光学发展简史的萌芽时期
1.对光的线性传播的认识早在春秋战国时期，莫箐就已经记载了针孔成像的实验:“景物，有光的人，若发光，下面的人也高；最高的人也下去，脚遮住了光，所以风景在上面，第一个盖擦亮了，所以风景在下面……”。指出小孔倒影的根本原因是光的“射若暖”，用“射”来描述光的直行、箭一般飞等特性。宋代沈括描述了他在孟茜碧潭做的一个实验。他在纸窗上打了一个小洞，让窗外放风筝和塔的影子在室内的纸幕上成像。他发现:“如果风筝在空中飞行，它的影子随着风筝移动，或者中间被窗户绑住，影子与风筝相反，风筝是东的，而风筝是东的，就像窗户缝隙里的建筑。”进而用物体的运动图像解释了因为光线“被窗户束缚”而形成倒像。
2.对视觉和色彩的认识视觉在墨家的著作中已有记载:《用火看》。人们已经清楚地知道，人眼依靠光来看东西。后来的《吕氏春秋·庶人》明确指出:“目亦借赵。”《礼记·仲尼衍举》中也有记载:“比如你要一件东西，整夜在一个僻静的房间里，如果不是蜡烛，你能看见什么？”东汉《论隐夫》进一步明确指出:“夫目不能有光，必因日月之火。”以上记载都明确指出，人眼看东西的条件必须是光照。特别值得注意的是，光不是来自眼睛，而是来自太阳、月亮、火焰等光源。这种对视觉的理解是简单的，清晰的，深刻的。
中国古代对色彩的问题很少从科学的角度进行探讨，而是侧重于文化礼仪和应用。早在石器时代，彩陶就有了多种颜色的工艺品。《诗经》中有几十种不同颜色的记载。在周代，颜色分为正色和中间色两大类，其中正色是指青、红、黄、白、黑五种颜色。“中间色”是不同“正色”以不同比例混合而成。战国时《孙子兵法·势篇》甚至指出:“色不逾五，五色之变不可败。”可以看出，这种“正色”和“中间色”的理论与现代光学中的“三原色”理论非常相似，但缺乏实验依据。清初，伯明提出了“五色相通”的理论，五色之间是对立互补的。如白与黑、朱与绿、与蓝，是天地之间的天生一对。深则深，浅则浅。杂间，色生”(《西寨我有三种》)。最初的补色概念就是在这里诞生的。虽然没有形成一定的色彩理论，但从半经验半思辨的角度来看，确实很有价值。
3.光的反射和镜子的利用在中国古代，由于金属冶炼技术的发展，公元前2000年初夏的齐家文化时期就出现了铜镜。后来随着技术的发展，古镜的制作技术逐渐完善，应用范围逐渐扩大，种类也逐渐增多。出现了各种平面镜、凹面镜、凸面镜，甚至国外还制造了一种被称为魔镜的“透光镜”。1956至1957，河南单县上村岭1052号郭国墓出土了一件春秋早期的阳燧(凹面镜)。它的直径为7.5厘米，凹面银白色，抛光，背部中央有一个高鼻钮用于携带，周围有老虎和鸟的图案。镜子的使用为研究光的反射创造了良好的条件，使中国对光的反射现象和成像规律有了早期的认识。这方面的记载也很多。关于平面镜的反射成像，《莫箐》书中有记载:“风景迎日，说其转”。它表明肖像被投在面向太阳的一侧，因为阳光通过镜子反射并改变方向。这是对光反射现象的客观描述。至于平面镜的组合成像，《庄子·天下篇》中有记载:“能取其影，而能取其影，重影无穷。”。它生动地描述了光线在两个镜子之间来回反射，形成许多图像的场景。《淮南万笔书》记载:“取一面大镜子高挂，下置一盆，便见左邻右舍。”其原理与现代潜望镜非常相似。成像凸面镜定律在莫箐的书里有描述:“从群学，从景学，是大刑”。俗语中进一步解释:“近镜者，镜大，景大，远镜者，景小，方正。”说明凸面镜只是一个像，物体组合体是一个缩小的、正的像，并详细描述了凸面镜的成像规律。关于凹面镜，《墨经》记载:“若看一洼，景小而易，大者正，谓之外而内”。这表明凹面镜有一个“中心”(在焦点和球的中心之间)是公认的。“中间”之外的东西得到的是比物体小的倒像，“中间”之内的东西得到的是比物体大的正像。这个观察细致透彻。《淮南子·天文训》记载:“阳岁见日必烧成火。”这说明在中国古代，就已经认识到凹面镜对光有会聚作用。《孟茜碧潭》中也有记载:“杨香，脸沉郁，一指相照是对的，再远就什么也看不见了。之后，你就会倒下。”本文不仅阐述了凹面镜成像的规律，而且提出了一种测量凹面镜焦距的粗略方法，并发现正像和倒像之间有一个分界点。《孟茜碧潭》也说:“杨香的脸是空心的，在阳光照射下，光线会向内聚集，离镜子一两寸，光线会聚集成一点，大如麻，碰到什么东西就会生气，所以腰鼓最细。”作者(沈括)把焦点描写得像芝麻、豆子那么小，称之为“阻碍”，用“腰鼓最细的地方”来形容光束的汇聚，非常贴切。
4.对大气光学现象的探讨是中国古代光学最有成效的领域之一。早在周朝，由于占卜的需要，就已经建立了官方的观测机构。虽然他们的工作披上了一层神秘的色彩，但对光晕、彩虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测和记录，在世界范围内都是罕见的。李周有“十大冰雹”的记载，指的是十种大气光学现象，包括霾和彩虹。到了唐代，我们对它有了更详细、更深入的了解。《晋书·田文志》中明确指出:“太阳周围有空气，呈圆形，内红外绿，故称日晕。”在这里，光晕不仅被定义，还根据其形状被命名为各种形象，如太阳上被称为“冕”的短晕弧；太阳左右两侧向内的晕弧称为“拥抱”等等。此外，《舒威天香志》中也记载了光晕。此外，宋代以后的许多地方志也记载了大气光图像，也有关于大气光图像的专著和地图，其中《图说风景灾异遗迹》流传至今。殷商时期，出现了关于彩虹的象形文字，许多书籍记载了彩虹的形状、季节和方位。如《礼记·月令》指出“季春月……虹初见”“孟冬月……虹消”。东汉蔡邕(132 ~ 192)在《唐明岳翎》中写道:“虹是蓝红色的，白天常见于日光下，视于云间。看不见云彩，也看不见太阳。看太阳需要做什么，速率是从西到东...？虽然这些记录是肤浅的和经验性的，但它们是关于彩虹的确凿记录。魏晋以后，虹的本质及其成因逐渐被讨论。南朝江淹说他“被迫观虹”，断定是因为“雨天阴阳”而形成的。唐初认识到彩虹的成因，明确指出“阳光”和“雨滴”是彩虹形成的条件。后来张在《玄真子·陶精神》中明确指出:“水喷于太阳背面，成彩虹状”。首次用实验方法获得了人工彩虹。到了南宋，蔡在《名物解》中更是将这种虹发展得淋漓尽致:“今若以水喷日，从侧面看去，隐隐成虹。“它不仅重复了《玄真乐》中的实验方法，而且进一步指出了观察者的位置。国外对彩虹成因的解释是在13世纪，所以我们对彩虹成因的正确描述要比西方早600年左右。
海市蜃楼在中国古代早有记载，如《史记·天官本纪》中的“海市蜃楼”。《汉书》:“塔在海边令人窒息”。金淑田文志:“凡海边有气象塔者，野之风气成宫，北夷之风气如牛羊成群，南夷之风气如船旗。”这是对海市蜃楼的真实描述，但当时并不了解它的成因和机理。直到宋代，苏轼才对此有了较为正确的认识。他在《登州海城》中说:“东方云海空，山在月色中，摇曳入万象，无北阙隐珠宫。”这里明确说明了海市蜃楼是海市蜃楼，气不能成宫的想法。明清时期，陈婷、方以智等人对海市蜃楼作了进一步的探讨，陈婷认为海市蜃楼的成因是:“太阳和大气阴燃，偶有变化”。方以智认为“海城可能以为它令人窒息，其实不然”。张耀星认为蓬莱岛上的海市蜃楼是附近的庙岛群岛形成的海市蜃楼。后来，宣洁和娱乐公司画了一幅“山城海城的楼阁”图，如图2所示，左边是楼阁的倒影，右边是楼阁的倒影。文章记载了登州(即彭蔡)的海城，并说:“我曾见海城有塔，外植一管，是我府东关所植。因为语言以湿气为阳蒸水，纵则反，横则映，气满则隐，气渐则化。在山里，是山城，在海里，就不对了。”这种“映灵”的理论，是当时海市蜃楼知识的珍贵总结。极光是一种快速变化和丰富多彩的大气光图像。中国位于北半球，所以只能观测到北极光。早在2000多年前，中国就观察和记录了北极光的人。《竹书纪年》中记载:“周昭王末年，夜明，五色辉煌。那一年，王楠巡演不归。”这篇文章虽然如实地记录了北极光的时间、方位和颜色，但把王南巡(死于江中)联系起来，说明他当时对北极光的认识并不正确。许多书籍对北极光的形状和颜色都有详细的描述，并绘制了丰富多彩的极光图，是研究北极光的绝佳史料。
5.对日常生活中阴影形成现象的认识，在光线的照射下，随时随地都可以看到阴影，引起人们的注意，探索其形成的规律。立竿见影是中国古代最早注意到的问题。后来，这种方法被用于测量阴影的方向，并被应用于确定坟墓和建筑物的方向。这种方法在周朝已经发展得非常精确了。据《考公基》记载，当时“方土”用标准表，“典瑞”管土表，“工匠”用土表为建筑确定方位。有人指出，在测量桌子的影子之前，地面应保持水平，桌杆应保持垂直，这表明当时认识到投影长度与光源的位置有关，也与物体的倾斜度有关。《莫箐》中关于阴影形成的讨论更为深入。通过实验明确指出，投射在地面上的面梗厚度是随木材与光源的距离、木材的倾斜度和光源的大小而变化的规律。
除了以上，中国古代对光的认识还有其他方面，比如折射；天然晶体的分散；明清时期，光学从西方传入后，还有光学仪器的制造等。但这些认识是零散的、定性的，大多只停留在对光学现象的描述和记录上。值得一提的是，赵有勤(公元13世纪中叶至公元14世纪初)在《格相新书》中描述了一个大规模的光学实验。在地下挖两个圆形井，圆形井上可以放一个圆形的板盖，板上有大小不同、形状各异的孔。通过它可以只进行一种不同条件的对比实验，研究针孔(大小和形状)、光源(形状和强度)、像(形状和亮度)、物距和像距之间的关系。1000多支蜡烛插在两个圆板上，放在井底或桌面上作为实验的光源。通过实验，确认了光沿直线传播的性质，定性展示了图像亮度与光源强度的关系，这涉及到光的照明和成像理论。他采用的大规模实验方法很有特色，是中国历史上有记载的最大规模的实验。另外值得一提的是，元代郭守敬(1231 ~ 1316)巧妙地利用针孔摄像机[“景(影)符”]解决了传统标准表读数不准的问题。一般来说，标准的读数是模糊的，因为太阳上下边缘的投影在阴影端产生了半影。正如《元史》卷四十八所说:“表短，所谓分、秒、太少、半数，末易辨...桌长，影空，难得有真影。”郭守敬在河南登封修建观星台时，用横沟保持圭面水平，并在台上加了一根横梁，在圭上加了一个可移动的“景观符号”，即约2寸宽、倾斜的铜时，扎上一个针孔，用“斜杆”调整其倾斜度，以迎水晶灯。这样，太阳的针孔像细如发丝，误差可达0.1 mm，拉普拉斯对郭守敬观测结果的准确性惊叹不已。郭守敬的改进是通过实测和反复实验创造出来的，具有量化意义。可惜这种创作很少，很少有人继承。
西方光学的萌芽和发展
自翟墨以来的2000多年的漫长岁月形成了光学发展的萌芽期，这一时期光学发展相对缓慢。罗马帝国的灭亡(公元475年)通常标志着黑暗时代的开始。之后很长一段时间欧洲的科学发展缓慢，光学也是如此。除了对光的直线传播、反射和折射的观察和实验外，在生产和社会需要的驱动下，在光的反射和透镜的应用方面也取得了一些成果。Clemomedes和Ptolemy (C. Ptolemy，90-168)研究了光的折射现象，首先测量了光通过两种介质的无年龄入射角和折射角。罗马哲学家塞内卡(3-65)指出，装满水的玻璃泡具有强大的功能。从阿拉伯巴士拉来到埃及的学者阿尔-哈德利(Al-Hadley，965-1038)反对欧几里得和托勒密关于眼镜只有在发光时才能看见物体的理论，认为光来自被观察的物体，是以球体的形式从光源发出的。反射和入射光线共面，入射平面垂直于界面。他研究了球面镜和抛物面镜，详细描述了人眼的结构。她首先发明了凸透镜，并对凸透镜进行了实验研究，得到的结果接近现代关于凸透镜的理论。培根(R. Bacon，1214-1294)提出了用透镜矫正视力和用透镜组构成望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。阿玛提发明了眼镜。波特(G.B.D.Porta，1535-1615)研究了成像暗箱，在1589的论文《自然的魔力》中讨论了复合镜和凸透镜与凸透镜组的组合。综上所述，到15年底，16年初，凹面镜、凸面镜、眼镜、镜片、黑匣子、幻灯等光学元件相继出现。