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

29Gall, D. (2004). Die Messung Circadianer Strahlungsgrößen . Ilmenau: TU Ilmenau.

30Hattar, S., Liao, H.W., Takao, M., Berson, D.M. und Yau, K.W. (2002). Melanopsin-containing retinal ganglion cells: Architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 295: 1065– 1070.

31DIN SPEC 5031-100 (2015). Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik – Teil 100: Über das Auge vermittelte, melanopische Wirkung des Lichts auf den Menschen – Größen, Formelzeichen und Wirkungsspektren.

32CIE (2018). CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light, S 026:2018. https://doi.org/10.25039/S026.2018.

In Kap. 2wurden die Grundkenntnisse über die Fotorezeptoren auf der Netzhaut sowie die Bildung der fotometrischen, farbmetrischen und nicht visuellen Kenngrößen dargestellt. In Kap. 3werden die Wirkungen von Licht und optischer Strahlung zunächst systemtechnisch und biokybernetisch in einer übersichtlichen Form veranschaulicht. Dies beginnt mit den Eingangsgrößen als charakterisierende Parameter des in das Auge einfallenden Lichts, um die Lichtwirkungen auf den Menschen als System zu charakterisieren.

Anschließend werden die optische und signaltechnische Verarbeitung des Augenapparats und des Gehirns, die Signalvernetzung sowie die Bedeutung dieser Signalkommunikationen in den Gehirnregionen für die Interpretation der Lichtwirkungen auf die Menschen beschrieben. Diese Beschreibung basiert auf der Grundlage neuerer Literatur, auf die an den entsprechenden Stellen verwiesen wird.

Die Ausgangsgrößen – sowohl in subjektiver als auch in objektiv messbarer Form – verkörpern die verschiedenen Äußerungsformen bei den akuten und langfristigen Einwirkungen von Licht auf Menschen und werden ebenfalls in Kap. 3zusammen mit dem Schlafverhalten beschrieben. Diese Beschreibungen der drei Systemblöcke Eingangsgrößen – Gehirn als System – Ausgangsgrößen führen dann zum Ende des Kapitels zu der Betrachtung der Konzeption von Human Centric Lighting (HCL) als einen integrativen Beleuchtungsprozess. Dieses HCL-Konzept wird dann in den Kap. 4bis 11in einzelne wichtige und notwendige Themen zerlegt, um dann deren wichtige und relevante Ergebnisse im Kap. 12mit dem Schwerpunkt Beleuchtungsplanung als Prozess zusammen zu bündeln.

Durch bisherige Forschungen auf dem Gebiet der Biomedizin, Neuropsychologie, Augenphysiologie und der Lichttechnik sind die Prozesse bekannt, die schematisch in der Abb. 3.1dargestellt sind.

Während die reinen Eingangsgrößen von physikalischer Natur in der Abb. 3.1relativ klar definiert sind, sind die Mechanismen und die Signalverarbeitungen im Augenapparat und im Körper einschließlich im Gehirn der Menschen weiterhin Gegenstand der Forschung, wobei große Fortschritte in den letzten 20 Jahren erzielt wurden. Während in dem Zeitalter der Industrialisierung in Fabriken die Arbeitsergebnisse wie Arbeitsleistung oder Fehlerrate unter verschiedenen Einflüssen der Lichtwirkung (Beleuchtungsniveaus, Blendung, Homogenität der Beleuchtung) bis in die 1980er-Jahren quantifiziert wurden, wurden andere Ausgangsgrößen wie subjektive und emotionale Parameter in der Zeit der Informationsgesellschaft in den letzten 30 Jahren wichtiger und intensiver untersucht. Physiologische Parameter wie Hormonausschüttung (Melatonin, Cortisol), EEG, Pupillendurchmesser, EKG/PEP und Farbqualitätsmerkmale wie Farbpräferenz und Farbnatürlichkeit bestimmen die heutigen Konzepte und Forschungsarbeiten in den verschiedenen Laboratorien.

Abb. 3.1 Ubersicht der Eingangsgrößen, Einflussfaktoren und Ausgangsgrößen bei der umfassenden Betrachtung der Lichtwirkungen auf die Menschen. Quelle: TU Darmstadt.

Es gibt in der Neurowissenschaft, in der Biomedizin und in der Lichttechnik einige wichtige Fragestellungen, die beantwortet werden müssen:

1 1. Wie werden die physikalischen optischen Eingangsgrößen im Gehirn verarbeitet, um visuelle und nicht visuelle Effekte zu generieren?

2 2. Haben die visuellen und nicht visuellen Prozesse faktisch unterschiedliche Verarbeitungszentren oder überlappen sie sich? Gibt es auch wirklich Image-Forming (IF)-und Nonimage-Forming (NIF)-Prozesse, die getrennt laufen, wie man bis vor kurzem glaubte?

3 3. Haben unterschiedliche Untergruppen von Ausgangsgrößen (Untergruppen der Verhaltensgrößen, der subjektiven Attribute, der visuellen Leistungen, der emotionalen Effekte und Untergruppen der physiologischen Parameter) eine Korrelation zueinander, d. h., verhalten sie sich bei einer bestimmten Lichtintervention in der gleichen Richtung mit der gleichen Tendenz oder laufen sie zum Teil gegenläufig?

Solche Fragestellungen haben praktische Bedeutungen, um u. a. das Problem zu lösen, bei welchem Spektrum mit welcher Intensität und Lichtdauer sowie um welche Uhrzeit ein Lichtstimulus sowohl die subjektiven als auch die objektiven Befindlichkeitszustände der Lichtnutzer/-innen positiv beeinflussen kann. Gibt es auch bestimmte Lichtmerkmale, bei denen gegenläufige negative Effekte erwartet werden können?

Die optische Signalverarbeitung beginnt mit der Lichtquelle (Tageslicht, Sonnenlicht, das elektrische Licht wie LED oder eine Leuchtstofflampe). Die Lichtquelle (eine Leuchte, eine Lampe oder eine Gruppe von vielen Leuchten) mit einer spezifischen spektralen Verteilung beleuchtet die Objekte im Gesichtsfeld eines Beobachters mit deren spektralen Reflexionsgraden R (𝜆), die den ankommenden Strahlungsfluss der Lichtquelle in Richtung zum Auge der Beobachterl aut Gl. (3.1)reflektiert (s. Abb. 3.2).

(3.1)

𝜙 e(𝜆) vom Objekt reflektierter spektraler Strahlungsfluss (in W),

𝜙 LQ(𝜆) auf dem Objekt ankommender spektraler Strahlungsfluss der Lichtquelle (in W),

R (𝜆) spektraler Reflexionsgrad des spezifischen Objekts.

Der in das Auge eindringende optische Strahlungsfluss (s. Abb. 3.2) ruft auf der Netzhaut im Auge sowie später in der weiteren Gehirnverarbeitung eine Helligkeitswahrnehmung, eine Farbwahrnehmung sowie nicht visuelle Lichtwirkungen hervor. Für eine anfängliche, stark vereinfachte Modellierung der Helligkeitswahrnehmung ( Kap. 5zeigt die fortgeschrittenen Helligkeitsmodelle) kann die Kenngröße Leuchtdichte gemäß Gl. (3.2)herangezogen werden.

(3.2)

V (𝜆) die spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion für Tagessehen,

L e(𝜆) die spektrale Strahldichte des gesehenen Objektes bzw. der Lichtquelle.

Abb. 3.2 Vereinfachtes Schema der Signalubertragung von der Lichtquelle bis zum Gehirn. Quelle: TU Darmstadt.

Abb. 3.3 Beispiel einer beleuchteten und mit Objekten ausgestatteten Innenraumszene. Quelle: TU Darmstadt.