光学，在中国古代被公认为发展得比较好的学科之一。战国初期墨翟、汉淮南王刘安及其门客、西晋张华、南唐谭峭、宋代沈括、元代赵友钦、明代方以智以及清初郑复光、邹伯奇等等，都在光学上做出了自己的成就。各类反射镜、组合平面镜、各种形状透镜和复合透镜的成像知识格外丰富。惟一不足的是，定量的光反射定律和折射知识比较薄弱。
（一）光源与镜
光源、镜和屏是几何光学实验必备的三器件。除了屏可以随时随地取材之外，光源和镜的进步反映了光学的进步。在光源中，除热光源外，对各种冷光的发现和应用亦是光学知识的进展之一。
一、热光源
太阳光是人类最重要的自然光源，也是古代人进行光学实验或光学表演的重要光源之一。人类生活离不开太阳，远古人已产生太阳崇拜的观念。在公元前6000年的河退缩不前渡遗址中，太阳被刻画在陶器、玉器和象牙上。在郑州大河村溃址女泣口文化诸地都发现有太阳纹饰的器物。在人类观念中日与月是明亮的象征。“明”字是由它们二者构成的。《易·系辞》说：“悬象著明，莫大乎日月。”
从光学意义上利用太阳光也是很早的事。且不说原始社会时期人们面水寻影的情形，至少在青铜时代铸造青铜平面镜开始，人们就已经意识到阳光的反射了。西周初期，阳燧的铸造与利用，是人类利用阳光点火的伟大发明之一。当太阳刚升起之时，从地平线射进屋宇的一缕阳光可以看作是平行光。据《韩非子·外储说左上》载，战国时期某画家在一片豆荚内膜上作精细图画，然后“筑卜板之墙，凿八尺(分)之牖，而以日出之时加之其上而观”。可见，古代人掌握了利用日光进行光学实验的方法。
在19世纪电灯的发明和利用之前，一切人造光源实质上几乎都是一把火。火的创造与利用对于人类文明史具有革命性的意义。距今八九十万年的陕西蓝田人，距今约五六十万年的云南元谋人和周口店北京猿人，都学会用火和保存火。先民使用火，既御寒避兽，也烧煮食物，还制造陶器，当然，最重要的是照明。在这种意义上，人类的第一堆篝火就是第一个人造光源。
天然的油松木条可能是最古老的灯源。据考古报道，六盘山余脉有几处新石器时代的窑洞。其中之一，洞壁上有50多处火苗状烧土。经模拟实验，证明这些烧土就是古人用灯的遗迹。其灯具很可能就是油松木条。在一个窑洞内同时点燃50多支油松灯，其明亮与壮观程度当可想见。甲骨文中“光”字的造型“从火．在人上”，是人高举火炬之意。可见，“光”字与早期火焰光源是一致的。西周时期，像松枝一类火炬称为“庭燎”，或“贲烛”。它们分别以松、苇、竹或麻秆等材料作芯，外束以纤维，更有甚者，再浸于油脂或在其内灌蜜蜡。这种灯烛已类似后来的蜡烛，墨家的光学实验与此灯源有关，也未司知。
真正的蜡烛起源于汉代。那时称其为“膏烛”、“蜜烛”。《淮南子·原道训》说：“膏烛之类”，“火愈燃而消愈极”；《西京杂记》说：“闽越王献高帝石蜜五斗，蜜烛二百枚。”1983年广州象岗西汉南越王墓出土几件铜烛台，上有直筒状插座。蜡烛的产生与灯具的问世正相吻合。自魏晋起，蜡烛逐渐普及。唐代产生了许多吟咏蜡烛的诗作，温庭筠的“玉炉香、红蜡泪”，李商隐的“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”等，都是传世佳句。向宫廷进贡蜡烛也是地方政府的常事。这些蜡烛大多是植物蜡、虫蜡、蜜蜡。宋代开始使用矿物蜡，称该蜡烛为“石烛”，也就是从石油中提取的蜡制成之烛。陆游曾记述道：
宋白“石烛诗”云：“但喜明如烛，何嫌色似黳。”烛出延安。予在南郑数见之，其坚如石，席极明。亦有泪如蜡，而烟浓，能薰污帷幕衣服，故西人亦不贵之。
宋白(1936—1012)，字太素，大名(今属河北)人。“西人”或指波斯、阿拉伯商人。玉门出石油，含蜡成分高，自然渗透而沉淀黑蜡，为当地人粗制烛所用。这种蜡烛燃烧时会产生浓烟，但光亮如他烛。陆游的记述，透露东西方关于蜡烛传播的事实：蜡烛是从中国通过阿拉伯商人而传到西方的。虽然当时“西人”不太看重“石烛”，但它也有可能和其他质料的蜡烛一起传到西方。此前，西方人所用的烛如同先秦火炬，直到10至11世纪期间，他们才有蜡烛。
中国古代灯具种类繁多。至晚从战国起，灯具日益发展、精巧和艺术。令我们感兴趣的是，西汉长安巧工丁缓发明“常满灯”，据说，它能自动添油。在河北满城二号汉墓发掘的西汉“长信宫灯”，具有可装卸的活动灯座、灯盘和灯罩。灯盘可以转动，灯罩可以开合，从而可随意调节灯光的照射角度和方向。
古代人以灯光捕鱼是常见的事。以灯烛做光学实验的记载也屡见不鲜。汉代方士齐少翁为解除武帝思念已故李夫人之忧，“夜张灯烛，设帷帐”，以影戏形式重现李夫人容貌。元初赵友钦做小孔成像光学实验，其光源是上千支蜡烛。
光源在古代还有两种在物理学史上有意义的应用：一是古代人发明的烽燧，一是舞台灯光。
烽燧是古代边疆戍兵报警使用的信号，它利用燃烧物的发光和不完全燃烧物的烟雾作为通信手段。通常称其为“白日放烟、夜放火”。友军见烽燧烟火，即赶赴救援。西周时期，烽燧已在战争中使用。《史记·周本纪》载，周幽王(前781—前770年在位)为讨其爱妾褒姒一笑，虽无寇至而举烽火。其后，真寇至，而诸侯不信，遂成祸害。烽燧通信方式，可以说是古代人发明并在历史上袭用了几千年的无光缆发光通信。
将前述各种灯烛，或者发明一些更适宜的灯具，将它们应用到舞台艺术上以为舞台增光添彩，这是光源的应用方面之一，也是人类文化生活的追求。
据明代张岱(1597—1689)《陶庵梦忆》记载，明代演出《唐明皇游月宫》的舞台灯光真令人惊叹。他写道：
场上一时黑魃(XU)地暗，手起剑落。霹雳一声，黑幔忽攸，露出一月，其圆如规。四下以羊毛染五色云气，中坐常仪(娥)，桂树吴刚，白兔捣药，轻纱幔之，内燃赛月明数株，火焰青藜，色如初曙，撒布成梁。遂摄月窟，境界神奇，忘其为戏也。其他如舞灯，十数人手携一灯，忽隐忽现，怪幻百出。匪夷所思。
令唐明皇见之，亦必目睁口开，谓氍(qu)毹(shu)场中，那得如许光怪耶？
这里记述的舞台布景与灯光，在电灯发明之前是相当高超的水平。可惜，未详述其中的灯具、灯源和艺术装饰等问题。如明月、“羊毛染五色云气”都要有灯光衬托出艺术效果；“赛月明”这种可燃火焰的名称，也不知为何种光源。
郑复光曾言及演剧用的“地灯镜”。他说：
地灯镜即含光凹也。旧法：锡为烛台，高三尺余，后作凹形镜各四只，或六只、八只。演剧用之，亦颇助光。间有铜者，当较胜锡。
所谓“旧法”，或许表明，元明时期舞台演戏曾用这种“地灯镜”。郑复光还写道：“活安烛后，使(镜)可斜迪向下，则下烛如日，故当佳耳”；“于黑暗室中以烛细微，置之灯旁，可以显大灯光于帷幕之中”。实际上，地灯镜即凹面反光镜，而中国人制造凹面镜已有几千年的历史了。在凹面镜中心点烛光或灯光反射至舞台，帷幕光亮非常。凹面反光镜用于舞台上，起于何时，在明代张岱之前的历史记载尚待发掘。
二、冷光
冷光或称低温发光，其发光物质在发射可见光时温度并不升高。例如磷光、荧光。磷光是磷光物质在空气中氧化时的发光；磷化氢(P2H2)的自燃发光，俗称鬼火。人畜尸体腐烂后，其中的生物蛋白分解出磷化氢。荧光，一种是荧光物质(例如硫化锌)受辐射激发后的发光；一种称为萤光，它是活的生物有机体(例如萤火虫)发出的光。它们身上具有发光器，当其呼吸时使发光器上称为“荧光素”的发光物质氧化所致。许多微生物或菌类的发光也是这种萤光，不过，它们需附着在腐烂潮湿的植物或动物身上才能生存。某些化学物质或化学反应也发出荧光，如炮制中药秦皮液时，秦皮所含的秦皮甲素(aesculin，乳蓝色)等多种香豆精类化学物质，都能发出各自颜色的荧光。而秦皮水浸液又发出紫色、浅黄色等荧光，它是秦皮内多种化学物质共同作用的结果，可称它为化学发光。海洋和池沼湖泊发出的荧光是由水生生物(如夜光虫、放射虫、甲藻等)发出的。还有摩擦物体的静电发光，也是冷光。后者我们留待电学中讨论。
古代人发现了各种冷光现象，并将它们称为“火”，“火异”或“异事”，“阴火”。他们不可能有现代的分类，而是在这些名称下往往将它们集中在一起记述之。
(1)磷光
磷光的最早记载见之于汉代《淮南子·汜论训》：“老槐生火，久血为磷，人弗怪也。”东汉高诱在注中写道：“血精在地，暴露百日则为磷，遥望炯炯若燃火也。”东汉王充在《论衡·论死篇》中也说：“人之兵死也，世言其血为磷”，“磷，死人之血也”。晋代张华《博物志》作了更细致的描述：
战斗死亡之处，其人马血积千年化为磷。磷著地及草木如露，略不可见。行人或有触者，著人体便有光，拂拭便分散无数，愈甚有细咤声如炒豆，唯静住良久乃灭。
人或动物的尸骨、脑髓和血液腐烂后分离出磷元素。因此，埋葬死人、死马之处年久后有磷光出现。张华的看法基本上是正确的，而且它还影响了宋僧赞宁、文莹等人。后来，人们索性将野外磷光称之为“鬼火”、“鬼磷”。
本草药物学家李时珍将石油火光、江湖河海中微生物发光和磷光并称为“阴火”，而将钻木、击石、戛金三种热运动生的火，称为“阳火”。大概他是出于医家以阴阳辨证论治的传统而区分它们的。
宋代沈括曾记述一种磷光现象，它可能是液态磷化氢的发光。沈括写道：
卢中甫家吴中，尝未明而起，墙柱之下有光熠然，就视之似水而动，急以油纸扇挹之，其物在扇中混样，正如水银，而光艳烂然。以火烛之，则了无一物。又魏国大主家亦尝见此物，李团练评尝言：“予与中甫所见无少异。”不知何异也？
沈括的记述极为类似一则关于磷光的观察报道，真实可信。
此外，唐代刘恂记述了一种发磷光的鱼。宋代何蘧记述了发磷光的蛇蜕、蝉蜕，宋代俞琰记述了发磷光的虾壳，等等，不一一例举。
(2)萤和荧光
萤，即萤火虫，古称“萤火”。典籍所载名称不下6种之多。《诗经·豳风·东山》对萤火作了最早记载：“熠熠宵行。”《礼记·月令·季夏之月》对萤火成因作了推测：“腐草为萤。’这是根据萤的生活习性——昼伏草丛夜流飞而推断的。此后，“腐草皆有光”、“腐草生萤”之说成为古代人的定论。
沈括曾记述了鸭蛋腐烂而发荧光的现象：
予昔年在海州曾夜煮鸭卵。其间一卵，烂然通明如玉，荧荧然屋中尽明。置之器中十余日，臭腐几尽，愈明不已。苏州钱僧孺家煮一鸭卵，亦如是。物有相似者，必自是一类。
鸭卵腐烂后发光与荧光机理同。只是其中的三磷酸腺苷能使氧化了的荧光素还原，从而再次氧化而又发光。因此，十余日之后，“臭腐几尽，愈明不已”。
一些枯朽潮湿的竹、木及叶亦能发光。《宋书·五行志》和宋代俞琰《席上腐淡》等均有记载。俞琰说：某人夜见湿木松皮有光，拾满一布袋，拟回家送友人，数日后却干而无光。
关于江海池沼中荧光现象，在历史典籍中也屡见不鲜。《晋书·五行志》载穆帝升平三年(359年)，“凉州城东池中有火”；次年“姑臧泽水中也有火”。海洋发光，又海浪涛涛，其惊险之情更使古代航海者惊惧不已。宋代庞元英《文昌杂录》载：
鸿胪陈大卿言，昔使高丽，行大海中，水深碧色……夜见海中如火龙无数，不知涯际。甚可怖也。
徐兢在北宋末出使高丽途中有同样的经历。当他过“黑山洋”时，“遇夜，则波间熠熠，其明如火”。宋元以来，往来于吕宋(今菲律宾群岛)的船客都知道，“夜以淡水茶泼海，则见火起。小西洋一处，海火夜盛，持器汲起，满器皆火光，滴人掌中，光亦莹然可玩”。直到1830年，近代科学家才对此作出海洋微生物发光的解释。
炮制中药秦皮，是化学物质及化学反应发荧光。其最早记载见之于《淮南子·俶真训》：“夫梣木色翳。”高诱注日：“梣木，苦枥木名也，生于山，剥取其皮，以水浸之，正青。用洗眼，愈人目中肤翳。”所谓“档木”即今秦木。其皮泡浸水中呈“青”色，正是其内各种秦皮素发出的荧光。
自此之后，关于秦皮浸出液的荧光现象在本草著作中屡有记载。唐代苏恭以其是否有荧光作为判别真伪的标准，他说：
取皮渍水便碧色，书纸看之皆青色者是真。
这也是世界上有关荧光分析的最早利用和记载。
此外，有些玉含荧光现象。中国人最早发现宝石或玉的荧光，并据此辨别璞中是否含玉。李时珍在《本草纲目》中引《别宝经》书语写道：
凡石韫玉，但将石映灯看之，内有红光，明如初出日．便知有玉也。
《别宝经》一书似已佚。它的成书时间当在李时珍生活的年代或之前。古代的本草与炼丹家常以宝石荧光从璞中辨玉，其发现当比《别宝经》的记载早得多。
宋代朱彧或述及蕃人所带宝石中，“最上者号猫儿眼睛，乃玉石也。光焰动灼，正如活着”。元初陶宗仪在讲述“回回玉石”时，在“猫睛”下特别注出“中含活光一缕”。而宋代杜绾还发现石绿“向明视之，颇光灿闪色”。可见，至晚从宋代起，人们已知玉石的荧光现象。
最后要特别指出，古代人虽然将磷光，荧光等各种冷光现象列为“火”、“异火”，但他们完全认识到它与普通火(热光源的光)有着根本不同。沈括在《清夜录》中说它们“有火之用，无火之热”；俞琰说“燐火，俗谓之鬼火，兵死及牛马之血日燐。萤火也日燐。其明皆如火，而非火也”；陆容说它们“夜有火光，但不发焰”。这些说法，充分表明了冷光与热光的区别。尤有意思的是，梁元帝萧绎的《咏萤诗》将萤光的物理性质都描述到了。他写道：
著人疑不热，集草讶无烟，到来灯下暗，翻住雨中燃。
萤光“不热”、“无烟”、在热光源下无亮光(“灯下暗”)、在黑夜雨中却可发光(“雨中燃”)。萧绎的诗是世界上最早、最全面对萤光物理性质的总结。
三、冷光的应用
冷光中萤虫，早在汉代已被用于夜间灯烛。取萤火众多，外裹以皮膜，称为“萤囊”，作夜间照明之用。
取荧光物质作画，这是古代中国人的发明。宋僧文莹在《湘山野录》卷下记述了这样一件事：江南人徐知谔好畜古玩，一次买得一轴画牛图，画中牛“昼则啮草栏外，夜则归卧栏中”。徐知谔将此画展示于众人，无人识其理。惟僧赞宁说：
南倭海水或减，则滩碛微露，倭人拾方诸、蚌胎，中有余泪数滴者，得之和色著物，则昼隐而夜显。沃焦山时或风挠飘击，忽有石落海岸，得之，滴水磨色染物，则昼显而夜晦。
“方诸”即大蛤，“蚌胎”即珍珠。其中的“余泪数滴”很可能含有液态磷光物质，用它调色作画，则可夜显。沃焦山上之“石”，有可能是“石墨”，即石炭之类。用墨画牛在栏外吃草，再在同一画面用磷光物质画牛卧栏内，这就产生了昼夜不同的效果。在中国绘画史上，此后类似图画屡有出现。当这种画拽被人们普遍知晓后，便有人作“野人腾壁、美女下墙”一类的“术画”。