden für dekorative Kleidung und Dünnschichtanwendungen auf verschiedenen Produkten verwendet. Als Lampe für die Allgemeinbeleuchtung wird die EL-Technologie aufgrund der begrenzten maximalen Lumenproduktion kombiniert mit geringer Effizienz im Vergleich zu LEDs nicht bevorzugt. Der einzigartige räumliche Aspekt der EL-Lampe (flach und flexibel) ermöglicht es ihr, eine Marktnische zu behaupten.

EL-Displays haben seit 1980 einen langen Weg zurückgelegt, es wird jedoch immer noch ein besserer blauer Phosphor benötigt, der in Displays verwendet werden kann. Die Entwicklung eines leuchtstarken, hocheffizienten Blaus würde eine Rot-Grün-Blau-Kombination ermöglichen, die es dem EL-Display ermöglichen würde, besser mit dem LCD zu konkurrieren.

Weiterlesen im Detail:
Eine Geschichte der Elektrolumineszenz-Displays von Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999


Bohrs Modell

1913 schlug der dänische Physiker Niels Bohr (1885 &ndash 1962 Nobelpreis für Physik, 1922) ein theoretisches Modell für das Wasserstoffatom vor, das sein Emissionsspektrum erklärte. Bohrs Modell erforderte nur eine Annahme: Das Elektron bewegt sich auf kreisförmigen Bahnen um den Kern herum, die nur bestimmte zulässige Radien haben können. Rutherfords früheres Atommodell hatte auch angenommen, dass sich Elektronen auf kreisförmigen Bahnen um den Kern bewegen und dass das Atom durch die elektrostatische Anziehung zwischen dem positiv geladenen Kern und dem negativ geladenen Elektron zusammengehalten wird. Obwohl wir jetzt wissen, dass die Annahme von Kreisbahnen falsch war, war Bohrs Einsicht, dass das Elektron konnte nur bestimmte Bereiche des Raumes besetzen.

Mit Hilfe der klassischen Physik zeigte Niels Bohr, dass die Energie eines Elektrons in einer bestimmten Umlaufbahn gegeben ist durch

wobei (Re) die Rydberg-Konstante ist, h ist die Planck-Konstante, C ist die Lichtgeschwindigkeit, und n ist eine positive ganze Zahl, die der der Umlaufbahn zugewiesenen Zahl entspricht, mit n = 1 entspricht der Bahn, die dem Kern am nächsten ist. Bei diesem Modell n = &infin entspricht dem Niveau, bei dem die Energie, die das Elektron und den Kern zusammenhält, null ist. Auf dieser Ebene ist das Elektron nicht vom Kern gebunden und das Atom wurde in ein negativ geladenes (das Elektron) und ein positiv geladenes (der Kern) Ion getrennt. Auch in diesem Zustand ist der Bahnradius unendlich. Das Atom wurde ionisiert.

Abbildung 7.3.2 Das Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms (a) Der Abstand der Bahn vom Kern nimmt mit zunehmendem n. (b) Die Energie der Bahn wird mit zunehmendem immer weniger negativ n.

Während der Besetzung Dänemarks durch die Nazis im Zweiten Weltkrieg floh Bohr in die Vereinigten Staaten, wo er mit dem Atomenergieprojekt in Verbindung gebracht wurde.

In seinen letzten Lebensjahren widmete er sich der friedlichen Anwendung der Atomphysik und der Lösung politischer Probleme, die sich aus der Entwicklung von Atomwaffen ergeben.

Mit abnehmendem n wird die Energie, die Elektron und Kern zusammenhält, zunehmend negativ, der Bahnradius schrumpft und es wird mehr Energie benötigt, um das Atom zu ionisieren. Die Bahn mit n = 1 ist die am tiefsten liegende und am engsten gebundene. Das negative Vorzeichen in Gleichung 7.3.3 zeigt an, dass das Elektron-Kern-Paar enger gebunden ist, wenn sie nahe beieinander sind, als wenn sie weit voneinander entfernt sind. Da ein Wasserstoffatom mit seinem einen Elektron in dieser Bahn die niedrigstmögliche Energie hat, ist dies der Grundzustand (die stabilste Anordnung von Elektronen für ein Element oder eine Verbindung), die stabilste Anordnung für ein Wasserstoffatom. Mit zunehmendem n nimmt der Bahnradius zu, das Elektron ist weiter vom Proton entfernt, was zu einer weniger stabilen Anordnung mit höherer potentieller Energie führt (Abbildung 2.10). Ein Wasserstoffatom mit einem Elektron auf einer Bahn mit n > 1 befindet sich daher in einem angeregten Zustand. Jede Anordnung von Elektronen, die eine höhere Energie als der Grundzustand hat.: Ihre Energie ist höher als die Energie des Grundzustands. Wenn ein Atom in einem angeregten Zustand in einem als Zerfall bezeichneten Prozess in den Grundzustand übergeht, verliert es Energie, indem es ein Photon emittiert, dessen Energie der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entspricht (Abbildung 7.3.1 ).

Abbildung 7.3.3 Die Lichtemission eines Wasserstoffatoms im angeregten Zustand. (a) Licht wird emittiert, wenn das Elektron einen Übergang von einer Umlaufbahn mit einem höheren Wert von durchläuft n (bei höherer Energie) auf eine Umlaufbahn mit einem niedrigeren Wert von n (bei niedrigerer Energie). (b) Die Balmer-Reihe von Emissionslinien ist auf Übergänge von Bahnen mit n &ge 3 in die Umlaufbahn mit n = 2. Die Energieunterschiede zwischen diesen Niveaus entsprechen Licht im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums.

Der Energieunterschied (&DeltaE) zwischen zwei beliebigen Bahnen oder Energieniveaus ist gegeben durch ( Delta E=E_>-E_> ) wobei n1 ist die letzte Umlaufbahn und n2 die Anfangsbahn. Einsetzen aus der Bohrschen Gleichung (Gleichung 7.3.3) für jeden Energiewert ergibt

Wenn n2 > n1, erfolgt der Übergang von einem Zustand höherer Energie (Orbit mit größerem Radius) zu einem Zustand niedrigerer Energie (Orbit mit kleinerem Radius), wie durch den gestrichelten Pfeil in Teil (a) in Abbildung 7.3.3 gezeigt. Ersetzend hc/&lambda für &DeltaE gibt

Stornieren hc auf beiden Seiten gibt

Abgesehen vom negativen Vorzeichen ist dies die gleiche Gleichung, die Rydberg experimentell erhalten hat. Das negative Vorzeichen in Gleichung 7.3.5 und Gleichung 7.3.6 zeigt an, dass Energie freigesetzt wird, wenn sich das Elektron aus der Bahn bewegt n2 umkreisen n1 weil Umlaufbahn n2 hat eine höhere Energie als die Umlaufbahn n1. Bohr berechnete den Wert von (Re) aus fundamentalen Konstanten wie der Ladung und Masse des Elektrons und der Planckschen Konstanten und erhielt einen Wert von 1,0974 × 10 7 m &minus1 , dieselbe Zahl, die Rydberg durch die Analyse der Emissionsspektren erhalten hatte.

Wir können nun die physikalischen Grundlagen für die Balmer-Linienreihe im Emissionsspektrum von Wasserstoff verstehen (Teil (b) in Abbildung 2.9 ). Wie in Teil (b) in Abbildung 7.3.3 gezeigt, entsprechen die Linien in dieser Reihe Übergängen von Bahnen höherer Energie (n > 2) auf die zweite Bahn (n = 2). Somit haben die Wasserstoffatome in der Probe Energie aus der elektrischen Entladung absorbiert und sind von einem angeregten Zustand höherer Energie (n > 2) in einen niedrigerenergetischen Zustand (n = 2) zerfallen, indem sie ein Photon elektromagnetischer Strahlung emittieren, dessen Energie genau entspricht auf die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen (Teil (a) in Abbildung 7.3.3 ). Der Übergang von n = 3 zu n = 2 führt zur Linie bei 656 nm (rot), der Übergang von n = 4 zu n = 2 zur Linie bei 486 nm (grün), der Übergang von n = 5 zu n = 2 zu die Linie bei 434 nm (blau) und der Übergang von n = 6 zu n = 2 zur Linie bei 410 nm (violett). Da eine Wasserstoffprobe eine große Anzahl von Atomen enthält, hängt die Intensität der verschiedenen Linien in einem Linienspektrum von der Anzahl der Atome in jedem angeregten Zustand ab. Bei der Temperatur in der Gasentladungsröhre befinden sich mehr Atome in den n = 3 als in den n 4 Niveaus. Folglich ist der Übergang von n = 3 zu n = 2 die intensivste Linie, die die charakteristische rote Farbe einer Wasserstoffentladung erzeugt (Teil (a) in Abbildung 7.3.1 ). Andere Linienscharen entstehen durch Übergänge von angeregten Zuständen mit n > 1 auf die Bahn mit n = 1 oder auf Bahnen mit n &ge 3. Diese Übergänge sind schematisch in Abbildung 7.3.4 dargestellt

Abbildung 7.3.4 Elektronenübergänge, die für die verschiedenen beobachteten Linienreihen im Emissionsspektrum von Wasserstoff verantwortlich sind. Die Lyman-Linienreihe ist auf Übergänge von Bahnen mit höherer Energie zu Bahnen mit niedrigster Energie zurückzuführen (n = 1) Diese Übergänge setzen viel Energie frei, die der Strahlung im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums entspricht. Die Linienreihen von Paschen, Brackett und Pfund sind auf Übergänge von energiereicheren Bahnen zu Bahnen mit n = 3, 4 bzw. 5 setzen diese Übergänge wesentlich weniger Energie frei, entsprechend der Infrarotstrahlung. (Bahnen sind nicht maßstabsgetreu.)

In modernen Anwendungen werden Elektronenübergänge in der Zeitmessung verwendet, die genau sein muss. Telekommunikationssysteme wie Mobiltelefone sind auf Zeitsignale angewiesen, die auf eine Millionstelsekunde pro Tag genau sind, ebenso wie die Geräte, die das US-Stromnetz steuern. Die Signale des Global Positioning Systems (GPS) müssen auf eine Milliardstel Sekunde pro Tag genau sein, was einem Gewinn oder Verlust von nicht mehr als einer Sekunde in 1.400.000 Jahren entspricht. Um die Zeit zu quantifizieren, muss ein Ereignis mit einem Intervall gefunden werden, das sich regelmäßig wiederholt. Um die für moderne Zwecke erforderliche Genauigkeit zu erreichen, haben sich Physiker dem Atom zugewandt. Der aktuelle Standard zur Kalibrierung von Uhren ist das Cäsiumatom. Supercooled cesium atoms are placed in a vacuum chamber and bombarded with microwaves whose frequencies are carefully controlled. When the frequency is exactly right, the atoms absorb enough energy to undergo an electronic transition to a higher-energy state. Decay to a lower-energy state emits radiation. The microwave frequency is continually adjusted, serving as the clock&rsquos pendulum. In 1967, the second was defined as the duration of 9,192,631,770 oscillations of the resonant frequency of a cesium atom, called the cesium clock. Research is currently under way to develop the next generation of atomic clocks that promise to be even more accurate. Such devices would allow scientists to monitor vanishingly faint electromagnetic signals produced by nerve pathways in the brain and geologists to measure variations in gravitational fields, which cause fluctuations in time, that would aid in the discovery of oil or minerals.

Example 7.3.1: The Lyman Series

The so-called Lyman series of lines in the emission spectrum of hydrogen corresponds to transitions from various excited states to the n = 1 orbit. Calculate the wavelength of the lowest-energy line in the Lyman series to three significant figures. In what region of the electromagnetic spectrum does it occur?

Given: lowest-energy orbit in the Lyman series

Gefragt: wavelength of the lowest-energy Lyman line and corresponding region of the spectrum

  1. Substitute the appropriate values into Equation 7.3.2 (the Rydberg equation) and solve for (lambda).
  2. Locate the region of the electromagnetic spectrum corresponding to the calculated wavelength.

We can use the Rydberg equation to calculate the wavelength:

EIN For the Lyman series, n1 = 1. The lowest-energy line is due to a transition from the n = 2 to n = 1 orbit because they are the closest in energy.

It turns out that spectroscopists (the people who study spectroscopy) use cm -1 rather than m -1 as a common unit. Wavelength is inversely proportional to energy but frequency is directly proportional as shown by Planck's formula, E=h( u ).

Spectroscopists often talk about energy and frequency as equivalent. The cm -1 unit is particularly convenient. The infrared range is roughly 200 - 5,000 cm -1 , the visible from 11,000 to 25.000 cm -1 and the UV between 25,000 and 100,000 cm -1 . The units of cm -1 are called wavenumbers, although people often verbalize it as inverse centimeters. We can convert the answer in part A to cm -1 .

[lambda = 1.215 imes 10^<&minus7> m = 122 nm ]

This emission line is called Lyman alpha. It is the strongest atomic emission line from the sun and drives the chemistry of the upper atmosphere of all the planets producing ions by stripping electrons from atoms and molecules. It is completely absorbed by oxygen in the upper stratosphere, dissociating O2 molecules to O atoms which react with other O2 molecules to form stratospheric ozone

B This wavelength is in the ultraviolet region of the spectrum.

Exercise 7.3.1: The Pfund Series

The Pfund series of lines in the emission spectrum of hydrogen corresponds to transitions from higher excited states to the n = 5 orbit. Calculate the wavelength of the Sekunde line in the Pfund series to three significant figures. In which region of the spectrum does it lie?

Antworten: 4.65 × 10 3 nm infrared

Bohr&rsquos model of the hydrogen atom gave an exact explanation for its observed emission spectrum. The following are his key contributions to our understanding of atomic structure:

  • Electrons can occupy only certain regions of space, called orbits.
  • Orbits closer to the nucleus are lower in energy.
  • Electrons can move from one orbit to another by absorbing or emitting energy, giving rise to characteristic spectra.

Unfortunately, Bohr could not explain warum the electron should be restricted to particular orbits. Also, despite a great deal of tinkering, such as assuming that orbits could be ellipses rather than circles, his model could not quantitatively explain the emission spectra of any element other than hydrogen (Figure 7.3.5). In fact, Bohr&rsquos model worked only for species that contained just one electron: H, He + , Li 2 + , and so forth. Scientists needed a fundamental change in their way of thinking about the electronic structure of atoms to advance beyond the Bohr model.

Figure 7.3.5 The Emission Spectra of Elements Compared with Hydrogen. Diese images show (a) hydrogen gas, which is atomized to hydrogen atoms in the discharge tube (b) neon and (c) mercury. The strongest lines in the hydrogen spectrum are in the far UV Lyman series starting at 124 nm and below. The strongest lines in the mercury spectrum are at 181 and 254 nm, also in the UV. These are not shown.

Thus far we have explicitly considered only the emission of light by atoms in excited states, which produces an emission spectrum (a spectrum produced by the emission of light by atoms in excited states). The converse, absorption of light by ground-state atoms to produce an excited state, can also occur, producing an absorption spectrum (a spectrum produced by the absorption of light by ground-state atoms). Because each element has characteristic emission and absorption spectra, scientists can use such spectra to analyze the composition of matter.

When an atom emits light, it decays to a lower energy state when an atom absorbs light, it is excited to a higher energy state.


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The 100 W light bulb dissipates more energy per second (1 watt = 1 joule per second) than the 20 W light bulb, and consequently the light emanating from the 100 W bulb carries more energy than the light emanating from the 20 W bulb.

In the picture of light as an electromagnetic wave, the energy carried by the light is proportional to the square of the wave's amplitude. The technical term for this energy is "Poynting flux". (In fact we usually take the time-average over one period of oscillation as the definition of the energy in the wave.) In this model, the photo-receptors in your eye are oscillators. What is oscillating? Electric charge. Charges are accelerated in response to the electric field of the light: the greater the electric field (or amplitude), the greater the amplitude of the oscillation, and the greater the electric currents in your eye (and the greater the brightness).

In the picture of light as a particle (a photon), each particle carries with it an amount of energy proportional to its frequency: $E=h u$, where $h$ is Planck's constant, and $ u$ is the frequency of light. The energy flux is then the energy per photon multiplied by the flux of photons (# of photons per unit area per second). So the 100 W bulb emits more photons per second than the 20 W bulb. In this model, the photoreceptors in your eye undergo chemical reactions as a result of absorbing photons. The more photons absorbed per second, the brighter the light appears.

Brightness is just the number of photons per second hitting your eye - all the other properties of the light are the same.

edit: perceived brightness is the number of 'detected' photons hitting your eye per second!

Different wavelengths of light correspond to different colours. 555nm means light with a wavelength of 555 nano-meters (billions of a meter), this is roughly green light. So all this says is that you eye is most sensitive to green light and so a given number of green photons/second will appear brighter than the same number of red photons. You can see this with laser pointers, for the same power small pointers - green ones look much brighter than red.

I am nowhere near as expert as a professional, but I have a private passion for this field.

Dim and bright are perceptual terms. There are many dimensions. I will start with a simple idea and build out.

Consider that you are adapted to a monochromatic light of around 533 nanometer wavelength bathing the room such that the light from the brightest object generates approximately 1e7 photons per second on a foveal L cone of 1 micron face diameter. This is considered a well-lit but not stressful scene. The photoreceptor opsins bleach at a rate of approximately 5e3 opsins per second. The light feels neither dim nor bright because you are adapted.

If you increase the source photon rate by a factor of 10, that same photoreceptor is now bleaching at a rate of 5e4 opsins per second. This feels brighter. But over time, the photoreceptor undergoes phagocytosis, decreasing its length by 90% changing the opsin bleach rate back to 5e3 opsins per second, so you now experience this as neither dim nor bright.

If you decrease the wavelength to 430 nanometers, the bleach rate of the L cone decreases by 90% and one would think this would appear dim. However, the S cone bleach rate reaches its maximum and S cones have a stronger effect on perceived brightness than L cones, so without increasing the photon bleach rate, the light now appears to have gotten brighter.

This is the principal reason amber sunglasses make the world seem brighter and more colorful. By suppressing the short wavelength photons from reaching the eye, the adaptation of the L and M cone bias favors a greater linear range. This makes colors more discriminable and is another dimension of brightness.

I will leave these three dimensions for further discussion and, if requested, I will dive deeper yet into the wonderful world of retinal adaptation to various light regimes.


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