光
电磁波中一定波长范围的称为光。可见光的短波端波长约360-400nm，长波端约760-830nm，一般取380-780nm。
不同波长的光能够引发不同的颜色感觉，牛顿利用棱镜将不同波长的光在空间上分开，彩虹不同位置对应着不同的波长，“颜色”也各不相同。
平时能接触到的光，绝大多数光都是复色光，即并非单一波长，而是由多种波长混合出的光。此处需提及一个重要概念：同色异谱 (Metamerism)。对同一个人来说，一种光对应一种确定的颜色，但一种颜色却不能对应一种确定的光。同色异谱现象是颜色再现的基础和前提，所以我们有可能在显示器上再现自然界中的颜色，即使光谱完全不同。
光谱
光谱是我们描述复色光的成分的办法。
光是一种电磁辐射，用辐射量 $X$ 来衡量辐射的多少，光度学中，辐射量有辐射通量、辐射强度、辐射照度、辐射亮度等，但可以笼统的先用辐射量表示。我们希望观察复色光中不同波长的光的辐射多少，因此提出光谱密度: $$X_\lambda = \frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}\lambda}$$
光谱密度可看作关于波长的函数，用横坐标为波长，纵坐标为光谱密度的图表，就能够形象的表示一个光的光谱。
光谱密度中的辐照度分布也被叫做光谱功率分布 (Spectral Power Distribution, SPD)。
$X_\lambda$ 除以 $\mathit{max}(X_\lambda)$，即将SPD归一化，最大值为1，得到的关于波长的新函数称为相对光谱功率分布。
人眼
其中，虹膜能够根据光的强弱自动调节中间瞳孔的尺寸，角膜、晶状体、房水、玻璃体组成了人眼的光学结构，视网膜上的细胞能够感知光、处理和传递信号，最后通过视神经将神经冲动传递给视觉中枢。
随着年龄的增大，晶状体的光学密度会增加（即透光率下降），尤其是短波长的部分。即晶状体会变得越来越“黄”，虽然视觉的其他部分（如色适应等）使得人感受不到这样的变化，但会导致人与人之间的同色异谱现象变得严重。
视网膜不仅将光信号转变为神经冲动，还进行了初步的处理，因此视网膜也可以说是有片上运算的“智能图像传感器”。但视网膜由内到外分别是感受器细胞、双极细胞和神经节细胞。神经节细胞的轴突形成视神经，通过盲点再穿过视网膜继续传递，也就是说，视网膜实际上是一种“前照式”传感器。和视觉相关的感受器细胞有视锥细胞 (cones)和视杆细胞 (rods)，有一些感受器细胞与视觉无关，但也能感受光并参与人的其他生理活动，比如和节律有关的ipRGC。
视锥细胞分布在视觉中央很小的区域：黄斑的中央凹。95%以上的视锥细胞集中在这里，视杆细胞又很少分布。除了盲点以外，视杆细胞大量分布在20°视角。正常视觉者的视锥细胞有三种，根据对光的波长的敏感性，分为对长波敏感的L，中波敏感的M和短波敏感的S型，但实际上，由于L和M在基因层面的接近，他们的感光波长峰值比较接近（这可能也是红绿色盲是最常见的色盲的原因）。
关于LMS敏感函数的更多内容，请见http://www.cvrl.org/cones.htm
注意图中光是自下而上进入眼球的。光穿过层层细胞后，在感受器细胞的末端上的视色素发生光触发的生物电反应，转化为生物电信号，再反向传递到水平细胞、双极细胞、无足细胞层，这里是网状结构，分内外两层，是信息传递和加工的地方，再传递到神经节细胞，由神经节细胞的轴突传递到大脑。
人眼的光谱响应
根据环境光的亮暗，人眼的瞳孔和感光细胞能够自动调节和适应。其中根据感光细胞的工作状态，可将视觉分为视锥细胞单独工作的明视觉 (Photopic)，视杆细胞单独工作的暗视觉 (Scotopic)和他们混合工作的中间视觉 (Mesopic)。从暗处到明处，由暗视觉转为明视觉的过程很快，大约一分钟就能够完成，但从明视觉转向暗视觉则需要大约三十分钟。
对一个光电二极管来说，他的响应度可以定义为输出除以输入的辐射能，使用不同波长的光输入，测量输出值，可以得到传感器的光谱响应度。对人眼来说，就是相同辐射量但不同波长的光，人对其的感知亮度不同。但人眼无法直接测得输出值，因此需要设计实验来相对的衡量不同波长的感知亮度。
此处讲到的“实验”，则是色彩科学中几乎是最重要的方法，因为色彩是人的感觉，我们将其称为“心理物理量” (Psychophysical Quantity)，他并非一种绝对的客观的物理量，也和人的主观因素有关。测心理物理量的实验称为心理物理实验，一般来说，需要请被试完成一些任务，比如评价，匹配等。如果实验设计的不好，给被试的任务过于抽象或困难，则不能得到很好的结果，另外，一些需要代表全人类共同特点的实验，还需要考虑地区、人种的影响。
之前提到，不同波长的光会给人不同的颜色感觉，所以这个实验可以理解成如何量化相同辐射量的不同颜色光的亮度，比如相同辐射功率的红光和蓝光哪个更亮。对于这样差异大的颜色，观察者实际上很难给出稳定的结论。可以采用分步法：让被试不断匹配两个接近波长的光，分布的匹配整个可见光范围，闪烁法：让两种波长的光交替闪烁，频率为30-50Hz时，如果两种光有较明显的感知亮度差异，被试者会观察到一个亮度闪烁的混合颜色，据此判断两种波长的光的感知亮度是否匹配。这两种方法都能获得更稳定的结果。
我们把“感知亮度”暂时称作光亮度 $\Phi_v$，辐射能量为 $\Phi_e$，他们的比值即为人的光谱响应度，如果具体到某一波长，则： $$\Phi_v=K(\lambda)*\Phi_e$$ 其中，$K(\lambda)$为光谱响应度或光谱光视效能 (Luminous Efficacy)，对整个可见光波长范围上的响应度做归一化，使其最大值为1，得到的关于波长的函数$V(\lambda)$称为光谱光视效率 (Luminous Efficiency)。
现在使用的光谱光视效率函数时1924年CIE根据251位观察者的实验确定的，其最大值位于555nm，也就是说人眼对波长为555nm的黄绿光最为敏感。需要注意的是，CIE推荐使用的这个$V(\lambda)$是多位观察者的实验数据拟合而成的，世界上并不一定存在这样的人。CIE在1951年进一步确定了暗视觉下的光视效率函数$V’(\lambda)$，暗视觉下，最大视效能位于508nm，整体向短波方向偏移，即暗视觉下，人对长波长的光不太敏感。中间视觉则直接使用明视觉函数和暗视觉函数的线性组合。