Оптика почалася з виготовлення лінз стародавніми єгиптянами та месопотамцями, потім з'явились теорії світла та зору, розроблені давньогрецькими філософами, та продовжився розвиток геометричної оптики у . Слово оптика походить від грецького що означає «вигляд, погляд». Оптика була значно розширена завдяки розвитку в середньовічному ісламському світі, таких напрямків як початок фізичної та фізіологічної оптики, а потім значно просунулася в , де було започатковано дифракційну оптику. Ці ранні дослідження з оптики зараз відомі як «класична оптика». Термін «сучасна оптика» стосується галузей оптичних досліджень, які значною мірою розвинулися в XX столітті, таких як хвильова оптика та квантова оптика.
Рання історія
У стародавній Індії філософські школи Самкх'я та Вайшешика, приблизно з VI—V століття до н. е., розробляли теорії світла. Згідно з теорією школи Самкх'я, світло є одним із п'яти основних «найтонших» елементів (танматра), з яких виходять грубі елементи.
Навпаки, школа Вайшешика пропонує атомну теорію фізичного світу на неатомному ґрунті ефіру, простору та часу. (Див. Індійський атомізм) Основними атомами є земля (пртіві), вода (апас), вогонь (теяс) та повітря (ваю), що не слід плутати із звичайними значеннями цих термінів. Ці атоми утворюють бінарні молекули, які далі поєднуються, утворюючи більші молекули. Рух визначається з точки зору руху фізичних атомів. Світлові промені вважаються потоком дуже швидких атомів теяс (вогню). Частинки світла можуть проявляти різні характеристики залежно від швидкості та розташування атомів теяс. Приблизно в першому столітті до нашої ери Вішну-пурана називає сонячне світло «сімома променями сонця».
У V столітті до нашої ери Емпедокл постулював, що все складається з чотирьох елементів; вогню, повітря, землі і води. Він вважав, що Афродіта зробила людське око з чотирьох стихій і що вона запалила вогонь у оці, і його сяйво зробило можливим зір. Якби це було правдою, то можна було б бачити вночі так само добре, як і вдень, тому Емпедокл постулював взаємодію між променями очей та променями від джерела, такого як сонце. Він заявив, що світло має скінченну швидкість.
У своїй Оптиці грецький математик Евклід зауважив, що «речі, побачені під більшим кутом, здаються більшими, а ті, що знаходяться під меншим кутом, менші, тоді як ті, що знаходяться під рівними кутами, виявляються рівними». У 36 пропозиціях, які випливають із цього, Евклід пов'язує видимий розмір предмета з його відстанню від ока та досліджує видимі форми циліндрів і конусів, коли дивитися з різних кутів. Папп вважав, що ці результати важливі в астрономії, і включив Оптику Евкліда, разом з його Явищами, у «Маленьку астрономію» — збірник менших робіт, які слід вивчати перед Альмагестом Птолемея.
55 року до н. е. Лукрецій, римлянин, який поширював ідеї ранніх грецьких атомістів, написав:
Про природу речей Незважаючи на схожість з пізнішими теоріями про частинки світла, погляди Лукреція не були загальноприйнятими, і все ще вважали, що світло виходить з очей.
У своїй Катоптриці Герон Олександрійський геометричним методом показав, що фактичний шлях, пройдений променем світла, відбитим від плоского дзеркала, коротший, ніж будь-який інший відбитий шлях, який можна побудувати між джерелом світла і точкою спостереження.
У другому столітті Клавдій Птолемей у своїй розпочав дослідження відбиття та заломлення. Він вимірював кути заломлення повітря, води та скла, а його опубліковані результати свідчать про те, що він відкоригував свої вимірювання так, щоб вони відповідали його (неправильному) припущенню, що кут заломлення пропорційний куту падіння.
Індійські буддисти, такі як Дігнага у V столітті та Дхармакірті у VII столітті, розробили тип атомізму, який є філософією того, що реальність складається з атомних утворень, які є миттєвими спалахами світла чи енергії. Вони розглядали світло як атомну сутність, еквівалентну енергії, подібно до сучасної концепції фотонів, хоча вони також розглядали всю матерію як складену з цих частинок світла/енергії.
Геометрична оптика Ранні автори трактували зір швидше як геометричну, ніж як фізичну, фізіологічну чи психологічну проблему. Першим відомим автором трактату про геометричну оптику був геометр Евклід (приблизно 325 р. до н. е. - 265 р. до н. е.). Евклід розпочав своє вивчення оптики, як і вивчення геометрії, з набору очевидних аксіом. 1. Прямолінійні промені що проходять від очей простягаються у нескінченність;
2. Фігура, утворена візуальними променями є конусом, вершина якого знаходиться в оці, а основа на поверхні видимих об'єктів;
3. Видимими є ті об'єкти, на які падають ці візуальні промені, а об'єкти на які промені не падають є невидимими;
4. Об'єкти, які спостерігаються під більшим кутом виглядають більшими, а ті що під меншим кутом виглядають меншими, а під однаковими кутами виглядають однаковими;
5. Предмети, які спостерігаються під вищим візуальним кутом виглядають вищими, а предмети, що спостерігаються під нижчим кутом виглядають нижчими;
6. Аналогічно, предмети видимі променями, що знаходяться справа виглядають розташованими справа, предмети, що спостерігаються променями зліва з'являються зліва;
7. Предмети, які видно під більшим кутом виглядають більш чітко. Евклід не визначав фізичної природи цих візуальних променів, але, використовуючи принципи геометрії, він обговорював ефекти перспективи та скруглення речей, побачених на відстані.
Там, де Евклід обмежив свій аналіз простим прямим зором, Герон Александрійський (бл. 10–70 н. е.) розширив принципи геометричної оптики для розгляду проблем відбиття (катоптрики). На відміну від Евкліда, Герон час від часу коментував фізичну природу зорових променів, вказуючи на те, що вони проходять з великою швидкістю від ока до предмета, який розглядають, і відбиваються від гладких поверхонь, але можуть потрапити в пастку в нерівностях неполірованих поверхонь.D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 14-15. Ці погляди стали відомими як .
Герон доводив рівність кута падіння та відбивання тим, що це найкоротший шлях від об'єкта до спостерігача. Виходячи з цього, він зміг визначити точне співвідношення між предметом та його зображенням у плоскому дзеркалі. Зокрема, зображення здається розташованим за дзеркалом на такій самій відстані, як об'єкт перед дзеркалом.
Як і Герон, Птолемей у своїй Оптиці (збереглася лише у вигляді латинського перекладу з дуже пошкодженої арабської версії) розглядав зорові промені, які витікають від ока до побаченого об'єкта, але, на відміну від Герона, вважав, що вони є не дискретними лініями, а утворюють суцільний конус. Птолемей розширив вивчення зору за межі прямого та відбитого зору; він також вивчав зір заломленими променями (діоптрику), коли ми бачимо предмети через межу двох середовищ з різною оптичною густиною. Він провів експерименти для вимірювання шляху зору, коли ми дивимось з повітря у воду, з повітря в скло і з води в скло, а також склав таблицю зв'язку між падаючими та заломленими променями.D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), p. 16; A. M. Smith, Ptolemy's search for a law of refraction: a case-study in the classical methodology of 'saving the appearances' and its limitations, Arch. Hist. Exact Sci. 26 (1982), 221—240; Ptolemy's procedure is reported in the fifth chapter of his Optics.
Його табличні результати були отримані для межі «повітря-вода», і загалом наведені значення відповідають сучасній теорії заломлення, але він їх спотворив, щоб підтвердити власні апріорні уявлення про характер заломлення.
В ісламському світі
Аль-Кінді (бл. 801—873) був одним із найраніших значних оптиків ісламського світу. В роботі, відомій на заході як «Про промені зірок» (), аль-Кінді розробив теорію, «що все на світі… випускає промені у будь-який бік, які наповнюють весь світ».Cited in D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), p. 19.
Ця теорія про активну силу променів мала вплив на більш пізніх вчених, таких як Ібн аль-Хайсам, Роберт Гроссетест та Роджер Бекон.
Ібн Саль, математик, який працював у Багдаді протягом 980-х років, — перший ісламський учений, який, як відомо, склав коментар до Оптики Птолемея. Його трактат Fī al-'āla al-muḥriqa («Про палаючі інструменти») був відновлений з фрагментарних рукописів (1993).Rashed, R., Géométrie et dioptrique au Xe siècle: Ibn Sahl, al-Quhi et Ibn al-Haytham. Paris: Les Belles Lettres, 1993 Робота стосується того, як вигнуті дзеркала та лінзи відхиляють та фокусують світло. Ібн Сал також описує закон заломлення, математично еквівалентний закону Снеліуса. Він використав свій закон заломлення для обчислення форм лінз і дзеркал, які фокусують світло в одній точці на осі.
Ібн аль-Хайсам (відомий у Західній Європі як Альгасен або Альгазен), який творив у 1010-х роках, отримав як трактат Ібн Саля, так і частковий переклад арабською Оптики Птолемея. Він провів всебічний та систематичний аналіз грецьких оптичних теорій. Ключових досягнень у Ібн аль-Хайсама було два: по-перше, твердження, на противагу думці Птолемея, що зір виникає завдяки променям, які потрапляють в очі; друге — визначення фізичної природи променів, про яку говорили попередні геометричні оптики, розглядаючи їх як форми світла та кольору.«How does light travel through transparent bodies? Light travels through transparent bodies in straight lines only…. We have explained this exhaustively in our Book of Optics. But let us now mention something to prove this convincingly: the fact that light travels in straight lines is clearly observed in the lights which enter into dark rooms through holes…. [T]he entering light will be clearly observable in the dust which fills the air.» — Alhazen, Treatise on Light (رسالة في الضوء), translated into English from German by M. Schwarz, from «Abhandlung über das Licht» , J. Baarmann (editor and translator from Arabic to German, 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft Vol 36, as cited by Samuel Sambursky (1974), Physical thought from the Pre-socratics to the quantum physicists Потім він проаналізував ці фізичні промені за принципами геометричної оптики. Він написав багато книг з оптики, найбільш вагому «» (Кітаб аль Маназір арабською), перекладену латинською мовою як «De aspectibus» або «Perspectiva», яка поширювала його ідеї в Західній Європі та мала великий вплив на подальший розвиток оптики.D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 58-86; Nader El-Bizri 'A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics', Arabic Sciences and Philosophy 15 (2005), 189—218. Ібн аль-Хайсама називали «батьком сучасної оптики».
Авіценна (980—1037) погодився з Альгазеном, що швидкість світла є скінченною, оскільки він «зауважив, що якщо сприйняття світла відбувається через випромінювання якихось частинок світловим джерелом, швидкість світла повинна бути скінченною.»George Sarton, Introduction to the History of Science, Vol. 1, p. 710. Абу Райхан аль-Біруні (973—1048) також погодився, що світло має скінченну швидкість, і заявив, що швидкість світла значно більша, ніж швидкість звуку.
, який жив в Аль-Андалусі протягом другої половини 11 століття, написав твір з оптики, пізніше перекладений латиною як «Liber de crepisculis», який було помилково приписано Альгазену. Це була «коротка робота, що містить оцінку кута нахилу сонця на початку ранкових сутінків та наприкінці вечірніх сутінків, та спроба обчислити на основі цього та інших даних висоту атмосферної вологи, що відповідає за заломлення сонячних променів». Своїми експериментами він отримав значення 18°, що наближається до сучасного значення.