1 Motivation

Seit der Einführung von LEDs 2008 verbesserte die Leuchtenindustrie deren Effizienz und Produktlebensdauer kontinuierlich. Zusätzlich zu diesen Parametern gewannen in den letzten Jahren die Farbtemperatur und ihre Steuerung (zirkadianes Licht) sowie die Farbwiedergabe zunehmend an Bedeutung. Vollspektrum-LEDs wurden in den Markt eingeführt, um auch in Innenräumen eine Beleuchtung mit der Qualität von Tageslicht zu ermöglichen. Sie bieten eine nahezu vollständige Reproduktion der sichtbaren Wellenlängen des Lichts. Die neuen Lichtquellen befähigen somit die Beleuchtungsindustrie, Tageslichtspektren genauer als bisher zu reproduzieren – zu deutlich geringeren Kosten und mit geringerer Komplexität als in der Vergangenheit. Seit 2018 erweitern Vollspektrum-LEDs, die Produktpalette im LED-Segment mehrerer Hersteller. Ein höherer Farbwiedergabeindex (CRI), aber auch eine bessere Darstellung der Sättigung sowie höhere Wiedergabetreue- und Farbumfangsindizes (Rf, Rg – TM30-15) deuteten darauf hin, dass diese Technologie viele Vorteile bietet. Doch konnte die neue LED-Generation aufgrund höherer Produktionskosten und geringerer Lebensdauer und Effizienz im Vergleich zu Standard-LEDs ihre volle Wirkung auf dem Markt noch nicht entfalten. Schließlich bilden LEDs meist nur einen geringen Anteil am Endpreis der Leuchte, oft weniger als einen Euro. Dies impliziert ein großes Potenzial für eine erhebliche Steigerung der Produktqualität und somit einen Mehrwert für Hersteller und Endverbraucher von Leuchten.

Die positiven Auswirkungen des Sonnenlichts auf den Menschen stehen außer Frage [1], die Bewertung der Auswirkungen der Vollspektrum-LED-Technologie im Spezifischen waren bislang offen. Obwohl das Gebiet der Lichtwahrnehmung im Allgemeinen gründlich erforscht wird, gibt es bisher kaum Grundlagenforschung, die die Auswirkungen von Vollspektrum-LEDs auf den Menschen untersucht. Somit ist eine positive Wirkung auf den Menschen noch nicht wissenschaftlich bewiesen.

Die Studie vom Fraunhofer IBP, in welcher der Einfluss von Vollspektrum-LEDs auf die visuelle Wahrnehmung sowie die Leistungsfähigkeit untersucht wurde, verspricht nun erste Erkenntnisse, um diese Forschungslücke zu füllen. Über 80 Probanden führten in einer büroähnlichen Raumumgebung sowohl kognitive Tests als auch praktische Aufgaben durch und bewerteten ihre Wahrnehmung subjektiv in einer Laborumgebung. Dabei verglichen die Forscher die Wahrnehmung und Auswirkungen von vier verschiedenen LEDs: zwei Vollspektrum-LEDs und zwei Standard-LEDs (CRI 80, 4.000 K (Standard 1) und eine Mischung aus CRI 80, 2.700 K und 6.500 K bei 4.000 K (Standard 2)). Die Beleuchtungsstärke in Tischhöhe betrug durchschnittlich 750 Lux.

2 Vollspektrum-LEDs und Tageslicht

Die spektrale Zusammensetzung des Tageslichts hat die menschliche Wahrnehmung seit Millionen von Jahren geprägt. Vollspektrum-LEDs ahmen dieses Spektrum nach und versuchen dadurch, dem natürlichen Licht ähnliche Effekte zu erzielen. Natürlich ist das Spektrum nur einer der Parameter, die beim Vergleich von Tageslicht mit künstlichen Lichtquellen berücksichtigt werden müssen. Neben den enormen Intensitäten, die das Sonnenlicht bieten kann, müssen auch die Schwankungen der Farbtemperatur im Laufe des Tages und die Schwankungen, die durch Reflexionen und Brechungen von Wolken verursacht werden, berücksichtigt werden (Abb. 1).

Die getesteten LEDs sind in verschiedenen Farbtemperaturen erhältlich, die es grundsätzlich ermöglichen, Anwendungen mit »menschenzentrierter Beleuchtung« (Human Centric Lighting – HCL) oder »Tageslichtnachahmung« (daylight mimicking) zu implementieren.
Breite und Klima (Parameter der Wolkendecke) beeinflussen die Intensität und die spektrale Zusammensetzung im Laufe der Tages- und Jahreszeit, was zu großen Unterschieden in der Tageslichtwahrnehmung auf technischer und kultureller Ebene führt. Im Vergleich dazu sind die oft diskutierten Auswirkungen von Fassadenverglasungen mit Standardfensterglas auf das Spektrum (für Standardfensterglas) nicht von Bedeutung. Die Einführung von Vollspektrum-LEDs ermöglicht es, dem natürlichen Licht in Innenräumen in näher zu kommen.

2.1 Die Testumgebung »HiPIE-Lab«

Das High Performance Indoor Environment (HiPIE) -Lab ist eine innovative und anpassungsfähige Testumgebung auf dem neuesten Stand der Technik für Nutzerstudien am Fraunhofer IBP in Stuttgart (Abb. 2). Das Labor ist als Raum-in-Raum-System von ca. 45 m² gebaut und ermöglicht die Kontrolle von Luftstrom, Temperatur, Akustik, Licht und Luftfeuchtigkeit. Es ist außerdem mit zwei Fenstern, einer künstlichen Sonne, einer flexiblen Lichtdecke und einem modernen 360° -Soundsystem für virtuelle Sound-Szenarien ausgestattet.

2.2 Installation der LEDs und Kalibrierung

Nach Definition des LED-Typs wurden die LED-Platinen gemäß den Spezifikationen entworfen und hergestellt. Ein DMX-System wurde ausgewählt und entwickelt, um eine flexible Echtzeitsteuerung mehrerer Lichtszenen zu ermöglichen. Es bietet auch die Möglichkeit, das komplexe 360° -Audiosystem mit der Lichtsteuerung zu synchronisieren, um zukünftig Untersuchungen auf multimodaler Ebene zu ermöglichen.
Die Decke des Labors besteht aus 81 Lichtpaneelen mit einer Größe von jeweils 600 x 600 mm. Um eine ausreichende Beleuchtungsstärke sicherzustellen, wurden für jeden LED-Typ 16 bis 20 Lichtfelder verwendet (Abb. 3 und 4).

2.3 Kalibrierung

In allen Lichtszenen betrug die Farbtemperatur 4.000 K und die Beleuchtungsstärke 750 Lux (im Mittel), gemessen mit einem Luxmeter PRC Krochmann Radio Lux 111 (Klasse A) nach DIN EN 13032. Die Farbtemperatur und das Spektrum wurden mit einem GL Spectis 1.0 Touch-Spektrometer gemessen. Die Parameter werden für alle vier LED-Bedingungen dargestellt (Abb. 5 bis 8).

3 Studienablauf

Die Probanden wurden einzeln zum Fraunhofer IBP nach Stuttgart eingeladen. Um Datenverzerrungen zu vermeiden, wurde die Studie auf Probanden mit normalem oder auf normales Sehvermögen korrigiertem Sehvermögen beschränkt. Vor den Haupttests wurde das Sehvermögen jedes Probanden mit dem Landolt-Test auf Sehschärfe [2], dem Ishihara-Test auf Farbwahrnehmung [3, 4] und dem SpotChecks-Kontrastempfindlichkeitstest [5] getestet. Die Probanden absolvierten die Sehtests in einem Raum, der gemäß den Standardtestszenarien des jeweiligen Tests beleuchtet wurde. Die Probanden wurden gebeten, falls vorhanden, ihre Brille oder Kontaktlinsen zu tragen.

Der Hauptteil der Studie fand im HiPIE-Lab statt. Eine Testleitung führte die Probanden durch die verschiedenen Aufgaben und erklärte den Ablauf. Die Probanden wurden einzeln getestet und jeder Proband wurde einer der vier LED-Bedingungen zugeordnet (Vollspektrum-LED 1, Vollspektrum-LED 2, Standard-LED 1, Standard-LED 2). Die Probanden wurden den Bedingungen zufällig zugeordnet. Diese Randomisierung war über den Verlauf der Studie bezüglich Tageszeit balanciert. Paper-Pencil-Tests vermieden einen potenziellen Einfluss der Strahlung von Bildschirmen oder Displays auf die visuelle Wahrnehmung.

Zunächst füllten die Probanden einen kurzen Fragebogen zu demografischen Merkmalen und allgemeinen Informationen aus (Geschlecht, Alter, Bildungsniveau, Beruf und allgemeine Verwendung von Bildschirmen) und bewerteten ihren ersten Eindruck in Bezug auf Blendung auf der Blendungsbewertungsskala von de Boer [6]. Als nächstes folgte eine zehnminütige Adaptionsphase an die Lichtverhältnisse. Den Probanden wurden akustisch irrelevante Inhalte dargeboten (Hörbuch) und sie waren angewiesen, ihre Augen offen zu halten

Anschließend wurde den Probanden die Methode der Visuellen Analogskalen (VAS) erklärt. VAS ist eine grafische Bewertungsskala, deren Endpunkte Extremwerte eines bestimmten Merkmals definieren. Die Probanden können ihre aktuelle Wahrnehmung, ihr Gefühl oder ihre Stimmung angeben, indem sie einen dafür repräsentativen Punkt auf der Skala markieren. In dieser Studie war die Skala genau 10 cm lang, sodass die markierten Punkte für die folgenden statistischen Analysen in Zahlen zwischen 1 und 10 umgewandelt wurden. Je höher die Bewertung, desto positiver war die Bewertung des jeweiligen Merkmals. Nach den Anweisungen füllten die Probanden die Karolinska-Schläfrigkeitsskala aus (Testpunkt 1: Prätest), die den Grad der Schläfrigkeit in den letzten zehn Minuten misst [7].

Anschließend führten die Probanden den Aufmerksamkeitstest »Frankfurter Aufmerksamkeits-Inventar 2« (FAIR-2) durch, um zu prüfen, ob sich die Leistung unter den verschiedenen Lichtbedingungen unterschied [8]. Der »FAIR-2« ist ein psychologischer Standardtest in Paper-Pencil-Form, der eine genaue und schnelle Unterscheidung visuell ähnlicher Symbole erfordert. Nachdem die Testleitung den Ablauf des Tests erklärt hatte, wurde ein kurzes Training durchgeführt, gefolgt vom Haupttest. Dieser Haupttest besteht aus zwei Seiten mit Ziel- und Ablenkungssymbolen, wobei die Zielsymbole innerhalb eines Zeitlimits von drei Minuten pro Seite identifiziert werden müssen. Mit diesem Test können vier verschiedene Aspekte bewertet werden: Verständnis der Anweisungen, Leistungsgeschwindigkeit, Qualität (Genauigkeit) und Konsistenz.

Nach dem Test füllten die Probanden weitere VAS zur allgemeinen Raumbeleuchtung (Komfort, Gemütlichkeit, Attraktivität, Arbeitsplatzeignung) aus. Als nächstes wurden drei Objekte (ein gedruckter Text, eine rote Dose Cola und eine blaue Creme-Dose) vor den Probanden auf dem Tisch platziert (Abb. 9) und weitere VAS in Bezug auf die visuelle Wahrnehmung der Objekte anhand einer angepassten Version von [9] (Natürlichkeit der Objekte und ihrer Farbe, Buntheit) durchgeführt. Diese Objekte wurden ausgewählt, da davon ausgegangen werden kann, dass sie und ihr Erscheinungsbild allgemein bekannt sind. Neben diesen Objekten wurden auch die Wahrnehmung der hölzernen Schreibtischoberfläche sowie die eigenen Hände des Probanden bewertet. Darüber hinaus bewerteten die Probanden die allgemeinen Sehbedingungen (hell – dunkel, behaglich – unbehaglich, angenehm – unangenehm, interessant – langweilig).

Um die ökologische Validität dieser Studie zu erhöhen, wurden zwei praktische Aufgaben aufgenommen: Glanzsortierung und Stoffbewertung (Abb. 10). Zunächst mussten die Probanden sieben NCS Gloss Scale-Karten (ISO 21813) so schnell wie möglich nach ihrem Glanzgrad sortieren. Zweitens erhielten die Probanden 16 Stoffstücke (drei verschiedene Sorten). Acht dieser Stoffstücke waren absichtlich beschädigt oder verschmutzt und die Probanden hatten die Aufgabe, diese zu identifizieren. Bei beiden Aufgaben wurde die Zeit gestoppt, bis die Probanden die Aufgabe ausgeführt hatten.

Zum Abschluss der Studie wurde die Schläfrigkeit erneut auf der Karolinska-Skala bewertet (Testpunkt 2: Post-Test). Die Studie dauerte insgesamt etwa eine Stunde, wobei etwa zehn Minuten für die Sehtests aufgewendet wurden. Die Probanden wurden einzeln getestet und erhielten eine Aufwandsentschädigung.

Insgesamt nahmen 83 Probanden an der Studie teil. Die Daten von zwei Probanden mussten aufgrund von Ausreißern in mindestens einem der Sehtests und eines Teilnehmers aufgrund eines Missverständnisses der FAIR-2-Anweisungen ausgeschlossen werden. Das Durchschnittsalter betrug 24,37 Jahre (SD = 3,49) und 69 % der Probanden waren weiblich. 83 % der Probanden waren Studierende.

4 Ergebnisse

Da das Ziel der Studie darin bestand, grundlegende Auswirkungen der Vollspektrum-LED-Technologie auf den Menschen zu untersuchen und nicht, einzelne Vollspektrum-LED-Technologien miteinander zu vergleichen, werden die Ergebnisse dieser Studie ohne Bezugnahme auf bestimmte Hersteller veröffentlicht. Die Ergebnisse werden anonym und immer unter Bezugnahme auf die Vollspektrum-LED-Technologie mit der größten Effizienz präsentiert. Darüber hinaus ist es der Fraunhofer Gesellschaft als gemeinnützige Forschungseinrichtung nicht gestattet, bestimmte Hersteller aus der Industrie durch Berichterstattung zu begünstigen.

Die vier Szenarien werden im Folgenden mit Vollspektrum-LED 1 (n = 19), Vollspektrum-LED 2 (n = 21), Standard-LED 1 (n = 19), Standard-LED 2 (n = 21) betitelt. Zusätzlich zu deskriptiven Statistiken (z. B. Mittelwerte) werden inferenzstatistische Analysen durchgeführt (Signifikanztests, z. B. Varianzanalyse), um zu bewerten, ob ein Unterschied zwischen zwei Gruppen ein realer oder zufälliger Unterschied ist. Das Signifikanzniveau wurde auf 5 % festgelegt und Analysen mit einem niedrigeren Signifikanzniveau als dieses werden als statistisch signifikant definiert. Darüber hinaus werden Effektgrößen berechnet, um anzuzeigen, ob ein Effekt in der Praxis relevant ist.

Insgesamt untersuchte diese Studie 19 verschiedene Aspekte. Für jeden von ihnen wurden Vergleiche zwischen allen vier LED-Bedingungen analysiert. In allen Analysen wurden die individuelle Nutzung des Displays und die Kontrastempfindlichkeit im Sinne von Kontrollvariablen berücksichtigt.

4.1 Subjektive Bewertungen

Die subjektive Bewertung der Blendung auf der de Boer-Skala unterschied sich nicht statistisch signifikant je nach LED-Typ. In Bezug auf den allgemeinen Raumeindruck wurde ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen einer der Vollspektrum-LEDs (m₁ = 5,7) und der Standard-LED 2 (m₂ = 4,04) für das Item »Insgesamt ist die Beleuchtung im Raum… sehr gemütlich- sehr ungemütlich« (Abb. 11) festgestellt. Die Effektgröße ist groß (η² = 0,104).

Ferner wurde ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen einer der Vollspektrum-LEDs (m₁ = 6,5) und der Standard-LED 2 (m₂ = 4,44) für das Item »Unter der Beleuchtung scheint der gesamte Schreibtischfläche… sehr unangenehm – sehr angenehm« festgestellt. Die Effektgröße ist groß (η² = 0,137).

Im Abschnitt über Farben wurde ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen einer der Vollspektrum-LEDs (m₁ = 6,62) und der Standard-LED 2 (m₂ = 4,15) für das Item »Die Farbe der Objekte auf dem Tisch wirkt… sehr natürlich – sehr unnatürlich« (große Effektgröße von η² = 0,14; Abb. 12) und für das Item »Bei dieser Beleuchtung wirkt die Farbe meiner Hände… sehr natürlich – sehr unnatürlich aus« (m₁ = 7,53; m₂ = 5,61; mittlere Effektgröße von η² = 0,085) festgestellt. In Bezug auf die Natürlichkeit der Hände selbst wurde ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen einer der Vollspektrum-LEDs und beiden Standard-LEDs festgestellt (m = 8,74; m₂ = 6,73; m = 6,4; große Effektgröße von η² = 0,173; Abb. 13). Alle anderen subjektiven Bewertungen unterschieden sich nicht statistisch signifikant zwischen den LED-Bedingungen.

4.2 Leistungstests

Für den FAIR-2-Test wurden die vier oben genannten verschiedenen Testparameter berechnet. Auch für die Sortierung der Glanzkarten wurden mehrere Bewertungen analysiert: Gesamtkorrektheit (alle korrekt vs. mindestens ein Fehler), prozentuale Korrektheit (z. B. Punkte für jede Karte, die an der richtigen Stelle platziert wurde, Punkte für jede gefundene Unregelmäßigkeit), benötigte Zeit. Für die Stoffsortieraufgabe wurden sowohl die benötigte Zeit als auch die Menge der erkannten Unregelmäßigkeiten gezählt. Für keinen dieser Leistungstests wurden statistisch signifikante Gruppenunterschiede gefunden. Somit hatten die LED-Bedingungen in diesen drei Tests keinen Einfluss auf die Leistung.

4.3 Auswirkungen auf die Schläfrigkeit

Die Werte zu Beginn und am Ende der Testsitzung wurden verglichen, um zu bewerten, ob der Verlauf der Schläfrigkeit während der Studie in Abhängigkeit von der LED-Bedingung variierte. Alle Gruppen wurden im Laufe der Testsitzung aktiviert (fühlen sich am Ende der Testsitzung wacher bzw. weniger entspannt als zu Beginn). Dies ist vermutlich auf die stimulierende Natur einer Testsitzung zurückzuführen. Es wurde jedoch kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den LED-Bedingungen hinsichtlich des Verlaufs der Schläfrigkeit bzw. Aktiviertheit festgestellt.

5 Zusammenfassung und Fazit

Das Fraunhofer IBP in Stuttgart verglich in dieser Studie die Wirkung von zwei Vollspektrum-LEDs und zwei Standard-LEDs auf den Menschen. Dazu bewerteten Probanden subjektiv Lichtverhältnisse, Natürlichkeit und Farbwahrnehmung und absolvierten verschiedene Leistungstests. Die Studie zeigt statistisch signifikante Unterschiede zwischen mindestens einer der Vollspektrum-LEDs und einer der Standard-LEDs für die Items »Gemütlichkeit der Beleuchtung im Raum«, »angenehme Beleuchtung der Schreibtischfläche«, »Natürlichkeit der Farbe der Objekte auf dem Tisch im Allgemeinen« und spezifisch »die Natürlichkeit der Farbe der Hände der Probanden« sowie die allgemein »natürliche Wirkung der Hände der Probanden«. Bei allen statistisch signifikanten Vergleichen zeigte mindestens eine der Vollspektrum-LEDs stärkere Effekte als eine der Standard-LEDs, beispielsweise eine höhere Natürlichkeit.

Für die Leistungstests (Aufmerksamkeit, Glanz- und Stoffsortierung) wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den LEDs festgestellt. Darüber hinaus fühlten sich die Probanden unter allen LED-Bedingungen am Ende des Tests wacher als zu Beginn, mit einem ähnlichen Effekt unter allen LED-Bedingungen. Während der gesamten Studie gab es keinen Fall, in dem die Standard-LEDs die Vollspektrum-LEDs statistisch signifikant übertrafen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Studie Vollspektrum-LEDs befürwortet, die Auswirkungen jedoch spezifisch sind.

Die Ergebnisse dieser Studie geben Einblicke in die Frage, ob auf der Grundlage der neuen Technologie von Vollspektrum-LEDs praktisch relevante Effekte hinsichtlich der Auswirkungen auf den Menschen und der menschlichen Wahrnehmung des gesamten Spektrums identifiziert werden können. Diese erste Untersuchung konzentrierte sich auf die Grundlagenforschung und wurde bewusst so konzipiert, dass sie unabhängig vom Nutzungskontext ist. Für die Zukunft können die Ergebnisse als Ausgangspunkt für Folgeprojekte verwendet werden, die auf bestimmte Kontexte (z. B. Büros, Einzelhandel, Gastronomie, Gesundheits- und Pflegedienste) im Rahmen einer Feldstudie abzielen.

6 Literatur

[1] Mead, M. N. (2008). Vorteile des Sonnenlichts: ein Lichtblick für die menschliche Gesundheit.

[2] Wesemann, W., Schiefer, U. & Bach, M. (2010). Neue DIN-Normen zur Sehschärfebestimmung. Der Ophthalmologe, 107 (9), 821-826.

[3] Clark, J. H. (1924). Der Ishihara-Test für Farbenblindheit. American Journal of Physiological Optics, 5, 269–276

[4] Ishihara, S. (1987). Test auf Farbenblindheit. Tokio, Japan: Kanehara.

[5] https://www.precision-vision.com/spotchecks-contrast-sensitivity-test/[6] Sammarco, J. J., Mayton, A. G., Lutz, T. & Gallagher, S. (2011). Vergleich der unangenehmen Blendung für verschiedene LED-Begrenzungsleuchten. IEEE Transactions on Industry Applications, 47 (3), 1168–1174.

[7] Shahid, A., Wilkinson, K., Marcu, S. & Shapiro, C. M. (2011). Visuelle Analogskala zur Bewertung des Schweregrads der Ermüdung (VAS-F). In STOP, THAT und hundert anderen Schlafskalen (S. 399-402). Springer, New York, NY.

[8] Petermann, F. (2011). Frankfurter Aufmerksamkeits-Inventar 2 (FAIR-2). Zeitschrift für Psychiatrie, Psychologie und Psychotherapie, 59 (4), 325-6.

[9] Islam, M. S., Dangol, R., Hyvärinen, M., Bhusal, P., Puolakka, M. & Halonen, L. (2013). Benutzerpräferenzen für LED-Beleuchtung in Bezug auf das Lichtspektrum. Lighting Research & Technology, 45 (6), 641-665.