Wissenschaft & Forschung
Licht 9 | 2020

Ideales Licht im Innenraum – Teil 2

Biologische Lichtwirkung im Büro

Nachdem es im ersten Teil dieses Artikels (s. Ausgabe LICHT 8 | 2020, S. 70) insbesondere um lichtmesstechnische Aspekte In der Lichttechnik ging, soll dieser Teil Impulse für die Messung des Lichteinflusses am Arbeitsplatz liefern. Dazu werden verschiedene Büroarbeitsplätze hinsichtlich der biologischen Lichtwirkung untersucht.

Lesezeit: ca. 12 Minuten

3 Berechnungswege zur Ergebnisermittlung

Für die statischen Auswertungen am Arbeitsplatz, die im nachfolgenden Kapitel betrachtet werden sollen, ist es neben der durch die LMK-Kamera-Aufnahme erstellten, ortsaufgelösten Leuchtdichte-Matrix LM auch notwendig, die daraus berechnete Beleuchtungsstärke-Matrix EM zu kennen, da diese die Grundlage der CS-Wert Berechnung nach Gl. 3 (Teil1) darstellt. Die hierfür benötigte Raumwinkel-Matrix ΩM ist abhängig vom Kameraobjektiv und dadurch für alle Messvorgänge der LMK identisch. Gleiches gilt für die ebene Winkel-Matrix ϵM. Diese drückt aus, welchen Winkel ein betrachteter Pixel der Matrix mit dem Blickschwerpunkt einschließt. Die Daten der Matrix sind in Gradmaß angegeben. Daraus folgt für die diskrete Berechnung von EM:

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Durch Summieren aller m x n Matrizenwerte lässt sich hieraus die vertikale Beleuchtungsstärke der LMK-Messung ELMK bestimmen:
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Analog zu Gl. 5 können auch XLMK, YLMK und ZLMK aus den Farbkanal-Matrizen (XM, YM und ZM) der LMK-Aufnahme bestimmt werden:
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Aus diesen Farbkanalgrößen lässt sich über

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der für die Approximation des CS-Wertes benötigte normierte z-Kanal berechnen. Eingesetzt in Gl. 3 (Teil 1) ergibt sich somit der mittels LMK-Aufnahme bestimmte Circadiane Stimulus CSLMK:
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Alternativ kann der statische CS-Wert CSCSS nach Gl. 1 und 2 (Teil1) aus dem durch das CSS-45-Spektroradiometer ermittelte Bestrahlungsstärkespektrum berechnet werden. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, beide Werte miteinander zu vergleichen. Für die CS-Werte geschieht dies im weiteren Verlauf absolut:
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Für die Beleuchtungsstärken wird die prozentuale Abweichung zueinander bestimmt:
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Bei diesen statischen Betrachtungen anhand der Leuchtdichteaufnahme lässt sich ein relevanter Bereich der Aufnahme festlegen. So ist es möglich, die Daten anhand von Maskierungen zu begrenzen und dadurch den Sichtbereich z. B. auf einen 90°- bzw. 60°-Beobachter anzupassen. Dies lässt eine erweiterte Betrachtung zu dem auf die Netzhaut wirkenden Licht zu, da nicht wie bei der CS-Wert-Ermittlung nach Gl. 1 und 2, der gesamte Halbraum vor dem Messsensor betrachtet wird. Die Maskierungen mit einem festen Radius erfolgen mithilfe der allgemeinen Kreisgleichung (Gl. 11) und unter Berücksichtigung der ebenen Winkel-Matrix ϵM.
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Zudem ist es auch möglich, Ellipsoide für die Maskierung heranzuziehen. Dies geschieht analog zu einem Kreis über die allgemeine Ellipsengleichung (Gl. 12). Dadurch kann das CIE-2018-Gesichtsfeld, welches in Tabelle 1 beschrieben wird, maskiert werden.
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In diesen beiden Gleichungen stellt m x die x-Koordinate und m y die y-Koordinate des Mittelpunktes dar. Weiterhin gibt r den Radius, im Falle der Ellipsengleichung r x die Ausdehnung vom Mittelpunkt in x-Richtung und r y in y-Richtung an.

Beispielhaft sind in Abb. 12 die Maskierung nach einem CIE-2018-Gesichtsfeld (Abb. 12b) und nach einem 60°-Beobachter (Abb. 12c) mit einem Mittelpunkt im Zentrum einer Leuchtdichteaufnahme dargestellt.

Abb. 12: Darstellung von unterschiedlichen Maskierungsmöglichkeiten der Messdaten-Matrizen am Beispiel einer Leuchtdichteaufnahme. (a) Originalaufnahme ohne Maskierung (ca. 92°) TU Darmstadt

(b) Aufnahme nach der Ellipsen-Maskierung (CIE-Gesichtsfeld 50° nach oben, 70° nach unten, 90° seitlich) TU Darmstadt
(c) Aufnahme nach der Kreis-Maskierung (60°-Beobachter) TU Darmstadt

4 Messergebnisse

4.1 Messungen im Multifunktionsraum

Die spektralen Verläufe aus Abb. 11 (Teil 1) sollen nun für die Untersuchung der biologischen Lichtwirkung genutzt werden. Anhand dieser lässt sich der CS-Wert nach Rea et al. [8, 9] bestimmen. Die berechneten CS-Werte CSCSS sind, neben den gemessenen Beleuchtungsstärken ECSS, der Tabelle 2 (Teil 1) zu entnehmen. Zusätzlich sind die aus der LMK-Aufnahme ermittelten Werte ELMK sowie CSLMK angegeben, die nach Abschnitt 3 bestimmt werden.

Anhand der aus der CSS-45-Messung gewonnen Daten ist zu erkennen, dass Licht mit höheren Blauanteilen eine größere Melatonin-Unterdrückung liefert als Licht mit einem geringeren Anteil. Dies wird bei dem Vergleich der Messung »3000K1« (CCT = 3005,2 K) mit der Messung 4500 K (CCT = 4542,6 K) deutlich, da hier beide gemessenen Beleuchtungsstärken etwa um 430 lx liegen, der CS-Wert sich jedoch unterscheidet. In Abb. 11 (Teil 1) ist deutlich der Peak der 4500-K-Messung im Blaulichtbereich bei ca. 470 nm zu erkennen, wohingegen bei der 3000K1-Messung dieser im roten Bereich bei 630 nm liegt. Die blau_max-Messung weist den höchsten CS-Wert auf. Dieser liegt mit 0,69 schon kurz vor der Sättigung der Melatonin-Unterdrückung von 70 %. Im Gegensatz dazu zeigt die rot_max-Messung gerade mal eine Unterdrückung von 1,5 %, was sogar unter dem Schwellwert von CS = 0,1 liegt und daher nach dieser Metrik keine biologische Lichtwirkung aufweist. Bei den übrigen Lichteinstellungen liegt der CS-Wert über 0,3, weshalb eine nichtvisuelle Lichtwirkung bei einer Exposition dieser Beleuchtungen vorhanden ist. Weiterhin zeigt sich am Vergleich der 3000K1-Messung mit der spektral identisch verlaufenden 3000K2-Messung (CCT = 3032,3 K), dass eine Erhöhung der Intensität auch eine Steigerung des CS-Wertes und dadurch der Unterdrückung von Melatonin liefert.

Beim Vergleich der aus den CSS-45-Messungen berechneten CS-Werte mit denen der LMK-Aufnahme zeigt sich eine gute Übereinstimmung, lediglich die 4500-K-Lichteinstellung sowie die monochromatischen Maximalwerte (blau_max, cyan_max, grün_max und rot_max), für welche die Approximation nicht ausgelegt ist, weichen absolut um bis zu ΔCS = 0,087 voneinander ab. Für die übrigen polychromatischen Lichteinstellungen liegen die absoluten Abweichungen bei maximal ΔCS = 0,005. Die Differenzen entstehen neben der Berechnung jedoch auch durch Messungenauigkeiten der unterschiedlichen Systeme. Ein weiterer Grund für die größeren Unterschiede bei den monochromatischen Einstellungen ist die nicht optimale Anpassung der V(λ)-Funktion der LMK. Für die weiteren Betrachtungen zeigt sich jedoch, dass die Ermittlung des CS-Wertes aus der LMK-Aufnahme ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die CS-Werte abhängig von relevanten Bereichen der ortsaufgelösten LMK-Messung zu bestimmen, was einen neuen Ansatz darstellt.

Messname (Lichteinstellung)

Durch CSS-45-Messung ermittelte Beleuchtungsstärke ECSS in lx

Aus LMK-Aufnahme berechnete Beleuchtungsstärke ELMK in lx

Prozentuale Abweichung beider Beleuchtungsstärken ΔE

Aus CSS-45-Messung berechneter CS-Wert CSCSS

Aus LMK-Aufnahme berechneter CS Wert CSLMK

Absolute Abweichung beider CS-Werte ΔCS

3000K1

432,1

423

2,10%

0,383

0,379

0,004

3000K2

792

779,1

1,60%

0,495

0,496

0,001

4500K

433,2

430,9

0,50%

0,415

0,368

0,047

6000K

439,3

437,2

0,50%

0,426

0,431

0,005

weiss_max

5170

5141,8

0,50%

0,66

0,663

0,003

blau_max

554,5

614,5

10,80%

0,693

0,662

0,031

cyan_max

281,4

309,2

9,90%

0,662

0,615

0,047

grün_max

2024

2071,8

2,40%

0,651

0,573

0,078

rot_max

1333

1268,3

4,90%

0,015

0,005

0,01

alle_max

5515

5526,7

0,20%

0,692

0,69

0,002

4.2 Messungen an verschiedenen Büroarbeitsplätzen

Analog zum vorherigen Abschnitt werden im Folgenden die in Teil 1 beschriebenen Büroarbeitsplätze bezüglich ihrer biologischen Lichtwirkung bewertet. Die Auswertung erfolgt wieder mittels beider Berechnungsmethoden des CS-Wertes. Tabelle 3 stellt die hierbei ermittelten Größen dar. Die vertikalen Beleuchtungsstärken liegen im Schnitt, sowohl bei den CSS-45- als auch den LMK-Messungen bei ca. 380 lx. Die in der DIN EN 12464 geforderten 500 lx als horizontale Beleuchtungsstärke für einen Büroarbeitsplatz werden dadurch abgedeckt, da ca. 1 lx vertikale durch 1,8 lx bis 3 lx horizontale Beleuchtungsstärke an von oben beleuchteten Arbeitsplätzen hervorgerufen wird [3]. Die Abweichung beider Modelle ist sehr gering. Bei den Beleuchtungsstärken liegt sie prozentual unter 4,3 % (Ø = 1,4 %). Bei den CS-Werten ergibt sich eine absolute Abweichung von maximal 0,016 (Ø = 0,011). Daher werden im weiteren Verlauf lediglich die aus der Leuchtdichteaufnahme ermittelten Werte für die Beurteilung herangezogen.

Der durchschnittliche CS-Wert aller Arbeitsplätze liegt bei CSLMK= 0,340 und liefert somit eine Melatonin-Unterdrückung von ca. 34 %. Den niedrigsten Wert weist hierbei Platz 9 mit CSLMK = 0,232 auf. Den größten Wert liefert Arbeitsplatz 2 mit CSLMK = 0,373. Abgesehen von Platz 9 unterscheiden sich die übrigen Büroarbeitsplätze um maximal 3 % Melatonin-Suppression und sind daher annähernd identisch anzusehen. Sie liegen über CS = 0,3 und verfügen somit über zirkadian wirksames Licht. Die Ursache dafür liegt daran, dass diese Arbeitsplätze nah an den Fenstern angeordnet sind sowie passende Leuchten ausgewählt wurden. Die Unterschiede von Arbeitsplatz 9 sind darauf begründet, dass dieser in den Abendstunden ohne Tageslicht vermessen wurde und der Monitor zu dieser Zeit über einen Blaulichtfilter verfügt.

Arbeitsplatz (Messhöhe hmess in cm)

Durch CSS-45-Messung ermittelte Beleuchtungsstärke ECSS in lx

Aus LMK-Aufnahme berechnete Beleuchtungsstärke ELMK in lx

Prozentuale Abweichung beider Beleuchtungsstärken ΔE

Aus CSS-45-Messung berechneter CS-Wert CSCSS

Aus LMK-Aufnahme berechneter CS-Wert CSLMK

Absolute Abweichung beider CS-Werte ΔCS

Platz 1 (120)

372,4

373,9

0,40%

0,359

0,351

0,008

Platz 2 (120)

414,3

418,8

1,10%

0,379

0,373

0,006

Platz 3 (120)

372,7

362,8

2,70%

0,342

0,326

0,016

Platz 3 (98)

397,3

395,2

0,50%

0,351

0,34

0,011

Platz 4 (120)

370

371,1

0,30%

0,343

0,331

0,012

Platz 4 (107)

389,8

391,4

0,40%

0,357

0,346

0,011

Platz 5 (120)

387

380,6

1,70%

0,36

0,35

0,01

Platz 6 (120)

399,4

394,9

1,10%

0,37

0,358

0,012

Platz 6 (125)

399,9

395,7

1,10%

0,37

0,358

0,012

Platz 7 (120)

421,8

414,4

1,70%

0,372

0,364

0,008

Platz 7 (105)

416,5

409,7

1,60%

0,364

0,354

0,01

Platz 8 (120)

389,7

384,9

1,20%

0,35

0,339

0,011

Platz 9 (120)

257,3

268,3

4,30%

0,247

0,232

0,015

Durchschnitt

383,7

381,7

1,40%

0,351

0,34

0,011

SD

39,9

36,5

1,10%

0,032

0,034

0,002

4.3 Licht am Arbeitsplatz unter Berücksichtigung unterschiedlich relevanter Bereiche

Nachfolgend sollen für die Beurteilungen am Arbeitsplatz die Leuchtdichteaufnahmen auf relevante Bereiche beschränkt werden. Dafür sollen E90 und CS90 als Referenzwerte dienen. Der Index 90 gibt hierbei den Kippwinkel bzw. ebenen Winkel in Grad an, der vom Mittelpunkt eines Kreisgebietes zu dessen Rand aufgespannt wird. Folglich wird in diesem Fall (90°) ein Halbraum betrachtet, wie bei den Werten in der obigen Tabelle 3. Als relevante Gebiete sind ein Bereich mit einem Kippwinkel ϑ = 60° sowie das Gesichtsfeld nach CIE S 026/E:2018 [4], welches in Tabelle 1 (Teil 1) beschrieben wird, festgelegt. Diese Maskierungen sind in Abb. 12 dargestellt. Der Bereich mit der 60°-Kreismaskierung bietet sich für den Ansatz bzgl. einer höheren Sensitivität der ipRGCs an (s. Abb. 2 und 3 in Teil 1).

Die aus diesen relevanten Gebieten bestimmten Ergebnisse sind Tabelle 4 zu entnehmen. Es ist zu erkennen, dass das Gesichtsfeld nach CIE S 026/E:2018 (CIE) durchschnittlich die kleinsten Werte liefert, obwohl das hierbei maskierte Gebiet größer als jenes des 60°-Kreises ist. Die Ursache liegt darin, dass bei dem Ellipsengebiet vom Blickpunkt lediglich 50° nach oben betrachtet werden und dadurch große Teile der Deckenbeleuchtung als relevante Daten entfallen, welche bei der 60°-Kreis-Maskierung miteinbezogen werden (s. Abb. 12).

Insgesamt zeigt sich durchschnittlich eine Verringerung der vertikalen Beleuchtungsstärke ELMK,CIE von 43 % und bei ELMK,60 von 39 % im Vergleich zu den über den gesamten Halbraum ermittelten Werten (E90). Dies führt analog zu einer Verringerung des Circadianen Stimulus CSCIE von 29 % bzw. bei CS60 von 26 % verglichen mit CS90. Anhand dieser Daten zeigt sich, dass sich die maskierten Werte deutlich von jenen ohne Maskierung unterscheiden.

Arbeitsplatz (Messhöhe hmess in cm)

Beleuchtungsstärke ELMK,90 in lx

Beleuchtungsstärke ELMK,60 in lx

Beleuchtungsstärke ELMK,CIE in lx

CS-Wert CS90

CS-Wert CS60

CS-Wert CSCIE

Platz 1 (120)

373,9

223,1

229,9

0,351

0,267

0,271

Platz 2 (120)

418,8

256

245,6

0,373

0,289

0,285

Platz 3 (120)

362,8

218,6

203,4

0,326

0,239

0,225

Platz 3 (98)

395,2

256,2

219,6

0,34

0,263

0,229

Platz 4 (120)

371,1

235,5

189,2

0,331

0,256

0,221

Platz 4 (107)

391,4

259,9

206,4

0,346

0,279

0,239

Platz 5 (120)

380,6

242,1

217,5

0,35

0,269

0,254

Platz 6 (120)

394,9

244

240,9

0,358

0,271

0,269

Platz 6 (125)

395,7

236,9

235

0,358

0,266

0,264

Platz 7 (120)

414,4

241,5

235

0,364

0,268

0,264

Platz 7 (105)

409,7

248,5

229,6

0,354

0,264

0,252

Platz 8 (120)

384,9

200,1

202,1

0,339

0,223

0,224

Platz 9 (120)

268,3

155

158,6

0,232

0,136

0,138

Durchschnitt

381,6

232,1

216,4

0,34

0,253

0,241

SD

36,5

27,4

23,3

0,034

0,037

0,036

4.4 Lichtwirkung am Arbeitsplatz mittels angepasster Gesichtsfelder

An dieser Stelle soll eine Einteilung des Gesichtsfeldes anhand des von Broszio et al. [5] beschriebenen Schemas (s. Abb. 3 und 4 in Teil1) erfolgen. Dieses Schema beruht auf den Erkenntnissen zur Richtungsabhängigkeit der durch die ipRGCs hervorgerufenen Melatonin-Suppression. Dementsprechend wird der obere betrachtete Halbraum, welchem eine höhere biologische Lichtwirkung zugeschrieben wird, in sechs unterschiedliche Regionen eingeteilt (s. Abb. 3 in Teil 1). Die Regionen werden hierbei so gewählt, dass das einfallende Licht je nach Auge in nasale, temporale sowie zentrale Bereiche eingeteilt werden kann (über ϕ). Weiterhin werden über den Kippwinkel ϑ die Einfallswinkel des wirksamen Lichts auf die Netzhaut festgelegt.

Für diese Regionen werden die vertikalen Beleuchtungsstärken ermittelt, welche Tabelle 5 zu entnehmen sind. Weiterhin können, analog zum vorherigen Abschnitt, die jeweiligen CS-Werte berechnet werden. Dies wird in dieser Arbeit jedoch nicht weiter ausgeführt. Grund dafür ist, dass eine Gewichtung bezüglich der Sensitivität der ipRGCs anhand dieser Regionen aufgrund derzeit fehlender Studien ohnehin nicht sinnvoll möglich ist [6]. Dennoch liefern die Daten der Beleuchtungsstärken eine Beurteilungsmöglichkeit bzgl. der auf die jeweilig äquivalente Netzhautregion fallenden Lichtstrahlen.

Arbeitsplatz (Messhöhe hmess in cm)

Beleuchtungsstärke Region 1 E1 in lx

Beleuchtungsstärke Region 2 E2 in lx

Beleuchtungsstärke Region 3 E3 in lx

Beleuchtungsstärke Region 4 E4 in lx

Beleuchtungsstärke Region 5 E 5in lx

Beleuchtungsstärke Region 6 E 6in lx

Beleuchtungsstärke Gesamt E1−6 in lx

Platz 1 (120)

12,5

29,6

10,7

4,5

39,7

4,5

98,4

Platz 2 (120)

17,4

37,4

22,3

3,8

33,5

4,4

118,9

Platz 3 (120)

8,3

22,2

6,7

1,2

22,4

2

62,8

Platz 3 (98)

15,9

48,2

11,8

1,4

9,1

3,2

89,7

Platz 4 (120)

9,3

19,5

9,5

2,3

12,3

3,1

56

Platz 4 (107)

14,2

40,9

13,02

2,4

8,9

2,9

82,3

Platz 5 (120)

7,5

21,8

13,1

1,5

33,9

4,3

82

Platz 6 (120)

11

24,6

11,1

3,1

53

3,2

104,1

Platz 6 (125)

6,6

21,9

5,3

3,2

56,3

3,4

96,7

Platz 7 (120)

10,9

33,8

13,8

3,4

40,8

3

105,7

Platz 7 (105)

10,2

53,3

15,6

2,7

29,7

4,3

115,9

Platz 8 (120)

10,3

18,3

3,8

2

48,9

2,1

84,3

Platz 9 (120)

8,5

20,8

6,6

1

30,5

1,4

68,9

Durchschnitt

11

30,2

11

2,5

32,2

3,2

89,7

SD

3,1

11,2

4,7

1

15,2

0,9

18,7

Anhand der Maskierung in Abb. 4 und dem Vergleich der Tabelle 4 mit Tabelle 5 ist zu erkennen, dass ein Großteil (>50 %) der vertikalen Beleuchtungsstärke, bei einer Kreismaskierung mit einem Kippwinkel ϑ = 60°, bei den konkret gemessenen Arbeitsplätzen in diesem Studienfall durch die untere Halbraumhälfte hervorgerufen wird. Dies wird vor allem durch den in der unten Hälfte flächenmäßig größeren Bildschirmanteil sowie die Reflexion der Deckenbeleuchtung auf der Tischoberfläche hervorgerufen. Den größten Beitrag an der gesamten vertikalen Beleuchtungsstärke des oberen Halbraumes E1−6 liefern die beiden zentralen Gebiete, Region 2 und 5.

4.5 Evaluation des Einflusses des Messwinkels bei der Arbeitsplatzbetrachtung

Da bei der Messung eines Büroarbeitsplatzes mit der in der Norm DIN EN 12464 festgelegten Messhöhe von 120 cm der Bildschirm oftmals nicht zentral, sondern in der untere Aufnahmehälfte liegt, soll im Folgenden ein zusätzlicher Messwinkel betrachtet werden. Hierzu wird an allen Arbeitsplätzen der Messaufbau, wie in Abb.9 (Teil 1) zu sehen, um -10° nach unten auf den Bildschirm geneigt. Der Gedanke dahinter ist, dass der Betrachtungsschwerpunkt am modernen Büroarbeitsplatz die meiste Zeit auf den Monitor gerichtet ist. Die Daten werden nur für die in der Norm festgelegten Messhöhe (hmess = 120 cm) ermittelt.

Die Ergebnisse verschieden maskierter Bereiche sind Tabelle 6 zu entnehmen. Durchschnittlich gesehen, führt eine Neigung des Messkörpers bzw. dementsprechend des Kopfes eines Beobachters um -10° nach unten zu einer Verringerung aller ermittelten Werte. Die Beleuchtungsstärken verringern sich bei E-10,90 um 17 %, bei E-10,60 um 20 % und bei E-10,CIE um 16 %, verglichen mit jenen aus Tabelle 4. Dementsprechend verringern sich auch die CS-Werte durchschnittlich um 10 %, 13 % bzw. 11 %. Die Ursache ist die durch die Neigung weniger ins Gewicht fallenden Deckenbeleuchtung. Zudem fallen ohnehin Teile der Deckenbeleuchtungen durch die Senkung komplett aus dem Aufnahmebereich.

Arbeitsplatz (Messhöhe hmess in cm)

Beleuchtungsstärke E-10,90 in lx

Beleuchtungsstärke E-10,60 in lx

Beleuchtungsstärke E10,CIE in lx

CS-Wert CS-10,90

CS-Wert CS-10,60

CS-Wert CS-10,CIE

Platz 1 (120)

324,4

192

185,7

0,325

0,242

0,237

Platz 2 (120)

353,8

223,7

212,5

0,342

0,27

0,262

Platz 3 (120)

306,3

178

191,4

0,293

0,206

0,211

Platz 4 (120)

314,7

169

190,7

0,301

0,21

0,222

Platz 5 (120)

317,4

195,7

186,6

0,316

0,238

0,23

Platz 6 (120)

334,6

205,3

185,3

0,326

0,246

0,229

Platz 7 (120)

338,7

203

188,5

0,324

0,242

0,229

Platz 8 (120)

305,8

158,8

151,4

0,295

0,193

0,183

Platz 9 (120)

269,9

148,6

149,1

0,234

0,129

0,127

Durchschnitt

318,4

186

182,4

0,306

0,22

0,214

SD

22,7

22,9

18,9

0,03

0,039

0,037

4.6 Untersuchung des Lichteinflusses des Monitors

Mithilfe der LMK-Aufnahmen lassen sich zusätzlich Betrachtungen bezüglich der Lichtwirkung, die alleine durch den Monitor hervorgerufen wird, durchführen. Damit kann, sofern die betrachteten Monitore nicht über eine adaptive Helligkeitsanpassung verfügen, die biologische Lichtwirkung am verdunkelten Arbeitsplatz bzw. in späten Abendstunden ohne weitere Lichtquellen untersucht werden. Hierzu wird der Bereich des Monitors aus der Aufnahme, wie in Abb. 13 dargestellt, herausgelöst und ausgewertet.

Abb. 13: Beispiel einer Monitor-Maskierung der LMK-Aufnahme. Nur der innere Bereich der roten Maskierung wird für die Datenauswertung herangezogen. TU Darmstadt

Anhand der Ergebnisse, welche Tabelle 7 zu entnehmen sind, ist zu erkennen, dass im Schnitt eine Beleuchtungsstärke von 60 lx durch den Hauptmonitor am Auge anliegt. Der Mittelwert der berechneten CS-Werte liegt im Schnitt bei CS = 0,1, was einer Melatonin-Suppression von etwa 10 % in den abendlichen Stunden gleichkommt. Dieser Wert stellt genau die Grenze (CS = 0,1) dar, ab der von einer biologischer Lichtwirkung gesprochen wird [7]. Wesentlich beeinflusst werden die ermittelten Werte von der Helligkeit, den durchschnittlich dargestellten Farben sowie dem Abstand des Monitors zum Messkörper bzw. dem Betrachter. Auffällig an Tabelle 7 ist der Unterschied des CS-Werts an Arbeitsplatz 9 verglichen mit den anderen Arbeitsplätzen. Der vergleichsweise geringe CS-Wert wird hierbei durch den reduzierten Blauanteil im Spektrum des schon in Abschnitt 4.2 angesprochenen blaulichtgefilterten Monitors hervorgerufen.

Arbeitsplatz (Messhöhe hmess in cm)

Beleuchtungsstärke Emon in lx

CS-Wert CSmon

Platz 1 (120)

62,7

0,117

Platz 2 (120)

86,9

0,14

Platz 3 (120)

56,4

0,09

Platz 4 (120)

67,1

0,119

Platz 5 (120)

49,6

0,092

Platz 6 (120)

62,8

0,115

Platz 7 (120)

73,5

0,131

Platz 8 (120)

35,8

0,073

Platz 9 (120)

43,4

0,022

Durchschnitt

59,8

0,1

SD

14,7

0,034

5 Zusammenfassung

Dieser Beitrag befasst sich mit der Messung des Lichteinflusses am Arbeitsplatz, wofür verschiedene Büroarbeitsplätze hinsichtlich der biologischen Lichtwirkung untersucht werden. Dazu wird eine neue Auswertungsmethodik entwickelt und validiert, die mithilfe einer Leuchtdichtekamera und entsprechenden Filtern eine ortsaufgelöste Näherung des CS-Wertes ermöglicht. Durch die ortsaufgelösten Messwerte können beliebige Sichtfelder ausgewertet werden. Die statische Auswertung der biologischen Lichtwirkung wird dadurch validiert, indem die Messwerte des integralen (gesamter Halbraum) Spektroradiometers mit den errechneten Werten verglichen werden. Der Vergleich zeigt gute Ergebnisse, sodass im zweiten Teil die Berechnung unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtsfelder bzw. relevanter Bereiche erweitert werden kann. Darüber hinaus werden unterschiedliche Neigungswinkel und Messhöhen der Messgeräte evaluiert. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Ausrichtung, Messanordnung sowie das Messfeld einen entscheidenden Einfluss auf die errechnete Metrik haben. Die Auswertung der verschiedenen Gesichtsfelder zeigt, dass die biologische Lichtwirkung bei Verwendung des CIE-Gesichtsfelds verglichen mit der Halbraummessung durchschnittlich um CS = 0,1 geringer ist. Eine Neigung des Betrachtungswinkels nach unten führt zu einer Verringerung der statisch, vertikal berechneten Werte.

6 Literaturverzeichnis

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[2] Rea M. S., Figueiro M. G.: »Light as a circadian stimulus for architectural lighting«, Lighting Res. Technol. 2016, 0: 1 – 14

[3] Christoph Schierz. Blaulichtschädigung der Augen-Netzhaut – Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse. In: (2018). URL: https : / /www .tu-ilmenau.de/fileadmin/public/lichttechnik/ Publikationen/2018/LICHT2018_Schierz_Christoph_Langfassung.pdf.

[4] Commission Internationale de L‘Eclairage, Hrsg. CIE S 026:2018: CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light. 2018. DOI: 10.25039/S026.2018.

[5] Kai Broszio, Martine Knoop, Mathias Niedling und Stephan Völker. Effective radiant flux for nonimage forming effects – is the illuminance and the melanopic irradiance at the eye really the right measure? In: Light and Engineering Vol. 26, No.2, S.68–74; ISSN 0236-2945 (2018).

[6] Kai Broszio, Mathias Niedling, Martine Knoop und Stephan Völker. Nicht-visuelle Beleuchtung: Reichen integrale Messgrößen aus? Lux Junior, 2017. DOI: 10.14279/DEPOSITONCE-7151.

[7] Mariana G. Figueiro, Bryan Steverson, Judith Heerwagen, Kevin Kampschroer, Claudia M. Hunter, Kassandra Gonzales, Barbara Plitnick und Mark S. Rea. The impact of daytime light exposures on sleep and mood in office workers. In: Sleep health 3.3 (2017), S. 204–215. DOI: 10.1016/j.sleh. 2017.03.005.

Weitere Informationen:

Autoren: M.Sc. Julian Kunkel, M.Sc. Sebastian Beck, Dr-Ing. Sebastian Babilon, Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh, Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet für Lichttechnik

Abbildungen: TU Darmstadt

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 9 | 2020

Erschienen am 25. November 2020