Lux junior 2017
8. bis 10.9.2017 Dörnfeld
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Nicht-visuelle Beleuchtung: Reichen integrale Messgrößen aus?
Kai Broszio, Mathias Niedling, Martine Knoop, Stephan Völker
Technische Universität Berlin, Fachgebiet Lichttechnik
Einsteinufer 19, 10587 Berlin; [email protected]
Einführung:
Seit der Entdeckung der intrinsisch photosensitiven Ganglienzellen (ipRGC) gewinnen die
nicht-visuellen Effekte von Licht in Forschung und Entwicklung zunehmend an Bedeutung.
Licht wird beispielsweise dazu genutzt, die Wachsamkeit oder die Schlafqualität, die
Desynchronisation des circadianen Rhythmus oder Winterdepressionen zu beeinflussen.
Die überwiegende Mehrheit der bisherigen Forschung untersucht dabei Abhängigkeiten
zwischen Dosis, spektraler Zusammensetzung, Länge und zeitlicher Verteilung der
Lichtstimulation. Von Interesse, aber bisher nicht im Fokus der Forschung, scheint dabei
auch die Abhängigkeit der Richtung und Position der Lichtquelle zu sein, da nur ein kleiner
Teil (weniger als 1%) der ipRGCs photosensitiv sind und diese nicht gleichmäßig über die
Netzhaut verteilt sind.
Nur wenige Publikationen zum Einfluss der räumlichen Lichtverteilung enthalten eine
ausreichend detaillierte Beschreibung der Beleuchtungssituation des Versuchsaufbaus. Die
Mehrheit dieser Studien wurde zwischen 1992 und 2005 durchgeführt. Dabei unterscheiden
sich die in diesen Studien angebotenen Beleuchtungssituationen stark voneinander. Die
vertikale Beleuchtungsstärke am Auge wurde durch polychromatische Lichtquellen, wie z.B.
Leuchtstofflampen, Halogenlampen oder LED realisiert, und reichte von 5 bis 1000 lux mit
unterschiedlichen Lichtfarbe von warmweiß bis kaltweiß. Die teilweise Ausleuchtung der
Retina wurde durch Licht aus definierten Positionen im Gesichtsfeld oder durch modifizierte
Brillen für Probanden, die in eine homogen ausgeleuchtete Halbkugel blicken, erreicht. Alle
diese Studien fanden des Nachts zwischen 22:00 Uhr und 3:30 Uhr statt. Die
Lichtbedingungen wurden für 60 bis 240 Minuten angeboten und die Melatoninsuppression
wurde bestimmt, um die Auswirkungen der Lichtquellengröße und/oder -position zu
untersuchen. Die Probandenanzahl umfasste pro Studie zwischen sechs bis 32 Personen
in unterschiedlichem Alter.
Diese Studien legen nahe, dass große Lichtquellen effektiver sind als kleine Lichtquellen
[4]. Die Gleichzeitige Beleuchtung der Retina beider Augen hat eine größere
Melatoninsuppression zur Folge, als die Beleuchtung der Retina eines Auges [5]-[6].
Darüber hinaus zeigen diese Studien, dass die Beleuchtung der Netzhaut auf der
Nasenseite effektiver ist als auf der Schläfenseite [7]-[8]. Die Beleuchtung der unteren
Netzhauthälfte scheint eine größere Auswirkung zu haben, als die Ausleuchtung der oberen
Netzhauthälfte. Piazena et al. bestätigten teilweise diese Ergebnisse [12]. Die Beleuchtung
der oberen Retinahälfte mit warmweißen Licht (800 lx, 2666 K) resultierte in einer
reduzierten und verzögerten Melatoninsuppression im Vergleich zur Beleuchtung der
unteren Netzhauthälfte bei gleichen Beleuchtungsbedingungen am Auge. Indes bewirkte
die gleiche Beleuchtung mit kaltweißem Licht (6060 K) eine vergleichbare
Melatoninsuppression für beide, untere und obere, Netzhauthälften.
Vor diesem Hintergrund ist es fraglich, ob die bisher in Studien zu nicht-visuellen Effekten
genutzten Messgrößen Beleuchtungsstärke oder melanopische Bestrahlungsstärke im
Sinne der Vergleichbarkeit passend sind, da diese integrale Werte des gesamten
Gesichtsfelds darstellen. Bei der tatsächlichen Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut werden
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Einschränkungen des Gesichtsfelds durch die menschliche Anatomie berücksichtigt [13].
Diese kann mit angepassten Beleuchtungsstärkesensoren gemessen werden (z.B. [14],
[15]). Trotzdem könnte eine noch genauere Unterteilung innerhalb des menschlichen
Gesichtsfelds benötigt werden. Da die Anzahl der Studien zu klein ist, um Bereiche mit
unterschiedlicher Sensitivität der ipRGC zu bestimmen, gibt es einen Vorschlag für eine
grobe Einteilung von Bereichen mit „keiner“, „geringer“ und „guter“ Wirksamkeit nicht-visuell
wirksamen Lichts von FGL (Fördergemeinschaft Gutes Licht) (2014) (Abb. 1) [16].
Abbildung 1 Annäherung der räumlichen Sensitivität durch die Dichte der ipRGC oder Sensitivität wie in
einer kleinen Anzahl von Studien gefunden (basierend auf [16] mit Bereichen "kleiner" (gelb) und "guter"
(grün) Auswirkungen auf nicht-visuelle Effekte)
Ziel dieser Studie ist es, den Bereich des räumlich aufgelösten, effektiven Strahlungsflusses
zur Stimulierung der ipRGC bei unterschiedlichen Verteilungen des einfallenden Lichts unter
konstanten (volles Gesichtsfeld) Beleuchtungsstärkeniveaus am Auge zu untersuchen.
Methodik
Die hier beschriebene Studie nutzt einen theoretischen Ansatz um die Auswirkungen der
vermuteten höheren Sensitivität der ipRGCs im nasenseitigen und im unteren Halbraum der
Netzhaut zu untersuchen. Es wurde eine Methodik entwickelt, die ein Verfahren zur
Untersuchung der räumlich aufgelösten Leuchtdichte nutzt. Der Anteil bestimmter Bereiche
des Gesichtsfelds zur vertikalen Beleuchtungsstärke am Auge kann somit bestimmt werden.
Die Leuchtdichtebilder werden dazu in Matrizen konvertiert, die den Leuchtdichtewert für
jedes Pixel enthält. Mittels zwei weiterer Matrizen, die den Öffnungswinkel ω
s
und den
Kippwinkel ϑ für jedes Pixel enthalten, ist es möglich, die Beleuchtungsstärke jedes
einzelnen Pixels zu berechnen. Im Allgemeinen gilt folgende Gleichung:
,cosϑ
Beleuchtungsstärkebeitrag eines Pixels
Leuchtdichte des Pixels, dessen Position durch , bestimmt ist
ω Raumwinkel
ϑ Kippwinkel
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Die resultierende Matrix enthält die Beleuchtungsstärkebeiträge jedes einzelnen Pixels.
Somit ist es möglich, unterschiedliche Regionen im Gesichtsfeld zu definieren und die
Beleuchtungsstärke am Auge, hervorgerufen durch die jeweilige Region, zu berechnen.
Versuchsraum
Ein komplett mit LEDs hinterleuchteter Versuchsraum mit typischen Dimensionen eines
Büros (Breite 5 m, Länge 4 m, Höhe 2,8 m) am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen
Universität Berlin wurde für diese Versuche genutzt. Die Wände dieses Versuchsraums
bestehen aus einer transluzenten Folie (Spanndecke), die mit 1470 individuell
ansteuerbaren LED-Kacheln mit einer Größe von 18 cm x 18 cm hinterleuchtet ist. Jede
Kachel enthält 36 LEDs mittlerer Leistung, entweder in kaltweiß oder warmweiß. Die
ähnlichste Farbtemperatur (CCT) der LED-Kacheln zusammen mit der Spanndecke wurde
mittels eines „specbos 1201“ Spektrometer von JETI Technische Instrumente GmbH
bestimmt. Die gemessene Farbtemperatur am Beobachtungspunkt innerhalb des
Versuchsraums unter Verwendung der kaltweißen Kacheln ist ungefähr 5900 K, bei
Verwendung der warmweißen LED-Kacheln liegt sie bei ungefähr 2800 K und im Fall der
Mischung wurden ähnlichste Farbtemperaturen zwischen 4400 K und 4500 K (je nach
eingestellter Szene) gemessen. Die kalt- und warmweißen Kacheln sind schachbrettartig
angebracht, um eine gute Homogenität der Ausleuchtung und Farbtemperaturmischung im
Falle der gemeinsamen wie auch separaten Nutzung zu gewährleisten. Mit diesem
Versuchsaufbau ist es möglich, spezifische Leuchtdichteverteilungen in einzelnen
Bereichen der Wände und der Decke jeweils mit unterschiedlichen ähnlichsten
Farbtemperaturen einzustellen. Zusätzlich ist der Versuchsraum mit 12 Leuchten in der
Mitte der Decke ausgestattet, die speziell für nicht-visuelle Wirkungen optimiert sind und
einen ähnlichsten Farbtemperaturbereich zwischen 2000 K und 20000 K bieten.
Lichtszenen
Acht verschiedene Leuchtdichteverteilungen, einige sehr ähnlich zu typischen künstlichen
Beleuchtungslösungen, andere sehr verschieden, wurden auf eine konstante vertikale
Beleuchtungsstärke von 500 lx (+/- 2,5%) am Auge eingestellt. Die Beleuchtungsstärke
wurde in 1,20 m Höhe über dem Fußboden mit einem kosinuskorrigiertem Mini-Lux
Luxmeter von MX-ELEKTRONIK mit V(λ)-angepasstem Siliziumphotosensor gemessen.
Zusätzlich wurde die horizontale Beleuchtungsstärke auf einer Höhe von 85 cm über dem
Fußboden auf dem Tisch mit einem kosinuskorrigiertem Luxmeter Pocket-Lux 2 von LMT
gemessen. Die genutzten Lichtszenen haben eine ähnlichste Farbtemperatur zwischen
3900 K und 4900 K.
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Abbildung 2 Lichtszenen (a-d typische Bürobeleuchtungszenen; e-f untypische Bürobeleuchtung)
Messung und Verarbeitung
Die Variable in dieser Studie, die Leuchtdichteverteilung von acht ausgewählten
Lichtszenen, wurde mit einer Leuchtdichtekamera LMK mobile advanced (basierend auf
einer CANON EOS 550D digitalen Spiegelreflexkamera) von TechnoTeam Bildverarbeitung
GmbH aufgenommen. Die Kamera ist mit einem 4,5 mm Objektiv ausgestattet, das ein
Sichtfeld von ca. 140° ermöglicht. Bei jeder Lichtszene wurden HDR (High Dynamic Range)
Leuchtdichtebilder aufgenommen, um bei diesen Szenen den Kontrast zwischen hellen und
dunklen Bereichen optimal aufnehmen zu können.
Basierend auf der von FGL (Fördergemeinschaft Gutes Licht) (Abb. 1) vorgeschlagenen
räumlichen Sensitivität und anatomischen Einschränkungen (wie z.B. Verschattung durch
die Nase) wurden folgende Bereiche ausgewählt, um das Potential und die Auswirkungen
der Berücksichtigung der räumlichen Unterscheidung zu demonstrieren (Abb. 3 und Abb.
4):
ϑ = 0° bis 45° und 45° bis 60°
φ = 0° bis 55° und 0° bis −55° (zu beiden Seiten der Blickrichtung)
Licht aus Region 1 (Abb. 4) beleuchtet nur die Nasenseite der Retina des rechten Auges.
Licht in der Region 2 bewirkt eine Beleuchtung des unteren Teils der Retina beider Augen.
Licht aus der Region 3 beleuchtet den nasenseitigen Teil des linken Auges. Von diesen
Regionen wird eine gute Wirksamkeit auf nicht-visuelle Effekte erwartet, während Winkel
zwischen ϑ = 45° und 60° lediglich eine schwache und noch größere Winkel vermutlich keine
Wirkung haben. Zudem ist Region 2 von besonderem Interesse, da für die Beleuchtung der
Retina beider Augen eine stärkere Melatoninsuppression nachgewiesen werden konnte [5]-
[6].
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Abbildung 3 Schematische Darstellung der Winkel im Gesichtsfeld (basierend auf [13] und [16])
Abbildung 4 Überblick über die Regionen im Gesichtsfeld
Ergebnisse
Die Methodik wurde auf die acht Lichtszenen aus Abb. 2 angewendet. Für jede Region
wurde der Beleuchtungsstärkebeitrag berechnet. In Tabelle 1 wird dieser Wert als
Prozentsatz der gemessenen vertikalen Beleuchtungsstärke dargestellt. Die Lichtszenen
a - d mit Licht überwiegend von der Decke kommend zeigen im Allgemeinen geringe Werte.
Der Winkelbereich ϑ=0° bis 45° hat lediglich einen Anteil von 10 % bis 26 % am integralen
Beleuchtungsstärkewert. Wird der Winkelbereich auf ϑ=0° bis 60° erweitert, steigert sich
dieser Anteil auf bis zu 44 %. Andererseits zeigen die Lichtszenen e - h, mit Licht
größtenteils von der gegenüberliegenden Wand kommend, relativ hohe Werte. Der
Winkelbereich ϑ=0° bis 45° trägt mit 35 % – 51 % zum integralen Beleuchtungsstärkewert
bei, wenn erweitert auf ϑ=0° bis 60° bis zu 58 %.
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Tabelle 1 Beleuchtungsstärkewerte je Region (in Prozent des integralen Messwerts)
a. horizontale Beleuchtungsstärke auf 0,85 m Höhe
b. vertikale Beleuchtungsstärke in Prozent des mit dem Luxmeter gemessenen Werts
Fazit und Diskussion
Es wurde eine Auswertungsmethode basierend auf einer Leuchtdichtekamera zur
Bestimmung der räumlich aufgelösten Beleuchtungsstärkeanteile entwickelt. Dabei wurden
Regionen definiert, die den nasenseitigen Teil der Netzhaut des rechten und des linken
Auges und die untere Hälften der Netzhaut beider Augen gleichzeitig beleuchten. Typische
und untypische Bürobeleuchtungsszenen wurden für die Untersuchung genutzt. Die Werte
zeigen, dass eine typische Bürobeleuchtung eine geringe Beleuchtung der untersuchten
Regionen hervorruft. Die Beleuchtung der gegenüberliegenden Wand führt zu viel höheren
Beleuchtungsstärkeanteilen in diesen Regionen. Unter vergleichbaren Bedingungen, wie z.
B. spektrale Zusammensetzung und vertikale Beleuchtungsstärke, haben typische
Kunstlichtbeleuchtungslösungen für Büros geringere Beleuchtungsstärkeanteile im für
nicht-visuelle Wirkungen wichtigen Bereich, als Lichtszenen mit untypischen
Bürobeleuchtungssituationen, mit höheren vertikalen Beleuchtungsstärken aus dem
zentralen Teil des Gesichtsfelds, wie z.B. Tageslicht-beleuchtete Räume oder
Beleuchtungslösungen mit Wandflutern.
Hervorgehoben werden muss, dass es lediglich eine geringe Anzahl von Studien gibt, die
Unterschiede in der Melatoninsuppression bei Beleuchtung der unteren und oberen
Netzhauthälfte und eine nochmal geringere Anzahl von Studien, die einen Unterschied in
den Auswirkungen bei Beleuchtung der nasenseitigen und schläfenseitigen Teile der
Netzhaut, finden. Somit ist zum jetzigen Zeitpunkt keine exakte Bestimmung der Regionen
und deren Gewichtung bezüglich der Sensitivität möglich. Darüber hinaus wurden diese
Untersuchungen, welche die Melatoninsuppression untersuchten, während der Nacht
durchgeführt. Bei lediglich teilweiser beleuchteter Retina führt die Unterdrückung von
regions
Lighting scenes
a b c d e f g h
Illuminance
E
v
[lx] 506 511 504 500 497 500 507 496
E
h
[lx]
a
657 694 619 640 263 276 329 338
E
v
[%]
b
2.8 3.2 2.0 2.8 9.5 10.6 7.5 8.5
E
v
[%]
b
15.1 19.2 5.6 17.3 24.3 29.2 28.6 19.1
E
v
[%]
b
2.8 3.1 1.9 2.6 9.9 11.1 7.7 7.3
E
v
[%]
b
20.7 25.5 9.5 22.6 43.7 50.8 43.8 34.9
E
v
[%]
b
1.5 1.7 1.0 1.3 1.2 1.3 1.5 2.1
E
v
[%]
b
14.0 11.0 18.6 18.4 4.2 4.2 9.0 10.5
E
v
[%]
b
1.5 1.7 0.8 1.2 1.6 1.6 1.8 5.4
E
v
[%]
b
37.7 39.9 30.0 43.6 50.7 58.0 56.1 52.9
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Melatonin nicht per se zu reduzierter Schläfrigkeit, wie Rüger et al. bereits zeigten [17].
Allerdings sind diese Ergebnisse nicht direkt auf die nicht-visuellen Wirkungen unter
Tagesbedingungen anwendbar. Auch ist der Funktionsmechanismus der nicht-visuellen
Wirkungen während des Tages noch nicht vollständig entschlüsselt. Es wird angenommen,
dass Zapfen, die hauptsächlich im Zentrum des Gesichtsfelds auftreten, die nicht-visuellen
Effekte ebenso beeinflussen [18]. Daher ist es möglich, dass zumindest unter
Tagesbedingungen, die räumliche Verteilung und die spektrale Empfindlichkeit von mehr
als einem Rezeptortypen berücksichtigt werden muss.
Vor diesem Hintergrund ist die entwickelte Methode rein theoretisch. Nichtsdestotrotz ist es
ein wichtiges Forschungsgebiet, da es dazu beitragen könnte, zu erklären, warum einige
Studien, selbst bei ähnlichen Spektren und vertikalen Beleuchtungsstärken, nicht-visuelle
Wirkungen finden und andere nicht. Die Lichtrichtung und deren Beschreibung (bspw.
Lichteinfallsstärke) ist wichtig für den Vergleich bisheriger Studienergebnisse und die
Anpassung auf spezielle Areale und deren spektrale Empfindlichkeiten bei zukünftigen
Untersuchungen [19]-[20].
Das Spektrum des Lichts wurde in dieser Untersuchung nicht berücksichtigt. Zukünftige
Untersuchungen werden räumlich und spektral aufgelöste Messungen beinhalten. Mittels
einer mit Farbfiltern und melanopischem Filter ausgestatteten Leuchtdichtekamera werden
die Konsequenzen von räumlichen Empfindlichkeitsunterschieden im Hinblick auf nicht-
visuelle Wirkungen bei typischen Beleuchtungssituationen mit wechselnden Spektren im
Labor sowie in Feldstudien untersucht.
Danksagung
Die Autoren danken herzlich Frederic Rudawski (Technische Universität Berlin) für die
Programmierung der Software, Alexander Lee (Technische Universität Berlin) für
Literaturrecherche und der Firma TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH und im Besonderen
Tobias Porsch (TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH) für die großartige Unterstützung und
das Bereitstellen der benötigten Informationen der Leuchtdichtekamera.
Literaturverzeichnis
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Symposium Licht und Gesundheit, pp. 39-52.
[13] C. Schierz, "Ist die Beleuchtungsstärke am Auge die richtige Größe für biologische
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[14] J. Van Derlofske, A. Bierman, M. S.,Rea and N. Maliyagoda, "Design and
optimization of a retinal exposure detector", in Proc. 2000 International Society for
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[15] J. Van Derlofske, A. Bierman, M. S.,Rea, J. Ramanath and J. D. Bullough, "Design
and optimization of a retinal flux density meter," Measurement Science and
Technology, 13(6), 821, 2002.
[16] FGL (Fördergemeinschaft Gutes Licht) (2014), "licht.wissen 19 Impact of Light on
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downloads/1409_LW19_E_Impact-of-Light-on-Human-Beings_web.pdf
[17] M. Rüger, M. C. M. Gordijn, D. G. M. Beersma, B. de Vries and S. Daan, "Weak
relationships between suppression of melatonin and suppression of sleepiness/fatigue
in response to light exposure," Journal of Sleep Research, vol. 14, pp. 221-227, 2005.
Lux junior 2017
8. bis 10.9.2017 Dörnfeld
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[18] R. J. Lucas, S. N. Peirson, D. M. Berson, T. M. Brown, H. M. Cooper, C. A. Czeisler
et al., "Measuring and using light in the melanopsin age," Trends in neurosciences, vol.
37, pp. 1-9, 2014
[19] C. Liedtke, S. Völker and M. Knoop, "The Light Direction and Directional Light—
Towards a new Quantification of an Essential Lighting Quality Criterion," in Proc. 2013
CIE Centenary Conf., pp 542–551.
[20] M. Knoop, A. Diakite, C. Liedtke, K. Broszio, M. Niedling, "Characterisation of
daylight’s spatial and spectral distribution to assess its impact on human beings, "
unpublished, presented at CIE Midterm Meeting, Jeju Island, Republic of Korea, 2017.
