Wissenschaft & Forschung
Licht 8 | 2021

Situationsabhängige Optimierung der Lichtstärkeverteilung

Nutzerorientierte Beleuchtungsgestaltung für Büroanwendungen

Die richtige Beleuchtung spielt in Büroumgebungen eine immer größere Rolle. Welche Auswirkungen räumlich variable, ungleichmäßige Lichtverteilungen auf die Beleuchtungspräferenzen des Menschen bei der Erfüllung bestimmter Aufgaben haben, während die übrige Raumlichtverteilung konstant bleibt, wurde in zwei unabhängigen Experimenten unter Laborbedingungen untersucht. Langfristig sollen mit solchen Untersuchungen optimale Leuchtdichteverteilungen für die dynamische, nutzerorientierte Beleuchtungsgestaltung für Anwendungen im Bürokontext definiert werden. Der vorliegende Beitrag wurde für die Tagung LICHT2021 eingereicht, die vom 21. bis zum 24. März 2021 online stattfand, und wird mit Zustimmung der LiTG abgedruckt.

Lesezeit: ca. 21 Minuten

1 Einleitung

Unter ergonomischen Gesichtspunkten ist eine auf die Bedürfnisse des Nutzenden abgestimmte Beleuchtung ein wesentlicher Bestandteil moderner Büroumgebungen und kann zu einer nachhaltigen Steigerung der individuellen Zufriedenheit und Leistungsfähigkeit beitragen [1-3]. In diesem Kontext lässt sich Beleuchtungsqualität als Grad der Anpassung der visuellen Bedingungen an diese Bedürfnisse auffassen, d. h. je unterstützender die beleuchtete Umgebung durch das Individuum für die Bewältigung einer bestimmten Aufgabe wahrgenommen wird, desto höher ist die jeweilige Bewertung der Beleuchtungsqualität [4].

Dieses kognitiv und emotional hervorgerufene Gefühl der visuellen Unterstützung durch die aktuellen Beleuchtungsbedingungen wird durch verschiedene äußere und benutzerspezifische Faktoren beeinflusst, siehe z. B. Khanh et al. [5] für einen umfassenden Überblick. Aus lichttechnischer Sicht sind nur drei dieser Faktoren auf die Beleuchtungsanlage selbst bezogen und können daher explizit manipuliert werden, um die wahrgenommenen Lichtbedingungen dynamisch an die aufgabenabhängigen Bedürfnisse des Nutzers anzupassen:

  1. die Lichtstärke, die eng mit den Wahrnehmungsattributen der Helligkeit [6, 7] sowie der visuellen Klarheit [8-10] korreliert;
  2. die spektrale Strahlungsverteilung, die den Weißpunkt [11] und die ähnlichste Farbtemperatur [12, 13] (CCT) der Raumbeleuchtung sowie die wahrgenommene Farberscheinung der Objekte im Raum [14, 15] bestimmt;
  3. die räumliche Lichtverteilung [16-23].

In den letzten Jahren sind Leuchten und Beleuchtungslösungen auf den Markt gekommen, die nicht nur eine gewisse Anpassungsfähigkeit hinsichtlich der richtigen Einstellung auf die gewünschten Werte der Lichtstärke und der spektralen Zusammensetzung aufweisen, sondern auch eine benutzergesteuerte Richtungsvariation ihrer Lichtstärkeverteilungen ermöglichen. Diese Systeme bieten eine vollkommen neue Dimension der Komplexität und Freiheit in der dynamischen Lichtplanung. Bisherige Studien zur Wirkung von Änderungen der räumlichen Lichtverteilung auf die Raumwahrnehmung, den Komfort, die Präferenz, die Gesundheit, das Wohlbefinden oder die kognitive Leistungsfähigkeit im Bürokontext konzentrierten sich entweder auf Experimente, die systematisch das Verhältnis von Direkt- zu Indirektanteil von abgehängten Leuchten variierten [17, 20, 21] oder sie untersuchten die potenziellen Vorteile im Zusammenhang mit der Installation zusätzlicher statischer Leuchten, wie Wandleuchten, Wandfluter, Deckenfluter oder Strahler, die ein variable und attraktivere Leuchtdichteverteilung im Raum ermöglichten [16, 18, 19, 22, 23].

Keiner dieser Studien standen jedoch bisher Leuchten zur Verfügung, die eine dynamische, nutzungsspezifische und aufgabenbezogene Optimierung ihrer individuellen Lichtstärkeverteilungen im Hinblick auf die Bedürfnisse des Nutzenden ermöglichen. In zwei unabhängigen Experimenten wird daher in dieser Arbeit untersucht, wie sich richtungsabhängige Variationen der räumlichen Lichtverteilung auf der Nutzebene auf die Erledigung einer bestimmten Aufgabe auswirken, während die übrige Raumlichtverteilung konstant gehalten wird. Langfristiges Ziel ist es, basierend auf solchen Untersuchungen optimale Leuchtdichteverteilungen für die dynamische, nutzerorientierte Beleuchtungsgestaltung für Anwendungen im Bürokontext zu definieren [24].

2 Studienkonzept

2.1 Experiment 1

Für das erste Experiment wurde ein klimatisiertes, weiß gestrichenes Modellbüro (2,40 m x 3,10 m x 2,55 m) mit einem einzelnen weißen Bürotisch (1,20 m x 0,60 m x 0,76 m) ausgestattet und als typischer Bildschirmarbeitsplatz eingerichtet. Der Einfall von natürlichem Tageslicht wurde durch entsprechende Verdunklung unterbunden. Als Testlichtquelle diente eine multidirektionale Prototypleuchte [25] der Firma Luke Roberts, die zentriert oberhalb des Bürotisches in einem Abstand von 70 cm aufgehängt wurde. Abb. 1 zeigt Details des Versuchsaufbaus. Bild (a) zeigt die Einrichtung der Versuchsumgebung als typischer Bildschirmarbeitsplatz. In Bild (b) ist eine von der Decke abgehängte und auf die Mitte des Bürotisches ausgerichtete Testleuchte zu sehen. Die einzelnen LED-Segmente, sowohl im Up- als auch im Downlight, sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Temporär auf der Oberfläche des Bürotisches angebrachte blaue Punkte markieren das Messraster für die Charakterisierung der unterschiedlichen Beleuchtungssituationen und wurden vor Beginn der eigentlichen Untersuchung wieder entfernt. In Bild (c) ist das Kamerasystem zur Erfassung der Position der Arbeitsleistung der einzelnen Probanden zu sehen. Das System ist so installiert und eingestellt, dass es die gesamte Oberfläche des Bürotisches erfasst, ohne die Lichtverteilung im Raum oder die Sicht der Probanden zu beeinträchtigen.

Abb. 1: Darstellungen des experimentellen Aufbaus von Experiment 1. Technische Universität Darmstadt
Technische Universität Darmstadt
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Für die Durchführung der Versuche wurde sowohl das Up- als auch Downlight der Testleuchte auf 4.000 K eingestellt. Das bei Maximalstrom betriebene Uplight sorgt dabei für eine dezente, indirekte Grundbeleuchtung. Der periphere Helligkeitseindruck wurde daher zusätzlich mit Hilfe von vier 4.000 K Einbauleuchtstofflampen erweitert, indem diese hinter der am Bürotisch sitzenden Person in die Decke installiert und so gedimmt wurden, dass an allen vier Wänden eine annähernd gleiche Beleuchtungsstärke (~80 lx vertikal) und Helligkeitswahrnehmung erreicht werden konnte. Ausgehend von dieser Ausgangsbeleuchtung wurden drei verschiedene Beleuchtungseinstellungen für das Downlight definiert: i) homogene (Referenz-)Beleuchtung des Bürotisches, ii) Beleuchtungsspot links und iii) Beleuchtungsspot rechts (Abb. 2).

Abb. 2: Leuchtdichteverteilungen der drei verschiedenen Beleuchtungssituationen für Experiment 1. Der Helligkeitseindruck des Raumes ist weitestgehend unabhängig von den Downlight-Einstellungen. Es wurden folgende Einstellungen definiert: (a) Homogene (Referenz-)Beleuchtung, (b) Beleuchtungsspot links und (c) Beleuchtungsspot rechts. Eine annähernd gleiche mittlere Beleuchtungsstärke für alle drei Situationen wurde sichergestellt. Technische Universität Darmstadt
Technische Universität Darmstadt
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Die Charakterisierung der verschiedenen Beleuchtungssituationen erfolgte anhand eines wohldefinierten Messrasters (siehe Abb. 1 (b); der Abstand zwischen zwei Messpunkten betrug 20 cm, während für den Abstand zwischen den äußersten Punkten und den Tischkanten 10 cm gewählt wurde) unter Verwendung von zwei kalibrierten Gigahertz-Optik HCT-99D Photometern und einem kalibrierten Gigahertz-Optik X11 Optometer mit vier Messköpfen. Um zu verhindern, dass eine Situation nur aufgrund unterschiedlicher Gesamtbeleuchtungsstärken auf dem Bürotisch gegenüber einer anderen bevorzugt wird, wurden die emittierten Downlight-Intensitäten für die drei Beleuchtungsbedingungen entsprechend angepasst. Ziel war es, die gemessenen durchschnittlichen Beleuchtungsstärkenunterschiede auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Durch ein iteratives Vorgehen wurde schließlich eine optimale Einstellkonstellation gefunden. Die gemittelte durchschnittliche Beleuchtungsstärke der drei Beleuchtungszustände betrug (305±3) lx. Die entsprechenden Gleichmäßigkeiten wurden anschließend nach DIN EN 12464-1 mit der Formel

Gl. (1)

berechnet, wobei Emin das Minimum und E die mittlere gemessene Beleuchtungsstärke einer jeden Beleuchtungssituation bezeichnet. Während für die Referenzbedingung eine Gleichmäßigkeit von 0,79 erreicht werden konnte, war sie für die beiden unterschiedlichen Spotlightsituationen mit Werten von 0,52 (Spot rechts) bzw. 0,53 (Spot links) deutlich reduziert. In Abb. 2 sind die entsprechenden Leuchtdichteverteilungen dargestellt, wie sie mit Hilfe einer TechnoTeam LMK 5-1 color erfasst wurden.

Abb. 3: Versuchsprotokoll von Experiment 1 zur Beurteilung der drei unterschiedlichen Beleuchtungsszenarien. Technische Universität Darmstadt

Für das erste Experiment wurde ein Within-Subjects-Studiendesign mit der Beleuchtungsbedingung als unabhängige Variable gewählt. Die Frage, die in diesem Zusammenhang betrachtet werden sollte, war, ob die lokalen, sich auf die Nutzungsebene beschränkenden Beleuchtungsstärkeschwankungen von den Studienteilnehmenden wahrgenommen und, falls ja, ob diese Schwankungen als störend empfunden wurden. Zu diesem Zweck wurde das in Abb. 3 dargestellte Versuchsprotokoll verwendet. Bei Ankunft wurden die Probanden in einen weiß gestrichenen Vorraum (3,00 m x 3,10 m x 2,55 m) geführt, welcher mit vier der gleichen 4.000 K Einbauleuchtstofflampen beleuchtet wurde, die auch im angrenzenden Musterbüro zum Einsatz kamen. In der Mitte des Raumes war ein einzelner weißer Bürotisch (1,60 m x 0,80 m x 0,78 m) positioniert, an dem die Studienteilnehmenden Platz nehmen sollten. Boden und Decke waren von der gleichen Art wie im Musterbüro. Auch hier wurde der Einfall natürlichen Tageslichts durch geeignete Verdunklung unterbunden. Die auf der Schreibtischoberfläche gemessene horizontale Beleuchtungsstärke wurde ebenfalls auf 305 lx eingestellt. Während einer 5-minütigen Adaptationszeit wurde jeder Teilnehmende gebeten, einen kurzen Fragebogen zu Alter, Geschlecht und Händigkeit auszufüllen sowie sein subjektives Schläfrigkeitsniveau auf der Karolinska-Schläfrigkeitsskala [26] (KSS) zu bewerten. Anschließend wurde den Teilnehmenden ein erster standardisierter C-Test [27] ausgehändigt. Je nach Präferenz konnten sie zwischen Versionen in deutscher oder englischer Sprache wählen. Nachdem sie den C-Test-Bogen erhalten hatten, wurden sie gebeten, das angrenzende Modellbüro selbständig zu betreten, am Schreibtisch Platz zu nehmen und unmittelbar mit der Bearbeitung des Tests bei gegebener Lichteinstellung zu beginnen. Die Position des Testbogens auf der Arbeitsebene wurde dabei kontinuierlich mit dem in Abb. 1(c) gezeigten Kamerasystem erfasst.

Nach Beendigung des C-Tests, wurde die Videoaufzeichnung gestoppt und die Teilnehmenden mussten zwei weitere Fragebögen ausfüllen. Zum einen den NASA Task Load Index [28] (NASA-TLX) Fragebogen, der die wahrgenommene Arbeitsbelastung erfasst, zum anderen eine angepasste Version des multidimensionalen Fragebogens, der vom Expertenforum Innenbeleuchtung [29] (EFI) entwickelt wurde, um die wahrgenommene Beleuchtungssituation qualitativ zu bewerten. Dabei wurden aus dem ursprünglichen EFI-Fragebogen nur diejenigen Fragen übernommen, die einem der folgenden Aspekte entsprachen: i) Raum- und Helligkeitsempfinden; ii) Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung; iii) mögliche Blendung; iv) Gesamtzufriedenheit mit der Beleuchtungssituation.

Nach Abschluss aller Tests und Fragebögen der ersten Runde wurden die Teilnehmer gebeten, das Modellbüro zu verlassen und zurück in den Vorraum zu gehen, wo sie mit Hilfe des Ishihara-Tests [30] sowie den Standard Pseudoisochromatic Plates Part II for Acquired Color Vision Defects nach Ichikawa et al. [31] auf Farbfehlsichtigkeit getestet wurden. In der Zwischenzeit wurde die Beleuchtungssituation im Modellbüro auf die nächste Einstellung umgestellt. Dieser Wechsel zwischen den Beleuchtungssituationen fand also unbemerkt von den Studienteilnehmenden statt.

Das Testverfahren des ersten Durchgangs wurde für den zweiten und dritten Durchgang wiederholt, mit dem Unterschied, dass am Ende des zweiten Durchgangs ein Farnsworth-Munsell D-15 Test [32] zur Überprüfung von Farbfehlsichtigkeiten verwendet wurde, während der dritte Durchgang mit einer zweiten KSS-Bewertung abschloss, die gleichzeitig das Ende von Experiment 1 markierte. Um das Ergebnis der Studie nicht durch eine feste Reihenfolge der verschiedenen Beleuchtungsszenarien zu beeinflussen, wurden diese jedem Teilnehmenden vollständig randomisiert präsentiert.

2.2 Experiment 2

Das zweite Experiment wurde im Vorraum des ersten Experiments durchgeführt. Die Leuchtstofflampen wurden durch einen eigens angefertigten Leuchtenprototyp ersetzt, der aus zwei Eurolite LED PIX-12 HCL-Lichtleisten bestand, die mit Hilfe einer speziell entwickelten Rahmenkonstruktion verbunden waren. Eine einzelne Lichtleiste war genau 1,00 m lang und enthielt 12 einzeln adressierbare, äquidistante Mehrkanal-LED-Spots, die insgesamt sechs verschiedene Kanäle (rot, grün, blau, Amber, kaltweiß und violett) umfassten. Um die einzelnen LED-Spots vor dem Betrachter zu verbergen und eine etwas gleichmäßigere Gesamtlichtverteilung zu erzeugen, wurde eine satinierte PMMA-Streuscheibe zur Abdeckung der beiden Lichtleisten verwendet.

Abb. 4: Versuchsaufbau des zweiten Experiments. (a) Mit Hilfe eines Xbox 360-Controllers konnten die Versuchsteilnehmenden die lokale Dimmung der Beleuchtung auf der Nutzebene entsprechend ihrer Präferenz für die Aufgabenerfüllung einstellen. (b) Referenzbedingung der homogenen Schreibtischbeleuchtung. Die Position des Aufgabenblattes auf dem Tisch war für jeden Teilnehmenden durch zufällige Auswahl einer der beiden gezeigten festen Positionierungsmöglichkeiten vorgegeben. Technische Universität Darmstadt
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Der Leuchtenprototyp wurde anschließend von der Decke abgehängt und auf die Mitte des Bürotisches ausgerichtet. Der Abstand zwischen der Arbeitsebene des Bürotisches und der Lichtaustrittsfläche der Leuchte betrug 1,40 m. Trotz der Verwendung einer Streuscheibe konnten bei diesem Abstand störende Farbsäume aufgrund der Mehrkanaligkeit der einzelnen LED-Spots bei gleichzeitiger Ansteuerung verschiedener Kanäle wahrgenommen werden. Für die Durchführung des Versuchs beschränkte sich die LED-Steuerung daher auf die Einstellung der Lichtmenge des kaltweißen Kanals, der bei 5.600 K einen CRI-Wert von 87 aufwies. Ähnlich wie bei den Versuchsbedingungen von Experiment 1 wurde eine zusätzliche Lichtquelle mit der gleichen CCT (ARRI SkyPanel S60-C) verwendet, um die lokale Beleuchtung des Bürotisches durch weiteres Umgebungslicht zu ergänzen und so einen ansprechenderen Helligkeitseindruck des Raumes zu erzeugen. Dies wurde erreicht, indem die Lichtaustrittsfläche der Leuchte auf die weiße, gegenüberliegende Wand gerichtet wurde, was somit die Leuchtdichteverteilung im peripheren Sichtfeld der Versuchsteilnehmenden bestimmte. Abb. 4 zeigt den allgemeinen Aufbau und die entsprechende Leuchtdichteverteilung für den Fall, dass alle LED-Spots der Testleuchte mit 35 % ihres maximalen PWM-Wertes angesteuert wurden.

Insgesamt wurden 16 verschiedene Beleuchtungseinstellungen definiert. Zusätzlich zu der in Abb. 4(b) dargestellten Referenzbedingung einer homogenen Schreibtischbeleuchtung wurde, wie in Abb. 4(a) dargestellt, eine gerichtete Beleuchtung, die die Beleuchtungsstärke auf dem Bürotisch lokal erhöht, durch sequentielles Ein- und Ausschalten von aufeinanderfolgenden LED-Strahlerpaaren erzeugt. Auf diese Weise war es den Teilnehmenden möglich, mit Hilfe der oberen Schultertasten eines Xbox 360 Controllers einen wahrnehmbaren Beleuchtungsspot von der linken Seite des Schreibtisches zur rechten Seite stufenlos zu verschieben. Die Lichtmenge der Testleuchte wurde jeweils so eingestellt, dass für alle Beleuchtungseinstellungen eine mittlere Beleuchtungsstärke von 650 lx erreicht wurde. Dieses Beleuchtungsstärkeniveau wurde gewählt, um den Helligkeitseindruck zwischen der Oberfläche des Bürotisches und der gegenüberliegenden Wand für ein ansprechendes Raumbild aufeinander abzustimmen. Die für die Nutzebene ermittelte Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke lag in der Größenordnung von etwa 0,74 für die homogene Referenz und 0,53 für die gerichteten Beleuchtungseinstellungen. Die Charakterisierung erfolgte analog zu Versuch 1.

Abb. 5: Testprotokoll für Experiment 2. Technische Universität Darmstadt

Für das zweite Experiment wurde ein Between-Subjects-Studiendesign basierend auf kategorialen Daten gewählt. Das entsprechende Versuchsprotokoll ist in Abb. 5 dargestellt. Nach der Ankunft wurden die Teilnehmenden in den Versuchsraum geführt und aufgefordert, sich an den Bürotisch zu setzen, wobei die Beleuchtung auf die Referenzbedingung eingestellt war. Bevor mit dem eigentlichen Experiment begonnen werden konnte, sollten die Teilnehmenden zunächst 5 min adaptieren. Während dieser Adaptationsphase wurden sie auf Farbfehlsichtigkeit überprüft und, analog zu Versuch 1, Alter, Geschlecht und Händigkeit erfasst. Anschließend erfolgte eine kurze Einführung durch den Versuchsleitenden, in der das Testprotokoll sowie die Verwendung des Controllers zur Einstellung der Lichtverteilung auf der Nutzebene erläutert wurden. Nach einer kurzen Trainingsphase, in der den Teilnehmenden alle 16 Beleuchtungseinstellungen gezeigt wurden, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie diese ihre visuelle Wahrnehmung im Verhältnis zur homogenen Referenz beeinflussten, begann die eigentliche Versuchsdurchführung.

In zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen wurden die Teilnehmenden gebeten, die lokale Dimmung der (gerichteten) Beleuchtung auf der Nutzebene entsprechend ihren Bedürfnissen so einzustellen, dass das Lösen einer vorgegebenen Aufgabe optimale visuelle Unterstützung erhält. Die gestellte Aufgabe bestand darin, kleine Unterschiede zwischen zwei nahezu identischen, auf einem Blatt Papier gedruckten Bildern zu erkennen und zu markieren. Die Position des Blattes und damit der Ort der Aufgabenstellung wurde für jeden einzelnen Teilnehmenden durch die zufällige Auswahl einer von zwei verschiedenen festen Positionierungsmöglichkeiten vorgegeben, von denen sich eine auf der linken und die andere auf der rechten Seite des Tisches befand, vgl. Abb. 4(a) und (b). Die Teilnehmenden wurden explizit angewiesen, das Blatt an seinem Platz zu belassen und es nicht zu bewegen. Stattdessen sollten sie die Beleuchtungsbedingung für eine subjektiv wahrgenommene optimale visuelle Unterstützung an dieser fest vorgegebenen Position einstellen. Sobald die Teilnehmenden mit ihrer Einstellung zufrieden waren, konnten sie dies durch zweimaliges Drücken der »A«-Taste bestätigen, was unmittelbar eine akustische Aufforderung zum Start der Aufgabenbearbeitung auslöste. Insgesamt hatten sie dann drei Minuten Zeit, um möglichst viele Unterschiede in den Bildinhalten zu finden.

Im Anschluss wurden die Teilnehmenden angewiesen, das Aufgabenblatt zu ihrer Linken auf einem separaten Beistelltisch abzulegen und durch den EFI-Fragebogen zur qualitativen Beurteilung der aktuellen Beleuchtungssituation zu ersetzen. Der ausgefüllte Fragebogen sollte dann ebenfalls auf dem Beistelltisch abgelegt werden, was gleichzeitig das Ende des ersten Durchlaufs markierte. Für den zweiten Durchgang erhielten die Teilnehmenden ein neues Aufgabenblatt mit neuen Bildinhalten, welches an exakt der gleichen Stelle wie das erste Aufgabenblatt platziert werden sollte. Im Gegensatz zum ersten Durchlauf, bei dem der Ausgangspunkt immer die homogene Referenz war, baute der zweite Durchgang auf der vorherigen Einstellung der Teilnehmenden auf. Dies ermöglichte eine zusätzliche Verfeinerung der Einstellung für den Fall, dass die Teilnehmenden mit dem in der ersten Runde der Aufgabenbearbeitung gewonnenen Eindruck des Beleuchtungszustands nicht hundertprozentig zufrieden waren. Abgesehen davon war das Testprotokoll des zweiten Durchgangs identisch mit dem des ersten.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Ergebnisse zu Experiment 1

Insgesamt nahmen 30 Studierende, 19 männliche und 11 weibliche, am ersten Experiment teil. Drei dieser Teilnehmenden waren Linkshänder*innen, der Rest Rechtshänder*innen. Das Durchschnittsalter ± Standardabweichung betrug 22,8 ± 2,6 Jahre.

Abb. 6: Relative Positionshäufigkeit des Testbogenmittelpunkts in x-Richtung über alle Versuchsteilnehmenden. Niedrigere Pixelwerte zeigen eine Tendenz nach links, höhere Pixelwerte nach rechts. Die Ergebnisse für die homogene Referenzbedingung (rot) werden mit den Ergebnissen der beiden gerichteten Testbedingungen, d.h. mit Beleuchtungsspot links (grün) bzw. rechts (blau) auf der Nutzebene, verglichen. Technische Universität Darmstadt

Die Teilnehmenden wurden nicht über den wahren Zweck der Studie informiert. Stattdessen wurde ihnen suggeriert, die Studie hätte der Untersuchung der wahrgenommenen Arbeitsbelastung in Abhängigkeit der durch die Raumklimaregelung bedingten Luftqualität gedient. Aus diesem Grund wurde der NASA-TLX auch lediglich zum Zwecke der Verschleierung in das Testprotokoll aufgenommen und im Anschluss bei der Datenanalyse nicht weiter berücksichtigt. Des Weiteren war das Abschneiden der Probanden in den C-Tests für die Analyse nicht von Interesse (insbesondere, da diese Art von Tests nicht geeignet ist, die Arbeitsproduktivität im Zusammenhang mit Beleuchtungsfragestellungen zu beurteilen, da sie ausschließlich zur Messung der sprachlichen Fähigkeiten einer Testperson gedacht sind). Dennoch wurde diese Form des Tests verwendet, um eine klar definierte Aufgabe festzulegen, die es unter den verschiedenen Beleuchtungsbedingungen zu erfüllen galt. Um während der Testbearbeitung die bevorzugte Arbeitsposition der Probanden zu ermitteln, wurde eine auf den Videoaufnahmen des Testblattes basierende Eckendetektionsmethode [33] implementiert, die wiederum den Harris-Stephens-Algorithmus [33] verwendete. Für jede Beleuchtungssituation wurde Bild für Bild gezählt, wie oft das Testblatt in einer bestimmten Position verharrte. Aufgrund der variablen Zeit, die jeder Teilnehmende für die Durchführung des C-Tests benötigte, und einer konstanten Bildrate der Videoaufzeichnung, war eine Normalisierung erforderlich, um die Daten zusammenzuführen. Für jeden Teilnehmenden und jede Beleuchtungssituation wurde daher die relative Positionshäufigkeit definiert als die Anzahl der Frames, die das Testblatt in einer bestimmten Position verblieb, geteilt durch die entsprechende Gesamtzahl an Frames.

Abb. 6 zeigt schließlich die resultierenden Häufigkeitsverteilungen der drei verschiedenen Testbedingungen, wie sie sich aus der Zusammenführung der Daten aller Teilnehmenden ergeben. Aufgrund der experimentellen Voraussetzungen waren Effekte hinsichtlich der bevorzugten Arbeitsposition der Versuchsteilnehmenden durch die unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen nur entlang der Nutzungsebene (in x-Richtung) zu erwarten, so dass die Datenanalyse entsprechend vereinfacht werden konnte. Basierend auf den aus den Videoaufzeichnungen extrahierten, relativen Positionshäufigkeiten wurde anschließend für jeden Teilnehmenden und jede Beleuchtungsbedingung eine gewichtete durchschnittliche Pixelposition errechnet. Abb. 7 fasst diese Ergebnisse zusammen und geht dabei auf potenzielle Wechselwirkungen zwischen Lichtbedingung und Geschlecht sowie zwischen Lichtbedingung und Händigkeit ein.

Abb. 7: Boxplots zum Vergleich der gewichteten durchschnittlichen Pixelpositionen der einzelnen Teilnehmenden für die drei verschiedenen Beleuchtungsbedingungen. Kleinere (größere) Werte auf der Ordinate zeigen an, dass sich die bevorzugte Position der Teilnehmenden für die Aufgabenbearbeitung zur linken (rechten) Seite der Nutzebene verschiebt. Dabei konnten jedoch keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden, weder für den Haupteffekt der Beleuchtungsbedingung noch hinsichtlich der Gruppierungsvariablen »Geschlecht« (Plot links) und »Händigkeit« (Plot rechts). Technische Universität Darmstadt

Für die statistische Analyse wurde ein linearer Mixed-Effects-Modell (LMM) Ansatz gewählt, bei dem die Versuchsperson als Zufallsfaktor und »Beleuchtungsbedingung«, »Händigkeit« und »Geschlecht« als feste Faktoren betrachten wurden. Die Analyse ergab keinen signifikanten Haupteffekt der Beleuchtungsbedingung (χ2 (2) = 3.33, p = 0.189) auf den von den Teilnehmenden bevorzugten Arbeitsort beschrieben durch die durchschnittliche Pixelposition des Testblattes auf der Nutzebene. Darüber hinaus gab es keinen nennenswerten Unterschied in den Pixelpositionen zwischen Links- und Rechtshändern (χ2 (1) = 2.50, p = 0.114) sowie zwischen weiblichen und männlichen Teilnehmenden (χ2 (1) = 0.28, p = 0.595). Keiner der Interaktionsterme erwies sich als signifikant. So war die gewichtete durchschnittliche Pixelposition über die verschiedenen Beleuchtungsbedingungen hinweg für Links- und Rechtshändige gleich, χ2 (2) = 0.13, p = 0.937, ebenso für Männer und Frauen, χ2 (2) = 0.75, p = 0.688. Des Weiteren unterschied sich die durchschnittliche Pixelposition von Links- und Rechtshändigen nicht, unabhängig von ihrem Geschlecht, χ2 (1) = 0.50, p = 0.478.

Hinsichtlich der Bewertung der vom Nutzer wahrgenommenen Beleuchtungsqualität unterschieden sich die EFI-Bewertungen der Teilnehmenden zwischen den drei verschiedenen Beleuchtungssituationen für keines der betrachteten Items signifikant. Auch hier wurden keine signifikanten Effekte der Händigkeit oder des Geschlechts festgestellt. Daraus lässt sich schließen, dass trotz einer gewissen Inhomogenität beide gerichteten Beleuchtungssituationen in Bezug auf Raum- und Helligkeitswahrnehmung, Lichtverteilung, Blendung und Nutzerzufriedenheit im Vergleich zur homogen beleuchteten Referenz mindestens gleich gut über alle Probanden hinweg bewertet werden.

Bei näherer Betrachtung zeigt die gerichtete Beleuchtung im Durchschnitt sogar leicht bessere Werte auf einigen der EFI-(Teil-)Skalen. So wurde beispielsweise der Raum um 0,3 Punkte schöner, um 0,2 Punkte weniger beengt, um 0,13 Punkte interessanter und um 0,25 Punkte aktivierender wahrgenommen als unter der Referenzbedingung. Gleiches gilt für die Bewertungen der Teilnehmenden zu ihrer Gesamtzufriedenheit mit der aktuellen Lichtsituation. Im Durchschnitt waren sie mit der gerichteten Beleuchtung auf der Nutzebene um 0,4 Punkte zufriedener als mit einer homogenen Ausleuchtung. Darüber hinaus zeigten sie für beide Testbeleuchtungssituationen eine um 0,23 Punkte erhöhte Zufriedenheit mit den allgemeinen Raumlichtbedingungen im Vergleich zur homogenen Referenz.

Hinsichtlich des subjektiven Helligkeitsempfindens der Versuchspersonen waren die Bewertungen für die Beurteilung des Arbeitsplatzes und der Wände bei den verschiedenen Beleuchtungssituationen in etwa gleich. In allen Fällen waren die durchschnittlichen Differenzen der entsprechenden Skalenmittelwerte zwischen den beiden gerichteten Beleuchtungen und der Referenzbeleuchtung kleiner als 0,1 Punkte und damit vernachlässigbar. Hinsichtlich des Gesamtraumeindrucks konnten dagegen etwas größere Abweichungen zwischen den einzelnen Beleuchtungssituationen beobachtet werden. Hier forderten die Teilnehmenden für die homogene Referenz eine stärkere Erhöhung der Helligkeit als für die beiden gerichteten Beleuchtungsbedingungen mit einer durchschnittlichen Abweichung von 0,25 Punkten auf der jeweiligen Bewertungsskala.

Sowohl der Arbeitsplatz als auch die Lichtverteilung im Raum wurden für die Referenzbedingung im Gegensatz zu den beiden gerichteten Lichteinstellungen erwartungsgemäß als gleichmäßiger empfunden. Im Mittel wurden dabei Arbeitsplatz und Raum bei homogener Beleuchtung um 0,47 bzw. 0,22 Punkte gleichmäßiger bewertet. In beiden Fällen war jedoch der Unterschied in der Forderung der Teilnehmenden nach mehr Gleichmäßigkeit zwischen den verschiedenen Beleuchtungssituationen vernachlässigbar gering. Zudem war der Ausschlag in die eine oder andere Extremrichtung auf den jeweiligen Bewertungsskalen bei allen drei Beleuchtungseinstellungen nur wenig ausgeprägt. Dies deutet grundsätzlich darauf hin, dass sich die Versuchspersonen im Vergleich zur Referenzbedingung im Durchschnitt nicht durch die in den beiden Testbedingungen zusätzlich vorhandene Inhomogenität gestört fühlten. Darüber hinaus wurde von keinem der Versuchsteilnehmenden in irgendeiner Form Blendungsempfinden angemerkt.

Abb. 8: Präferenzverteilung der Beleuchtungseinstellungen für Positionierung des Aufgabenblattes auf der linken (Plot links) bzw. der rechten Seite (Plot rechts) des Tisches. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Position des Aufgabenblattes und der von den Teilnehmenden bevorzugten Beleuchtungseinstellung für die Aufgabenbearbeitung konnte bestätigt werden. Hinweis: »refR« und »refL« stellen Zwischenbedingungen dar, um einen visuell fließenden Übergang zwischen der homogenen Referenz (»ref«) und den deutlich stärker gerichteten Testbedingungen »L04« (Spot ganz links) bis »L16« (Spot ganz rechts) beim Durchschalten der Lichtbedingungen durch die Versuchsteilnehmenden zu gewährleisten. Technische Universität Darmstadt

Die erfassten KSS-Werte der Teilnehmenden lagen immer ≤5 und unterschieden sich nicht signifikant zwischen dem Beginn und Ende des Experiments. Dies bestätigt, dass alle Teilnehmenden während des Versuchs ein hinreichendes Maß an Wachheit aufwiesen und dass die Testzeit kurz genug war, um zu verhindern, dass Ermüdungserscheinungen zu einer Verfälschung der Ergebnisse beigetragen hätten.

3.2 Ergebnisse zu Experiment 2

Für das zweite Experiment wurden Daten von 34 Studierenden, 28 Männern und 6 Frauen, erfasst, die nicht am ersten Experiment teilgenommen hatten. Sieben dieser Probanden waren Linkshänder*innen, 27 Rechtshänder*innen. Das Durchschnittsalter ± Standardabweichung betrug 25,6 ± 6,8 Jahre. Interessant für die Analyse sind hierbei in erster Linie die präferierten Beleuchtungseinstellungen der Teilnehmenden sowie deren entsprechend zugehörige EFI-Bewertungen am Ende des zweiten Durchlaufs, so dass sich im Folgenden auf die Betrachtung dieser Daten beschränkt wird. Auch in diesem Fall stellte die gegebene Aufgabe lediglich einen wohldefinierten Rahmen für die Beurteilung aufgabenbezogener Benutzerpräferenzen in der Beleuchtungsgestaltung dar. Entsprechende Daten wurden daher für die weitere Analyse ausgeschlossen.

Abb. 8 zeigt die Präferenzverteilung der Teilnehmenden hinsichtlich der jeweiligen Beleuchtungseinstellungen. Es ist zu erkennen, dass je nachdem, ob das Aufgabenblatt auf der linken oder rechten Seite der Nutzebene positioniert war, die Teilnehmenden dazu tendierten, den Beleuchtungsspot der Testleuchte entsprechend nachzuführen. Die Anwendung eines zweiseitigen Unabhängigkeitstests nach Fisher [34] zeigte dementsprechend einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Position des Aufgabenblattes auf dem Tisch und der präferierten Lichteinstellung der Versuchspersonen (p=0,0012). Dieses Ergebnis bestätigt die eingangs formulierte Hypothese, dass für eine optimale visuelle Unterstützung eine gerichtete Lichtsituation mit lokal erhöhten Beleuchtungsstärken im Bereich der Aufgabenausführung gegenüber einer homogenen Referenzbedingung bevorzugt wird. Erneut wurden keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Händigkeit oder das Geschlecht der Versuchsperson festgestellt. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen des ersten Experiments scheinen sich die Teilnehmenden also nicht an den Beleuchtungsinhomogenitäten zu stören, solange durch die vorherrschende Lichtsituation ein allgemeines Gefühl der nutzungs- bzw. aufgabenspezifischen visuellen Unterstützung hervorgerufen wird.

Diese Schlussfolgerung erfährt zusätzliche Unterstützung, wenn die entsprechenden EFI-Bewertungen betrachtet werden. Unabhängig davon, ob sich das Aufgabenblatt auf der linken oder rechten Seite des Tisches befand, lag der durchschnittliche Zufriedenheitswert der Teilnehmenden nach dem zweiten Durchgang sowohl für die Beleuchtung des Bürotisches als auch für die allgemeine Raumbeleuchtung bei 5,45 bzw. 5,33 und damit auf beiden Skalen im Durchschnitt um mehr als 0,5 Punkte höher als für die homogene Referenz im ersten Experiment. Auch in Versuch 2 wurde erneut keinerlei Blendung wahrgenommen sowie die Arbeitsebene, die Wände und der Raum als ausreichend hell empfunden. Darüber hinaus zeigten sich die Teilnehmenden mit den aufgabenbezogenen Beleuchtungsbedingungen insgesamt sehr zufrieden, was insbesondere die Eignung von gerichteter Beleuchtung zur Unterstützung bei der Erfüllung bestimmter Aufgaben im Bürokontext unterstreicht.

4 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden zwei unabhängige Experimente unter Laborbedingungen in zwei verschiedenen Büroumgebungen durchgeführt, um die Auswirkungen räumlich variabler, ungleichmäßiger Lichtverteilungen auf die Beleuchtungspräferenzen der Versuchspersonen bei der Erfüllung einer bestimmten, vorgegebenen Aufgabe zu untersuchen. In beiden Experimenten wurde die allgemeine Lichtverteilung im Raum konstant gehalten und lediglich die Beleuchtungsstärken lokal auf der Nutzebene variiert.

Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die daraus resultierenden Beleuchtungsinhomogenitäten von den Versuchspersonen als kaum störend empfunden wurden und dass eine gerichtete Beleuchtung im Hinblick auf die Erhöhung des Sehkomforts sogar als vorteilhaft empfunden werden kann, sofern sie die Erfüllung der entsprechenden Aufgabe aktiv unterstützt.

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Weitere Informationen:

Autoren: Dr. Sebastian Babilon, Janika Lenz, Sebastian Beck, Paul Myland, Julian Klabes, Stefan Klir, Prof. Tran Quoc Khanh, alle Fachgebiet Lichttechnik, Technische Universität Darmstadt

Abbildungen: TU Darmstadt

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 8 | 2021

Erschienen am 26. Oktober 2021