生理光学是一门研究眼睛和视觉的科学，是生理学和光学相结合的一个边缘分支学科。它所涉及到的学科还有解剖学、生物化学、物理学和心理学。传统的生理光学研究内容包括眼屈光系统的几何光学、视觉系统的亮度感觉、空间和时间分辨特征、色觉及立体视觉等方面。其研究成果广泛用于医学眼科临床，光学工程技术等领域。
光线进入眼，通过眼内媒质折射，到在视网膜上成像的过程称为眼屈光。人们对于眼屈光系统的几何光学特性已经有了较充分的研究，相当精确地测定了角膜、房水、晶状体、玻璃体等透明媒质的光学参量，基于这些参量设计出的各种模型眼或简约眼，如左尔斯特兰模型眼，可以用来计算视网膜像的大小。
眼睛的聚焦能力主要来自角膜，但为了对不同距离的物体聚焦，眼睛经常需要改变其屈光力，这是靠晶状体的两表面，主要是改变前表面的曲率来实现的，这个过程称为调节。
当眼的调节放松时，如果眼轴的长度和屈光系统的屈光力能使眼的后焦点落在视网膜上的话，便为正视眼。若以米作为焦距单位，其倒数称为屈光度，这是表示屈光力的单位。同样在调节放松时，如果屈光系统的后焦点落在视网膜之后的称为远视眼，相反落在视网膜之前的称为近视眼。若包含视轴的各个切面的屈光状态不同，则称为散光。近视、远视和散光统称为屈光不正，一般可用配眼镜的方法加以矫正。
光线在眼内媒质各个折射率改变的界面上反射的结果，产生一系列反射像，称为浦尔金耶像。浦尔金耶像可用来定位眼睛的光轴，求知各折射面的曲率以及研究晶状体的调节过程。
眼内的虹膜像照相机的光圈一样，调节进入眼睛的光量。虹膜中央的小圆孔称为瞳孔。除了光量引起瞳孔大小变化，眼的调焦过程也会影响瞳孔的大小，当视距变近时，瞳孔会稍微缩小。最近的研究表明，对所见物的心理情绪反应，也能引起瞳孔的变化。
由三组眼外肌支配的眼球运动，除了用以改变视线外，还对于正常的视知觉起着重要的作用。眼球运动可以分为共扼运动、分离运动、稳态运动三大类：
共轭运动即双眼同时以相同方式运动，其中又可分为扫视运动和平稳追随运动，前者是从一个注视点移向另一个注视点时的双眼运动，后者则是当眼睛追踪一个运动物体时所发生的运动；
分离运动是指在交替注视较远或较近的物体时，使得两眼视轴的夹角发生相应的变化的运动；
稳态注视过程中的运动，包括震颤、微扫视及慢漂移。如果用某种特殊的光学系统使刺激像“稳定”在视网膜上完全不动时，则在几秒钟内，刺激像的轮廓和颜色便会消褪，所以这些微小的眼运动对于视知觉是至关紧要的。
光一旦落在视网膜上，便开始了视觉过程的新的一步。人眼的视网膜上有两种光感受器：视杆细胞和视锥细胞。在较暗的环境亮度下主要是杆细胞的活动，称暗视觉；在明亮的环境中则主要是视锥细胞的活动，称明视觉；在中等亮度范围，两种感光细胞均参与视觉称间视觉。这就是视觉的二元说。
当从亮处突然进入暗处时，视觉系统对光的敏感度是随时间逐渐升高的，这个过程称为暗适应。与暗适应相反的过程称为明适应。明适应的进程要快得多，通常在几秒内敏感度就逐渐恒定。光感受器对光的敏感性还与光线的入射方向有关。正入射时敏感性最高，随入射角增加迅速下降。这种方向敏感性叫斯泰耳斯-克劳福德效应。目前认为，视觉细胞内部的折射率比其周围稍高，因此它具有与光学纤维相似的光学性质，这种现象可用光波导理论加以解释。
视觉系统的空间分辨能力常用视敏度来表示，其定义为眼能够分辨的最小细节所对应的视角(以分为单位)的倒数。一般用兰多尔特环或斯内勒字符来检查人眼的视敏度。正常人眼的视敏度约对应视角1'～30"。从生理解剖角度，视敏度可以解释为是由视锥细胞在视网膜上的镶嵌排列的精细程度所决定；而从光学角度，则可以认为是受到眼光学系统的衍射极限的限制。研究结果表明两者都与以上实际值相符。
物体的颜色固然取决于照明光的光谱组分、材料对光的反射、透射或吸收特性，但对眼睛而言，它是一种感觉，即色觉。对于人眼主观感觉到的颜色，可以用色调、饱和度和亮度这三个基本属性来描述。色调就是颜色的名称，如红、绿、蓝、黄等等；饱和度是指一种颜色的有色和无色组分的相对量，即通常所指的颜色的深浅；亮度是指颜色的无色组分在灰度等级(介于黑白之间)上的相对位置，用来表示颜色是明亮的还是阴暗的。
色觉理论一直试图阐明眼睛是怎样利用光的能量来建立起一个彩色世界的。杨-亥姆霍兹的三色理论认为，视网膜中有三种光谱敏感峰分别在红、绿、蓝区域的感光细胞，这三种细胞发出信号，经过神经系统的分析处理，引起不同的颜色感觉。颜色的三变量性是这一理论的有力佐证，而近年来对于脊椎动物(包括人)视网膜的单个视锥细胞的吸收特性的研究，表明在感受细胞中确实存在三种光敏色素，也为这个理论提供了一定的生理基础。
赫林的拮抗色理论则认为颜色中有三对单一的感觉反应：红-绿、黄-蓝、黑-白。红-绿或黄-蓝对组合中，没有一种颜色能与补色在同一感受器中同时活动，但是黑-白对能发送组合信号，产生各种中间色调的灰色。这个理论与许多色觉经验相符合，特别对于负后像的解释简单而令人信服。
这两种色觉理论在历史上有过长期争论，现在可以这样认为：色觉过程至少是一个二级过程，在感受器那一级与杨-亥姆霍兹学说一致，而在视神经那一级又与赫林学说一致。
在色觉的心理学方面，颜色恒常性是一个最值得注意的现象。颜色的恒常性是指不管照明光的光谱组分如何变化，人们通常能像在白光下一样来分辨物体的颜色。对此目前还没有完满的解释。
立体视觉就是视觉系统对三维空间的知觉，也就是辨别物体的距离、物体间的前后位置、方向等的能力。在只有单眼信息的情况下，就视觉系统本身而言，造成立体视觉的线索主要是调节及单眼运动视差。调节是为了使观视的物体在视网膜上清晰地成像，因此必然带来关于物体距离的信息。
单眼运动视差主要是由观察者移动身体以使空间物体的相对位置发生变化，从而产生对物体间前后位置的判断。因为靠视网膜只能得到外部世界的二维图像，双眼视觉才是立体视觉的主要基础。
双眼视差信息是深度知觉最重要的线索，在一定范围内主观的深度知觉随视差量的增大而增强。由于几何的原因，视差随物体所处距离的增大而下降，因此对于远距离物体不可能有精确的深度知觉。
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