pienoiskuva|Kuvassa näkyy kaksi optista ilmiötä: sateenkaari ja auringonsäteet. Kuvan värit itsessäänkin kuuluvat optiikan tutkimuskohteisiin. Optiikka eli valo-oppi (, optikee, ’näkemistä koskeva’) on valon tai yleisemmin sähkömagneettisen säteilyn käyttäytymistä ja ominaisuuksia sekä valon ja aineen vuorovaikutusta tutkiva fysiikan osa-alue. Optiikka voidaan jakaa tutkimuksen näkökannan perusteella geometriseen optiikkaan ja fysikaaliseen optiikkaan. Geometrinen optiikka tutkii valon kulkua eri väliaineissa, sen kulkuun liittyviä geometrisia seikkoja sekä valon taittumista ja heijastumista esimerkiksi peileissä ja linsseissä, kun taas fysikaalinen optiikka tarkastelee valon todellista luonnetta, ominaisuuksia ja valoon liittyviä ilmiöitä (esim. valon intensiteetti, diffraktio). Fysikaalinen optiikka jakautuu edelleen sähkömagneettiseen optiikkaan, jossa valoa tutkitaan sähkömagnetismin näkökulmasta, ja kvanttioptiikkaan, joka syntyi 1900-luvulla kvanttimekaniikan vaikutuksesta.
Sähkömagneettista optiikkaa voidaan sanoa myös klassiseksi optiikaksi ja kvanttioptiikkaa vastaavasti moderniksi optiikaksi, samoin kuin kvanttifysiikka yleensäkin määritellään moderniksi fysiikaksi erotukseksi klassisesta fysiikasta. Modernin optiikan osa-alueisiin kuuluu sen sovelluksia tutkiva fotoniikka.
Optiikka mielletään helposti muusta fysiikasta jossakin määrin erilliseksi alaksi. Tieteellisestä optiikan tutkimuksesta käytetään usein nimitystä optinen tiede tai optinen fysiikka. Sovellettua optista tiedettä kutsutaan optiseksi tekniikaksi. Valaistukseen liittyvien sovellutusten ollessa kyseessä puhutaan valaistustekniikasta. Koska optiikalla on paljon käytännön sovellutuksia, optinen tiede ja optinen tekniikka ovat usein sidoksissa toisiinsa. Optiikalla on suuri merkitys myös esimerkiksi sähkötekniikassa ja lääketieteessä.
Henkilöä, joka tutkii optiikkaa sanotaan optiikan tutkijaksi. Tätä ei pidä sekoittaa optikkoon eli optometristiin, joka on näkemisen asiantuntija.
Historia Antiikki Kreikan kielen sana merkitsee näkökykyä, missä merkityksessä optiikkaa alun perin tutkittiinkin.
Empedokles esitti, että kaikkeus koostui neljästä alkuaineesta: tulesta, vedestä, maasta ja ilmasta. Lisäksi hän väitti Afroditeen tehneen ihmisen silmän ja sytyttäneen silmän sisälle pienen tulen. Tämän pohjalta hän johti niin sanotun emissioteorian (näkösädeteoria), jonka mukaan kaikki näkökyky perustuu ”silmän sisäiseen tuleen”. Hänen mukaansa silmä lähetti valoa, joka sai kappaleet näkyviksi. Platon tuki tätä näkemystä. Hänen oppilaansa Aristoteles (noin 330 eaa.) ei kannattanut tätä teoriaa, sillä jos se pitäisi paikkansa, ihmisen pitäisi nähdä pimeässäkin. Aristoteles väitti valon nopeuden olevan ääretön, mikä käsitys säilyi tieteessä pitkään hänen jälkeensäkin. Noin vuosisata ennen Empedoklesta ja Platonia Pythagoras oli ehdottanut näkemisen syyksi niin sanottua vastaanottoteoriaa eli täysin päinvastaista teoriaa, jonka mukaan näköaistimus johtuu silmään heijastuneesta valosta. Platon sai aikalaistensa keskuudessa enemmän kannattajia, joten Pythagoras unohdettiin.
Ennen Aristotelesta oli myös Demokritos yrittänyt selittää näkemistä ja värejä. Atomiopin luojana tunnettu Demokritos yhdisti atomit optiikkaan; hänen mukaansa värit johtuivat atomien ominaisuuksista kuten esimerkiksi koosta. Demokritoksen mukaan päävärit olivat valkoinen, musta, punainen ja keltainen.
Ensimmäisenä todellisena valoa tutkineena kreikkalaisena voidaan pitää paremmin geometrisista ansioistaan tunnettua Eukleidesta, joka kirjoitti aiheesta kirjan, Optiikka. Eukleides tutki valoa samaan tapaan kuten geometriaakin, esittämällä joukon aksioomia ja johtamalla niistä kaikki muut tuntemansa valon ominaisuudet. Hän kirjoitti yhteensä seitsemän aksioomaa, joista tärkeimpiä olivat seuraavat: Valo kulkee suoraviivaisesti. Kaikki valoa heijastavat kappaleet ovat näkyviä. Kuinka suurena kappale nähdään, riippuu siitä, kuinka suuresta kulmasta valo saapuu silmään. Eukleides tuki Empedokleen näkemystä. Eukleides tutki siis geometrista optiikkaa, mutta ei missään vaiheessa selventänyt valon fysikaalisia ominaisuuksia. Hänen jälkeensä geometrisen optiikan teoriaa täydensi Heron Aleksandrialainen. Hän osoitti Katoptiikka-teoksessaan (oppi valon heijastumisesta) oivaltaneensa sen, että valo heijastuessaan rajapinnasta kulkee aina lyhintä mahdollista reittiä. Myös antiikin ensimmäisenä kokeellisena fyysikkona pidetty Arkhimedes tutki valon heijastumista sekä taittumista, mutta hänen kirjoituksensa ovat tyystin hävinneet. Eräänä esimerkkinä hänen rakentamastaan optiikan sovellutuksesta on peilien käyttö valon kokoamiseen ja vihollislaivaston polttamiseen. Nykyään kuitenkin epäillään, oliko tällainen laitteisto mahdollinen.
Ajanlaskun taitekohdassa elänyt roomalainen konsuli, filosofi ja opettaja Seneca nuorempi tunnetaan myös siitä, että häntä epäiltiin keisari Neron salamurhayrityksestä, mutta hän teki merkittäviä keksintöjä myös optiikan alalla. Hän havaitsi nesteiden kuten veden saavan läpinäkyvässä astiassa olevan kappaleen näyttämään suuremmalta. Hän oli siis ensimmäinen, joka huomasi nesteiden optisen tiheyden poikkeavan ilmasta, vaikkei hän käsitettä tai siihen liittyvää teoriaa vielä tuolloin tuntenutkaan. Keisari Nero taas käytti ensimmäisenä monokkelia katsellessaan armeijansa taisteluita.
Nykyisen ajanlaskun alkamisen jälkeen ensimmäinen, ja samalla myös antiikin viimeiseksi jäänyt huomattava optiikan tutkija oli Klaudios Ptolemaios. Hän kirjoitti viisi optiikkaa käsittelevää kirjaa, mutta vain yksi on säilynyt. Hän tutki valon taittumista ja erityisesti sitä, kuinka suuri taitekulma vastasi mitäkin tulokulmaa. Lisäksi hän osoitti heijastuskulman olevan yhtä suuri kuin tulokulma. Ptolemaios arveli tähtien valon taittuvan ilmakehässä, mutta pidättäytyi sekaantumasta valoaistimuksen syyhyn liittyvästä teoriasta.
Keskiaika Keskiajalla tieteellistä tutkimusta ei Euroopassa juuri harjoitettu. Platonin Akatemiakin oli sulkenut ovensa vuonna 529. Sitä vastoin esimerkiksi Persiassa oli huomattavia tutkijoita, ja optiikkaa tutkittiin runsaasti islamilaisessa maailmassa.
Al-Kindi oli varhaisimpia arabialaisia optiikan kehittäjiä. Aristoteleen ja Eukleideen ajatuksista vaikuttuneena hän esitti oman näkemyksensä näkökyvystä eli siitä miksi kappaleet ylipäänsä nähdään. Al-Kindi kirjoitti latinankielisenä versiona säilyneessä De radiis stellarum -teoksessa, että kaikki kappaleet lähettävät luonnostaan valosäteitä kaikkiin suuntiin. Hänen vaikutuksensa oli enemmän filosofinen kuin tieteellinen. Tieteellisen tutkimuksen kannalta häntä merkittävämpi oli kuitenkin matemaatikko ja fyysikko Ibn Sahl. Vuonna 984 kirjoittamassaan teoksessa Polttavista peileistä ja linsseistä () hän kertoo kaarevista peileistä, linsseistä ja valon fokusoinnista. Ibn Sahlin on väitetty ensimmäisenä keksineen Snellin lain, vaikka Ptolemaios oli jo satoja vuosia aikaisemmin ollut sen jäljillä.
Läntisessä kirjallisuudessa aikaisemmin Alhazenina tunnettu arabitieteilijä Abu al-Hasan ibn al-Haitham oli varhaiskeskiajan kaikkein suurin optiikan tutkija. Hänen teoksensa Optiikan kirja (Kitāb al-manāzir) oli myöhemmin Euroopassa kaikkein tärkein optiikan alan teos. Hänen tutkimustensa tuloksena syntyivät geometrisen optiikan keskeisimmät peruskäsitteet kuten polttopiste ja keskussäteet. Tästä hän onkin saanut tieteenhistorian piirissä kunnianimen optiikan isä. Kokeellisten tutkimustensa perusteella al-Haitham todisti näön perustuvan kappaleesta heijastuviin valonsäteisiin. Läpimurron hän teki tutkiessaan valon taittumista: hän havaitsi taittumisen riippuvan väliaineista, mikä johti optinen tiheys- ja taitekerroin-käsitteiden syntymiseen. Hän havaitsi Ptolemaioksen taittumislain pätevän vain pienillä tulokulmilla, muttei itse pystynyt muodostamaan täydellisempää muotoa laille.
Euroopassa ei optiikan alalla tehty tärkeitä keksintöjä ennen uuden ajan alkua. Silloin optiikan kehitys liittyi läheisesti tähtitieteen kehitykseen.
Uusi aika Optisia välineitä oli keksitty jo aikaisemmin, mutta varsinaisesti uuden ajan optiikan tutkimuksen aloitti vasta nykyaikaisen valo-opin isänä pidetty Johannes Kepler. Vuoden 1604 ensimmäisenä päivänä Kepler esitteli keisarille Astronomiæ Pars Optica -teoksen käsikirjoituksen, jonka laatimiseen hän oli saanut aiheen aiemmin tapahtuneista auringon- ja kuunpimennyksistä. Teoksessaan hän väitti valon voimakkuuden olevan kääntäen verrannollinen valonlähteen etäisyyteen ja valonnopeuden olevan äärettömän suuri. Tässä samassa teoksessa Kepler selitti ensimmäisen kerran oikein kuvan muodostumisen verkkokalvolle: kuva on verkkokalvolla väärin päin, koska silmän etuosan linssi kokoaa silmään saapuvan valon ennen verkkokalvoa. Hän yritti selittää myös, miten taitekulma valon taittuessa riippuu tulokulmasta, mutta epäonnistui tässä. Paremmin tässä ongelmassa suoriutui hänen aikalaisensa Willebrord Snellius. Laki nimettiin hänen mukaansa Snellin laiksi, vaikka hän itse ei tulosta julkaissutkaan; sen julkaisi vasta myöhemmin Christiaan Huygens. Nykymuotoonsa lain johti vuonna 1644 filosofi René Descartes. Lopulta Pierre de Fermat täydensi lakia lisäämällä vuonna 1657 siihen yhteyden valon nopeuteen väliaineissa. Kepler auttoi Galileita tämän rakentaman kaukoputken parantamisessa.
Valon käyttäytymistä oli tutkittu jo kauan, mutta edelleen oli epäselvää, mitä valo on ja mistä se koostuu. Askeleen eteenpäin tässä asiassa otti bolognalainen tieteilijä ja jesuiitta Francesco Maria Grimaldi, joka teki tarkkoja mittauksia valon diffraktiosta. Hän myös otti käyttöön ilmiötä kuvaavan sanan. Ensimmäinen viittaus ilmiöön löytyy kuitenkin jo da Vinciltä. Diffraktio innostikin 1600-luvun fyysikkoja selittämään ilmiön syitä. Ensimmäisenä asiaa tutki Robert Hooke, jonka mukaan valoa pitäisi ajatella värähdyksenä. Tämä tiesi valon aaltoteorian syntyä. Sen ohella hän tutki interferenssivärejä, joiden hän uskoi syntyvän eri pinnoista heijastuneiden säteiden yhdistyessä.
Isaac Newton teki kokeita prismalla. Tällöin hän havaitsi, että valo voidaan, paitsi hajottaa spektriksi, myös koota uudelleen valkoiseksi valoksi. Havainnostaan Newton päätteli valon koostuvan pienistä hiukkasista. Optikkaan oli syntynyt ristiriita; toiset havainnot puolsivat hiukkasteoriaa ja toiset aaltoluonnetta. Newton keräsi matematiikan ja mekaniikan saavutuksillaan niin suuren suosion, että hänen uskottiin olevan oikeassa tässäkin asiassa. Aaltoteorian kannattajat olivat tiedemaailman radikaaleja ja selvä vähemmistö. Näihin radikaaleihin kuului hollantilainen Christiaan Huygens. Hän kannatti aaltoteoriaa ja havaitsi myös valon polarisaation.
Valon nopeutta ei vielä 1600-luvulle mennessä ollut kukaan mitannut. Ensimmäisenä sen sai mitatuksi tanskalainen Ole Rømer. Oli havaittu, että Jupiterin kuut joutuvat joka kierroksella Jupiterin varjoon, niin että tapahtuu pimennys. Kun nämä pimennykset eivät kuitenkaan toistuneet yhtä pitkin väliajoin, Rømer päätteli tämän johtuneen siitä, että Maan ja Jupiterin etäisyys vaihteli riippuen siitä, millä puolella Aurinkoa planeetat kulloinkin olivat, ja koska valolta kului tähän matkaan aikaa, pimennykset toisinaan vain näyttivät viivästyvän. Tällä perusteella hän sai lasketuksi, että valon nopeus oli noin 210 000 km/s. A.-H.-L. Fizeaun mittaukset 1800-luvun puolivälissä näyttivät valolle lähes yli 100 000 km/s suurempaa nopeutta. Myöhemmin nopeus saatiin määriteltyä sähköisten vakioiden avulla. Tämä saatiin ratkaisemalla James Clerk Maxwellin johtamien yhtälöiden avulla sähkömagneettisen säteilyn vaihenopeus: , jossa ε0 on tyhjiön permittiivisyys ja μ0 on tyhjiön permeabiliteetti. Léon Foucault oli aiemmin vuonna 1850 määrittänyt valon nopeuden ilmassa ja vedessä. Tulokset olivat hiukkasteorian kannalta hankalia: se ennusti vedessä kulkevan valon olevan nopeampi kuin ilmassa, mutta näin ei ollut. Sen myötä hiukkasteoriasta uskallettiin luopua.