Phantome, die unser Wissen beherrschen X

Dieses Phantom ist die Grundlage aller lichttechnischen Größen. Dass es eigentlich längst in die Geschichte gehört, diskutierte ich noch als junger Student, als uns Professor Helwig die V(λ)-Kurve erklärte. Helwig ist schon 55 Jahre tot, das Phantom hat vor zwei Jahren quicklebendig sein erstes Jahrhundert gefeiert.

Die junge Lichttechnik zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatte sich vorgenommen, Lichtgrößen für den Menschen zu bestimmen und Licht an dem Menschen zu messen. Damit war sie vielen Disziplinen weit voraus. Die Physik misst Licht mit ähnlichen Instrumenten wie die Lichttechnik, kommt aber zu einem anderen Ergebnis. Das liegt an der besagten V(λ)-Kurve.

Die Kurve, die sich so schick geschwungen präsentiert, sah nicht immer so aus wie hier. An ihr ist viel poliert worden.

Sie hieß einst relativ visibility und wurde, wie im Bild deutlich erkennbar, aus verschiedenen Studien zusammengestückelt. Die CIE (Commission Internationale de l'Éclairage) sammelte die Daten von etwa 50 Probanden aus verschiedenen Studien. Obwohl die Gruppe statistisch gesehen recht klein war, reichten die Daten aus, um einen Mittelwert zu bilden. So wurden die individuellen Empfindlichkeitskurven der Probanden gemittelt. Der höchste Punkt der Kurve (das Maximum) wurde auf den Wert 1 gesetzt. Dieser Punkt liegt bei einer Wellenlänge von 555 nm (gelb-grün). 1924 wurde diese gemittelte Kurve als internationaler Standard für das photopische Sehen (Tagessehen) definiert.

An sich kein großes Problem. Dumm nur, dass die Probanden in den relevanten Studien der frühen 1920er Jahre (hauptsächlich die Untersuchungen von Gibson und Tyndall sowie Coblentz und Emerson) überwiegend junge Erwachsene waren. Die meisten Teilnehmer waren zwischen 20 und 30 Jahre alt. In der entscheidenden Studie von Gibson und Tyndall (1923), die 52 Probanden umfasste, lag das Durchschnittsalter bei etwa 26 bis 27 Jahren. Noch dümmer: Viele der Probanden waren Mitarbeiter des National Bureau of Standards (NBS) (also vom Fach) oder Studenten – also eine leicht verfügbare, junge Testgruppe.

Was in den Annalen nicht steht, weil man den Fehler in der Forschung bis heute macht: Alle Probanden waren jung, gesund und irgendwie “normal”. Wer im National Bureau of Standards arbeitet, gehört zudem nicht zu Familie Doe, deren Mitglieder John und Jane unserem Max und Erika   Mustermann entsprechen. Und Studenten im Alter von 25 Jahren bildeten zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Bevölkerung genauso wenig ab wie im Jahre 2026.

Bei diesem Beitrag geht es insbesondere um die Altersgruppe, weil die Augen von allen Lebewesen mehr oder weniger stark altern. Beim Menschen ändert sich die Lichtwahrnehmung durch rund ein Dutzend Alterungsprozesse, die relevant sind.

Bedeutung der V(λ)-Kurve

Die so definierte Kurve liegt allen lichttechnischen Größen zugrunde. Dies hat zweierlei Auswirkungen. Zum einen die beabsichtigte: Bewerten der Strahlung nach der angestrebten Wirkung, die Hellempfindung. Zum anderen verführt sie zu der Annahme, es handele sich um eine Quantifizierung einer physiologischen Wirkung. Genau dies ist falsch. Wie unten ausgeführt, beweist sogar ein Standard der CIE dies höchstpersönlich.

Die aus der Sicht der lichttechnischen Industrie wichtigste lichttechnische Grundgröße ist der Lichtstrom, also die Menge des Lichts, die ein Leuchtmittel abgibt. Daraus lässt sich z.B. die Effizienz einer Umwandlung von Energie in Licht berechnen. Auch die populärste, weil auch den Laien bekannte, lichttechnische Größe, die Beleuchtungsstärke, lässt sich daraus ableiten.

Damit kommen wir der physiologischen Wirkung näher, die man mit einer Lichtquelle erzielen will, der Sehleistung. Egal wie man diese definiert, landet die Betrachtung immer bei der Leuchtdichte, die z.B. beim Kontrast eine große Rolle spielt, die wiederum z.B. die Lesbarkeit stärker beeinflusst als die meisten anderen Größen. Auch bei der Geschwindigkeit des Erkennens kleiner Objekte spielt die Leuchtdichte die Hauptrolle.

Genau da setzen die diversen Fehlermöglichkeiten an, die sich aus dem Phantom ergeben.

Dieser Herr zeigt, wie aus dem Lichtstrom eine Leuchtdichte wird. Bereits er gehört nicht mehr der Altersgruppe an, für die die V(λ)-Kurve ermittelt worden war. Es kann aber noch schlimmer kommen, wie die beiden Personen in dem unteren Bild zeigen.

Die beiden Menschen sehen sehr unterschiedlich alt aus. Trotzdem ergibt die Beleuchtungsstärke nach der Reflexion die Leuchtdichte. Wenn man die Formel auf beiden anwendet, ist der Wert der Leuchtdichte gleich. In der Realität allerdings nicht. Was der linke junge Mann sieht, hat relativ wenig mit dem zu tun, was sich der Dame präsentiert.

Die Erklärungen der Grundgrößen durch zwei offizielle Stellen, unverkennbar Agrargenossenschaften, illustrieren einen möglicherweise größeren Fehler.

Denn die abgebildeten Beobachter sind keine jungen Männer, sondern Nutztiere. Diese besitzen wie die meisten Säugetiere nur zwei Farbempfänger im Auge (Dichromaten), während die Menschen drei Farbempfänger besitzen (Trichromaten). Wenn das obige Bild von einem Aquarianer gezeichnet werden würde, würde der einen noch größeren Fehler produzieren, weil Vögel und Fische vier Farbempfänger haben und viel mehr sehen können als Menschen. Allein der Unterschied zwischen Säugetieren und Menschen ist derart groß, dass man das Licht für beide mit zwei getrennten Geräten messen müsste.

Die Sicht auf das Licht durch das Auge eines jungen Mannes wird vollends absurd, wenn man sie auf Pflanzen anwendet. Deren „V(λ)-Kurve“ ist eher die Umkehrung der menschlichen.

Nicht nur auf der großen weiten Welt leben Menschen, Tiere und Pflanzen zusammen, sondern zuweilen in kleinen Wohnzimmern. Wenn Licht über die Augenempfindlichkeit von jungen Männern definiert wird, ergeben sich somit erhebliche Probleme.

Vor vier Jahren haben britische Forschende eine Arbeit veröffentlicht, aus der hervorgeht, dass nicht einmal die Erdüberwachungssatelliten gemerkt haben, dass der Planet nachts blauer strahlt, weil ihre Sensoren im blauen Bereich praktisch blind sind. (s. Der blauere Planet)

Dann kam die Idee mit der mel-Lux …

Mit der Entdeckung eines neuen Sensors im Auge im Jahr 2001 kam man gleich auf die Idee, deren Wirkung ebenso zu quantifizieren wie die Wirkung auf die Hellempfindung mit der V(λ)-Kurve. Die treibende Motivation beruhte auf der Erbsünde der LED, die technologiebedingt immer einen Peak im Blauen aufweist. Im Spektrum sieht das wie folgt aus:

Dass dieser Verlauf des Spektrums für die meisten LEDs gilt, zeigt ein Bild von Bodrogi, der mehrere hundert LED-Spektren gemessen und in einem Diagramm abgebildet hat.

Mit dem Standard CIE S 026/E:2018 wurde die Grundlage dafür gelegt, dass neben den herkömmlichen lichttechnischen Größen wie der Beleuchtungsstärke eine entsprechende melanopische Größe berechnet werden kann.[1] Nunmehr heißen die herkömmlichen Größen visuelle Größen. Im Gegensatz dazu werden die neuen Größen melanopisch bezeichnet, weil sie auf der Empfindlichkeit von Melanopsin beruhen. Im Internationalen Wörterbuch der Lichttechnik (e-ilv) findet sich zu jeder Größe auch eine melanopische.

Jetzt müssen die visuellen Größen mit dem Index „v“ gekennzeichnet werden, d.h. zu Leuchtdichte wird das Kürzel L_v und L angegeben, bei der Beleuchtungsstärke muss man sich viel Mühe geben, keinen Fehler zu machen. Denn E_v ist nicht einfach die visuelle Beleuchtungsstärke, weil es schon einmal eine etablierte Größe mit dieser Bezeichnung gegeben hat. Um die Sache zu verschlimmern, wurde diese Größe auch noch zur bestimmenden Wirkgröße für die melanopische Wirkung auserwählt. Deswegen muss die Vertikalbeleuchtungsstärke E_v,v genannt werden. Wenn man irgendwo nur E_v liest, muss man nachsehen, wann der Artikel veröffentlicht worden ist.

Das grundsätzliche  Problem liegt aber anderswo begraben: Die melanopischen Größen sind altersabhängig. Wenn man die Beleuchtungsstärke mel-EDI mEDI oder MEDI angibt, gilt die Angabe für 32 Jahre alte Menschen. In CIE S 026/E:2018 kann man die Altersabhängigkeit bis zum 90. Lebensjahr ablesen. Allerdings ist das Ablesen nicht nur schwer verständlich, sondern auch noch teilweise unmöglich. Das liegt daran, dass die neuen Größen einen Schritt in Richtung physiologisch gegangen sind und daher die Einflüsse des Alterns auf das Auge besser abbilden. Hinzukommt, dass die neuen Beleuchtungsstärken auch noch vom Spektrum abhängen. Das erkennt man nicht zuletzt an der Angabe einer melanopischen Beleuchtungsstärke:

Der Wert von 128 lx gilt für das Spektrum D65 und 32 Jahre alte Menschen. Für andere Menschen und Spektren muss man mit einem Korrekturfaktor arbeiten. Dieser liegt zwischen 1,052 (Alter 25 Jahre, Spektrum D65) und 0,442 (Alter 90 Jahre, Spektrum Normlichtart LED-B5).

Mit anderen Worten, die melanopische Wirkung des Lichts kann sich um den Faktor 2,38 unterscheiden, während ein Lichtmessgerät, das die Beleuchtungsstärke anzeigt, für alle Lampentypen und alle Menschen von 0 bis 100 Jahren denselben Wert angibt. Dieser Effekt hat aber mit der melanopischen Wirkung des Lichts wenig gemein, außer dass für beide die Vergilbung der Augenmedien maßgeblich ist.

Das Alterungsverhalten des Auges war bereits in der Antike bekannt. Schon im antiken Griechenland und Ägypten wusste man, dass Augen im Alter "blind" und weißlich-trüb werden können. In der Renaissance hatte man die Trübung der Linse im Fokus. Georg Bartisch veröffentlichte 1583 das erste bedeutende Werk der Augenheilkunde ("Ophthalmodouleia"). Darin beschrieb er verschiedene Formen des Stars, doch die chemische Veränderung – also die Vergilbung – blieb noch ein Rätsel.

Die Auflösung folgte im 18. Jahrhundert. Mit der Entwicklung besserer Mikroskope und der Extraktion der Linse bemerkten Ärzte, dass Linsen im Alter nicht nur trüb, sondern oft deutlich bernsteinfarben oder gelblich-braun sind. Mitte des 19. Jahrhunderts begann man zu verstehen, dass diese Gelbfärbung die Farbwahrnehmung beeinflusst (insbesondere die Absorption von kurzwelligem, blauem Licht). Die Auswirkungen dieser neuen Erkenntnisse konnte man bis in die Damenmode (Farbe der Hüte) verfolgen. Auch historische Gemälde von Künstlern im hohen Alter (wie etwa Claude Monet) haben oft einen extremen Gelbstich oder es fehlten Blautöne fast völlig: Die Künstler malten so, wie sie die Welt durch ihre vergilbten Linsen sahen.

So gesehen war die Definition des Lichts ohne Alterungseinflüsse und mit Experimenten mit jungen Männern ein bedenklicher Vorgang gewesen. Forscher wie Weston (1945) und spätere Studien zeigten, dass ein 60-Jähriger etwa dreimal so viel Licht benötigt wie ein 20-Jähriger, um die gleiche Sehaufgabe (z. B. Lesen) mit derselben Genauigkeit zu bewältigen. In den 1960er Jahren wurde nachgewiesen, dass die Netzhaut eines 60-Jährigen nur noch etwa 33 % des Lichts erhält, das die eines 20-Jährigen erreicht.

So wurde in der Lichttechnik folgerichtig gefordert, für ältere Personen höhere Lichtniveaus vorzusehen. Aber die Idee, die Bestimmung des Lichts so zu ändern, dass ein bestimmter Wert für alle Altersgruppen die gleiche Hellempfindung bedeutet, kam man aber nicht. Dies wäre ein weiterer Schritt in Richtung physiologisch richtiger Bestimmung des Lichts geworden.

Stattdessen haben sich die Beleuchtungsnormen auf die “normale” Sehkraft eingeschossen. So hieß es bei der Norm DIN 5035 (Entwurf, 1969): “Die Nennbeleuchtungsstärken nach Tabelle 1 gelten für Räume, die mit Personen unterschiedlichen Alters besetzt sind. Bei für vorwiegend ältere Menschen geplanten Allgemeinbeleuchtungsanlagen sowie bei Arbeitsplatzbeleuchtungen für den Einzelnen sind die Beleuchtungsstärken der nächsthöheren Stufe zu wählen.” Was machen die älteren Mitarbeitenden bei den Standard-Arbeitsplätzen?

In späteren Jahren verschwand die Anforderung für Räume mit vorwiegend älteren Mitarbeitenden und wurde durch etwas Schlimmeres ersetzt: „Die Zuordnung eines bestimmten Wertes der Nennbeleuchtungsstärke zu einer Sehaufgabe bezieht sich auf normalsichtige Personen.” (DIN 5035-1:1979-10). Man schrieb also Beleuchtungsnormen für normalsichtige Personen. Wer sollte das wohl sein? Das konnte man nirgendwo erklärt bekommen. Wenn eine Norm aber nicht für die gesamte Arbeitspopulation gilt, muss in derselben Norm angegeben werden, für wen sie nicht gilt.

Nach jahrelangem Studium der Beleuchtungsnormen und der sonstigen lichttechnischen Regelwerke, die seit 1924 entstanden sind, bin ich zu der Überzeugung gekommen: Die Festlegungen der Beleuchtungsnormen, die auch vom Arbeitsschutz angewendet wurden, galten für die jüngere Arbeitsbevölkerung unter 40 Jahren mit gesunden Augen. Diese muss auch noch Glück haben mit den sonstigen Eigenschaften der Beleuchtung. Denn für die Festlegung gilt: „Dabei wird vorausgesetzt, daß dieser Wert der Beleuchtungsstärke in seiner Auswirkung auf die Sehleistung nicht durch Störeinflüsse wie Direktblendung, Reflexblendung und Kontrastminderung, ungeeignete Lichtfarbe und Farbwiedergabe beeinträchtigt wird.“

Wer noch viel schlimmer betroffen sein kann …

Die Gruppe junger Menschen zwischen 0 und 25 Jahren kommt bei der Bestimmung von mel-EDI gemäß CIE S 026/E:2018 nicht vor. Diese ist nicht etwa vergessen worden, sondern ohne Kommentar ignoriert. Denn man weiß nicht viel über die Reaktion jüngerer Menschen bezüglich Melatonin, auf dessen Basis man eine Berechnung durchführen könnte. Was man weiß, ist die wesentlich höhere Transparenz der Augenmedien, bevor deren Vergilbung anfängt, die eine Schutzwirkung gegen blaues Licht entfaltet. Wenn Kinder wie Erwachsene im gleichen Raum der gleichen Beleuchtung ausgesetzt werden, ist die Belastung durch Blaulicht sehr unterschiedlich.

Man hatte früher in Kitas oder Krankenhäusern nicht unbedingt darauf geachtet, dass die für die Erwachsenen geplante Beleuchtung die Augen der auf dem Rücken liegenden Babys schädigen könnte. Dabei gab es vor allem in den 1940ern bis 1960ern viele Erblindungen, die man fälschlicherweise erst nur dem Licht zuschrieb, die aber eine Kombination aus zu viel Sauerstoff und Lichtstress waren. Eines der Opfer war Stevie Wonder, dessen Erblindung zuerst auf das Licht geschoben wurde. Später wurde der Sauerstoff im Inkubator als Ursache identifiziert. Die vermutlich größte Gefährdung erfolgt vermutlich eher an südlichen Stränden, wo blonde und blauäugige Babys und Kleinkinder der Mittelmeersonne ausgesetzt werden.

Systematische Mängel

Unbekanntes Grundkonzept: Accessibility oder Design for All

Die Definition von Licht über die spektrale Empfindlichkeit der Augen junger Männer erschwert die Berücksichtigung des weitaus größeren Teils der arbeitenden Bevölkerung. Die Lichttechnik hat zwar Wörter aus der Antike wie Lux, Lumen oder Candela für ihre Größen ausgewählt und gar den Gott Apollo für den ersten Kartellvertrag der Industriegeschichte eingespannt, der die geplante Obsoleszenz[2] eingeführt hat, aber antike Konzepte wie “Der Mensch ist das Maß aller Dinge” nicht zur Kenntnis genommen.

Die moderne Form des zitierten Spruchs  des antiken Sophisten Protagoras (5. Jh. v. Chr.) trägt den Namen Accessibility. Das ist eine Politik, die der Bürgerrechtsbewegung aus den USA aus den 1960er Jahren entstammt. Sie ist durch viele Länder und auch von der UNO übernommen worden. Die ergonomische Normung wird seit mehr als 20 Jahren mit der zugänglichen Gestaltung der Arbeit und der Arbeitsstätten befasst. Die allgemeine Politik arbeitet nach dem Konzept “Design for All”. Design for All (auch bekannt als „Universal Design“) ist ein Gestaltungskonzept, das darauf abzielt, Produkte, Dienstleistungen und Umgebungen so zu entwickeln, dass sie für alle Menschen gleichermaßen nutzbar sind – unabhängig von Alter, körperlichen Fähigkeiten oder Lebenssituation. Ein solches Design ist für Menschen mit unterschiedlichen Fähigkeiten nützlich und marktfähig. Es kommt verschiedenen Vorlieben und Fähigkeiten entgegen (z. B. linkshänder-freundlich).

Die barrierefreie (accessible) Gestaltung der Beleuchtung an Arbeitsplätzen stellt sicher, dass alle Beschäftigten – unabhängig von individuellen Seheinschränkungen, Alter oder spezifischen Sehaufgaben – sicher, ergonomisch und ermüdungsarm arbeiten können. Das Problem ist, dass man das Konzept in der lichttechnischen Literatur lange suchen kann, ohne es zu finden.

Validitätsproblem – Wenn die Maße nicht stimmen

Validität ist einer der drei wichtigsten Grundpfeiler der Statistik und Forschung (die sogenannten Gütekriterien). Vereinfacht gesagt, beantwortet die Validität die Frage: „Misst der Test wirklich das, was er messen soll?“ Weiter gefasst: Was bedeutet Validität? Was bedeutet eine Messgröße?

Welche praktische Bedeutung die richtige Antwort darauf haben kann, kann man in der Historie der Kerntechnik lesen. Am 28. März 1979 bemerkten die Reaktorfahrer in Three-Mile-Island, Harrisburg, Pennsylvania, dass sie einen Unfall hatten. Pflichtgemäß pumpten sie 6.000 Kubikmeter Wasser in den Reaktor, das damit den notwendigen Wasserstand erzielte. Jedenfalls nach der Anzeige. In Wirklichkeit war kein Wasser im Reaktor. Die Anzeige hatte einen Rechenwert angezeigt, der den Wasserstand aus dem gepumpten Wasser und dem Volumen des Reaktorgefäßes errechnet hatte. Seit diesem Tag sind in den USA nur ganze zwei Reaktoren in Betrieb gegangen. Und das in 48 Jahren.

Das Thema Validierung wird in Genesis 2.0 – Schöpfung der elektrischen Sonne hier ausführlich behandelt:  So soll die Leuchtdichte der Helligkeit entsprechen. Die Lichttechnik muss sich mit sehr ernsthaften Validierungsproblemen befassen, denn alle ihre Größen sind linear, zwei Lux sind das Doppelte von ein Lux, ihre Wirkungen aber nicht, sie sind definiert nach physikalischen Entitäten. So soll die Leuchtdichte der Helligkeit entsprechen. Das tut sie nicht, weil sie das nicht kann.

Lichttechnische Grundgrößen entsprechen physikalischen Größen, die man mit Hilfe der V(λ)-Kurve umrechnet. Wenn ihre Werte etwas bedeuten sollen, müssen sie physiologischen Wirkungen entsprechen, welchen auch immer. Im einfachsten Fall sollten z.B. Reflexionsgrade wie 0,3 oder 0,6 etwa dem Helligkeitseindruck entsprechen, den Proben mit solchen Werten erreichen. Rein physikalisch gesehen reflektiert die Probe mit einem Reflexionsgrad von 0,6 tatsächlich exakt doppelt so viel Lichtenergie wie die Probe mit 0,3. Unser visuelles System arbeitet nicht linear, sondern annähernd logarithmisch. Das bedeutet: Damit wir einen Helligkeitsunterschied als gleichmäßig steigend wahrnehmen, muss die physikalische Lichtintensität exponentiell zunehmen. Das ist die Kernaussage des Weber-Fechner-Gesetzes. Das Weber-Fechner-Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der objektiven Intensität eines physikalischen Reizes und der subjektiv empfundenen Stärke dieses Reizes. Es bildet das Fundament der Psychophysik.

Jeder Lichttechniker und jeder Akustiker lernt das Gesetz, bestimmte Ingenieure gleich zweimal. Wenn sie sich auf dem Gebiet der technischen Akustik bewegen, arbeiten sie mit einer logarithmischen Größe. Als Lichttechniker müssen sie linear denken. Arbeitswissenschaftler wie ich verzweifeln zuweilen, wenn sie den Umstand Betriebsleuten vermitteln sollen.

Einfach gesagt: Es gibt keine physiologischen Entsprechungen zu lichttechnischen Größen. Man muss Lichtwirkungen mühsam mit den Beleuchtungsbedingungen in Relation bringen. Dabei wird man nicht selten durch die falsch definierten Maße in die Irre geführt.

[1] Wann die melanopischen Größen wirklich in dem Wörterbuch erschienen sind, kann ich nicht zuverlässig angeben. Die CIE hat bis zum Jahr 2021 das Zitieren der Begriffe aus ihrem Wörterbuch e-ilv im Internet nicht anerkannt. Sie bestand darauf, dass man die gedruckte Version benutzt. Diese gab es aber in keiner Bibliothek. Mir ist nicht einmal auf offiziellem Weg gelungen, ein Exemplar zu Gesicht zu bekommen. Das wird erst verständlich, wenn man berücksichtigt, dass das Wörterbuch komplett überarbeitet werden musste.

[2] Gemeint ist das Phoebus-Kartell, mit dem weltweit eine feste Dauer für die Glühlampe festgelegt wurde. (mehr hier Das Phoebus-Kartell – Gerücht - Legende – Realität) Phoebus (Phoibos) ist der Beiname von Apoll, besser bekannt als Apollon, des Olympischen Gottes des Lichts und der Heilkunst.

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