生理光學是一門研究眼睛和視覺的科學，是生理學和光學相結合的一個邊緣分支學科。它所涉及到的學科還有解剖學、生物化學、物理學和心理學。傳統的生理光學研究內容包括眼屈光系統的幾何光學、視覺系統的亮度感覺、空間和時間分辨特征、色覺及立體視覺等方面。其研究成果廣泛用于醫學眼科臨床，光學工程技術等領域。
光線進入眼，通過眼內媒質折射，到在視網膜上成像的過程稱為眼屈光。人們對于眼屈光系統的幾何光學特性已經有了較充分的研究，相當精確地測定了角膜、房水、晶狀體、玻璃體等透明媒質的光學參量，基于這些參量設計出的各種模型眼或簡約眼，如左爾斯特蘭模型眼，可以用來計算視網膜像的大小。
眼睛的聚焦能力主要來自角膜，但為了對不同距離的物體聚焦，眼睛經常需要改變其屈光力，這是靠晶狀體的兩表面，主要是改變前表面的曲率來實現的，這個過程稱為調節。
當眼的調節放松時，如果眼軸的長度和屈光系統的屈光力能使眼的后焦點落在視網膜上的話，便為正視眼。若以米作為焦距單位，其倒數稱為屈光度，這是表示屈光力的單位。同樣在調節放松時，如果屈光系統的后焦點落在視網膜之后的稱為遠視眼，相反落在視網膜之前的稱為近視眼。若包含視軸的各個切面的屈光狀態不同，則稱為散光。近視、遠視和散光統稱為屈光不正，一般可用配眼鏡的方法加以矯正。
光線在眼內媒質各個折射率改變的界面上反射的結果，產生一系列反射像，稱為浦爾金耶像。浦爾金耶像可用來定位眼睛的光軸，求知各折射面的曲率以及研究晶狀體的調節過程。
眼內的虹膜像照相機的光圈一樣，調節進入眼睛的光量。虹膜中央的小圓孔稱為瞳孔。除了光量引起瞳孔大小變化，眼的調焦過程也會影響瞳孔的大小，當視距變近時，瞳孔會稍微縮小。最近的研究表明，對所見物的心理情緒反應，也能引起瞳孔的變化。
由三組眼外肌支配的眼球運動，除了用以改變視線外，還對于正常的視知覺起著重要的作用。眼球運動可以分為共扼運動、分離運動、穩態運動三大類：
共軛運動即雙眼同時以相同方式運動，其中又可分為掃視運動和平穩追隨運動，前者是從一個注視點移向另一個注視點時的雙眼運動，后者則是當眼睛追蹤一個運動物體時所發生的運動；
分離運動是指在交替注視較遠或較近的物體時，使得兩眼視軸的夾角發生相應的變化的運動；
穩態注視過程中的運動，包括震顫、微掃視及慢漂移。如果用某種特殊的光學系統使刺激像“穩定”在視網膜上完全不動時，則在幾秒鐘內，刺激像的輪廓和顏色便會消褪，所以這些微小的眼運動對于視知覺是至關緊要的。
光一旦落在視網膜上，便開始了視覺過程的新的一步。人眼的視網膜上有兩種光感受器：視桿細胞和視錐細胞。在較暗的環境亮度下主要是桿細胞的活動，稱暗視覺；在明亮的環境中則主要是視錐細胞的活動，稱明視覺；在中等亮度范圍，兩種感光細胞均參與視覺稱間視覺。這就是視覺的二元說。
當從亮處突然進入暗處時，視覺系統對光的敏感度是隨時間逐漸升高的，這個過程稱為暗適應。與暗適應相反的過程稱為明適應。明適應的進程要快得多，通常在幾秒內敏感度就逐漸恒定。光感受器對光的敏感性還與光線的入射方向有關。正入射時敏感性最高，隨入射角增加迅速下降。這種方向敏感性叫斯泰耳斯-克勞福德效應。目前認為，視覺細胞內部的折射率比其周圍稍高，因此它具有與光學纖維相似的光學性質，這種現象可用光波導理論加以解釋。
視覺系統的空間分辨能力常用視敏度來表示，其定義為眼能夠分辨的最小細節所對應的視角(以分為單位)的倒數。一般用蘭多爾特環或斯內勒字符來檢查人眼的視敏度。正常人眼的視敏度約對應視角1'～30"。從生理解剖角度，視敏度可以解釋為是由視錐細胞在視網膜上的鑲嵌排列的精細程度所決定；而從光學角度，則可以認為是受到眼光學系統的衍射極限的限制。研究結果表明兩者都與以上實際值相符。
物體的顏色固然取決于照明光的光譜組分、材料對光的反射、透射或吸收特性，但對眼睛而言，它是一種感覺，即色覺。對于人眼主觀感覺到的顏色，可以用色調、飽和度和亮度這三個基本屬性來描述。色調就是顏色的名稱，如紅、綠、藍、黃等等；飽和度是指一種顏色的有色和無色組分的相對量，即通常所指的顏色的深淺；亮度是指顏色的無色組分在灰度等級(介于黑白之間)上的相對位置，用來表示顏色是明亮的還是陰暗的。
色覺理論一直試圖闡明眼睛是怎樣利用光的能量來建立起一個彩色世界的。楊-亥姆霍茲的三色理論認為，視網膜中有三種光譜敏感峰分別在紅、綠、藍區域的感光細胞，這三種細胞發出信號，經過神經系統的分析處理，引起不同的顏色感覺。顏色的三變量性是這一理論的有力佐證，而近年來對于脊椎動物(包括人)視網膜的單個視錐細胞的吸收特性的研究，表明在感受細胞中確實存在三種光敏色素，也為這個理論提供了一定的生理基礎。
赫林的拮抗色理論則認為顏色中有三對單一的感覺反應：紅-綠、黃-藍、黑-白。紅-綠或黃-藍對組合中，沒有一種顏色能與補色在同一感受器中同時活動，但是黑-白對能發送組合信號，產生各種中間色調的灰色。這個理論與許多色覺經驗相符合，特別對于負后像的解釋簡單而令人信服。
這兩種色覺理論在歷史上有過長期爭論，現在可以這樣認為：色覺過程至少是一個二級過程，在感受器那一級與楊-亥姆霍茲學說一致，而在視神經那一級又與赫林學說一致。
在色覺的心理學方面，顏色恒常性是一個最值得注意的現象。顏色的恒常性是指不管照明光的光譜組分如何變化，人們通常能像在白光下一樣來分辨物體的顏色。對此目前還沒有完滿的解釋。
立體視覺就是視覺系統對三維空間的知覺，也就是辨別物體的距離、物體間的前后位置、方向等的能力。在只有單眼信息的情況下，就視覺系統本身而言，造成立體視覺的線索主要是調節及單眼運動視差。調節是為了使觀視的物體在視網膜上清晰地成像，因此必然帶來關于物體距離的信息。
單眼運動視差主要是由觀察者移動身體以使空間物體的相對位置發生變化，從而產生對物體間前后位置的判斷。因為靠視網膜只能得到外部世界的二維圖像，雙眼視覺才是立體視覺的主要基礎。
雙眼視差信息是深度知覺最重要的線索，在一定范圍內主觀的深度知覺隨視差量的增大而增強。由于幾何的原因，視差隨物體所處距離的增大而下降，因此對于遠距離物體不可能有精確的深度知覺。
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