Synsinnet & ljus Sammanfattning av kapitel 5.4 Ljus i boken: Arbete och teknik på människans villkor Ljus Med ljus avser vi i det här sammanhanget synligt ljus, som är en form av elektromagnetisk strålning inom det våglängdsområde som människans synsinne kan uppfatta. Om man utgår från människan brukar man också tala om optisk strålning, som inkluderar ultraviolett strålning (UV), synligt ljus och infraröd strålning (IR). BILD: Våglängder för elektromagnetisk strålning ultraviolett strålning Synligt ljus infraröd strålning UVC 100 280 nm synligt ljus 400 780 nm IRA 780 1400 nm UVB 280 315 nm IRB 1,4 3,0 μm UVA 315 400 nm IRC 3 μm 1 mm Ljusets karakteristika Ljus karakteriseras av utbredningsriktning, intensitet och våglängdssammansättning (spektralfördelning). Intensiteten (I): den energimängd som per tidsenhet passerar genom en areaenhet vinkelrät mot strålningens utbredningsriktning (W/m 2 ). Detta innebär att om vi utgår från en punktformig ljuskälla med isotrop emission (lika stor intensitet i alla riktningar) så avtar intensiteten omvänt proportionellt mot kvadraten på avståndet (under förutsättning att ljusabsorption och spridning kan försummas, vilket det i regel kan i inomhusmiljöer). 1
Ljus och arbetsplatsen Vid utformning av arbetsplatser hanterar man två begrepp: ljusmiljö och synergonomi. Ljusmiljö: Ljusförhållanden i omgivningen (ljuskällors placering, utbredningsriktning, intensitet, spektralfördelning, materials reflekterande och absorberande egenskaper, estetiska aspekter, biokemisk påverkan, med mera). Synergonomi: Individrelaterade egenskaper och behov med avseende på syn (synansträngning, bländning, ögontrötthet, allmän trötthet, huvudvärk, olycksfallsrisker, belastningssjukdomar, arbetsprestation, välbefinnande, med mera). Ljusets uppkomst Ljus har olika egenskaper beroende på hur det uppstår. I vanliga belysningssammanhang uppstår ljus genom att atomer (till exempel atomerna i en glödlampas glödtråd) tillförs energi (eller helt enkelt värms upp). Vid höga temperaturer börjar atomerna exciteras (elektronerna i atomerna flyttas till högre energinivåer) och joniseras. Atomerna strävar därefter att återgå till sitt grundtillstånd (deexciteras), dvs. elektronen faller tillbaka till lägre energinivåer. I samband med denna deexcitation avges den tidigare upptagna energin i form av en foton och vi får i detta fall ljus med relativt kontinuerliga spektralfördelningar. Beroende på hur energin tillförs, hur varmt det blir och vilket material som tillförs energi, så strålar ljuskällan med olika spektrum (våglängdssammansättning). Själva omfånget på spektralfördelningens beror på temperaturen. Solen med en yttemperatur på cirka 6000 K emitterar ljus i ett brett våglängdsintervall, medan en glödlampa (cirka 2700 K) huvudsakligen emitterar ljus i det långvågiga, röda våglängdsintervallet. Ljus kan också alstras av elektriska urladdningar i gaser och gasblandningar. I detta fall sker deexcitationen huvudsakligen mellan diskreta energinivåer, vilket ger ljus med väldefinierade spektrallinjer karakteristiska för de gaser som urladdningen skett i. Synsinnet Ögat Infallande ljus passerar hornhinnan, kammarvätskan, linsen och glaskroppen, varefter ljuset fokuseras mot näthinnan där det finns olika ljuskänsliga receptorer (nervceller) som omvandlar det infallande ljuset till elektriska nervimpulser. Ljusreceptorerna är vända inåt mot näthinnan, vilket gör att det infallande ljuset först reflekteras på själva BILD: Ögat i genomskärning näthinnan innan det når ljusreceptorerna. Detta är en ganska bakvänd konstruktion som gör att de skymmer sig själva och 2
detta är orsak till den så kallade blinda fläcken (den punkt där ljusreceptorernas nervbanor samlas ihop för vidare transport till synbarken bak i hjärnan). Ljusreceptorerna delas upp i: Tappar som reagerar på olika våglängder (färger); stimuleras vid våglängdsområdena kring blåviolett, grönt resp. rött; kräver relativt höga ljusintensiteter; är i huvudsak koncentrerade till gula fläcken längst bak på näthinnan (vilket gör att vi bara uppfattar färger i det centrala synfältet). Stavar som reagerar på förändringar/rörelser; stimuleras vid låga ljusintensiteter (vilket ger oss mörkerseende); är jämt spridda över näthinnan men finns ej i gula fläcken; svarar för det perifera seendet och rumsuppfattning. Ögat och ljusintensitet Ögats/synsinnets anpassning till olika ljusintensiteter sker genom ändring av pupillens storlek, neuronal adaption (dämpning av signalerna) och förändringar av koncentrationen av ljuskänsliga pigment i tappar och stavar. Ögat och bländning I ögats regleras ljusinsläppet av iris (regnbågshinnan). Bländning uppkommer då infallande ljus försämrar eller irriterar ögats funktion och kan kopplas till hög ljusintensitet, störd adaptation (anpassning), perifert ljus, kraftiga skillnader i intensitet, och snabba växlingar i ljusintensitet. Ögat och synavstånd Ackommodation är ögats förmåga att reglera linsens krökningsradie så att föremål på olika avstånd kan fokuseras på näthinnan. Ackommodation sker genom den ringformade ciliarmuskeln som är förbunden med linsens kant genom trådar. En avslappnad ciliarmuskel medför spända trådar vilket ger en platt (mindre konvex) lins och vice versa. Närseende regleras av: (1) ackommodation, (2) blickritningarna konvergerar mot synobjektet, och (3) pupillöppningen minskar. Alla dessa tre mekanismer medför olika former av kontraktion (sammandragningar) som vid längre ihållande bruk (statisk kontraktion) kan resultera i trötthet, (huvud)värk och spänningsvärk i nack- och skuldermuskulatur. Ögat och avståndsbedömning På nära håll kan vi bedöma avstånd genom att använda stereoskopiskt seende (dvs. att vi har två ögon som riktar in sig med något olika vinklar). Närbelägna föremål kan skiljas från föremål på längre avstånd med hjälp av de parallaxfenomen som uppstår då man rör på huvudet (föremål på olika avstånd förskjuts olika mycket i förhållande till varandra). På längre avstånd (och när vi tittar på 2-dimensionella bilder) använder vi oss mest av vår erfarenhet: närliggande föremål skymmer föremål längre bort, vi vet ungefär vilka storleksrelationer som råder (till exempel hur stor en människa är i relation till ett träd), föremål på långa avstånd blir lite diffusare på grund av ljusspridning i luften, med mera. 3
Syndefekter Närsynthet (myopi) innebär att ljuset (parallellt infallande strålar) fokuseras framför näthinnan. Översynthet (hyperopi) innebär att fokuseringen istället sker bakom näthinnan. Astigmatism beror på att hornhinnans böjning (välvning) varierar i olika riktningar. Färgblindhet beror på defekter hos tapparna (ljusreceptorerna för färg). Färgblindhet återfinns uppskattningsvis hos ca. 8% av befolkningen (nästan bara hos män) och vanligast är röd-grön färgblindhet. Åldersförändringar Åldersförändringar är en generell process kopplat till åldrandet. Efter 40- till 50-årsåldern inträder ålderssynthet (presbyopi) då linsens elasticitet avtar och den får allt svårare att återgå till den sfäriska formen för maximal brytning (närseende). Detta innebär också att ackommodationen tar längre tid och att skärpedjupet minskar, vilket sammantaget försvårar arbete med varierande synavstånd. Andra åldersförändringar är tilltagande grumling av ögats genomskinliga vävnader samt minskningen av antalet ljusreceptorer på näthinnan i kombination med en försämring av dessas funktion. Detta medför ett behov av ökad ljusintensitet (uppskattningsvis 50% mer för en 50-åring och 100% mer för en 60-åring). Grumlingen medför också att ljusets spridning i ögat ökar och därmed risken för bländning. Ytterligare åldersförändringar är långsammare adaptation och försämrat mörkerseende (tapparnas funktion försämras i kombination med att linsen gulnar). Bedömning och mätning av ljus Bedömning av ljusmiljö och synergonomi är en besvärlig uppgift där ljusmiljöfaktorernas komplexitet, ögats fysiologi, människans perception och individuella faktorer måste vägas samman. Rent generellt kan man säga att det krävs en hel del professionell erfarenhet för att göra bra bedömningar. Fysikaliska mätmetoder (fotometri) Fotometriska storheter beskriver d e strålningseffekter som avges från ljuskällor, som träffar ytor och som reflekteras till människans ögon. Ljusstyrkan (I α ): I α = k dp/dω Enhet: candela (cd) Effekt (P) per rymdvinkelenhet (ω) som emitteras i en viss riktning från en ljuskälla, viktad efter ögats spektrala känslighet (k). En candela ljusstyrkan från ett stearinljus av normaltyp. Ljusflödet (Φ): Φ = kp & dφ = I α dω Enhet: lumen (lm) Totala effekten (P) viktad efter ögats spektrala känslighet (k) (från en ljuskälla eller till en belyst yta). Belysningsstyrkan (E): E = kp/a = Φ/A = (I α dω/a) Enhet: lux (lux = lm/m 2 ) Anger hur väl belyst en yta är, dvs. ljusflödet per areaenhet. 4
Luminansen (L): L = I α /A eα Enhet: candela per areaenhet (cd/m 2 ) Mått på den ljuseffekt som når ögat, vilket relaterar till upplevelsen av ljushet hos ett synobjekt. A eα är den mot synriktningen vinkelräta areaenhet som en yta upptar. Luminansen beror på belysningsstyrkan, vinkeln mellan ytan och synriktningen, samt ytans reflektionsfaktor för denna riktning. Vid bedömning av ljusmiljö vill man vanligen bestämma luminansen i riktning från ett synobjekt till en betraktares öga. Kontrast (K): K = (L obj L bkg )/L bkg Kontrast är relationen mellan luminansen från intilliggande ytor (utan hänsyn till färg). Färgrelaterad konstrast benämns färgkontrast. Färg Fysikaliskt (objektivt) kan man bestämma ljusets färg genom att mäta ljusets spektralfördelning. Den subjektiva färgupplevelsen hos en individ kan å andra sidan bero på en mängd olika saker. För att kunna beskriva färger på ett meningsfullt sätt ur ett mänskligt perspektiv har man arbetat fram en uppsättning begrepp: Färgton refererar till den dominerande våglängden. Färgmättnad anger i vilken grad färgen är fri från utspädning av vitt ljus. Färgtemperaturen beskriver ljuskällans färgsammansättning speciellt om det rör sig om en kontinuerlig fördelning spritt över ett stort våglängdsintervall då det är svårt att tala om en dominerande våglängd (färgton). Färgåtergivningsindex (R a ) ger ett mått på hur bra en ljuskälla återger olika färg, dvs. olika färgytor som belyses av ljuskällan. Mätinstrument & beräkningsmetoder Mätinstrument Luxmeter används för mätning av belysningsstyrkan; kan delas upp i en vertikal och en horisontell komponent. Luminansmätare mäter luminansen (den ljuseffekt som når ögat). Kontrastmätare används för att bedöma hur väl ett objekt (till exempel en tryckt bokstav) kontrasterar mot bakgrunden (pappret bokstaven är tryckt på). Beräkningsmetoder Punktmetoden avser direkt ljus som emitteras direkt från en punktformig ljuskälla; kan kompletteras med algoritmer för reflekterande ljus. (Punktmetoden har en del begränsningar: luminansmätningar är känsliga för variationer i rummet; fotometriska storheter relaterar generellt till normerade ljusadapterade ögon; går ej att hantera personers individuella perception med avseende på uppmärksamhet, förväntningar, etc.) Verkningsgradsmetoden beräknar det sammanlagda ljusflödet som behövs för en önskad belysningsstyrka. 5
Arbets- och arbetsplatsutformning Vid utformning av ljusmiljön för arbetsmoment och arbetsplatser har man att ta hänsyn till lokalutformning, färgsättning, val och placering av ljuskällor och armaturer. Man måste även tänka på synergonomi som kräver att man anpassar till individers behov av synkorrektion och att arbetet i sig utformas med tanke på individens synförmåga. Ljuskällor och armaturer Val och placering av ljuskällor och armaturer är en central del av arbetsplatsens utformning och har en direkt inverkan på faktorer som belysningsstyrka, luminansfördelning, skuggbildning och färgåtergivning. Traditionell delar man in ljuskällor i två huvudtyper: glödlampor och urladdningslampor. Utvecklingen går snabbt och idag kan man utöver dessa två huvudtyper tala om induktionsljus, plasmaljus och lysdioder. Glödlampor Den vanliga glödlampan består av en volframtråd som det går ström igenom och den är fylld med argongas för att hindra oxidation av tråden. Glödlampan avger ett kontinuerligt spektrum med rödaktigt ljus (färgtemperatur: 2700 K / 60 W), medellivslängden är cirka 1000 h, och lljusutbytet är cirka 10 lm/w. I halogenlampan (som också är en glödlampa) har man tillsatt halogener till gasen för att öka livsländen och ljusutbytet. Urladdningslampor Urladdningslampan har högre ljusutbyte och längre livslängd än glödlampan. Den vanligaste konstruktionen är ett gasfyllt glashölje med två elektroder. Då man lägger en spänning över elektroderna sker en urladdning i gasen som skapar en ljusbåge mellan elektroderna. Ljudbågen emitterar diskreta våglängder beroende på vilken eller vilka gaser som används. Genom att täcka glashöljets insida med ett fluorescerande skikt, kan man erhålla andra våglängder. Den vanligaste urladdningslampan är lysröret: ljusutbytet är cirka 100 lm/w, livslängden kan vara 18000 h eller mer, och i det konventionella lysröret används kvicksilverånga som gas. Genom att välja olika sorters lyspulver (fluorescerande material) kan man få lysrör att lysa med olika så kallad ljusfärg: varm, varmvit, vit, och dagsljus (motsvarande en variation i färgtemperatur från 2500 till 8000 K eller mer). Ett problem med urladdningslampor är att de kan ge flimmer om urladdningarna har så låg frekvens att de kan uppfattas med det mänskliga ögat (till exempel om urladdningarna drivs direkt av nätfrekvensen på 50/60Hz). Genom att använda så kallade förkopplingsdon kan man öka frekvensen på urladdningarna och få i princip flimmerfritt ljus. Utöver det konventionella lysröret (med kvicksilver) finns speciella urladdningslampor som lågtrycksnatriumlampan, högtrycksnatriumlampan och metallhalogenlampan. Det finns också blandljuslampor som både innehåller urladdningsrör och glödtråd. 6
Armaturer Armaturens uppgift är att rikta och fördela ljuset från ljuskällan och att undvika bländning. Beroende på ändamål så skiljer man på platsbelysning och allmänbelysning. Platsbelysning är riktbara armaturer som ska ge bländfritt ljus med tillräckligt hög belysningsstyrka för olika uppgifter. Allmänbelysning är vanligtvis fast armatur, till exempel takbelysning. Riktlinjer för bedömning och utformning av arbetsplatser och arbeten Luminans En vanlig rekommendation är att luminansen ska vara högst i det centrala synfältet (infältet) för att sedan avta mot det perifera synfältet (yttre synfältet) enligt förhållandena 5:3:1 för infält (synobjekt) : omfält (synobjektets närmaste omgivning) : yttre synfält (övriga ytor i synfältet). Det finns inga rekommendationer för luminansens storlek, men det finns för belysningsstyrkan som kan variera från 20 lux (enkel BILD: Luminansförhållanden platsbelysning för tillfälliga besök) till 5000 lux (speciellt synkrävande uppgifter). Rekommendationen för kontorsarbete ligger på 500 lux. Bländning Det finns fyra olika typer av bländning som man ska förebygga eller hantera. Direktbländning: ljuskällans ljus träffa ögat direkt. Indirekt bländning: ljusreflexer från blanka material. Kontrasbländning: bländning på grund av stora kontrastskillnader. Adaptionsbländning: bländning på grund av snabba växlingar mellan ljus och mörker. Färgsättning Vid inredning ska man välja färg med hänsyn till säkerhetsaspekter, färgkontraster, psykologisk påverkan, påverkan på rumsuppfattningen och estetiska krav. Synavstånd Synobjekt ska placeras så att statiska och/eller belastande arbetsställningar undviks. Man ska också försöka undvika många och upprepande växlingar av synavstånd. När ålderssynthet infaller kan många yrkesgrupper behöva speciella arbetsglasögon som är anpassade till de synavstånd och växlingar av synavstånd som förekommer i arbetsuppgifterna. Synobjektets kontrast För att synobjekt ska urskiljas bra strävar man efter hög luminans- och/eller färgkontrast. 7
Dagsljus Dagsljus är viktigt för människans allmänna välbefinnande och på arbetsplatser bör man sträva efter att ha insläpp av dagsljus men samtidigt undvika bländning och oönskade skuggeffekter. Bestämmelser och rekommendationer Arbetsmiljöverket har ett stort antal föreskrifter med bestämmelser och allmänna råd för belysning (www.av.se). Branschorganisationen Ljuskultur tillhandahåller rekommendationer och tips om belysning (www.ljuskultur.se). Boverket har bestämmelser om belysning bland sina byggregler (www.boverket.se). Referenser Denna text är en sammanfattning baserad på kapitel 5.4 Ljus (s. 269-292) i boken: Arbete och teknik på människans villkor Stockholm: Prevent, 2008 ISBN 9789173651103 Bilderna på spektrum, ögat och luminansförhållanden är hämtad från boken Arbete och teknik på människans villkor. 8