第三节 光与视觉
“我们的眼睛是造来观看光线下的各种形式的。”
——勒·柯布西耶
视觉是光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。为了保证视觉功能的正常发挥，必须创造良好的光环境。因此，进行照明设计有必要了解视觉的形成、视觉的特性和视觉的功效等相关知识。
一、视觉的形成
人们的视觉感觉只能通过眼睛来完成，眼睛好像一部精密的光学仪器，在很多方面都与照相机相似。
眼睛主要由3部分组成，即眼球壁、成像系统和调节系统。其构造如图1-3-1所示。
1.眼球壁
眼睛是一个直径约24mm（21～25mm）的略带椭圆的球体，称为眼球。眼球的壁由3层薄膜组成：外层薄膜——角膜和巩膜；中层薄膜——虹膜、睫状体和脉络膜；内层薄膜——视网膜。
图1-3-1 眼睛的构造
2.成像系统
眼睛的成像系统是指光在眼球中通过的路程，又称光路系统，它包括角膜、前房、晶状体和玻璃体4个部分，如图1-3-2所示。
3.调节系统
为了看清目标，就必须调节眼睛的各有关部位，以控制射入眼球的光的强弱，并使目标物能成像于视网膜的中央凹处，因为只有中央凹区域内才有高的分辨率和视觉灵敏度。眼睛的调节系统在瞳孔的调节、晶状体的调节、眼球的转动3个方面进行调节。调节瞳孔的目的主要是控制射入眼球的光线强度。当视野亮度较高时，瞳孔自行缩小，反之则会自行放大；当观察目标很远时，瞳孔也会略有缩小，以增大景深，而看近的物体时，瞳孔又会略有放大。晶状体是由睫状肌通过悬韧带调节的，调节的目的就是改变晶状体的屈光度。眼球转动的目的是为了迅速地捕捉到观察目标，通常，也可以通过扭动头部甚至躯干，使人们的视觉范围大大地扩大。
图1-3-2 眼睛构造剖面图及成像原理
二、视觉的特性
1.视觉阈限
视觉系统极其复杂，它有很大的自调能力，但这种能力有一定的限度。例如视觉器官可以在很大的强度范围内感受到光的刺激，但也有一个最低的限度，当低于这一限度时，就不再能引起视觉器官对光的感觉了。能引起光觉的最低限度的光量，就称为视觉的阈限，一般用亮度来度量，故又称为亮度阈限。
视觉的亮度阈限与下列诸多因素有关：
（1）视觉的亮度阈限与目标物的大小有关。目标物的大小一般用目标物对眼睛所张的角度表示，称为视角。视角越小，则亮度阈限越高；视角越大，亮度阈限就越低。但当视角超过30°时，亮度阈限不再降低。
（2）视觉的亮度阈限与目标物发出的光的颜色也有关系。在相同的视角下，对波长较长的光，例如红光、黄光，其亮度阈限就高；对波长较短的光，例如蓝光，则亮度阈限值要低一些。这是因为在暗视觉条件下，光谱光效率向短波方向偏移的缘故。
（3）在上述讨论中，对观察时间未作限制，也即观察者可以无限制地长时间观察目标物。如果对观察时间作一定的限制，或目标物的呈现时间有一定的限制，例如不超过0.1s，而目标物又较小，视角不超过1°，则目标物呈现时间将影响亮度阈限值。即目标物呈现时间越短，亮度阈限值就越高；呈现时间越长，亮度阈限值就越低。
一般来说，亮度越高，越有利于视觉。但当亮度超过106cd/m2时，视网膜可能被灼伤，所以人们只能忍受不超过106cd/m2的亮度。
2.视力
视力定性含义是眼睛区分精细部分的能力。视力定量含义是指人眼睛能够识别分开的两个相邻物体的最小张角D的倒数（1/D）。生理因素、年龄因素都是影响视力的因素。
3.视觉速度
光线进入眼睛，作用于视网膜并形成视觉，是需要一定时间的。从物体出现到形成视觉所需要的时间t（s）的倒数称为视觉速度。视觉速度与照明有直接关系，良好的照明条件可以缩短形成视觉所需的时间，也即提高了视觉速度，从而提高了工作效率。视觉速度受目标物尺寸（即视角大小）、亮度对比、环境亮度与背景亮度等因素影响。
4.视野
当人面向正前方，眼睛水平地正视前方时，除了能看到正前方的目标外，还能模糊地看到周围一个很大的范围，称为视野或视场。视野的大小与环境亮度等客观因素有关，同时与生理因素，尤其是人种有关。
图1-3-3所示是人眼的视野范围，中央白色部分为双眼看到的范围，斜线部分为单眼看到的其余范围，黑色部分是被睑、眉、颊和鼻遮挡的范围。
图1-3-3 人眼的视野范围
5.明视觉与暗视觉
由于锥体、杆体细胞分别在不同的明、暗环境中起主要作用，故形成明、暗视觉。明视觉是指在明亮环境中（大于几个cd/m2以上的亮度水平），主要由视网膜的锥体细胞起作用的视觉。明视觉能够辨认很小的细节，此时人眼具有颜色感觉，而且对外界亮度变化的适应能力强。暗视觉是指在黑暗环境中（0.001cd/m2以下的亮度水平），主要由视网膜杆体细胞起作用的视觉。暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物件的细节，对外部变化的适应能力低。
当环境亮度在0.03～3cd/m2之间时，将同时存在锥体视觉和杆体视觉，这时的视觉特性既不同于明视觉，也不同于暗视觉，此时介于明视觉和暗视觉之间，这种环境条件常称为中间视觉或介视觉。明视觉、中间视觉及暗视觉与其相对应的光环境之间的关系如图1-3-4所示。
图1-3-4 明视觉、中间视觉及暗视觉与其相对应的光环境示意图（单位：cd/m2）
6.颜色感觉
在明视觉时，人们对于380～780nm范围内的电磁波会引起不同的颜色感觉，见表1-3-1。
表1-3-1 光谱颜色中心波长及范围 单位：nm
7.光谱光视效率
人眼观看同样功率的辐射，在不同波长时感觉到的明亮程度不一样。人眼的这种特性常用光谱光视效率[V（λ）]曲线来表示，如图1-3-5所示。它表示获得相同视觉感觉时，波长λm和波长λ的单色光辐射通量的比。辐射源在单位时间内发出的能量，一般用Φe表示，单位为W。
由于在明、暗环境中，分别由锥体和杆体细胞起主要作用，所以它们具有不同的光谱光视效率曲线。这两条曲线代表等能光谱波长λ的单色辐射所引起的明亮感觉程度。明视觉曲线V（λ）的最大值在波长555nm处，即在黄绿光部位最亮，愈趋向光谱两端的光显得愈暗。V′（λ）曲线表示暗视觉时的光谱光视效率，它与V（λ）相比，整个曲线向短波方向推移，长波端的能见范围缩小，短波端的能见范围略有扩大。在不同光亮条件下，人眼感受性不同的现象称为“普尔钦效应”（Purkinje effect）。在室内设计中的颜色协调时，就应根据它们所处环境的明暗可能变化程度，利用上述效应，选择相应的亮度和色彩对比。
8.明适应与暗适应
从黑暗处进入明亮的环境时，人们最初会感到非常刺眼，睁不开眼，因此无法看清周围的景物。大约经过1min后才能恢复正常的视觉工作。眼睛的这种由暗到亮环境的适应过程就称作明适应。
图1-3-5 光谱光视效率曲线
人从明亮的环境进入暗处时，在最初阶段会什么都看不见，逐渐适应了黑暗后，才能区分周围物体的轮廓，这种从亮处到暗处，人们视觉阈限下降的过程就称为暗适应。一般人要在暗处逗留30～40min，视觉阈限才能稳定在一定水平上，如图1-3-6所示。
暗适应的长短与适应前后的光环境有关，适应前后两种光环境的亮度之差越大，则适应的时间也就越长。另外，年龄大小、营养状况、是否缺氧、有无夜盲症等生理因素也是影响暗适应长短的重要因素。
图1-3-6 明适应与暗适应
在室内照明设计时，要充分考虑到人的明适应和暗适应因素，加强过渡空间和过渡照明的设计以起到视觉导向或氛围营造的作用，确保人的视觉达到健康舒适的程度。
9.恒常现象
一个物体在照明的性质与强度发生变化的情况下，人对该物体还保持原有的识知状态，这种现象叫恒常现象。在室内设计中，同一界面的驼色乳胶漆，在白天的阳光下看和在夜晚的灯光下看会是同样的颜色，就是这个道理。
10.后像
物体对人的视觉神经刺激消除之后，在视网膜上仍残留着原物体的影像，这种现象称为后像。后像又分正后像和负后像。正后像也叫积极后像，是与原物体的亮度和色调相同的后像。负后像，也叫消极后像，是与原物体的亮度和色调正好相反的后像。
三、视觉功效
人们完成视觉工作的功效称为视觉功效，它包含两方面的内容，即视觉功效潜力和视觉功效状态。前者是人们完成某项视觉工作的能力，主要取决于视觉的生理特性和物理特性；后者是人们完成某项视觉工作的状态，它可能会涉及社会学和心理学等学科。
1.可见度
人们在观察目标物时，除了与人的视力有关，即与人的视觉功效潜力有关外，还与该目标物的物理条件及其所处的物理环境有关。为了定量地表示人们观察目标物时看清楚的程度，引入可见度的概念。可见度又称能见度，或简称为视度。
可见度取决于视角、背景亮度和亮度对比3个因素。
2.视功效特性
视角、背景亮度（或照度）和临界亮度对比的关系称为视功效，它们之间的关系可以用视功效特性表示，这是制定照度标准的主要依据。视功效特性由实验求得。
3.视觉满意度
视觉满意度属于心理度量范畴，只有通过实验才能获得所需的结论。全部被测试者都认为满意的照度是不存在的。在室内设计中，室内照度达到略低于2000lx时，一般不会使人感到不满意，实际上，考虑到经济性，只要照明器布置得当，室内相关表面的亮度合适，一般照明有1000lx的照度就不会引起任何不满。