IŞIĞIN İNSAN ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ

Dilek ENARUN

İTÜ Elektrik Elektronik Fak.

Bu çalışmada, ışığın, insan fizyolojisine etkileri, insan güzünün yapısı ve gözün elemanter görme fonksiyonları nın gözün yapısından ve ışıktan nasıl etkilendikleri anla tılmıştır.

1. GİRİŞ

Aydınlatmanın amacı, en genel anlamda insanların ya şamlarını sürdürebilmeleri için gerekli koşulların sağlan masına katkıda bulunmaktır. Bunu gerçekleştirebilmek için aydınlatmacının ne ile ve ne için çalıştığını bilmesi gerekir.

Aydınlatmacının kullandığı malzeme ışıktır. Işık ile ifa de ettiğimiz, elektromagnetik dalga spektrumunda 380 nm ile 780 nm arasındaki bölgede kalan ve insan gö zünde görme duyumu uyandıran radyasyonlardır.

Aydınlatmacının ne için çalıştığı sorusunun cevabı ise, öncelikle insandır ve aydınlatmacının tasarımını yaptığı aydınlatmayı değerlendiren unsuru, yani insanı ve özel likle gözü iyi tanıması gerekir ki tasarımında başarılı olsun.

2. GÖZÜN YAPISI VE GÖRME DUYUMU

Işığın göz içersine düşmesinden görme duyumu oluşma sına kadar geçen süreçte üç aşamalı bir enerji dönüşümü olur. önce, gözde ışığa duyarlı maddeler tarafından yu tulan radyasyon enerjisi bu maddelerin ayrışmaları ile kimyasal enerjiye dönüşür. Sonra, bu kimyasal enerji, gö zün beyin konteksi ile ilişkisini sağlayan optik sinirin lif lerinde akım darbeleri oluşturan elektrik enerjisine dö nüşür.

Radyasyon akısı göze, saydam göz akından, cornea'dan girer (Şekil 1). Bunun hemen arkasında ön oda ve göz

bebeğini oluşturan iris yer alırlar. Saydam göz akından çıktıktan sonra kırılmış olan ışınlar göz bebeğinden ge çip göz merceğinin üzerine düşerler. Göz merceği say dam, çift taraflı dış bükey bir dokudur.

Gözlenen cisimlerin imgeleri ters ve boyutları çok İndir genmiş olarak ağ tabaka, retina üzerinde odaklanırlar. Retina 0,2 mm kalınlığında ve çok karmaşık yapıda say dam bir tabakadır (Şekil 2 ). Her biri optik sinirin nöron adı verilen uzmanlaşmış hücrelerini içeren üç katmandan oluşur. Her nöron bir dallanma noktasına ulaşır. Sinap sis'ler adı verilen bu dallanma noktaları, aynı sinir lifine ait komşu nöronların da vardıkları, benzer dalcıklardan oluşan bir tür ince dalcıklar ağıdır.

Radyasyon

Sinir lifleri

2 Sinapsisler

IÇon;

A Kon i lor

I ' I II I Pigmeennttli

• I II I * I .,l,.llt!İ

ŞEKİL 2. Retina

Radyasyon akısı, göz ortamından, yani arka odadan ve daha sonra nöronların üçüncü ve ikinci tabakalarından geçer ve retinanın pigmentli katmanının sınırında yer alan nöronların birinci katmanına varır. Birinci katman daki nöronlar şekil açısından farklılıklar gösterirler. Bun lara koniler ve çomaklar adlan verilir. Birinci katmana gi ren radyasyon koni ve çomakların içlerinde bulunan ışı ğa duyarlı maddelerin molekülleri tarafından yutulur. Fotokimyasal süreçte kullanılmayan radyasyon retinanın pigmentli katmanı üzerine düşer ve burada ışığa duyarlı hücreleri etkileyebilecek ve böylece optik imgeyi bozabi lecek olan yansımaları önlemek amacıyla tamamen mas sedilir.

Gözdeki toplam çomak sayısı 130 milyon ve koni sayısı 7 milyon dolayındadır. Konilerin çoğu fovea'da (sarı le ke veya merkez çukur) ve civarında yer alırlar. Çomaklar retinanın tümüne yayılmışlardır, ancak bunların büyük bir kısmı merkezden 10° 20°'lik bir yükseklikte bulu nur. Retinanın merkezinde koniler sayısal olarak daha yoğundurlar, 1 mm2 de 105 tane, burada her bir sinir lifi en fazla iki veya üç tane ışığa duyarlı hücreye bağlıdır. Buna karşılık retinanın dış bölgelerinde tek bir sinir Kfi ne onlarca hatta yüzlerce hücre bağlıdır. Bunun netice sinde göz, sadece görme alanının açısal büyüklüğü 1,3° 1,5° arasında kalan merkez kısmını kullanarak, imge bü yüklükleri bir milimetrenin binde birini geçmeyen çok küçük detayları algılayabilmektedir. Retinanın daha çok çomak içeren geri kalan kısmı, genel bir yön tayini sağla maya yarar.

Çomaklar rodopsin adı verilen bir madde içerirler. Işık etkisi altında rodopsin ayrışır, sonra bir denge sağlana cak şekilde tekrar oluşur ve yeniden ışığa duyar hale ge lir. Koniler ise iodopsin adı verilen bir pigment içerirler. Işık etkisi altında iodopsin de tersine çevrilebilir bir ay rışmaya uğrar. Rodopsin ve iodopsin sırasıyla 5 1 2 nm ve 555 nm de spektral duyarlıklarının maksimumlarına eri şirler. Rodopsinin duyarlığı iodopsinden daha büyük ol duğundan çomaklar konilerden daha duyarlıdırlar ve çok düşük seviyedeki ışık uyarımlarına cevap verebilirler, fakat renk farketmezler. Koniler renk duyumu oluştu rurlar ve ince detay algılarlar.

iodopsin ve rodopsin molekülleri fotonları yuttukların da, ayrışma sürecinde koniler ve çomaklar içinde iyonlar oluşur. Ayrışmanın ürünleri olan iyonlar birinci sinopsis de saklanırlar. Bunun neticesinde optik sinirin liflerinde akım darbeleri oluşur ve bunlar beyin koteksinin oksipi tal lobunun hücrelerine iletilirler. Böylece görme duyu mu uyanır.

3. GÖZDEN GİREN IŞIĞIN GÖRME DUYUMU DIŞINDAKİ ETKİLERİ

Gözün beyindeki görme merkezine olan sinir bağlantıları dışında hipofiz bezine de bağlantılar vardır. Hipofiz, pi neal bezi, talamus ve hipotalamus ile birlikte ara beyin de, diencephalon'da yer alır. Gözde, ışık uyarımı aldıkla rı zaman hipofiz bezine kodlanmış akım darbeleri gönde ren özel nöron gruplarının varlıkları tesbit edilmiştir. Bu verilere dayanarak hipofiz çalışmasını ayarlamaktadır.

Bütün hormon bezlerine kumanda edebilen hipofiz ayrı ca bütün bu hormon bezlerinden daha fazla hormon sal gılar. Hipofizin salgıladığı hormonların bir kısmı metabo lizmayı direkt etkiler, bir kısmı ise diğer hormon bezleri nin çalışmalarını ayarlar.

Hormonlar, iç salgılama (endokrin) yöntemiyle kana ve ya lenfe karışan ve vücut sıvıları ile vücutta dolaşan kar maşık yapılı organik unsurlardır. Hormonlar az miktarda

salgılanırlar, çabuk harcandıklarından salgılama devam etmezse etkileri sona erer.

Hormon bezlerinin arasında en bilinenlerinden biri tiroit bezidir. Tiroit bezi boğazımızda nefes borusunun üzerin de yer alan yarım ay şeklinde bir bezdir. Ürettiği en önemli hormon tiroittir. Tiroitin az salgılanması halinde yaşam enerjisi düşer, kalp atışları yavaşlar, vücut ısısı dü şer. Tiroit bezinin arka tarafında paratiroit bezleri bulu nur. Bunların ürettiği hormon ise vücutta kalsiyum ve fosfat dengesini sağlar. Kalsiyum, sinir ve adele uyarımla rının normal işlemesi için, kalsiyumfosfat ise kemiklerin sertleşmesi için gereklidir. Bu bezin az hormon üretmesi, sonucu spazmlara varan aşırı sinir ve adele uyarımlarının oluşmasına, fazla hormon üretmesi ise kemiklerin erime sine neden olur.

Mide salgı bezleri, mide salgıları dışında, ensülin ve gluka gon üretirler. Bu iki hormon birbirlerine karşı çalışarak kandaki karbonhidrat miktarını % 0,1 de tutarlar. Ensü lin hazım sırasında kana geçen ve hemen kullanılmayan karbonhidratı glikojen'e çevirir. Bu da karaciğer ve ade lelerde depo edilir. Buna karşılık glukogen, gerektiğinde glikojeni yeniden karbonhidrata çevirir. Ensülün hiç sal gılanmazsa veya az salgılanırsa kandaki şeker miktarı ar tar ve şeker hastalığı başlar.

Böbrek üstü bezleri adrenalin salgılarlar. Adrenalinin va zifesi, ani zorlanmalarda kan dolaşımını ayarlamak ve gli kojenin şekere dönüşmesini hızlandırmaktır. Böylece ki şinin maddi ve manevi gücü artar. Böbrek üstü bezleri yalnız sempatik sinir sisteminden kumanda alırlar.

Sempatik sinir sistemi vejetatif sinir sisteminin bir kısmı dır ve organların verimlerini artırmaları yönünde çalışır. Vejetatif sinir sistemi, merkezi sinir sistemi ile bağlantıla rı bulunan, ancak kendi başına çalışan bir sinir sistemi dir. Kumanda merkezleri hipotalamusda yer alırlar. Bü yük beyinin kendisine direkt bağlantısı yoktur ve bun dan dolayı hayatımızı sürdürmemizi sağlayan fonksiyon ları vejetatif sinir sistemi bizim bilincimizin dışında yürü tür. Vejetatif sinir sisteminin diğer bölümü parasempatik sinir sistemidir ve etkisi frenleyicidir. Bu iki sistemin kar şılıklı çalışması neticesinde vücut, bilincimizin dışında yürüttüğü sindirim, kan dolaşımı gibi tüm fonksiyonlarını yerine getirir.

iç salgılamalı bütün bezler vejetatif sinir sisteminin lifleri ne bağlıdırlar. Vejetatif sinir sistemi bu bezlerin hormon salgılamalarını sağlayabilir, ama salgılanan hormonlar dan da etkilenir. Vejetatif sinir sistemi ile hormon bezleri arasındaki bu ilişkide hipofizin üst kademede yönetici bir görevi vardır. Buradan anlaşılacağı gibi, göze düşen ışıktan etkilenen hipofiz, dolayısıyla da bir mertebeye kadar ışık tüm metabolizmayı etkilemektedir.

Oerum hayvanlar üzerinde yaptığı deneylerde kan mik tarının ve kanın içindeki hemoglobin oranının ışıktan et kilendiğini göstermiştir. Graffenberger de karanlıkta tu

ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ 344

tulan hayvanlarda hem hemoglobin hem de bütün kan miktarının düştüğünü göstermiştir. Marti ise karanlıkta tutulduktan sonra tekrar aydınlığa çıkarılan hayvanlar da hemoglobin miktarının tekrar arttığını gözlemiştir. Finsen, aydınlık düzeylerinin insan kanındaki hemoglo bin miktarı üzerinde yaptığı etkiyi araştırmış ve karanlık kış aylarında aydınlık yaz aylarına nazaran kandaki he moglobin miktarının daha düşük olduğunu tespit etmiş tir.

Radnot, 1963 senesinde ClE'ye verdiği tebliğde beyaz kan yuvarlarının özel bir türü olan eozonofil lökositlerin yoğunluğunun nöroendokrin sistemin devreye girmesi ile aydınlık düzeylerine göre değiştiğini açıklamıştır. Şe kil 3 aydınlık düzeyinin eozonofil lökositlerin yoğunluğu üzerine etkisini göstermektedir. Yoğunluğun azalması, vücut fonksiyonlarının canlanmasının ve insanın verimli liğinin arttığının bir işaretidir. Bu eğri, insanın bir gün düz yaratığı olduğunun ve ancak gündüz açık havadaki ışık şartlarında verimli olabilmek için optimum koşulla ra ulaşabildiğinin bir kanıtıdır. Bu da, insan, bir canlı varlık olarak gelişirken çok uzun bir süre tek gerekli ve yeterli enerji kaynağı olarak karşısında güneşi bulmuş ol masının en doğal sonucudur.

90 80

X) >0

500 E

'JOOO Lx

ŞEKİL 3. E aydınlık düzeyine bağh olarak eozonofil

lökositlerin kandaki yoğunluğu

4. ELEMANTER GÖRME FONKSİYONLARINDAN ÖRNEKLER

Gözün fonksiyonları, koniler ve çomaklar göz içersinde düzgün dağılmamış olduklarından, ışığın görme alanının hangi kısmından göze geldiğine ve konilerin ve çomakla rın ışığa karşı tepkileri farklı olduğundan, bu gelen ışı ğın şiddetine bağlıdırlar. Görme olayı, görme alanı parıl tısına bağlı olarak üç bölümde incelenebilir.

Skotopik görme: Parıltısı 1 0 " * ile 10 "2 cd/m arasında olan bir görme alanında görme olayı şöyle bir özellik gös terir: Bakış doğrultusu dışında kalan cisimler, bakış doğ rultusundakilere göre daha rahat farkedilirler. Bu olayın nedeni, parıltının yukarıda belirtilen düzeylerindeki gör meyi, skotopik görmeyi, üstlenmiş olan çomakların göz içersindeki dağılımlarıdır. Skotopik görmede renk duyu mu yoktur.

Mezopik görme: Görme alanı parıltısının 10~2 cd/m2' nin üstüne çıkmasının görme olayı üzerinde üç belirgin etkisi vardır. a Aydınlık düzeyi arttıkça, bakış doğrultusundaki gör me düzelir. b Renk duyumu başlar ve aydınlık düzeyinin yükselme si ile artar. c • Farklı renklerdeki cisimlerin bağıl parlaklıkları deği şir. Bu etki Purkinje olayı olarak bilinir ve diğer iki etki gibi mezopik görme bölgesinde (yaklaşık 10~2 ile 10 cd/m2 arası) parıltının değişmesi ile koni ve ço makların görme olayına katkı oranlarının değişmesin den kaynaklanır. Fotopik görme: Görme alanı parıltılı 10 cd/m2 'nin üzerine çıktığında, görme olayı artık tamamen koniler tarafından üstlenilir ve parıltının artmasından etkilen mez. Fotopik görme renklidir. 4.1. Kontrast duyarlığı Kontrast duyarlığı, gözün belirli parıltılara sahip iki kom şu cismin parıltıları arasındaki farkı seçebilme yeteneği ne denir. Kontrast duyarlığı, gözün adaptasyon seviyesi ne ve gözlenen cisimlerin imgelerinin retina üzerindeki yerine bağlıdır. Maksimum kontrast duyarlığına fotopik görmede ulaşılır ve bu durumda da en duyarlı bölge fo vea ve civarıdır. Görme alanı parıltısı düştükçe kontrast duyarlığı azalır ve maksimum, bakış doğrultusunun 10° 2 0 ° yanına ka yar. Artık görmeyi çomaklar üstlenmişlerdir ve bunların maksimum yoğunluğu da yukarıda belirtilen bölgededir. Kontrast duyarlığı, görme alanı parıltısı dışında, gözle nen cismin büyüklüğüne de bağlıdır. Bu üç büyüklük ara sındaki ilişkiyi Şekil 4 göstermektedir. Kontrast duyarlı ğı, görme alanı parıltısı ile önce hızla artar, daha yüksek parıltılarda, burada artık kamaşma oluşur, tekrar düş mek üzere yaklaşık 100 ile 5000 cd/m2 arasında bir

ŞEKİL 4.

optimum bölgeden geçer. Görme alanı içindeki yüzey lerin yansıtma katsayılarının ortalama 0,5 olduğu düşü nülürse, en iyi görme bölgesi aydınlık düzeyi cinsinden 600 ile 30000 1x arasında kalır.

4.2. Görme keskinliği

Görme keskinliği, gözün iki yakın komşu çizgiyi ayrık olarak fark edebilmesi yeteneğini tanımlar. Detay fark edebilen hücreler koniler olduğundan ve koniler de ağır lıklı olarak merkez çukurda bulunduklarından, görme keskinliğinin maksimum değerine sarı lekede, yani bakış doğrultusunda ulaşılır. Bakış doğrultusunun etrafında görme keskinliği hızla düşer, 10°'lik bir açısal uzaklıkta dahi, sarı lekedeki maksimum değerin yaklaşık dörtte bi rine iner (Şekil 5 ). Görme keskinliği de, kontrast duyar lığı gibi görme alanı parıltısına bağlıdır. Şekil 6, opti mum görme şartlarında, yani gözlenen cisim ile çevresi arasındaki kontrastın yeterli olması durumunda görme keskinliğinin görme alanı parıltısı ile ilişkisini göstermek tedir. Taralı alan, normal görüşlü ve S0 yaşından büyük olmayan değişik gözleyicilerin cevap farklarından ortaya çıkmıştır. Optimum bölge burada da yaklaşık 100 nt'lik görüş alanı parıltısı, yani normal refleksiyon şartlarında 6001 x'ün üzerinde bir aydınlık düzeyinde başlar.

: 3 —•

>c

II 1

1,0 0,8

•

O :~

•u _ •

İir i

0,6 0,4 r liik 0,2 i M i MM

•M i jt

N m hO AO 20 0 20 AO 60

u Hunin tnrafı

Şakak tnraTı

4.3. Farketme hızı

Farketme hızı pratikte çok büyük önem taşır. Hatta sı rasında ölüm kalım meselesi bile olabilir.

Görme duyumunun oluşması için geçen zamanın ölçül mesi henüz mümkün değildir. Fakat uyarımın oluştuğu andan buna karşı gösterilen bir tepkiye kadar geçen süre ölçülebilir. Buna tepki zamanı denir ve basit görsel algı larla bunlara karşı gösterilen basit tepkiler arasında değe ri genellikle saniyenin ellide biri kadardır. Bu zamanın büyük bir kısmının görme olayının ilk ve son aşamalarda, yani uyarımın görme sinirlerine ulaşması ile beyine varıp görsel duyuma dönüşmesi sırasında, kullanıldığı tahmin edilmektedir, ilk aşamada kullanılan zaman, uyarımın şiddeti ile son aşamada kullanılan zaman ise uyarımın şekli ve kişinin o andaki konsantrasyonu ile değişebilir. Şekil 7 dört farklı şiddetteki uyarım için limulus poli femus (bir yengeç cinsi) gözü üzerinde yapılan deneyler de bir tek optik sinir lifinde oluşan akım darbelerinin za manla değişimini göstermektedir.

:

Cîiütiı ki ;ıydırıl ı İt

[131 IIIIIIIIllipyiUiliaÜMI ""•••yi

: !ı

Sıkıi 7

lOdiıim

IBaıııııııiııııııııııı^ııııııııij

! ^_

sıoim

Hanımını m 11 ı^ı uu

Lanın ıı ı $!

d <• HU 16 20 Iİ5Sı. »w Aytlıııl. ıt ı Imn Kİİrt'si

ŞEKİL 7.

Farketme hızını yükseltmek için alınacak önlem görme alanı parıltısını yüksek ve gözlenen cisim ile çevresi arasındaki kontrastı büyük tutmaktır. Farketme hızı, reaksiyon zamanını etkilediğinden çalışma emniyeti ba kımından büyük önem taşır.

KAYNAKLAR

ŞEKİL 5. Gözlenen obje ile bakış doğrultusu arasındaki açı

1 ;m ı

RTI 6

... ...

i / —

r 1111 s ı ni

^1

ı ö ' 11T2ı

()" İt ) ' I 0 2 | ( ) ' J 1 0 4

nnı ;ıl anı ı.ır ı 1 t ı s ı

(1) "Handbuch fur Beleuchtung", Verlag W. Girardet, Essen, .1975 (2) P. Moon, 'The Scientific Basisof IUuminatingEngineering", Mir Publishers, Moskow, 1981 (3) V. V. Meshkov, "Fundamentals of Illuminating Enginee ring", Mir Publishers, Moskow, 1981 (4) F. Spielberger, "Der Mensch", ÇucUe und Meyer, Heidel berg, 1968 (5) B. Steck, "Die Einwirkung der Optischen Strahlung auf den Organismus des Menschen", Technisch wissenschaftbche Abhandlungen der Osram Gesellschaft, 11. Band, s. 416, 1973 (6) H. Logan, "The Relation of Iight to Health", Illuminating Engineering, March 1967, s. 159 (7) S. Lehm, "Beeniflussung von Gesundhcit und VVohlbefin den durch Licht, 9/1980, s.444.

ŞEKİL 6.

Bu bildiri, I. Elektrik Mühendisliği Ulusal Kongresi'nde sunul muştur.