Untersuchung zum Einfluss des menschlichen Gesichtsfelds auf nichtvisuelle Größen [original]

Kai Broszio, Karin Bieske, Johannes Zauner

Untersuchung zum Einfluss des menschlichen

Gesichtsfelds auf nichtvisuelle Größen

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Broszio, Kai; Bieske, Karin; & Zauner, Johannes (2023). Untersuchung zum Einfluss des menschlichen

Gesichtsfelds auf nichtvisuelle Größen. Proceedings of LICHT2023.

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25. Europäischer Lichtkongress LICHT2023 SALZBURG

Kai Broszio; Karin Bieske; Johannes Zauner LICHT2023 SALZBURG 26.-29.März 2023

Untersuchung zum Einfluss des menschlichen

Gesichtsfelds auf nichtvisuelle Größen

Dipl.-Ing. Kai Broszio; Dr.-Ing. Karin Bieske; Dr. rer. biol. hum. Johannes Zauner M. Sc.

Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) und Technische Universität

Berlin I Technische Universität Ilmenau I Hochschule München

Deutschland

Zusammenfassung

In vielen Studien wird traditionell für die Bestimmung nichtvisueller Lichtwirkungen einer Be-

leuchtungssituation 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 Gesichts-

feld 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 unterschied-

lichen Beleuchtungssituationen im Labor (Licht aus unterschiedlichen Richtungen) und un-

ter 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 Beleuchtungsstärke 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 ausschließ-

lich unkritisch. Diese Verallgemeinerung gilt, da die Verteilung des Lichts im Blickfeld im

Allgemeinen spektral gleichartig ist. Bei großen chromatischen Variationen führt die Ge-

sichtsfeldblende hingegen neben einer Verringerung des allgemeinen Bestrahlungsstär-

keniveaus auch zu starken spektralen Veränderungen. In einer artifiziellen Laborsituation

veränderte sich bspw. der melanopische Wirkfaktor bei gleicher Beleuchtung um mehr als

den Faktor 2 nur durch die Blende.

1 Einleitung

Grundlegend kann nur Licht, welches die Photorezeptoren in der Retina erreicht, visuell und

nichtvisuell wirksam werden. Die Messung der Beleuchtungsstärke auf der Retina ist aber

derzeit nicht möglich [1]. Stattdessen wird üblicherweise die korneale Beleuchtungsstärke

angegeben. Für die Lichtmessung im Zusammenhang mit nichtvisuellen Wirkungen macht

es Sinn, zur genaueren Bestimmung des Reizes, nur Licht zu berücksichtigen, welches an

der Position der Messung in die Augen einer Person gelangen kann. Die Kenntnis über

Unterschiede zwischen den Erfassungsbereichen von Photometern bzw. Spektralradiome-

tern und dem menschlichen binokularen Gesichtsfeld ist dafür wichtig.

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Zusätzlich können sich die räumlichen Verteilungen von Lichtquellen bei gleicher vertikaler

Beleuchtungsstärke sehr stark unterscheidenden [2]. Dies kann dazu führen, dass sich

Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte, die einen großen Anteil an der (unbeschränkten) verti-

kalen Beleuchtungsstärke ausmachen, möglicherweise nicht im Gesichtsfeld des menschli-

chen Auges befinden. Eine entsprechende Situation sind beispielsweise die üblicherweise

an der Decke montierten Leuchten in Büros. Damit wird die tatsächlich wirksame Beleuch-

tungsstärke bzw. die melanopische tageslichtäquivalente Beleuchtungsstärke (MEDI) sys-

tematisch überschätzt. Verstärkt wird dies zusätzlich, wenn berücksichtigt wird, dass in Bü-

ros üblicherweise ein Großteil der Zeit bei leicht nach unten geneigtem Kopf mit Blick auf

den Bildschirm gearbeitet wird und somit noch größere Deckenbereiche mit Leuchten ab-

geschattet werden [3].

Abb. 1: (A) relative winkelabhängige Messung der Beleuchtungsstärke eines Spektralradiometers in

horizontaler und vertikaler Ausrichtung; (B) relative winkelabhängige Beleuchtungsstärke auf der

Netzhaut in Abhängigkeit des Alters für 2 mm Augenpupille (zum Vergleich Charakteristik eines

Luxmeters), die gestreifte Fläche entspricht der anatomischen Abschattung nasal und vertikal nach

oben [4, 5]

Aus der Definition der Beleuchtungsstärke, welche einfallendes Licht aus dem Halbraum mit

der cos-Funktion bewertet, ergeben sich Unterschiede zum menschlichen Gesichtsfeld [4].

In Abb. 1(A) ist die relative winkelabhängige Beleuchtungsstärke eines realen Spektralradi-

ometers in horizontaler und vertikaler Ausrichtung dargestellt. Abb. 1 (B) zeigt, dass sich

das menschliche Auge nicht wie ein cos-angepasstes Luxmeter verhält. Die Winkelbereiche

mit den größten Unterschieden sind jedoch mindestens in vertikaler Richtung durch die Ana-

tomie abgeschattet (schraffierte Fläche). In einer Situation mit einer homogenen Leucht-

dichteverteilung im Gesichtsfeld kann dies zu einem Unterschied von bis zu 6% zur integ-

ralen Messung des kompletten Halbraums führen [6], in realen Situationen sind größere

Unterschiede zu erwarten.

Das menschliche binokulare Gesichtsfeld ergibt sich aus der Überlagerung der monokula-

ren Gesichtsfelder von linkem und rechtem Auge. Das maximal mögliche Gesichtsfeld der

einzelnen Augen ohne Kopf- oder Augenbewegungen wird durch die anatomischen Gege-

benheiten der Augen in der Orbita (Augenhöhle) und der Stellung der Augenlieder be-

grenzt [7]. In Abb. 2(A) ist das Gesichtsfeld (im Halbraum) eines vereinfachten linken Auges

und in (B) das aus den Gesichtsfeldern beider Augen zusammengesetzte binokulare Ge-

sichtsfeld dargestellt. Dieses geht auf die Darstellung des binokularen Gesichtsfelds nach

Guth zurück [8]. Ähnliche Darstellungen existieren auch bei Taylor [9]. Hervorzuheben ist

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dabei, dass das individuelle Gesichtsfeld größer oder kleiner ausfallen kann. Es wird von

vielen Faktoren beeinflusst, wie die Abhängigkeit vom Beobachter (Alter, Gesundheit, Ge-

schlecht, Erfahrung, usw.) und vom Stimulus (Größe, Leuchtdichte, Kontrast, usw.). Die hier

dargestellten Bereiche geben nur eine Orientierung.

Als Empfehlung für die Berücksichtigung des menschlichen Gesichtsfelds (eng.: field of view

– FOV) sind im informativen Teil der CIE S026 Werte für die Begrenzung des Gesichtsfelds

angegeben [10]. In Innenräumen und bei geringer Beleuchtungsstärke kann das vertikale

Blickfeld nach oben bis zu +50° und nach unten bis -70° zur Blicklinie angenommen werden.

Das horizontale Blickfeld wird für jedes Auge auf der einen Seite durch die Nase begrenzt.

Temporal reicht das Gesichtsfeld über etwa ±90°. Beim beidäugigen Sehen kann das hori-

zontale Blickfeld mit 180° angenommen werden [10]. In Abb. 2(C) ist dies graphisch darge-

stellt. Es ist anzumerken, dass Gesichtsfeldausdehnungen bis über 180° in horizontaler

Richtung reichen (±107° oder 214°, zurückgehend auf Messungen von Rönne, 1915 [11,

12]), jedoch aufgrund der Messtechnik und/oder Reizdarbietung regelmäßig bei ±90° enden

(siehe Abb. 2(B)).

Abb. 2: (A) monokulares Gesichtsfeld des linken Auges; (B) binokulares Gesichtsfeld; (C) Gesichtsfeld

entsprechend den Empfehlungen der CIE S026 für Messungen in Innenräumen

Um eine Abschätzung über die tatsächliche auf das Auge treffende korneale Beleuchtungs-

bzw. Bestrahlungsstärke zu bekommen, wurden Gesichtsfeldblenden entworfen, die über

ein entsprechende Öffnungsbegrenzungen verfügen. Diese wurden im 3D-Druckverfahren

aus schwarzem Kunststoff gefertigt. Zusätzlich wurden Adapter konstruiert, die eine Kombi-

nation der Gesichtsfeldblende mit verschieden handelsüblichen Modellen von Spektralradi-

ometern der Firma JETI erlauben (specbos 1201 und specbos 1211). Prinzipiell lassen sie

sich auch auf Photometermessköpfen nutzen. Somit werden eine einfache und kostengüns-

tige Verbreitung und Handhabung ermöglicht.

Ähnliche Arbeiten wurden von van Derlofske et al. im Jahr 2000 durchgeführt, dabei wurde

die vom cos-angepassten Luxmeter unterschiedliche winkelabhängige Charakteristik des

Auges sowie die Einschränkungen auf Grund der Anatomie berücksichtigt. Eine Verbesse-

rung im Jahr 2002 ermöglicht zudem auch die skotopische Messung [6, 13].

Um das Gesichtsfeld nach CIE S026 zu implementieren, wurde die Konstruktion der Blende

so ausgeführt, dass bei dem vorgegebenen Winkel die komplette Streuscheibenfläche vers-

chattet wird. Die Blendenform ergibt sich dann durch eine Linie mit dem Winkel von einem

Punkt auf dem Rand der Streuscheibe bis zum entsprechenden Punkt der gegenüber-

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liegenden Seite auf dem Durchmesser der Blendenkonstruktion. Abb. 3(A) und (B) zeigen

einige dieser Konstruktionspunkte und in (C) ist die sich ergebenden Blende gezeigt.

Abb. 3: (A) vertikaler Schnitt durch die Blendenkonstruktion mit +50°-Linie und -70°-Linie für die Begrenzung

des oberen und des unteren Gesichtsfelds; (B) ausgewählte Konstruktionspunkte auf dem Rand der

Streuscheibe; (C) vollständige Blende mit ausgewählten Konstruktionslinien

Im Rahmen der Realisierung wurden Messungen der relativen Beleuchtungsstärke für Licht

aus unterschiedlichen Richtungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Blende einen

Lichteinfall auf den Sensor des Spektralradiometers bei den Begrenzungswinkeln nicht voll-

ständig verhindert. Für Winkel über +50° beträgt der relative Beitrag zur Beleuchtungsstärke

noch ca. 18% und für Winkel unter -70° noch ca. 25% der jeweiligen cos-Werte. Darüber-

hinausgehende Winkelbereiche wurden vollständig abgeschattet.

Für einige der in den späteren Abschnitten gemachten Messungen wurde zudem eine ein-

fachere Vorvariante verwendet. Diese im Folgenden als Münchner Blende bezeichnete Va-

riante weist in identischen Beleuchtungssituationen geringfügige Messwertabweichungen

zu der in Abb. 3 gezeigten Blende in Höhe von 2% im Median auf. Aufgrund der geringen

Messwertabweichung und einer Reihe von Messszenarien, die ausschließlich mit der

Münchner Blende zur Verfügung stehen, wurde dieser Proto-Blendentyp mit aufgenommen,

jedoch explizit gekennzeichnet.

2 Messungen

Für Versuchsstände im Laboraufbau sowie unterschiedliche Arbeitsplätze in der Praxis er-

folgten Messungen mit und ohne der entwickelten Gesichtsfeldblende. Gemessen wurden

mit einem Spektralradiometer in Augenposition bei einer Höhe von 1,2 m für Sitzarbeits-

plätze und in einer Höhe von 1,6 m (Abschnitt 2.8), bzw. 1,5 m (Abschnitt 2.3) für stehende

Personen. Aus den gemessenen vertikalen spektralen Bestrahlungsstärken lassen sich

photometrischen und melanopische Größen berechnen und spektrale Unterschiede bestim-

men. Diese sind für die untersuchten Beleuchtungssituationen nachfolgend dargestellt.

MEDI-Werte in den Tabellen sind jeweils die Melanopic Equivalent Daylight (D65) Illumi-

nance nach CIE S026, d.h. ein Maß für die nichtvisuelle Reizstärke.

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