明亮的房間和外面的陽光下,為什麼感覺一樣亮?
― 眼睛把200倍的差距,縮小成約6倍
晴朗白天的戶外,和開著燈的房間。兩者都只讓人感覺「差不多亮」。但用儀器測量,兩者差距竟然高達200倍左右。差距並非不存在,而是眼睛把差距縮小給我們看。
白天在房間裡看書,燈也開著,亮度沒有任何不滿。
接著走出玄關,站在陽光下。雖然會覺得「有點刺眼」,但只要瞇一下眼,很快就適應了。
憑感覺來說,頂多覺得「亮了幾倍」。但實際上,房間和陽光下的亮度差距高達200倍左右。
差距之所以感覺不出來,有兩個原因
黑眼珠中央的瞳孔,在明亮處會變小,在昏暗處會變大。直徑上相差約4倍,換算成進入的光量則約16倍,眼睛會自行調節。
即使如此,也只能爭取到16倍的差距。剩下的部分,由眼睛深處和大腦承擔。光量即使變成200倍,感受到的亮度也只會變成約6倍。這就是眼睛縮小差距的方式。
這兩個機制同時運作,讓我們能把從昏暗房間到刺眼陽光下的世界,體驗成一個連續、平常的世界。這是很方便的機制,但也因此,我們很不擅長判斷實際的亮度。
實際亮度的差距,超乎想像
測量亮度的單位叫做「勒克斯(lux)」。晴天的戶外約10萬,陰天的戶外也有約1萬,辦公室桌面約500,家中客廳約100到200。夜晚滿月之下則約為0.25。
最高與最低相差約40萬倍。若用普通刻度畫成一張圖,較低的數值會完全被壓扁而畫不出來。因此圖1採用每前進一格刻度就變成10倍的方式來呈現。
這種「不擅長」會在生活中造成問題
眼睛幫我們縮小差距,讓生活更輕鬆,但也因此,我們常常誤判亮度是否足夠。困擾大致出現在以下3方面。
第一是放在窗邊的觀葉植物,不知為何總是沒精神。人眼看起來已經夠亮了,但植物實際接收到的光量,卻只有戶外的幾十分之一。第二是照片。在室內拍的照片會模糊或偏暗,正是因為眼睛以為的亮度,比實際亮度亮得多。
第三是生理時鐘。一般認為,早晨的光線要達到一定亮度,才能發揮調整身體節律的作用。而室內照明往往達不到這個亮度。看來同樣是「明亮」,對身體而言卻是不同的兩回事。
即使是陰沉的陰天,戶外亮度也有約1萬勒克斯,是明亮房間的約20倍。就算覺得「今天很陰,出去也一樣」,就曬光線這件事而言,走出戶外遠比坐在窗邊有效得多。
如果感受到的亮度和實際亮度完全一致,一走出戶外,原本在室內能看清的高低差和文字濃淡,就會瞬間變成一片死白。一般認為,縮小差距是為了在光照條件劇烈變化的自然環境中,隨時都能辨認出「物體的形狀」的一種巧妙機制。
總結
房間和陽光下的亮度相差約200倍。瞳孔的開合調節了約16倍,剩下的差距則靠壓縮感受本身來補足。就這樣,我們幾乎不必意識到這個差距地生活著。方便之餘,我們對亮度是否足夠的判斷,卻也很不可靠。
眼睛並不是測量亮度的工具。
它是為了在天差地遠的世界中也能看清形狀,而把差距縮小的工具。
關於移到昏暗處後眼睛需要多久才能適應,請參閱從明亮的地方進入昏暗的房間,為什麼會暫時什麼都看不見?;關於陰天戶外其實傳來比想像中更強的光,也請參閱為什麼陰天也會曬傷?。
- 在智慧型手機上安裝能以勒克斯顯示亮度的應用程式。使用相機或光感測器的類型,可以當作大致的參考值。
- 先在房間書桌上測量,記住數字。接著自己先猜猜看「外面大概是幾倍」,再走出玄關到陽光下測量。
- 比較猜測值和實際值。多數人的答案在10倍以內,但實際上應該超過100倍。也可以在陰天、離窗戶1公尺的地方、夜晚室內等情境下試試看,能更清楚感受到差距被縮小的程度。
請不要直接把相機對準太陽測量。這樣不但數字不準確,對眼睛和機器都不好。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科所學的範圍
- 高中高中「生物基礎」所學的範圍
- 高中+高中的進階內容,或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(視覺科學、心理物理學)的內容
- 研究連大學都還不會當作「定論」教授、研究者目前仍在探究的內容
國中用語:這個現象有專門的名稱
- 照度:表示某個面接收到多少光的量,單位是勒克斯。本文中所說的「實際亮度」,指的就是這個數值。
- 適應:眼睛的敏感度隨周圍亮度而重新調整。包含瞳孔開合程度的變化,以及眼睛深處細胞敏感度的變化。
- 對數刻度:每前進一格刻度就變成10倍的排列方式。用來把差距懸殊的數字放進同一張圖裡。圖1上方色帶就是這種畫法。
國中高中用公式驗證:200倍的差距如何變成6倍
建立連結感受與實際亮度的公式,並代入數值來追蹤過程。
| 用符號表示 | S = k × E0.33 |
| 用文字表示 | 感受到的亮度 = 常數 × 照度的立方根 |
| 公式的來源 | 史蒂文斯冪次法則,表示刺激強度與感受之間的關係。這是根據讓許多人回答亮度感受的實驗所得出的經驗法則,亮度的指數一般認為在0.33到0.5之間。 |
| 符號的意義 | S 是感受到的亮度(無單位的相對值),E 是照度(單位為勒克斯),k 是比例常數 |
| 晴天戶外的照度 | 約 100000 勒克斯 |
| 光線充足的室內(辦公室桌面)照度 | 約 500 勒克斯 |
| 瞳孔的直徑 | 明亮處約 2 毫米,昏暗處約 8 毫米 |
| 立方後約等於200的數字 | 約為 5.8 |
| 戶外與室內的實際亮度比 | 100000 ÷ 500 = 200 |
| 瞳孔直徑比 | 8 ÷ 2 = 4 |
| 進光量的比(由孔洞面積決定) | 4 × 4 = 16 |
| 假設感受比為5.8,取3次方驗證 | 5.8 × 5.8 = 33.64 |
| 再乘一次 | 33.64 × 5.8 ≒ 195 |
最後算出的195,和一開始的200幾乎相同。也就是說「感受約差6倍」的估計,和實際200倍的差距用立方根公式計算是吻合的。而瞳孔只能爭取到16倍的差距。200倍當中,大部分是由眼睛深處到大腦這一側來縮小的。
高中高中+光靠瞳孔遠遠不夠
高中瞳孔的開合是由稱為虹膜的環狀肌肉控制的。明亮時收縮、昏暗時放大的動作,是一種不受自身意志控制的反射。生物基礎課程中,會把它當作神經作用的例子來介紹。
高中+人所能體驗的亮度範圍,據說從星光到正午雪原,相差可達約100億倍。瞳孔能爭取到的16倍,相對於這個範圍只是九牛一毛。剩下的差距,是靠接收光線的細胞本身的敏感度隨時間變化,以及神經迴路的構造——傳遞的不是明暗的絕對值,而是「與周圍的比較」——來填補的。
大學為什麼感受能用冪次來表示
用冪次來表示刺激強度與感受之間關係的想法,稱為史蒂文斯冪次法則。除此之外,還有用對數來表示感受的韋伯-費希納定律,哪一個更貼合實際情況,會因感覺的種類而異。亮度的指數大約在0.33到0.5之間,本文採用立方根來處理。不過這個數值會隨測量方式而變動。在黑暗中看小光點,和在明亮房間中看大面積光源,即使是同一個人,得出的數值也不同。感受法則比較實際的看法,是把它當作各種條件下的近似值。
📖 公式的形式與更深入的內容:日文維基百科「精神物理學」(並列說明冪次法則與對數法則)
研究目前仍不清楚的事
- 影響生理時鐘所需的亮度界線 早晨的光線能調整身體節律,這一點已被廣泛認同。但究竟需要多亮的光照多久才足夠,會因年齡和前一晚的生活方式而異,目前尚未有統一的標準。
- 戶外光線與近視 各國都有報告指出,在戶外活動時間較長的孩童較不容易近視。究竟是亮度本身、看遠方這件事,還是光線的色彩成分在發揮作用,目前仍在討論中。
- 夜間人造光 夜晚接觸的照明對睡眠和身體狀況究竟有多大影響,不同研究結果差異很大,光量與影響之間的關係仍在整理中。
換句話說,本文的內容也是「目前已知範圍內的說明」。照度數值也請當作會因測量地點與時間大幅變動的參考值。
與教科書的關聯(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・光的性質/刺激與反應 | 亮度的單位,以及眼睛接收光線的機制 |
| 高中 | 生物基礎・神經與身體的調節 | 瞳孔開合隨反射變化的內容 |
| 高中+ | 數學・對數/物理・測光 | 用對數刻度呈現懸殊數值差距的圖1 |
| 大學 | 視覺科學・心理物理學 | 史蒂文斯冪次法則 |
| 研究 | 時間生物學・眼科學 | 生理時鐘所需的亮度、戶外光線與近視 |
| ― | 與生活的關聯 | 室內植物、拍照失敗、早晨外出的效果 |
- 日本產業規格 JIS Z 9110「照明基準總則」(照明基準總則,Forestry and Forest Products Research Institute 等機構制定的規範類似性質)― 針對辦公室、住宅等不同場所訂定建議照度的規格
- S. S. Stevens「On the psychophysical law」Psychological Review(1957)― 以冪次表示刺激強度與感受關係的原始文獻
- 照明學會編『照明ハンドブック』(照明手冊)― 戶外・室內照度的實測數值,以及眼睛適應機制的解說
- 大山正等『視覚心理学への招待』(視覺心理學導論)― 關於亮度知覺與適應的入門書籍
※本文為一般大眾的科學解說。文中數值僅為理解原理所用的參考概算值。照度會因測量地點、時間、天候而有很大差異。若對光線與眼睛或身體狀況的關係有任何疑慮,請諮詢眼科醫師等專業人士。