Impact of illuminance and spectral distribution of light on alertness during the day

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3135-8 (ISSN 2196-338X)Moderne LED- und Lichtmanagementtechnologien sowie wachsendes Wissen über nicht-visuelle Wirkungen von Licht ermöglichen zukünftig, mit dem richtigen Licht zur richtigen Zeit die oft suboptimalen Lernbedingen an Schulen oder Universitäten zu verbessern. Leider herrscht noch kein Konsens, was „richtig“ bedeutet. Unter dem Begriff nicht-visuelle Wirkungen versammeln sich eine Vielzahl an unterschiedlichen Wirkungen: z.B. die Unterdrückung des Hormons Melatonin, die Verbesserung der Aufmerksamkeit oder der Einfluss auf das Wohlbefinden. Die Wirkung von erhöhten Beleuchtungsstärken oder erhöhten kurzwelligen Anteilen in der spektralen Verteilung auf die Melatoninsuppression in der Nacht ist gut belegt. Für die akute Aufmerksamkeit am Tage, Grundvoraussetzung zum Lernen, ist die Studienlage zur Wirkung von Beleuchtungsstärken und spektralen Verteilungen jedoch uneinheitlich. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher drei Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt. Im Laborversuch wurden zwei Beleuchtungsstärken bei jeweils zwei spektralen Verteilungen an jeweils 30 Probanden miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass eine erhöhte vertikale Beleuchtungsstärke von 1 000 lx auf Augenhöhe im Vergleich zu einer Standardbeleuchtungsstärke von 200 lx vertikal auf Augenhöhe positiv auf die Aufmerksamkeit wirkt. Ein erhöhter kurzwelliger Anteil in der spektralen Verteilung von 12 000 K unterschied sich bei gleicher Beleuchtungsstärke nicht in der Wirkung von 2 200 K bezüglich der Aufmerksamkeit. Die Interaktion beider Größen deutet darauf hin, dass sich eine hohe Beleuchtungsstärke bei gleichzeitig hohem kurzwelligem Anteil (12 000 K bei 1 000 lx) nachteilig auf die Aufmerksamkeit auswirkt. Dies wurde anhand der kognitiven Tests d2R-Test und Go-NoGo-Test ermittelt. Ein Einfluss der Beleuchtung auf die subjektive Aufmerksamkeit, gemessen mit der Karolinska-Sleepiness-Scale, konnte nicht nachgewiesen werden. Im Feldversuch im Hörsaalkontext wurden weder mit subjektiven noch mit kognitiven Tests Einflüsse der Beleuchtung auf die Aufmerksamkeit beobachtet. Mögliche Erklärungen hierfür sind die weniger extremen Lichtbedingungen (hohe Beleuchtungsstärke: 400 lx vertikal auf Augenhöhe, hoher kurzwelliger Anteil: 9 000 K) als im Labor, stärkerer Einfluss von Störgrößen im Feld, ein langanhaltender Lerneffekt beim monotonen d2R-Test und die Möglichkeit, dass der potenzielle Effekt des Lichts auf die Aufmerksamkeit zu gering für einen Nachweis ist. Andere Einflussgrößen wie berichtete Anstrengung, Nahrungs- und Koffeinzufuhr sowie Krankheit und Schlafprobleme zeigten teilweise eine stärkere Wirkung auf die Aufmerksamkeit als das Licht. Diese Zusammenhänge sollten weiter erforscht werden, um den komplexen Einfluss von Licht auf den Menschen besser zu verstehen. In einem weiteren Laborversuch wurde kein Unterschied in der Wirkung von dynamischer vs. statischer Beleuchtung auf die Aufmerksamkeit gefunden. In allen Versuchen bewerteten die Probanden Lichtszenen mit hohem kurzwelligem Anteil hinsichtlich Akzeptanz schlechter als Lichtszenen mit niedrigem oder mittlerem kurzwelligem Anteil. Diese Arbeit konnte zeigen, dass tendenziell höhere Beleuchtungsstärken von Vorteil für die Aufmerksamkeit tagsüber sind. Da jedoch kein Nachweis in der realen Anwendung im Lernumfeld erbracht wurde, sollten daraus zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Planungsempfehlungen abgeleitet werden. Sehr hohe Farbtemperaturen ab 9 000 K sollten nur mit Vorsicht eingesetzt werden, da eine geringere Nutzerakzeptanz zu erwarten ist und sie in Kombination mit hohen Beleuchtungsstärken nachteilig auf die Aufmerksamkeit wirkten.In the future, suboptimal learning conditions in schools or universities could be improved with the right light at the right time, because of further advancement of modern LED and light management technologies as well as growing knowledge on non-image-forming effects of light. Unfortunately, there is no consensus of what “right” means. The term non-image-forming effects combines a variety of different effects: e.g. the suppression of the hormone melatonin, the improvement of alertness or the impact on well-being. The effect of increased vertical illuminances at eye level or increased short wavelength part in the spectral distribution on melatonin suppression during nighttime is well proven. In case of acute alertness during the day, a requirement for learning, the evidence on effects of illuminances and spectral distributions is still inconsistent. Consequently, three studies on this subject were conducted in this doctoral thesis. Two illuminances and two spectral distributions were compared with 30 participants each in a laboratory experiment. The result showed that an increased vertical illuminance of 1 000 lx at eye level positively influences alertness in comparison to a standard illuminance of 200 lx at eye level. A larger short wavelength part in the spectrum of 12 000 K did not differ from 2 200 K concerning alertness. The interaction of both variables indicated that simultaneously increased illuminance and short wavelength part (12 000 K and 1 000 lx at eye level) have a negative effect on alertness. These results were determined with the cognitive tasks d2R-Test and Go-NoGo-Test. Subjective alertness, measured with the Karolinska-Sleepiness-Scale, was not influenced by illumination. A field study in a lecture hall did not observe effects of illumination on alertness, neither with subjective nor cognitive tests. Possible explanations are less extreme lighting conditions (high illuminance: 400 lx vertical at eye level, high short wavelength part: 9 000 K) than in the laboratory, greater influence of confounding parameters in the field, a prolonged learning effect of the monotonous d2R-Test and the possibility that the potential effect of light on alertness might be too small for detection. Other influence parameters like reported effort, food and caffeine intake, sickness and sleep problems to some extend had greater impact on alertness than light. These relations should be further studied for a better understanding of the complex influence of light on humans. Another laboratory study found no difference of the impact of dynamic vs. static illumination on alertness. Lighting conditions with large short wavelength part in the spectrum were rated less acceptable in comparison to lighting conditions with low or medium short wavelength part in all experiments. This thesis demonstrated that a higher illuminance level very likely is beneficial for alertness during the day. Recommendations for planning should not be concluded yet, because no evidence was provided in a real learning environment. Very high color temperatures (≥ 9 000 K) should be used with care, because a lower user acceptance can be expected as well as a negative effect on alertness in combination with high illuminance levels.BMBF, 13N13398, Nicht-visuelle Lichtwirkungen (NiviL

Methods to describe and measure lighting conditions in experiments on non-image-forming aspects

Research indicates that spectral distribution and the direction of the light received at the eye are relevant parameters in studies looking into non-image-forming effects. Nonetheless, lighting conditions are often described with vertical illuminance at the eye and correlated color temperature only, both of which are integral measurements that are not appropriate to give information about the spatial distribution of light and its spectrum. This article describes approaches for spatially and spectrally resolved measurements to properly quantify lighting conditions in research on non-image-forming effects. The overview of measuring methods indicates that the spectral irradiance, when combined with a luminance image of the lighting setting, is an adequate measure in a large number of research approaches. Nonetheless, lighting conditions in experimental setups with different light sources or various surface reflectances require a higher resolution of detail. Four examples of devices are presented that can be applied in different experimental setups or lighting settings. A decision scheme is included to support the selection of the most suitable measuring equipment. The article concludes with a proposal for analysis and representation of the measurements