Wissenschaft & Forschung
Licht 1 | 2019

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Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur in der Innenraumbeleuchtung – Nutzerpräferenzbereiche
Lesezeit: ca. 17 Minuten

1. Einleitung – Motivation

Die moderne Innenraumbeleuchtung erlebt momentan eine dynamische Entwicklung mit revolutionärem Charakter. Während sich die konventionelle professionelle Innenraumbeleuchtungstechnik im letzten Jahrhundert bis 1995 eher mit den Entladungslampen sowie mit den Kenngrößen der visuellen Leistung befasste, auf denen die heutigen Normenwerke hauptsächlich beruhen, beschäftigen sich die Beleuchtungstechnik und Lichtwissenschaft seit der Jahrhundertwende mit der LED-Lichttechnik mit weißen LEDs, mit den emotionellen Aspekten der Beleuchtung, mit den Kenngrößen der Farbqualität (Farbwiedergabe, Farbgamut, Farbpräferenz, Natürlichkeit) und mit nicht-visuellen Effekten (melanopische Wirksamkeit nach DIN 5031-100 [1] oder Circadian Stimulus nach M. Rea et al. [2]).

Seit etwa 2014 beherrschen Themen wie Human-Centric-Lighting (HCL), Connected Lighting oder Connectivity sowie Smart Lighting die weltweite Diskussion über die Zukunft und Entwicklung der Lichttechnik. Im Grunde genommen ist Smart Lighting der Oberbegriff und beinhaltet zwei Hauptkomponenten, die sich gegenseitig bedingen. Mit nur einer der beiden Komponenten ist eine intelligente menschen-orientierte Beleuchtung nicht möglich oder nicht optimal realisierbar. Abb. 1 verdeutlicht diese Zusammenhänge innerhalb des Konzepts Smart Lighting.

Abb. 1: Das Konzept Smart Lighting mit den zwei Hauptkomponenten Connected Lighting und Human Centric Lighting. (Quelle: TU Darmstadt) Khanh TU Darmstadt

Der Begriff Connected Lighting beinhaltet die technologische Plattform der Leuchtensysteme, der Systeme der Gebäudetechnik (Heizung, Warmwasser, Klimatechnik, Sonnenschutzsteuerung) sowie der Sensoren und Datenformate wie KNX, DALI oder LON. Diese Plattform und die Cloud-Infrastruktur ermöglichen die Integration und Verarbeitung von großen Datenmengen aus unterschiedlichen Signalquellen. Der Begriff Human Centric Lighting enthält die folgenden drei Komponenten der Lichttechnik: visuelle Leistung, farbliche und emotionale Aspekte sowie nicht-visuelle Effekte, verzahnt mit der integrativen Lichtplanung in einem konkreten individuellen Raumkontext (Kontext der Anwendungen). Wenn Connected Lighting die Kommunikationstechnologie ist, dann ist HCL der Inhalt dieser Kommunikation und der Hauptgegenstand der Forschung und Technologie der Zukunft auf lange Sicht.

Es ist in den bisherigen Diskussionen sichtbar geworden, dass die Basis für eine erfolgreiche intelligente Beleuchtung (Smart Lighting) die optimale Nutzung der Internetplattform (Cloud) sein wird, da sie eine weltweite Vernetzung der Systeme sowie die Verarbeitung großer Datenmengen in hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Der Kern der Cloud-Anwendungen der Zukunft ist daher die informationstechnische Infrastruktur (Server, Datenspeicherung, Datensicherheit) mit einem Softwareprogramm zur Regelung der Leuchtensysteme in regionalen, nationalen oder internationalen Dimensionen. In diesem Softwareprogramm sind lichttechnische Kriterien wie Grenzen für die Sichtbarkeit und Blendung, Bereiche der Nutzerpräferenz und Farbqualität als Funktion der Jahres- und Tageszeit, der Raumkontext, Wetterbedingungen, Gebäudebeschaffenheit in Abhängigkeit von der Individualität der Raumnutzer berücksichtigt und optimiert. Abb. 2 verdeutlicht diese Hierarchie der zukünftigen cloud-basierten Regelung von Leuchten und Gebäudetechnik im Sinne von Smart Lighting.

Abb. 2: Cloud-Struktur als Basis für die zukünftige intelligente Beleuchtung (Smart Lighting). (Quelle: TU Darmstadt) Khanh TU Darmstadt

Somit kommt der Lichtforschung eine neue Bedeutung zu. Wenn früher weltweit die Forschungsprojekte in einem Demo-Setup oder einem realen Raum mit wenigen eigeschränkten Parametern statisch durchgeführt und bewertet wurden, ist es heute und in absehbarer Zukunft möglich, das Nutzerverhalten an Hand großer Daten bezüglich Variation der Wetterdaten, der Raumnutzungskontexte, der Jahreszeiten, der Uhrzeit, der Nutzerprofile (Geschlecht, Alter, Berufe, Kultur) mit Hilfe der Methoden der künstlichen Intelligenz (Deep Learning, Machine Learning) dynamisch und über längere Zeiträume zu analysieren und zu modellieren.

Im Bewusstsein dieser kommenden Potentiale für die Leuchtenregelung im HCL-Kontext müssen die derzeitigen und zukünftigen lichttechnischen Kenngrößen analysiert und modelliert werden. Dabei ergeben sich zwei große Gruppen von Bewertungskenngrößen:

  • 1. Die eine Gruppe umfasst die Parameter, die dazu dienen, das Wahrnehmungsverhalten in akuten und langfristigen Wirkungen im Sinne der strengen Wissenschaft und der qualifizierten Lichtplanung zu beschreiben. Dazu gehören die Helligkeit, die visuelle Klarheit, der Farbkontrast, die Helligkeitsverteilung, die Farbqualität (wie CQS Qp), die Farbwiedergabe, der Farbgamut oder die Kenngröße Circadian Stimulus (CS) [2], die zu psychologischen Beurteilungen wie »Attraktivität«, »Klarheit«, »Räumlichkeit«, »Dominanz«, »Wachheit«, »Konzentration« führen.
  • 2. Die zweite Gruppe umfasst die klassischen, in der Praxis der heutigen Lichtindustrie und Lichtplanung häufig verwendeten Kenngrößen wie Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke und ähnlichste Farbtemperatur (CCT). Nur eine dieser Kenngrößen beschreibt die Beleuchtungsqualität in einem nicht genügenden Maß, so dass sie miteinander kombiniert werden müssen. Der Vorteil dieser Kenngrößen liegt darin, dass die heutige Lichtpraxis sie in der tagtäglichen Kommunikation benutzt und mit einfachen Mitteln messen kann. In [3] haben die Autoren dieses Artikels derzeitige Kenngrößen der Lichttechnik bereits analysiert und gruppiert. Die Ergebnisse dieser Analyse veranschaulicht Abb. 3.

. (Quelle: TU Darmstadt)« context=«content«]

Nach der Faktorenanalyse in [3[ können die meisten Kenngrößen der visuellen Leistung (wie die Helligkeit und die visuelle Klarheit) und der nicht-visuellen Effekte mit Hilfe einer Kombination aus Leuchtdichte und Farbtemperatur mathematisch beschrieben werden. Davon unabhängig ist der Farbwiedergabeindex, so dass die heutige praxis-orientierte Beleuchtungstechnik die drei Kenngrößen Farbtemperatur, Leuchtdichte (Beleuchtungsstärke) und Farbwiedergabeindex benutzen kann. Es gibt noch sehr wenige Forschungsarbeiten über die Leuchtdichteverteilung im Raum, was mit heutigen Mitteln erneut untersucht werden soll [4].

Da es in den letzten acht Jahren eine große Anzahl an Forschungsarbeiten und Publikationen über Farbqualität und Farbwiedergabe gab (z. B. [5 – 9]), sind Untersuchungen über die Wirkung der Beleuchtungsstärke in Kombination mit der Farbtemperatur auf die Raumwahrnehmung heute zum wiederholten Mal im Fokus der Lichtforschung [10], wobei die Ziele diesmal um einiges anders formuliert sind. Dementsprechend hat der vorliegenden Artikel die folgenden Forschungsziele:

a) Überblick auf jene Literatur der letzten Jahrzehnte, die sich mit der Kombination Lichtwirkung – Beleuchtungsstärke – Farbtemperatur beschäftigt hat. Bis etwa 2005 wurden entsprechende Untersuchungen nur mit Leuchtstofflampen durchgeführt.

b) Experimentelle Untersuchungen: umfangreiche visuelle Tests mit LED-Multi-Kanal-Leuchten und unterschiedlichen Anordnungen von farbigen Objekten im Raum bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärkeniveaus und Farbtemperaturen, wobei der Farbort immer auf oder sehr nah dem Planck’schen Kurvenzug oder dem Kurvenzug der Tageslichtphasen liegt. Damit die Wirkung der dritten Dimension, der Farbwiedergabe, konstant bleibt, ist das Lichtspektrum stets auf die bestmögliche Farbwiedergabe mit Ra = 92 bis 95 optimiert. Das Ziel dieser Untersuchungen ist, einen Bereich der Farbtemperatur und der Beleuchtungsstärke für die maximale visuelle Raumpräferenz-Bewertung zu ermitteln. Die Ermittlung der gerade annehmbaren Raumwahrnehmung ist nicht das primäre Ziel der vorliegenden Forschung der Autoren.

2. Das Wesen der Beleuchtungsstärke und der Farbtemperatur

Die Beleuchtungsstärke Ev ist gemäß der Gleichung (1) definiert.

(1) Khanh TU Darmstadt

Darin bedeutet Ee(λ) die spektrale Bestrahlungsstärke auf einer Arbeitsebene und V(λ) die spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion für ein 2°-Gesichtsfeld für das Tagesehen. Die V(λ)-Funktion berücksichtigt nur die Anteile der L- und M- Zapfensignale, d. h. nur die achromatischen Anteile. Die chromatischen Anteile (Rot-zu-Grün und Blau-zu-Gelb) der einfallenden optischen Strahlung, d. h. (L-M) und S-(L+M), werden nicht berücksichtigt. In dieser V(λ)-Funktion sind die Signalanteile der blauen Zapfen S(λ) gar nicht oder nur geringfügig vorhanden [11, 12]. Das bedeutet, dass zum Parameter Beleuchtungsstärke (oder der Leuchtdichte) die Komponenten der chromatischen Anteile, der blauen Zapfen und der lichtempfindlichen Ganglienzellen hinzugefügt werden müssen, um die komplexe Wahrnehmung der »Helligkeit« zu beschreiben.

Physiologisch und farbmetrisch gesehen steht die ähnlichste Farbtemperatur in einem engen Zusammenhang mit dem Farbort der zu analysierenden Strahlungsquelle, der auf oder in der Nähe des Kurvenzuges der Planck’schen Strahler oder der Tageslichtphasen der gleichen ähnlichsten Farbtemperatur liegen soll. Naturgemäß hat diese Strahlungsquelle tendenziell (grob gesehen) eine ähnliche spektrale Verteilung wie der zugehörige Referenzstrahler. Aus physiologischen Gründen korreliert die ähnlichste Farbtemperatur (Tcp oder CCT) einer Strahlungsquelle mit den Signalen der M-Zapfen, S-Zapfen, der Stäbchen und der lichtempfindlichen Ganglienzellen (ipRGC), wie es in einer Analyse [13] mit 294 Lichtspektren berechnet wurde (siehe Tabelle 1).

Bezeichnung

Bedeutung

CCT (K)

Lrel

Relatives Signal der L-Zapfen

-0,940

Mrel

Relatives Signal der M-Zapfen

0,962

Srel

Relatives Signal der S-Zapfen

0,977

Rrel

Relatives Signal der Stäbchen

0,914

Grel

Relatives Signal der ipRGC-Zellen

0,924

|Lrel – Mrel|

Relatives Signal des chromatischen Kanals Rot-Grün

-0,957

Tabelle 1: Korrelationskoeffizienten der ähnlichsten Farbtemperatur (CCT) zu den Netzhautrezeptorsignalen und dem chromatischen Kanal Rot-Grün nach [13]

Tabelle 1 zeigt eindeutig die Tendenz, dass die ähnlichste Farbtemperatur (CCT in K) substantiell durch die Signale der blau- und grünhaltigen Rezeptoren der Netzhaut und nicht durch die rot-gelb-haltigen Kanäle geprägt ist. Im Endeffekt korreliert die Farbtemperatur sehr stark mit der Helligkeit B, die z. B. mit der Formel von Fotios [14] in Gl. (2) modelliert werden kann (die Größe S ist das Signal der S-Zapfen), siehe Abb. 4.

(2) Khanh TU Darmstadt

Die Kombination der Beleuchtungsstärke Ev oder der Leuchtdichte Lv mit der Farbtemperatur bestimmt somit die Helligkeitswahrnehmung bei der Betrachtung einer Szene oder eines beleuchteten Raums.

. (Quelle: TU Darmstadt)« context=«content«]

3. Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur in der bisherigen Literatur

Die erste Untersuchung über die gemeinsame Wirkung von Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur ging auf Kruithof im Jahr 1941 [15] zurück. Seine Veröffentlichung gilt bis heute als eine der meistdiskutierten Arbeiten in der Geschichte der Lichttechnik. Kruithofs Testbedingung sind nur sehr spärlich überliefert. Es gibt nur wenige Informationen darüber, wie die Lichtreize als Kombination zwischen Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke dargeboten wurden, wie die Testapparatur aussah und wie groß die Anzahl der Testpersonen war. Im Bereich CCT < 2850 K wurden Glühlampen und im höheren Farbtemperaturbereich das Tageslicht sowie tageslichtähnliche Leuchtstofflampen verwendet [10, 16]. Trotz der unvollständigen Beschreibung des Experiments wird das sogenannte Kruithof-Diagramm oft in der beleuchtungstechnischen Literatur zitiert.

Dieses Diagramm (siehe Abb. 5) wurde durch die Autoren dieses Artikels aus [16] rekonstruiert und zeigt zwei Bereiche der Farbtemperatur und der Beleuchtungsstärke (unter der unteren Grenze und über der oberen Grenze in Abb. 5), in denen die Beleuchtungssituation »nicht angenehm« oder »nicht erfreulich« (in Englisch: »pleasant«/ »not pleasant«) wirkt. Der Bereich mit »pleasant« liegt in der Mitte des Diagramms und bedeutet, dass eine Beleuchtungssituation angenehm wirkt, wenn der Nutzer bei niedriger Farbtemperatur eine passende niedrige Beleuchtungsstärke oder bei hoher Farbtemperatur zwischen 6000 K und 8000 K eine entsprechend hohe Beleuchtungsstärke wählt.

rekonstruiert. (Quelle: TU Darmstadt)« context=«content«]

In vielen Jahrzehnten bemühten sich zahlreiche internationale Forschungsgruppen, die Gültigkeit dieses Diagrammes zu untersuchen. Insgesamt sind 29 Publikationen bekannt. Diese wurden von Fotios in 2017 [10] sorgfältig analysiert. Nach Anwendung der Kriterien aus CIE-Publikation 212:2014 [17], die Empfehlungen dazu gibt, wie solche Experimente ausgelegt werden sollen (randomisierte Lichtreizdarbietungen, sorgfältige statistische Datenauswertung, detaillierte Methodenbeschreibung), können in [10] nur noch neun Publikationen als seriös bewertet werden. Erstaunlicherweise wurden die 20 nicht relevanten Publikationen mehrheitlich in der jüngeren Zeit seit 2003 bis 2015 veröffentlicht!

Fotios‘ ausführliche Analyse [10] der neun aussagekräftigen Forschungsarbeiten zeigte die folgenden Ergebnisse:

  • Die Mehrheit der Publikationen widerspricht den Aussagen des Kruithof-Diagrammes.
  • Fotios [10] betrachtet »pleasant« (d.h. »angenehm«) gleichwertig zu »bevorzugt« oder zu »farblich natürlich«.
  • Die Variation der Farbtemperatur zwischen 2500 K und 6500 K hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Bewertung von »angenehm und gefällig«. Diese Ergebnisse widersprechen den Erfahrungen der Autoren des hier vorliegenden Artikels. Sie haben deshalb ein weiteres Experiment durchgeführt.
  • Beleuchtungsstärken unterhalb 300 lx können die Bewertung »angenehm« nicht hervorrufen. Beleuchtungsstärken von 500 lx sind ausreichend, um diese positive Bewertung (d.h. »angenehm«) zu liefern. Eine höhere Beleuchtungsstärke als 500 lx bringt nur eine geringfügige Verbesserung.

Eine genaue Analyse der Daten aus den neun als relevant eingestuften Arbeiten [10] ergibt, dass nur eine Arbeit mit einer Beleuchtungsstärke größer als 1050lx experimentierte. Alle anderen Arbeiten experimentierten eher im Bereich bis 600 lx bis 800 lx. Das heißt, das o. g. Aussagen bezüglich der Beleuchtungsstärke höher als 500 lx, die nur eine geringfügige Verbesserung bringen, wieder relativiert werden müssen. In der Geschichte der Beleuchtungstechnik gab es andere Forschungsarbeiten, die höhere Beleuchtungsstärken im Bereich 1340 lx bis 2250 lx für eine Nutzerpräferenz ermittelt haben, siehe Tabelle 2.

Autoren

Präferierte Beleuchtungsstärken (lx)

Muck und Bodmann [18]

erste Studie: 1300; zweite Studie: 1800

Söllner [19]

1750

Westhoff und Horemann [20]

2250

Bodmann, Söllner und Voit [21]

1600

P.Boyce [22]

1550

Juslen [23]

1340 – 1370

Tabelle 2: Bevorzugte Beleuchtungsstärken aus den Studien in den 1960er und 1970er Jahren sowie in 2007

Die Arbeit von Fotios [10] hat die Autoren dieses Artikels veranlasst, eine Reihe von neuen Experimenten zur Untersuchung der Kombination Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke mit Multi-Kanal-LEDs (in 2017 und 2018) durchzuführen, die wie folgt spezifiziert wurden:

  • Die Beleuchtungsstärke sollte das Niveau von 1800 lx bis 2000 lx erreichen.
  • Um auch die Wirkung der Farbwiedergabe zu untersuchen, wurden die LED-Lichtspektren auf unterschiedliche Farbwiedergabeindizes (von etwa Ra = 25 bis Ra = 92 bis 96) ausgelegt.
  • Es reicht nicht aus, nur den »angenehmen« (»pleasant«) Bereich der Farbtemperatur-Beleuchtungsstärke-Kombinationen herauszufinden. Die Autoren benutzten eine Reihe von Kategorien (sog. semantische Stufe), z. B. »mäßig«, »gut«, »sehr gut«, um die verschiedenen Kombinationen der Farbtemperatur und der Beleuchtungsstärke kategorisieren zu können. Diese Kategorien sollen später in der Beleuchtungspraxis als Empfehlung dienen.

4. Visuelle Experimente

Zwei Versuchsreihen wurden in einem Zeitabstand von vier Monaten durchgeführt. Bei dem ersten Experiment wurden die absoluten LED-Spektren von zwei LED-Multi-Kanal-Leuchten (RGBW) optimiert, um die Farbtemperatur und die Beleuchtungsstärke über große Bereiche bei sehr hohen, nahezu konstanten Farbwiedergabeindizes (Ra = 92 bis 96) und der entsprechenden niedrigen Farbübersättigung der Objekte (ca. 0 < ∆C* < 1, im Vergleich zur Referenzsituation) zu variieren. Beim zweiten Experiment, vier Monate danach, wurden die gleichen Leuchten so optimiert, dass Lichtspektren mit sehr unterschiedlichen Farbtemperaturen, Beleuchtungsstärken und Farbwiedergabeindizes eingestellt wurden.

4.1 DasersteExperiment

Das erste Experiment wurde im Winter 2017 in einem realen Raum mit weißen und matt gestrichenen Wänden und Decke sowie mit neutralgrauem Bodenbelag durchgeführt. Während der Testsitzungen war das Fenster lichtdicht geschlossen und der Raum wurde mit sauberem Sauerstoff versorgt. Zwei diffus strahlende Leuchten mit vier LED-Kanälen (rot, grün, blau und warmweiß, sog. RGBW) beleuchteten homogen einen Tisch mit farbigen Objekten und einer weißen Tischdecke (siehe Abb. 6). Um den Tisch herum waren vier Stühle für die vier Testpersonen aufgestellt. Die farbigen Objekte waren teilweise frisch gekaufte Lebensmittel in unterschiedlichen Farbtönen und Sättigungen, die eine wahre, dreidimensionale Objektform darstellten, so dass die Objektanordnung realistisch wirkte.

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Insgesamt wurden 25 Lichtspektren optimiert. In Abb. 7 sind diese Spektren graphisch dargestellt. Die horizontale Beleuchtungsstärke auf dem Tisch betrug jeweils 45 lx, 90 lx, 470 lx, 1000 lx und 2000 lx. Die ähnlichste Farbtemperatur (CCT) wurde – bei jedem Beleuchtungsstärkeniveau – ebenfalls variiert: verwendet wurden 2700 K, 3100 K, 4100 K, 5000 K und 10000 K. So wurden den Versuchspersonen 25 unterschiedliche Ev-CCT-Kombinationen randomisiert präsentiert. Nach dem Einstellen jeder Lichtkombination wurde immer circa 1,5 Minuten zur Wiederadaptation gewartet, bevor die subjektive Bewertung erfolgte. Die RGBW-LEDs waren so optimiert, dass das gleiche, hohe Farbwiedergabeindex-Niveau (92 ≤ Ra ≤ 96) für jedes Spektrum (5 x 5 = 25) gewährleistet war. In Tabelle 3 sind die photometrischen und farbmetrischen Kennwerte dieser 25 Lichtspektren dargestellt.

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i

Ev

CCT

C*

Ra

i

Ev

CCT

C*

Ra

i

Ev

CCT

C*

Ra

1

1020

2693

0,6

95

10

2006

5007

1,1

95

18

91

5010

0,6

95

2

470

3096

0,1

96

11

44

3104

0,0

92

19

1018

9994

1,2

96

3

91

10012

1,2

96

12

43

2698

0,2

92

20

469

5006

1,0

95

4

89

3107

0,4

96

13

44

10021

1,4

95

21

471

9995

1,3

96

5

44

5008

0,8

95

14

2016

10003

1,3

96

22

1018

3099

0,4

96

6

2027

2705

0,5

95

15

44

4097

0,6

95

23

471

4100

0,8

96

7

90

2693

0,5

95

16

2029

4092

0,8

96

24

1013

4109

0,8

96

8

476

2691

0,6

95

17

2032

3103

0,5

96

25

1012

5006

1,1

95

9

89

4100

0,7

96

Tabelle 3: Photometrische und farbmetrische Kennwerte der 25 Lichtspektren im ersten Experiment. Ev: horizontale Beleuchtungsstärke in der Mitte des Tisches; CCT: ähnlichste Farbtemperatur (K); ∆C* Sättigungserhöhung [24]; berechnet für die 15 gesättigten Farben im CQS-System; Ra: allgemeiner CIE-Farbwiedergabeindex. Reproduziert mit Genehmigung von Lighting Research and Technology [28]

Am visuellen Experiment nahmen insgesamt 21 Testpersonen teil. Dabei handelte es sich um 7 Männer und 14 Frauen im Alter zwischen 20 und 47 Jahren (mittleres Alter 25,2) und mit normalem Farbensehen. Bevor der Hauptversuch stattfand, wurde eine Trainingsphase mit acht Lichtspektren für sehr dunkle oder sehr helle Szenen mit sehr niedriger und hoher Farbtemperatur als Ankerreize (gemäß der CIE-Empfehlung [17]) eingeführt. Danach begann der Hauptversuch, wobei die Versuchspersonen ihren Eindruck über die jeweilige Szene auf einer Skala zwischen 0 und 100 mit Kategorien bewerteten. Die Versuchspersonen zeichneten ein entsprechendes Kreuz auf die Skalen. Die Kategorien entsprachen den Bewertungen »ausgezeichnet«, »sehr gut«, »gut«, »mäßig«, »gering«, »schlecht« und »sehr schlecht«, wobei die Versuchsperson ihren Eindruck auch zwischen zwei benachbarten Kategorien bewerten durfte (siehe Abb. 8). Die Szenenpräferenz »ich bevorzuge diese Szene oder nicht« ist dabei gleichwertig zu den Attributen »gefällig« oder »angenehm«.

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4.2 Das zweite Experiment

Im zweiten Experiment wurde zwischen März und April 2018 im gleichen Raum mit den beiden gleichen LED-Multi-Kanal-LED-Leuchten wie im ersten Experiment die Szenenpräferenz untersucht. Aus den Erfahrungen im ersten Testversuch wurden andere farbige Testobjekte systematischer und übersichtlicher angeordnet (siehe Abb. 9). Aus der Hypothese, dass die Szenenpräferenz durch die Helligkeit und Farbqualität maßgeblich bestimmt ist, wurde ein großer Flächenteil des Tisches mit weißer Tischdecke frei gelassen, damit die Testpersonen adaptieren und eine gesicherte Helligkeitsbeurteilung gewinnen konnten. Die farbigen Objekte betonen den Kontext einer vertrauten Umgebung für die Testpersonen mit realen Gegenständen wie Früchten, Blumen und Büchern sowie einem hochgestellten Landschaftsgemälde, das die Wahrnehmung der Dreidimensionalität der Objektanordnung förderte.

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Die Leuchten waren in diesem zweiten Versuch so optimiert, dass der Farbwiedergabeindex nicht immer hoch war. Es gab auch einige Lichtspektren, bei denen der Farbwiedergabeindex bewusst reduziert wurde. So wurden z. B. eine moderate Farbübersättigung (ca. ∆C* = 2 bis 4) für optimale Farbpräferenz [25, 26] und eine sehr gesättigte Stufe (ca. ∆C* = 11) dargeboten. Es sollte untersucht werden, wie weit diese verschiedenen Sättigungsstufen der farbigen Objekte bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken und Farbtemperaturen die Szenenpräferenz beeinflussen. Dieser Zusammenhang ist ein Differenzierungsmerkmal zu dem in Abschn. 4.1. beschriebenen ersten Experiment sowie auch zu den zwei Untersuchungen von Boyce und Cuttle [27] mit einem moderat-hohen Farbwiedergabeindex um Ra = 82 bis 85 und von Viénot et al. [16] mit Ra > 90. In Abb. 10 sind die 36 verwendeten Lichtspektren dargestellt. Tabelle 4 zeigt deren photometrische und farbmetrische Kennwerte.

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i

Ev

CCT

∆C*

Ra

i

Ev

CCT

∆C*

Ra

i

Ev

CCT

∆C*

Ra

33

197

2980

0,0

94

14

489

4077

-0,1

92

12

1009

5504

0,7

95

9

198

2992

1,9

91

22

491

4082

2,6

87

7

1000

5570

4,1

79

34

204

2995

10,7

21

4

502

4110

12,0

26

2

1005

5616

11,6

34

20

199

4082

0,5

96

11

495

5580

0,8

95

31

1791

2982

0,2

94

24

193

4068

2,4

88

16

496

5584

4,3

79

18

1796

2983

1,7

93

21

199

4101

11,8

27

30

499

5612

11,4

35

1

1818

2995

11,2

22

3

196

5545

0,7

95

35

997

2979

0,0

94

17

1793

4090

0,1

93

25

192

5602

4,4

78

26

999

2988

1,7

93

6

1791

4083

2,5

88

23

201

5587

11,5

35

8

1001

2991

11,2

22

27

1814

4107

12,2

25

15

491

2975

0,2

94

10

1000

4077

0,0

92

29

1789

5606

1,0

95

28

496

2988

1,9

92

19

990

4069

2,5

88

5

1801

5586

4,2

79

32

500

2996

11,3

21

13

1006

4110

11,8

27

36

1825

5617

11,6

34

Tabelle 4: Photometrische und farbmetrische Kennwerte der 36 Lichtspektren. Ev: horizontale Beleuchtungsstärke in der Mitte des Tisches; CCT: ähnlichste Farbtemperatur (K); ∆C* Sättigungserhöhung [24]; berechnet für die 15 gesättigten Farben im CQS-System; Ra: allgemeiner CIE-Farbwiedergabeindex. Reproduziert mit Genehmigung von Lighting Research and Technology [28]

Am zweiten Experiment nahmen insgesamt 30 Testpersonen teil. Diese 14 Männer und 16 Frauen im Alter zwischen 19 und 32 Jahren (mittleres Alter 25,8) verfügten über normales Farbensehen. Die Versuchsmethode (Adaptationszeit, Training und randomisierte Darbietung der Spektren) glichen denen im ersten Experiment in Abschnitt 4.1.

5. Ergebnisse und Interpretation

Abb. 11 zeigt die Kategorie (lt. Abb. 8) der mittleren Szenenpräferenz-Bewertung aller teilnehmenden Versuchspersonen in den Experimenten 1 und 2, für jede Lichtsituation als Kombination der Beleuchtungsstärke und der Farbtemperatur. Jeder untersuchten Lichtsituation entspricht in Abb. 11 ein farbiges Symbol. Im vorliegenden Artikel wurden nur die Lichtsituationen der beiden Experimente dargestellt, die eine Farbwiedergabe mit Ra > 87 aufwiesen.

Abb. 11: Kategorie (lt. Abb. 8) der mittleren Szenenpräferenz-Bewertung aller teilnehmenden Versuchspersonen in den Experimenten 1 und 2, für jede Lichtsituation als Kombination der Beleuchtungsstärke und der Farbtemperatur. Jeder untersuchten Lichtsituation entspricht ein farbiges Symbol. Im vorliegenden Artikel wurden nur die Lichtsituationen der beiden Experimente dargestellt, die eine Farbwiedergabe mit Ra > 87 aufwiesen. (Quelle: TU Darmstadt) Khanh TU Darmstadt

Aus den Ergebnissen der Abb. 11 sind die folgenden Tendenzen zu erkennen:

  • 1) Die Lichtsituationen mit Beleuchtungsstärken kleiner als 200 lx wurden unabhängig von der Farbtemperatur mit der Skalierung »gering« oder »schlecht« bewertet. Da alle hier untersuchten Spektren einen allgemeinen Farbwiedergabeindex von besser als 87 aufweisen, kann man auch formulieren, dass eine Beleuchtungsszene mit einer relativ hohen Farbwiedergabe aber mit einer Beleuchtungsstärke niedriger als 200 lx als »gering« oder »schlecht« bewertet ist.
  • 2) Die Lichtsituationen um 500 lx wurden, auch ebenfalls unabhängig von der Farbtemperatur, mit »mäßig« oder »mäßig-gut« bewertet.
  • 3) Ebenso mit nur »mäßig-gut« wurden die Lichtsituationen mit CCT = 10000 K, auch unabhängig von der Beleuchtungsstärke bewertet. Versuche mit sehr hoher Farbtemperatur wie 10000 K bringen zwar einen hohen circadianen Reiz, sind aber psychologisch und emotionell nicht sinnvoll.
  • 4) Gute bis sehr gute Bewertungen wurden bei Lichtsituationen bei CCT > 3000 K und mit einer relativ hohen Beleuchtungsstärke zwischen 1000 lx und 2000 lx gefunden.
  • 5) Ausgerechnet links oben in Abb. 11, außerhalb der oberen Grenze von Kruithof (d. h. »nicht gefällig« oder »not pleasant« nach Kruithof) wurden einige Lichtsituationen mit 1800 lx bis 2000 lx und mit Farbtemperatur um 3000 K bis 4000 K als »gut – sehr gut« eingestuft (grüne Symbole). Somit können die Kruithof-Ergebnisse aus der heutigen Sicht teilweise nicht bestätigt werden.

6. Literaturverzeichnis

[1] DIN, DIN SPEC 5031-100:2015-08: Optical radiation physics and illuminating engineering – Part 100: Non-visual effects of ocular light on human beings – Quantities, symbols and action spectra. Berlin: BeuthVerlag, 2015.

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Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh und PD Dr.-Ing. habil. Peter Bodrogi, Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Darmstadt

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 1 | 2019

Erschienen am 25. Februar 2019