The directionality of light - a moderating factor on the diurnal non-image-forming effects

This thesis investigates how spatial light distribution - light directionality - influences non-image-forming (NIF) effects of light under diurnal conditions. Firstly, a theoretical and methodological foundation is provided by an overview of the current knowledge on visual and non-visual photic processing, with special attention given to spectral, temporal, and dose-response characteristics of light exposure. A key research gap is identified: the role of spatial light distribution has not been systematically examined in relation to NIF effects during the day. The research gap is initially addressed through two literature reviews. The first focuses on studies exploring the impact of spatial light distribution on NIF responses. With only one exception, these studies were conducted under nocturnal conditions and collectively provide strong evidence that light directionality significantly impacts melatonin suppression at night. This finding prompted a second review, which includes a meta-analysis of 47 laboratory studies conducted during daytime hours. Since these diurnal studies were not designed initially to investigate directionality, their spatial light distribution was assessed retrospectively using a novel five-tier evaluation framework developed to rate the quality of experimental setup reporting. The empirical core of the thesis comprises three experiments investigating how spatial light distribution influences NIF effects under diurnal conditions, during the post-lunch dip. Experiments 1 and 2, conducted in controlled lab settings with fixed gaze, manipulated light directionality (upper, lower, side) and solid angle (large vs. small luminous surfaces) at a consistent melanopic equivalent daylight illuminance (mEDI) of ~580 lx. The two studies investigated the impact on sleepiness, objective alertness, inhibition capacity, working memory, visual comfort, and mood. Experiment 3 extended the research to a semi-realistic co-working environment with lower light levels (~304 lx) offered in two light scenes (upper- and side-field of view lighting), assessing sleepiness, creative performance, visual comfort, and mood. The results suggest that upper-field illumination enhances subjective alertness and reaction time, while side illumination improves creative flexibility despite lower alertness. Moreover, increased luminance provided by a small solid angle source boosted alertness but slowed reaction times, highlighting the importance of visual comfort and dissociation between cognition and alertness. These findings provide evidence that spatial light characteristics can moderate the magnitude of NIF effects and should be considered alongside spectrum and illuminance. This work contributes to both theoretical understanding and experimental methodology in human-centric lighting research. DE: Diese Dissertation widmet sich der bislang wenig erforschten Frage, inwiefern die räumliche Verteilung von Licht – konkret dessen Einfallsrichtung – die nicht-visuelle (non-image-forming, NIF) Wirkung von Licht bei Tageslicht beeinflusst. Im ersten Teil wird ein theoretisch-methodisches Fundament geschaffen, das etablierte Einflussgrößen wie die spektrale Zusammensetzung, zeitliche Dynamik und Dosis-Wirkung-Beziehung systematisch aufarbeitet. Dabei wird eine bislang vernachlässigte Forschungslücke deutlich: Die gezielte Untersuchung räumlicher Lichtverteilung und ihrer Auswirkungen auf tageszeitliche NIF-Effekte wurde bisher kaum adressiert. Zur Aufarbeitung dieser Lücke werden zwei umfassende Literaturanalysen herangezogen. Die erste fokussiert sich auf Studien zur Direktionalität des Lichts, die überwiegend unter nächtlichen Bedingungen durchgeführt wurden, und zeigt dessen signifikanten Einfluss auf die Melatoninsuppression. Die zweite integriert die Ergebnisse von 47 Tageslichtstudien in einer Metaanalyse, in der ein neu entwickeltes, fünfstufiges Bewertungsraster zur Kategorisierung räumlicher Lichtverteilung Anwendung findet. Der empirische Kern besteht aus drei Experimenten, die den Einfluss räumlicher Lichtcharakteristika während des biologischen Mittagstiefs untersuchen. In zwei kontrollierten Laborstudien (Experimente 1 und 2) wurden Lichteinfallsrichtung (oben, unten, seitlich) und Raumwinkel (groß vs. klein) bei konstanter melanopisch äquivalenter Tageslicht-Beleuchtungsstärke (mEDI ~580 lx) variiert. Erfasst wurden Schläfrigkeit, objektive Wachheit, Inhibitionsfähigkeit, Arbeitsgedächtnis, visueller Komfort und Stimmung. Das dritte Experiment übertrug das Design in eine realitätsnahe Coworking-Umgebung mit reduzierter mEDI (~304 lx) und verglich zwei Lichtszenarien (oben vs. seitlich) hinsichtlich ihrer Effekte auf Schläfrigkeit, Kreativität, Komfort und Stimmung. Die Ergebnisse zeigen ein differenziertes Bild: Oberlicht erhöht objektive Wachheit und verkürzt Reaktionszeiten, während seitliches Licht trotz geringerer Vigilanz die kreative Denkflexibilität fördert. Hochintensive, kompakte Lichtquellen steigerten zwar die Wachheit, verlängerten jedoch die Reaktionszeiten – was auf visuelle Beanspruchung und eine mögliche funktionale Entkopplung zwischen kognitiver Leistung und physiologischer Aktivierung hinweist. Diese Befunde unterstreichen, dass räumliche Lichteigenschaften eine zentrale Steuerungsgröße für NIF-Wirkungen darstellen und neben spektralen und intensitätsbezogenen Parametern künftig stärker berücksichtigt werden sollten – sowohl in der Forschung als auch bei der Planung humanzentrierter Lichtkonzepte. Die Arbeit leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung theoretischer und methodischer Ansätze in der interdisziplinären Lichtforschung.