Ausführliche Darstellung der technischen und nicht-technischen Aspekte der modernen Beleuchtungstechnik im Blick auf die Wirkung auf den Menschen! Die moderne Lichttechnik befasst sich nicht nur mit den technischen Aspekten von Beleuchtung in Innenräumen, sondern auch mit der Wirkung unterschiedlicher Arten von Beleuchtung auf den Menschen. Über die genaue Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Licht und der Lichterzeugung hinaus werden dazu validierte physiologische und psychologische Wahrnehmungsmodelle benötigt, auf deren Basis Hersteller von Leuchtmitteln und Anbieter von Lichttechniklösungen Design- und Entwicklungsentscheidungen treffen können. Dieses Buch gibt einen Überblick über das Forschungsgebiet des Human Centric Integrative Lighting, also der menschzentrierten Innenraumbeleuchtungstechnik. Nach einer Zusammenfassung der Grundlagen der Lichttechnik im Zusammenspiel mit der menschlichen Wahrnehmung und dem aktuellen Stand der heutigen Innenraumbeleuchtung legen die Autoren die Grundprinzipien des Human Centric Integrative Lighting dar und schildern ausführlich Aspekte wie visuelle Leistungen, Farbqualität und emotionale Wirkung sowie die Korrelation der relevanten Parameter. Im Anschluss diskutieren sie umfassende Lichtqualitätsmodelle und leiten daraus Empfehlungen für die praktische Umsetzung des Konzepts des Human Centric Integrative Lighting ab. * Geballtes Expertenwissen: das Buch ist geschrieben von Deutschlands führenden Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Lichttechnik * Kohärente Zusammenfassung des Forschungsstands: das Buch kombiniert die relevanten Forschungsergebnisse aus Zeitschriften, Patentschriften und Normen zu einem einheitlichen Ganzen * Praxisorientierter Ansatz: die wissenschaftlichen Erkenntnisse werden zu Modellen kondensiert, die für Entwickler direkt nutzbar sind
Tran Quoc Khanh ist Universitätsprofessor und Leiter des Labors für Beleuchtungstechnik an der TU Darmstadt. Er hat an der TU Ilmenau in Lichttechnik promoviert und habilitierte sich dort. Er sammelte Industrieerfahrung als Projektleiter bei ARRI CineTechnik in München. Tran Quoc Khanh ist Autor und Koautor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und hält mehrere Patente in verschiedenen Bereichen der Beleuchtungstechnik. Peter Bodrogi arbeitet für den Leuchtenhersteller ERCO im Bereich Lichttechnik. Davor war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Darmstadt. Dr. Bodrogi hat auf dem Gebiet der Informationstechnologie promoviert. Er ist Autor und Koautor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und hält Patente über Erfindungen im Bereich selbstleuchtender Anzeigetechnik sowie der Lichttechnik. Quang Trinh Vinh ist Senior Research Fellow am Laboratorium für Lichttechnik der TU Darmstadt, von der er 2013 seinen Dr.-Ing. erhalten hat. Sein Forschungsgebiet ist die mathematische Modellierung von Hochleistungs-LEDs (phosphorkonvertierte LEDs), einschließlich ihres elektrischen, thermischen und optischen Verhaltens sowie ihrer Lichtqualität und Farbqualität. Er ist Autor und Koautor mehrerer wissenschaftlicher Publikationen und Erfinder von Patenten in der LED-Beleuchtungstechnik.
Vorwort und Danksagung v
1 Einleitung und Motivation1
1.1 Einfuhrung: ein historischer Ruckblick und aktuelle Fragestellungen 1
Literatur 4
2 Grundlagen der Lichttechnik visuelle und nicht visuelle Grundaspekte5
2.1 Das menschliche Sehsystem: visuelle und nicht visuelle Signalverarbeitung 5
2.2 Lichttechnische und farbmetrische Kenngrosen 10
2.2.1 Lichttechnik und Farbmetrik 10
2.2.2 Farbmetrik: CIE-Normvalenzsystem und CIE-Normfarbtafel 11
2.2.3 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbraume, Farbdifferenzformeln 14
2.2.4 Das CIECAM02-Farberscheinungsmodell 16
2.2.5 CAM02-UCS-Farbraum 19
2.3 Grundlagen der nicht visuellen Aspekte 19
2.3.1 Melatoninunterdruckung in der Nacht 19
2.3.2 Modellierung der Melatoninunterdruckung in der Nacht mit dem zirkadianen Stimulus (CS) und dem melanopischenWirkungsfaktor 21
2.3.3 Spektrale Aktivitatsfunktionen nach der CIE 24
2.3.4 Mathematische Zusammenhange zwischen circadian stimulus (CS), melanopischer Beleuchtungsstarke und D65-aquivalenter Beleuchtungsstarke 25
Literatur 26
3 Grundprinzipien von Human Centric Lighting/integrativer Beleuchtung29
3.1 Grundsatzliche Fragestellungen, allgemeine Aspekte 29
3.2 Eingangsgrosen eine Systematik 31
3.3 Gehirnverarbeitung zur Bildung subjektiver und objektiver Verhaltensgrosen 34
3.3.1 Visuelle Verarbeitungssysteme 34
3.3.2 Verarbeitungszentren und Ubertragungsbahnen fur nicht visuelle Lichtwirkungen 40
3.4 Timing-System, zirkadianer Rhythmus und Schlafverhalten 44
3.4.1 Fragestellungen 44
3.4.2 Timing-System: Entrainment, Zeitgeberrolle 45
3.4.3 PRC-Funktion, Phasenverschiebung 46
3.4.4 Chronotypen, Schlafverhalten 47
3.5 Ausgangsgrosen des visuellen und des nicht visuellen Gehirnverarbeitungsapparats: eine Systematik 49
3.6 Grundaspekte von Human Centric Lighting Integrative Lighting 49
3.7 Werkzeuge und Methoden fur die Ermittlung der subjektiv und objektiv messbaren Lichtwirkungen 53
3.7.1 Fragebogen zur umfassenden subjektiven Bestimmung der Beleuchtungsqualitat von Innenraumen 53
3.7.2 Fragebogen zum Schlafverhalten, Schlafrigkeit,Wachheit subjektive Basis 54
3.7.3 Objektive Methoden undWerkzeuge 55
Literatur 56
4 Sehleistungen Arbeitsleistungen59
4.1 Stand der Normung fur Innenraumbeleuchtung am Beispiel der DIN EN 12464 59
4.2 Sehleistungen 64
4.2.1 Definition und Einflussfaktoren 64
4.2.2 Das RVP-Modell von Rea, 1991 66
4.2.3 Das Modell von Kokoschka auf der Datenbasis vonWeston 70
4.3 Arbeitsleistungen 73
4.3.1 Zuordnung der Arbeitsleistungsaspekte 73
4.3.2 Modell zur Beanspruchungsregulation bei schlechter Beleuchtung 74
4.3.3 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die geistige Arbeit 76
4.3.4 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die Arbeitsleistung an Industriearbeitsplatzen 81
4.3.5 Zusammenfassung der Aussagekraft der Sehleistungs- und Arbeitsleistungsergebnisse vorlaufige Konsequenzen fur die
Innenraumbeleuchtung 84
Literatur 85
5 Moderne Aspekte der Helligkeit und der visuellen Klarheit im Kontext der Lichtqualität und visuelle Leistung87
5.1 Einfuhrung 87
5.2 Versuchsmethode der Probandenstudie 92
5.3 Modellierung der Helligkeit und der visuellen Klarheit 94
5.4 Zusammenfassung 99
Literatur 100
6 Farbqualität und psychophysisch-emotionale Aspekte, Laborexperimente103
6.1 Einleitung 103
6.2 Bevorzugte horizontale Beleuchtungsstarken 104
6.3 Bevorzugte Leuchtdichten von derWand am Monitorarbeitsplatz 106
6.3.1 Einfuhrung 106
6.3.2 Versuchsmethode 107
6.3.3 Auswertung der Ergebnisse 112
6.3.4 Zusammenfassung 112
6.4 Bevorzugte Farbtemperaturen 114
6.4.1 Einfuhrung 114
6.4.2 Experimentelle Methode 115
6.4.3 Ergebnisse und Diskussion 120
6.5 Bevorzugte Bereiche von Farbtemperaturen und Beleuchtungsstarken 122
6.5.1 Das Wesen der Beleuchtungsstarke und der Farbtemperatur 122
6.5.2 Beleuchtungsstarke und Farbtemperatur in der Literatur 123
6.5.3 Visuelle Experimente zum kombinierten Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 125
6.5.4 Ergebnisse: kombinierter Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 127
6.5.5 Abhangigkeit der bevorzugten Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke von Alter und Geschlecht fur Aktivierung und Entspannung 128
6.6 Bevorzugte Farborte (Weistone) 130
6.6.1 Einfuhrung 130
6.6.2 Versuchsmethode 132
6.6.3 Ergebnisse 132
6.7 Farbqualitat 134
6.7.1 Wahrnehmungsaspekte der Farbqualitat 134
6.7.2 Modellierung der Farbpraferenz, der Naturlichkeit und der Lebhaftigkeit 139
6.7.3 Berucksichtigung von roten Objektfarben im Farbpraferenzmodell 144
6.8 Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 147
6.8.1 Einfuhrung 147
6.8.2 Methode des Versuchs zur Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 147
6.8.3 Ergebnisse der subjektiven Skalierung der Farbpraferenz fur den Hautton und optimale Sattigungsstufen 152
6.9 Farbwiedergabeindizes und deren semantische Bedeutung 155
6.9.1 Einfuhrung 155
6.9.2 Methodik des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 155
6.9.3 Ergebnisse des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 158
6.10 Zusammenfassung des Kapitels 6: Vorlaufige Konsequenzen fur die Innenraumbeleuchtung 159
Literatur 160
7 Neue Lichtqualitätsmodelle aus Laborexperimenten und Validation in Feldversuchen163
7.1 Einfuhrung 163
7.2 Eingangs- und Ausgangsparameter der Lichtqualitatsmodelle 165
7.2.1 Eingangsparameter 165
7.2.2 Ausgangsparameter 165
7.3 Versuchsanordnungen fur die Lichtqualitatsmodelle 166
7.4 Gleichungen der Lichtqualitatsmodelle 170
7.4.1 Helligkeit 170
7.4.2 Visuelle Klarheit 171
7.4.3 Farbpraferenz 173
7.4.4 Szenenpraferenz 175
7.5 Modellierung mit dem circadian stimulus (CS) 175
7.5.1 Berechnungsmethode 178
7.5.2 Helligkeit 178
7.5.3 Visuelle Klarheit (VC) 179
7.5.4 Farbpraferenz (CP) 179
7.5.5 Szenenpraferenz (SP) 181
7.5.6 Visualisierung der VC-, CP- und SP-Modelle in Konturdiagrammen 181
7.6 Validation der Lichtqualitatsmodelle in drei Museen in Japan 183
7.7 Zusammenfassung 185
Literatur 187
8 Korrelationsanalyse der HCL-Kenngrößen und Konsequenzen für die Messtechnik nicht visueller Effekte191
8.1 Generelle Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 191
8.1.1 Einfuhrung 191
8.1.2 Bewertung der Farbwiedergabeindizes 195
8.1.3 Bewertungen der Helligkeitskenngrosen 197
8.1.4 MelanopischeWirkung und Farbwiedergabe 199
8.2 Spezifische Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 200
8.3 Struktur und Kategorien der Eingangskenngrosen im HCL-System 202
Literatur 207
9 Psychophysisch-emotionale Aspekte visueller Komfort und nicht visuelle Wirkungen209
9.1 Psychologisch-emotionale Aspekte der Lichtwirkung 209
9.1.1 Einfuhrung 209
9.1.2 Psychologische Wirkung der veranderlichen Lichtsituationen, Raumwirkung 212
9.2 Raumeindruck, Raumhelligkeit und Gesichtsfeldleuchtdichte 219
9.3 Visueller Komfort Flimmern und stroboskopische Effekte 221
9.3.1 Pulsweitenmodulation und Konstantstromregelung 221
9.3.2 Flimmern und stroboskopische Effekte 221
9.3.3 Stand der Forschung 222
9.3.4 Untersuchung 224
9.3.5 Ergebnisse 228
9.3.6 Fazit 232
9.4 Nicht visuelle Lichtwirkungen in den nachtlichen Stunden 232
9.4.1 Einfuhrung 233
9.4.2 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit polychromatischem weisem Licht 233
9.4.3 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit quasimonochromatischem Licht 238
9.4.4 Bildung einerMetrik zur Charakterisierung der zeitabhangigen Melatoninunterdruckung 241
9.4.5 Bestimmung der potenziellen Ursachen fur dieMelatoninunterdruckung in nachtlichen Stunden 244
9.4.6 Beleuchtungstechnische Aspekte fur die Schichtarbeiten 246
9.5 Psychologische und gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 252
9.5.1 Psychologische Aspekte 253
9.5.2 Gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 255
9.5.3 Quantitative Charakteristik von Tageslicht und elektrischem Licht ein Vergleich 258
9.6 Einflusse von Lichtintensitat und Zeitpunkt der Lichtexposition auf das Schlafverhalten 264
9.7 Lichtwirkungen auf dieWachheit Literaturanalyse verschiedener Publikationen 267
9.7.1 Wachheit in den abendlichen und nachtlichen Stunden 267
9.7.2 Wachheit in der Tageszeit 268
9.8 Ergebnisse der Lichtwirkung auf dieWachheit in der Fruhschicht in einem Industriebetrieb 272
9.8.1 Ergebnisse der Datenauswertung 273
9.8.2 Zusammenfassung und Diskussion 274
Literatur 275
10 Praktische HCL-Lichtmesstechnik im Innen- und Außenbereich281
10.1 Einfuhrung 281
10.2 Arbeitsthesen und Fragestellungen fur die HCL-Lichtmesstechnik 283
10.3 Lichtmesstechnische Aspekte 286
10.3.1 Gesichtsfeldeinteilung 286
10.3.2 Derzeitige Definitionen der zirkadian wirksamen Bestrahlungsstarke 287
10.3.3 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und Normfarbwertanteile z 292
10.3.4 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und die ahnlichste Farbtemperatur CCT 294
10.4 Zirkadian wirksame Bestrahlung im Ausen- und Innenbereich durch integrale Feldmessungen 296
10.4.1 Die Feldmessungen im Winter 297
10.4.2 Feldmessungen an einem Sommertag 298
10.4.3 Feldmessungen am Abend eines Herbsttages 300
10.5 Tageslichtmessung fundamentale und praktische Ansatze 304
10.5.1 Fundamentale spektrale Messung der Tageslichtspektren 304
10.6 HCL-Lichtmessungen an Buroarbeitsplatzen 310
10.6.1 BenotigteMessgrosen sowie verwendeteMesstechnik 310
10.6.2 Messaufbau 311
10.6.3 Messraume 312
10.6.4 Messergebnisse an verschiedenen Buroarbeitsplatzen 313
Literatur 316
11 Technologische Aspekte der HCL Beleuchtung in Gebäuden319
11.1 Einfuhrung in die Thematik Smart Lighting 319
11.2 Technische Grundlagen von Smart Lighting 323
11.3 Struktur von Cloud-Software und Applikationsfalle 331
11.4 Lichtregelung und spektrale Optimierung fur hochqualitatives und gesundes Licht 334
11.4.1 Stufen der Realisierungsmoglichkeiten der Leuchten fur die HCL-Beleuchtungstechnik 334
11.4.2 Stufen 1 und 2 mit konstanter Farbtemperatur 335
11.4.3 Entwicklungsstufen 3 und 4 mit variabler Farbtemperatur und variable Beleuchtungsstarke 343
11.4.4 Entwicklungsstufe 5 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und mit einer hohen Farbqualitat 344
11.4.5 Entwicklungsstufe 6 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und Tageslichtberucksichtigung 346
11.5 Farb- und Lichtsensorik 352
Literatur 356
12 HCL-Orientierte Beleuchtungsplanung Grundaspekte und Umsetzung359
12.1 Einordnung von HCL-Konzeption des Prozesses der Beleuchtungsqualitat 359
12.1.1 Konzeptionen und Gedankenprozesse uber die Beleuchtungsqualitat bis ins Jahr 2002 359
12.1.2 Derzeitiger Literaturstand und neue Gedanken uber die Beleuchtungsqualitat 366
12.1.3 Zusammenfassende Konzeption uber HCL und Beleuchtungsqualitat ein Konzeptentwurf 368
12.2 Prozess und Einflussfaktoren zur Erzielung der Beleuchtungsqualitat Lichtplanung 370
12.2.1 Ziele und Einordnung der HCL-orientierten Lichtplanung 370
12.2.2 Prozessschritte der HCL-orientierten Lichtplanung 371
12.3 Tageslicht und Tageslichtplanung 377
12.3.1 Einfuhrung 377
12.3.2 Tageslicht in lichtplanerischer Sicht Tageslichtplanung im Rahmen der Normung 378
12.3.3 Tageslichtplanung fur nicht visuelle Effekte 380
12.3.4 Einige Daten uber Tageslichtwirkungen 381
12.4 Spezifikation der HCL-Beleuchtungsanlagen fur Tageszeit Entwurf fur eine Empfehlung 382
12.4.1 Einfuhrung 382
12.4.2 Beleuchtungsniveau, zirkadian wirksame Beleuchtungsstarken 383
12.5 Dynamisches Licht Steuerkurven 392
12.6 Beleuchtung fur Nutzer/-innenmit hoherem Lichtbedarf 398
12.6.1 Das Sehen im Alter einige Aspekte 399
12.6.2 Beleuchtung fur Altenheime und an Demenz erkrankten Menschen 403
12.6.3 Vorschlag fur die Beleuchtungsplanung fur Altenheime und Pflegeheime 406
Literatur 408
13 Zusammenfassung und Ausblick413
13.1 Zusammenfassung 413
13.2 Ausblick 417
Anhang A Einheitliche Bewertung von Lichtsituationen mit dem LiTG-Fragebogen (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e. V.)419
Literatur 422
Stichwortverzeichnis 423
