在光学方面沈括也有重要发现。当他看见凹面镜映入的物体呈现倒影的现象后，他便进行以下的反复试验；用手指对准镜面，镜面上映出的是正像；但是当他把手指向后移到焦点上的时候，镜面上的影像就看不见了；然后他再把手指离开焦点逐渐向外移开，镜面上便出现了倒像。他又进一步从天空飞鸟的影子移动的方向发现了类似的现象：飞鸟映在地面上的影子，本来是朝着飞鸟飞行的方向移动的，如果把窗子穿一小孔，光线射到鸟身上，再穿过小孔，照在室内壁上的鸟影移动的方向同鸟飞的方向正好相反。他还发现楼塔的影子经过窗上小孔透入室内也呈现出倒影。他还用凹面镜做过向日取火的实验。沈括通过这些实验最后得出了光线通过小孔同焦点形成“光束”的光学原理。