生理光學(xué)是一門研究眼睛和視覺的科學(xué)，是生理學(xué)和光學(xué)相結(jié)合的一個邊緣分支學(xué)科。它所涉及到的學(xué)科還有解剖學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和心理學(xué)。傳統(tǒng)的生理光學(xué)研究內(nèi)容包括眼屈光系統(tǒng)的幾何光學(xué)、視覺系統(tǒng)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(yī)學(xué)眼科臨床，光學(xué)工程技術(shù)等領(lǐng)域。
光線進(jìn)入眼，通過眼內(nèi)媒質(zhì)折射，到在視網(wǎng)膜上成像的過程稱為眼屈光。人們對于眼屈光系統(tǒng)的幾何光學(xué)特性已經(jīng)有了較充分的研究，相當(dāng)精確地測定了角膜、房水、晶狀體、玻璃體等透明媒質(zhì)的光學(xué)參量，基于這些參量設(shè)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(wǎng)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(jīng)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(xiàn)的，這個過程稱為調(diào)節(jié)。
當(dāng)眼的調(diào)節(jié)放松時，如果眼軸的長度和屈光系統(tǒng)的屈光力能使眼的后焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜上的話，便為正視眼。若以米作為焦距單位，其倒數(shù)稱為屈光度，這是表示屈光力的單位。同樣在調(diào)節(jié)放松時，如果屈光系統(tǒng)的后焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜之后的稱為遠(yuǎn)視眼，相反落在視網(wǎng)膜之前的稱為近視眼。若包含視軸的各個切面的屈光狀態(tài)不同，則稱為散光。近視、遠(yuǎn)視和散光統(tǒng)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(nèi)媒質(zhì)各個折射率改變的界面上反射的結(jié)果，產(chǎn)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(diào)節(jié)過程。
眼內(nèi)的虹膜像照相機(jī)的光圈一樣，調(diào)節(jié)進(jìn)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(diào)焦過程也會影響瞳孔的大小，當(dāng)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(yīng)，也能引起瞳孔的變化。
由三組眼外肌支配的眼球運(yùn)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(yùn)動可以分為共扼運(yùn)動、分離運(yùn)動、穩(wěn)態(tài)運(yùn)動三大類：
共軛運(yùn)動即雙眼同時以相同方式運(yùn)動，其中又可分為掃視運(yùn)動和平穩(wěn)追隨運(yùn)動，前者是從一個注視點(diǎn)移向另一個注視點(diǎn)時的雙眼運(yùn)動，后者則是當(dāng)眼睛追蹤一個運(yùn)動物體時所發(fā)生的運(yùn)動；
分離運(yùn)動是指在交替注視較遠(yuǎn)或較近的物體時，使得兩眼視軸的夾角發(fā)生相應(yīng)的變化的運(yùn)動；
穩(wěn)態(tài)注視過程中的運(yùn)動，包括震顫、微掃視及慢漂移。如果用某種特殊的光學(xué)系統(tǒng)使刺激像“穩(wěn)定”在視網(wǎng)膜上完全不動時，則在幾秒鐘內(nèi)，刺激像的輪廓和顏色便會消褪，所以這些微小的眼運(yùn)動對于視知覺是至關(guān)緊要的。
光一旦落在視網(wǎng)膜上，便開始了視覺過程的新的一步。人眼的視網(wǎng)膜上有兩種光感受器：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。在較暗的環(huán)境亮度下主要是桿細(xì)胞的活動，稱暗視覺；在明亮的環(huán)境中則主要是視錐細(xì)胞的活動，稱明視覺；在中等亮度范圍，兩種感光細(xì)胞均參與視覺稱間視覺。這就是視覺的二元說。
當(dāng)從亮處突然進(jìn)入暗處時，視覺系統(tǒng)對光的敏感度是隨時間逐漸升高的，這個過程稱為暗適應(yīng)。與暗適應(yīng)相反的過程稱為明適應(yīng)。明適應(yīng)的進(jìn)程要快得多，通常在幾秒內(nèi)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(guān)。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(yīng)。目前認(rèn)為，視覺細(xì)胞內(nèi)部的折射率比其周圍稍高，因此它具有與光學(xué)纖維相似的光學(xué)性質(zhì)，這種現(xiàn)象可用光波導(dǎo)理論加以解釋。
視覺系統(tǒng)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(xì)節(jié)所對應(yīng)的視角(以分為單位)的倒數(shù)。一般用蘭多爾特環(huán)或斯內(nèi)勒字符來檢查人眼的視敏度。正常人眼的視敏度約對應(yīng)視角1'～30"。從生理解剖角度，視敏度可以解釋為是由視錐細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的鑲嵌排列的精細(xì)程度所決定；而從光學(xué)角度，則可以認(rèn)為是受到眼光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限的限制。研究結(jié)果表明兩者都與以上實際值相符。