เป็นเวลามากกว่าพันปีมาแล้วที่มนุษย์เรามีการคิดค้นและพัฒนาอุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์ขึ้นมาใช้ในชีวิตประจำวัน เริ่มจากทัศนอุปกรณ์แบบง่ายๆ ที่มีใช้อย่างแพร่หลายก็คือกระจกเงา ต่อมาก็ได้มีการประดิษฐ์คิดค้นอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนมากขึ้นเพื่อขยายขีดจำกัดการมองเห็นของมนุษย์ ก็คือ **แว่นขยาย** (magnifying glass) ซึ่งเป็นในลักษณะของเลนส์นูนชิ้นเดียวที่มีกำลังขยายที่ทำให้มองเห็นภาพที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดวัตถุจริงมากๆ ทำให้เราสามารถมองเห็นอนุภาคหรือสสารที่มีขนาดเล็กเกินกว่าที่จะสามารถแยกแยะได้ด้วยตาเปล่า อีกทั้ง ยังเป็นที่มาของการผลิตอุปกรณ์สำคัญอย่าง **แว่นตา** ที่มีใช้งานกันอย่างแพร่หลายจนถึงปัจจุบัน
พัฒนาการของอุปกรณ์ทางแสงเริ่มขึ้นอย่างจริงจังนับตั้งแต่มีการคิดค้น **กล้องจุลทรรศน์** ขึ้นในราวต้นศตวรรษที่ 16 ซึ่งกล้องจุลทรรศน์ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์ชิ้นแรกที่ประกอบไปด้วยการทำงานร่วมกันของเลนส์หลายๆ ชิ้น (compound lenses) เพื่อเพิ่มขีดความสามารถของระบบในการขยายภาพของวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆ ในระดับไมครอนได้ (1 ไมครอน มีขนาดโดยประมาณเท่ากับ 1 ใน 100 ของขนาดเส้นผมของเรา) กล้องจุลทรรศน์โดยทั่วไปใช้ตาของเราเป็นตัวรับภาพ ดังนั้นจึงถูกออกแบบเพื่อการใช้งานในช่วงแสงปกติที่ตามองเห็น (visible range) เป็นหลัก ทั้งนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่า **จอประสาทตา**ของมนุษย์เรามีการตอบสนองต่อแสงในช่วงความยาวคลื่น 350 นาโนมิเตอร์ (สีม่วง) ไปจนถึง ประมาณ 700 นาโนมิเตอร์ (สีแดง) เท่านั้น ซึ่งเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่จำกัดขีดความสามารถในการสังเกตการณ์ของมนุษย์ นอกเหนือจาก**กำลังแยก**ที่จำกัดของเลนส์ตาเราเอง
ในปี ค.ศ. 1610 กาลิเลโอ ได้ประดิษฐ์ทัศนอุปกรณ์ที่มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อพัฒนาการความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ นั่นก็คือ **กล้องโทรทรรศน์** (Telescope) หรือกล้องดูดาวนั่นเอง ทั้งนี้ อุปกรณ์ที่ประดิษฐ์ขึ้นได้เพิ่มขีดความสามารถของมนุษย์ในการสังเกตการวัตถุที่อยู่ห่างไกลออกไปเกินกว่าที่ตาเปล่าจะสามารถแยกแยะได้ ทั้งนี้ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ที่กาลิเลโอประดิษฐ์ขึ้น ได้นำไปสู่การค้นพบที่สำคัญมากมายในยุคนั้น อาทิ การค้นพบดวงจันทร์บริวารของดาวพฤหัส การค้นพบวงแหวนของดาวเสาร์ และการค้นพบว่าดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเอง เป็นต้น
นอกจากนี้ ยั้งมีการค้นพบที่สำคัญอีกมากมายในช่วงศตวรรษที่ 16 ที่เป็นการบุกเบิกการศึกษาทางด้านทัศนศาสตร์ ในปี ค.ศ. 1611 โยฮันน์ เคปเปลอร์ (Johannes Kepler) นำเสนอหลัก**การสะท้อนกลับหมด** (Total Internal Reflection) และได้ริเริ่มพัฒนา**ทฤษฎีของเลนส์บาง** ในราวปี ค.ศ. 1621 วิลเบอร์ด สเนลล์ (Willeboard Snell) ได้คิดค้นสมการการหักเหของแสงผ่านตัวกลาง ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในเวลาต่อมาจนถึงปัจจุบันว่า **กฏการหักเหของสเนลล์** (Snell’s Law of Refraction)
ต่อมาในปี ค.ศ. 1657 ปิแอร์ เดอ เฟอร์แมท (Pierre de Fermat) ได้นำเสนอทฤษฎีเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของแสง ซึ่งเป็นที่ยอมรับและถูกนำมาปรับใช้จนถึงปัจจุบันซึ่งเรียกว่า **Fermat’s Principle** ในช่วงปี ค.ศ. 1618-1663 ฟรานเชสโก กริมาลดิ (Francesco Grimaldi) และ โรเบิร์ต ฮุก (Robert Hook) ศึกษาค้นคว้ารวมถึงทำการทดลองเกี่ยวกับคุณสมบัติ**การเลี้ยวเบนของแสง** ซึ่งพัฒนาไปสู่การนำเสนอแนวคิดที่ว่า**แสงมีคุณสมบัติเป็นคลื่น**โดย คริสเตียน ฮอยเกนส์ (Christian Huygens) ในปี ค.ศ. 1929-1965
ในปี ค.ศ. 1802 โทมัส ยัง (Thomas Young) ได้นำเสนอผลการทดลองอันเลื่องชื่อซึ่งมีส่วนสำคัญในการยืนยันทฤษฎีความเป็นคลื่นของแสง นั่นก็คือ **การแทรกสอดของแสง**ผ่านช่องเปิดแคบคู่ (Young’s Double Slit Experiment) จนในที่สุด ในปี ค.ศ. 1818 ออกัสติน ชอง เฟรเนล(Augustin Jean Fresnel) ได้รวมหลักการของฮอยเกนส์เข้ากับหลักการแทรกสอดของแสงเพื่ออธิบายคุณสมบัติเชิงคลื่นของแสง ในปี ค.ศ. 1845 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ใด้นำเสนอทฤษฎีสำคัญที่**เชื่อมโยงแสงเข้ากับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า**
จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1831-1879 เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวล (James Clerk Maxwell) รวบรวมทฤษฎีที่สำคัญทางแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ กฎของเกาส์ (Gauss’s Law) ทฤษฎีแม่เหล็กเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday’s Law of Induction) รวมกับกฎของแอมแปร์ (Ampere’s Law) ซึ่งแมกซ์เวลได้แก้ไขเพิ่มเติมโดยเพิ่มความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าเข้าไป จนได้ชุดสมการที่ปัจจุบันถูกขนานนามว่า **สมการของแมกซ์เวล (Maxwell’s Equations)** ซึ่งในเวลาต่อมาแมกซ์เวลก็ได้แสดงวิธีแก้ชุดสมการจนได้สมการคลื่นที่อธิบายการเคลื่อนที่ของคลื่นแสงในที่สุด ซึ่งน่าจะถือได้ว่าเป็น**ยุคทองของทฤษฎีว่าด้วยแสงเป็นคลื่น**
ทฤษฎีว่าด้วยแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายและนำไปสู่พัฒนาการทางทัศนศาสตร์อย่างมากมาย อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 1900 แมกซ์ พลังค์ (Max Planck) ได้ริเริ่มแนวคิดว่า **แสงเป็นอนุภาค** ซึ่งก็ได้รับแรงสนับสนุนที่สำคัญอย่างทฤษฎีสัมพันธภาพของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ตลอดจนพัฒนาการของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ของ ไฮเซนเบิร์ก และ ชโรดิงเจอร์ (Heisenberg, Schrodinger)
ในช่วงปี ค.ศ. 1905-1929 จนกระทั่งในปัจจุบัน เป็นที่ยอมรับว่า**แสงมีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค** หรือที่เรียกว่า **Wave-Particle Duality** ทั้งนี้ ทฤษฎีว่าด้วยแสงเป็นอนุภาคก็มีส่วนสำคัญที่นำไปสู่การค้นพบอื่นๆ ตามมาอีกมากมายไม่แพ้ทฤษฎีคลื่นแสง ซึ่งการค้นพบที่สำคัญ ได้แก่ การประดิษฐ์ **เลเซอร์** ที่ใช้งานได้จริงสำเร็จเป็นเครื่องแรกโดย ทีโอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ในปี ค.ศ. 1960
ในปัจจุบัน **เทคโนโลยีเลเซอร์และโฟตอนนิกส์**ได้ถูกพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว ทำให้เทคนิคการถ่ายภาพทางการแพทย์ด้วยแสงเลเซอร์ได้รับความสนใจมากขึ้น ซึ่งการถ่ายภาพด้วยเลเซอร์มีจุดเด่นในเรื่องของ ความไวต่อการตรวจจับสัญญาณ (sensitivity) และความละเอียดในการถ่ายภาพในระดับไมครอนหรือเล็กกว่าไมครอน โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆ ต่อเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้แล้ว อุปกรณ์ทางแสงยังง่ายต่อการออกแบบให้มีขนาดกะทัดรัดและสามารถเคลื่อนย้ายได้โดยง่ายอีกด้วย
ตัวอย่างของเทคโนโลยี**ภาพถ่ายทางการแพทย์ด้วยแสงเลเซอร์** ที่มีใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอล (Confocal Microscope) กล้องจุลทรรศน์แบบฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescence Microscope) เทคนิคการถ่ายภาพฟลูออเรสเซนต์ด้วยกระบวนการของ two-photon และ multi-photon. รวมถึงเทคนิคการถ่ายภาพตัดขวางด้วยแสงเลเซอร์อย่าง Optical Coherence Tomography หรือ OCT
คือ กระบวนการถ่ายภาพสามมิติ ผลที่ได้จากการถ่ายภาพฮอโลกราฟฟี เรียกว่าโฮโลแกรม (Holograms) การถ่ายภาพโฮโลกราฟฟีถูกคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1947 โดยผู้คิดค้นคือ Dennis Gabor (1900-1979) จากการคิดค้นโฮโลกราฟฟีทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1971
กระบวนการของโฮโลแกรม มีสองกระบวนการ
การบันทึกโฮโลแกรมสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทโดยแบ่งตามทิศทางของแสงดังนี้