La molecola di rodopsina dei fotorecettori è costituita da una proteina chiamata opsina che si trova a cavallo della membrana cellulare con sette eliche. Questi formano una struttura con una cavità centrale che contiene un gruppo cromoforo, che nell’uomo è chiamato retina—l’aldeide della vitamina A. Quando retina assorbe un fotone di luce, cambia la sua configurazione (dal piegato 11-cis modulo per la dritta all-trans form), innescando una serie di reazioni molecolari che portano, in pochi millisecondi, a un cambiamento nel flusso di ioni attraverso la membrana cellulare. Nei vertebrati la luce provoca la chiusura dei canali del sodio, mentre nella maggior parte degli invertebrati la luce provoca l’apertura dei canali del sodio. Una delle funzioni della molecola opsina è quella di” sintonizzare ” il gruppo cromoforo per rispondere a una particolare gamma di lunghezze d’onda. Quindi, diverse opsine con diverse sequenze di amminoacidi permettono a un organismo di avere recettori con diverse risposte spettrali; questa è la base della visione dei colori. Nell’uomo le barre, che sono utilizzate per la visione notturna e sono sensibili ai singoli fotoni, sono al massimo sensibili alla luce blu-verde (496 nm) e le tre classi di coni, che mediano la visione dei colori alla luce del giorno, sono al massimo sensibili alla luce blu (419 nm), verde (531 nm) e rossa (558 nm). Nelle api, che hanno anche la visione dei colori, i tre massimi sono spostati verso lunghezze d’onda più corte: ultravioletto (344 nm), blu (436 nm) e verde (556 nm). I recettori ultravioletti si trovano anche negli uccelli e nei pesci.

Molti invertebrati hanno la capacità di vedere e analizzare la luce polarizzata. La polarizzazione deriva dalla dispersione atmosferica e dalla riflessione su superfici lisce come l’acqua. Nella luce polarizzata tutti i fotoni hanno i loro campi elettrici vibranti sullo stesso piano; questo può essere rilevato dai fotorecettori se le molecole sono opportunamente allineate. La struttura proiettante di microvillus dei recettori degli invertebrati lo rende possibile. Molti insetti usano la polarizzazione per calcolare la direzione del Sole quando il cielo è coperto, e altri la usano per rilevare le superfici d’acqua.

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I sistemi ottici degli occhi abbattono la luce in base alla sua direzione di origine e quindi formano immagini che possono essere utilizzate per la navigazione e il riconoscimento dei pattern. Ci sono circa 10 modi di formare immagini, tra cui fori di spillo, lenti e specchi. Di questi, gli occhi a camera singola “tipo fotocamera” di vertebrati e cefalopodi hanno la migliore risoluzione. L’occhio umano può risolvere strisce distanziati 1 minuto di arco (1/60 di 1°) a parte; questo è molte volte meglio dell’occhio composto di un’ape, che può risolvere oggetti distanziati di circa 2,8°-5,4°.