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

Die Gesellschaften in den großen Teilen der Erde (Nordamerika, Europa, China, Japan, Südostasien) sind informationstechnisch ausgerichtet. Die Arbeitsweise, die Arbeitsabläufe (Tag- und Nachtrhythmen) sowie die Arbeitsmittel (Monitore, Datensichtgeräte) erreichten eine neue Qualität. Zusätzlich zu den Gütemerkmalen wie Beleuchtungsstärke oder Gleichmäßigkeit und Blendung kamen andere Diskussionen über Licht und Gesundheit, Wohlbefinden während der Büroarbeit, Stressabbau und Konzentrationserhöhung durch die Beleuchtung hinzu.

Die früheren Lichtquellentechnologien haben den entscheidenden Nachteil, dass das Spektrum und der Farbort der Lampen nur in einem geringen Umfang variiert werden können. Die Hoch- und Mittelleistungs-LEDs von heute mit ihren hohen Lichtausbeuten und mit einer Anzahl von Vorteilen wie Dimmbarkeit, Steuerbarkeit und Integrierbarkeit besitzen außerdem den großen Vorteil, dass man sie aus farbigen und weißen LEDs zu einem Lichtsystem mit variabler spektraler Zusammensetzung (Farbort, Farbtemperatur) formen kann. Das auf diese Weise gebildete dynamische Licht erhöht die Farb- und Lichtqualität der Beleuchtung in den Innenräumen, für deren Bewertung nun immer häufiger die nichtvisuellen, farbtechnischen und fotometrischen Betrachtungsweisen zur Geltung kommen werden.

Damit wird deutlich, dass die drei wichtigen Komponenten der Lichttechnik (Beleuchtungstechnik, Farbmetrik und Lichtquellentechnik) in der heutigen und zukünftigen Forschung für die Bewertung der Farb- und Lichtqualität der Arbeitsplätze sowie in der Lichtindustrie zur Entwicklung neuer Lichtprodukte viel intensiver und enger gemeinsam herangezogen werden sollen. Außerdem wurden – im Zeitraum zwischen 2000 bis heute – die nicht visuellen Lichtwirkungen durch verschiedene internationale Forschungsgruppen untersucht. Trotz zahlreicher Bemühungen im experimentellen Bereich werden diese Erkenntnisse in der Praxis der Lichtproduktentwicklung und Lichtplanung nachvollziehbar und interpretierbar nur teilweise umgesetzt.

Den obigen Überlegungen entsprechend erarbeiteten die Autoren das vorhandene Buch, um die folgenden Fragestellungen zu beantworten:

1 1. Wie funktionieren schematisch die visuellen und nicht visuellen Mechanismen im Gehirn und im physiologischen Bereich des Menschen in den nächtlichen Stunden und am Tag?

2 2. Welche Einflussparameter und welche Ausgangsparameter mit welchen Metriken im physiologischen und psychologisch-emotionalen Bereich sind für die Betrachtung der subjektiven und objektiven Zustände des Menschen entscheidend? Inwiefern können die Wissenschaftler und die Produktentwickler diese Parameter – durch die bisherigen Erkenntnisse – beherrschen? Wo gibt es noch Forschungsbedarf?

3 3. Welche Erkenntnisse sind für die Lichtwirkungen in den nächtlichen Stunden bisher bekannt? Dabei werden die Beziehungen zwischen Bestrahlung und deren Wirkungen im Fokus der Betrachtung stehen.

4 4. Welche Erkenntnisse wurden bisher für die Zeit am Tag gewonnen und kann man einen Teil davon soweit wissenschaftlich und fundiert aufstellen, damit die lang ersehnten Empfehlungswerte für die Lichtplanungen sowie für die Entwicklung der intelligenten Lichtprodukte zur Diskussion gestellt werden können?

5 5. Wie kann man die visuellen und nicht visuellen Parameter der Beleuchtung mit dem Tageslicht und mit dem elektrischen Licht erfassen, messen und interpretieren? Solche Messungen sollen nicht nur mit Labormessgeräten, sondern auch mit tragbaren, preiswerten und genauen Messeinheiten durchgeführt werden, um die Lichtwirkungen in abwechselnden und dynamisch verändernden Arbeitsplätzen und Aufenthaltsorten der Menschen plausibel zu erfassen.

Abgeleitet durch diese wichtigen Fragestellungen gliedert sich dieses Buch – bis auf das vorliegende Kap. 1 – in die Themenblöcke, die in der Abb. 1.1zusammengefasst sind.

Abb. 1.1Inhalte des vorhandenen Buchs. Quelle: TU Darmstadt.

1DIN EN 12464 (2011). Licht und Beleuchtung, Teil 1: Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen, August 2011.

2Schmits, P.W. (2002). Innenraumbeleuchtung – Tendenzen und Reaktionen, Tagung Licht, Maastricht, S. 34–47.

3CIE (1981). An analytical model for describing the influence of lighting parameters upon visual performance, CIE Publ. No. 19/2.1.

4CIE (2004). Colorimetry , Publication No. 15, Vienna: Central Bureau of the CIE.

5Commission Internationale de l’Eclairage (1995). Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources. Technical Report. CIE 13.3-1995 .

6Commission Internationale de l’Eclairage (2004). A Colour Appearance Model for Color Management Systems: CIECAM02 CIE TC8-01. Technical Report. CIE Pub. No. 159 .

7Luo, M.R., Cui, G. und Li, C. (2006). Uniform colour spaces based on CIECAM02 colour appearance model. Color Res. Appl. 31: 320–330.

Kapitel 2 fasst die Grundlagen der modernen Lichttechnik (inkl. Farbmetrik) zusammen, wobei – für das Verständnis der wichtigsten Aspekte des Human Centric Lighting – ein besonderer Wert auf den Zusammenhang der visuellen und nicht visuellen Komponenten des menschlichen Sehsystems gelegt wird. So beschäftigt sich Abschn. 2.1mit dem Aufbau des Auges und der Netzhaut, um die Mechanismen der visuellen und nicht visuellen Signalverarbeitung darzustellen. In Abschn. 2.2werden die grundlegenden lichttechnischen und farbmetrischen Kenngrößen sowie die Modellierung der Farberscheinung vorgestellt. Die Grundlagen der nicht visuellen Aspekte wie die Melatoninunterdrückung in der Nacht, deren Modellierung sowie die spektralen Aktivitätsfunktionen und die Metriken für die Betrachtung der nicht visuellen Einflussgrößen werden in Abschn. 2.3erörtert.

Um die grundlegenden Konzepte des Human Centric Lighting zu verstehen, soll zunächst der Aufbau und die Funktionsweise des menschlichen Auges einschließlich der Netzhaut (des „biologischen Bildaufnahmegeräts“) verstanden werden. Die Abb. 2.1veranschaulicht den Aufbau des menschlichen Auges.

Wie aus Abb. 2.1ersichtlich ist, ist das menschliche Auge ein Ellipsoid mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 26 mm und einem Durchmesser von etwa 24 mm. Das Auge wird mithilfe von Augenmuskeln in alle Richtungen gedreht. Die äußere Schicht wird als Lederhaut bezeichnet. Die Lederhaut setzt sich vorne als durchsichtige Hornhaut fort. Die Aderhaut versorgt die Netzhaut mit Sauerstoff und Nahrung. Die Netzhaut ist die fotorezeptive Schicht des Auges, die sowohl die Fotorezeptoren als auch diejenigen Zellen enthält, die die Signale der Fotorezeptoren durch neuronale Verbindungen vorverarbeiten (Ganglienzellen, amakrine und bipolare Zellen, Horizontalzellen, s. Abb. 2.2).

Der Glaskörper ist für die Erhaltung der ellipsoiden Form des Auges verantwortlich. Er besteht aus einer Suspension von Wasser (98%) und Hyaluronsäure (2%). Das optische System des menschlichen Auges ist ein komplexes, leicht dezentriertes Linsensystem, das ein invertiertes und verkleinertes Bild der Umgebung auf die Netzhaut projiziert. Die Hornhaut, die Vorderkammer und die Regenbogenhaut bilden den vorderen Teil dieses optischen Systems, dann folgen die Hinterkammer und die bikonvexe Augenlinse. Die Linse wird von den Zonulafasern gehalten.