人类很早就开始从光学成象的角度来研究眼睛，近年来随着计算机辅助光学设计软件的进步，这种研究也更加深入精确。

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人眼的瞳孔起到了照相机镜头光圈的作用：在黑暗的环境中瞳孔的直径会扩张到8毫米，在明亮的环境中则收缩到2毫米，相当与把通光量减小到原来的1/16。

人眼的晶状体是一个典型的非球面透镜，出了前后表面是非球面外，这个透镜的折射率也不是均匀固定的：在中心部分折射率为1.406 (针对波长为587.6nm的光线)，边缘部分则下降到1.386。

人眼的有效焦距为16.63毫米。

通过对人眼各个部分性状何光学性质的精确测量，借助现代光学设计软件就可以对人眼的真实分辨率能力进行仿真分析：在人眼光学系统的轴线上，人眼的光学解析力达到最高，可以分辨0.005毫米的细节，离开这个轴线越远，分辨能力越低。离开轴线21度的地方，分辨率就下降到只能分辨0.025毫米的细节。

就跟所有的单片光学成象装置一样，人眼的光学系统也存在严重的轴向和侧向色差。不过人类的视觉在长期的进化过程中早就实现了对色差的自动矫正（数码相机内置的色差矫正还是最近几年的事情）。这种色差的自动矫正能力甚至能够扩展到人眼意外的光学系统：早期的天文望远镜存在严重色差，对于一般观测新手来说，这个问题尤其严重，但是经过长期训练之后，就会对望远镜的色差实现某种程度的适应。

单单依靠瞳孔直径的变化无法适应多变的光照条件，人眼还能通过改变视网膜上感光细胞内光敏化学物质的分布来适应明暗变化。人在全黑的环境中待上30分钟，人眼的敏感程度就达到最高。在这个过程中人眼对不同波长光线的敏感程度也会改变，在明亮的环境中，人眼最黄绿色光最为敏感，在黑暗的环境中，敏感的峰值会向波长较短的方向偏移：对红光的敏感程度下降，对蓝光的敏感程度上升。这也就是同样亮度的氙气车灯比卤素车灯在夜间看起来更亮的原因（相对来说氙气灯里面含有更多的蓝光成分）。

正常人眼的视角大致数据：向外95度，向内60度，向上60度，向下75度。

对于有些动物来说，比如青蛙，对静态物体基本是视而不见，只对活动的物体敏感，这种原始的视觉应付一般的捕食或者躲避天敌已经足够，人类等高级动物进化出了另外一个途径来观察静止物体：眼球会以很高的频率不自主的快速的转动，转动的幅度很小只有0.2度左右，但是已经足够让视网膜上的图像产生偏移，这样一来，静止物体在人眼看起来也变成了运动的。

物理学中常常用量子效率来表示感光器件的敏感程度，某些专门定制的CCD在某些波段上量子效率可以达到90％，普通摄影用的CCD量子效率可以达到40－50％，胶片的的量子效率为10％左右，至于人眼，根据测试方法的不同，一般认为在1－2％之间。

摄影抓拍过程中经常会错过很多精彩时刻，这并非总是照相机的问题，人眼本身就存在相当的滞后现象，一般在0.1秒左右。通常情况下，人类很难感觉到这一滞后的存在，因为人类的视觉在长期的进化过程中形成了强大的预测机制，在某种程度上弥补了这个滞后。当然这种预测机制并不总是有效，这就是人类视错觉产生的一个重要原因。