Tran Quoc Khanh - Beleuchtung in Innenräumen - Human Centric Integrative Lighting

2 2. Wie in Abschn. 2.3.1 bereits beschrieben, weisen die Ergebnisse der Abb. 2.11darauf hin, dass für die Melatoninunterdrückung während der Nacht nicht nur die oben erwähnte smel(𝜆)-Funktion, sondern eine Kombination mehrerer Netzhautmechanismen verantwortlich ist (vgl. mit Abb. 2.2), was durch den sog. circadian stimulus (CS) des Modells von Rea et al. [24] modelliert werden kann. Dazu zeigt Abb. 2.12im Vergleich die spektrale Empfindlichkeit der Rezeptoren bzw. der Netzhautmechanismen, die zur Melatoninunterdrückung in diesem Modell [24] beitragen.

Aus Abb. 2.12sind die folgenden Mechanismen ersichtlich:

1 S-Zapfen,

2 intrinsisch fotosensitive Ganglienzellen (ipRGC),

3 Stäbchen, deren spektrale Empfindlichkeit durch die V(𝜆)-Funktion modelliert wird,

4 der Luminanzkanal L+M, der wegen der größeren Ausdehnung eines zirkadian aktiven Lichtreizes (größer als 2°) durch die V10(𝜆)-Funktion, die für den 10°-Beobachter gilt, modelliert wird, sowie

5 die opponenten Kanäle 1–2 (|L−M| bzw. |L+M−S|). Der Netzhautmechanismus |L−M| (der den Unterschied der L- und M-Zapfensignale bildet) wird hier nur der Vollständigkeit halber gezeigt, dieser Mechanismus wird im Modell von Rea et al. nicht verwendet.

Die Abb. 2.13veranschaulicht das Berechnungsverfahren für den zirkadianen Reiz (CS) im Modell von Rea et al. Die in der Abb. 2.13gezeigten Berechnungsschritte werden in Abschn. 10.3.2ausführlich quantitativ dargestellt (s. Gln. (10.3) und (10.4)).

Die Eingangsgrößen des Modells von Rea et al. [24] sind die vertikale Beleuchtungsstärke am Auge sowie die relative spektrale Strahldichte des Farbreizes, wovon – nach Abb. 2.13– im ersten Schritt die Signale der S-Zapfen, der ipRGCs, der Stäbchen und L+M berechnet werden. Davon wird das spektral opponente Signal S−(L+M) gebildet. Danach gibt es eine Verzweigung des Berechnungsverfahrens je nachdem,

ob der Wert von S−(L+M) negativ (CS hängt nur vom ipRGC-Signal ab) oder

positiv oder gleich null (CS hängt vom ipRGC-Signal, vom Stäbchensignal und von S−(L+M) ab) ist.

Nach diesem Schritt werden die Signale kombiniert, normiert und komprimiert, um das Ergebnis des Modells, den circadian stimulus (CS) (oder den zirkadianer Reiz) zu erhalten. Das Verfahren ist quantitativ in Abschn. 10.3.2(Gln. (10.3) und (10.4)) beschrieben.

Für die Veranschaulichung der Bedeutung von CS zeigt Abb. 2.14diejenigen vertikalen Beleuchtungsstärkewerte am Auge des/der Beobachters/-in, die für die Erreichung eines definiertenCS-Niveaus (0,3, 0,4 oder0,5) notwendigsind. Diese Wertewurden mit 553 heute gängigen Lichtquellenspektren unterschiedlicher ähnlichster Farbtemperaturen (CCT) berechnet. Für einen konstanten Wert von CS (z. B. CS = 0,4) sind die dafür notwendigen Beleuchtungsstärken umso geringer, je höher die Farbtemperatur der Lichtquelle eingestellt wird.

Abb. 2.13 Berechnungsverfahren des Modells von Rea etal. [24]. Eingabegrofeen des Modells: ver-tikaLe Beleuchtungsstarke am Auge und relative spektrale Strahldichte des Farbreizes, wovon die S-Zapfen-, ipRGC-, Stabchen- und L+M-Signale berechnet werden. Ergebnis des Modells: zirkadianer Stimulus (CS) (oder zirkadianer Reiz), der die nicht visuelle Wirkung Melatoninunterdruckung eines Farbreizes modelliert (s. auch Abschn. 10.3.2). Ouelle: TU Darmstadt.

Abb. 2.14 Vertikale Beleuchtungsstärkewerte (Ordinate, in Lux), die für die Erreichung eines definierten CS-Niveaus (0,3, 0,4 oder 0,5) notwendig sind, berechnet für einen Satz von heute gängigen Lichtquellenspektren unterschiedlicher CCT (Abszisse, in Kelvin). Das normgerechte Niveau der horizontalen Beleuchtungsstärke (500 lx) sowie der (in einer allgemeinen Beleuchtungssituation) entsprechenden vertikalen Beleuchtungsstärke (250 lx) sind mit horizontalen schwarzen bzw. grauen Linien gekennzeichnet. Quelle: TU Darmstadt.

Die Kenngröße CS basierte ursprünglich auf Experimenten mit einer festen Belichtungszeit der Versuchspersonen (sog. exposure time ) von 1 h. Eine Modifikation der CS-Formel, die eine Abhängigkeit von der Belichtungszeit einführt, wird in Abschn. 9.4.4(Gl. (9.8)) gezeigt.

Alternativ zum Modell von Rea et al. [24] arbeitet die CIE-Publikation [32], die auf den fundamentalen Ausführungen von Lucas et al. [2] basiert, mit den (nicht kombinierten) Signalen der fünf Rezeptorkanäle (L, M, S, Stäbchen und ipRGC), die mithilfe von ihren Aktionsspektren (sog. 𝛼 -opic spectral weighting functions oder s 𝛼(𝜆)-Funktionen, s. Abb. 10.7) berechnet werden. Die CIE-Methode [32] ist in Abschn. 10.3.2(im Vergleich zum Modell von Rea et al.) beschrieben und diskutiert. Hier werden zwei wichtige Kenngrößen, die in diesem Buch später verwendet werden, definiert.

Die erste Kenngröße ist die sog. 𝛼 -opische Bestrahlungsstärke E α (in W/m 2;engl. 𝛼 -opic irradiance oder effective photobiological irradiance , s. Gl. (2.10)).

(2.10)

Die Symbole in der Gl. (2.10)haben folgende Bedeutung:

𝐸𝛼: 𝛼-opische Bestrahlungsstärke,

𝐸e(): spektrale Bestrahlungsstärke,

𝛼: (): 𝛼-opisches Wirkungsspektrum (L, M, S, Stäbchen oder ipRGC, s. Abb. 10.7) als spektrale Gewichtungsfunktion für die spektrale Bestrahlungsstärke.

Die zweite Kenngröße ist die sog. 𝛼-opische D65-äquivalente Beleuchtungsstärke (in Lux; engl. 𝛼 -opic equivalent daylight (D65) illuminance oder 𝛼 -opic EDI , s. Gl. (2.11)), die die folgende Definition widerspiegelt: „illuminance, produced by radiation conforming to standard daylight (D65), that provides an equal 𝛼-opic irradiance as the test source“ (d. h. „Beleuchtungsstärke, erzeugt durch eine Strahlung, die der Tageslichtart D65 entspricht, die die gleiche 𝛼-opische Bestrahlungsstärke wie die Testquelle liefert.“)

(2.11)

Die Symbole in der Gl. (2.11)haben folgende Bedeutung:

𝐸𝛼: 𝛼-opische Bestrahlungsstärke,

: fünf verschiedene Konstanten für die fünf 𝛼-opischen Rezeptorkanäle (L, M, S, Stäbchen oder ipRGC, s. Tab. 2.1).

Tab. 2.1 Konstanten für die fünf 𝛼-opischen Rezeptorkanäle in Milliwatt pro Lumen – Einheiten für Gl. (2.11). Name : Name des Rezeptorkanals nach der CIE-Publikation [32]. Quelle: [32].

Rezeptorkanal	L	M	S	Stäbchen	ipRGC
Name [32]	L-cone-opic	M-cone-opic	S-cone-opic	Rhodopic	Melanopic
	0,8173	1,4558	1,6289	1,4497	1,3262

Bei der Quantifizierung des zirkadianen Effektes verschiedener Lichtquellenspektren spielt in der Beleuchtungspraxis vor allem die Kenngröße (d. h. 𝛼= „mel“ in v,melGl. (2.10)) eine wichtige Rolle, die laut Tab. 2.1die melanopische Wirkung, d.h. den Effekt des ipRGC-Kanals, beschreibt. Für die Veranschaulichung der Bedeutung dieser Kenngröße zeigt Abb. 2.15diejenigen vertikalen Beleuchtungsstärkewerte, die für die Erreichung eines festen -Niveaus (240, 500 oder 750 lx) notwendig sind. Diese Werte wurden für einen Satz von 553 heute gängigen Lichtquellenspektren unterschiedlicher CCT berechnet.