Licht und Sehen
Der Mensch orientiert sich vor allem mit seinen Augen: Mehr als 80 Prozent aller Informationen nehmen wir über die Augen auf. Sie sind unser wichtigstes Sinnesorgan. Über die Augen werden auch nichtvisuelle Wirkungen von Licht aufgenommen, die Aktivität, Wohlbefinden und Leistungskraft stimulieren.
Wir können rund 150 Farbtöne aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts unterscheiden und zu einer halben Million Farbwerten kombinieren – dank unseren Augen. Sie nehmen die elektromagnetischen Wellen des Lichts auf und verwandeln sie in eine Folge von Nervenimpulsen, die an das Gehirn weitergeleitet werden. Dort entsteht das eigentliche Bild unserer Umwelt.
Die Augen übertragen die aufgenommen Informationen zehn Mal so schnell wie die Ohren. Das Gehirn errechnet aus den beiden unterschiedlichen Bildern, die das rechte und das linke Auge „senden“, einen räumlichen Eindruck. So kann der Mensch dreidimensional sehen und auch Entfernungen gut abschätzen.
Beim Entfernungssehen unterscheidet das Gehirn zwischen nahen und weiter entfernten Objekten auch anhand der Blauanteile im Licht. So erscheinen näher liegende Objekte in wärmeren Farbtönen mit höherer Intensität, entferntere in bläulichen und blasseren Schattierungen.
Sinnesorgan Auge
Ein Teil des kugelförmigen Augapfels – „Bulbus oculi“ in der Fachsprache – funktioniert wie eine Kamera. Im vorderen Teil des Auges sitzt die durchsichtige Hornhaut, etwa einen halben Millimeter dick. Sie stellt quasi das Fensterglas dar, durch das Licht einfällt.
Zur bilderzeugenden Optik gehören weiterhin die Pupille, die Linse und das dazwischenliegende Kammerwasser, das die Hohlräume des Auges füllt und sich ständig erneuert. Hinter der Hornhaut liegt ringförmig die farbige Regenbogenhaut (= Iris). Sie kann durch zwei Muskeln die Pupille – ihre zentrale Öffnung – in der Mitte verkleinern oder vergrößern, wie eine Kamerablende die Menge des einfallenden Lichts in einem Bereich von etwa 1:16 regeln und die Tiefenschärfe verbessern.
Hinter der Pupille bündelt die Augenlinse das einfallende Licht. Sie ist beim gesunden Auge durchsichtig und klar. Außerdem ist sie elastisch und kann durch entsprechende Krümmung die Sehschärfe auch auf unterschiedliche Entfernungen einstellen. Diese Fähigkeit heißt Akkommodation – und nimmt im Alter durch zunehmende Verhärtung des Linsenkörpers ab.
Nachdem das Licht Hornhaut, Pupille, Linse und den Glasköper im Auge passiert hat, fällt es auf die Netzhaut (= Retina). Sie ist die „Projektionsfläche” und trägt etwa 130 Millionen Sehzellen. Die parallel eintreffenden Lichtstrahlen werden so gebündelt, dass sie genau in der Sehgrube (= Fovea) zusammentreffen. Linse und Glaskörper erzeugen dabei auf dem Kopf stehende Bilder unserer Umwelt, die das Gehirn dann in Echtzeit „gerade rückt“. In der Fovea sind die Sehzellen für das Tages- und Farbsehen besonders dicht angeordnet.
Zapfen und Stäbchen für das Sehen
Zwei Arten von Sehzellen – die Zapfen und die Stäbchen – übernehmen je nach Helligkeit das Sehen. Sie haben ein unterschiedliches Maximum für die spektrale Empfindlichkeit: Die etwa sieben Millionen Zapfen reagieren bei höheren Helligkeiten, sind verantwortlich für das Tag- und Farbsehen und ermöglichen scharfes Sehen. Ihre gemeinsame maximale spektrale Empfindlichkeit liegt im gelbgrünen Bereich bei 555 nm. Durch das Zusammenspiel von drei Zapfenarten mit einer jeweils anderen spektralen Empfindlichkeit (Rot, Grün, Blau) wird das Farbsehen möglich (photopisches Sehen).
Nimmt die Helligkeit ab, erkennen wir nur noch Umrisse und Grautöne. Dann übernehmen die 120 Millionen Stäbchen – sie sind hochempfindlich für Helligkeiten, aber ziemlich unempfindlich für das Farbsehen. Die Stäbchen dienen dem Dämmerungssehen (skoptopisches Sehen); ihre maximale spektrale Empfindlichkeit liegt im blaugrünen Bereich bei 507 nm.
Im Übergangsbereich arbeiten beide Empfängerarten. Diesen Bereich nennt man mesopisches Sehen.
Adaptation: Sehen bei unterschiedlichen Helligkeiten
Die Anpassung der Augen an helle und dunkle Lichtsituationen hat entscheidende Auswirkungen auf die Sehleistung des Menschen. Beeinträchtigungen treten besonders dann auf, wenn große Helligkeitsunterschiede in kurzer Zeit bearbeitet werden müssen.
Diese Fähigkeit des Auges, sich an unterschiedliche Helligkeiten anzupassen, wird als Adaptation bezeichnet. Die Iris regelt den Lichtstrom wie eine Kamerablende und verbessert gleichzeitig die Tiefenschärfe. Ist es sehr hell, zieht sich der Ringmuskel der Iris zusammen. Ihre zentrale Öffnung – die Pupille – verkleinert sich, weniger Licht trifft auf die Netzhaut. Bei niedrigem Helligkeitsniveau erweitert sich die Pupille, um den einfallenden Lichtstrom zu vergrößern.
Der Bereich der Anpassungsfähigkeit erstreckt sich über Leuchtdichten im Verhältnis von 1:10 Milliarden. Dabei bestimmt der jeweilige Adaptationszustand die augenblickliche Sehleistung. Je höher also das Beleuchtungsniveau, desto besser die Sehleistung und umso weniger Sehfehler. Der Adaptationsverlauf hängt von den Leuchtdichten zu Beginn und am Ende einer Helligkeitsänderung ab.
Die Helladaptation verläuft viel schneller als die Dunkeladaptation. Blitzartig, zumindest innerhalb weniger Sekunden können sich die Augen von Dunkel nach Hell anpassen. Umgekehrt vergeht wesentlich mehr Zeit, bis sich die Augen von einem hellen Umfeld an Dunkelheit gewöhnen. Je nach Situation kann die Anpassung bis zu 30 Minuten betragen.
Sehstörungen treten auf, wenn große Helligkeitsunterschiede in zu kurzer Zeit verarbeitet werden müssen. Deshalb muss den Augen Gelegenheit gegeben werden, sich an die Veränderungen anzupassen. Die Ein- und Ausfahrten von Tunneln werden deshalb z. B. mit Adaptationsstrecken versehen, um einen sicheren Übergang vor allem von Hell zu Dunkel zu schaffen.
Schleierleuchtdichte
Ein Phänomen, das vor allem das Sehen im Alter erschwert, ist die Schleierleuchtdichte. Sie ist das Maß für die Leuchtdichte bei Gegenlicht. Dabei kommt es durch eine störende Lichtquelle neben dem betrachteten Objekt zu einem starken Lichtreiz und Streulicht auf der Netzhaut. Dieses legt sich dann wie ein Schleier über die Netzhaut und vermindert das Wahrnehmen von Kontrasten.
Ein bekanntes Beispiel dafür ist das nächtliche Autofahren bei Gegenverkehr: Je heller die Lichtquelle und je näher man ihr kommt, desto mehr wird das Sehen beeinträchtigt. Im Alter ist der Effekt der Lichtstreuung durch eine Eintrübung der Linse noch deutlich höher als bei jungen Menschen.
Sehschärfe
Die Sehschärfe bestimmt die Fähigkeit der Augen, Formen und einzelne Details zu erkennen und zu unterscheiden. Dabei gilt: Je höher das Helligkeitsniveau, desto besser ist die Sehschärfe. Weitere Faktoren neben der Adaptationsfähigkeit sind die Fähigkeit der Netzhaut, Informationen aufzulösen, sowie die Qualität der optischen Abbildung.
Gründe für ungenügende Sehschärfe sind
- Augenfehler, wie Kurz- oder Weitsichtigkeit,
- eine unzureichende Beleuchtung mit zu geringen Kontrasten
- oder ein zu niedriges Beleuchtungsniveau.
Generell wird im Alter mehr Licht gebraucht: Die Linse vergilbt mit den Jahren, Farb- und Tiefenwahrnehmung lassen nach – und die Augen adaptieren schlechter. Sechzigjährige haben deshalb einen viermal so hohen Lichtbedarf wie Zwanzigjährige. Höhere Beleuchtungsstärken sind meist eine Hilfe bei schwächerer Sehleistung.
Sehen und Erkennen
Gutes Sehen hat mindestens vier Voraussetzungen:
- Zum Sehen von Objekten bedarf es einer Mindestleuchtdichte (Adaptationsleuchtdichte). Objekte, die am hellen Tag mühelos auch im Detail zu erkennen sind, verschwimmen in der Dämmerung und sind im Dunkeln schließlich nicht mehr wahrnehmbar.
- Um ein Objekt erkennen zu können, muss es einen Helligkeitsunterschied gegenüber der unmittelbaren Umgebung aufweisen (Mindestkontrast). In der Regel ist dies gleichzeitig ein Farbkontrast und ein Leuchtdichtekontrast.
- Objekte müssen eine Mindestgröße haben.
- Für die Wahrnehmung bedarf es einer Mindestzeit. So sind z. B. langsam anlaufende Räder im Detail zu erkennen, werden bei höheren Umdrehungen aber immer undeutlicher.
Die Beleuchtungsplanung hat die Aufgabe, durch hohe Leuchtdichten, ausreichende Kontraste und gleichmäßige Beleuchtung im Gesichtsfeld gute Sehbedingungen zu schaffen.
Der „dritte“ Lichtrezeptor
Aktuelle Studien belegen, dass der natürliche Wechsel von Tageslicht zu Dunkelheit und umgekehrt viele biologische Vorgänge im Körper steuert. Licht ist folglich auch dafür verantwortlich, ob wir gut schlafen und uns am Tag wohlfühlen. Fehlt dieser wichtige Zeitgeber, kommt unsere innere Uhr aus dem Takt. Müdigkeit, Antriebslosigkeit und auch Depressionen können die Folge sein. Eine biologisch wirksame Beleuchtung nimmt die Vorgaben des Tageslichts mit unterschiedlichen Beleuchtungsstärken und dynamisch wechselnden Lichtfarben auf.
Anfang der Jahrtausendwende entdeckten Wissenschaftler einen dritten Lichtrezeptor in der Netzhaut (= Retina). Diese speziellen Fotorezeptoren (photosensitive Ganglienzellen, ipRGC) dienen nicht dem Sehen. Sie enthalten das lichtempfindliche Protein Melanopsin und registrieren ausschließlich die Helligkeit in der Umgebung. Besonders empfindlich reagieren sie auf blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 490 nm. In diesem Fall geben sie das Signal, das Schlafhormon Melatonin zu unterdrücken. Die Morgenhelligkeit sorgt auf diesem Weg für Wachheit am Tag.
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