Testaufbauten zur Ermittlung der Sehbeeinträchtigung bei Flugauf- Flugauf-gaben

Zur Ermittlung möglichst realitätsnaher Sehbeeinträchtigungen bei Flugaufgaben wurden bereits im Vorfeld zum dargestellten Forschungsprojekt verschiedene Szena-rien simuliert. Diese dienten zum einen als OSzena-rientierung bezüglich wichtiger Frage-stellungen aus dem einschlägigen flugtechnischen Umfeld, damit entsprechende, möglichst einfache, aber aussagekräftige Testeinrichtungen konzipiert und umge-setzt werden konnten, um diese unter Laborbedingungen zu testen und zum andern, um Informationen und erste Erfahrungen zu sammeln, die für eine Integration von Blendeinrichtungen für Schulungs- und Trainingszwecke in Flugsimulatoren geeignet sein könnten.

Ohne die damit verbundene Vorlaufforschung wäre es kaum möglich gewesen, im Hinblick auf die relevanten Fragestellungen, die sich im praktischen Fall einer Blen-dung speziell am Arbeitsplatz im Cockpit einer Verkehrsmaschine oder in einem Hubschrauber ergeben können, ausreichend zielführende Informationen verfügbar zu haben, um dann zu entscheiden, welche Beeinträchtigungsmerkmale als charakte-ristisch herangezogen werden können und einer detaillierteren Untersuchung unter-zogen werden müssen. Insofern wurde es als wichtig angesehen und entschieden, die wesentlichen Ergebnisse und Erkenntnisse aus dieser Vorlaufforschungsphase hier zusammenzufassen. Hierdurch kann der gesamte Themenkomplex in einem vollständigeren Kontext gesehen werden. Dies gilt im gleichen Maße für die bereits aus einem vorangegangenen Forschungsvorhaben vorliegenden Erkenntnisse (REIDENBACH et al., 2008), die notwendigerweise bei der Abarbeitung der neuen Fragestellungen eingeflossen und daher auch an den entsprechenden Stellen zitiert sind.

Die in diesem Zusammenhang realisierten Testeinrichtungen entstanden in der Re-gel im Rahmen von Abschlussarbeiten im Diplom- bzw. Bachelorstudium an der Fachhochschule Köln im Forschungsbereich Medizintechnik und Nichtionisierende Strahlung und wurden dort auch mit mehreren Versuchsteilnehmern getestet. Die jeweiligen Ergebnisse wurden analysiert und ausgewertet. Weitergehende Informa-tionen liegen zum Teil in unveröffentlichten Arbeiten (BEHNKE, 2009; OEHME, 2009;

HELD, 2010; REINDERS, 2011), sowie in damit im ergänzenden und übergeordne-ten Zusammenhang stehenden Publikationen vor (REIDENBACH, 2010b, 2011b, 2011d, 2012c; REIDENBACH und REINDERS, 2012).

Da es in erster Linie um die Realisierung von optischen Strahlungsfeldern mit einem relativ großen Durchmesser ging, bei dem beide Augen gleichzeitig exponiert werden sollten, konnten neben Laserstrahlquellen auch Licht emittierende Dioden (Leuchtdi-oden, LEDs) in Form so genannter Hochleistungs-LEDs als Strahlungsquellen einge-setzt werden, um damit eine vorübergehende Blendung eines Piloten während einer

kritischen Flugphase, insbesondere im Endanflug und während der Landung, zu si-mulieren.

Als Testtarget diente in der Regel das so genannte Primary Flight Display (PFD), al-so das Hauptinstrument im Cockpit, das dem Piloten beal-sonders viele und bedeutsa-me Informationen liefert. Für die Tests wurden bedeutsa-mehrere umschaltbare PFD-Anzeige-situationen erstellt, die es galt, möglichst schnell während oder nach einer Blendung abzulesen. In der Regel wurde die Ablesefähigkeit der Angabe des QNH-Wertes (Question Normal Height), d. h. des auf Meereshöhe umgerechneten aktuellen Luft-druckmesswertes (barometrischer Höhenmesser), ermittelt. Auch wenn die Angabe, die der realen Höhe über dem Meeresspiegel, also Normal-Null, entspricht, wenn der Höhenmesser auf den QNH-Wert eingestellt ist, nicht die wichtigste Anzeige im Cockpit ist, so gab es einen rein messtechnischen Grund für die Wahl dieses Wertes.

Er war deshalb ausgewählt worden, da dessen Abmessungen im PFD in der Größe etwa derjenigen des Nachbildes entsprachen und dieses bekanntermaßen eine Zeit-lang die Sicht auf ein Objekt behindert bzw. unmöglich macht. Die entsprechende Erkennbarkeitsdauer wurde dann im Blendtest bestimmt. Abbildung 3.8 zeigt drei artifizielle PFD-Anzeigen und außerdem einmal unterhalb des QNH und einmal im Bereich des künstlichen Horizonts ein synthetisches Nachbild, in einer Form, wie es häufig bei diesen Versuchen auftrat bzw. beobachtet wurde.

Zu den Faktoren, die die Sichtbarkeit von Gegenständen im Cockpit beeinflussen, gehören insbesondere die tatsächliche Größe der Ziffernblätter und der dargestellten Anzeigen, die Größe und der Kontrast der Symbole auf den Tafeln, Karten und ande-ren Texten, der Abstand zwischen den Augen des Piloten und dem betrachteten Ge-genstand, der allgemeinen Beleuchtung des Armaturenbretts, die Leuchtdichte der beleuchteten Instrumente, Reflexionen der Cockpitscheiben und der Instrumente und die Verwendung von Sonnenschutzbrillen (ICAO, 2012).

Dazu kommt, dass niedrige Beleuchtungsbedingungen eine Weitung der Pupillen bedingen, die wiederum mit sphärischer Aberration und einem verschwommenen Netzhautbild verbunden ist. Hierdurch kann eine Akkommodation verursacht werden, die eine temporäre Kurzsichtigkeit zur Folge haben kann und damit eine Verringe-rung der Sehschärfe (ICAO, 2012).

Abb. 3.8 3 verschiedene Testtargets in 2 verschiedenen Darstellungs-Versionen mit synthetischen Nachbildern

Zur Simulation waren die in einem A320-Flugsimulator messtechnisch bestimmten Beleuchtungswerte in den jeweiligen Simulationsaufbau vor Ort im Labor übertragen und insbesondere beim PFD eingestellt worden.

Außer der Strahlungsquelle selbst konnte auch die Strahlungsrichtung zur Sehachse der Versuchsperson geändert werden, so dass es möglich war, neben einer Frontal-blendung mit fovealer Exposition auch eine solche zu simulieren, die einer Exposition unter einem Winkel aus dem peripheren Gesichtsfeld entsprach, wodurch die Peri-pherie des Fleckes schärfsten Sehens bestrahlt wurde.

Bei der Bestrahlung wurde stets beachtet, dass die Expositionsgrenzwerte nicht überschritten wurden, das bedeutete für längere Expositionen weniger als 10 W/m². Zusätzlich zur Messung der Zeitdauer der durch Blendung vorübergehend erzeugten Sehbeeinträchtigung, die hier als Ablese- bzw. Erkennbarkeits- oder Identifikations-dauer bestimmt wurde, wurden nach dem Test auch Befragungen der Versuchsteil-nehmer bezüglich der Expositionssituation durchgeführt und diese aufgezeichnet.

Es wurden insgesamt drei verschiedene Test- und Simulationsaufbauten erstellt und validiert. In einem ersten Aufbau wurde eine Blendung mit kollimierter LED-Strahlung simuliert. Diese Testeinrichtung ist in Abb. 3.9 zu sehen.

Abb. 3.9 Schematischer Aufbau einer LED-Blendeinrichtung mit einer Kollimator- und einer Fresnel-Linse und dem damit erzeugten Strahlprofil in der Hornhautebene im Abstand von 1,5 m (n. OEHME, 2009; HELD, 2010;

REIDENBACH, 2011b)

Die Anordnung bei diesem Testaufbau war dergestalt, dass die Strahlungsrichtung in einem Winkel von oberhalb in das Auge der Versuchsperson fiel, wie dies in Abbil-dung 3.10 schematisch dargestellt ist. Die Abmessungen und Abstände entsprachen denjenigen im A320.

Die Testaufgabe bestand im Ablesen des QNH-Wertes auf einem originalgetreu nachgestellten PFD (Primary Flight Display) des Airbus A320 bei verschiedenen Szenarien, und zwar bei peripherer Dauerblendung oder nach 10 s zentraler (fovea-ler) Blendung entweder bei photopischer oder mesopischer Umgebungsbeleuchtung.

Abb. 3.10 Cockpit-Simulation mit LED-Blendeinrichtung; Strahlrichtung aus oberer Gesichtshälfte (modif. n. OEHME, 2009)

Durch Veränderung des Aufbaus wäre auch eine Anstrahlung entgegen der Blickrich-tung möglich gewesen (s. Abb. 3.11).

Abb. 3.11 Cockpit-Simulation mit LED-Blendeinrichtung; Blendrichtung und Blick-richtung fallen entgegengesetzt zusammen (modif. n. OEHME, 2009;

REIDENBACH und REINDERS, 2012)

Abbildung 3.12 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einer Exposition aus dem peripheren Gesichtsfeld. In dieser Abbildung ist rechts unten neben der Blendeinrich-tung der Monitor mit einem Joystick zu sehen, über den die Flugbewegungen des Programms des Microsoft-Flugsimulators am Bildschirm ausgeführt werden konnten.

Abb. 3.12 Laboraufbau zur peripheren Blendung durch eine Hochleistungs-LED (

= 520 nm) und Strahlbündelung durch eine Fresnel-Linse (n. HELD, 2010)

Mit dem MS-Flugsimulator X/2006 wurden ohne und mit Blendungseinfluss einfache Flugaufgaben wie Kursänderungen und Flughöhenänderungen durchgeführt, da es sich bei den Probanden nicht um Piloten handelte. Die Seh-Aufgabe bestand dabei wieder im Ablesen vom PFD. Das Blendlicht kam dabei entweder von frontal oder unter 25° von der Seite.

In beiden Fällen wurde eine grüne Hochleistungs-LED ( = 520 nm, Diodenstrom I ≤ 700 mA) als Blendlichtquelle auf eine optische Bank montiert und mittels eines Kollimators und einer Fresnel-Linse ein annähernd homogenes Strahlungsfeld (s.

Abb. 3.9) erzeugt. Die Strahlungsleistung lag bei ca. 50 µW in einer 7-mm-Blende.

An den Tests entsprechend dem Aufbau in Abbildung 3.10 nahmen insgesamt 14 Probanden teil, und zwar acht männliche und sechs weibliche im Alter zwischen 25 Jahren und 61 Jahren. Die Tests unter Einsatz des MS-Flugsimulators wurden mit insgesamt 14 Probanden durchgeführt. Diese waren im Alter zwischen 22 Jahren und 43 Jahren. 12 davon waren männlich und zwei weiblich. Von allen Versuchsteil-nehmern wurden zwecks Auswertung Aufnahmen mit einer IR-empfindlichen CCD-Kamera (Pixelink PL-A741) angefertigt. Hierbei wurde unter anderem auch zum ers-ten Mal im Vorfeld des Forschungsvorhabens eine Pupillenmessung mittels IR-Reflexion durchgeführt. Abbildung 3.13 zeigt ein entsprechendes Beispiel.

Abb. 3.13 Rotauge-Effekt durch IR-Strahler-Reflexion

Als dritte Testapparatur wurde der bereits im Kapitel zum Pupillenreflex vorgestellte Aufbau zur Simulation einer Exposition in größerer Entfernung zur Bestimmung der Identifikationszeit einer Anzeige in einem Display eines Cockpits eingesetzt. In die-sem Fall diente ein „grüner“ Laser (frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser,  = 532 nm) als Blendlichtquelle. Die kommerzielle Lasereinrichtung wurde mittels Strahltrans-formation und –formung in eine Lasereinrichtung der Klasse 1M umgewandelt. Durch die Strahltransformation war aus einem Laserstrahl mit einem Durchmesser von ca.

1 mm und mit einer Strahldivergenz von ca. 2 mrad ein Ausgangslaserstrahl mit ei-nem Strahldurchmesser von 186 mm bei einer Strahldivergenz von nur noch ca.

10 µrad gemacht worden, der ein weitgehend homogenes Strahlprofil über einen Strahldurchmesser von ca. 130 mm lieferte (s. auch Unterabschnitt 2.3.1 a.)). In Ab-bildung 3.14 ist der Gesamtaufbau mit allen einzelnen Komponenten dargestellt.

Abb. 3.14 Experimenteller Aufbau mit Laserstrahlquelle, Strahltransformation, Test-target (PFD), Aufnahmetechnik, Strahlprofil und Testperson zur Durch-führung von Blendtests in einer Cockpitsimulation

(modif. n. REIDENBACH und REINDERS, 2012)

Durchgeführt wurden mit dem in Abbildung 3.14 gezeigten Testaufbau im Wesentli-chen 2 Flugaufgaben, nämlich zum einen eine Ableseaufgabe am PFD und zum an-deren eine Kursänderung beim MS Flight Simulator mit Hilfe eines Joysticks. In Ab-bildung 3.15 ist die Sicht der Testperson auf die Blendeinrichtung und auf das darun-ter angebrachte Monitorbild des PFD gezeigt. Die entsprechenden Testsituationen sind in den Abbildungen 3.16 und 3.17 veranschaulicht. In allen Testsituationen ging es um das Erfassen der Flug- bzw. Erkennungszeiten. Außerdem wurden die psy-chologischen Blendeffekte abgefragt und es erfolgte eine Kameraaufzeichnung zum Zwecke der Analyse von Abwendungs- bzw. Schutzreaktionen.

Abb. 3.15 Blick der Testperson auf die Blendeinrichtung und das PFD-Monitorbild;

rechts neben der Frontlinse ist der blendende Laserstrahls simuliert

Abb. 3.16 Testsituation bei der Durchführung einer Ableseaufgabe vom PFD wäh-rend einer Blendung durch einen Laserstrahl (mod. n. REINDERS, 2011)

Abb. 3.17 Testsituation bei einer Kursänderung mit dem MS Flight Simulator wäh-rend einer Blendung durch einen Laserstrahl (n. REINDERS, 2011) Die Laserstrahlleistung in einer 7-mm Pupille betrug zwischen 180 μW und 200 μW.

Die Expositionsdauer lag für alle elf Versuchsteilnehmer (Alter: 22 – 68 Jahre, zehn männliche, eine weibliche) bei diesem Versuchsaufbau bei 10 s.

Es war auch ein Ziel, die Öffentlichkeit für die Gefahren einer Laserstrahlblendung zu interessieren und zu sensibilisieren. Um einen Beitrag zur Öffentlichkeitsarbeit zu leisten, wurde daher im Rahmen des Forschungsvorhabens, und zwar sowohl in der Vorlaufphase als auch zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Abschluss, gemeinsam mit der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Dortmund) anlässlich der Messen „LASER World of PHOTONICS 2011“ und „LASER World of PHOTONICS 2013“ jeweils eine Blendeinrichtung demonstriert, die es erlaubte, während eines si-mulierten Fluges die Situation einer Blendung zu erleben. Die Blendeinrichtung wur-de mittels einer Hochleistungs-LED und einer Fresnellinse realisiert. Besucher wur-der Messen nutzten die Möglichkeit, eine Blendsituation auf dem Messestand kennen zu lernen. Darstellungen zu dieser Aktion finden sich im Anhang F.