一、视觉的刺激
视觉的适宜刺激是光，光是电磁波，人所能接受的光波只占整个电磁波谱中的很小部分。波长在380~760毫微米的范围，人可以看到的光称为可见光波，它约占整个光波的1/70，在此波长范围之外的电磁波射线，人眼则无法看到。
在真空中，光速为每秒30万里，当它通过液体、气体等物质时，速度下降。由于介质的疏密不同，光由一种介质进入别一介质时就会产生折射。人眼接受的光主要来自光源及其照射在物体上而被物体反射出来的光。
太阳是最主要的光源。光源指能够产生光的物体，除了太阳外，灯、蜡烛等都是光源。通过三棱镜可将太阳光折射产生红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光波。在正常情况下，人眼所接受的光线大多是物体表面反射的太阳光。
二、视觉的生理机制
（一）眼睛的构造及其折光系统
视觉的感受器是视网膜上的感光细胞，光线须经过一系列的聚光器官，最后才能折射并聚焦在视网膜上。眼球是这一系列的聚光器官。
眼球形状似球，由眼球壁和眼球内容物构成。眼球壁分三层。外层为巩膜和角膜，光线通过角膜发生折射进入眼内。虽层为虹膜、睫状肌等。虹膜中间有一个孔称为瞳孔，它随光线的强弱而调节其大小。内层为视网膜和部分视神经。视网膜上有感光细胞，包拓锥体细胞和棒体细胞以及双检细胞和神经节细胞。在眼底视网膜中央有一小块碟形区域叫中央窝，春间含有密集的锥体细胞，具有敏锐的视觉、颜色和空间细节辩别力。在离中央窝15度附近，神经节细胞在此聚集成束形成视神经而进入大脑，这个地方叫盲点。
眼球内容物有水晶体、房水和玻璃体，它们都是屈光介质。当注视外物时，由于角膜、虹膜以及这些屈光介质的调节作用，物像才得以聚集在视网膜的适当部位上。
（二）视网膜的构造和感觉机制
光线透过角膜穿入瞳孔经过水晶体折射，最后聚焦在视同多膜上。光线到达视网膜后，首先穿过视神经纤维的节状细胞、双极细胞，再引起感光细胞（锥体细胞和棒体细胞，两者在数目、功能、形态和分布上都有不同。棒体细胞较锥体细胞多。锥体细胞为粗短锥形，棒体细胞为细长棒形。锥体细胞多分布于视网膜中央窝，在视网膜边缘很少。视网膜中央窝处无棒体细胞，离开中央窝的地方，棒体细胞数目争剧增加。在功能上，棒体细胞暗视觉感受器，主要感受物体的明暗，在暗视环境中起作用。锥体细胞是明视觉感受器，主要感受物体的细节和颜色，在明视环境中起作用。
当光线作用于视感受器时，锥体细胞和棒体细胞中的化学物质的分子结构发生了变化，即感觉光物质视紫红质的分解和合成。视紫红质由维生素A醛和视蛋白结合而成。当视紫工质感光后分解为视黄醛和视蛋白；在暗处视紫红质又重新合成。分解和合成时所释放的能量，激起感受细胞发放视神经冲动，从而引起相应的视觉。
（三）视觉的传导机制
由于锥体细胞和棒体细胞中某些化学物质分子结构的变化而释放的能量，激起感光细胞发放了神经冲动，光能便转换为神经信息，这种信息经由三给神经元传递至大脑的视觉中枢而产生视觉。
按光结传入的方向，它们依次是神经节细胞层、双极细胞层和感光细胞层，当光透过神经节细胞、双极细胞到达感光细胞后，引起感光细胞中色素（视紫红质和视紫质）的变化而引起光化学反应，将光能转化为化学能；光化学反应引起神经细胞的兴奋，化学能转化为神经电能，产生神经电脉冲，经双极细胞到达神经节细胞，并沿着神经节细胞形成的视神经，离开眼睛上行传入大脑的枕叶这一视觉中枢。
两眼各自的视神经离开眼睛后，分为两支。来自眼睛鼻内侧的部分交叉到脑的另一侧，形成视交叉，然后仍形成两条分离的上行通道。另一部分上行神经进入丘脑的外侧膝状体，然后形成视放射投身到大脑皮层两侧的枕叶区，在视觉中枢区域对来自两眼的信息进行加工，从而产生丰富多彩的视觉。
（四）特征觉察器
在本世纪60年代以来龙去脉，休伯和威塞尔（D。H。HUBELANDT。N。WIESEL）关于感受野的研究，对视觉中枢机制的了解，产生了巨大的影响。
休伯等人通过实验研究后指出，视网膜上一定区域的感光细胞转换的神经能量能激活与这个区域有联系的视觉系统各层神经细胞的活动，也就是处于某一层次的神经细胞只接受来自一定区域的感光细胞传递的信息。视网膜上的这个感光细胞区域称为相应神经细胞的感受野。这样，视网膜上的某些细胞就成为视觉中枢中某些细胞的感受野，不同的感受野感受不同的刺激，如感受线条、面积、角度、运动方向等等。休伯认为人的视觉皮层上存在着能对视网膜上具有某种特性的刺激进行反应的高级神经元一特征觉察器，这样人类得以对环境刺激和视觉信息作出选择性的反应。
三、视觉现象及其规律
光有三个物理特征：波长、振幅及纯度。波长决定了光的色调，不同波长的光有不同的颜色。振幅表示光的强度，它所引起的视觉的心理量是明度。纯度表示光波成分的复杂程度，它引起视觉的心理量是饱和度。由于光的这些物理特性，从而产生了一系列的视觉现象。
（一）视觉的绝对感觉阈限与差别感觉阈限
1、明度的绝对感觉阈限与差别感觉阈限
在正常情况下，人眼对光的强度具有极高的感受性，感觉阈限很低。据测定，人眼对对7~8个光量子起反应，甚至在某些情况下对2个光量子就能发生反应。在大气完全透明，能见度很好的条件下，人眼能感知1公里远处1/4烛光的光源，人眼对光的感受范围。
明度的绝对感觉阈限与差别感觉阈限的大小，与光刺激作用在视网膜的部位有关。棒体细胞多分布在距中央窝16度~20度处。据棒体细胞的特性，因而明度的绝对感觉阈限值低；反之，锥体细胞聚集在中央窝部位，对光强的差别感受性较高。明度的感受性与光刺激作用的时间、面积以及个体的年龄、营养情况等因素有关。
2、波长的绝对感觉阈限与差别感觉阈限
在整个光波中，人眼只能看见全部波长中的很小一部分。在可见光波范围内，人对不同波长的感受性有判别在明视觉条件下，人眼对550毫微米的光（黄绿色）感受性最高。但在暗视觉条件下，人眼对511毫微米波长的光（蓝绿色）感受性最高，也就是说，当强度相同时，最第三的光波波长向偏短波方向移动，这个现象由捷克物理学家浦肯野（J。PURKINJE）于1824年发现，因此又称为”浦肯野现象“。
在可见光波的不同区域，人眼对不同色调的光波，辨别能力不同。
（二）视觉适应
适应是指感受器在刺激物的持续作用下所发生的感受性的变化。适应即可引起感受性的提高，也可使感受性降低。”入芝兰之室，久而不闻其香“是对适应的一种描述。视觉的适应最常见的有明适应和暗适应。
1、明适应
明适应又称光适应。由暗处到光亮处，特别是在强光下，最初一瞬间会感到光线刺眼发眩，几乎看不清外界物体，几秒钟之后逐渐看清物体。这种对光的感受性下降的变化现象称为明适应。明适应的时间很短，最初约30秒内，感受性急剧下降，被称之为α适应部分，之后感受性下降逐渐缓慢，称之为β适应部分，大约在1分钟左右明适应就全部完成。眼睛在光适应时，一方面瞳孔相应缩小以减少落在视网膜上的光量，另一方面，由暗适应时棒体细胞的作用转到锥体细胞发生作用。
2、暗适应
从亮处到暗处，人眼开始看不见周围东西，经过一段时间后才逐渐区分出物体，人眼这种感受性逐渐增高的过程叫暗适应。暗适应所需要时间较长，感受性的变化也较大。暗适应主要是棒体细胞的功能，但在暗视觉中锥体细胞和棒体细胞起作用的大小和阶段不同。在暗视觉中，中央视觉转变成了边缘视觉。由实验可得到暗适应曲线，在暗适应的最初5~7分钟里，感受性提高很快，之后，出现棒、锥裂，但感受性仍上升，方向发生了变化。在实验中，如果将只使锥体细胞活动的红光投身在网膜上，使得只有锥体细胞参与暗适应过程，会发现棒锥裂消失。可见，暗适应的头一阶段是锥体细胞与棒体细胞共同参与的；之后，只有棒体细胞继续起作用。
暗适应包括两种基本过程：瞳孔大小的变化及视网膜感光化学物质的变化。从光亮到黑暗的过程中，瞳孔直径可由2毫米扩大8毫米，使进入眼球的光线增加10~20倍，这个适应范围是很有限的，瞳孔的变化并不是暗适应的主要机制。暗适应的主要机制是视网膜的感光物质——视紫红质的恢复。人眼接受光线后，锥体细胞和棒体细胞内的一种光化学物质——视黄醛完全脱离视蛋白，产生漂白过程；当光线停止作用后，视黄醛与视蛋白重新结合，产生还原过程。由于漂白过程而产生明适应，由于还原过程使感受性升高而产生暗适应。视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度相应的
视觉适应有其特殊的意义。在工程心理学中，对视觉适应现象进行了更具体的研究，如改善工作环境的照明条件以提高工作效率等。
（三）颜色视觉
颜色是光波作用于人眼所引起的视觉经验。光波的强度、波长和纯度的3种属性，分别决定了人的视觉的明度、色调和饱和度。
明度是指光刺激的强度作用于眼所产生的视觉结果。彩色物体表面的光反射率愈高，明度就愈大。例如，同样是700毫微米的红光，强度大的就要比强度小的看上去明亮；同样是反射510毫微米的绿色纸，皱纹纸就不如蜡光纸看上去明亮。
色调是区别不同色彩的特性。颜色是由于不同波长的光波作用于眼睛而产生的视觉属性，不同波长的光产生的颜色感觉不同。
饱和度是指颜色的纯度，光谱上的各单色光的饱和度最大，其掺入的白色愈多，就愈不饱和。
由白经灰至黑这一系列是无彩色，因此它们没有色调和饱和度，只有明度一种属性，称为黑白系列。明度、色调、饱和度三者之间的关系可用三维空间纺锤体。
在日常生活中，人们所看到的大多数色光都是由不同波长的光线混合而得到的。人眼对色光混合而产生的视觉现象有以下三个定律：
1、互补律
每一种色光都有另一种同它相混合而产生白色或灰色，这两种色光称为互补色。例如蓝色和黄色、绿色和紫色、红色和青色混合都能产生白色，因此它们都为互补色。
2、间色律
混合两种非互补色而产生的一种新的混合色或介于两者之间的中间色。例如红与绿混合，根据混合的比例不同，可以得到介于它们之间的橙、黄黄橙等各种颜色。取光谱上的红、绿、蓝三原色，按一定比例的波长混合可以产生各种颜色。
3、代替律
不同颜色混合后可以产生感觉上相似的颜色，可以互相代替，而不受原来被混合颜色所具有的光谱成分的影响。假如：颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，则A+C=B+D；又如A+B=C，假设X+Y=B，则A+（X+Y）=C。这就是代替律，现代色度学就是以它为基础而建立的。
色光混合的三个定律可以用色三角表示，其颜色方程为：（C）=R（R）+G（G）+B（B）
公式表示，为了匹配某一特定颜色（C）所需的三原色数量（叫三刺激值），分别以R（红）、G（绿）、B（蓝）标示。
国际照明委员会（CIE）I依据色光混合原则，制定了一个颜色规范的CIE系统，并画出一个CIE色度图。可以确定一种颜色的主波长、饱和度及由两种颜色混合所得的中间色。需要提及的是，色光的混合不同一颜色的混合，两种混合的性质是不一样的。前者是一种加色法，后者是一种减色法。前者混合后明度增加，后者则明度减弱。
（四）色觉理论
解释色觉现象的理论很多，其中杨-赫尔姆霍茨的三色说和黑林的四色说影响最大。
1、杨-赫三色说
英国物理学家杨（T。YOUNG）于1807年左右首先提出三原色假设，1860年由赫尔姆霍茨（H。HELMHOLTZ）在其基础上发展的三色说被后人合称为杨-赫三色说。
三色说假设在视网膜上存在着三种不同的颜色感受器，它们分别含有对红、绿、蓝敏感的视色素。每种感受器只对光谱上的特定波长最敏感，红色感受器对长波最敏感，绿色感受器对中波最敏感，蓝色感受器对短波最敏感，当某种光刺激作用于感受器时，它所引起的兴奋程度不同，从而产生相应的颜色感觉。各种颜色感觉就是各感受器相应的有比例活动的结果，如红色感受器的兴奋活动占优势，则产生红色感觉等。当三个感受器兴奋程度相同时，则产生白色光的感觉。
近年来，随着科学技术的发展，采用显微分光光度法及单细胞电生理学等方法，可以证明人的视网膜上确实存在着三种感色的锥体细胞，每种锥体细胞的色素在光照射下吸收某些波长而反射另一些波长的光，这是对三色说有力支持。另外，三色说可以罗好地解释颜色混合现象与负后象现象。但是，三色说无法解释色盲现象。因为根据三色说理论，只有红、绿锥体细胞同时兴奋才能产生黄色感觉，所以红-绿色盲者不应具备黄色感觉。但实际上，红绿色盲者却具有黄色感觉。三色说也不能解释色觉信息的传递与加工过程。
2、黑林四色说
四色说又称拮抗说，由德国生理学家黑林（E。HERING）于1874年提出。他假设视网膜上存在着三对感光视素，即黑-白视素、红-绿视素、黄-蓝视素。在光刺激下每对视素产生分解或合成的过程。光刺激时，黑-白视素分解，产生白色感觉，无光刺激时，黑-白视素合成，产生黑色感觉。同样，红光刺激时，红-绿视素分解，产生红色感觉；绿光刺激时，红-绿视素合成，产生绿色感觉。
现代神经生理学研究发现，视网膜中存在着三种锥体细胞，它们分别对红、绿、蓝三色敏感。另外，在视觉传导通路上也发现对白-黑、红-绿、黄-蓝三类反应起拮抗作用的感光细胞。四色说可以较好地解释色盲以及正负后象等现象，但却无法解释三原色混合可以独得光谱上众多相似颜色视觉的现象。可见，人的生产、心理活动方式是复杂的和多形式化的。近年来色觉研究的进展所获得的认识是：两个学说是可以相互补充的。
（五）色觉缺失
色觉缺失包括色弱和色盲。据统计，8%的男性和0.5%的女性有某种形式的色盲或色弱。色弱是指对光谱中的红色和绿色区的颜色感受性很低。色盲是指丧失颜色的辨别能力。
色盲有部分色盲和全色盲之分。常见的部分色盲是红绿色盲，红绿色盲对红光和绿光反应不敏感，不能区分红光与黄光或绿光。黄-蓝色盲则较少见，他们只有红、绿感觉，而没有黄-蓝颜色感觉。全色盲指丧失了对整个可见光谱上各种光的颜色视觉，而都把它们看成为灰白，即无彩色系列。全色盲极罕见，主要是视网膜上缺少视锥细胞或视锥细胞功能丧失所致。
色盲常为先天的，也有后天的。先天色盲与遗传因子有关，一般是隔代遗传，目前尚无法医治。后天色盲往往由于各种原因造成如视网膜疾病、视神经障碍、药物中毒以及维生素缺乏等。
（六）视敏度
视敏度是指人的视觉器官分辨物体细节的能力。一个人能辨认物体细节的尺寸越小，视敏度越高，反之视敏度就越低。在医学上把视敏度称为视力。
视敏度由物体的视角决定，它等于视觉所能分辨的以角度分为单位的视角的倒数。视角是指物体最边沿两点与眼睛的角膜所形成的夹角。按照透视原理，细小的或远处的物体构成的视角小，反之则视角大，公式如下：α=A/D*57.3度。α为视角，A为物体高度，D为物体离眼睛的距离。在一定空间范围内，眼睛能分辨物体的视角越小，视觉的每锐度就越大。
在临床医学上是以视标（E型或C型）来确定视力的。让受测者在5米远标准距离处分辨一个在5米时形成1分视角的视标开口，则其视力为1.0，并将其定为正常视力的标准。如果视力低于0.6则不允许开车（我国标准），视力低于0.05者被诊断为盲人。
影响视敏度的因素很多，如视网膜受刺激的部位、背景照明的强度、物体与背景之间的对比度等都会影响视敏度。
（七）闪光融合
当外界有一光刺激时，视网膜需要一定的时间把光能量转换为神经反应，在光消失时，视风膜的反应并不立即消失。也就是说，视网膜上的反应，在时间上有一迟滞，从而产生视觉后象。后象所保留的时间约0.1秒。假如有多次闪光刺激，并且间隔时间足够短，也就是说每分钟闪光的次数增加到一定程度，人眼则不再分辨为单个闪光，而将其感觉为一个稳定的边疆的光，这种现象叫做闪光融合（FICKERFUSION），产生闪光融合时的闪光频率叫做临界闪光融合频率（CRITICALFLICKERFREQUENCY，CFF）。一个人能看到的闪光频率越高，其视觉分辨能力就越强。闪光临力界频率受被试的年龄、练习、注意程度以及闪光波形、波长、所刺激的视网膜部位、眼的适应等多种因素的影响，它可以作为了解一个人生理和心理机能状态的手段。
（八）视觉后象
刺激停止作用于视觉感受器后，感觉现象并不立即消失而保留片刻，从而产生后象。但这种暂存的后象在性质上与原刺激并不总是相同的。与原刺激性质相同的后象称为正后象，例如注视打开的电灯几分钟后闭上眼睛，眼前会产生一片黑背景，黑背景中间还有一电灯形状的光亮形状，这就是正后象。与原刺激性质相反的后象叫负后象，在前面的例子中，看到正后象后眼睛不睁开，再过一会儿发现暗背景的光亮形状变成暗色形态，这就是负后象。
颜色视觉中也存在着后象现象，一般均为负后象。在颜色上与原颜色互补，在明度上与原颜色相反。例如，眼睛注视一个红色光圈几分钟后，把视线移向一白色背景时，会见到一蓝绿色光圈出现在白色的背景上，这就产生了颜色视觉的负后象。
（九）视觉对比
视觉对比分为无彩色对比和彩色对比。无彩色对比的结果是明度感觉的变化，例如同样的两个灰色正方形，一个放在白色背景上，一个放在黑色背景上，结果在白色背景上的正方形看起来比黑色背景上的正方形要暗得多。
彩以对比是指在视野中相邻区域的不同颜色的相互影响的现象。彩色对比的结果是引起颜色感觉的变化，它使颜色向其背景颜色的补色变化。例如，两块绿色纸片，一块放在蓝色背景上，一块放在黄色背景上，在黄色背景上的带上了蓝，在蓝色背景上的带上了黄，这是色调对比的结果。一种颜色与背景色之间的对比，会从背景中诱导出一种补色。由于黄和蓝是互补色，因此当绿纸片放在蓝色背景上时它会带上黄色。视觉对比对人类的生存和发展有着重要意义，由于视觉对比的存在，人类才能分辨出物体的轮廓和细节、识别物体的形状和颜色。