11世纪
11世纪初，被誉为“现代光学之父”的阿拉伯科学家伊本·海什木（965-1040）指出光是由太阳等发光物体发出，物体因反射了光线，再进入眼睛从而被看到，即视觉入射理论；对球面镜和柱面镜的正投影规律展开研究，提出了经典的“海什木问题（球面镜正投影问题）”，引起众多学者在此基础上对各类弧面镜继续展开研究；对小孔成像和暗箱进行深入研究，认同更小的洞可提供更清晰的图像；还研究了透镜和大气折射产生的放大倍数，这些研究巩固了暗箱理论的基础；对视觉暂留现象的研究提及很难在旋转的衣服上辨别出不同的颜色，推断视力需要一些时间才能辨别一种颜色。海什木在软禁期间完成七卷本光学著作《光学全书》（1011-1021），因处于欧洲“黑暗时期”而未能及时推广，直至13世纪，一位不知名学者把这本书翻译成拉丁文才开始在欧洲广泛流传。其光学理论和以实验验证猜想的科学精神，影响了随后几个世纪欧洲的科学研究。
一种被称为“读书石”的透镜在欧洲出现，据说最初是把玻璃球切开两半制成的。而在11-12世纪维京人坟墓中发现的一些晶石透镜，也和读书石相似。
11世纪后期，中国宋代科学家沈括（1031-1095）在其《梦溪笔谈》（1088）中再次详细解释了凹面镜成像、小孔成像、凹面镜焦点、凸面镜和平面镜照影差异等光学现象，也提及造镜技艺的失传。
“若鸢飞空中，其影随鸢而移；或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗隙所束，亦皆倒垂，与阳燧一也。”——《梦溪笔谈》
这段文字形象地描述了小孔成像现象：当飞鸟或楼塔的光线被窗缝（小孔）遮挡时，形成的影子会与物体运动方向相反（如鸢东飞则影西移），且影像呈现倒立状态。沈括通过这一现象，结合凹面镜（阳燧）成像的原理，进一步指出“光沿直线传播”是倒影形成的根本原因。虽未建立现代数学模型，但已蕴含光路直线性的科学直觉，为后世光学研究奠定了基础。
12世纪
12-13世纪，英国哲学家罗伯特·格罗斯泰斯特（Robert Grosseteste，1175-1253），融合奥古斯丁神学与数学光学思想，提出光的本质理论；虽仍支持视觉出射理论，但也提出通过实验来验证推测；强调数学和几何在光学研究中的重要性，用镜子和镜头进行光学实验，寻找曲面透镜投影规律；提出当光学被很好地理解后，便能让放得很远的东西看起来很近，反之亦然，甚至可控制物体的视觉距离。
13世纪
英国哲学家罗杰·培根（Roger Bacon，约1214-1293/1294）谈论到利用暗箱和小孔成像来观察室外景色或日食，提出将几何学应用于光学、光直线传播、反射定律，使用透镜对物体进行放大，描述透镜成像原理，为望远镜发明奠定基础。培根曾致力于在大学课程中增加光学课程，但因批判经院哲学、主张实验科学被逐出大学讲坛。
13世纪下半叶，玻璃镜片研磨和抛光工业开始发展，最初集中在威尼斯和佛罗伦萨，后来荷兰和德国也出现了镜片制造中心。
波兰裔物理学家维帖洛（Witelo，约1230-1278）汇编了一部光学著作《透视》（10卷，约1270年完成），系统阐述几何光学与生理光学（包括视觉心理学），提出光沿直线传播的早期观点，并探讨透镜成像原理。他仔细研究了折射，发现折射角与入射角不成正比，但没有意识到全内反射。
法国作家让·墨恩（Jean de Meung，约13世纪）在《玫瑰传奇》（Roman de la Rose）第二部中引入大量议论与百科知识（天文、地理、伦理），成为中世纪“社会百科全书，其中提及“魔镜表演”， 还描述了一种投影的镜子，所投影像可以在水里或空中，且“十分有活力”。
约1290年，法国天文学家威廉（William）撰写了一份手稿，详细地向人们介绍如何制作暗箱来观察日食，这使暗箱的原理和小孔成像现象被更多人所认识。
13世纪末，相传西班牙裔医生、炼金术师阿纳多斯·诺瓦（Arnaldus Nova）可能使用到带有图像翻转功能的暗箱，带来了一种特殊的“运动表演”，让演员在外边表演，观众在昏暗房间里观看暗箱投影在墙上的动态影像，甚至还考虑到配音。
最早的关于小孔成像的科学研究
13-14世纪，我国元代科学家赵友钦（约1271-1335）在《革象新书》中详细记载了一个严谨的、已具现代科学实验精神的小孔成像对比实验（“小罅光景”实验），实验包括改变孔的大小和形状，改变光源的强度，改变光源、小孔和“屏幕”之间的距离等，观察并记录这些变化对成像效果的不同影响。其《革象新书》被收入《永乐大典》并传世。
