Mensch-Computer Interaktion - Research Collection25431/eth... · Skript für das EduSwiss-Kursmodul...

Research Collection

Educational Material

Sehen und BildschirmMensch-Computer Interaktion

Author(s): Schierz, Christoph

Publication Date: 2001

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-004361498

Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted

This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For moreinformation please consult the Terms of use.

ETH Library

https://doi.org/10.3929/ethz-a-004361498

http://rightsstatements.org/page/InC-NC/1.0/

https://www.research-collection.ethz.ch

https://www.research-collection.ethz.ch/terms-of-use

Skript für das EduSwiss-Kursmodul M-MCI.d 2001

Mensch-Computer Interaktion

Sehen und Bildschirm

Dr. sc. nat. Ch. Schierz

Institut für Hygiene und ArbeitsphysiologieETH-Zentrum, NWClausiusstr. 258092 Zürich

Dokument PU-99-1-LE (c) © Zürich, 29. Oktober 2001

Eidgenössische Technische Hochschule Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie

Ch. Schierz (2. 11. 2001) 2

InhaltEINLEITUNG ........................................................... 3MESSGRÖSSEN...................................................... 3

Dioptrie ............................................................ 3Sehschärfe ...................................................... 3Leuchtdichte .................................................... 3Kontrast und Polarität ...................................... 4

DAS AUGE .............................................................. 4

OPTIK.................................................................... 4Sehprozess...................................................... 4

Abbildung............................................................ 4Akkommodation.................................................. 5Abhängigkeit der Sehschärfe vomAkkommodationszustand.................................... 5Pupille und Schärfentiefe.................................... 5Natürliche Abbildungsfehler ................................ 6Individuelle Abbildungsfehler .............................. 6Abhängigkeit der Sehschärfe vom Alter.............. 7

Praxisbezug..................................................... 7Zeichenschärfe und Sehdistanz.......................... 7Korrekturmöglichkeiten bei Fehlsichtigkeit.......... 8

Empfehlungen ................................................. 9NETZHAUT UND SEHSCHÄRFE ................................. 9

Sehprozess...................................................... 9Aufbau der Netzhaut........................................... 9Zapfen und Stäbchen ......................................... 9Informationsübertragung..................................... 9Sehschärfe und Netzhautort ............................. 10

Praxisbezug................................................... 10Zeichengrösse .................................................. 10

Empfehlungen ............................................... 11BLICKRICHTUNG ................................................... 11

Sehprozess.................................................... 11Konvergenz ...................................................... 11

Praxisbezug................................................... 11Zeilenabstand ................................................... 11Spiegelbilder im Bildschirm............................... 12

Empfehlungen ............................................... 12

HELLIGKEIT.......................................................... 12

LICHTEMPFINDLICHKEIT ........................................ 12Sehprozess.................................................... 12

Weber-Fechner-Gesetz .................................... 12Potenzfunktion von Stevens ............................. 13Sehschärfe und Leuchtdichte ........................... 13

Praxisbezug................................................... 13Mittlere BS-Leuchtdichte................................... 13

Empfehlungen ............................................... 13ADAPTATION ........................................................ 14

Sehprozess.................................................... 14Chemische Adaptation...................................... 14Neuronale Adaptation ....................................... 14Abhängigkeit der Sehschärfe vomAdaptationszustand .......................................... 14

Praxisbezug................................................... 15Bildschirm und Fenster ..................................... 15Polarität ............................................................ 15

Empfehlungen ............................................... 15

KONTRAST ........................................................... 15

KONTRASTVERSTÄRKUNG ..................................... 15Sehprozess.................................................... 15

Infeld-Umfeld-Antagonismus rezeptiver Felder .15Abhängigkeit der Sehschärfe vom Kontrast ......16

Praxisbezug................................................... 16Äusserer Kontrast .............................................16Innerer Kontrast ................................................16

Empfehlungen................................................ 17KONTRASTMINDERUNG ......................................... 17

Sehprozess.................................................... 17Physiologische Blendung ..................................17

Praxisbezug................................................... 17Diffuse Lichtstreuung am Bildschirm .................17

Empfehlungen................................................ 17

FARBE ................................................................... 18

FARBRAUM........................................................... 18Sehprozess.................................................... 18

Drei Farbrezeptoren (Theorie von Young undHelmholtz) .........................................................18Farbtafel, Farbkoordinaten, Farbdreieck ...........18Farbfehlsichtigkeit .............................................19

Praxisbezug................................................... 19Metamerie .........................................................19Farbbildschirme.................................................19

Empfehlungen................................................ 19FARBSEHSCHÄRFE ............................................... 20

Sehprozess.................................................... 20Abhängigkeit der Sehschärfe von der Farbe .....20

Praxisbezug................................................... 20Farbkodierung ...................................................20

Empfehlungen................................................ 20FARBVERARBEITUNG ............................................ 20

Sehprozess.................................................... 20Gegenfarbentheorie (Hering).............................20

Praxisbezug................................................... 21Farbkontraste ....................................................21

Empfehlungen................................................ 21

ZEITFAKTOREN.................................................... 21

FLIMMERN............................................................ 21Sehprozess.................................................... 21

Flimmerverschmelzungsfrequenz......................21Praxisbezug................................................... 22

Bildschirmflimmern............................................22Blinkende Zeichen.............................................22

Empfehlungen................................................ 22BEWEGUNG.......................................................... 22

Sehprozess.................................................... 22Netzhautperipherie ............................................22Sehschärfe und relative Bewegung...................23

Praxisbezug................................................... 23Jitter ..................................................................23

Empfehlungen................................................ 23DAUERLEISTUNG .................................................. 23

Sehprozess.................................................... 23Asthenopische Beschwerden (nach Krueger) ...23

Praxisbezug................................................... 24Beanspruchung .................................................24

Empfehlungen................................................ 24

LITERATUR ........................................................... 24


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 3

EinleitungEs gibt mindestens zwei Gründe, weshalbsich der oder die Informatik-Interessiertemit dem Sehen beschäftigen möchte:• Der Sehvorgang ist einer der am höch-

sten entwickelten biologischen Informati-onsverarbeitungsprozesse

• für einen adäquate Entwicklung einerMensch-Maschine-Schnittstelle muss diemenschliche Leistungsfähigkeit, insbe-sondere des Sehvorgangs bekannt sein.

Dieses Skript ist im Sinne des zweiten Zu-gangs zusammengestellt worden. Nach ei-ner Beschreibung der relevanten Sehpro-zesse wird jeweils ein Praxisbezug herge-stellt. Als Beispiel dient die Arbeit am Bild-schirm (BS). Es folgt eine knappe Zusam-menfassung in Form von Empfehlungen.Diese lehnen sich meist an den internatio-nalen Standard ISO 9241 an.

Die Zusammenstellung beinhaltet auchTexte, welche zum Teil abgeändert, ausSkripten von S. Mangold und H. Kruegerentnommen sind.

MessgrössenDioptrie

Als Mass für die Lichtbrechkraft einer abbil-denden Optik wird die Dioptrie (dpt) ver-wendet.

Dioptrie = 1 / [Distanz in m]

So besitzt ein normalsichtiges Auge beiBlick ins Unendliche per Definition eineBrechkraft von 0 dpt. Bei Blick in eine Di-stanz von 50 cm beträgt sie 2 dpt.

Sehschärfe

Unter der Sehschärfe versteht man dasVermögen des Auges, zwei Punkte in einerbestimmten Entfernung noch getrenntwahrnehmen zu können. Dieses Auflö-sungsvermögen wird aus dem Sehwinkel(Abb. 1), bei dem das zu prüfende Augezwei Punkte gerade noch getrennt wahr-nimmt, errechnet und heisst Visus:

Visus = 1 / [Sehwinkel in Bogenminuten]

Ein normalsichtiges Auge kann zwei Punkteunter dem Winkel von einer Bogenminute(1') bei guten Sehverhältnissen noch unter-scheiden (Visus = 1). Ein Visus von 0.8 giltgerade noch als gutes Auflösungsvermö-gen; ein Visus ≤ 0.5 gilt als schwachsichtig.

Abb. 1: Zur Definition des Sehwinkels α.

Zur Bestimmung des Visus werden in derPraxis als Testzeichen nicht zwei Punktevorgegeben, sondern in unterschiedlicheRichtungen orientierte, standardisierte Seh-objekte (Optotypen). Beispiele sind derLandolt-Ring ( C ) oder der Snellen-Haken( E ), bei welchen die Richtung der Öffnun-gen bestimmt werden muss. Die Sehschär-fe wird sowohl von individuellen als auchvon Umgebungsfaktoren beeinflusst undkann als operationales Belastungsmassdienen.

Leuchtdichte

Die Leuchtdichte L ist ein Mass für diesubjektiv gesehene Helligkeit. ZwischenLeuchtdichte und Helligkeit besteht jedoch


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 4

keine lineare Beziehung (→ Lichtempfind-lichkeit). Ihre Masseinheit ist Candela/m2

(cd/m2). Ein weisses Papier auf einem gutbeleuchteten Büroschreibtisch hat etwaeine Leuchtdichte von 100 cd/m2; diejenigeeiner Leuchtstofflampe beträgt ca.14'000 cd/m2. Die Leuchtdichte, welchenicht mit der Beleuchtungsstärke in Luxverwechselt werden darf, lässt sich mit ei-nem Leuchtdichte-Photometer auf einfacheArt messen. Mit diesem Gerät könnenBlendquellen, Kontraste und durch Spiege-lung verursachte Kontrastminderung quan-titativ bestimmt werden. Die Leuchtdichteund somit auch die Leuchtdichte-Photo-meter berücksichtigen, dass das menschli-che Auge nicht für alle Wellenlängen desLichtspektrums gleich empfindlich ist. DieGewichtung der Wellenlänge wird durch dieV(λ)-Kurve beschrieben (Abb. 2). Beim Se-hen in der Dämmerung verschiebt sich dieEmpfindlichkeitskurve zu kürzeren Wellen-längen.

400 500 600 700450 550 650Wellenlänge [nm]

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,9

0,7

0,5

0,3

0,1

rela

tive

Hel

lem

pfin

dlic

hkei

t

λV'( ) λV( )

Abb. 2: Spektrale Hellempfindlichkeitskurve desmenschlichen Auges V(λ) für Tagsehenund V’(λ) für Dämmerungssehen.

Kontrast und Polarität

Der Kontrast beschreibt den Leuchtdichte-unterschied zweier benachbarter Orte. ZumBeispiel die Leuchtdichte eines BS-Zei-chens LZ und die Leuchtdichte des UmfeldsLU. Es gibt mehrere Kontrastdefinitionen:

K = LZ / LU

K’ = (LZ – LU) / LU

K’’= (LZ – LU) / (LZ + LU)

Bei BS mit dunklen Zeichen auf hellemHintergrund spricht man von positiver Pola-rität da sie der üblichen von Text auf Papierentspricht (K’ und K’’ sind jedoch negativ);bei hellen Zeichen auf dunklem Grundspricht man von negativer Polarität (K’ undK’’ sind positiv).

Das Auge

OptikSehprozess

Abbildung

Treffen Lichtstrahlen, die von einem Ge-genstand ausgehen, auf das Auge, so wer-den sie von der Hornhaut (Cornea), derLinse und dem Glaskörper gebrochen, be-vor sie gebündelt auf die lichtempfindlicheNetzhaut (Retina) fallen (Abb. 3). Die Foveaist eine kleine Stelle der Netzhaut, an derdie grösste Rezeptordichte vorhanden ist.Sie ist der Ort des schärfsten Sehens.Wenn man ein Objekt fixiert, fällt sein Bildauf die Fovea.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 5

Linse

Netzhaut

FoveaIris

HornhautGlaskörper

Fernakkommodation

Nahakkommodation

Abb. 3: Aufbau des Auges und Strahlengang fürAkkommodation in die Nähe (oben) und indie Ferne (unten).

Akkommodation

Um trotz wechselnder Objektentfernungstets ein scharfes Bild zu erhalten, mussdas optische System Auge seine Brechkraftverändern können. Diesen Vorgang nenntman Akkommodation. Sie erfolgt durch dieÄnderung der Linsendicke: Bei flacherLinse ist die Brennweite gross (Fernsicht),bei stark gewölbter Linse ist die Brennweiteklein (Nahsicht) vgl. Abb. 3. Den am fern-sten zu fokussierenden Punkt nennt manFernpunkt, den nahsten Nahpunkt. Idealer-weise befindet sich der Fernpunkt in un-endlicher Distanz (=0 dpt). Ohne Fixations-objekt wird die Akkommodationsruhelageeingenommen. Sie ist die am wenigstenbeanspruchende Akkommodationseinstel-lung und befindet sich – mit starken indivi-duellen Unterschieden – in 50 bis 100 cmSehdistanz (1 bis 2 dpt). Je unschärferSehobjekte sind desto mehr driftet die Ak-kommodation in ihre Ruhelage.

Abhängigkeit der Sehschärfe vom Akkom-modationszustand

Ein der Sehentfernung angepasster Ak-kommodationszustand ist Voraussetzungfür eine scharfe Abbildung des Sehobjekts

auf der Netzhaut. Jede Abweichung führtzur Unschärfe (Abb. 4).

Abb. 4: Sehschärfe und Defokussierung

Pupille und Schärfentiefe

Die Iris dient als Lochblende (Loch = Pu-pille). Sie schirmt das Auge vor zu intensi-ver Lichteinstrahlung ab, wobei sie sichneuronal dem Lichteinfall anpasst: Bei star-ker Beleuchtung formt sie eine kleine, beigeringer eine grosse Pupille. Eine kleinePupille vermindert den Abbildungsfehler,der durch sphärische Aberration zustande-kommt (→ natürliche Abbildungsfehler).

Pupillendurchmesser [mm]1 2 3 4 5 6 7 80

2.0

0.25

0.5

0.75

1.0

1.25

1.5

1.75

0.0

Sch

ärfe

nti

efe

[dp

t]

Messwerte nach Campbell (1957)

Abb. 5: Schärfentiefe in Abhängigkeit des Pupillen-duchmessers.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 6

Gleichzeitig erhöht sie mit abnehmendemDurchmesser die Schärfentiefe. UnterSchärfentiefe versteht man die Grösse desBereichs vor und hinter der Fixationsdistanzin welchem Objekte noch scharf gesehenwerden (Abb. 5).

Natürliche Abbildungsfehler

Das optische System Auge vermittelt eineäusserst schlechte Abbildung der Umweltauf die Netzhaut. Dies gilt vor allem für denNetzhautbereich ausserhalb der Fovea. Diewichtigsten Ursachen für die natürlichenAbbildungsfehler sind:• Sphärische Aberration: Wie bei allen ein-

fachen optischen Linsen werden Strah-len am Rand der Linse vergleichsweisezu stark gebrochen.

• Chromatische Aberration: KurzwelligesLicht (z.B Blau) wird stärker gebrochenals langwelliges (z.B. Rot). Akkommo-diert man daher z.B. auf rote Linien einesmehrfarbigen Sehobjekts, so erscheinendessen blaue Linien unscharf und umge-kehrt. Der maximale chromatische Fehlerbeträgt 1,0-1,5 dpt (Abb. 6).

• Trübungen der Augenoptik (→ physiolo-gische Blendung)

Wellenlänge [nm]

0.4

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

-1.2450 475 500 525 550 575 600 625 650

chro

mat

isch

eA

ber

rati

on

[dp

t]

Abb. 6: Chromatische Aberration: Änderung derBrennweite mit der Wellenlänge.

Das Gehirn gleicht die meisten dieser Ab-bildungsmängel durch die zentrale Informa-tionsverarbeitung aus. Diese Eigenschaftnennt man "Konstanz der Wahrnehmung".

Individuelle Abbildungsfehler

Kann ein Gegenstand vom dioptrischenApparat nur unscharf auf der Retina abge-bildet werden, so liegt Fehlsichtigkeit vor.Zusätzlich können noch krankhafte Beein-trächtigungen des Sehapparates auftretenwie z.B. die Trübung der Linse (Katarakt,grauer Star). Man unterscheidet:• Kurzsichtigkeit (Myopie): Sie kommt

durch einen zu langen Aufapfel zu-stande, d.h. die Netzhaut liegt hinter demBrennpunkt (Abb. 7 oben). DerFernpunkt ist nicht im Unendlichen; dieSicht in die Ferne ist unscharf.

• Weitsichtigkeit (Hyperopie) entstehtdurch einen zu kurzen Augapfel (Abb. 7unten). Weitsichtige Personen könnenden Fernpunkt ins Unendliche bringenauch wenn sie mit einer Brille kurzsichti-ger gemacht werden. Die Sicht in dieNähe ist mit früherem Alter beeinträch-tigt, als bei Normalsichtigen.

• Astigmatismus (zylindrische Fehlsichtig-keit, Stabsichtigkeit): Die Hornhaut desAuges ist radialsymmetrisch nichtgleichmässig gekrümmt. Dadurch wer-den z.B. waagerechte Striche scharf,gleichzeitig aber senkrechte unscharf aufder Netzhaut abgebildet. Punkte er-scheinen je nach Hauptachse derasymmetrischen Krümmung als waage-rechte, senkrechte oder schräge Striche.

• Alterssichtigkeit (Presbyopie): Sie wirddurch die Alterung der Augenlinse verur-sacht: Die Linse wird mit zunehmendemAlter unelastischer, wodurch sie sich bei


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 7

kurzen Sehdistanzen (z.B. beim Lesen)nicht mehr genügend wölben kann, sodass das scharfe Bild hinter die Netzhautprojiziert wird (Abb. 8). Auch die Akkom-modationsgeschwindigkeit nimmt mitdem Alter ab.

Abb. 7: Oben: Kurzsichtigkeit; Unten: Weitsichtig-keit (stark übertrieben).

2

4

6

8

10

12

14

16

0

100200

50

25

17

12

10

8

7

6

Akk

om

mo

dat

ion

sbre

ite

[dp

t]

Nah

pu

nkt

bei

Rec

hts

ich

tig

keit

[cm

]

Alter [Jahre]10 20 30 40 50 60 70 80

Abb. 8: Einfluss des Alters auf die Akkommodati-onsbreite. Die Kurve repräsentiert Mittel-werte. Individuelle Streuung: Senkrechtstrichlierter Bereich; ohne Überanstreng-ung einsetzbar: Waagrecht strichliert.

Abhängigkeit der Sehschärfe vom Alter

Die Sehschärfe nimmt mit zunehmendemAlter ab (Abb. 9): Zum einen wird die Ak-

kommodationsbreite durch die Alterssich-tigkeit geringer. Zum anderen fallen imLaufe des Lebens Rezeptoren der Netzhautaus, wodurch die Rezeptorendichte und mitihr die Sehschärfe abnimmt. Ausserdemnehmen die Trübungen des dioptrischenApparates im Alter zu.

Alter [Jahre]

Abb. 9: Abnahme der Sehschärfe mit dem Altermit und ohne Brillenkorrekturen. Das Nah-sehen wird ohne Altersbrille nach dem 45.Lebensjahr zunehmend schlechter. Mit ei-ner Sehschärfe unter 0,8 (punktierter Be-reich) ist das Sehen erschwert.

Die Wirkung dieser nachteiligen Faktoren,wird durch die Abnahme des durchschnittli-chen Pupillendurchmessers mit zunehmen-dem Alter und der damit zunehmendenSchärfentiefe etwas abgeschwächt.

Praxisbezug

Zeichenschärfe und Sehdistanz

Zeichen auf BS weisen in der Regel eineerkennbare Unschärfe auf; für Farb-BSmehr als für monochrome. Bei Zeichende-tails von 3-5’ ist Unschärfe zusätzlich miteiner Abnahme des Zeichenkontrasts ver-bunden (→ Innerer Kontrast). UnscharfeZeichen geben der Akkommodation einen


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 8

geringeren Anreiz, wodurch eine zusätzli-che Unschärfe durch Defokussierung ent-steht. Dies ist nur dann nicht der Fall, wennsich der BS in der Distanz der Akkommo-dationsruhelage befindet. Diese Distanz istdaher und wegen der reduzierten akkom-modativen Beanspruchung anzustreben.

Korrekturmöglichkeiten bei Fehlsichtigkeit

Man korrigiert Kurzsichtigkeit mit Zerstreu-ungslinsen, Weitsichtigkeit mit Sammellin-sen und Astigmatismus mit Zylindergläsern(Brechkraft des Glases nicht rotationssym-metrisch). Treten Kurz- oder Weitsichtigkeitgemeinsam mit Astigmatismus auf, so wer-den kombinierte Gläser benötigt (z.B. Sam-mellinse mit eingeschliffenem Zylinderglas).

Bei Kurzsichtigkeit gibt man für die Korrek-tur (in dpt) den Fernpunkt an. Hat eine kurz-sichtige Person z.B. eine Korrektur von-3 dpt (Minus für Zerstreuungslinse), sosieht sie ohne Sehhilfe nur noch bis zu0.33 m Sehdistanz scharf. Bei Weitsichtig-keit holt man der Fernpunkt durch eineLinse näher heran. Dabei wird gleichzeitigder Nahpunkt näher zum Auge verschoben.

Harte und weiche Kontaktlinsen könneneine Brille ersetzen, allerdings mit einerAusnahme: Da sich weiche Kontaktlinsender Hornhautwölbung anpassen, könnendiese (im Gegensatz zu harten Kontaktlin-sen) nicht zur Korrektur des Astigmatismusverwendet werden. Kontaktlinsen haben imVergleich zu Brillen den Vorteil, keine Ände-rungen der Bildgrösse zu bewirken.

Alterssichtigkeit korrigiert man mit Sammel-linsen. Das Problem liegt darin, dass vorallem bei fortgeschrittenerer Alterssichtig-keit für jede Sehdistanz eine andere Bril-

lenstärke benötigt wird. Aus diesem Grundwurden mehrere Arten von Brillengläsernentwickelt (Abb 10):

Sehdistanz

nah

mittel

fern

astigm

F

[dpt]bifokal

c

T V

Bs

monofokal

a

Bs

T V

[dpt] bifokal

b

Bs

T V

[dpt]

multifokal

d

[dpt]

F

Bs

T V

e

multifokal[dpt]

F

T V

Bs

Abb. 10: Brillenkonzepte für den BS-Arbeitsplatz mitBlick auf Tastatur (T), Vorlage (V), Bild-schirm (Bs) und in die Ferne (F). Schwarz:nicht nutzbar. Bifokalglas c und Multifokal-glas e speziell für BS-Arbeit geeignet.

• Das monofokale Glas ist eine Sammel-linse mit einheitlicher Brechkraft. DiesesGlas ist bei kleiner Dioptrienzahl sinnvoll.

• Das bifokale Glas hat zwei Bereiche un-terschiedlicher Brechkraft: einen für dieNahsicht (unterer Bereich des Glases)und einen für die Fernsicht. Während derBereich für die Nahsicht die Alterssich-tigkeit mit einer Sammellinse korrigiert,ermöglicht der obere Teil des Glaseseine gute Fernsicht (Glasteil mit Korrek-tur bei Kurz- oder Weitsichtigkeit oderohne Korrektur bei Normalsichtigkeit).

• Multifokale Gläser (Gleitsichtgläser) um-gehen das Problem, dass bei Bifokalglä-sern ein störender Sprung der Bildgrösse


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 9

in der Mitte des Gesichtsfeldes stattfin-det, indem ein gleitender Übergang vomFern- zum Nahteil stattfindet. Die Nach-teile dieser Gläser sind eine bewegteUmwelt bei Kopfbewegungen und ein re-duzierter nutzbarer Bereich. Wenn derBereich für Nahsehen (z.B. Lesen)schmal ist, werden belastende Kopfbe-wegungen statt Augenbewegungendurchgeführt.

Empfehlungen

• Um Tiefeneffekte durch chromatischeAberration zu vermeiden sind keinespektral extremen Farben als Zeichenund Hintergrund zu verwenden (z.B.blaue Zeichen auf rotem Grund).

• Auf eine gute Zeichenschärfe und damitgute Akkommodationsreize ist zu achten.Als Referenz dienen gedruckte Texte aufPapier.

• Für geringen Akkommodationsaufwandist eine BS-Distanz von optimal 50 cmoder mehr (minimal 40 cm) einzuhalten.

• Ausreichende, aber nicht blendende oderspiegelnde Raumbeleuchtung verkleinertdie Pupille, vergrössert somit die Schär-fentiefe und beansprucht daher die Ak-kommodation weniger.

• Sehfehler wie Fehlsichtigkeit oder Astig-matismus sind mit Brillen oder Kontakt-linsen zu korrigieren.

• Für ältere Personen ist für die Arbeitsmit-tel (BS, Tastatur, Vorlage etc.) gleicheSehentfernung erforderlich. Sie solleneine dem BS-Arbeitsplatz angepassteBrille tragen. Insbesondere soll die Seh-entfernung weiterhin 50 cm oder nochbesser 60-70 cm betragen.

Netzhaut und SehschärfeSehprozess

Aufbau der Netzhaut

Die Netzhaut (Retina) wird aus mehrerenZellschichten aufgebaut: Ausser den licht-empfindlichen Rezeptoren sind noch licht-unempfindliche Schichten aus Horizontal-zellen, Bipolarzellen, Amakrinzellen undGanglienzellen vorhanden.

Zapfen und Stäbchen

Es gibt zwei Arten von Rezeptorzellen: dieZapfen und die Stäbchen. Die Stäbchenkönnen keine Farbe übermitteln, sind abersehr lichtempfindlich. Sie sind für dasDämmerungssehen (skotopisches Sehen)verantwortlich. Bei grösserer Lichtintensität(Tagsehen, photopisches Sehen) werdensie übersättigt und tragen nicht mehr zumSehvorgang bei. Die Stäbchen sind beimMenschen nur ausserhalb der Fovea zufinden. Die Zapfen können Farbe übermit-teln und sind für das Tagsehen geeignet,da sie erst auf grössere Lichtintensitätenansprechen.

Informationsübertragung

Die Rezeptorzellen geben die optischen Si-gnale in Form von elektrischen Impulsenüber die synaptischen Endigungen an dieBipolar- und Horizontalzellen weiter, welchedie eintreffenden Signale verarbeiten undan benachbarte und weiterführende Zellenweiterleiten. Die Signale der Bipolarzellenwerden direkt oder über die Amkrinen andie Ganglienzellen weitergegeben. Dabeigeschieht eine Umwandlung von einer Am-plitudenmodulation (Depolarisierung) ineine Impulsmodulation (neuronale Entla-dungsrate). Die Fortsätze der Ganglienzel-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 10

len (Nervenfasern) lagern sich zum Seh-nerv (Nervus Opticus) zusammen. DieserStrang aus Nervenfasern überträgtschliesslich die Information an das Gehirn.Der blinde Fleck ist die Stelle, an der dieNetzhaut unterbrochen wird, da hier derSehnerv seine Durchtrittsstelle hat.

Eine Rezeptorzelle gibt ihre Informationsomit nicht nur an eine Zelle, sondern anmehrere Horizontal- und Bipolarzelle undsomit an mehrere Ganglienzellen weiter(Divergenz). Eine Ganglienzelle erhält dieverarbeitete Information von mehreren Ho-rizontal-, Bipolar- und Amakrinzellen undsomit von mehreren Rezeptoren (Konver-genz). Die Fläche der Netzhaut von der dieGanglienzelle Information erhält heisst ihrrezeptives Feld.

Rez

epto

ren

[1/m

m2 ]

Retinaort [°]

150'000

100'000

50'000

80

200'000

60 40 20 0 20 40 60 80

Zapfenphotopisch

Stäbchenskotopisch

nasal temporal

blinderFleck Fovea

0

Abb. 11: Rezeptorendichte in der Netzhaut.

Sehschärfe und Netzhautort

Die Sehschärfe hängt vom Netzhautort ausfolgenden Gründen ab:• Die Rezeptordichte ist unterschiedlich: In

der Fovea sind die Rezeptoren am dich-testen gepackt (gute Sehschärfe), zurPeripherie der Netzhaut hin nimmt die

Anzahl Rezeptoren pro Fläche und damitdie Sehschärfe ab (Abb. 11).

• Die rezeptiven Felder sind unterschied-lich gross: In der Fovea sind die Felderklein (gute Sehschärfe), zur Peripheriehin werden sie grösser (schlechtere Seh-schärfe).

Beide Effekte führen dazu, dass ein fixierterGegenstand zu sehen ist, da er auf der Fo-vea abgebildet wird. Je entfernter das Bildvon der Fovea ist, desto unschärfer er-scheint ein Gegenstand (Abb. 12).

20

40

60

80

100

010 20 30 4010203040

< links rechts >Fovea

rela

tive

Seh

sch

ärfe

[%]

Ort im Gesichtsfeld [°]

Abb. 12: Sehschärfe in Abhängigkeit von der Lageim Gesichtsfeld.

Praxisbezug

Zeichengrösse

Die Sehschärfe und ihre Verteilung im Ge-sichtsfeld ist für die Festlegung der Zei-chengrösse ausschlaggebend. Sie mussein flüssiges Lesen gewährleisten. Dies istdann der Fall, wenn die Zeichen in einemweiteren Bereich von etwa 2° Sehwinkel(ca. 4-6 Buchstaben) trotz ev. reduzierterSehschärfe sicher erkannt werden. In ei-nem Umfeld von etwa 15 bis 20 Buchsta-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 11

ben sollen einfache Formen gesehen wer-den können (Umriss eines Wortes). DieZeichen dürfen für flüssiges Lesen wederzu klein noch zu gross sein, wie auch Expe-rimente bestätigten (Abb. 13). Sind sie zugross, kann ein Wort nicht mehr als ganzeserfasst werden (Buchstabieren).

Zeichengrösse [Sehwinkelminuten]

5

4

3

2

1

12 16 20 24 28 328

sehr gut

gut

bedingt

wenig

nicht Eig

nu

ng

zum

Les

en

Beu

rtei

lun

g

Abb. 13: Einfluss der Zeichengrösse auf die Beur-teilung der Lesbarkeit eines Textes. Grau:für Dauerleistung ungeeigneter Bereich.

Empfehlungen

1538

4020 60 80 1000

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

min

imale

Zeichen

gröss

e

min

imal

erA

bst

and

optim

ale

Zeic

heng

röss

e

Em

pfe

hlu

ng

Sehabstand [cm]

Zei

chen

hö

he

[mm

]

Abb. 13a: Empfohlene Zeichenhöhen in Abhängig-keit des Sehabstands.

Das differenzierte Auflösungsvermögen derNetzhaut und die Wahrnehmungsprozesse

beim Lesen erfordern Abmessungen aufdem BS gemäss Tab. 1 und Abb. 13a.

Tab. 1: Abmessungen für gute Lesbarkeit.

Sehwinkel Grösse(50 cm Distanz)

Zeichenhöhe 20- 22’ 2,9-3,2 mmZeichenbreite 14- 20’ 2,0-2,9 mmStrichdicke 1,75-3,5’ 0,25-0,5 mmZeichenzwischenraum 1,75-3,5’ 0,25-0,5 mmWortzwischenraum 14- 20’ 2,0-2,9 mm

BlickrichtungSehprozess

Konvergenz

Der Mensch besitzt zwei Augen, welche jeein eigens Bild auf der Netzhaut abbilden.Die Aufgabe der Konvergenz ist, durch Ge-geneinanderbewegung der beiden Augen,die beiden Bilder in Übereinstimmung zubringen, d.h., sie zu fusionieren. Konver-genz und Akkommodation sind neuronalmiteinander gekoppelt: ein Sehobjekt in ei-ner bestimmten Distanz kann sowohl alsAkkommodationsreiz als auch als Fusions-reiz wirksam sein. Ist die Kopplung nichtübereinstimmend, liegt (unsichtbares) la-tentes Schielen vor. Der von der Akkom-modation unkorrekt geforderte Konver-genzwert muss mit ständigen Fusionsan-strengungen korrigiert werden.

Praxisbezug

Zeilenabstand

Augenbewegungen erfordern ein exaktesZusammenspiel der Achsen beider Augen.Dafür müssen dem Auge eindeutige An-haltspunkte, d.h. grosse Objekte, angebo-ten werden. Bei unstrukturierten Texten miteinzeiligem oder noch geringerem Abstand,fehlen mehrheitlich solche Anhaltspunkte.Es fällt vielen Lesern schwer, vom Ende ei-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 12

ner Zeile ausgehend, den Anfang der näch-sten Zeile zu finden. Besonders schwierigwird die Blickführung, wenn ständig zwi-schen der BS-Oberfläche und einem Beleggewechselt werden muss. InsbesondereBenutzer mit latentem Schielen haben mitSchwierigkeiten zu kämpfen.

Spiegelbilder im Bildschirm

Alle BS haben eine Oberfläche aus optischdurchsichtigem Material, welche einen Teildes auftreffenden Lichtes reflektiert. Re-flexe erschweren die Arbeit mit dem BS undwerden deshalb von den Benutzern durchgeeignete und ungeeignete Massnahmen(Körperhaltung) beseitigt. Der Reflexschutzmuss bereits bei der BS-Beschaffung be-rücksichtigt werden.

Störend an Spiegelbildern ist nicht nur dasVerdecken des BS-Inhalts (→ Kontrastmin-derung), sondern dass sie auch Fusions-reize bilden welche sich hinter der Bild-schirmebene befinden. Da das Auge auf dieBildschirmoberfläche akkommodiert, ent-stehen neben dem störenden Fusionsreizfür die Konvergenz auch unterschiedlicheBilder auf den beiden Netzhäuten. Es re-sultiert ein binokularer Wettstreit.

Empfehlungen

• Der Zeilenabstand soll 3,5 bis 5% derZeilenlänge betragen.

• Eine Blickrichtung zur Bildschirmmitte15° unter die Horizontale wird als natür-lich empfunden. Bildschirme sollen mög-lichst tief gestellt werden: der Blick zurOberkante darf nicht über die Horizontalehinaus gehen.

• Um Spiegelungen durch Tages- oderKunstlicht zu vermeiden, soll der BS zwi-

schen den Leuchtenreihen mit Blick par-allel zum Fenster und zu den Leuchten-reihen angeordnet werden (→ Bildschirmund Fenster).

• Grundsätzlich sollte ein BS mit optischerVergütung gewählt werden. Alle anderenReflexschutzmassnahmen bedürfen ei-ner speziellen Begründung. ModerneFlachbildschirme weisen zum Teil einenhervorragenden Reflexionsschutz auf.

• Spiegelungen im BS führen nicht zu bin-okularem Wettstreit, wenn ihre Leucht-dichte ( )DHs LL25,0L +≤ (positive Pola-rität) bzw. VDHs L067,0L267,0L2,0L ++≤(negative Polarität) ist. Sie sind beipositiver Polarität weniger sichtbar. Esbedeuten: LH = Leuchtdichte Hinter-grund, LV = Leuchtdichte Vordergrund,LD = Leuchtdichte diffuse Reflexion (→Diffuse Lichtstreuung am BS) und LS =Leuchtdichte Spiegelbild.

Helligkeit

LichtempfindlichkeitSehprozess

Weber-Fechner-Gesetz

Viele Sinnes- und Nervenzellen könnenReizintensitäten von mehreren Zehnerpo-tenzen Intensitätsunterschied verarbeiten.Wie gross muss ein Reizunterschied sein,damit ihn das menschliche Auge geradenoch erkennt? Er hängt vor allem vom Ab-solutwert ab: Je höher die Lichtintensität ist,desto grösser muss der Helligkeitsunter-schied sein, damit man zwei verschiedenstark beleuchtete Flächen voneinander un-terscheiden kann. Dieser Zusammenhang


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 13

heisst Gesetz von Weber. Unterstellt man,dass das Webersche Gesetz nicht nur fürUnterschiedsschwellen, sondern generellanwendbar ist, kann es in das Gesetz vonFechner übergeführt werden: Die Wahr-nehmungsintensität S ist dem Logarithmusder Leuchtdiche L proportional.

21 konst)Llog(konstS +=

Dieses Gesetz ist allerdings nur im Bereichmittlerer Intensitäten gültig.

Potenzfunktion von Stevens

Eine ähnliche Beziehung gibt die Stevens-sche Potenzfunktion wieder. Hier hängt dieWahrnehmungsintensität (Lightness L*) mitder 3. Wurzel der Leuchtdichte L zusam-men (→ Farbraum):

( ) 16LL116L 31

A −=∗

LA ist die Leuchtdichte, auf welche dasAuge adaptiert ist (→ Adaptation). DieseFunktion wird heute öfter verwendet alsdiejenige nach Fechner.

Umfeldleuchtdichte [cd/m2]

Abb. 14: Einfluss der Leuchtdichte auf die Seh-schärfe für einen Kontrast K’’=0,95 undBeobachter im Alter zwischen 25 und 50Jahren. Gepunktet: Streubereich.

Sehschärfe und Leuchtdichte

Die Sehschärfe nimmt mit der Leuchtdichtezu (Abb. 14). Viel grössere, nicht darge-stellte Intensitäten verursachen aber eineBlendung des Auges, womit die Sehschärfewieder abnimmt. Erklärung: Mit abnehmen-der Helligkeit nimmt die Grösse der rezepti-ven Felder zu, was zu geringeren Seh-schärfen führt (→ Neuronale Adaptation).

Praxisbezug

Mittlere BS-Leuchtdichte

Die Leuchtdichte auf dem BS (Helligkeitdes Zeichens bzw. des Hintergrunds) sollden Bedürfnissen des Benutzers und denErfordernissen der allgemeinen Raumhel-ligkeit angepasst werden können. Dabeimuss die Lichtreduktion eventuell vorge-schalteter Blendschutzfilter berücksichtigtwerden. Die Anforderungen an die mittlereLeuchtdichte werden mit zunehmendemAlter unterschiedlich. Auch SehbehindertePersonen haben unterschiedliche Bedürf-nisse an die mittlere Leuchtdichte. Ist dieLeuchtdichte zu gering, reduziert sich dieSehschärfe; ist sie zu gross entsteht Blen-dung. Es muss daher ein individuelles Op-timum gefunden werden.

Empfehlungen

• Die BS-Leuchtdichte soll mindestens35 cd/m2 betragen. Optimale Sehschärfewird mit 100-160 cd/m2 erreicht.

• Ungleichmässigkeiten der Helligkeit wir-ken nicht störend, wenn sie über den BS< 1,7 : 1 und innerhalb eines Zeichens< 1,5 : 1 betragen.

• Sollen Helligkeitspaare unterschiedenwerden, müssen die Leuchtdichten sichum mehr als 50% unterscheiden.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 14

• Mit positiver Polarität ist die Gleichmäs-sigkeit leichter zu erreichen und Kantensind deutlicher erkennbar.

AdaptationSehprozess

Chemische Adaptation

Das Auge muss sehr flexibel sein, will essowohl die visuellen Informationen bei hel-lem Tageslicht als auch in der Dunkelheitaufnehmen und verarbeiten. Die Pupillekann die Menge des einfallenden Lichtesnur um den Faktor 16 verändern. Es reichtauch nicht aus, zwei verschiedene Rezep-torsysteme (Stäbchen- und Zapfensehen)zu haben, sondern die Rezeptoren müssensich an die jeweilige Leuchtdichte anpassend.h. adaptieren können. Dies erfolgt durchdie Einstellung der Reizschwelle, indemsich in den Rezeptoren die Konzentrationdes Sehfarbstoffes (Sehpigmente) mit derBeleuchtungsstärke ändert.

0 10 20 30 40

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10+1

10-5

Adaptationszeit [min]

Un

ters

chie

dss

chw

elle

[cd

/m2 ]

Zapfensehen

Stäbchensehen

10+2

Abb. 15: Änderung der Schwellenreizstärke beiDunkeladaptation. Auf der Ordinate ist dieLeuchtdichte eines gerade wahrgenom-menen Lichtreizes eingetragen.

Die chemische Adaptation dauert sehrlange, da die Sehpigmente nur sehr lang-sam regenerieren: Es dauert bei der Dun-

keladaptation (=Adaptation von hell nachdunkel) eine bis mehrere Minuten, bis manGegenstände überhaupt erkennt und ca. 40Minuten, bis die vollständige Adaptationeintritt (Abb. 15). Die Helladaptation hinge-gen braucht nur ca. 5 Sekunden.

Neuronale Adaptation

Die neuronale Verarbeitung des Bildes inder Netzhaut ermöglicht einen weiterenschnellen Adaptationsmechanismus: Dererregende Teil der Netzhautfläche, bzw.des rezeptiven Feldes einer Ganglienzelle,vergrössert sich mit zunehmender Dunkel-heit. Der Nachteil dabei ist die geringere re-sultierende Sehschärfe (Abb. 14). Bei gros-ser Helligkeit ist der erregende Teil der re-zeptiven Felder klein. Neben der besserenSehschärfe wird so eine übermässige Rei-zung der Ganglienzellen verhindert.

Abhängigkeit der Sehschärfe vom Adaptati-onszustand

Im adaptierten Zustand sieht man schärferals im nicht adaptierten. Wechselt man voneinem hellen Raum in einen dunklen, sosieht man nichts mehr mit den Zapfen, unddie Stäbchen befinden sich noch im Sätti-gungszustand. Die Stäbchen erholen sichnacheinander, und je mehr Stäbchen in den"Arbeitszustand" übergegangen sind, destodeutlicher und schärfer wird das Objekt ge-sehen.

Wechselt man umgekehrt von einem dunk-len in einen hellen Raum, so werden so-wohl die Stäbchen als auch die Zapfen zu-nächst übersteuert (wenn alle Rezeptorenreagieren, wird kein differenziertes Bild ge-sehen). Haben sich die Zapfen an dieGrundhelligkeit angepasst, so reagieren sie


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 15

je nach individueller Reizintensität, so dassein differenziertes Bild erscheint.

Praxisbezug

Bildschirm und Fenster

BS können nicht in beliebiger Anordnung imRaum aufgestellt werden. So sollen im Ge-sichtsfeld keine grossen Leuchtdichteunter-schiede bestehen. Steht beispielsweise derBS mit Blick zum Fenster, adaptiert dasAuge auf die helle Fläche des Himmels.Dadurch wird die Sehfähigkeit auf demdunkleren BS eingeschränkt. Besser isteine Blickrichtung parallel zum Fenster.

Polarität

Vergleichende Untersuchungen mit positi-ver und negativer Polarität haben gezeigt,dass die Sehschärfe für Zeichen positiverPolarität besser ist (Abb. 17). Leistungs-tests (Lesen) ergaben jedoch keine eindeu-tigen Unterschiede. Für positive Polaritätsprechen:• Das Auge ist helladaptiert• Reflexe auf dem BS sind weniger auffäl-

lig• Beim Wechsel zwischen Papier und BS

bleibt die Polarität erhalten• Die Akzeptanz ist grösser

Dagegen sprechen die höhere Flimmeran-fälligkeit (→ Flimmern) und geometrischeInstabilitäten bei qualitativ schlechten BS.

Empfehlungen

• Zwischen BS und Umgebung (z.B. Pa-piervorlage, Fenster) soll das Leucht-dichteverhältnis < 10 : 1 betragen.

• Der BS soll nicht mit Blick zum Fensteraufgestellt werden.

• Positive Polarität ist zu bevorzugen; dieVerwendung negativer Polarität bedarfeiner besonderen Begründung.

Kontrast

KontrastverstärkungSehprozess

Infeld-Umfeld-Antagonismus rezeptiver Fel-der

Die vielfältigen Verknüpfungen in der Netz-haut bilden die Voraussetzung für die re-zeptiven Felder retinaler Ganglienzellen.Die rezeptiven Felder mehrerer Ganglien-zellen können sich gegenseitig überlappenund sind verschieden gross: In der Foveasind die Felder sehr klein, zur Peripheriehin werden sie immer grösser.

Netzhautausschnittmit rezeptivem Feld

Ganglienzellemit Signalantwort

ein aus

ein aus

ein aus

Abb. 16: Zellantwort einer On-Off-Ganglienzelle aufunterschiedliche Beleuchtungen ihres re-zeptiven Feldes.

Die Wirkung der Rezeptoren im rezeptivenFeld einer Ganglienzelle ist unterschiedlich:So kann Licht im Zentrum des Feldes erre-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 16

gend, im Umfeld jedoch hemmend auf dieneuronale Entladungsrate der Ganglienzellewirken (Abb. 16). Bei anderen Ganglien-zellen kann es gerade umgekehrt sein.

Diese Struktur der rezeptiven Felder ist dieVoraussetzung für die simultane Kontrast-verstärkung. Darunter versteht man folgen-des Phänomen: Betrachtet man eine Figur,so wird keine absolute Helligkeit, sondernHelligkeit in Abhängigkeit von Kanten gese-hen. Die Intensität der Kanten von kontra-stierenden Flächen wird dabei verstärkt (diehellere Fläche wird an der Kante noch hel-ler gesehen, die dunkle Fläche an derKante noch dunkler).

Abhängigkeit der Sehschärfe vom Kontrast

Wie die Wirkungsweise der rezeptiven Fel-der zeigt, ist das Sehsystem darauf spezia-lisiert, Kontraste und nicht einfache Hellig-keiten wahrzunehmen. Gute Kontraste stei-gern die Sehfähigkeit und mithin auch dieSehschärfe (Abb. 17).

Praxisbezug

Äusserer Kontrast

Die Erkennbarkeit hängt vom Kontrast zwi-schen Zeichen und Hintergrund ab. Beisehr kleinen Kontrasten (< 3 : 1) ist dieWahrnehmung nicht nur bezüglich derFehlerrate gestört, sondern es sinkt auchdie Arbeitsgeschwindigkeit. Sehr helle Zei-chen auf dunklem Grund blenden und sinddaher störend.

Innerer Kontrast

Neben dem äusseren Kontrast ist auch dersogenannte innere Kontrast für die Zei-chenerkennung wichtig. Er beschreibt denUnterschied der Leuchtdichte im Zwischen-

raum zweier benachbarter Zeichen und de-ren maximaler Leuchtdichte (Abb 18). Ist erzu gering, verschwimmen die beiden Zei-chen ineinander und sind schwer erkenn-bar. Der innere Kontrast erreicht bei einerfür den jeweiligen BS charakteristischenmittleren Leuchtdichte ein Maximum. Häufigist das Optimum erreicht, wenn der äussereKontrast zwischen 6 : 1 und 10 : 1 liegt.

1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0

negative Polarität positive Polarität100

rel.

Seh

sch

ärfe

[%

]

Kontrast K''

80

60

40

20

0

Abb. 17: Abhängigkeit der Sehschärfe vom Kontrastbei positiver und negativer Polarität.

Le

uch

tdic

hte

[cd

/m2]

Ort [Sehwinkelminuten]

Lmax

Lmin

Lmax

Abb. 18: Horizontaler Verlauf der Leuchtdichtezweier benachbarter II. Der innere Kon-trast beträgt K = Lmin / Lmax.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 17

Empfehlungen

• Optimal ist ein Zeichenkontrast zwischen6 : 1 und 10 : 1. Er sollte nicht kleiner als3 : 1 und nicht grösser als 20 : 1 sein.

• Die Leuchtdichte zwischen zwei Pixelnsoll mindestens 3

2 der Pixelleuchtdichtebetragen, damit ein Zeichen als Einheiterscheint. Dies hängt auch von den Mo-nitoreinstellungen ab.

KontrastminderungSehprozess

Physiologische Blendung

Abb. 19: Streuzentren in der Augenoptik

Die Augenlinse ist aus Proteinlamellen auf-gebaut. Kleine Unregelmässigkeiten imAufbau bewirken eine Streuung des Lich-tes, die sich bei starkem Lichteinfall be-merkbar macht (Abb. 19). Denselben Effektbewirken kolloidal gelöste Makromoleküle,die sich im Glaskörper befinden. DasStreulicht überlagert sich dem Netzhautbild,man spricht von physiologischer Blendung.Die Trübungen des dioptrischen Apparatesnehmen durch Einwanderung von rotenBlutkörperchen (=Erythrozyten) und die An-zahl der Streuungszentren im Alter zu.

Praxisbezug

Diffuse Lichtstreuung am Bildschirm

Neben den bereits erwähnten Spiegelungenim BS findet hinter der Glasfront in der Pi-xelebene eine diffuse Lichtstreuung statt.Bei aufgerauhter Glasoberfläche kommtdort eine weitere diffuse Lichtstreuunghinzu. Dieses Licht vergrössert sowohl dieZeichen- als auch die Hintergrundleucht-dichte. Bei negativer Polarität wird daheraus einem Kontrast [LZ / LU] ein kleinererKontrast [(LZ + LS) / (LU + LS)]. Man sprichtvon Kontrastminderung; das Streulicht mitLeuchtdichte LS heisst auch Schleierleucht-dichte. Analoges gilt für positive Polarität.Spiegelung im BS bewirkt ebenfalls Kon-trastminderung, ist aber nicht über denganzen BS verteilt, wie die diffuse Licht-streuung. Beide Reflexionsarten können mitHilfe einer Taschenlampe grob beurteiltwerden.

Empfehlungen

• Mit negativer Polarität scheinen Zeichengrösser; sie ist für Sehbehinderte oft vonVorteil, da im Auge weniger Streulichtund damit weniger physiologische Blen-dung entsteht. Dies könnte fallweiseauch für ältere Personen zutreffen.

• Grundsätzlich sollte ein BS mit optischerVergütung gewählt werden. Alle anderenReflexschutzmassnahmen bedürfen ei-ner speziellen Begründung. ModerneFlachbildschirme weisen zum Teil einenhervorragenden Reflexionsschutz auf.

• Nach Möglichkeit soll ein BS so aufge-stellt werden, dass kein direktes Licht,insbesondere kein Tageslicht auf ihnfällt.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 18

Farbe

FarbraumSehprozess

Drei Farbrezeptoren (Theorie von Youngund Helmholtz)

Der Mensch kann (v.a. bei direktem Farb-vergleich) viele Farben unterscheiden. Esstellt sich die Frage, mit wievielen verschie-denen Rezeptorarten der Mensch aus-kommt, um diese Anzahl von Farbabstu-fungen unterscheiden zu können.

Wellenlänge [nm]450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700425400

rela

tive

spek

tral

eE

mp

fin

dlic

hke

it

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

1.2

B-Zapfen R-Zapfen

G-Zapfen

Abb. 20: Lichtabsorption der drei Zapfentypen.

Wie T. Young 1802 vermutete und H. v.Helmholtz 1866 aufgrund psychophysischerExperimente voraussagte, findet man in derNetzhaut drei Farbrezeptoren, die Lichtüber einen begrenzten Wellenlängenbe-reich absorbieren (Abb. 20):• Rot-empfindliche Zapfen

(Absorptionsmaximum: 570 nm, Absorp-tionsbereich: ca. 430-720 nm),

• Grün-empfindliche Zapfen (Max.: 535nm, Bereich: ca. 400-630 nm),

• Blau-empfindliche Zapfen (Max.: 445 nm,Bereich: ca. 380-530 nm).

Im Vergleich dazu absorbieren die Stäb-chen im gesamten Wellenlängenbereichdes sichtbaren Spektrums (Absorptionsma-ximum: 505 nm, Absorptionsbereich: ca.380-650 nm, siehe V’(λ) in Abb. 2):

Farbtafel, Farbkoordinaten, Farbdreieck

Durch die Tatsache, dass drei Rezeptorty-pen für die Farbwahrnehmung zuständigsind, wird die Vielfalt der Lichtspektren re-duziert: Jede Farbe lässt sich in einem 3-di-mensionalen Raum darstellen, dem soge-nannten Farbraum. Es gibt verschiedenemathematische Systeme, die diesen Farb-raum mit Farbkoordinaten beschreiben. Oftwird eine der drei Koordinaten als die Hel-ligkeit (Leuchtdichte) definiert und die ande-ren beiden beschreiben eine 2-dimensiona-le Farbtafel mit Farbton (z.B. Grün, Rot)und Sättigung (z.B. Rot, Rosa). SichtbareFarben sind in der Farbtafel im sogenann-ten „Farbdreieck“ angeordnet (Abb. 21).

v’ A

u’

Abb. 21: CIE 1976 u’v’-Normfarbtafel mit Dreieckder am BS darstellbaren Farben (A) undFarbdreieck der sichtbaren Farben (B).

Aus dem Farbdreieck kann man ablesen,welcher Farbton entsteht, wenn man zwei


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 19

oder mehr Wellenlängen mischt. Die Werteam Kurvenzug entsprechen den Wellenlän-gen von Farben, welche nur aus dieser ei-nen Wellenlänge bestehen (= monochro-matische Farben). Ist ein Gemisch von zweiWellenlängen vorhanden, so verbindet mandie beiden durch eine Gerade. Der Farb-eindruck liegt auf dieser Geraden. Der ge-naue Wert hängt von den Intensitäten derbeiden Wellenlängen ab (Gewichtung).

Farbfehlsichtigkeit

Ist im Auge ein Rezeptortyp spektral ab-normal empfindlich oder fehlt er, so sprichtman von Farbsehschwäche (Farbanomalie)bzw. von Farbenblindheit (Farbanopie). Beider Farbfehlsichtigkeit unterscheidet manzwischen dem Mangel am:• rot-empfindlichen Rezeptor (protanomal,

protanop),• grün-empfindlichen Rezeptor (deutera-

nomal, deuteranop),• blau-empfindlichen Rezeptor (tritanomal,

tritanop) sehr selten.

Von den ersten beiden Typen sind ca. 8%der männlichen Bevölkerung betroffen. Siekönnen zwischen rot, gelb und grünschlecht oder gar nicht unterscheiden. Diezentrale Fovea ist auch bei farbtüchtigenPersonen ohne Blaurezeptoren.

Praxisbezug

Metamerie

Verschiedene Spektren von Lichtquellenoder reflektierenden Gegenständen könnenzu ein und derselben empfundenen Farbeführen. Man spricht dann von bedingtglei-chen oder metameren Farben. So gibt esz.B. bei monochromen bernsteinfarbigenBS Energiespektren mit nur einem Maxi-

mum bei einer Lichtwellenlänge von 580nm, während dieselbe empfundene Farbebei einem Farb-BS aus einem Energie-spektrum mit drei Maxima bei Wellenlängenvon 540 nm, 624 nm und 707 nm erzeugtwerden kann.

Farbbildschirme

Farben werden sowohl bei monochromenals auch bei mehrfarbigen BS verwendet.Bei mehrfarbigen BS werden sie durch Mi-schung der Grundfarben Rot, Grün undBlau erzeugt. Das Spektrum der Grundfar-ben entspricht nicht den spektralen Emp-findlichkeiten der Zapfen. Nicht das ge-samte Farbdreieck kann am BS dargestelltwerden (Abb. 21).

Mit den Koordinaten u’ und v’ der u’v’-Farbtafel und der zugehörigen LeuchtdichteL können Farbdifferenzen ∆ zwischen zweiFarben messtechnisch bestimmt werden(Abb. 22).

Empfehlungen

• Farbungleichmässigkeiten bei 15“- odergrösseren Bildschirmen werden nichtwahrgenommen, wenn 03,0vu ≤′′∆ ist.

• Sollen Farbpaare unterschieden werden,muss 20E*

uv >∆ sein. Je nach Grösseund Abstand ist ein grösserer Farbunter-schied erforderlich.

• Blau auf Schwarz soll nicht verwendetwerden, da der Helligkeitskontrast zu ge-ring ist und da der Farbton im Fixations-punkt nicht erkennbar ist.

• Um Farbfehlsichtige zu begünstigen,sind neben Farbtonunterschieden zu-sätzlich auch Helligkeitsunterschiedevorzusehen.


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 20

v,u,L ′′ : Leuchtdichte und Farbkoordinaten vonuntersuchter Farbe 1 oder 2

nnn v,u,L ′′ : Leuchtdichte und Farbkoordinaten vonReferenzweiss (Adaptationsfläche):

Farbtemperatur nu′ nv′5600 K 0,206 0,4786500 K 0,198 0,4689300 K 0,181 0,454

( ) ( )22 vuvu ′∆+′∆=′′∆

( )( )( )n

n

n

vvL13v

uuL13u

16LL116L 31

′−′=

′−′=

−=

∗∗

∗∗

∗

( ) ( ) ( )222uv vuLE ∗∗∗∗ ∆+∆+∆=∆

Abb. 22: Berechnung der Farbdifferenzen aus derLeuchtdichte und den Farbkoordinaten u’und v’ der zu vergleichenden Farben.

FarbsehschärfeSehprozess

Abhängigkeit der Sehschärfe von der Farbe

Dass die Sehschärfe von der Farbe ab-hängt, hat mehrere Ursachen:• Die Farben werden von der Linse unter-

schiedlich gebrochen und daher (beimehrfarbigen Gegenständen) z.T. un-scharf abgebildet (← chromatische Aber-ration).

• Sieht man einen Gegenstand bei mono-chromatischem Licht, so sprechen nurdie Rezeptortypen an, die diese Wellen-länge vorwiegend als Reiz verarbeitenkönnen. Die Dichte der aktivierten Re-zeptoren wird damit geringer und mit ihrdie Sehschärfe.

• Der Aufbau der rezeptiven Felder be-dingt, dass die Sehschärfe für reineFarbkontraste welche keine Leuchtdich-tekontraste aufweisen, bis auf 30% (rot-grün oder blau-gelb) reduziert sein kann.

Andere Farbkombinationen reduzierendie Sehschärfe noch stärker (z.B. gelb-weiss).

Praxisbezug

Farbkodierung

Die Vorteile von Farbe kommen vor allembeim Kodieren von graphischen Informatio-nen zur Geltung. Ihr Einsatz ist sorgfältig zuplanen. Reine Farbkontraste sind zugun-sten von Hell-Dunkel-Kontrasten zu ver-meiden.

Empfehlungen

• Sehobjekte in extremem Blau mit Seh-winkelgrösse < 2° können schlecht er-kannt werden und sind zu vermeiden.

• Wenn eine genaue Farberkennung vonisolierten Sehobjekten erforderlich ist,müssen diese mindestens 30’, besser45’ Sehwinkel gross sein.

FarbverarbeitungSehprozess

Gegenfarbentheorie (Hering)

Die Wahrnehmung von Farbe unterliegtvielfältigen Einflüssen. Mit dem Einfluss derFeldgrösse auf die Farbsättigung, der Farb-intensität auf den Farbton, der Farbkon-stanz, der Farbumstimmung, den farbigenNachbildern und dem farbigen Simultan-kontrast seien nur einige genannt.

Hering postulierte 1878, dass es zum Farb-sehen drei Zelltypen gibt: Einen für rot-grünGegensätze, einen für blau-gelb Gegen-sätze und einen für hell-dunkel Gegen-sätze. Diese Theorie der Komplementärfar-ben widerspricht auf den ersten Blick derje-nigen mit den drei Zapfentypen, die von


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 21

Helmholtz vertreten wurde. Die HeringscheAnnahme wurde jedoch durch elektrophy-siologische Versuche bestätigt, nämlich alsEigenschaft der retinalen Ganglienzellen.Diese weisen also mit ihren rezeptiven Fel-dern nicht nur aktivierend und hemmendeAnteile auf, sondern auch Farbgegensätze.Mit dem Informationsverarbeitungsmodellnach Abb. 23 lassen sich die Heringscheund die Helmholtzsche Anschauung zu-sammenführen.

Rot-GrünGegenfarbe Hell-Dunkel

Gegensatz

R G B

R+ G- Y+ B- R+ G+ B+

Chromatizität Helligkeit

Gelb-BlauGegenfarbe

Y = R+G

Zapfen

Abb. 23: Farbverarbeitung vom Rezeptor zur Gang-lienzelle.

Praxisbezug

Farbkontraste

Farbige Zeichen sind auf farbigem Grundnur dann gut erkennbar, wenn ein ausrei-chender Leuchtdichtekontrast vorhandenist. Bei ungeeigneter Wahl kann in ungün-stigen Fällen an der Grenze beider Farben

die Mischfarbe auftreten, z.B. ein weisserRand bei Blau auf Gelb. Bei kleinen Flä-chen kann sich die wahrgenommene Farbein Richtung des Untergrunds verändern(Assimilation), bei grossen Flächen inRichtung der Komplementärfarbe des Un-tergrunds (Simultankontrast).

Farbe soll sparsam und für grössere Flä-chen eingesetzt werden. In der Farbbenen-nung ungeübte Personen können nichtmehr als sechs Farben sowie Unbunt(schwarz-grau-weiss) unterscheiden.

Empfehlungen

• Um Farben unterscheiden und identifizie-ren zu können, müssen sie auf achroma-tischem Hintergrund dargestellt werden.

• Ohne Vergleichsmöglichkeit können vonfarbtüchtigen Personen die sieben Far-ben Grün, Gelb, Rot, Türkis, Weiss, Blauund Violett unterschieden werden.

Zeitfaktoren

FlimmernSehprozess

Flimmerverschmelzungsfrequenz

Oberhalb der Flimmerverschmelzungsfre-quenz (FVF) nimmt das Auge Oszillationennicht mehr wahr. Es entsteht der Eindruckkonstanter Helligkeit. Die FVF hat keinenfesten Wert, sie kann grösser als 90 Hzsein. Einflussfaktoren sind:• mittlere Leuchtdichte: Die FVF steigt mit

zunehmender Leuchtdichte (Abb. 24).• Oszillationsgrad der Leuchtdichte: Bei

Frequenzen um 20 Hz können bereits


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 22

geringe Leuchtdichteschwankungenwahrgenommen werden (Abb. 25).

• Feldgrösse: Grosse flimmernde Felderbewirken eine höhere FVF als kleine(Abb. 25).

• Ort des flimmernden Felds: Die FVF istim seitlichen Gesichtsfeld (Peripherie derNetzhaut) höher als im Fixationszentrum(Fovea).

50

40

20

10

0

30

Flim

mer

vers

chm

elzu

ng

sfre

qu

enz

[Hz]

Bereichsichtbaren Flimmerns

flimmerfreierBereich

10-1 100 101 102 103 104 105

Leuchtdichte [cd/m2]

Abb. 24: Zunahme der FVF mit der Leuchtdichte fürfoveales Sehen.

0,005

0,01

0,02

0,05

0,10

0,20

0,50

1,00

2,0

1,0

0,0

0,5

1,5

2,5

1 2 5 10 20 50 100Flimmerfrequenz [Hz]

Flim

mer

emp

fin

dlic

hke

it[

-lo

g(m

)]

Mo

du

lati

on

sgra

dm

2°

65°

Abb. 25: Zusammenhang zwischen Flimmerfre-quenz und Flimmerempfindlichkeit des Au-ges für zwei verschiedene Feldgrössen.

Praxisbezug

Bildschirmflimmern

Die Punkte eines BS werden periodischzum Leuchten angeregt, so dass ihreLeuchtdichte zeitlich oszilliert. Qualitativkann das Flimmerverhalten eines BS voneiner Person mit sehr guter Sehschärfe beigrösster für den Betrieb vorgesehener BS-Helligkeit im seitlichen Blick beurteilt wer-den.

Blinkende Zeichen

Oft werden zur Erregung der Aufmerksam-keit Teile des BS-Inhalts blinkend darge-stellt. Wie stark die Aufmerksamkeit erregtwird, hängt neben der Blinkfrequenz auchvom Zeitverhältnis zwischen Ein- und Aus-schaltung ab, sowie von der Grösse desblinkenden Objekts.

Empfehlungen

• Mit negativer Polarität ist Flimmern weni-ger wahrnehmbar.

• BS mit 100 cd/m2 Leuchtdichte solltenmindestens eine Refreshrate von 80 Hz,besser aber 90 Hz aufweisen.

• Blinkende Zeichen zur Erregung der Auf-merksamkeit sollen mit einer Frequenzzwischen 1 und 5 Hz im Zeitverhältnis1 : 1 ein- und ausschalten.

• Blinkender Text, der lesbar sein soll,muss mit Frequenzen zwischen 1/3 und1 Hz im Zeitverhältnis 1 : 0,7 ein- undausgeschaltet werden.

BewegungSehprozess

Netzhautperipherie

Im Gegensatz zur Sehschärfe ist das Be-wegungssehen und das zeitliche Auflö-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 23

sungsvermögen in der Peripherie der Netz-haut besser, aufgrund geringerer Rezepto-rendichte und höherer Nervenleitungsge-schwindigkeiten.

Abb. 26: Sehschärfe in Abhängigkeit der Winkelge-schwindigkeit.

Sehschärfe und relative Bewegung

Die Signalübertragung und -verarbeitungdes Reizes braucht Zeit. Bewegt sich einGegenstand schnell, so kommt es vor, dasszwei oder mehrere benachbarte Rezepto-ren kurz hintereinander vom selben Punktdes Objekts gereizt werden. Werden dieReize der beiden Rezeptoren praktischgleichzeitig bearbeitet, so erscheint dies alslokale Unschärfe (Abb. 26).

Praxisbezug

Jitter

Zitterbewegungen (Jitter) von Zeichen min-dern die Zeichenschärfe und stören Fixa-tion und Aufmerksamkeit. Sie erhöhen dievisuelle Beanspruchung. Wegen der unter-schiedlichen Empfindlichkeit der Netzhautfür Bewegungswahrnehmung, kann es ge-schehen, dass Zeichen am BS-Rand zu

zittern scheinen, während sie im direktenBlick unverändert am Ort stehen.

Zitterbewegungen werden manchmal vonäusseren magnetischen Feldern hervorge-rufen (z.B. Lüftermotor, vorbeifahrende Ei-senbahn). Im Extremfall können diese mitspeziellen „Schutztunnels“, in welche derBS gestellt wird, abgeschirmt werden. Mo-derne Flachbildschirme sind von Jitter nichtbetroffen.

Empfehlungen

• Zitterbewegungen (Jitter) zwischen 0,5und 30 Hz sollten weniger als 0,7’ Seh-winkelgrösse bzw. weniger als 0,1 mm in50 cm Sehentfernung betragen.

• Externe elektromagnetische Felder, wel-che Jitter verursachen (z.B. mit 16,7 Hz)sollen vermieden oder abgeschirmt wer-den. Die magnetische Induktion muss< 2 µT sein.

• Bewegte Objekte, die erkannt werdensollen, müssen eine Sehwinkel-Ge-schwindigkeit von weniger als 10°/s auf-weisen.

DauerleistungSehprozess

Asthenopische Beschwerden (nach Krue-ger)

Überbeanspruchung der Augen verursachtasthenopische Beschwerden. Darunter ver-steht man unterschiedliche Symptome wieAugenrötung, Augenbrennen, vermehrterTränenfluss, „Sandkorn im Auge“, Lid-zucken, Verschwommensehen, erhöhteBlendempfindlichkeit und im ExtremfallKopfschmerzen. Sie sind ein Zeichen fürÜberforderung der Augen. Mit zunehmen-


Ch. Schierz (2. 11. 2001) 24

dem Alter nehmen sie an Häufigkeit zu. Sietreten akut auf, wenn die Leistungsfähigkeitder Augen nicht für die Erfüllung einer Seh-aufgabe ausreicht. Neben diesem Un-gleichgewicht können auch psychischeAnforderungen Ursache sein. Asthenopi-sche Beschwerden sind damit im Hinblickauf Ursache wie auf Symptom unspezifischund lassen keinen direkten Schluss auf dieaktuelle Ursache zu. Nach bisherigerKenntnis werden sie im Gegensatz zumuskulären Beschwerden auch nach langerZeit nicht chronisch.

In augenärztlichen Untersuchungen werdenim allgemeinen Werte kurzfristiger Höchst-leistung erhoben, wie beispielsweise dieSehschärfe. Die Arbeitswissenschaft inter-essiert sich zwar im Falle extremer Aufga-ben für solche Höchstleistungswerte, vielbedeutsamer für die tägliche Arbeit ist dieDauerleistung. Im Einzelfall ist keineswegserwiesen, dass die Höchstleistung im Testgrundsätzlich mit der Leistungsfähigkeit amArbeitsplatz gleich gesetzt werden kann.

Praxisbezug

Beanspruchung

Akkommodation, Konvergenz und Versionsind muskuläre Anstrengungen. Akkommo-dation auf den Nahpunkt ist ausserordent-lich anstrengend. Verlassen einer Ruhelagebedeutet muskuläre und nervöse Arbeit.Sehr häufiger Wechsel der Sehentfernungstrengt, sehr genaues Fixieren, dauernderBlick nach oben oder zur Seite strengen an.Ein Wechsel der Sehentfernung oder derSehrichtung in Massen entlastet das Auge.

Empfehlungen

• Der Wechsel zwischen belastender BS-Arbeit und Erholung darf nicht dem Zufallüberlassen werden, sollte aber auchnicht in ein starres Schema „55 MinutenArbeit – 5 Minuten Pause“ gepresst wer-den. Häufig reicht es, den Ablauf der Ar-beit zu ändern und Phasen erhöhter mitsolchen geringer visueller Anforderungzu mischen.

• Bei stundenlangen Dateneingaben mithohen Sehanforderungen müssen Pau-sen eingeführt werden.

Literatur• Krueger H.: Arbeit mit dem Bildschirm.

Handbuch der Arbeitsmedizin; Ko-nietzko, Dupuis (Hrsg.) Kap. IV-9.2.1(1993).

• Krueger H.: Arbeiten mit dem Bildschirm- aber richtig! Bayerisches Staatsministe-rium für Arbeit, Familie und Sozialord-nung (1993).

• Thorell L.G., Smith W.J.: Using computercolor effectively. Prentice-Hall (1990).

• ISO 9241: Ergonomic requirements foroffice work with visual display terminals(VDTs). Parts 3, 6, 7, 8.

• Schmidt R.F.: Neuro- und Sinnesphysio-logie. 2. Aufl. Springer, Berlin (1995).

• Rock I.: Wahrnehmung. Spektrum Aka-demischer Verlag (1985).

• Goldstein E.B.: Wahrnehmungspsycholo-gie. Spektrum Akad. Verlag (1997).

Mensch-Computer Interaktion - Research Collection25431/eth... · Skript für das EduSwiss-Kursmodul...

Documents

Transcript of Mensch-Computer Interaktion - Research Collection25431/eth... · Skript für das EduSwiss-Kursmodul...