1.1 光与视觉

人的眼睛是人们开启智慧的窗户，我们对外部世界的感知大多数是来自于视觉，再通过大脑分析，使人们感知世界的千变万化。

1.1.1 光的概念

光是什么？光时而见时而不见，神秘莫测。

人类可见的光其实是电磁波谱中的一小部分，紫外区域的范围是100～380nm，红外区域的范围是从780nm～1mm（1nm=10-6mm），可见光的范围在380～780nm之间（表1-1）。通过人眼的视觉辨识系统，来分辨出此范围中不同波长呈现的光色，可见光谱的颜色为紫、蓝、绿、橙和红色，它们组合在一起就表现成白色光（图1-1）。

1.1.2 人的视觉

（1）视觉体验

人的视觉体验是人的眼睛和大脑的结合产生的结果。我们的眼睛从感受光开始产生视觉，如同照相机的成像原理，会随着周围环境亮度的变化，通过瞳孔和虹膜上的开口自动调节来放大或缩小，控制进入光线的数量，最后映射在视网膜上。汇集在视网膜上的影像通过视神经传递到大脑，经过大脑的分析和译码，最终成为人眼中所看到的图像，这就是人们视觉体验的一个过程（图1-2）。

当然，人们对环境的变化的感受大多是主观色彩的，眼睛只是完成了信息收集的工作，通过大脑会对信息进行过滤、整理以及对信息进行排序，在这个过程中，能引起人们兴趣的信息会被继续关注，其他零散的信息会被忽略、过滤掉，所以一个舒适完美的视觉环境的关键是能够提供一个没有视觉噪声（解释）的视觉信息。这也是人类生存下来的本能，我们的感官使我们纵横世界，形成人类的视觉语言，潜移默化地存在我们的感觉中。

（2）视野

视野是指人的眼睛观察对象时视锥开角的大小，也就是当人的眼睛注视前方，头部保持不动，所看到的范围为静视野，而人的眼球自由转动看到的全部范围称为动视野。视野还可以分为单眼视野和双眼视野。

根据观察对象的大小和颜色，人的视野会跟着改变。人类的视网膜中央窝（图1-3）是感光细胞高度集中的区域，提供细部颜色与辨色力，一般对物体聚焦仅在中央窝成像，即中央窝视觉，位于视野中央约2°的极小区域，故眼睛需不停移动，以便对焦于不同细部。

视野的范围涵盖左、右共180°，双眼平面重叠的区域为120°，垂直向上60°，向下70°是最有效的视力范围（图1-4）。在中央30°视角内，可提供清晰的视觉影像和色彩信息，越往视野周边越不精确，周边视觉仅维持一般方向感与空间动态活动的观察。

（3）明视觉

当环境亮度高于大约3cd/㎡（光亮度单位，1.2.1中有具体介绍）时，视觉系统主要是由锥状细胞在起作用，视网膜中央小窝处可以感受到色彩和物体的细部，其最敏感的波长是黄绿波长。这是明视觉的条件，此时的视觉适应为明适应。

（4）暗视觉

当环境亮度低于0.01cd/㎡时，主要是由杆状细胞起作用，视杆细胞在低照度水平下工作，最敏感的是蓝绿波长。这是暗视觉的条件，此时的视觉适应为暗适觉。

（5）中间视觉

中间视觉发生于明暗视觉之间，视觉系统的锥状和杆状细胞同时起作用，当环境亮度趋向于中间视觉范围时，中央窝对光谱的感受能力逐渐降低，相反，趋向暗数据时，边缘的杆状细胞开始起作用，颜色视觉逐渐消失，光谱的敏感性向短波方向偏移。

不同的视觉条件关系到照明设计的不同，暗视觉与室内照明关系不大，几乎所有的照明条件都处于中间视觉条件以上（图1-5）。

1.1.3 光的特性

自然界的万物都在光线的作用下呈现，而光的特性取决于被照物体的本身的特性。光与物体的互相作用主要通过反射、折射、吸收及透射进行的。

（1）反射

反射无处不在，没有物体的反射，人们什么也看不到。反射分为镜面反射、扩散反射和漫反射。

镜面反射的物体表面是光亮平滑的，入射光的角度恰好等于反射光的角度，如抛光的大理石或镜子。镜面反射的集中特性容易引起刺眼的眩光。扩散反射是由于物体表面材质细微的不规则而产生的。这个细小的不规则表面是通过蚀刻、捶打或加工成波纹状而形成的。反射光朝一个方向扩散，聚集在镜面角上，模糊成一个圆锥形。

漫反射是由不光滑物体表面造成的，如石膏或者包色墙面，漫反射的光线没有方向性，呈发射状，均匀地向各个方向上反射，使光线效果柔和。大多数的材质表面会呈现综合的反射特性（图1-6）。了解光与材质的互相作用，有助于设计师对空间照明分布的设计。

反射比是指反射光的能量与入射光的能量之比，称为该物体的反射比，余下的入射光被吸收或透射，或是两者都有。表1-2是各种表面材质的典型反射比值，不同的反射比的材质要显现同等的亮度，必须给他们不同的照度。

（2）折射

折射是当光从折射率为 n ₁ 的介质进入到不同光学密度的介质时，如空气到玻璃，光速会发生变化，光的方向发生改变（图1-7）。偏离的程度与两种介质的折射率有关。在生活中，雨后的彩虹就是光的透射现象，阳光在不同折射率的大气中发生折射而形成。

小知识：玻璃棱镜

当光线穿过玻璃棱镜时，白光会由于折射而分成七色光，长波长的光其弯折程度要小于短波长的光（图1-8）。所以，折射会使观察的景象变形。折射的材料有时候用作薄膜，可应用于各种反射表面中。

（3）透射

透射是指光线穿过某透光材质后继续产生的辐射现象。透光材质的透光率的大小决定了光线会被吸收多少。根据材质的构成，透射也分为直线透射、扩散透射和漫透射三种（图1-9）。直线透射式指透射方向没有改变，透射角度和入射角度一致。受材质吸收光线的影响，透射光通常低于入射光通量。全透明玻璃便可产生这样的透射效果。扩散透射是指光线通过如压花玻璃等类此材质，透射光会产生扩散，方向大体一致。漫透射的光向各个方向透射，在空间中形成了漫射光，类似于光线通过磨砂玻璃。

（4）吸收

吸收是前几个光特性都会产生的现象，当光线通过任何一种介质时，一部分被反射，一部分被透射，另一部分则被吸收。通常表面颜色比较深会吸收更多的光（表1-3，表1-4）。