Licht, wat is het?

Wat is licht?

Licht is stralingsenergie met een golflengte tussen λ = 380 and 780 nm. Deze energie kan de lichtgevoelige sensoren in de menselijke retina activeren en daarmee een beeld opwekken. Andere delen van het elektromagnetische spectrum, zoals infrarood (langere golflengte) of ultraviolet (kortere golflengte) zijn niet zichtbaar voor het menselijke oog. De definitie van licht door de International Lighting Vocabulary of the Commission Internationale d’Eclairage (CIE) is ‘any radiation capable of causing a visual sensation directly’ (elke straling die direct een visuele sensatie kan veroorzaken) (CIE, 1987).

Fotoreceptie

Licht is essentieel voor ons zicht en onze gezondheid.  Sinds een jaar of twintig is bekend dat het menselijke oog twee vormen van fotoreceptie kent; beeldvormend en niet-beeldvormend (in het Engels non-image forming, afgekort met NIF). Beeldvormende fotoreceptie stelt de mens in staat om te zien, niet-beeldvormende fotoreceptie beïnvloedt o.a. het circadiane ritme en heeft invloed op bijvoorbeeld cognitieve functies of de productiviteit van mensen, door bepaalde delen van de hersenen direct te stimuleren.

Licht dat op het menselijk oog valt wordt door twee systemen verwerkt in de hersenen. De drie typen fotoreceptorcellen in het menselijk oog, de staafjes, de kegeltjes en de lichtgevoelige retinale ganglioncellen (in het Engels photosensitive retinal ganglion cells (pRGCs)),  zenden de informatie rechtstreeks naar de  Laterale Geniculate Nuclei (LGN). De LGN voegen de informatiesignalen die ze ontvangen  van de linker- en rechterhelft van het gezichtsveld samen. Dit activeert beeldvorming  en visuele perceptie, ofwel de ervaring en de interactie met de visuele omgeving. Daarnaast versturen de pRGCs in interactie met de kegeltjes signalen naar de suprachiasmatische kern, het deel van de hersenen dat de circadiane ritmen (~ 24h) genereert.

Beeldvormende en niet-beeldvormende effecten van licht

Beeldvormende effecten van licht

De lichtgevoelige cellen (staafjes en kegeltjes) in het oog stellen mensen in staat beelden waar te nemen die varieren in helderheid en kleur. De beeldvormende  sensoren in het menselijk oog variëren in gevoeligheid voor verschillende golflengten, en om die reden wordt de curve V (λ) die de relatieve gevoeligheid weergeeft, zie Figuur 2, gebruikt om lichtenergie te vertalen in de lichtgrootheden lichtstroom, lichtsterkte, verlichtingsterkte en luminantie[MCM1] . Voor  het zogenaamde fotopische zicht – overdag wanneer de kegeltjes gevoelig zijn – ligt de maximale waarde van onze gevoeligheid ronde de 555 nm (het geelachtige deel van het lichtspectrum). Dit houdt in dat om dezelfde helderheid te creëren, voor de geelachtige kleuren de minste energie nodig is vergeleken met de andere kleuren.

Niet-beeldvormende effecten van licht

De niet-beeldvormende (in het Engels non-image forming (NIF)) sensoren variëren in gevoeligheid voor andere golflengten en om die reden wordt voor het menselijk oog een andere relatieve gevoeligheidscurve ‘C(λ)’ gebruikt om de reactie op lichtenergie weer te geven dan voor de beeldvormende effecten van licht, zie Figuur 2. Deze curve is gedefinieerd op basis van het oorspronkelijke onderzoek van Brainard et al., 2001 en Thapan et al., 2001, die onafhankelijk van elkaar aantoonden dat monochromatisch licht met een golflengte van rond de 480 nm -  het blauwachtige deel van het lichtspectrum -  de productie van het hormoon melatonine maximaal onderdrukt.  De NIF-effecten zijn direct gerelateerd aan de gezondheidgerelateerde effecten zoals  hormoonafscheiding,  en daarmee indirect aan alle circadiaan gerelateerde acute aspecten. Echter, niet alleen de pRGC fotoreceptoren en het bijbehorende opsine (lichtgevoelig eiwit) melanopsine zijn betrokken bij de regulering van de NIF effecten. Het proces is veel complexer en mogelijk zijn alle vijf (drie typen kegeltjes, de staafjes en de pRGC) bij mensen voorkomende fotoreceptoren erbij betrokken.

Omdat er een verschil moet worden gemaakt tussen de beeldvormende en niet-beeldvormende effecten, zijn internationale organisaties zoals de CIE (Commission Internationale d’Eclairage) en veel onderzoekers (o.a. Lucas et al., 2014) bezig met aanvullende, wereldwijd geaccepteerde nomenclatuur en de bijbehorende actiespectra. Tot die tijd zijn voor de visuele effecten van licht alleen de fotometrische grootheden en eenheden beschikbaar zoals die zijn gedefinieerd door SI (het internatioale stelsel van eenheden)  en zijn vastgesteld voor de lichttechnologie. Voor de NIF effecten worden alleen niet-gewogen basiseenheden, de a-opic stralingswaarden geadviseerd.

Licht hoeveelheden en eenheden

Fotometrische hoeveelheden beschrijven beeldvormende lichtomstandigheden

Fotometrie is de wetenschap van de kwantificatie en kwalificatie van lichtbronnen en lichtomstandigheden in termen van waargenomen helderheid in relatie tot de menselijke beeldvorming.  De vier basale grootheden die een rol spelen in de lichttechnologie worden grafisch weergegeven in Figuur 3.

Lichtstroom (Φ)

Een van de belangrijkste basiseenheden is de lichtstroom (in het Engels luminous flux) Φ. Het is een maat voor de uitgestraalde hoeveelheid licht per tijdseenheid, gewogen voor de spectrale gevoeligheid van het oog. De eenheid hiervoor is lumen (lm). Het wordt bepaald door de spectrale verdeling van de stralingsenergie (radiant flux Φe) te wegen tegen de gevoeligheidscurve van het oog (V(λ) en de maximale fotometrische stralingsequivalent Km (683 lumen/W). De lichtstroom is een maat voor de hoeveelheid uitgestraalde licht (energie) met als eenheid lumen (lm).

Lichtsterkte (I)

Onder de lichtsterkte van een lichtbron wordt verstaan de hoeveelheid stralingsenergie die de bron per eenheid van ruimtehoek uitzendt, gecorrigeerd voor de spectrale gevoeligheid van het oog . De eenheid van lichtintensiteit is candela (cd), een SI eenheid.

Verlichtingssterkte (E)

Een van de meest gebruikte fotometrische eenheden is verlichtingssterkte. De verlichtingssterkte,  is de hoeveelheid licht of lichtstroom (Φ), die valt op een gebied met een gedefinieerd oppervlak (A) en de eenheid is lux (lx). Eén lux is gelijk aan één lumen per vierkante meter (lm/m² = lx). De verlichtingssterkte is onafhankelijk van de richting van waaruit de lichtstroom op het oppervlak valt.

Luminantie (L)

Luminantie L is de lichtsterkte (l) die wordt uitgestraald per gedefinieerd oppervlak (A) in een bepaalde richting. Het oppervlak kan het licht zelf uitstralen (zoals bij een lamp) of het licht van een lichtbron reflecteren. De eenheid van luminantie is candela per vierkante meter (cd/m2). De subjectieve maat die gebruikt wordt voor luminantie is helderheid.

Fotometrische grootheden voor niet-beeldvormende lichtomstandheden

Niet lang na de publicatie in 2001 van de nieuwe actiespectra voor melatonineonderdrukking, ontstond er discussie over het beschrijven van circadiane en neurofysiologische fotometrie.  Het gebruik van de nieuwe niet-SI eenheden en de genormaliseerde spectrale gevoeligheidsfuncties is in tegenspraak met de richtlijnen van het Internationaal Comité voor gewichten en maten (CIPM) voor het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) en wordt om die reden niet aanbevolen door de Internationale Commissie voor Verlichting (Commission Internationale d’Eclairage) (CIE, 2015). Naar aanleiding van een zogenaamde expert workshop in 2013 publiceerde de CIE een technische aantekening – de CIE TN 003:2015 –. In deze technische aanteking wordt een een voorstel gedaan hoe deze circadiane en neurophysiologische effecten van ‘licht’ weergegeven moeten worden(CIE, 2015).

De a-opic  straling

De drie typen fotoreceptorcellen in het menselijke oog (en dat van alle gewervelde dieren) - de staafjes, de kegeltjes en de fotogevoelige retinale ganglioncellen (pRGCs) - zijn gevoelig voor het zichtbare deel van het electromagnetische spectrum. Elke fotopigment heeft een eigen spectraal gevoeligheidsprofiel -  rhodopsine voor de staafjes, fotopsine voor de kegeltje (korte, gemiddelde en lange golflengte) en melanopsine voor de pRGCs fotoreceptor – wat resulteert in vijf onafhankelijke representaties van bestralingsterkte.

De CIE beveelt het gebruik van grootheden aan die de vorm hebben van ‘a-opic spectraal gewogen flux’ met corresponderende eenheden gebaseerd op de watt (W). Een ‘a-opic bestralingssterkte kan worden bepaald door de spectrale stralingsenergie voor elke golflengte te wegen tegen de spectrale gevoeligheidscurve. Het s-kegeltje (piek gevoeligheid op 420 nm) genereert cyanopic bestralingssterkte, het m-kegeltje (piek op 534 nm) chloropic bestralingssterkte, het l-kegeltje (piek op 564 nm) erythropic bestralingssterkte, de pRGCellen (piek op 480 nm) melanopic bestralingssterkte, en het staafje rhodopic bestralingsterkte (piek op 498 nm). Voor alle bestralingssterkte maten geldt de eenheid W/m2.

Het is niet mogelijk een enkelvoudig actiespectrum te construeren die alle circadiane en neurofysiologische reacties op licht weergeeft. De verhouding tussen de vijf spectrale componenten wordt bepaald lichtbloostelling hoeveelheid, de duur, de lichthistorie en/of de persoonlijke interne tijd van de dag van een individu (CIE, 2015).

Licht bronnen

Daglicht

Daglicht is het zichtbare deel van de straling die door de zon wordt uitgezonden en die overdag wordt waargenomen. De lengte van de dag is afhankelijk van  de positie op aarde en het jaargetijde, Figuur 4. Aangezien daglicht niet op kunstmatig wijze kan worden nagemaakt, wordt het ook wel natuurlijk licht genoemd. Daglicht verandert voortdurend en dat is mogelijk de reden dat mensen ruimten met invallend daglicht prefereren boven kunstlicht. De karakteristieken van daglicht zijn:

  • de grote variatie in verlichtingssterkte waarbij buiten horizontaal gemeten waardes variëren van 0 tot meer dan 120.000 lx;
  • de variatie van het overdag altijd aanwezige continue spectrum -zichtbaar en onzichtbaar – (380 – 780 nm) en

de duidelijke aanwezigheid van richting van het licht, vooral op zonverlichte dagen.

Elektrische verlichting

Een elektrische lamp is een apparaat dat electrische energie omzet in licht. Het is de meest voorkomende vorm van kunstlicht en niet meer weg te denken in de huidige maatschappij. De verschillende vormen van elektrisch licht worden ingedeeld op basis van de manier waarop (zichtbare) straling wordt opgewekt.

  • Gloeilampen produceren licht door een gloeidraad tot wit-heet te verwarmen met behulp van een elektrische stroom. De bekendste toepassingen van dit type zijn de wolfraam gloeilamp en de halogeen(gloei)lamp.
  • Gasontladinglampen produceren licht door elektrische stroom door een geïoniseerd gas te leiden. De bekendste types zijn de TL-buis en de spaarlamp.
  • Electroluminisentie stralen energie uit in de vorm van fotonen als electronen openingen kunnen vullen tussen een opening in een halfgeleider. De kleur van het licht (corresponderend met de energy van de foton) wordt bepaald door de het toegepaste material van de semiconductor. De LED en de OLED zijn de bekendste voorbeelden.

 

Voor informatie over het effect van licht

op gezondheid, welzijn en prestatie
Handige links
Volg ons!

Stichting onderzoek licht & gezondheid

Postbus 1082

5602 BB Eindhoven


040 2473791