当人类的祖先上了树，眼睛的进化方向就变成了感知更多细节和色彩，但有所得必有所失，比如灵长目动物基本都失去了视网膜底部的明毯或照膜，而这个结构主要用于将穿过视网膜的光线再次反射回视网膜，加强感光细胞对微弱光线的感知能力。
这让人类和其他灵长目的夜视能力连牛都不如，更不要说那些昼伏夜出的猎食者了。常见哺乳动物中只有松鼠、袋鼠以及猪和人差不多。不过从光学角度看，夜视首先要考虑的其实是更大的进光量。这就与光学天文望远镜的口径越大越好，原理相同。物镜够大才能收集更多光线，看到更暗的天体。
大部分动物包括人类在内，在光线变暗时都会不自觉放大瞳孔，就是为了提高进光量。像猫这样的夜行动物，瞳孔面积可放大135倍，而人类只有10倍，猫明显比人类专业多了。
但瞳孔无论如何放大都不可能比眼睛本身更大，从这种意义上讲，眼睛的绝对大小决定了一种动物可能具有的夜视能力的上限，其结果就是夜行动物通常长着相对于体型更大的眼睛。猫头鹰已经甚至发展出了一种奇特的管状眼，可以最大限度地利用，已有眼睛的空间，产生最大的进光量，这也许可以看作是专家级夜行动物的一个特征。
比如一些深海的鱼也有着类似的眼睛，当然这种眼睛也有缺陷，那就是眼球彻底没法转动了，好在鸟类本来就不会转动眼球，对猫头鹰来说也不算是个损失，作为替代它们都配备有大角度转动高灵敏防抖功能的颈部。
在此基础上，进一步需要考虑的就是提高视网膜对光的敏感度，这就类似于光线暗的时候拍照要提高相机的感光度一样，除了明毯以外。感光细胞的类型和分布也很重要，夜行动物通常有更大比例，更高密度的视杆细胞，比如，在小鼠的视网膜上视杆细胞占据了97%的比例，他们还将视杆细胞层层堆叠，他们的功能就好像一个个微透镜一样，将光线不断汇聚而不散射，增强整列细胞的感知能力，这使得他们甚至有可能感知数个光亮子级别的光线，这远超大部分相机的敏感度。
虽然人类的摄影师也有一些小技巧来达到同样目的，比如说增加相机曝光时间，即使是低光条件也可以叠加出不错的画面，但这也可能因为抖动或物体变化导致拖影、模糊，所以归结到底相机或眼睛本身还是需要有很强的实时感光能力才行。
影像模糊不止来源于感光的难度，黑暗中难以对焦本身也是一个问题，比如在黑夜中，某些眼睛可能会因为缺乏足够的光线刺激出现被称之为暗焦的休止状态，对人类来说就是眼睛的对焦距离恒定在一米左右，于是就有了所谓的“夜近视”。而在正常情况下，位于中脑的动眼神经复合会控制瞳孔缩放调节晶体以及两眼向内的视轴汇聚，迅速将互相准确投射在视网膜斑或更核心的重要凹。
然而大脑如何知道眼睛是否已经准确对焦，并决定是否调节以及调节多少，这个过程就更加复杂了，在这里不妨以相机的自动对焦作为参考，方便我们理解其原理。
对于相机来说最简单的实现方案就是加外挂，比如激光测距仪，回声测距仪等，直接测量出物距，并计算出相距由此控制镜片达到位置，这对于绝大部分动物来说当然不太可行，不过有一些更加精妙的设计。
一种方案就是不测距离，而是分析图像的对比度，因为越是清晰的画面，其特征就是在物体边缘的亮度反差也越大，这也就是用ps调整清晰度的原理，所以只要根据对焦部分的反差值，使用类似爬山算法的迭代方式调整镜头就可以达到其局部数值最大位置，也就实现了自动对焦，这就是所谓的反差对焦。
而在大脑枕叶的视觉皮层中有大量专门化的神经元用于探测视域中的线条，或者说边缘特征，或者空间频率就是明暗间隔的变化，通过对这些特征信息的提取和处理视神经系统就可以知道视网膜上的成像是否是模糊的。
是的话，就调节晶体或眼球，这构成了一个与爬山算法思路相似的负反馈系统，最终是成像误差逐渐减小，实现准确对焦。这种方法可以达到极高的精度，却因为需要迭代计算，存在对焦速度较慢，不利于捕捉移动物体的问题，又或是碰到缺乏反差的场面也会比较困难。
比如猫科动物常用的破坏性着色，就可以干扰身体边缘的视觉清晰度，所以还要参考另外一种不同的方案。
测量当前成像与正确对焦的相对误差，以单反中较为经典的相位对焦设计为例，根据理想透镜光路图，我们知道所谓正确的对焦就是透镜上半部分下半部分光线全部汇聚于传感器，我们让摄入镜头的光线一部分通过副反光板进入对焦系统，然后在这里加一条遮光板，如果是不合焦的情况，也就是说两部分光线的汇聚点靠前或靠后可以从遮光板两侧分别进入两个光路，被两个不同的传感器所捕捉。
只需要通过这两个信号的相位差计算相关系数，再通过算法得出以正确对焦相差多少，并控制镜头得出相应位移即可，虽然并不会计算绝对距离，但这其实与视差测距的原理类似，而两只眼睛同样会使用类似的算法，通过视轴汇聚调节的方式来辅助晶体对焦。
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