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Konzeption und Integration melanopisch wirksamer Beleuchtungssysteme in Fahrzeugen und Untersuchung ihrer Wirksamkeit im Rahmen zweier Fahrstudien

Schüler, Sebastian (2022):
Konzeption und Integration melanopisch wirksamer Beleuchtungssysteme in Fahrzeugen und Untersuchung ihrer Wirksamkeit im Rahmen zweier Fahrstudien. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020858,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Konzeption und Integration melanopisch wirksamer Beleuchtungssysteme in Fahrzeugen und Untersuchung ihrer Wirksamkeit im Rahmen zweier Fahrstudien
Language: German
Abstract:

Licht ist für den Menschen von zentraler Bedeutung und vermittelt neben der visuellen Wahrnehmung eine Vielzahl nichtvisueller Wirkungen. So ist Licht einerseits der wichtigste Zeitgeber um unseren inneren chronobiologischen Rhythmus mit der Umgebung zu synchronisieren. Andererseits kann Licht aber auch innerhalb weniger Minuten akut aktivierende Lichtwirkungen auslösen und damit Leistungsfähigkeit und Stimmung unterstützen. Heute ist bekannt, dass viele dieser Wirkungen primär auf die intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen im Auge zurückzuführen sind, die vor allem auf blauhaltiges Licht sensibel reagieren. Eigene Untersuchungen an Fahrzeugen haben gezeigt, dass tagsüber relativ wenig Tageslicht ans Fahrerauge gelangt und aufgrund dieser „biologischen Dunkelheit“ Aufmerksamkeits- und Leistungseinbußen am Steuer zu befürchten sind. Es soll daher untersucht werden, ob durch eine zusätzliche aktivierende Beleuchtung im Fahrzeug am Tag die Leistungsfähigkeit und Stimmung der Fahrer unterstützt werden kann. Hierzu werden zunächst Beleuchtungssysteme für LKW und PKW entwickelt und in die Fahrzeuge integriert. Anschließend werden die Lichtapplikationen in mehreren Probandenstudien im LKW und PKW hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Akzeptanz untersucht. Als Beleuchtungskonzept wurden flächige Leuchtmodule mit stark blauhaltigem Lichtspektrum aufgebaut, die so in die Fahrzeuge integriert wurden, dass sie von oben in die Augen einleuchten und keine Blendung auftritt. Es wurden drei Lichtapplikationen entwickelt, die vor und nach der Fahrt (Lichtdusche) sowie während der Fahrt (adaptive Tageslichtergänzung „Daylight+“) sowie am frühen Morgen zum Aufstehen (Lichtwecker) genutzt werden. Die Studien wurden als within-subject-Design mit aktiver Placebobedingung und jeweils mehrstündigen Fahrten in monotoner Fahrsituation durchgeführt. Die LKW-Studie fand über 40 Studientage im trüben Finnland statt, während die PKW-Studie über 20 Studientage in Süddeutschland durchgeführt wurde. Beide wurden im öffentlichen Verkehr unter realen Licht- und Fahrbedingungen durchgeführt. In beiden Studien kommen umfangreiche Erhebungsinstrumente zum Einsatz, die von kontinuierlichen EEG-Messungen während der Fahrt, über Leistungstest sowie zahlreichen Fragebögen vor und nach der Fahrt, bis hin zu Melatoninproben am Abend und zur Polysomnografie während der Nacht reichen. In beiden Studien konnte nachgewiesen werden, dass sich die Beleuchtungsstärke am Fahrerauge durch die verschiedenen Lichtapplikationen im Stand sowie während der Fahrt sehr deutlich erhöhen lässt. Hierbei treten keine Störungen oder Blendungen auf. In unterschiedlichen Erhebungsmethoden konnten leistungsunterstützende Lichtwirkungen signifikant nachgewiesen werden. Aufgrund der besseren Rahmenbedingungen sind diese in der LKW-Studie stärker aufgetreten als in der PKW-Studie. Die deutlichsten Effekte waren im EEG während der Fahrt (höhere Wachheit während der Lichtbedingung) sowie in den PVT-Tests (Reaktionszeittests) vor und nach den Fahrten erkennbar.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

For humans, light is of central importance. Besides allowing for visual perception, it provides numerous nonvisual effects. Light is the most important zeitgeber to synchronize our inner chronobiological rhythm to the environment. It can also trigger acute alerting effects within minutes and thereby support performance and mood. Today it is known that many of those effects primary rely on the intrinsic photosensitive retinal ganglion cells in the eye, which are most sensitive to bluish light. Own investigations have shown that only a relatively small amount of daylight reaches the eye of a driver in a vehicle. Due to this “biological darkness” a reduced attention and loss of performance at the wheel is to be feared. This work shall therefore investigate whether an additional activating lighting in a car can support the performance and mood of the drivers. Therefore, lighting systems for trucks and passenger cars shall be developed and integrated into those vehicles. Afterwards, the light applications will be tested in field studies in both vehicle types regarding their effectiveness and acceptance. As a lighting concept, planar light modules with a bluish light spectrum were built. They were integrated into the vehicles in such a way that they shine into the eyes from above and prevent glare. Three light applications were developed that were used before and after the drive (light shower), during the drive (adaptive daylight supplementation “Daylight+”), as well as in the early morning (light alarm clock). The studies were each conducted as a within-subject-design with an active placebo condition and several hour long drives in monotonous traffic situations. The truck study took place in Finland during 40 dull study days, while the passenger car study took place in southern Germany during 20 study days. Both studies were conducted in public traffic under real light- and traffic conditions. In both studies an extensive amount of measurement methods were used during the driving sessions such as a continuous EEG measurement, but also before and after the drive, such as multiple performance tests and questionnaires. Melatonin samples were taken in the evening and a polysomnography was conducted during the night. Both studies could prove that the different light applications increased the illuminance at the driver’s eye significantly while driving or during breaks. No disturbances or glare were observed. In different measurement methods, the performance supporting light effects could be proven significantly. Due to the more suitable setup, those effects were stronger in the truck study than in the passenger car study. The strongest effects occurred in EEG data during the drive (higher alertness during light condition) as well as in the reaction time test (PVT-test) before and after the drive.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xx, 301 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Light Technology (from Oct. 2021 renamed "Adaptive Lighting Systems and Visual Processing")
Date Deposited: 14 Mar 2022 13:19
Last Modified: 02 Aug 2022 12:08
DOI: 10.26083/tuprints-00020858
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-208587
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Vogt, Prof. Dr. Joachim
Date of oral examination: 3 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20858
PPN: 492793530
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