物體表面反射或透射某些特定光波，成為視覺刺激的來源；眼睛是這些刺激的接收器，能對反射光波產生反應並做成視覺訊號；這些訊號傳遞至大腦經過分析釋義，以影響觀者的意識與行為表現。此三階段構成整個視覺感知體系。
人類視覺系統主要的感覺器官是眼睛(圖3-1)。眼睛接收光，其構造與照相機非常類似，包括控制進入光量、使光折射對焦及呈現外部影像等功能(表3-1)。
表3-1. 眼睛功能與相機之類比
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眼睛構件 |
功 能 |
相機構件 |
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眼皮 |
保護眼睛 |
鏡頭蓋 |
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鞏膜 |
眼白，支撐眼珠 |
機身 |
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角膜 |
保護、滋潤眼珠 |
護鏡 |
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水晶體 |
對焦 |
鏡頭 |
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虹膜 |
收縮、擴張瞳孔 |
光圈 |
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瞳孔 |
控制進入光量 |
快門 |
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視網膜 |
呈像 |
底片 |
1. 視覺(vision)
角膜(cornea)是一透明薄膜，形同鏡片，負責 70% 的聚光力；虹膜(iris)根據光刺激眼睛的程度擴張與收縮瞳孔(pupil)，控制進入的光量；水晶體(crystalline lens)則提供剩餘 30% 光能的對焦能力，透過毛狀體肌肉來控制水晶體的厚、薄以分別對近及遠距離對焦；光繼續通過玻璃液(vitreous humor)折射，倒影在視網膜(retina)上(圖3-2)；視網膜上的感光細胞利用光色素(photopigment)吸收可見光，除提供清楚的影像外並轉換為神經能量，刺激視神經(optic
nerve)傳遞至腦部闡釋為視覺資訊。
視網膜由許多感光細胞構成，依形狀可分為桿狀細胞(rods)與錐狀細胞(cones)：錐狀細胞的主要功能在感受顏色，活躍於白晝等光度較高的情況；桿狀細胞僅接收光量，無法辨明顏色及細部，其所感受的是黑白影像，運作於夜晚等光度較差的情況。
(1) 錐狀細胞與明視覺(photopic vision)：人眼的錐狀細胞約有八百萬個，且半數集中於視網膜的中央稱作小窩(fovea)的區域，為眼睛對物體細部對焦呈像的部份，負責細部與色彩視覺。錐狀細胞依光色素的不同分為三種受器，分別接收光譜中的紅、綠、藍三主色。人眼所見的物體顏色即依此三受器細胞所接收光能量的相對強度，組合成吾人所能經驗的色彩範圍。色彩視覺出現在明亮的狀況下，故稱明視覺。錐狀細胞功能不良即導致色盲。
(2) 桿狀細胞與暗視覺(scotopic vision)：桿狀細胞的光色素稱為視紫質(rhodopsin)，主要負責夜晚及周邊視覺。相較於錐狀細胞，桿狀細胞對光更為敏感，較容易看到微弱的亮光，因此在極低的照度下，人眼僅依賴桿狀細胞，稱為暗視覺，其無法分辨顏色，故所有表面看起來僅有灰階明暗的差異；人眼約有一億二仟萬個桿狀細胞，僅存在於視網膜的周邊，因該處缺乏錐狀細胞，以致吾人對視野的周邊部份有辨色上的困難。桿狀細胞的損傷則導致夜盲。
(3) 中介視覺(mesopic vision)：中介視覺發生於桿狀與錐狀細胞以相同的敏感度運作，特別是照度較低的微光(twilight)情況(0.01∼1 cd/㎡)。此時眼睛正處於辨色能力將喪失的邊緣，通常為明、暗視覺間的短暫過渡期。例如傍晚駕車，初期桿狀細胞較不敏感，人眼依賴錐狀與桿狀細胞共同作用來觀看，一旦桿狀細胞適應足夠，則取而代之成為主要的視覺。
表3-2. 錐狀與桿狀細胞的特性
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錐 狀 細 胞 |
桿 狀 細 胞 |
錐 / 桿狀細胞並行 |
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白晝視覺 |
夜晚視覺 |
微光視覺 |
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明視覺 |
暗視覺 |
中介視覺 |
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作用範圍： |
作用範圍： |
作用範圍： |
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3.4∼106 cd/㎡ |
0.034∼3.4×10-6 cd/㎡ |
0.034∼3.4 cd/㎡ |
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對 555 nm 光波最靈敏 |
對 510 nm 光波最靈敏 |
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視銳度佳 |
視銳度差 |
視銳度減弱 |
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彩色視覺 |
明暗視覺，無彩色 |
辨色力減弱 |
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明適應 |
暗適應 |
過渡期 |
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半數集中於視網膜小窩 周邊數量減少 |
主要集中於視網膜周邊 不存在於小窩 |
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2. 光譜光效曲線
將人眼對各別波長的敏感度以圖形表示，可說明對不同波長相關亮度的反應，稱為光譜光效曲線(spectral luminous efficiency curve)(圖3-3)。在明亮環境中，人眼對中波長黃綠色光(555 nm)最靈敏，感覺最明亮，相對敏感度往可見光譜兩側遞減至近乎零，此圖形稱為明視曲線；在暗視覺下，人眼尖峰敏感度轉向較低波長的藍綠色光(507 nm)，敏感曲線在暗視覺下往光譜藍端位移的現象稱為 Purkinje Shift。此結果值得注意的是：在明視覺下看起來較亮的一表面，可能在暗視覺下反而會顯得較暗，反之亦然；此外，天色漸黑時，辨色力最先喪失的是紅色，早晨最先感應的則是藍色。
明視曲線用於決定所有光源光譜能量分佈曲線所代表的光通量(因光通量係按照國際約定的人眼視覺特性所評價的輻射功率)。若以人眼對同瓦數的 555 nm 與 450 nm 的光所感受的光通量做比較，前者高於後者幾乎 25 倍，係因人眼較不敏感於 450 nm 的波長而看起來較暗。對應於明視曲線，光源無法有效產生光譜紅及藍色區域的光，而此二區卻為優良演色性所必備，這也就是為什麼大多數光源的效率與演色性無法兼顧的緣故。例如高壓鈉燈產生大量中波的光，在維持其高光效的情況下，演色性的改良十分有限。
1. 視野(visual field)
眼睛所能看到的區域稱為視野。視網膜中央的小窩是感光細胞高度集中的區域，提供細部視覺及辨色力，一般對物體對焦僅在小窩呈像，稱為小窩視覺(foveal vision)，僅佔視野中央約 2°的極小區域，故眼睛須不停移動以便對焦於不同細部。整個視野範圍涵蓋左、右共 180°(雙眼重疊的區域為120°)，中央視線往上 60°、往下 70°。最有效的視力範圍在中央 30°視角內，可提供清楚的視覺影像與色彩資訊，愈往視野周邊愈不精確，主要藉對明暗強度的反應辨識視覺線索，周邊視覺僅供視者維持一般方向感與空間動態活動的察覺(圖3-4)。
2. 視覺調適
眼睛能夠因應視覺目標物及環境的變化從事各種不同程度的調整，以提供吾人工作或觀看最佳的視覺功效(visual performance)。眼睛除了能上下左右移動外，尚包括對遠、近距離物體對焦及適應明、暗環境的功能：
(1) 調節(accommodation)：調節為眼睛對遠、近物體對焦的過程，藉水晶體形狀上的改變以調整對焦的距離。所觀看的物體愈近，水晶體愈鼓脹；物體愈遠，水晶體愈扁平。一般近視或遠視的矯正，即利用凸透鏡或凹透鏡補足水晶體無法達成的變形程度，以提供清楚的視覺。
(2) 適應(adaptation)：人眼所能看見的亮度範圍極廣(最大與最小值相差 1012 倍)，不同照明程度的轉換，涉及眼睛視覺系統相因應的調適過程，包括瞳孔大小與網膜敏感度的調整。瞳孔遇強光收縮，在暗處則放大，此改變亦包括視網膜上桿狀與錐狀細胞的視覺交替，因此明、暗環境的轉換，在適應過程中會有暫時的視能減退現象，直到適應完成，視能即大幅改善。
•亮適應(light adaptation)：明亮環境的視覺適應稱為亮適應：例如由暗處走進亮處時，會有瞬間的眩光感受，但通常僅佔千分之一秒或數秒的時間，完全的亮適應通常需時 2 分鐘。
•暗適應(dark adaptation)：黑暗環境的適應稱為暗適應：例如由亮處走入暗處，適應過程較為緩慢，時間長短視明暗二處的亮度差異而定，完全的暗適應可長達 20 分鐘至一小時之久。暗適應運用於照明環境的設計，最明顯的例子即為隧道的照明安排，一般會在隧道兩端配置較多的燈具，以銜接隧道外特別是白晝的高亮度，使明、暗環境的轉換有一緩衝過渡空間，燈具密度配合暗適應往隧道中央遞減並可節約能源。其它空間特別是由明亮的戶外走進如戲院、地下室或較暗的室內環境，照明設計應對此視覺適應問題詳加考量，否則易產生使用上的危險。
在眼睛的暗適應期，加紅色光可刺激錐狀細胞作用，縮短適應時間，紅色燈光亦常用作暗房或視力檢查的輔助照明。
(3) 疲勞(fatigue)：看近時水晶體鼓脹，看遠變扁；遇亮瞳孔收縮，遇暗擴張。眼睛遠、近調節或明、暗調整變換頻率過高，易造成眼睛疲勞，導致視覺效能的減退，降低生產力。
1. 能見度及視銳度
眼睛所能感知的狀態或品質稱為能見度(visibility)；眼睛識別物體細微部份的能力稱為視銳度(visual acuity)。除色彩因素外，影響視覺能見度及視銳度的主要因素為：物體尺寸、亮度、對比及時間。
(1) 尺寸：物體愈大愈容易觀看(圖3-5)，此處並非物理尺寸的大小而是指在距離的考量下的相對視角大小(angular
size)。
(2) 亮度：明亮的表面反射較多的光，亮度較高較容易刺激眼睛反應。對一均勻漫反射面，亮度與表面照度和反射率的乘積成正比，因此為增加較暗表面的能見度必須增加其照度，才能達到與淺色表面相同的亮度。
(3) 對比：對比定義為物體與其背景的亮度差異。在照度相同的情況下，例如白紙黑字，對比即為物體(黑字)與背景(白紙)的反射比差異，差異愈大愈易觀看(圖3-6)。而對灰紙印刷黑字的低對比情況，可藉增加背景(灰紙)亮度，提高與物體(黑字)的對比以改善視銳度。對比減少 1%，通常需要增加 10∼15% 的光量才能達到相同的能見度。
(4) 時間：在視網膜感光細胞受光作用與傳遞到大腦釋義之間有一時差(time lag)，亦即觀看並非一立即過程，特別是對快速移動的目標物，時間為觀看的重要因素。若有足夠時間，依然可在低照度下閱讀或閱讀低對比的文件。
2. 對比因素(contrast factor)
照明設計所能控制的因素只有亮度與對比。物體亮度影響觀者偵測物體與背景亮度差異的能力，增加亮度可加強觀者對對比的敏感度，例如陽光下的斑馬線要比在陰天下來得醒目。假如一表面為均勻的漫反射面，從任何角度觀看亮度均相同；若對一鏡反射或擴散反射面增加照度，反而會降低在某方向上觀看的視銳度，此係因入射光方向與觀看方向關係位向不當之故。直接影響吾人觀看的視覺功效與視覺舒適的對比因素包含以下四點：
•照射光量
•入射光方向
•物體表面反射特性
•觀看方向
(1) 眩光(glare)：眩光影響視覺功效，並刺激眼睛造成不適，造成眼睛疲勞及生產力的損失。直接眩光(direct glare)肇因於光源或燈具發出過度的光線直射人眼，自垂直面 45°∼85°為人眼的直接眩光區(圖3-7)；間接眩光或反射眩光(reflected glare)通常肇因於光滑平整的表面對入射光線的鏡反射或半鏡反射，例如深色大理石檯面映現燈具反射的光點。眩光的產生通常為眩光源亮度、位置、大小、數量以及與背景亮度比共同作用的結果。
•失能眩光(disability glare)：因入射光線過強，使視網膜無法對焦而散射到其它區域，導致視覺影像對比的降低，同時眼睛為適應強光縮小瞳孔，阻礙其它表面反射光線的感知，造成瞬間環境細節感知能力喪失的現象，稱為失能眩光(圖3-8)。例如迎面而來的車燈、直射人眼的探照燈及面對窗戶外的強烈陽光。失能眩光的程度視眩光源的亮度及與觀者的距離而定。
•不舒適眩光(discomfort glare)：視野中出現遠高於其它表面的亮度(尤其在觀看方向上的亮度)，所引起的眼睛不適，稱為不舒適眩光(圖3-9)。一般常見的來源為高亮度的窗戶、光源或燈具。眩光源的相對視角愈大、數量愈多或與背景的亮度比愈大，不舒適的程度愈高。減少不舒適眩光的方法可選用平均亮度較低的燈具或增加背景的亮度，避免沿著主要觀看方向配置高亮度的燈具，尤其避免工作者直接面對窗戶作業。
(2) 反射(reflections)：反射係光源、觀看方向與作業面三者的幾何關係與作業面本身的反射特性共同作用的結果，光源入射作業面的角度恰好等於觀看的角度(圖3-10)。一般光滑表面出現鏡射的影像或反射的光點即為反射現象，例如天花板燈具在櫥窗玻璃及電腦螢幕造成干擾的光點(圖3-11)；具定向擴散反射特性的表面出現形同光幕披蓋的現象，降低作業物細節與背景的對比與能見度，則稱為反光或光幕反射(veiling reflection)，常見於閱讀雜誌銅版紙面(圖3-12)，通常可藉改變燈具位置或閱讀角度而獲至改善，特別是避免光源或燈具出現在眼睛與作業面的鏡射線上或垂直於作業面 25°範圍內。
從人出生至年老，眼睛一直持續物理上的變化：嬰孩對明亮的區域或色彩較能集中注意力，尤其喜歡閃爍及亮光；青少年則喜好五光十射的情緒反應與飽合鮮豔的色彩。影響視覺差異的因素很多，特別是經驗與年齡。個人所累積的經驗影響觀看的結果，因此吾人易受潛意識左右而作出視覺判斷。年齡的增長尤其 20 歲以後視覺系統逐漸退化，則對視覺功能有負面的影響，主要的年齡效應包括：
1. 老花眼：水晶體的彈性在40歲以後開始衰減，無法產生觀看近物所需的鼓脹程度與對焦能力，此種情況即為老花眼。此外，水晶體隨年齡加厚，不如年輕時來得透明，使光線易散射而無法精確投影，此額外的散光，亦導致視力模糊。
2. 角膜黃化：超過 50 歲後，隨著角膜與水晶體的日趨黃化，影響色彩視覺的品質。黃色素過濾光的進入，使物體看起來微黃，導致藍色看起來較暗或易與綠色混淆等藍色辨色力的降低。
3. 適應時間增長：老化的眼睛無法如年輕時般迅速對焦與適應明、暗環境，係因對光刺激的反應程度降低，處理視覺資訊與對明、暗適應所需的時間相對增長之故。控制光進入眼睛的能力亦減弱，因此對眩光更為敏感。
4. 視能減退：因網膜呈像品質的逐漸惡化，視覺神經細胞的數量亦減少，造成視銳度及對比敏感度漸趨遲緩。隨年齡增加瞳孔變小，所能到達視網膜的光量減少，無法在低照度下觀看，因此需要更高的照度與亮度或明亮的顏色以刺激眼睛反應。
吾人的視覺主要依靠對明暗對比的敏感，但此對比敏感度隨著年齡增加而減低，其它如視銳度、周邊視力、深度感知及視野大小亦受年齡影響。研究發現16∼30 歲的視力表現差異不大，而超過 40歲相對視力逐漸減弱，對眩光的敏感度與對照明的需求量漸增，尤以 46∼60 歲最為顯著(Boyce, 1973)(表3-3)。通常 50 歲以上的長者需比 20 歲年輕人多至少 2 倍的光量，才能達到與其相等的工作速度與精確性(表3-4)。因此在照明設計上應對年長的使用者作特別的考量，例如避免相鄰空間的照度差異過大，並提高工作面照度，以及多採用間接柔合的環境照明。此外，考慮老化眼睛的色彩視覺，在室內色彩的運用上，宜多使用高彩度的色調與高對比的配色，且避免使用藍色。
表3-3. 視覺的年齡效應
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年 齡 |
相對視力 (%) |
對眩光敏感度 (%) |
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20 |
100 |
100 |
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30 |
95 |
100 |
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40 |
87 |
100 |
|
50 |
74 |
120 |
|
60 |
59 |
150 |
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70 |
35 |
200 |
(引自：Blackwell, 1979)
表3-4. 年齡與照明需量
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年齡 |
達相等工作速度/精確性所需照明量(%) |
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40以下 |
100 |
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40∼50 |
150 |
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50∼60 |
200 |