光學是現代科學的一門重要分科，滲透到人類社會生活的各個領域，顯示出了越來越大的威力。光學的展有它悠久的歷史。在光學展的道路上，我國古代曾經做出過重大的貢獻。
光的直線傳播
太陽給人類以光和熱，這是人類不可缺少的光源。但是由於地球的自轉，形成了白晝和黑夜。每到晚上，黑暗就籠罩著大地。生活在遠古的人類祖先，對黑夜是無能為力的。黑暗給人們以可怕、可惡的感覺，直到今天黑暗仍為人們用來形容邪惡。不知經歷了多少個世紀，人類才現火也能提供光和熱。開始是使用天然火，以後又明瞭人工摩擦取火。人工摩擦取火的明是人類歷史的一個劃時代進步，它「第一次使人支配了一種自然力，從而最終把人同動物界分開」1。生活在五十萬年以前的北京猿人就已經懂得使用天然火，大約在幾萬年前人類又學會了用鑽木的方法人工取火。火在長時期裡一直是人們唯一可以利用的人造光源，後來人們創造了油燈、蠟燭，還是離不開火，一直到近代光源的明才取代了火。
通過對光的長期觀察，人們現了沿著密林樹葉間隙射到地面的光線形成射線狀的光束，從小窗中進入屋裡的日光也是這樣。大量的觀察事實，使人們認識到光是沿直線傳播的。為了證明光偽這一性質，大約二千四五百年前我國傑出的科學家墨翟和他的學生作了世界上第一個小孔成倒像的實驗，解釋了小孔成倒像的原理。雖然他講的並不是成像而是成影，但是道理是一樣的。
在一間黑暗的小屋朝陽的牆上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋裡相對的牆上就出現了一個倒立的人影。為什麼會有這奇怪的現象呢？墨家解釋說，光穿過小孔如射筋一樣，是直線行進的，人的頭部遮住了上面的光，成影在下邊，人的足部遮住了下面的光，成影在上邊，就形成了倒立的影。這是對光直線傳播的第一次科學解釋。
墨家還利用光的這一特性，解釋了物和影的關係。飛翔著的鳥兒，它的影也彷彿在飛動著。墨家分析了光、鳥、影的關係，揭開了影子自身並不直接參加運動的秘密。墨家指出鳥影是由於直線行進的光線照在鳥身上被鳥遮住而形成的。當鳥在飛動中，前一瞬間光被遮住出現影子的地方，後一瞬間就被光所照射，影子便消失了；新出現的影子是後一瞬間光被遮住而形成的，已經不是前一瞬間的影子。因此，墨家得到了「景不徙」的結論，「景」通「影」，就是說，影子不直接參加運動。那麼為什麼影子看起來是活動著的呢？這是因為鳥飛動的時候，前後瞬間影子是連續不斷地更新著，並且變動著位置，看起來就覺得影是隨著鳥在飛動一樣。在二千四五百年前，能這樣深人細緻地研究光的性質，解釋影的動和不動的關係，確是非常難能可貴的。墨家還從光線直線傳播的原理解釋了投影和半影的現象。
十四世紀中葉，元代天文數學家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細地考察了日光通過牆上孔隙所形戍的像和孔隙之間的關係。他現當孔隙相當小的時候，儘管孔隙的形狀不是圓形的，所得的像卻都是圓形的；日食的時候，像也有缺，和日的食分相同；孔的大小不同，但是像的大小相等，只是濃淡不同；如果把像屏移近小孔，所得的像變小，亮度增加。對於這一現象，趙友欽經過精心思索和研究，得出了關於小孔成像的規律。他認為孔相當小的時候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時孔的大小只不過和像的明暗程度有關，不改變像的形狀。當孔相當大的時候，所得到的像就是孔的正立像。
為了證實這個結論，趙友欽設計了一個比較完備的實驗。在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個直徑四尺多的圓井，右邊的井深四尺，左邊的深八尺，在左井裡放置一張四尺高的桌子，這樣兩井的深度就相同。作兩塊直徑四尺的圓板，板上各密插一千多枝蠟燭，點燃後，一塊放在右井井底，一塊放在左井桌上。在井口備蓋直徑五尺、中心開小方孔的圓板，左板的方孔寬一寸左右，右板的方孔寬半寸左右。這時可以看到樓板上出現的都是圓像，只是孔大的比較亮，孔小的比較暗。趙友欽用光的直線傳播的道理，說明了東邊的燭成像於西，西邊的成像於東，南邊的成像於北，北邊的成像於南，每根燭都有時應的像，由於一千多枝燭是密集成圓形的，所成的像也相互連接成為圓像。這樣就說明了在光源、小孔、像屏距離不變的情況下，所成的像形狀不變，只有照度上的差別：孔大的「所容之光較多」，因而比較亮；孔小的「所容之光較少」，因而比較暗。如果把右井裡東邊的蠟燭熄滅五百枝，那右邊房間樓板上的像西邊缺半，相當於日月食的時候影和日、月食分相等一樣。如果在左邊中蠟燭琉密相間，只燃點二三十枝，那像雖是圓形分佈，但是各是一些不相聯接的暗淡方像；如果只燃一燭，方孔對於燭光源來說不是相當地小，因而出現的是方孔的像；把所有的燭重新點著，左邊的像就恢復圓形。其次，在樓板上平行於地面吊兩塊大板作為像屏，這時像屏距孔近，看到的像變小而明亮。接著去掉上面所說的吊著的兩塊板，仍以樓板作為像屏，撤去左井裡的桌子，把蠟燭放到井底，這時左井的光源離方孔遠，左邊的樓板上出現的像變小，而且由於燭光弱，距離增加後亮度也變弱。從這些實驗結果，趙友欽歸納得出了小孔成像的規律，指出了燭（光源）的遠近、強弱和小孔、像屏的遠近之間的關係，指出像屏近孔的時候像小，遠孔的時候像大；燭距孔遠的時候像小，近孔的時候像大；像小就亮，像大就暗；燭雖近孔，但是光弱，像也就暗；燭雖遠孔，但是光強，像也就亮。實驗的最後一步是撤去覆蓋井面的兩塊板，另在樓板下各懸直徑一尺多的圓板，右板開廣四寸的方孔，左板開各邊長五寸的三角形孔，調節板的高底，就是改變光源、孔、像屏之間的距離。這時仰視樓板上的像，左邊是三角形，右邊是方形。這說明孔大的時候所成的像和孔的形狀相同：孔距屏近，像小而明亮；孔距屏遠，像大而暗淡。
從以上的實驗結果，趙友欽得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結論，並指出這個結論是「斷乎無可疑者」。用這樣嚴謹的實驗，來證明光的直線傳播，闡明小孔成像的原理，這在當時世界上是絕無僅有的。
光的直線傳播性質，在我國古代天文曆法中得到了廣泛的應用。我們的遲先製造了圭表和日暑，測量日影的長短和方位，以確定時間、冬至點、夏至點；在天文儀器上安裝窺管，以觀察天象，測量恆星的位置。
此外，我國很早就利用光的這一性質，明瞭皮影戲。漢初齊少翁用紙剪的人、物在白幕後表演，並且用光照射，人、物的影像就映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戲到宋代非常盛行，後來傳到了西方，引起了轟動。
鏡面成像原理
光是沿直線傳播的，但是在光的前進方向上遇到物體的時候，就會生反射現象。我國在三千年前就製造和使用銅鏡，並且很早就對光的反射有深刻的認識。
從農曆的月初到月底，人們看到月亮從上弦月到圓又到下弦月，週而復始地變化著。月光是從哪兒來的呢？是月球本身能夠光嗎？遠古時代，人們以為月亮是能夠光的。但是大約在公元前四世紀以前，我國就知道了月亮本身是不光的，它的光是日光照射在月面上所引起的反射光。為了說明月光是日照射的結果，宋代科學家沈括曾經做過圓球受光的實驗。他用一個彈丸（代表月球），一半塗粉（表示月球受太陽光的一面），這樣，「側視之則粉處如鉤，對視之則正圓」，（《夢溪筆談》卷七）說明了月的圓缺的道理。
我國古代造鏡技術非常達，並且對各種鏡子成像原理有深入的研究。
大家知道，只要對著光滑的平面，就可以照見自己的臉孔。在鏡子使用以前，人們是利用靜水來看自己的臉的，並且知道流水是照不成像的。早在公元前十一世紀前，我國就已經使用銅鏡。到了秦漢以後，銅鏡大大展，暢銷國內外。我國的古代銅鏡至今仍舊被人們看作世界文明史上的珍品。特別是有兩千多年歷史的所謂「透光鏡」，它能通過反射映出鏡子背面的美麗圖案，引起了人們的極大興趣。為了解開「透光鏡」之謎，國內外花了幾百年的時間進行研究探索，直到近代才現，這是由於鏡面在製造加工以後，有相對於背面圖案的輕微不等的曲率，通過反射產生映出背面的圖案。這充分說明了我國古代高的制鏡技術和對光的反射特性的深刻認識。
利用平面鏡反射的原理，我國在公元前二世紀前就製成了世界上最早的潛望鏡。漢初《淮南萬畢術》一書中，有「取大鏡高懸，置水盆於下，則見四鄰矣」的記載，這個裝置雖然粗糙，但是意義深遠，近代所使用的潛望鏡就是根據這個道理製造的。
世界上最早的潛望鏡。
在利用平面鏡的同時，人們又現了球面鏡的奇特現象。球面鏡有則面鏡和凸面鏡兩種。
認識凹面鏡的聚焦特性，利用凹面鏡向日取火，在我國有悠久的歷史。在古代，我國把凹面鏡叫做「陽燧」，意思就是利用太陽光來取火的工具，這是太陽能的最初利用。早在公元前五世紀，墨翟和他的學生就對凹面鏡進行了深入研究，並且把他們的研究成果，記載在《墨經》一書中。他們通過實驗現，當物體放在球心之內時，得到的是正立的像，距球心近的像大，距球心遠的像小。當物體在球心之外時，那得到的是倒立的像，距球心近的像大，距球心遠的像小。當物體在球心處時，那像在物處，和物大小相等，方向相反。（「景，一小而易，一大而正：說在中之外、年。」「中之內，鑒者近中，則所鑒大，景亦大，遠中，則所鑒小，景亦小：而必正。」「中之外，鑒者近中，則所鑒大，景亦大，遠中，則所鑒小，景亦小：而必易。」）當時墨家已經明確地區分焦點和球心，把焦點稱作「中燧」。
墨家對凸面鏡也進行了研究，認識到物體不管是在凸面鏡的什麼地方，都只有一個正立的像。（「鑒團景一」，「鑒團，就是凸面鏡。）像在鏡面的另一側，就是虛像，並且總是比原物體小，只是距中心近的像顯得大，距中心遠的像顯得小。（「鑒者近，則所鑒大，景亦大；其遠，則所鑒小，景亦小。」）
我國古代制鏡的手工工人在鏡子生產中熟練地利用了凸鏡的成像特性。宋代沈括在《夢溪筆談》卷三申總結古代鑄鏡的技術說：如果鏡大，就把鏡面做成平面；如果鏡小，就把鏡面做成微凸，這樣鏡面雖然小，也能照全人的臉。（「古人鑄鑒，鑒大則平，鑒小則凹。凡鑒窪則照人面大，凹則照人面小。小鑒不能全視人面，故令微凸，收人面令小，則鑒雖小而能全納人面。」）現在汽車上的反光凸鏡、拐彎路口所立的凸鏡，也是利用這個原理。
沈括還在前人研究的基礎上，正確地表述了凹鏡成像的原理。他在《夢溪筆談》卷三中指出：用手指放在凹面鏡前成像，隨著手指和鏡面的距離遠近移動，像就生變化。沈括用這個事例說明了凹面鏡成像和焦點的關係。當手指迫近鏡面的時候，得到的是正立的像；漸遠就看不見像，這就是因為手指在焦點處不成像；過了焦點，像就變成倒像。他指出四鏡「聚光為一點」，他把這點叫做「礙」，就是近代光學上所謂焦點。他並且用窗隙（小孔成像）、搖櫓的小支柱、腰鼓的最細處來比擬，生動又形象他說明了凹面鏡產生倒像的道理。（「陽隧照物皆倒，中間有礙故也。」「如人搖櫓，桌為之礙故也。」「又如窗隙中樓塔之影，中心為窗所束，亦皆倒垂，與陽燧一也。」「陽隧面窪，以一指迫而照之則正，漸遠則無所見，過此遂倒。其無所見處，正如窗隙、櫓臬、腰鼓礙之，本末相格。」）
現在我們知道，平行光徑凹面鏡反射後聚焦於焦點，它的成像有如下幾種情況：當物體處在球心以外時，那得到的是倒立的實像，像小於物體；當物體在球心處時，像和物在同一位置，大小相等，方向相反；當物體在球心和焦點之間時，像是比物體大的倒立實像；當物體在焦點處時，由於通過焦點的光經球面鏡反射以後成平行光，就不成像；當物體在焦點之內時，得到的是虛像，像比物體大。凸面鏡卻不能成實像，不論物體在鏡前什麼地方，都是正立的虛像，像總比物體小。
光從空氣中進入透明的物質，會生折射現象，這個事實人們很早就已經現了。例如，我們把筷子斜插到水中，就會看到筷子好像折斷似的，就是由於光的折射的緣故。由於我國古代沒有應用玻璃，對於透鏡的知識比較差。但是具有聰明才智的我國古代人民，通過特殊的方法，還是認識到凸透鏡的聚焦現象。一千多年前晉代的張華著的《博物誌》一書中說：「削冰命圓，舉以向日，以艾承其影，則得火。」這可以說是巧奪天工的明創造。冰見到了熱會融化，但是古人把它製成凸透鏡，利用聚焦，來取得火。這看起來是不可思議的，但是事實上是可能的。從這裡可以看出當時對凸透鏡的聚焦已經有充分的認識，而這認識的得來是要經過多次反覆實驗，付出很大代價的。
彩虹，長期以來人們寫下了大量優雅的詩句來讚美它。對於彩虹的成因，我國古代也早有所探討。大約一千五百年前，唐初的孔穎達（574—648）就提出了「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生」。這段描述是很深刻的，這說明了虹產生的條件是薄雲、日照和雨滴，表明了虹是日光照射雨滴所產生的自然現像。八世紀中葉，張志和（約73o—約81o）還進行了人工造虹的試驗。他背向太陽噴出小水珠，就觀察到了類似虹霓的情景，這就證實了虹的產生是陽光通過水滴的結果。他並且指出，要看到虹必須「背日」，如果面對太陽就看不到。沈括在去我國北方契丹的途中，親自實地考察了虹，也說明了對著太陽看不到虹，只有背向太陽才能觀察到彩虹。沈括在《夢溪筆談》卷二十一中記這件事的時候，還引述了當時精於歷數的孫彥先的話：「虹乃雨中日影也，日照雨則有之，」來解釋虹的成因。南朱的朱高在前人的經驗基礎上，也提出過「虹非能止雨也，而雨氣至是已薄，亦是日色散射雨氣」的話，說虹往往出現在雨過初晴的時候，並不是虹能止雨，而是這時雨氣已經很薄，日光散射雨氣的結果。孫彥先、沈括、朱熹等用「雨中日影」、「日色散射雨氣」等來解釋虹的成因，就成虹的具體過程來說，是不精確甚至是錯誤的，因為現在知道是日光在雨滴中經過兩次折射和一次（或二次）全反射產生色散的結果，但是在當時條件下，能對虹的成因提出這樣的解釋，是有可取之處的。
宋代的時候，人們經過長期的觀察，還明瞭早晨和傍晚的紅霞是由於太陽斜照的結果。當時有人用「斜日明霞，殘虹分雨」的詩句，生動而精煉地描述產生明霞和彩虹的天空環境條件。
在認識水滴能產生五顏六色的彩虹的同時，我國至遲在公元十世紀，就現了天然的透明晶體經日光照射以後也會出現五色光，因而把這種天然透明晶體叫做「五光石」或「放光石」。後來人們認識到透明晶體是六稜形的，「就日照之，成五色如虹霓」。把日光照射透明晶體產生的色散現象和虹霓現象聯繫起來，這在今天看來也是正確的。
這些關於日光通過水滴和晶體會產生色散現象的論述，雖然還很原始和粗糙，但是在人類認識光的性質的歷史過程中是有重要意義的。它表明人們已經對光的色散現象從神秘中解放出來，知道它只是一種自然現象。這是對光的認識的一大進步。到了十六世紀中葉，牛頓通過三稜鏡把日光分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光，說明了白光是由這七色光復合而成的。後來人們又瞭解到，光在通過透明物質的時候，由於各色光的波長不同，折射率也不一樣，紅光折射率最小，依次遞增，紫光折射率最大，因此出現七色的光譜，終於解開了虹和五光石之謎。
隨著近代和現代科學的展，人們對光的認識早已遠遠出了幾何光學的範圍。現在人們已經知道了可見光是波長從四百到七百七十納米（一納米等於十億分之一米）之間的電磁波，在它兩端還有看不到的紫外線和紅外線，再向外擴展就是各種射線和無線電波。對光的本質的認識已經深入到原子的內部結構，已經知道光是由於原子內部運動變化產生的，並且對光的各種特性已經有深刻的瞭解，如波粒二重性、偏振等。在對光的本質認識深化的同時，人們製造了各種各樣的工具來利用光的特性。目前光學已經在工農業生產、國防建設和科學研究中廣泛應用，近幾年來激光技術的明展現了光的應用的廣闊前景。人類的認識是沒有止境的，對光的認識和應用將會不斷展，開拓更廣闊的前途。