Tag und Nacht: Gibt es Unterschiede der Richtungsabhängigkeit nicht-visueller Effekte?

Die bisherigen Forschungsergebnisse im Bereich nicht-visueller Wirkungen des Lichts auf den Menschen lassen kein klares Kausalitätsmuster erkennen. Einer der Gründe dafür könnte in der oft unzureichenden Beschreibung der Lichtsituation liegen. Meist wird zur Beschreibung der Intensität des Stimulus die vertikale Beleuchtungsstärke am Auge genutzt. Intrinsisch-photosensitive retinale Ganglienzellen spielen bei nicht-visuellen Effekten eine zentrale Rolle. Forschungsergebnisse ergaben Hinweise, dass deren Sensitivität von der Lage auf der Netzhaut abhängen kann, weshalb die Lichteinfallsrichtung zur Beschreibung des Stimulus betrachtet werden sollte. Dieser Beitrag beschreibt das Vorgehen zur Durchführung eines Probandenversuchs der diese Annahmen zur Richtungsabhängigkeit auf Tagsituationen übertragen und überprüfen soll.Research findings in the field of non-image-forming (NIF) effects are not always conclusive. A reason might be the often-insufficient characterization of the applied lighting scenes. Mostly the spatially integrally measured vertical illuminance at the eye is used to describe the intensity of the stimulus. Intrinsically-photosensitive retinal ganglion cells are crucial for NIF effects. Research found hints that their sensitivity is dependent on the location in the retina. Summarizing these results, regions of higher effectiveness could be identified. Consequently, the light incidence should be considered to quantify the stimulus. This paper outlines the methodology to conduct a study on the impact of the light incidence on NIF effects (here acute alertness) in a daytime lab condition

Effective radiant flux for non-image forming effects – is the illuminance and the melanopic irradiance at the eye really the right measure?

Research indicates that intrinsically photosensitive retinal Ganglion Cells are not evenly distributed or evenly sensitive throughout the retina. Still, most research looking into non-image forming (NIF) effects uses an integral measured quantity, illuminance or melanopic weighted irradiance, to represent the amount of light at the participants’ eye level. This paper describes a theoretical approach to define the effective radiant flux for stimulating the ipRGCs, taking into account a spatially resolved sensitivity. Research on retinal sensitivity is scares and not yet substantial, but the methodology can easily be adopted when areas of specific sensitivity are set. Preliminary results indicate that, with similar vertical illuminances and spectral power distribution, typical office lighting solutions might have a lower NIF effectiveness than settings with higher luminances in the central part of the field of view. This could explain why research on NIF effects is inconclusive, even though reported lighting conditions are similar

Nicht-visuelle Beleuchtung: Reichen integrale Messgrößen aus?

Nicht-visuelle Effekte von Licht und deren Anwendung z. B. im Rahmen von Human Centric Lighting werden in der Lichttechnik zunehmend wichtig. Bereits seit langem bestehen Hinweise auf die Beeinflussbarkeit des circadianen Rhythmus durch Licht. Aber erst seit Entdeckung der retinalen photosensitiven Ganglienzellen (ipRGC) wurde es möglich, ihre Empfindlichkeitsfunktion und ihren Einfluss auf die Melatoninunterdrückung gezielter zu untersuchen. Während Licht mit Blauanteil am Abend zu zeitweisen Verschiebungen des circadianen Rhythmus führen kann, beeinflusst dieses kurzwellige Licht während des Tages die Aufmerksamkeit positiv. Dabei sind die Angaben zur verwendeten Lichtquelle, oft ist nur die ähnlichste Farbtemperatur gegeben, und der durch sie hervorgerufenen Beleuchtungsstärke am Auge meist unzureichend. Darüber hinaus ist bekannt, dass nur ein kleiner Teil der retinalen Ganglienzellen photosensitiv ist. Weiterhin wird angenommen, dass sich diese vor allem in der unteren Hälfte der Netzhaut befinden und auch dort ungleichmäßig verteilt sind. Eine höhere Dichte bzw. Empfindlichkeit wird in der unteren und der Nase zugewandten Seite vermutet. Bisherige Empfehlungen gehen dahin, möglichst große beleuchtete Flächen für nicht-visuell wirksame Beleuchtung zu nutzen. Vor diesem Hintergrund ist es fraglich, ob die Beleuchtungsstärke bzw. die melanopische Bestrahlungsstärke am Auge, unter Einbeziehung des Strahlungsflusses aus dem gesamten Gesichtsfeld, die richtige Messgröße in diesem Zusammenhang ist. In dieser Untersuchung soll, mittels unterschiedlicher Lichtszenen der gleichen Beleuchtungsstärke am Auge, die Größenordnung des effektiven Strahlungsflusses zur Stimulierung der ipRGC gemessen werden. Unter Berücksichtigung der vermuteten Verteilung der ipRGC wird der Strahlungsfluss für diese Raumwinkel bestimmt (effektive Strahldichte). Dafür steht ein komplett hinterleuchteter Versuchsraum zur Verfügung, der es erlaubt, spezifische Leuchtdichten und Farbtemperaturen für separate Felder der Wände und Decken einzustellen. So ist es möglich, verschiedene Leuchtdichte- und Farbtemperaturverteilungen mit der gleichen Beleuchtungsstärke am Auge einzustellen. Die räumliche Verteilung der Strahldichte wird mit Hilfe einer Leuchtdichtekamera aufgenommen und mit V(λ) und der spektralen Empfindlichkeitsfunktion von Melanopsin gewichtet. Die Ergebnisse werden mit typischen Büroszenen verglichen, um die Plausibilität der künstlichen Lichtszenen zu überprüfen. Dieses Vorgehen soll zeigen, ob es im Fall von auf ipRGC basierenden nicht-visuellen Effekten ausreicht, die Beleuchtungsstärke und melanopische Bestrahlungsstärke des gesamten Gesichtsfeldes als Vergleichsgröße für Beleuchtungsbedingungen zu nutzen. Erwartet wird, dass es für die Effektivität von nicht-visueller Beleuchtung entscheidend ist, die räumliche Verteilung zu berücksichtigen. Angepasste Positionierung von Lichtquellen nicht-visueller Beleuchtungsanlagen führt zu einer Steigerung der Energieeffizienz.In lighting technology, non-visual effects of light and its application, for example as Human Centric Lighting, are becoming increasingly important. Beyond doubt, light influences humans and in 2001 an important part of this system was found, the intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells (ipRGC). Exposure to light with a strong short wavelength component can temporarily interfere the circadian rhythms of humans if applied in the evening. During daytime light with a strong bluish component is reported to increase alertness. The details of the lighting conditions causing these effects, usual illuminance at the eye and CCT of the light source, are mostly insufficient described. Moreover, it is known that the intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells (ipRGCs) are not evenly distributed throughout the human retinal. Their density, respectively their sensitivity, is higher in the lower part of the retina with a maximum at the nasal part. Current recommendations suggest utilizing large illuminated surfaces to support non-visual effects. Considering this, it is questionable if integrally measured values of the full visual field are adequate parameters in terms of comparability. With this study the range of the, spatially resolved, effective radiant flux stimulating the ipRGCs for different distribution of the incident light under a constant (full visual field) illuminance level at the eye will be measured. Taking in account the literature-derived estimated distribution of the ipRGCs areas of importance and their corresponding solid angle are investigated. A complete backlit test room, which allows setting specific luminance and correlated color temperature for arbitrary fields of walls and ceiling, is used. In this test room, it is possible to adjust different luminance and CCT distributions to the identical illuminance at the eye. The spatially resolved radiant flux of the incident light is derived from the luminance distribution measured by a luminance and color measuring video photometer (LMK). The LMK is equipped with filters for V(λ) and the spectral sensitivity response function for melanopsin. Lighting conditions of typical office scenes will be compared to the results measured in the backlit room to evaluate the plausibility of the artificial lighting scenes. The analysis will show if, in case of studying ipRGC-based non-visual aspects, the full visual field measured illuminance and melanopic irradiance are appropriate for the accurate comparison of lighting conditions. Consideration of the incident light and its spatial distribution is expected to be crucial. Adapted positioning of light sources will result in an increased energy efficiency of non-visual lighting installations

Untersuchung zum Einfluss des menschlichen Gesichtsfelds auf nichtvisuelle Größen

In vielen Studien wird traditionell für die Bestimmung nichtvisueller Lichtwirkungen einer Beleuchtungssituation die vertikale Beleuchtungsstärke oder die vertikale Bestrahlungsstärke in der Hornhautebene herangezogen, um das Licht zu beschreiben, das ins Auge gelangt. Dafür wird die Beleuchtungsstärke mit einem Diffusor in der sogenannten 2π-Geometrie gemessen. Durch die anatomischen Gegebenheiten entspricht das menschliche Gesichtsfeld nicht dem eines Halbraums, sondern ist nach oben und unten eingeschränkt. Der für melanopische Lichtwirkungen einschlägige Standard CIE S026 weist darauf auch explizit hin. Es ist jedoch bisher nicht klar, welche Abweichungen durch die Gesichtsfeldbegrenzung zu erwarten sind. Für eine Abschätzung des Einflusses wurden Messungen bei unterschiedlichen Beleuchtungssituationen im Labor (Licht aus unter-schiedlichen Richtungen) und unter Praxisbedingungen (Licht typisch von oben) durchgeführt. Dafür wurden im 3D-Druck in Anlehnung an CIE S026 gefertigte Gesichtsfeldblenden als Vorsatz zu Spektralmesstechnik in Augenposition verwendet. Besonders bei realen Beleuchtungssituationen, in denen die Beleuchtung über Kopf installiert ist, weichen die Messwerte mit der Gesichtsfeldblende teils deutlich von der vertikalen Beleuch-tungsstärke ohne Blende ab. Diese Messungen zeigen eine Reduzierung der Werte durch die Gesichtsfeldblende von bis zu 60 %. Typisch ist dabei eine vergleichbare Verringerung für die gemessene Beleuchtungsstärke und den MEDI-Wert, d.h. spektrale Abweichungen waren in den untersuchten Situationen fast ausschließlich unkritisch. Diese Verallgemeinerung gilt, da die Verteilung des Lichts im Blickfeld im Allgemeinen spektral gleichartig ist. Bei großen chromatischen Variationen führt die Gesichtsfeldblende hingegen neben einer Verringerung des allgemeinen Bestrahlungsstärkeniveaus auch zu starken spektralen Veränderungen. In einer artifiziellen Laborsituation veränder-te sich bspw. der melanopische Wirkfaktor bei gleicher Beleuchtung um mehr als den Faktor 2 nur durch die Blende.In many studies, vertical illuminance or vertical irradiance in the corneal plane is traditionally used to determine the non-visual light effects of an illumination situation in order to describe the light entering the eye. For this purpose, the illuminance is measured with a diffuser in the so-called 2π geometry. Due to anatomical conditions, the human visual field does not correspond to that of a half-space but is restricted upward and downward. The relevant standard for melanopic light effects, CIE S026, explicitly points this out. However, it is not yet clear which deviations are to be expected due to the visual field limitation. In order to estimate the influence, measurements were carried out in different lighting situations in the laboratory (light from different directions) and under practical conditions (light typically from above). For this purpose, 3D-printed visual field apertures were used in accordance with CIE S026 as an attachment to spectral measurement technology in the eye position. Particularly in real lighting situations where the lighting is installed overhead, the measured values with the visual field aperture sometimes deviate significantly from the vertical illumination intensity without the aperture. These measurements show a reduction in the values due to the field of view aperture of up to 60 %. Typically, there is a comparable reduction for the measured illuminance and the MEDI value, i.e. spectral deviations were almost exclusively uncritical in the situations investigated. This generalization is valid because the distribution of light in the field of view is usually spectrally uniform. In contrast, with large chromatic variations, the field-of-view aperture leads to strong spectral changes in addition to a reduction in the general irradiance level. In an artificial laboratory situation, for example, the melanopic effect factor changed by more than a factor of 2 for the same illumination only due to the aperture

Einfluss der Lichteinfallsrichtung auf die akute Aufmerksamkeit

Einer der Gründe für die bisher oft divergenten Forschungsergebnisse im Bereich nicht-visueller Wirkungen des Lichts auf den Menschen könnte in der meist unzureichenden Beschreibung der genutzten Lichtsituation liegen. Oft wird die Intensität des Stimulus mit der vertikalen Beleuchtungsstärke am Auge beschrieben. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Sensitivität von intrinsischphotosensitiven retinalen Ganglienzellen von der Lage auf der Netzhaut abhängen kann, weshalb die Lichteinfallsrichtung zur Beschreibung des Stimulus betrachtet werden sollte. Dieser Artikel beschreibt das Vorgehen zur Durchführung eines Probandenversuchs, der die Annahmen zur Richtungsabhängigkeit in Nacht- und Tagsituationen überprüfen soll.One of the reasons for the often divergent research results in the field of non-image-forming effects (NIF) of light on humans might be the mostly inadequate description of the lighting situation used in studies. The intensity of the stimulus is often described only by the vertical illuminance at the eye. Research results suggest that the sensitivity of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) may depend on their location on the retina, so the direction of light incidence should be considered to describe the stimulus. This article describes the procedure for conducting a human subject study to assess the assumptions about directional dependence in night and day situations

Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung der nicht-visuellen Wirkungen von Licht und dessen lichttechnische Charakterisierung

Die nicht-visuellen Lichtwirkungen (eng. non-image-forming, NIF) bilden ein weites Forschungsfeld, welches in der modernen Gesellschaft aufgrund der langen Aufenthaltsdauern in Innenräumen, zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Abhängigkeit dieser Effekte von dem dominanten Einfallswinkel des Lichtes auf das menschliche Auge ist ein Forschungsschwerpunkt am Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin. Ziel dieser Arbeit ist es, einen bereits vorhandenen Versuchsraum baulich für einen Probandenversuch im Bereich NIF vorzubereiten und lichttechnisch klar nach den relevanten Normen (bspw. CIE S026 und DIN SPEC 5031-100) und über deren Anforderungen hinausgehend zu charakterisieren. In dem Versuch sollen zwei Lichtszenen gezeigt werden, die bei fester Blickrichtung die Augen der Probanden aus zwei unterschiedlichen Regionen beleuchten. Dabei soll eine jeweilige vertikale Beleuchtungsstärke von 1000 Lux am Auge erreicht werden. Das Spektrum soll einer typischen Bürosituation entsprechen, dabei eine hohe melanopisch gewichtete Bestrahlungsstärke besitzen, und in beiden Lichtsituation gleich sein. Realisiert wird dies mit insgesamt 12 LED-Paneelen mit jeweils 3 unterschiedlichen LED- Gruppen (kaltweiß, warmweiß, blau). Die Anordnung im Raum wird mittels einer DIALux-Simulation im Vorfeld ermittelt und anschließend umgesetzt. Für die Messung der lichttechnischen Eigenschaften wird zunächst mittels eines Spektroradiometers das mit V(λ) bewertete Spektrum am Probandensitzplatz aufgenommen. Dabei wird zugleich verifiziert, dass eine Beleuchtungsstärke von 1000 Lux in beiden Lichtsituationen erreicht wird. Anschließend wird ein Leuchtdichtebild sowie Strahldichteaufnahmen melanopisch- und V‘(λ)-gewichtet, des Raumes erstellt, um eine genaue Dokumentation der Lichtsituation zu ermöglichen. Ergänzt werden diese durch Spotmessungen mit dem Spektroradiometer in aussagekräftigen Raumrichtungen. Zur Sicherstellung der zeitlichen Stabilität werden die Messungen wiederholt über eine längere Einschaltphase der LED-Paneele durchgeführt. Die eingerichteten Lichtszenen zeigen sich über einen mehrstündigen Zeitraum stabil und erfüllen die Anforderungen des Probandenversuchs

Evaluierung der Auswirkungen von klein- und großflächigen Leuchten auf die Melatoninsuppression als Maß für nicht-visuelle Wirkungen von Licht

Seit der Entdeckung des ipRGC Rezeptors gilt dem Forschungsgebiet nicht-visuelle (eng. non-imageforming, NIF) Wirkung von Licht neue Aufmerksamkeit. “Nicht-visuell” bedeutet, dass ein Fehlen des ipRGC (engl. intrinsically photosensitive retinal ganglion cells) Rezeptors keine Auswirkung auf das Sehen des Menschen hätte, jedoch wären Auswirkungen auf den circadianen Rhythmus des Menschen zu beobachten. Der ipRGC Rezeptor ist eine fotosensitive Ganglienzelle und mit nur weniger als 5% aller Ganglienzellen auf der Netzhaut des Auges verteilt. Der Rezeptor enthält das Photopigment Melanopsin. Wird der Rezeptor angeregt, so kann nachts die Ausschüttung des Hormons Melatonin durch die Zirbeldrüse gehemmt werden. Melatonin wird zunehmend im Laufe der Abendstunden und während der Nacht ausgeschüttet. Mit einer angepassten Beleuchtung könnte der circadiane Rhythmus eines Menschen unterstützt werden. Zur Untersuchung des Einflusses der Größe der Lichtquelle auf die Melatoninunterdrückung wurde im Jahr 2013 von Philipp Novotny et al. eine Probandenstudie mit 30 Versuchsteilnehmern durchgeführt. Diese wurden mit zwei unterschiedlich großen Flächen beleuchtet, um zu erforschen ob die Melatoninunterdrückung flächenabhängig ist. Der Melatoninspiegel wurde mittels Salivaproben untersucht. Bereits 2010 führte Philipp Novotny et al. dieselbe Probandenstudie mit 6 Versuchsteilnehmern durch. Die Auswertung der Studiendaten ergaben einen Trend, dass eine große Fläche die Melatoninausschüttung unter den verwendeten Versuchsbedingungen mehr unterdrücken könnte. Mittels einer größeren Teilnehmerzahl sollte dies 2013 wiederholt überprüft werden, jedoch wurden die Ergebnisse bisher noch nicht veröffentlicht. Dieser Beitrag stellt die ermittelten Ergebnisse von Novotny et al.s zweiter Studie vor, analysiert diese und berücksichtigt zusätzliche Faktoren wie z.B. den Einfallswinkel des Lichts in die Augen des Betrachters. Zur Charakterisierung der Lichtbedingungen und Beschreibung des Stimulus für nichtvisuelle Effekte wurde der Aufbau von Novotny et al.s Studie in einem LED Testraum am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Berlin rekonstruiert. Hierbei soll eine fundierte Aussage über die Wirkung unterschiedlich großer Flächen getroffen werden

Integrale und spektrale Eigenschaften transmittierender und reflektierender Materialien

Integrale und spektrale Reflexions- und Transmissionsdaten typsicher Oberflächen (gestrichene Wandfarben, Sichtbeton, Backstein und Holz