光直线传播原理的交互式演示
小孔成像是一种光学现象，当光线通过一个小孔时，会在孔后方的屏幕上形成倒立的实像。这个现象证明了光沿直线传播的原理。中国古代的《墨经》中就有关于小孔成像的记载：景到（倒），在午有端，与景长，说在端。这意味着成倒像的原因在于光线交叉于小孔这一端点。小孔成像的特点是：无论物体距离小孔多远，都能在屏幕上成像，且像总是倒立的实像。
小孔成像的原理基于光的直线传播和相似三角形。从物体发出的光线通过小孔后，在屏幕上形成倒立的像。根据几何关系，像的高度与物体高度之比等于像距与物距之比：hᵢ/h₀ = dᵢ/d₀。因此放大率 M = dᵢ/d₀。当像距大于物距时，像是放大的；当像距小于物距时，像是缩小的。小孔成像不依赖折射或反射，纯粹是几何光学效应，这使得它成为一种最简单的成像方式。
小孔的直径对成像质量有重要影响。理论上，孔越小，像越清晰，因为每一点发出的光线束越窄。但实际中，如果孔太小（直径接近光波长），衍射效应会显著，导致像变模糊。最佳孔径公式为 d ≈ √(λ × dᵢ)，其中λ是光波长，dᵢ是像距。对于可见光（λ≈500nm）和像距20cm，最佳孔径约0.3mm。如果孔太大，从物体同一点发出的光线束会分散在屏幕上形成一个光斑，导致像模糊。因此，选择合适的孔径是获得清晰像的关键。
小孔成像形成的像是倒立的实像，这是光线交叉传播的必然结果。倒立意味着像的上下左右与物体相反；实像意味着光线实际会聚在像的位置，可以投影在屏幕上或被底片记录。与透镜成像不同，小孔成像没有焦距的概念，任何距离都能成像，只是放大率和亮度不同。像的亮度与孔径面积成正比，与像距的平方成反比。因此，在保持清晰度的前提下适当增大孔径，可以提高像的亮度。
小孔成像在人类文明史上有着重要地位。中国古代墨家学派早在公元前5世纪就描述了小孔成像现象。在欧洲，文艺复兴时期的艺术家利用暗箱（camera obscura，意为黑暗的房间）来辅助绘画，这是照相机的雏形。达芬奇详细研究了暗箱的原理。19世纪，针孔相机被用于摄影，虽然曝光时间很长，但能产生独特的柔和效果。现代应用包括：安全观测日食（通过针孔投影太阳像）、建筑设计的采光井、特殊摄影效果、以及作为物理教学演示光直线传播的经典实验。小孔成像也是理解人眼成像和照相机原理的基础。
小孔成像和透镜成像都能形成倒立的实像，但原理不同。小孔成像依赖光的直线传播和几何投影，不需要透镜；透镜成像利用光的折射，遵循透镜成像公式 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ。小孔成像在任何距离都能成像，但像较暗；透镜成像只有在特定距离才能清晰成像（焦距关系），但像更亮。小孔成像没有色差和像差（如果忽略衍射），透镜成像会有各种像差需要校正。现代照相机结合了两者：光圈（可变孔径）控制景深和亮度，透镜组聚焦成像，体现了小孔成像原理的实际应用。