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Die
Erfindung betrifft Verfahren für
gesundes Sehen und solarisationsstabile optische Filter aus organischen
oder anorganischen Materialien zur risikoarmen okularen Beeinflussung
photoneuraler Prozesse im photopischen Sehbereich durch gezielte
Applikation definierter Wellenlängenbereiche
des sichtbaren Lichts. Photoneuralen Prozessen werden im Folgenden
auch circadiane und neuroendokrine Prozesse zugeordnet.
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Mit
den erfindungsgemäßen Verfahren
und optischen Filtern werden die geistige und körperliche Leistungsfähigkeit
der Menschen gesteigert, Depressionen behandelt, circadiane Rhythmen
reguliert, das Wohlbefinden, die Sexualität, die Libido, das Haarwachstum
gefördert,
Gewichtszunahmen verhindert/reduziert, degenerative Augenkrankheiten
behandelt und in der Lichttherapie die erforderlichen Behandlungszeiten
verkürzt.
Diese gesunden Wirkungen werden risikoarm, d. h. unter Beachtung
der UV- und Blaulichtgefährdung, erreicht.
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Die
erfindungsgemäßen optischen
Filter werden als Brillengläser,
Linsen, Sichtscheiben, Abdeckungen, Gehäuse, Fenster für Gebäude und
Wohnungen, Folien, Überfangglas
und in Verbindung mit anderen optischen Filtern ausgeführt und
verwendet. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf die
genannten Ausführungsformen
und Anwendungen beschränkt.
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Es
ist bekannt, dass die Sonnenstrahlung vielfältige positive Wirkungen auf
Lebewesen ausübt.
Unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung werden die Menschen aktiver,
geistig und körperlich
leistungsfähiger,
sie fühlen
sich wohler, sind schmerzunempfindlicher, optimistischer, sexuell
aktiver, potenter und zeugungsfähiger.
Durch den tages- und jahreszeitlichen Wechsel der Sonneneinstrahlung
werden die circadianen und circannualen biologischen Rhythmen der
Menschen gesteuert und koordiniert.
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Es
ist auch bekannt, dass diese Wirkungen durch die sichtbare, okular
aufgenommene Sonnenstrahlung (Wellenlängenbereich 380 nm bis 780
nm, VIS-Bereich) über
die Beeinflussung des Hormonhaushalts verursacht oder mitverursacht
werden.
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Zum
einen unterdrückt
die VIS-Strahlung die Bildung bzw. Sekretion des Hormons Melatonin,
das auch als Nacht- oder Depressionshormon bezeichnet wird. Es macht
die Menschen müde,
inaktiv, lustlos und senkt die Körpertemperatur.
Es wird in der Dunkelheit freigesetzt, was durch ausreichend helles
Licht verhindert werden kann. Nachts steigt der Melatoninspiegel
an. Tags über,
unter Lichteinwirkung, ist er gering. Dadurch können bei jahreszeitlich bedingter
geringer Sonnenstrahlung Depressionen auftreten.
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Eine
praktische Anwendung dieser Erkenntnisse besteht in der Behandlung
von Herbst-Winterdepressionen durch künstliche Bestrahlungsvorrichtungen
(Lichttherapie). Herbst-Winterdepressionen sind weit verbreitete
Krankheiten, die als Saisonal Abhängige Depression (Saisonal
Affective Disorder, SAD) und Subsyndromale Saisonal Abhängige Depression
(Subsyndromal Saisonal Affective Disorders, S-SAD) bezeichnet werden.
Es wird geschätzt,
dass in Mitteleuropa ca. 10 % der Menschen an SAD leiden. Schätzungen
in den USA gehen von einer Prävalenzrate
bei SAD von 5 % und bei S-SAD von 11 % aus.
- /1/ Zulley,
J., u. a.: Unsere Innere Uhr; Verlag Herder Freiburg, Breisgau,
2000, S. 22-25, 98-106
- /2/ Zulley, J., u. a. (Hrsg): Lichttherapie, S. Roderer
Verlag, Regensburg 1999, S. 87-113
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Zum
anderen fördert
die VIS-Strahlung im Zusammenhang mit der Melatoninsuppression günstigerweise
die Sekretion von Hormonen, hormonähnlichen Stoffen und die Aktivität von Neurotransmittern
(Botenstoffen), so z. B. von Endorphinen, Serotonin, Katecholaminen
(Dopamin, – Dopamin
auch als Muttersubstanz von Adrenalin und Noradrenalin – und Norepinephrin),
von Kortisol, Oxytoxin, Phenylethylamin (PEA), Östrogen und Testosteron. Ein
erhöhter
Gehalt der „Glücks- und
Stimmungsstoffe" Beta-Endorphin,
Serotonin und Dopamin und des „Kuschelhormons" Oxytoxin im Blut
hebt die Stimmung, mindert das Schmerzempfinden, steuert den Schlaf-Wachrhythmus,
macht euphorisch und fördert
die Libido.
- /3/ Froböse, G. und R.: Lust und Liebe – alles
nur Chemie?; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004, S. 91-115
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Der übergeordnete,
lichtgesteuerte Schrittmacher bzw. Zeitgeber für die Suppression der Melatoninsekretion
der Epiphyse ist der Nucleus Suprachiasmaticus (SCN) im Hypothalamus,
der die von den Augen über
Photosensoren aufgenommenen Lichtreize unabhängig vom Stäbchen-Zapfen-System verarbeitet.
- /4/ Brainard,
G., C.: Human melatonin regulation is not mediated by the three
cone photonic visual system. J Clin Endocrinol Metab. 2001 Jan;
86 (1):433-6
- /5/ Das zweite Gesicht, Spectrumdirect, Die Wissenschaftsztg
im Internet, Ausg. 10. Jan. 2003 Gegenwärtig wird von Wissenschaftlern
diskutiert, dass das Protein Melanopsin als Photopigment in diesen
erst vor einigen Jahren entdeckten Lichtsinneszellen (intrinsically
photosensitive retinal ganglion cells-ipRGCs) in der Innenschicht
der Netzhaut des Auges fungiert und die Lichtreize zum SCN leitet.
- /6/ Berson D., M., Strange vision: ganglion cells as
circadian photoreceptors, Trends in Neurosciences, Vol. 26, No.
6, June 2003
- /7/ Sekaran, S., u. a., Melanopsin-Depent Photoreception
Provides Earliest Light Detection in the Mammalian Retina. Current
Biology, Vol. 15, 1099-1107, June 21, 2005
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Der
SCN, ein Neuronenkern, wird auch als innere Uhr bezeichnet, der
die lichtbedingten rhythmischen Funktionen von tageslichtaktiven
Lebewesen und nachtaktiven Tieren steuert und koordiniert. Wenn
der tageslichtgesteuerte 24-Stundenrhythmus – wie z. B. bei Jet-Lag, Schichtarbeit
oder bestimmten Schlafstörungen – nicht
eingehalten wird, können
diese Abweichungen durch Anwendung künstlicher Lichtquellen (Lichttherapie) durch
die Suppression der Melatoninsekretion oder eine Phasenverschiebung
der Melatoninwirkungskurve auf den gesunden circadianen Rhythmus
synchronisiert werden.
- /8/ ebenda /1/ S. 175-181;
/2/ S. 137-181
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In ähnlicher
Weise können
Störungen
des menstruellen Zyklus mit der Lichttherapie behandelt werden.
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/9/ Danileko,
K. V.: Shortening of menstrual cycle after light therapy in SAD;
Abstractc from the 17th annual meeting of the society for light
treatment and biological rhythms (Eidhofen, the Netherands); Chronobiology
International, 23 (3):703-704, 2006
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Mit
der Suppression der Melatoninsekretion können noch weitere positive
Effekte erzielt werden. Bei Lichtmangel, d. h. hohem Melatoninspiegel
im Blut, wird bei vielen – vor
allem bei depressiven – Menschen
ein verändertes
Essverhalten festgestellt. Sie nehmen vermehrt Kohlenhydrate in
Form von Zucker (z. B. mit Fett als Schokolade) oder als stärkehaltige
Nahrungsmittel (z. B. als Brot und Teigwaren) zu sich. Das kann
zu einer nicht beabsichtigten Gewichtszunahme führen, so dass eine Unterdrückung der
Esslust durch die Senkung des Melatoninspiegels durch Licht eine
Therapiemöglichkeit
darstellt.
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Die
Lichttherapie wird auch erfolgreich zur Behandlung von Bulimia nervosa,
vorrangig der saisonal bedingten Bulimie (seasonal bulimia), einer
krankhaften Essstörung,
und bei prämenstruellen
Störungen
angewendet.
- /10/ ebenda/1/S. 101-110, 155-156, 177-180
Eine
geringe Melatoninkonzentration bei Menschen ermöglicht außerdem ein besseres Wachstum
der Haare, so dass auch hier die Möglichkeit gegeben ist, durch
Lichtexposition die Melatoninsekretion zu unterdrücken und
einen positiven Effekt durch vermehrtes Haarwachstum zu erzielen.
- /11/ Fischer, A.,: Der Einfluss von Melatonin auf das
Wachstum humaner Haarfollikel unter Invitro-Bedingungen, Dissertation,
2002, Friedrich-Schiller Universität Jena, THULB
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Es
ist weiterhin bekannt, dass die Suppression der Melatoninsekretion
wellenlängenabhängig ist.
Als Ergebnis der Forschungsarbeiten von Brainard und Thapan wurde
2001 ein genau definiertes Wirkungsspektrum der Melatoninsuppression
(Melatoninwirkungsspektrum) ermittelt. Da über diese Wirkungskurve auch
die circadianen Rhythmen gesteuert werden, wird sie allgemein als
circadiane Wirkungskurve „c(λ)" bezeichnet. Die
Kurve belegt, dass die Melatoninsuppression im Wellenlängenbereich
von ca. 380 nm bis 580 nm mit einem Maximum bei ca. 450 nm und damit
vorwiegend im Blaubereich des sichtbaren Lichtes erfolgt. D. h.,
dass nur dieser Bereich des sichtbaren Lichtes die oben beschriebenen
wünschenswerten
Wirkungen verursacht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wurden
weiterführende
Untersuchungen mit positiven Ergebnissen durchgeführt.
- /12/ Brainard,
G. C. u. a.: Action Spectrum for Melatonin Regulation in Humans:
Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor. J Neurosci. 2001 Aug
15;21(16):6405-12
- /13/ Thapan, K. u. a.: An action spectrum for melatonin
suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in
humans. J of Physiology (2001), 535.1, pp. 261-267
- /14/ Gall, D.: Grundlagen der Lichttechnik, Kompendium,
Pflaum-Verlag, 2004, S. 14, 174
- /15/ Revell, V. L. u. a.: Short Wavelenght Sensitivity
of the Human Phase-Advancing of the society for light treatment
Response, Abstractc from the 17th annual meeting and biological
rhythms (Eidhofen, the Netherlands); Chronobiology International,
23 (3):734-735, 2006
- /16/ Lockley, Steven W. u. a.: High Sensitivity of the
Human Circadian Melatonin Rhythm to Resetting by Short Wavelength
Light. J Clin Endocrinol Metabol 2003 Sep; 88(9):4502-5
- /17/ Wright HR. u.a.: Differential effects of light
wavelength in Phase advancing the melatonin rhythm. J Pineal Res.
2004 Mar; 36(2):140-4
- /18/ Brainard, G. C. u. a.: Photons, clocks and consciousness.
J Biol Rhythms. 2005 Aug; 20(4):314-25
- /19/ Centre for Chronobiology, School of Biomedical
and Life Sciences, University of Surrey, Guildford GU2 7XH, UK:
Optimization of light and Melatonin to Phase-shift human circadian
rhythms. J. Neuroendocrinol. 2003 Apr; 15(4):438-41
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Vollständigkeitshalber
wird erwähnt,
dass nicht nur okular, sondern auch dermal wahrgenommene Lichtreize
zur Suppression der Melatoninsekretion beitragen können. Wie
und in welchem Ausmaß die
Hautlichtreize wirksam werden, ist noch umstritten.
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Zum
Verständnis
der Erfindung werden folgende lichtbedingte Zusammenhänge erläutert.
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1. Schädigungspotentiale
durch UV-Strahlung (UVB: 280-315 nm; UVA: 315-380 nm)
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Die
UV-Schädigung
der Augen wird vor allem durch kurzwellige Strahlungsanteile verursacht
und durch die relative spektrale Wirkfunktion für UV-Strahlung „S(λ)" beschrieben. Bis
zu ca. 300 nm ist die UV-Strahlung extrem schädlich. Bis zu ca. 380 nm ist
sie weiterhin – aber
geringfügiger
-schädlich.
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Schädigungen
wie Hornhaut- und Bindehautentzündungen
(Photo-Keratitis und Photo-Konjunktivitis) werden durch UV-Strahlung
hoher Intensität
verursacht, die durch teilweisen UV-Schutz eliminiert werden können. Die
Trübung
der Augenlinse (Grauer Star, Katarakt) kann jedoch auch bei langzeitiger
Einwirkung von UV-Strahlung geringer Intensität, z. B. bei Arbeiten im Freien,
entstehen. Für
derartige Expositionen ist ein besonderer, ein vollständiger UV-Schutz
erforderlich.
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Eine
weitere UV-Strahlenschädigung
wird bei dem Augenleiden Aphakie durch die „Aphakic hazard function" charakterisiert.
Diese Netzhautschädigung
wird vorwiegend durch Wellenlängen
im UV-B-Bereich mit Auswirkungen bis in den VIS-Bereich von 380
nm bis ca. 500 nm verursacht.
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Die
Vorgaben für
einen ausreichenden und bei außergewöhnlicher
Bestrahlung zusätzlichen UV-Schutz sind in der
DIN EN 1836:2005 formuliert.
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2. Schädigungspotentiale
durch VIS-Strahlung (380-780 nm)
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Unabhängig von
der UV- oder IR Strahlung werden durch die sichtbare Strahlung im
Auge thermische und photochemische Prozesse ausgelöst, die
zu Gefährdungen
bzw. Schäden
an der Netzhaut führen
können.
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Die
thermische Gefährdungsfunktion
R(λ) zeigt,
dass eine wesentliche Gefährdung
(Netzhautverbrennung) durch Strahlung im Wellenlängenbereich von ca. 400 nm
bis ca. 500 nm bei R(λmax) ca. 435/440 nm hervorgerufen wird. Die
photochemische Gefährdungsfunktion
B(λ) (Blaulichtgefährdung,
Photoretinitis) belegt, dass die photochemische Netzhautgefährdung auch
durch Strahlung im Wellenlängenbereich
von ca. 400 nm bis ca. 500 nm und B (λmax)
ebenfalls bei ca. 435/440 nm auftritt.
- /20/ Information
des Berufsgenossenschaftlichen Instituts für Arbeitssicherheit-BIA, Sankt
Augustin; 08/2005; Schwaß,
D., u. a.: Sonnenstrahlung-Gefahren und Schutzmaßnahmen
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Durch
den Blaulichtanteil ist gemäß DIN EN
1836:2005 jedoch keine akute Netzhautgefährdung zu erwarten. Der Blaulichtanteil
kann aber ein Langzeitrisiko darstellen, so dass das vollständige oder
teilweise Ausfiltern des Blaulichtbereiches als eine zusätzliche
Schutzmaßnahme
erstrebenswert ist.
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Für Menschen,
die wegen Aphakie oder nach einer Kataraktoperation intraokulare
Linsen tragen, ist es jedoch von größter Bedeutung, dass das Blaulicht
ausgefiltert wird, weil die natürliche
Schutzfunktion, die die Lens cristallina des Menschen ausübt, nicht
mehr gegeben ist. Wenn dieser Schutz nicht berücksichtigt wird, wird die senile
Makulardegeneration, die in Deutschland die häufigste Erblindungsursache
darstellt, beschleunigt.
- /21/ Riederle, F., u. a.:
Refraktive Gesichtspunkte moderner Katarakt-Chirugie, Klin Monatsbl
Augenheilkd 2006; 223: 943-951
- /22/ Faller, U., u. a.: Erblindungsursachen früher und
heute; Z. prakt. Augenheilkd. 27:205-211 (2006)
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Da
die thermische Gefährdungsfunktion
R(λ) und
die photochemische Gefährdungsfunktion
B(λ) im gleichen
Wellenlängenbereich
liegen und bei der gleichen Wellenlänge ein Maxi-mum besitzen,
wird nachfolgend nur die Blaulichtgefährdung B(λ) diskutiert.
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3. Aphakiegefährdung
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Die
Aphakic hazard function A(λ)
beschreibt eine wellenlängenabhängige Augengefährdung im
Bereich von 300 nm bis 700 nm, die bei der seltenen Augenkrankheit „Aphakie" (Fehlen der Augenlinse)
auftritt. Die Wirkungskurve fallt mit steigenden Wellenlängen ab
und erreicht bei 380 nm ca. 50 % und bei 335/340 nm ca. 17 % ihres
Maximalwertes. Da die Augenlinsen von kleinen Kindern hoch UV-durchlässig sind
und der dadurch entstehende Netzhautschaden nicht bekannt ist, legt
man die Aphakiegefährdungsfunktion
der Gefährdung
für Kinder
zugrunde. Das ist ein weiterer wichtiger Grund, den kurzwelligen
Strahlungsanteil des VIS-Bereiches bis zu ca. 335/340 nm auszufiltern.
- /23/ Guidelines an limits of exposure to broad-band
incoherent optical radiation (0.38 to 3 um), Health Physics 73 (1997)
No 3, p 539-554
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4. Schädigungspotentiale
durch IR-Strahlung (mA: 780 nm-1,4 um; IRB: 1,4-3,0 um)
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Schädigungen
durch IR-Strahlung des Sonnenlichts sind gemäß DIN ER 1836:2005 selbst unter
extremen Bestrahlungsbedingungen nicht zu erwarten, so dass keine
Vorsichtsmaßnahmen
erforderlich sind.
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5. Hellempfindlichkeit
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Die
Helligkeit wird vom Auge von Strahlung im Bereich von ca. 380 nm
bis ca. 780 nm wahrgenommen. Die CIE hat Bewertungsfunktionen für das normalsichtige
menschliche Auge mit den relativen spektralen Hellempfindlichkeitsfunktionen
V(λ) und
V'(λ) festgelegt.
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Hellempfindlichkeit für Tagessehen
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Für das helladaptierte
Auge gilt für
hohe Leuchtdichten/Beleuchtungsstärken im photopischen Bereich die
standardisierte V(λ)-Kurve,
die die spektrale Hellempfindlichkeit in relativen Wirkungseinheiten
für Tagessehen
(photopisches Sehen) beschreibt.
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Sie
ist glockenförmig
ausgebildet und liegt – wenn
man als Begrenzung Hellempfindlichkeitsgrade von ca. 1 % zugrunde
legt – im
Wellenlängenbereich
von ca. 430 nm bis ca. 680 nm und besitzt im grünen Bereich ein Maximum bei
555 nm. Die Wellenlänge
für ihren
50 %-Wert beträgt
im Bereich der ansteigenden Flanke „λ50" ca. 510 nm und im
Bereich der abfallenden Flanke „λv'50" ca. 610 nm.
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Um
Voraussetzungen für
gutes photopisches Sehen zu schaffen, muss Lichtstrahlung im Bereich
von ca. 510 nm bis ca. 610 nm – vorrangig
um 555 nm – appliziert
werden bzw. müssen
optische Filter eine diesem Spektrum entsprechende spektrale Transmission/Absorption
besitzen.
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Hellempfindlichkeit für Nachtsehen
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Die
standardisierte Hellempfindlichkeitsfunktion V'(λ)
gilt für
das dunkeladaptierte Auge für
Nachtsehen bei geringen Leuchtdichten/Beleuchtungsstärken im
skotopischen Bereich. Ihr Maximum liegt bei 507 nm im blaugrünen Bereich.
Beide Kurven haben eine sehr ähnliche
Gestalt. Für
das Hell-Dunkel-Sehen bei geringen Beleuchtungsstärken (skotopisches
Sehen) und das Wahrnehmen von deutlichen Kontrasten ist es deshalb
wichtig, die Strahlung im Bereich um ca. 507 nm zu applizieren.
- /24/ Gauer, O. H.; Kramer, K.; Jung, R. (hrg.) München, Wien,
Baltimore: U&S
Taschenbücher,
Physiologie des Menschen, Band 13, Sehen Sinnesphysiologie III,
214-215
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6. Blendung
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Durch
Blendung wird das Sehen und Erkennen von Objekten beeinträchtigt,
so dass mittelbare Gefährdungen
auftreten können.
Blendungen entstehen z. B. bei plötzlichen Veränderungen
eines Leuchtdichteniveaus (Adaptationsblendung), zu großen Leuchtdichteunterschieden
(Relativblendung) und bei zu hoher Beleuchtungsstärke (Absolutblendung)
der Lichtquelle.
- /25/ Schober, H.: Das Sehen. Fachbuchverlag
Leipzig 1958, Band II, S. 62-90
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Als
Hilfsmittel gegen diese drei Arten der Blendung werden Schutz- bzw.
Sonnenbrillen verwendet. Die Sonnenbrillen sollen möglichst
vollständig
die UV-Strahlung absorbieren und je nach Verwendung nur einen Teil
der VIS-Strahlung transmittieren.
- /26/ Reidenbach,
H.-D.: Messtechnische Untersuchungen der transmissionsrelevanten
normativen Anforderungen bei handelsüblichen Sonnenschutzbrillen;
Aus: Nichtionisierende Strahlung, Fachverband für Strahlenschutz e. V., 1999,
S. 541-554
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Die
Anforderungen an Sonnenbrillen sind in DIN EN 1836:2005 festgelegt.
Danach werden Sonnenschutzgläser
in 5 Kategorien eingeteilt. Die Auswahl richtet sich nach der individuellen
Lichtempfindlichkeit der Brillenträger und dem Anwendungszweck.
Für die
meisten Anwen dungen werden in Deutschland getönte Filter der Kategorie 2
und 3 empfohlen. Als geeignet werden graue, braune und grüne, nicht
aber blaue Gläser (Blaulichtgefährdung)
eingestuft.
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7. Streulicht und Trübung
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Es
ist weiterhin bekannt, dass direkt einfallendes Licht in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
gestreut wird. Die Intensität
von gestreutem Licht (J(αλ)) wird durch die RAYLEIGHsche
Gleichung beschrieben.
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Aus
dem Zusammenhang J(αλ) ≃ V2/λ4 ist
ersichtlich, dass die Streuung außer vom Quadrat des Volumens
streuender Teilchen (V) im lichtleitenden Medium (z. B. Atmosphäre oder
Auge) stark von dem 1/λ4
Zusammenhang beeinflusst wird.
- /27/ Vogel, W.: Glaschemie,
VEB Dt. Verlag für
Grundstoff-Industrie, Leipzig, 1979, S. 266
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Am
stärksten
wird deshalb der kurzwellige Anteil und damit der UV-und Blauanteil
des Lichtes im Auge (Hornhaut, Linse, Glaskörper) gestreut. Diese Streuung
verursacht eine Überblendung
und damit eine Kontrastminderung. Starke Streuung kann zur Trübung des
lichtleitenden Mediums führen.
Das blaue Licht wird außerdem
aufgrund der relativen Myopie bereits vor der Netzhaut fokussiert
und überlagert
die anderen Farben. Als Folge dieser Blaulichtwirkungen entstehen
unscharfe Abbildungen und Kontraste werden weniger wahrgenommen.
Das ist ein weiterer wichtiger Grund, den Blaulichtanteil – vorrangig
den kurzwelligen – zu
eliminieren/reduzieren.
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Trübungserscheinungen
werden im Glas durch mikroskopisch kleine Teilchen verursacht, die
eine von der Matrix unterschiedliche Brechzahl besitzen. Die Trübung ist
von der Teilchengröße (d) und
der Teilchenzahl abhängig.
Bei Teilchengrößen von
d > λ treten sich überlagernde
Brechungs- und Reflexionstrübungen
auf. Beugungstrübung
und Opaleszenz werden bei Teilchengrößen d ≈ λ beobachtet.
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Trübungserscheinungen
können
im Glas z. B. durch nicht gelöste
Farbstoffe oder nicht ausreichend dispergierte Pigmentzusätze verursacht
und beeinflusst werden.
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Zusammenfassend
wird festgestellt, dass bei der Applikation von Licht der menschlichen
Gesellschaft „Gesundes
Licht" bereitgestellt
werden muss, d. h., dass die grundlegenden Eigenschaften von Licht
sowohl nach den relevanten Aspekten für das circadian System (photobiologische
Wirkung) als auch für
das visuelle System zu betrachten, zu messen, zu berechnen und zu
steuern sind.
- /28/ Rea Mark S.: Licht-Mehr als nur
Sehen, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute,
Troy, NY, USA 12180
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Für die Applikation
von sichtbarem Licht bei photopischem Sehen, d. h., bei der Einwirkung
von heller Sonnenstrahlung oder von hellen sonnenstrahlungsähnlichen
Lichtquellen müssen
folgende Einflussgrößen im Anforderungsprofil
bei der risikoarmen Regulierung photoneuraler Prozesse berücksichtigt
werden:
- – das
Wirkungsspektrum der Melatoninsuppression [die circadiane Wirkungskurve
c(λ)]
- – die
Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ)
für Tagessehen
(photopisches Sehen)
- – die
Blaulichtgefährdung
B(λ)
- – die
durch Blaulicht verursachte Kontrastminderung und verringerte Sehschärfe
- – die
Blendwirkung und
- – die
UV-Gefährdung
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Wenn
optische Filter langzeitig bei hohen Beleuchtungsstärken eingesetzt
werden, ist es außerdem von
großer
Bedeutung, dass sie eine hohe Solarisationsbeständigkeit besitzen.
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Stand der Technik
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Verfahren
und optische Filter, die den gesamten VIS-Bereich des Sonnenlichtes
applizieren, erfüllen die
Bedingungen des Anforderungsprofils nicht. Herkömmliche farblose Fensterscheiben
bieten z. B. bei hohen Beleuchtungsstärken keinen Schutz vor Blendung
und Blaulichtgefährdung.
Wenn Sonnenbrillengläser zum
Sonnenschutz eingefärbt
sind, wird der Lichttransmissionsgrad unter Beachtung der erwünschten
Blendreduzierung, z. T. auch der Blaulichtgefährdung und modischer Aspekte,
nicht aber unter umfassender Beachtung der Bedingungen für „gesundes
Sehen", reduziert.
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Es
ist nicht bekannt, dass bei der Farbgebung von Fenster- und Sonnenschutzgläsern, d.
h. der Gestaltung ihrer Transmissions-Absorptionseigenschaften,
das Melatoninwirkungsspektrum einbezogen wird. Wenn das oben beschriebene
Anforderungsprofil berücksichtigt
wird, ist die Farbgebung von Sonnenschutzfiltern eingeschränkt und
weniger nach modischen Aspekten zu gestalten.
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Gleiches
gilt für
intraokulare Linsen, Folien, Überfanggläser und
Verbundglaskomponenten. An Beispielen zum Stand der Technik auf
dem Gebiet der Lichttherapie wird gezeigt, dass die dort eingesetzten
Verfahren und optischen Filter nicht alle Aspekte für "gesundes Licht" berücksichtigen.
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In
der Patentschrift
US
2001/0056293 A1 wird eine Methode zur Behandlung oder Vorbeugung
lichtreponsiver Krankheiten beschrieben, bei der die Suppression
der Melatoninsekretion vorrangig durch Anwendung von Licht im Wellenlängenbereich
von 425 nm bis 505 nm erreicht wird. Dabei wird nachteiligerweise
die Blaulichtgefährdung
der Netzhaut nicht eliminiert oder verringert.
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In
der Patentschrift
US 5,447,527 wird
eine Methode zur Behandlung von SAD und chronobiologischen Krankheiten
vorgestellt. Bei dieser Methode wird nachteiligerweise ein Filter
verwendet, dass zu große UV-Durchlässigkeit
besitzt und die spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion der Augen
bei Tagessehen ungenügend
berücksichtigt.
Weiterhin wird eine Fluoreszenzlampe verwendet, deren Spektrum einen
zu geringen Anteil Licht emittiert, der die Melatoninsuppression
unterdrückt.
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In
der Patentschrift
US 5,274,403 wird
ein optisches Filter zur Unterdrückung
der Melatoninsekretion beschrieben, das aus einer mit selektiv absorbierenden
Farbstoffen beschichteten Linse besteht, die auf Grund ihrer Lichttransmissionseigenschaften
für den
spektralen Bereich durchlässig
ist, in dem die Melatoninsekretion maximal unterdrückt wird.
D.h., dass dieses Filter exakt der Kurve der Melatoninsuppression
angepasst ist und damit nachteiligerweise auch für den potentiell gefährlichen
Blaulichtanteil des VIS-Bereiches durchlässig ist, so dass in den Augen
Netzhautschäden
auftreten können.
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Nachteilig
ist auch die Herstellungstechnologie des verwendeten Filters, da
das Aufbringen von dünnen
Schichten auf Substraten eine aufwändige und kostenintensive Technologie
bedingt. Sie erfordert außerdem
das zusätzliche
Aufbringen von Schutzschichten.
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In
der Patentschrift
US 6,138,286 wird
eine Spezialbrille zum Schutz bei Sportaktivitäten mit einer gefärbten Plastiklinse
beschrieben, die Transmissionseigenschaften besitzt, durch die der
Blaubereich bewusst fast völlig
ausgefiltert und dadurch eine wirksame Unterdrückung der Melatoninsekretion
ebenfalls ausgeschlossen wird. Derartige Brillen, die auch als Sonnenbrillen für den Freizeitbereich
benutzt werden, sind vielfach im Handel erhältlich und werden als Brillen
mit „Blueblocker" bzw. „Blue-Light-
Blocker" angeboten.
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Nach
einem ähnlichen
Prinzip sind neue Bestrahlungsvorrichtungen der Lichttherapie aufgebaut,
bei denen ausschließlich
blaues Licht „BLUEWAVETM„ (Bluewave
Technology) angewendet wird.
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Eine
derartige Vorrichtung wird in der Patentschrift
US 2005/0159795 A1 als
Licht- und Ionentherapieapparat vorgestellt. Mit der technisch sehr
aufwändigen
Vorrichtung wird neben einem Vollspektrum nachteiligerweise vorrangig
der blaue Wellenlängenbereich
von 430 nm bis 490 nm zur Anwendung gebracht. Ein Grünlichtbereich
wird ebenfalls erwähnt,
aber in seinem Spektrum nicht beschrieben.
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Bei
der „Britewave
Technology" (BRITEWAVETM), die eine Kombination von „Bluewave-Technology" mit hohen Beleuchtungsstärken von
10.000 Lux darstellt, werden die gleichen Nachteile wirksam.
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In
der Patentschrift
WO/2005/004948
A3 wird eine Bestrahlungsmethode zur Beeinflussung des
circadianen Rhythmus beschrieben, bei der monochromatisches Licht
im Wellenlängenbereich
von 446 nm bis 483 nm oder weißes
Licht mit vor allem Wellenlängen < 500 nm angewendet
wird. Damit werden die oben beschriebenen Anforderungen ebenfalls
nicht erfüllt.
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Das
Gleiche gilt für
das Lichtsystem, das in der Patentschrift
WO/2001/085254 beschrieben wird,
denn dort finden vorrangig Wellenlängenbereiche von 425 nm bis
505 nm Anwendung.
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Die
in den Patentschriften
beschriebenen
Erfindungen offenbaren ebenfalls keine Lösungen für eine ausgewogene Berücksichtigung
der oben beschriebenen Einflussgrößen des Anforderungsprofils.
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Als
Beispiele für
handelsübliche
Spezial-Filter werden folgende Gläser angeführt:
Die nach Tauchverfahren
hergestellten „Clarlet
Filter F60, F80, F90, F540, F560, F580" werden bei degenerativen Augenkrankheiten
wie Retinitis Pigmentosa, diabetische Retinopathie und Achromasie
(Stäbchenmonochromasie)
eingesetzt. Gemeinsam ist ihnen, dass durch ihre Transmissionseigenschaften
der Sehkomfort durch die Reduzierung der Blendung und Verbesserung
der Kontrastempfindlichkeit erhöht
wird.
-
Nachteiligerweise
wird bei der Gestaltung der Transmission dieser Gläser der
Wellenlängenbereich der
Melatoninsuppression nicht berücksichtigt,
und ihre Herstellung nach Tauchverfahren ist im Vergleich zu in der
Masse gefärbten
Gläsern
aufwendiger und kostenintensiver. „Clarlet Filter F451, F452", die zur Behandlung
der Blauzapfenmonochromasie verwendet werden, besitzen nachteiligerweise
eine wesentlich zu hohe UV-Durchlässigkeit.
-
Gläser vom
Skylet-Typ wie „Clarlet
Skylet grün,
road, sport" wurden
mit erhöhtem
UV-Schutz und verbesserter Blendschutzwirkung entwickelt. Sie transmittieren
nachteiligerweise auch erst Licht im längerwelligen Bereich, so dass
weder die circadiane Wirkungsfunktion noch die Hellempfindlichkeitsfunktion
für Tagessehen
V(λ) berücksichtigt
bzw. ausreichend berücksichtigt
ist.
-
Für nach Beschichtungsverfahren
hergestellte Orma-Spezialfilter, z. B. für Plastic Ormex „Transitions 111" und „Kiros" gilt ebenfalls,
dass nachteiligerweise bei der Gestaltung der Transmission dieser
Gläser
der Wellenlängenbereich
der Melatoninsuppression nicht berücksichtigt und die Herstellung
nach Beschichtungsverfahren im Vergleich zu in der Masse gefärbten Gläsern aufwendiger
und kostenintensiver ist.
-
Die
handelsüblichen
Spezial-Filtergläser
erfüllen
die Anforderungen, die in dem oben beschriebenen Anforderungsprofil
aufgelistet sind, nicht. Gleiches gilt für handelsübliche Sonnenschutzgläser wie „Clarlet Blau,
Braun und Grün".
-
Die
den Stand der Technik charakterisierenden Verfahren und optischen
Filter haben den entscheidenden Nachteil, dass es im Bereich des
photopischen Sehens nicht gelungen ist, die Nutzbarmachung von bevorzugten
Strahlungsanteilen auf der einen Seite und die Vermeidung von augenschädigender
Strahlung und der die Qualität
der Abbildungen verringernden Strahlung auf der anderen Seite in
ausgewogenem Maße
zu realisieren.
-
Dem
Stand der Technik bei der Anwendung der Lichttherapie ist zu entnehmen,
dass SAD und S-SAD Patienten wie folgt behandelt werden:
Beleuchtungsstärke 10.000
Lux | Expositionszeit
0,5 Stunden |
Beleuchtungsstärke 5.000
Lux | Expositionszeit
1,0 Stunden |
Beleuchtungsstärke 2.500
Lux | Expositionszeit
2,0 Stunden |
-
Die
Belichtung (Bestrahlung, umgangssprachlich Dosis), das Produkt aus
Beleuchtungsstärke
und Expositionszeit, ist konstant.
-
Da
viele Patienten die starke Blendung bei hohen Beleuchtungsstärken von
10.000 bis 5.000 Lux nicht ertragen, müssen nachteiligerweise lange
Expositionszeiten von ein oder zwei Stunden appliziert werden. Maßnahmen
zur wünschenswerten
Verkürzung
der erforderlichen Expositionszeiten sind gemäß dem Stand der Technik nicht
bekannt.
-
Zur
Charakterisierung der Erfindung werden folgende Kriterien für die Erfindung
definiert oder gemäß DIN EN
1836:2005 angewendet:
-
Photobiologisch
wirksame Strahlungsgröße Ebiol
-
Um
die integrale Wirkung einer Strahlung beschreiben zu können, führt man
sog. gewichtete Größen ein,
indem man die spektrale Größe mit der
spektralen Wirksamkeit S(λ)
(Wirkungskurve, spektrale Empfindlichkeit) bewertet.
-
E
biol beschreibt das integrale biologische
Wirkungsspektrum gewichtet mit der spektralen Bestrahlungsstärke des
Strahlers.
- Eλ(λ)
- = spektrale Bestrahlungsstärke, z.
B. spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung Esλ(λ)
- s(λ)biol
- = Wirkungsspektrum
des biologischen Vorgangs, z. B. circadiane Wirkungskurve c(λ), spektrale
Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ)
- λ1, λ2
- = Grenzwellenlängen für den Empfindlichkeitsbereich
- /29/ Gall, D.: Beleuchtungsrelevante
Aspekte bei der Auswahl eines förderlichen
Lampenspektrums. Licht, Heft 7/8, Mai 2002, S. 10
- /30/ Grothmann, K.; Messung und Bewertung Optischer
Strahlung in der Phototherapie, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe
8, 1988, Nr. 767, S. 3
-
Circadianer Filternutzen Ncir
-
Zur
Beschreibung des circadianen Filternutzens wurde folgender Zusammenhang
definiert: N
cir beschreibt das integrale
Verhältnis
von 380 nm bis 780 nm der spektralen Transmission τ
F(λ) eines erfindungsgemäßen Filters,
gewichtet mit der circadianen Wirkungskurve c(λ) und der spektralen Verteilung
der Sonnenstrahlung E
sλ(λ) zur circadianen Wirkungskurve
c(λ), gewichtet
mit der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ)
- τF(λ)
- = spektrale Transmission
des Filters
- c(λ)
- = circadiane Wirkungskurve
- Esλ(λ)
- = spektrale Verteilung
der Sonnenstrahlung
-
Der
circadiane Nutzen ist groß,
wenn das optische Filter die Strahlung im Bereich der circadianen
Wirkungskurve gut transmittiert.
-
Visueller Filternutzen Nvis
-
Zur
Beschreibung des visuellen Filternutzens wurde folgender Zusammenhang
definiert: beschreibt das integrale Verhältnis von 380 nm bis 780 nm
der spektralen Transmission τ
F(λ)
eines erfindungsgemäßen Filters,
gewichtet mit der spektralen Hellempfindlichkeit bei Tagessehen
V(λ) und
der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ) zur spektralen
Hellempfindlichkeit V(λ),
gewichtet mit der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ)
- τF(λ)
- = spektrale Transmission
des Filters
- V(λ)
- = spektrale Hellempfindlichkeit
bei Tagessehen
- Esλ(λ)
- = spektrale Verteilung
der Sonnenstrahlung
-
Der
visuelle Nutzen ist groß,
wenn das optische Filter die Strahlung im Bereich der Hellempfindlichkeit bei
Tagessehen gut transmittiert.
-
Filterwirkungsfaktor
-
Zur
Beschreibung des Filterwirkungsgrades wurde folgender Zusammenhang
definiert: beschreibt das Verhältnis
von circadianem Filternutzen zu visuellem Filternutzen
-
Transmissionsgrad für blaues Licht τSb nach
DIN EN 1836:2005
-
τsb beschreibt
das integrale Verhältnis
von 380 nm bis 500 nm der spektralen Transmission τ
F(λ) eines erfindungsgemäßen Filters,
gewichtet mit der Blaulichtgefährdungsfunktion
B(λ) und
der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ) zur Blaulichtgefährdungsfunktion
B(λ) gewichtet
mit der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ)
- τF(λ)
- = spektrale Transmission
des Filters
- B(λ)
- = Blaulichtgefährdungsfunktion
- Esλ(λ)
- = spektrale Verteilung
der Sonnenstrahlung
-
Der
Transmissionsgrad für
(schädigendes)
blaues Licht ist gering, wenn das optische Filter die Strahlung
im Bereich der Blaulichtgefährdung
gut absorbiert.
-
UV- Transmissionsgrad τSUV nach
DIN EN 1836:2005
-
τ
SUV beschreibt
das integrale Verhältnis
von 280 nm bis 380 nm der Transmission τ
F(λ) eines erfindungsgemäßen Filters,
gewichtet mit der relativen spektralen Wirkungsfunktion für UV-Strahlung S(λ) und der spektralen
Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ) zur relativen
spektralen Wirkungsfunktion für
UV-Strahlung S(λ),
gewichtet mit der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung E
sλ(λ)
- τF(λ)
- = spektrale Transmission
des Filters
- S(λ)
- = relative spektrale
Wirkungsfunktion für
UV-Strahlung
- Esλ(λ)
- = spektrale Verteilung
der Sonnenstrahlung
-
Der
UVA-Transmissionsgrad τSUVA und der UVB-Transmissionsgrad τSUVB werden
in Anlehnung an den UV- Transmissionsgrad τSUV ebenfalls
gemäß DIN EN
1836:2005 unter Beachtung der Grenzen 315 nm bis 380 nm bzw. 280
nm bis 315 nm berechnet.
-
Die
UV-Transmissionsgrade sind gering, wenn das optische Filter die
Strahlung im Bereich der (schädigenden)
Wirkungsfunktion der UV-Strahlung gut absorbiert.
-
Lichttransmissionsgrad r' nach DIN EN
1836:2005
-
τ
v beschreibt
das integrale Verhältnis
von 380 nm bis 780 nm der spektralen Transmission τ
F(λ) eines erfindungsgemäßen Filters,
gewichtet mit der Hellempfindlichkeitskurve V(λ) und der spektralen Strahlungsverteilung
der CIE-Normlichtart S
D65λ(λ) zur Hellempfindlichkeitskurve
V(λ) gewichtet
mit der spektralen Strahlungsverteilung der CIE-Normlichtart S
D65λ(λ)
- τF(λ)
- = spektrale Transmission
des Filters
- v(λ)
- = spektrale Hellempfindlichkeit
für Tagessehen
- SD65λ(λ)
- = spektrale Strahlungsverteilung
der CIE-Normlichtart D65
-
Der
Lichttransmissionsgrad ist groß,
wenn das optische Filter die Strahlung im Bereich der Hellempfindlichkeit
bei Tagessehen und der CIE Normlichtart D65 gut transmittiert.
-
Sonnenschutzfilter
werden nach ihren Lichttransmssionsgraden in 5 Filterkategorien
eingeteilt:
Filterkategorie | Beschreibung | Transmissionsgrad τv (%) |
0 | farblos
oder leicht gefärbt | > 80 bis 100 |
1 | leicht
getönt | > 43 bis 80 |
2 | mittelstark
getönt | > 18 bis 43 |
3 | dunkel
getönt | > 8 bis 18 |
4 | sehr
dunkel getönt | > 3 bis 8 |
-
Definition
von τλ, λτ50, λτ'50, λτmax τiλ und
Filtern
- τλ
- spektraler Transmissionsgrad
bei der Wellenlänge λ
- λτ50
- Wellenlänge, bei
der der spektr. Transmissionsgr. der ansteigenden Kurve 50 % beträgt
- λτ'50
- Wellenlänge, bei
der der spektr. Transmissionsgr. der abfallenden Kurve 50 % beträgt
- λττmax
- Wellenlänge, bei
der der maximale spektrale Transmissionsgrad erreicht wird
- τiλ
- spektraler Reintransmissionsgrad, τiλ = τλ/Pλ Pλ =
2 nλ/nλ 2 + 1, n: Brechzahl
-
Bandpassfilter
sind Bandenfilter, die im Pass- oder Durchlassbereich hohe Transmission
und zu kürzeren
und längeren
Wellenlängen
hin niedrige Transmission besitzen Langpassfilter sind Kantenfilter,
die im Kurzwelligen niedrige Transmission (Sperrbereich) und im
Langwelligen hohe Transmission (Pass- oder Durchlassbereich) besitzen
-
Solarisation
-
Intensive
Strahlung mit hohem UV-Anteil kann bei längerer Bestrahlung bleibende
Veränderungen (Verminderungen)
der Transmission von optischen Filtern verursachen. Diesen Effekt
nennt man in der Glastechnologie „Solarisation". Die Solarisationswirkung äußert sich über wiegend
in einer Verschiebung der kurzwelligen Kantenlage zu längeren Wellenlängen hin
und durch eine Transmissionsminderung im Durchlassbereich des Filters.
-
Da
die Sonnenstrahlung und z. T. auch die in der Lichttherapie verwendeten
Strahlungsquellen Anteile von UV-Strahlung enthalten, ist es erforderlich,
solarisationsbeständige
optische Filter einzusetzen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und kostengünstige solarisationsstabile
optische Filter aus organischen und anorganischen Materialien zur
risikoarmen okularen Regulierung photoneuraler Prozesse durch Applikation
ausgewählter
Wellenlängenbereiche
aus sichtbarer Licht für
den photopischen Sehbereich bereitzustellen, mit denen eine ausgewogene
Nutzbarmachung von bevorzugten Strahlungsanteilen bei gleichzeitiger
Vermeidung von augenschädigender
Strahlung und der die Qualität
der Abbildungen verringernden Strahlung realisiert wird.
-
Da
positive und negative Strahlenwirkungen zum Teil im gleichen Wellenlängenbereich
ausgelöst
werden, ist ein ideales Verfahren unter Verwendung allen Ansprüchen genügenden optischen
Filtern nicht realisierbar. Es ist jedoch erstrebenswert und Aufgabe
der Erfindung, eine optimale Ausgewogenheit zwischen den oben diskutierten
Einflussgrößen zu erreichen.
-
Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, Verfahren und kostengünstige solarisationsstabile optische
Filter aus organischen und anorganischen Materialien zur risikoarmen
okularen Regulierung photoneuraler Prozesse durch Applikation ausgewählter Wellenlängenbereiche
aus sichtbarem Licht für
den photopischen Sehbereich bereitzustellen, die es ermöglichen,
bei Bestrahlung mit hohen Beleuchtungsstärken eine drastische Reduzierung
der Blendung zu realisieren. Dadurch sollen z. B. bei der Lichttherapie
bei gleicher Wirkung der Bestrahlung die erforderlichen Expositionszeiten
verkürzt
werden.
-
Die
Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 und 2 beschriebenen Verfahren
und optischen Filtern gelöst.
Aufgabe 1 betreffend wurde gefunden, dass ein Optimum zwischen
- – einer
wirksamen Suppression der Melatoninsekretion [circadiane Wirkungsfunktion
c(λ)],
- – der
Anpassung an die Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) für Tagessehen
- – der
Verringerung der Blaulichtgefährdung
B(λ)
- – einer
guten Kontrastempfindlichkeit und Sehschärfe
- – der
Verminderung der Blendung und
- – einem
hohen UV-Schutz
realisiert wird, wenn in den Strahlengang
zwischen Strahlungsquellen und Augen solarisationsstabile optische Filter
aus organischen oder anorganischen Materialien positioniert werden,
die entweder Transmissionsspektren von Bandpassfiltern besitzen,
deren Wellenlängen λ 50 im Bereich
von 440 nm bis 480 nm liegen, deren maximale Transmission τmax > 70 % beträgt, deren
hohe Transmissionsbereiche τmax – 5
% sich mindestens über
den Wellenlängenbereich
des Schnittpunktes der circadianen Wirkungsfunktion c(λ) mit der
Hellempfindlichkeitsfunktion für
Tagessehen V(λ)
von 500 nm bis 520 nm erstrecken und deren Wellenlängen λτ'50 im Bereich
von ≥ 555
nm liegen
oder
Transmissionsspektren von Langpassfiltern
besitzen, deren Wellenlängen λτ50 im
Bereich von 440 nm bis 480 nm liegen, deren maximale Transmission τmax > 70 % beträgt und deren
hohe Transmissionsbereiche τmax – 5 %
sich mindestens über
den Wellenlängenbereich
des Schnittpunktes der circadianen Wirkungsfunktion c(λ) mit der
Hellempfindlichkeitsfunktion für
Tagessehen V(λ)
von 500 nm bis 520 nm erstrecken.
-
Aufgabe
2 betreffend wurde gefunden, dass durch die Einlagerung von mikroskopisch
kleinen, nicht vollständig
dispergierten Pigmentteilchen in der Größenordnung von vorrangig 0,5
um bis 5 um in der Matrix von optischen Filtern die Blendung durch
die Strahlungsquelle drastisch reduziert und gleichzeitig ein Optimum zwischen
- – einer
wirksamen Suppression der Melatoninsekretion [circadiane Wirkungsfunktion
c(λ)]
- – der
Anpassung an die Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) für Tagessehen
- – der
Verringerung der Blaulichtgefährdung
B(λ)
- – einem
hohen UV-Schutz
- – bei
gleichzeitig hoher Solarisationsbeständigkeit realisiert wird,
wenn
in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Augen optische
Filter positioniert werden, die entweder Transmissionsspektren von
Bandpassfiltern besitzen, deren Wellenlängen λτ50 im
Bereich von 440 nm bis 480 nm liegen, deren maximale Transmission τmax > 70 % beträgt, deren
hohe Transmissionsbereiche τmax – 5
% sich mindestens über
den Wellenlängenbereich
des Schnittpunktes der circadianen Wirkungsfunktion c(λ) mit der
Hellempfindlichkeitsfunktion für
Tagessehen V(λ)
von 500 nm bis 520 nm erstrecken und deren Wellenlängen λτ'50 im Bereich
von ≥ 555
nm liegen oder Transmissionsspektren von Langpassfiltern besitzen,
deren Wellenlängen λτ50 im
Bereich von 440 nm bis 480 nm liegen, deren maximale Transmission τmax > 70 % beträgt und deren
hohe Transmissionsbereiche τmax – 5
% sich mindestens über den
Wellenlängenbereich
des Schnittpunktes der circadianen Wirkungsfunktion c(λ) mit der
Hellempfindlichkeitsfunktion für
Tagessehen V(λ)
von 500 nm bis 520 nm erstrecken.
-
Es
wurde gefunden, dass die erforderlichen Expositionszeiten in der
Lichttherapie bei gleicher Wirkung der Bestrahlung durch die Anwendung
größerer Beleuchtungsstärken signifikant
verkürzt
werden.
-
Die
Erfindung wird Anhand der 1 bis 3 erläutert.
-
In 1 sind
die relativen Wirkungseinheiten der circadianen Wirkungsfunktion
c(λ) [Circadiankurve], der
Hellempfindlichkeitsfunktion für
Tagessehen V(λ)
[Hellempfindlichkeit Tagessehen], der Blaulichtgefährdung B(λ) und die
spektralen Transmissionsgrade eines erfindungsgemäßen Filters
in Prozent τ(λ) [Filtertransmission] über der
Wellenlänge
des Lichtes (nm) aufgetragen. In dieser Abbildung sind alle drei
zum Verständnis
der Erfindung relevanten Wirkungsspektren und die spektrale Transmission
eines erfindungsgemäßen Filters
zusammengestellt.
-
Es
ist ersichtlich, dass bei dem erfindungsgemäßen Bandpassfilter die Wellenlänge λτ50 =
447 nm der ansteigenden Flanke zur Verringerung der Blaulichtgefährdung B(λ) und der
kurzwelligen Streuung > 435/440 nm
beträgt,
dass sich die circadiane Wirkungsfunktion c(λ) und die Hellempfindlichkeitsfunktion
V(λ) bei
einer Wellenlänge
von ca. 510 nm schneiden und die spektrale Transmission des erfindungsgemäßen Filters τ(λ) so gestaltet
ist, dass ihr Maximum mit λτmax =
510 nm im Wellenlängenbereich
des Schnittpunktes liegt.
-
Es
ist weiterhin ersichtlich, dass die Filtertransmission im Bereich
des Schnittpunktes von ca. 500 nm bis ca. 520 nm mit 80 % sehr hoch
ist und dass die abfallende Flanke der Filterkurve τ(λ) etwa parallel
zur abfallenden Flanke der Hellempfindlichkeitskurve V(λ) verläuft und
aufgrund der Wellenlänge λτ'50 = 577 nm
noch ein großer
Anteil der Strahlung im V(λ)-Bereich
transmittiert wird.
-
Dadurch
wird bei Applikation der Sonnenstrahlung Esλ(λ) ein Filterwirkungsfaktor
von ca. 1,0 wirksam. Das bedeutet, dass der circadiane und visuelle
Filternutzen und Ncir etwa gleich groß und damit
der photobiologische und visuelle Effekt ausgewogen berücksichtigt
ist.
-
Dadurch,
dass die Filtertransmissionskurve τ(λ) im längerwelligen Bereich > 555 nm (der Wellenlänge, bei
der V(λ)
die größte Hellempfindlichkeit
Besitz) abfällt
und einen Teil des Spektrums im Bereich der Hellempfindlichkeitsfunktion
V(λ) absorbiert,
wird die Blendung der Augen verringert, ist die Reaktion der Augen auf
helles Licht aber noch ausreichend groß.
-
Durch
die Verringerung des Lichttransmissionsgrades τv, z.
B. durch die Gestaltung der abfallenden Flanke, kann die durch die
Sonne oder künstliche
Strahlungsquellen verursachte Augenblendung auf die individuelle
Hellempfindlichkeit z. B. eines Brillenträgers eingestellt werden. Dadurch
können
Sonnenschutzfilter für
Sonnenbrillen verschiedener Kategorien gefertigt werden.
-
Wenn
ein hoher Blendschutz nicht erforderlich ist, wird die Transmission
der erfindungsgemäßen Filter als
Langpassfiltertransmission ausgeführt. Dann ist es nicht erforderlich,
das eingestrahlte Spektrum > 555
nm zu beeinflussen.
-
Aus 1 ist
weiterhin ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Filter nur einen Teil des
Spektrums der Blaulichtgefährdung
B(λ) transmittiert
und vor allem die besonders gefährliche
Strahlung im Maximum der Gefährdung
um 435/440 nm stark absorbiert.
-
Mit
der Absorption der kurzwelligen Strahlung wird gleichzeitig die
angestrebte Erhöhung
der Kontrast- und Sehschärfe
und ein hoher UV-Schutz erreicht.
-
An
dem in
1 aufgeführten
erfindungsgemäßen Filter
wurden die spektralen Transmissionsgrade mit einem „ZEISS
Seecord M400/500" gemessen
und daraus unter Verwendung tabellierter Wirkungsspektren und der
spektralen Bestrahlungsstärke
der Sonne gemäß DIN EN
1836:2005 folgende Größen berechnet:
Circadianer Filternutzen | Ncir =
55,3 % | |
Visueller Filternutzen | Nvis =
53,5 % | |
Filterwirkungsfaktor | Fcv =
1,03 | |
Transmissionsgrad für blaues
Licht | τSb =
47,7 % | Blaulichtred. 52,3 % |
UV-Transmissionsgrad | τSUV =
0,6 % | UV-Schutz 99,4 % |
UVA-Transmissionsgrad | τSUVA =
0,6 % | UVA-Schutz 99,4 % |
UVB-Transmissionsgrad | τSUVB =
0,0 % | UVB-Schutz 100,0 % |
Lichttransmissionsgrad | τv =
52,2 % | Lichtreduktion 47,8 % |
-
Das
Beispiel zeigt, dass es gelungen ist, mit = 1,03 den circadianen
Filternutzen in einem ausgewogenen Verhältnis zum visuellen Filternutzen
zu gestalten, gleichzeitig die Blaulichtgefährdung auf unter 50 % zu reduzieren,
die UV-Transmission sehr gering zu halten und dabei einen Lichttransmissionsgrad
von noch über
50 % zu realisieren.
-
Wenn
das Filter als Sonnenschutzfilter verwendet wird, ist es in die
Filterkategorie 1 (leicht getönt, τv > 43 bis 80 %) einzuordnen.
Es erfüllt
die DIN EN 1836:2005 Anforderungen, die zusätzlich an den maximalen spektralen
Transmissionsgrad τF(λ)
im UV-Bereich von 280 nm bis 315 nm, von 315 nm bis 350 nm und den maximalen
UVA- Transmissionsgrad τSUVA gestellt werden.
-
Leuchtstofflampen
emittieren unterschiedliche diskontinuierliche Spektren. Häufig besitzen
sie eine besonders starke Emissionsbande um 435/440 nm. Das betrifft
z. B. die Lichtfarben „tageslichtweiß 10", „neutralweiß 20", „neutralweiß deluxe
21" und „warmweiß 30". Bei Verwendung
derartiger Lichtfarben ist es besonders wichtig, die maximale Blaulichtgefährdung,
die bei 435/440 nm auftritt, zu reduzieren.
-
Diese
Anforderung wird durch das erfindungsgemäße Filter der 1 erfüllt, so
dass es auch als Schutzfilter für
derartige Leuchtstofflampen verwendet werden kann.
-
Die
in 1 dargestellte glockenförmige Kurve des erfindungsgemäßen Filterglases
kann in Abhängigkeit
von seiner Dicke und der Konzentration des Pigmentes so verändert werden,
dass z. B. Sonnenschutzfilter für
Sonnenbrillen in verschiedenen Kategorien hergestellt werden können. Dabei
bleibt die Form der Kurve erhalten, so dass die Ausgewogenheit des
circadianen und visuellen Filternutzens gewährleistet ist.
-
Der
Nachweis der photobiologischen Wirkung erfindungsgemäßer Filter
wurde mit sonnenstrahlungsähnlichen
Lichtquellen durch Messung der Suppression der Melatoninsekretion
bei Bestrahlungsversuchen mit Probanden erbracht. Die Bestrahlung
wurde mit handelsüblichen
Lichttherapiegeräten
vom Typ „Chronolux Lichtduschen
CL 8S und CL 100" bei
einer gemessenen Beleuchtungsstärke
von 10.000 Lux durchgeführt.
-
Es
zeigte sich, dass der im Blut gemessene verringerte Melatoningehalt
bei Verwendung von erfindungsgemäßen Filter,
die als Korbbrillen ausgeführt
wurden, im Vergleich zur herkömmlichen
Bestrahlung ohne Filter prozentual nur geringfügig geringer war.
-
Es
wurde außerdem
festgestellt, dass die in der Lichttherapie bei SAD und S-SAD Patienten
maximal angewendete Beleuchtungsstärke von 10.000 Lux ohne belastende
Blendung appliziert werden kann. Die Bestrahlung nach der herkömmlichen
Lichttherapie, d. h. ohne Verwendung von Filtern, wurde bei der
Beleuchtungsstärke
von 10.000 Lux dagegen selbst von jungen, gesunden Probanden als
sehr belastend oder schmerzhaft empfunden.
-
Bei
den Versuchen wurde die Beleuchtungsstärke mit einem Luxmeter in Augenhöhe vertikal,
direkt an den Augen gemessen. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Filter
wurde der Abstand von den die Brillen tragenden Probanden zur Lichtquelle – im Vergleich
zum Abstand der Probanden zur Lichtquelle beim Bestrahlen ohne Brillen – so weit
verringert, dass wieder eine Beleuchtungsstärke von 10.000 Lux an den Augen wirksam
war.
-
Der
Anwendernutzen dieses erfindungsgemäßen Filters besteht bei einem
Filterwirkungsfaktor von ca. 1,0 und der Reduzierung der potentiellen
Blaulichtgefährdung
bei der Lichttherapie zusätzlich
darin, dass durch die signifikante Verminderung der Blendung
- – die
Akzeptanz der Lichttherapie erhöht
wird,
- – höhere Beleuchtungsstärken und
damit kürzere
Expositionszeiten applizierbar sind,
- – bei
verkürzten
Expositionszeiten mehr Patienten pro Zeiteinheit behandelt werden
können
und
- – die
Abbruchraten bei der Behandlung gesenkt werden.
-
Ausführungsbeispiel
1 Filter aus organischem Glas/Kunststoffglas Der handelsübliche farblose
Kunststoff „LEXAN® LS2" wurde mit einem
Pigmentzusatz von 0,03 Gew. % halogenhaltigem Kupfer-Phthalocyanin in
der Masse grün
eingefärbt
und zu Granulat verarbeitet. Aus dem Granulat wurden im Spritzgussverfahren Brillengläser verschiedener
Dicken ohne dioptrische Wirkung hergestellt. Das Pigment wurde nur
soweit zerkleinert, dass Einlagerungen von mikroskopisch kleinen,
nicht vollständig
dispergierten Pigmentteilchen in der Größenordnung von vorrangig 0,5 μm bis 5 μm in der
Matrix des optischen Filters vorlagen.
-
2 zeigt
Transmissionseigenschaften erfindungsgemäßer Filtergläser mit
unterschiedlichen Dicken und konstantem Pigmentzusatz.
-
Es
ist ersichtlich, dass die maximalen Transmissionswerte τmax der
erfindensgemäßen Filter
mit Glockenkurve immer im Bereich von 510 nm, dem Schnittpunkt der
circadianen Wirkungsfunktion c(λ)
mit der Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ), liegen, so dass der circadiane-
und visuelle Filternutzen immer ausgeglichen berücksichtigt ist.
-
Es
ist weiterhin ersichtlich, dass den Wellenlängen λτ50 relativ
hohe spektrale Transmissionsgrade τmax zugeordnet
sind und sich die λ-Bereiche τmax – 5 % über mindestens
den Wellenlängenbereich
von 500 nm bis 520 nm erstrecken.
-
Nachfolgend
sind die miteinander korrespondierenden Wellenlängen-Transmissionsgrade der
erfindungsgemäßen Filter
der
2 angegeben.
Bezeichn. | Dicke | λτ50 | τmax | τmax – 5 | λ-Bereich τmax – 5 | λτ'50 |
| (mm) | (nm) | (%) | (%) | (nm) | (nm) |
F1 | 1,2 | 447 | 80,0 | 75,0 | 480-540 | 577 |
F2 | 1,9 | 463 | 74,4 | 69,4 | 484-535 | 564 |
-
Die
Extinktion/Transmission von in der Masse gefärbten Filtergläsern kann
nach der Bestmmung des Extinktionskoeffizienten (ε) über die
Filterdicke (d) und den Zusatz des Pigments/Farbstoffs (c: Konzentration) gemäß dem Lambert-Beerschen
Gesetz
Eλ =
log 1/τiλ = ελ·c·d eingestellt
werden.
-
Dadurch
ist es möglich,
die Filter in sehr unterschiedlichen Geometrien auszuführen. Sie
können
in relativ großen
Dicken von bis zu ca. 5 mm als Abdeckungen, Gehäuse, Sichtscheiben und Linsen,
als Fenster von Gebäuden
und Wohnungen, in mittleren Dicken von ca. 1 bis 2 mm als Linsen,
Sonnenschutzfilter für
Sonnenbrillen und als Lichtschutzfilter für sonnenstrahlungsähnliche
Lichtquellen, z. B in der Lichttherapie, und in relativ geringen
Dicken von < 1
mm als Linsen, Überfanggläser, Verbundglaskomponenten
und Folien hergestellt werden.
-
Wenn
erfindungsgemäße Filter
z. B. als Fensterscheiben an Gebäuden
zur Nutzung von gesundem Sonnenlicht ausgeführt werden, wird noch zusätzlich ein
Wärmeschutzeffekt
erzielt, da ein Teil der VIS-Strahlung vom Glas absorbiert wird.
Für das
erfindungsgemäße Filter
gemäß
-
1 beträgt die Wärmeschutzwirkung/Lichtreduktion
im VIS 47,8 %.
-
Optische
Filter, die längere
Zeit intensiver Sonnenstrahlung oder künstlicher Strahlung ausgesetzt werden,
müssen
auch unter extremen Bedingungen solarisationsstabil sein. Die mit
halogenhaltigem Kupfer-Phthalocyanin gefärbten Polycarbonatgläser sind
sehr solarisationsstabil. Die Solarisationsbeständigkeit wurde an Filterproben
gemessen, die mit einem künstlichen
Strahler bzw. unter natur-lichen Sonnenscheinbedingungen in Indien/Kerala
unter subtropischen Bedingungen bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit
im Zeitraum von 24 h und 48 h bzw. 100 h und 200 h getestet worden
sind.
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Eine
Verschiebung der kurzwelligen Kantenlage der Transmissionskurven
wurde nicht beobachtet. Die gemessenen Änderungen der spektralen Transmissionsgrade
nach der Bestrahlung sind vernachlässigbar gering.
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Die
erfindungsgemäßen Filtergläser werden
durch Zusetzen von Farbstoffen/Pigmenten zum Gemenge der Gläser, d.
h. in der Masse gefärbt.
Dieses Verfahren ist im Vergleich zu Tauch-, Anlauf- und Beschichtungsverfahren
technisch weniger aufwendig und kostengünstiger. Das kostengünstige „in der
Masse Färben" ist besonders für die Herstellung
von Massenartikeln wie Fenster- und Sonnenbrillenglas vorteilhaft.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Transmission/Farbqualität der Filter
relativ einfach konstant gehalten werden kann.
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Die
in der Masse gefärbten
Filtergläser
können
auch als Substrat für
weitere Veredelungsprozesse verwendet werden.
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Ausführungsbeispiel
2, 3 und 4 Filter aus anorganischem Glas/Mineralglas Glaszusammensetzungen des
Systems SiO2-Na2O-K2O-CaO wurden mit definierten Farbzusätzen von
TiO2, CeO2, CuO,
K2Cr2O7 und Fe2O3 in herkömmlicherweise
homogenisiert, erschmolzen, gegossen und abgekühlt. Aus den Schmelzen wurden
Messproben unterschiedlicher Dicke gefertigt.
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Den
Glaszusammensetzungen können
zum Modifizieren der physikalisch-chemischen Glaseigenschaften auch
weitere häufig
verwendete nichtfärbende
Komponenten wie Al2O3 u./o.
B2O3 u./o. Li2O u./o. MgO u./o. SrO u./o. BaO u./o. PbO
u./o. ZnO u./o. ZrO2 u./o. La2O3 u./o. Y2O3 u./o. Ta2O5 u./o. Nb2O5 und bekannte Läutermittel wie As2O3 u./o. Sb2O3 u./o. NaCl u./o. SnO2 zugesetzt
werden.
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Die
Oxide SrO, BaO, PbO, La2O3 , Y2O3,
Ta2O5 und Nb2O5 werden in das
Glas eingeführt,
um z. B. die Brechzahl zu erhöhen,
so dass Linsen mit dioptrischer Wirkung hergestellt werden können. Zusätze von
Al2O3, B2O3, Li2O,
MgO, ZnO und ZrO2 dienen z. B. zur Anpassung
von Schmelz- und Verarbeitungseigenschaften des Glases an Herstellungstechnologien.
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Die
Beispiele der erfindungsgemäßen Gläser sind
Nullgläser,
d. h. Gläser
ohne dioptrische Wirkung.
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Zusammensetzung
der Ausführungsbeispiele
in Gew. %:
Beispiel 2 | Beispiel
3 | Beispiel
4 |
SiO2 | 64,79 | SiO2 | 64,09 | SiO2 | 70,72 |
Na2O | 9,00 | Na2O | 8,90 | Na2O | 9,82 |
K2O | 6,30 | K2O | 6,20 | K2O | 6,90 |
CaO | 9,90 | CaO | 9,80 | CaO | 10,80 |
CeO2 | 3,00 | CeO2 | 3,00 | K2Cr2O7 | 1,00 |
TiO2 | 6,00 | TiO2 | 6,00 | CuO | 0,75 |
CuO | 1,00 | CuO | 2,00 | Fe2O3 | 0,01 |
Fe2O3 | 0,01 | Fe2O3 | 0,01 | |
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3 zeigt
Transmissionseigenschaften von erfindungsgemäßen Filtergläsern mit
unterschiedlichen Farbstoffzusätzen
und Dicken.
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Es
ist ersichtlich, dass die maximalen Transmissionswerte τmax auch
der erfindensgemäßen Mineralglasfilter
mit Glockenkurven immer im Bereich von 510 nm, dem Schnittpunkt
der circadianen Wirkungsfunktion c(λ) mit der Hellempfindlichkeitsfunktion
für Tagessehen
V(λ), liegen,
so dass der circadiane und visuelle Filternutzen ausgeglichen berücksichtigt
ist.
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Es
ist weiterhin ersichtlich, dass den Wellenlängen λτ50 hohe
spektrale Transmissionsgrade τmax zugeordnet sind und sich die λ-Bereiche τmax – 5 % über mindestens
den Wellenlängenbereich
von 500 nm bis 520 nm erstrecken.
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Nachfolgend
sind die miteinander korrespondierenden Wellenlängen-Transmissionsgrade der
Ausführungsbeispiele
2 und 3 gemäß
3 angegeben:
Bezeichn. | Dicke | λτ50 | τmax | τmax – 5 | λ-Bereich τmax – 5 | λτ'50 |
| (mm) | (nm) | (%) | (%) | (nm) | (nm) |
F1 | 1 | 441 | 70,9 | 65,9 | 475-539 | 577 |
F2 | 2 | 447 | 71,1 | 66,1 | 478-537 | 573 |
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Am
Beispiel der Transmissionseigenschaften der erfindungsgemäßen Filter
F1 und F2 wird gezeigt, dass es möglich ist, Gläser mit
unterschiedlichen Farbstoffzusätzen
und Dicken herzustellen, die annähernd gleiche
Transmissionseigenschaften besitzen.
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Die
Solarisationsstabilität
der Gläser
ist auf Grund ihrer Zusammensetzung, durch das Einführen der färbenden
Komponenten – vor
allem von CeO2 und TiO2-
sehr groß.