1.2 视觉

视觉是多步编码和分析的最终产物，这些编码和分析的过程综合起来给出了环境亮度和色度变化图样的含义。照明工程设计者正是利用这些过程的知识，有效地控制和创造光的环境。

1.2.1作为光学系统的人眼

光线进入人眼是产生视觉的第一阶段（图1-7）。

1.2.1.1 人眼的光学

人眼的工作状态很像一架简单的照相机，其中把倒像投射到视网膜上的透镜是有弹性的，它的焦距由睫状肌控制，其过程就叫调节。透镜的孔径即瞳孔的大小由虹膜控制，像自动照相机一样，在低照度下瞳孔变大；而在高照度下瞳孔孔径缩小。

1.2.1.2 视网膜

视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口。视网膜上像的传递、分析和译码都是由神经细胞的网络或神经元来执行的，这些信息的传递是通过内部电位突变所引起的神经脉冲来实现的。

当光线通过透镜会聚到视网膜背面的感受细胞时，视觉过程就开始了。感受细胞根据其形状分成柱状细胞和锥状细胞（图1-8）。感受细胞的光敏色素就如转换器，能有效地把光能转换成神经脉冲，从而启动视觉过程。

柱状细胞比锥状细胞的光敏感性更强，它能在很低的亮度条件下起感觉作用，所以对暗视觉起重要作用。但在较强的照明场合，其对光的响应趋于饱和，因此对明视觉的作用很小。一个锥状细胞可能会有三种不同色素中的任何一种，这三种色素能对不同的、部分重叠的波带产生光响应。正是由于这三种不同色素中的不同效应，人们才能分辨出不同的颜色。现在认为色盲的原因正是由于缺乏某种光敏色素，或由神经网络的缺陷而造成的，如红色盲是由于缺乏长波的光敏色素。

视网膜的中心部位叫中央凹，它对细微物体的视感十分敏感。此处表层细胞和纤维被拉向一边，增加了光的灵敏度，而微小的锥状感受细胞挤得较紧，增加了视觉分辨率。但中央凹的中心部位没有柱状细胞，随着离中心远些，会出现和增加柱状细胞，越向外，其对锥状细胞的数量比值越大。

1.2.2视觉的特征与功能

1.2.2.1 视觉的控制

我们的眼睛在观察时一直处于运动之中。很小的视觉变动就会使视网膜上的像也跟着变化，通过神经网络的调节达到检测亮度的持续的局部改变，这就是视觉过程作用的根本。如果没有这些变化，视觉就会消失。因此我们对亮度剧烈改变的敏感性胜过亮度本身。正是视觉的这一特性使我们能看清周围各种物体的边缘部位，才能看清各种物体。许多反馈系统的结合得到了最佳的视觉功能。外围视网膜的主要功能是检测视网膜像上的视觉信息的浓度，将需要观察的信号传递到控制眼球的肌肉，使所需的目标成像于中央凹，以便让人们仔细地观察。两眼一起工作就像双筒测距仪，能有立体的感觉。调节透镜的焦距使之与所观察物体的距离相匹配。在低亮度下瞳孔放大，以允许较多的光进入；在高亮度下，瞳孔收缩以减少色差。视网膜的光敏色素浓度是由光化学逆过程的平衡来控制的，光线暗时浓度增加，从而加强低亮度时的感受灵敏度。光线明亮时能逆转这个效应，光敏色素浓度反而降低，使我们在更高亮度下也能够分辨出相似比例的差别。

细胞网络里的激发和抑制同样有着完善视觉功能的作用。如高亮度背景往往会减少物体的感觉亮度，其原因是周围的感光细胞抑制了所见物体在视网膜上像的信号。而对于某些较细微的结构，相互刺激强于侧向抑制，会造成同化效果，例如，在灰色的均匀背景上，排列上较密的黑线会使背景变暗，而排列上较密的白线会使背景变亮。

视觉反馈涉及人们活动的方方面面。像艺术、驾驶飞机和汽车以及许多其他技能都依赖于动眼控制。

1.2.2.2 表观明度

表面的表观明度，不仅取决于其本身的亮度，还取决于其周围环境的亮度，并且在复杂状况下，还和不同表面的形状、大小和位置有关，这些构成了视觉环境。亮度虽然能够测量，但相应的视觉印象的明度在原则上更难于定量。所以，在不同的照明系统里，有一种比较和表达不同表面的视觉明度的方法是有用的。

马斯登（Marsden）发现可用表面亮度L（cd/m2）、室内不发光表面最亮的亮度Lmax，以及估算室内最亮不发光表面的表观明度Bmax来表示表观明度，关系式如下：

即不同表面的表观明度约和其亮度的0.6次幂成正比。但是最亮表面是个例外，它符合下式：

由式（1-27）和式（1-28）就可得任何表面的表观明度B和亮度L之间的关系式：

这些式子对照明设计具有重要意义。考虑总体照度从E1改为E2时的效果，L和Lmax都会随E2/E1的比值而改变，从式（1-29）可以得出新的表观明度B2和原来的表观明度B1的比值是：

另外考虑一个表面的反射率从ρ1变为ρ2，这时Lmax不变，Bmax也不变，而L按比率ρ2/ρ1改变。从式（1-27）可得新的表观明度B2和原来的表观明度B1的比值为：

比较式（1-30）和式（1-31），可以发现反射率的变化对有关表面明度的影响要比总照度变化的影响大。若要将表观明度增加1倍，照度必须增加α1/0.37倍=6.5倍，而反射率仅需增加α1/0.58倍=3.3倍。两者相比，竟是2倍。

1.2.2.3 对比定律

眼睛的辨别能力，与亮度反差即对比度C有密切关系。

式中，Lt为光源亮度，Lb为背景亮度。最小视觉对比在照明工程中十分重要，对比度太小则无法看清细节。一般C的最小值取10。

韦伯（Weber）定律指出，最小的可察觉的亮度差 Lt-Lb和Lb成比例。即照度的变化是不起作用的。当Lb的值很小时，韦伯定律显然是错的，否则我们在黑暗中也能看清东西了。但韦伯定律在相当宽广的照明条件范围内仍有一定的可靠性。

最小视觉对比也依赖于作业细节的大小，对非常小的目标，当和眼睛构成的角小于6′（阅读距离为30mm，目标大小约是5mm）时，视觉就会受到衍射和眼睛生理光学上不完善的影响。由于对这样微小的目标视网膜完全不能分辨，因此对给定的观察距离，阈值对比一定和所观察对象的投影面积A成反比。这就是里科（Ricco）定律：

当目标大到能足以分辨时，里科定律不再适用，当视角在2°～20°之间时，最小对比度与投影面积A的平方根成反比，即毕蓬（Piper）定律：

若目标的表面非常大，则当视角大于20°时，视觉和面积无关，而只和对比度有关。

闪光的可检测性遵循布朗德尔-兰依（Blondel-Rey）定律：

式中，E是在闪光过程中眼睛上的平均照度；Ee是相同可检测稳定信号的照度；t是闪光时间，单位是s；a对非彩色光是0.2s，对非常短暂的光，等式（1-35）就成为：

这关系式就是波拉希（Bloch）定律或波森-路可（Bunsen-Roscoe）定律。即短暂闪光的可见度由照度和闪光时间的乘积所决定。

1.2.2.4 眩光

眩光，是对过高亮度的一种感受，常常与过分的对比相伴在一起。它以两种不同的效果同时发生或分开发生。即失能眩光和不舒适眩光。

失能眩光是因为不良照明会使眼睛的视觉反馈系统的精细调节控制系统失去平衡。过亮的光源还会产生其他的干扰，使视网膜像的边缘出现模糊，从而妨碍了对附近物体的观察，同时侧向抑制还会使这些物体变得更暗。这些效应统称为失能眩光。例如黄昏时在街上骑自行车尚可看见障碍物，可以大胆地前行。突然对面来的汽车，开足了汽车前照灯，使得骑车人不敢前行，因为眼前看不见任何东西，这就叫做失能眩光，也叫生理眩光。

不舒适眩光是眩光源即使不降低观察者的视觉功能，也会造成分散注意力的效果。此外，亮度的进一步提高，会使控制瞳孔的肌肉把瞳孔收缩得更小，肌肉的过度疲劳会造成瞳孔本身的不稳定，这也是引起不舒适眩光的部分原因。例如在照明工程中，设计者用了大功率灯安装在不合适的地方，既浪费电又使人们讨厌，有的图书馆阅览室用了大量的灯，照度提得很高，希望人们喜欢，但适得其反，许多读者不愿意去，宁可找其他的地方读书，为什么呢？就是因为坐在里面心里烦噪，这就是不舒适眩光，也叫做心理眩光。

不舒适眩光不能直接测量，但对于照明工程，只要确定主要的物理决定因素的相对效应就够了。即在观察方向上光源的亮度Ls、背景亮度Lb和眼睛对光源所张的立体角ω（弧度）。

根据对比定律和表观明度定律，对大多数实际光源，应用毕蓬定律后，式（1-34）就可改写为：

式（1-37）确定了表观明度的比例标度，所以可以假定，一个分散注意力光源的注目度取决于光源的表观明度Bs和总的背景表观明度Bb之比。

将式（1-30）、式（1-27）代入等式（1-37），并把Lb的指数归一化可得：

照明设备的眩光指数由英国建筑研究所提供的公式确定：

通常可对室内某一最不舒服的观察点计算眩光指数，并对这点可看到的所有灯具的作用进行累加。P是个经验指数，它表示在固定的视向上移去眩光光源后的效果。眩光指数的一个单位就是在实验室条件下能察觉到的最小间隔。眩光指数的6个单位就是传统的经验不舒服临界值之间的间隔——“感觉到”，“能接受”，“不舒服”，“不能接受”。

式（1-39）中包含了一种矛盾情况，若将一个长度为2m的灯具看成是2个1m长度的灯具，那么计算出来的眩光指数将不同，而不舒适眩光的感觉程度是相同的。为此国际照明委员会推出一个新的统一眩光等级UGR：

此式与式（1-39）相比较，改进之处是Lb和ω采用相同的幂次，在给定环境内，眩光与灯具数量无关。

1.2.2.5 频闪

频闪的感知取决于振荡的振幅和频率。觉察频闪的灵敏度随视网膜上的位置而异。在高频处，柱状细胞比锥状细胞的灵敏度低，但对低频且振幅小的频闪，柱状细胞变得更敏感（大约低于15Hz）。因此在眼睛的锥状细胞以外的地方不易直接察觉到频闪，这也是中央凹视觉的特点。

尽管100Hz与可察觉视觉的阈值相差甚远，但近来研究表明，在荧光灯照明下，100Hz频闪可以造成眼睛紧张和头痛，这些研究支持了频闪或许影响视觉系统阈值的说法。

1.2.2.6 可见度水平

作业的可见度水平（VL）是实际作业亮度对比C和通过调节薄膜刚好能看清的阈值对比C之比：

可见度水平取决于下述因素：

（1）作业本身。对比和视角大小的改进有利于提高可见度水平。

（2）背景亮度Lb。Lb增大包含了照度的增加。

（3）作业本身的光泽和装置不当的灯具的反射光同时进入观察者的眼睛，从而削弱了作业和背景之间的对比，因此降低了可见度水平。

（4）失能眩光也能降低给定作业的可见度水平。

（5）离开作业的一瞥会伴有不同的视见反馈过程。当注意力重新集中到作业上来时，平衡逐渐恢复，这段时间内，作业的可见度水平会暂时降低。

失能眩光和暂时降低这2个因素对可见度的影响一般可以忽略。

1.2.2.7 表观模式

表观模式有好多种，其感受到的光和颜色可以识别，如：

表面模式 用这种方式感受到的视觉是物体的颜色表面。

立体模式 感受到的是表层里面的颜色，如在带色的透明介质里（表面模式和立体模式有时一起称为客体模式）。

发光模式 看到的光和颜色是来自发光体，如荧光灯发光而被察觉的。

孔径模式 典型的例子是通过衰减管观察，或在均匀辽阔的蔚蓝天空里观察，在这些场合，光和颜色因缺乏视觉信息而无法识别。

照明模式 这种方式关心的是入射光的组成。

表观的模式并不描述物体本身，而仅仅是我们感受到的一种形式。一个给定的物体并不总是以同一种模式显现。例如，对一支熄灭的荧光灯，我们所看到的是表面模式，有确定的反射比。而一旦荧光灯点亮以后，它则以发光模式显现，而它的表面特征例如反射，是不可能识别的。通过衰减管看到的即使是它的发光本性，但也是不能验证的，它是通过孔径模式看到的。

（1）发光模式

用发光模式感知的刺激能分辨形状、大小、亮暗、颜色和透明度，但不能分辨光洁度、光泽度等表面性质。许多植物和有机体，包括人都会被亮光所吸引，这种吸引力称为趋光效应。

（2）客体模式

客体模式有时称为定位模式，包括表面模式和立体模式，这种模式中感知的刺激能区别形状、大小、明度、颜色、透明度、光泽、纹理、光彩和光辉，它从本质上更富有视觉信息。

照明物体在入射光特性和密集性变化较大的范围内，其感觉到的明度保持相对不变的倾向称为视亮度恒定性。即照明的变化对物体的表现无任何影响，实际上，恒定性总是不完全的。当照度增加时，被照表面的表观亮度也增加了。视亮度恒定性是客体模式的一个基本特征，恒定性减小的倾向会使被照景象的表观形式从客体模式转为孔径模式。所以保持视亮度恒定性必须遵循下列规则：避免强光或明显的阴影轮廓；有足够的照度；颜色显现性应是好的；失能眩光应极小；在暗淡的表面上应该用高彩度的颜色和高反射率的材料；光的来源应明显；颜色的彩度变化应能看清；应带有特征颜色和纹理的天然有机物质；光泽面应很小；小的白色面应分散在视场周围；应充分显露表面纹理。以上规则可以和我们采用的照明实际符合得很好。由于背离这些条件会减少从环境得到的视觉信息，显而易见，保持视亮度恒定性通常认为是良好照明条件的标准。但也有例外，如戏剧照明就不要求视亮度恒定。

（3）照明模式

照明模式是一种最不可捉摸的显现模式，因为当客体模式与其共存时，它远不如客体模式明显。在照明模式里感知的刺激在视亮度和颜色方面有所不同，但形状和大小不一定不同。当存在明显的阴影时，体验到的照明模式最明显：作为极端的例子，如夜总会上颜色光的闪烁。

房间的空间印象提供了照明模式和客体模式相互作用的实例。任何非常明亮的表面会显得远离观察者，因此总体的高照度会使房间显得更宽敞。感觉的范围以及房间的特征都能通过改变天花板、墙壁和工作平面的相对照度来调节。于是天花板较亮和墙壁较暗的房间看起来就比较高，因而显得较整齐。而对墙壁较亮的房间，使人感到较为宽敞，气氛也较为和谐。

（4）照明设计的要点

照明标准可归纳为两条：

1）与视觉功能有关的量，例如作业照度、对比显现系数等。

2）与空间的一般显现和其内容有关的量，例如眩光指数、照度比等。

照明设计的技巧就是要会评价不同标准的作用，创造性地去满足看来是相互矛盾的各种要求，或者是最佳的折中。实际上，规则要求一般办公室的标准照度是500lx，这也是目前流行的照度水平。如果要求更明亮或较暗淡一点，则可将照度水平调整到1000lx或300lx。创造性的照明设计是首要问题，好的照明工程师对不同的项目都应重新确定照明空间所应具备的特征，然后再以光度学标准为工具，来确定和获得恰当的明暗格调。