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

Analyse von Schwierigkeiten bei der Konzeptionierung von nachhaltiger automobiler Lichttechnik

Mit steigendem Konsumentenbewusstsein für das Thema Nachhaltigkeit steigt gleichzeitig auch der Bedarf an immer nachhaltigeren Produkten. Dies betrifft auch die Automobilindustrie und damit auch deren Zulieferer. Um Kreislaufprozesse zu ermöglichen, Materialien bestmöglich wiederzugewinnen und so den Einfluss auf die Umwelt größtmöglich zu reduzieren sind in der Literatur Methoden zum Ökodesign oder der recyclinggerechten Konstruktion beschrieben. Demgegenüber stehen Anforderungen an die Produkte, welche die Funktion des Produktes in der Anwendung garantieren sollen. Anforderungsprofil und Ökodesign-Vorgaben können sich jedoch behindern oder sogar widersprechen. Im Rahmen dieses Papers werden am Beispiel eines automobilen Scheinwerfers zunächst Elemente identifiziert, die nicht dem Ökodesign entsprechen. Anschließend werden in Kombination mit den Anforderungen Ursachen für diese Bauweisen identifiziert und potenzielle Verbesserungen diskutiert, um ökologische Vorteile zu erzielen

Study on the Perception of High Visibility Level Values

For the development of new lighting functions of modern automotive headlamp systems suitable quality factors are needed to evaluate the driver’s visual performance. The Visibility Level (VL), which compares the contrast of an object with its threshold contrast, has proven to be one of these quality factors. While the perception of small VL values have been extensively investigated, high VL values have not been assessed. Results can help to determine how much light is actually needed to illuminate a situation sufficiently so that vehicles can drive without a loss of safety but at a reduced energy consumption. Here the results of a study in the light tunnel facility of the HELLA GmbH & Co. KGaA in Lippstadt are presented. After the generation of different light distributions, the object luminance is measured and the different VL values of the viewing target are estimated. In the first part of the study a praxis factor for this scenario is determined, which is used for the calculation of the actual VL. The praxis factor equals 10.27. In the second part of the study different light distributions, which create different VL values from 4 to 120, are then shown to and assessed by the study participants. The evaluation shows a saturating assessment of VLs higher than 90. Viewing targets with a VL above this value are all equally described as perfectly visible. A VL above 65 leads to a well visible target. These results are a starting point for upcoming work regarding the generation of new light distribution, such that light will be brought to the streets more adequately

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

Scheinwerfer und Kamera als Sichtweitensensor basierend auf der spektralen Analyse der Rückstreuung

Bei der Realisierung von automatisierten Fahrsystemen setzen die Automobil- und Sensorhersteller auf unterschiedliche Sensorkonzepte hinsichtlich Typen und Anzahl der eingesetzten Technologien [1] [3] [4] [2]. Wodrin sich jedoch in aller Regel alle Systeme gleichen ist der Einsatz von Kamerasensoren als Kernbestandteil der Umgebungswahrnehmung [5] [1] [2]. Bei möglichen Störgrößen der Wahrnehmungssysteme ist Nebel eine relevante Komponente. Um die Sicherheit der Fahrfunktionen auch bei Nebel zu gewährleisten, muss deren Vorhandensein zuverlässig erfasst und klassifiziert werden. Nebel wird als Wasserpartikel mit einer Größe von 1 bis 70 μm klassifiziert. In diesem Bereich lässt sich die Mie-Theorie anwenden [6] [7]. Aus diesem Grund wird im Folgenden die durch eine Kamera aufgezeichnete Streuung des Scheinwerferlichtes unter Berücksichtigung der Mie-Theorie bezüglich der spektralen Bestandteile analysiert und als Informationsquelle für die Umsetzung als Sichtweitensensor untersucht. Daher wird zu Beginn eine theoretische Betrachtung des erwartbaren Verhaltens mit anschließender experimenteller Untersuchung zur Validierung des Systems in einer Nebelkammer vorgenommen. Die aufgenommenen Bilddaten der Streuung zeigen, dass das spektrale Auflösungsvermögen der Kamerasensoren ausreicht, um Veränderungen im Lichtspektrum zu erfassen. Die Unterschiede zwischen den Farbkanälen betragen jedoch nur wenige Prozent, was eine robuste Sichtweitenbestimmung erschwert. Die Intensitätsverläufe der Streuung vom Scheinwerferlicht eignen sich hingegen, um Sichtweiten zu erfassen. Die Implementierung der Nebeldetektion durch die Streulichtmessung kann durch eine Anpassung der Bildverarbeitungsalgorithmik in bereits im Fahrzeug vorhandenen Kamerasystemen umgesetzt werden

Towards User-Focused Automated Vehicles Supporting Mobile Office Work

Advances in the development of vehicle automation promise that humans may soon be relieved from the burden of manual driving at least during certain phases. For instance, humans in future vehicles may use the cockpit as mobile office when highway automation is activated, but be the driver in rural areas, when full automation is not available. Since mobile office workers have different needs than drivers, this imposes specific requirements on in-vehicle software and hardware. One option to meet these requirements is the development of user-focused automation that puts human needs into the centre of system design. Systems with user-focused automation derive the current needs of the occupants by combining user and context monitoring using various sensors in real time. Based on this, the system behaviour could be adapted by adjusting the interior lighting or the information on a human-machine interface. Here, we present the current status of the development of a driving-simulator-based demonstrator for the interior of an automated vehicle supporting mobile office work through user-focused automation. In a first driving simulator study, we developed a real-time capable classifier to estimate the user’s current activity (driving, relaxing or working) and stress level. Next, we evaluated how different concepts of interior lighting including spectrally-adaptable ambient lights and focused spot lights as well as changes in the navigation system can support the different activities. In a final study, the different components will be integrated and evaluated to demonstrate the potential of user-focused automation to support varying needs of users in automated vehicles

Meeting User Needs in Vehicle Automation

This paper gives an overview of the results of the German national project AutoAkzept. The objective of the project was to develop solutions for the design of automated vehicles that promote the development of trust and thus acceptance for connected, cooperative, and automated mobility by reducing or even preventing subjective uncertainties and associated negative experiences. To this end, AutoAkzept developed technological building blocks for the assessment of activities and states of users of automated vehicles, the creation and application of individual user profiles for the optimization of system adaptation to users as well as strategies for adapting the behavior of automated vehicles in terms of information transfer, interior set-up, routing, and driving style selection. In developing these solutions, the project focused on the essential needs of users of automated systems. These needs should be considered in the conception and design of automated vehicles as well as in their operational use

On the influcence of the spectral power distribution on glare : investigations on the influence of the short wavelength radiance on disability and discomfort glare (14.12.2018: Autor wurde um Prüfung ggf. Korrektur der Übersetzung des Untertitels gebeten)

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3032-0 (ISSN 2196-338X).In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der spektralen Verteilung von Blendquellen auf die physiologische und die psychologische Blendung untersucht. Erstere wurde dabei über die Kontrastwahrnehmung operationalisiert, letztere über die Bewertung der Blendung auf einer neunstufigen Skala. Das Ziel der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen war es, eine physiologische Erklärung für eine erhöhte Blendempfindlichkeit bei erhöhtem Anteil kurzwelliger Strahlung im Spektrum der Blendquelle zu finden. Ferner sollte geprüft werden, ob eine additiv zusammengesetzte spektrale Blendempfindlichkeitskurve zur Vorhersage der Blendung durch reale breitbandige Blendreize geeignet ist. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Probandenversuche im Labor durchgeführt. Hierfür wurde ein Versuchsdesign entwickelt, in welchem unter sonst konstanten Bedingungen das Spektrum einer Blendquelle frei einstellbar war. Dabei wurde der Anwendungsfall einer Straßenbeleuchtungsszene nachgestellt. Die Untersuchungen fanden unter mesopischen Adaptationsbedingungen statt. In den Untersuchungen wurden sowohl schmalbandige als auch breitbandige Blendreize gezeigt. Letztere wurden dabei in synthetische Spektren zur gezielten Stimulation retinaler Photorezeptoren und in reale Spektren unterteilt. Zudem wurde überprüft, ob der Pupillendurchmesser vom Spektrum der Blendquelle beeinflusst wird. Die Blendungsbewertung breitbandiger Blendspektren zeigte eine signifikante Abhängigkeit von der spektralen Verteilung der Blendquelle. In Abhängigkeit der Stimulation der S-Zapfen wurde eine maximale Erhöhung von 1,4 Skaleneinheiten auf der verwendeten Skala festgestellt. Die Blendungsbewertung der schmalbandigen Blendreize stützt diesen Befund unter Berücksichtigung der Hornhautbeleuchtungsstärke. Die aufgezeichnete spektrale Blendempfindlichkeitskurve eignete sich nicht zur Vorhersage der Blendungsbewertung breitbandiger Reize. Für die Änderung des Pupillendurchmessers wurde keine spektrale Abhängigkeit festgestellt. Die Kontrastwahrnehmung zeigte ebenfalls keine relevante Abhängigkeit vom Spektrum der Blendquelle. Die Ergebnisse wurden für variierende Umfeldspektren bestätigt. Dabei zeigte sich, dass für Blendquellen außerhalb der Fovea anscheinend mesopische Leuchtdichten zur Beschreibung des Adaptationsniveaus verwendet werden sollten. Die Befunde dieser Arbeit wurden in einen bestehenden Ansatz zur Bewertung der psychologischen Blendung integriert.This thesis deals with the influence of glare sources spectral power distribution (SPD) on disability and discomfort glare. While disability glare was measured by contrast threshold, discomfort glare was operationalized by the glare rating on a nine-pointscale. The aim of the studies in this work was to find a physiological explanation for increased glare perception with an increasing amount of short wavelenght radiance. Furthermore, it was investigated, whether an additive composed spectral glare sensitivity of narrow band stimuli is applicable for the prediction on discomfort glare of broadband stimuli. To investigate this issue different investigations were carried out under laboratory conditions. For this purpose a setup with spectral free adjustable glare source was developed. The investigations were performed under street lighting and therefore under mesopic conditions. Broadband and narrow band stimuli were presented to the subjects. The broadband stimuli were separated in synthetic spectra for the specific stimulation of different photoreceptors and realisic spectra and synthetic spectra to confirm the results. Moreover, the influence of the glare sources SPD on pupil diameter was investigated. The glare sources SPD of broadband stimuli showed a significant influence on glare evaluation. Depending on the stimulation of the s-cones glare rating increased up to 1,4 scale-points on the used scale. The glare rating of the narrow band stimuli confirms this result in consideration of the illuminance at the subject´s eye. The spectral glare sensitivity curve figured out in this research was not applicable to predict discomfort glare of broadband stimuli. The glare sources SPD showed no influence on pupil diameter. Also the contrast threshold was not affected by the SPD. The results were confirmed for different spectral surrounding conditions. In order to figure this out it was evaluated that for glare sources presented outside the fovea, mesopic luminances should be apparently used as adaptation luminance. The results of this work were integrated in an existing glare evaluation model

A model for predicting the visibility of intensity discontinuities in light patterns of vehicle headlamps

High-resolution headlamps enable the generation of lane and symbol projections, offering additional information to the driver and other participants in traffic. While allowing the possibility of highlighting single pixels on the one hand, the light pattern without projections should give a smooth impression of the luminance distribution and should not show striking intensity differences between adjacent pixels. Which intensity differences lead to visible gaps in the light pattern is dependent on a set of numerous parameters. A model for predicting the visibility of such intensity gaps for human observers is proposed here, a task which is directly linked to contrast detection. Hence the deployed model implements sequentially applied sub models based on the contrast sensitivity function (CSF). In order to evaluate the model, it is tested with luminance distributions of a simulated pixelated light source as well as with a more complex scenario. First evaluations of the model show promising results. For each tested scenario the model behaves as expected. The validity of the model will have to be verified by a study in a next step

Evaluation of a Human–Machine Interface for Motion Sickness Mitigation Utilizing Anticipatory Ambient Light Cues in a Realistic Automated Driving Setting

Motion sickness (MS) is a syndrome associated with symptoms like nausea, dizziness, and other forms of physical discomfort. Automated vehicles (AVs) are potent at inducing MS because users are not adapted to this novel form of transportation, are provided with less information about the own vehicle’s trajectory, and are likely to engage in non-driving related tasks. Because individuals with an especially high MS susceptibility could be limited in their use of AVs, the demand for MS mitigation strategies is high. Passenger anticipation has been shown to have a modulating effect on symptoms, thus mitigating MS. To find an effective mitigation strategy, the prototype of a human–machine interface (HMI) that presents anticipatory ambient light cues for the AV’s next turn to the passenger was evaluated. In a realistic driving study with participants (N = 16) in an AV on a test track, an MS mitigation effect was evaluated based on the MS increase during the trial. An MS mitigation effect was found within a highly susceptible subsample through the presentation of anticipatory ambient light cues. The HMI prototype was proven to be effective regarding highly susceptible users. Future iterations could alleviate MS in field settings and improve the acceptance of AVs