4.1　视觉的光刺激

光的物理特性具有波粒二象性。用波粒二象性来解释光的现象，统一了光的量子理论和波动学说。爱因斯坦的量子力学方程E＝hν给出了光量子（简称光子）所蕴含的能量，其中h是布朗克常数，ν是辐射光子的频率，与波长λ的倒数成正比。这个方程表明波长短的光子能量大，而比可见光波长更短的光是紫外光，其中蕴含更强的能量，因此过量的紫外线可能会损伤我们的皮肤和眼睛。

光的传播速度是每秒30万千米。按照这个速度，光在任何已知的光学系统中传播都几乎不需要花费时间，将从景物发出的光线成像到视网膜上的眼球光学系统也不例外。视知觉的形成时间，主要是人眼及视皮层对信息的转换、传递、处理和反应时间。相比之下，声音在空气中的传播速度是每秒340m，因此从周围世界发出的声音到人耳产生听觉，有时需要耗费数秒钟的时间，这就是为什么我们总是先看到闪电，而后数秒钟后才能听到雷声的原因。

4.1.1　视觉对光刺激的感受特性

单个光子蕴含的能量是极其微弱的，尽管如此，人眼视网膜上的视细胞仍然能够接收单个的光子，这里所指的视细胞主要是视杆细胞。不过，光量子穿过某物质时，有被该物质吸收、反射、散射的现象，有多少能够透过物质，则要看物质对光的吸收系数，透过率等因素来决定。眼球内的各元件和介质也并不能把进入瞳孔的光全部输送到视网膜上，大约只有10%的光线能够最终到达视网膜，其余的则在到达视网膜前就在眼内吸收和散射掉了。由此可知，人眼也会吸收和散射光能量。实验证明，人眼的视细胞能够对5～8个光子的刺激作用产生反应。

人眼能够感知的光强度范围包括从10^－6～10⁸mL的广阔区域。其中明视觉对应1～10⁷mL的光强度，10^－6～1mL时为暗视觉，1mL左右的光强度时的视觉状态介于明视觉与暗视觉之间，称为间视。为直观起见，这里给出不同数量级的光强度所对应的实际光照环境，如中午的太阳表面光亮度约为10⁸～10¹⁰mL，白炽灯丝10⁵～10⁷mL，日光下的白纸10²～10⁴mL，可舒适阅读时的光强度为10mL，月光下白纸10^－3～10^－1mL，星光下白纸10^－5～10^－4mL等等。

人眼不仅能感觉不同亮度的光刺激，而且能分辨不同的颜色，如萤火虫发出的淡绿光，白炽灯的黄色光，激光的红色光等。这是由于各种光的波长不同的缘故，说明光本身是有物理颜色的。平时所见的日光虽是白色的，但实际上包含着从红光到紫光的各种颜色的光。日光之所以看起来是白光，是因为它是等能的光谱，它们同时刺激视网膜细胞时不能被分辨；其他的光源如钨丝灯泡看起来有些发黄，因为其能量在黄色至红色的区域较强；红宝石激光器发出的光集中在波长694nm处，看起来是典型的深红色，见图4‐1。人眼的可见光波长范围在380～780nm之间。

图4‐1　光源的光谱及相对能量

可见光谱范围内不同波长的光，即使在物理上光亮度相同，它们对人眼睛的刺激程度也是极不一样的，此即光谱相对视亮度，也称相对光谱效率、相对视亮度等。相对视亮度记为V，它是波长λ的函数，由此构成的曲线称为V（λ）曲线。1924年，国际照明委员会（CIE）综合不同研究者获得的结果，合成了后来被称为CIE1931标准观察者的光谱相对视亮度曲线（图4‐2）。实际上，V（λ）曲线还受亮度高低、视野大小及不同人种等因素的影响，而CIE的曲线数据仅来自于白种人。为此，我国心理学工作者进行了一系列测试实验，得到中国人的V（λ）曲线，参见图4‐2。结果表明，中国人的V（λ）曲线与CIE的曲线略有偏离，但并没有显著差别，说明人种对V（λ）没有明显影响。

4.1.2　光感受的主要影响因素(www.daowen.com)

视觉的基本功能之一是感受外界的光刺激，即人眼对光的感受性。人眼的视网膜上存在大量的视细胞即感光细胞。视细胞接收到的光刺激的强度，直接影响到视觉的质量，光刺激过强或过弱时，均看不清物体。为了能看清楚物体，就要对光的强弱进行调节，眼球中的这个调节机构就是类似于照相机光圈的瞳孔。从物理意义上来说，瞳孔是随光的强弱变化

图4‐2　人眼的相对视亮度

而缩小和放大的机构，其最大直径可达8mm，最小直径约1.5mm。这两个值对应的光强度环境分别为繁星点点的夜空和晴朗的白昼。当然，为适应如此宽范围的环境亮度变化，人眼也并不是单靠瞳孔的缩放来调节完成的，视网膜细胞的敏感度也在起着很大部分的调节作用，如白昼时起作用的主要是视锥细胞，对光强不需要太敏感，晚间时则视杆细胞起主要作用，对光强十分敏感。另外，人眼在看近物时，双眼还同时产生进行辐辏、调节和缩瞳的生理反射，使视网膜上的像更加清晰。

实验证明，瞳孔直径增加后，像差会相应地增加，导致视网膜上的像质变坏；但当瞳孔直径过小时，因衍射的影响也会造成图像弥散，使像质变坏。通常情况下，人眼的瞳孔直径约为3～4mm时，视网膜上可获得最佳的像质。

视网膜感受到的光刺激，除了受瞳孔的影响之外，还有轴外像差的影响。这是因为眼球的视轴和光轴并不重合，两者有5°的夹角，因此注视点对光轴而言是轴外像点，视觉目标的视网膜像也是轴外像，势必受到轴外像差的影响。好在眼球光学系统具有很好的消像差结构和功能，轴外像差的影响并不大，我们日常所拥有的良好视觉就是证明。

4.1.3　视觉的光刺激量

视觉的光刺激量在视网膜上的感受可用光谱相对视亮度和照度来解释。不同波长的光在刺激程度上是很不相同的，在视网膜上表现的视觉特性是多种颜色的感觉。在此我们仅探讨物体在视网膜上的感觉亮度，这种由观察者感觉到的亮度称为主观亮度。主观亮度通常被认为是视网膜上的照度E，用下式表示:

E＝τLd²/（4f²）

其中τ为人眼的透过率，d为瞳孔直径，L代表物体表面的亮度，f为人眼的焦距。视网膜上的照度单位为楚伦德（td），1td就是人眼瞳孔有效面积1mm²和物体亮度为1cd/m²时所产生的视网膜上的照度。上式表明，视网膜上的照度与瞳孔面积及物体亮度成正比，与焦距的平方成反比。