牛頓是17世紀光學的集大成者。他在光學方麵具有開創性的貢獻主要是1668年製成了第一架反射望遠鏡，他因此被選為英國皇家學會的會員。牛頓成功地進行了光的色散研究，提出了關於光的顏色的理論，他還發現了牛頓環現象……
（一）製成反射望遠鏡
製成反射望遠鏡，是牛頓早期光學研究中第一個公諸於世的科學成果。
牛頓在家鄉躲避鼠疫期間，在研究顏色問題的實驗過程中，對改進折射望遠鏡發生了興趣。以前，隻有折射望遠鏡，當時已經用它觀測到土星的形狀，但是它的明顯缺陷是出現球麵像差，成像模糊不清。因為折射望遠鏡的原理是：物體所反射的光線經過透鏡（物鏡）成像，這個像被第二個小透鏡（目鏡）放大，人的眼睛便在目鏡後麵窺視到物體。球麵像差出現的原因是，當物線透過曲麵鏡後發生了折射，因而成的像，不像平麵鏡那樣清晰逼真。牛頓試圖改進透鏡的球麵形式以求得到清晰的像。但在改進研製過程中，他發現折射望遠鏡不僅有球麵像差，而且還有色差，即在成像周圍呈有顏色的花紋，幹擾清晰度。伽利略和早期的天文學家用這種望遠鏡觀測天象，很費力，據說伽利略晚年失明就與此有關係。伽利略、開普勒和笛卡爾都曾設法消除透鏡成像的這兩個缺點，但未獲成功。牛頓在鄉間通過對日光分解的研究，認為色差的原因在於光線的折射，折射總是伴隨著色散。他後來在《光學》一書中指出：“通過折射體，由於雜色光而看到混亂的物像是起因於幾種光線的不同的可折射度。”因此，在他看來，消除透鏡的色差似乎是不可能的。他相當固執地堅持自己的見解。後來的實驗表明，他的這個一般推論是錯誤的。假如用的是完全相同的玻璃，牛頓的看法才是正確的。現代鏡頭利用不同類型的玻璃恰當地組合起來，是可以消除因折射產生的像差的。牛頓對化學感興趣，卻沒有想到棱鏡的玻璃品種會起作用。這樣他就失去了製成消色差透鏡的可能性。
當時牛頓一方麵認為透鏡的色差不可能消除，另一方麵想到如果提高折射望遠鏡的放大倍數，就要把它造得很大，那樣就會操作很不方便。於是他另辟蹊徑，轉向反射望遠鏡的研究。他決心根據光的反射原理製造出新的望遠鏡。
牛頓並不是具有這種想法的第一個人。當時對反射望遠鏡的研究，是個相當受重視的科研課題，許多人都曾進行過探討，但是都未製造出來或者沒有動手製造。隻有牛頓不僅畫出了自己的設計圖，而且克服種種困難，親手製造出了這種望遠鏡。關鍵是他采用一個金屬製的凹麵鏡來代替玻璃物鏡，這樣既可以增大物鏡的直徑，又可以避免像差。這個金屬凹麵鏡所用的材料，是牛頓自己用銅、錫和砷混合製成的合金。牛頓做的大量化學實驗都與他研究金屬凹麵鏡的材料有關。
儀器是粗糙的，但牛頓的設計思想是新穎的。他在望遠鏡筒旁開了個小孔，並且在鏡筒內焦麵處裝一個平麵鏡，與鏡筒軸心成45°角，從而把影像反射出來，觀察者利用望遠鏡旁邊的目鏡作觀測。牛頓對反射望遠鏡的研究是很有意義的。現在觀測遙遠天體所用的天文望遠鏡，多為反射式的，最大的反射望遠鏡直徑可達5米以上，不過比牛頓當時製的反射望遠鏡，已經做了重大的改進。
牛頓約在1668年製成了第一架反射望遠鏡的模型，全長15厘米，直徑2．5厘米，觀測放大倍數與當時長達2米的折射望遠鏡相同。用它觀看夜空，看到了木星和它的四個衛星以及金星的盈虧現象，沒有顏色條紋的幹擾，影像清晰明亮。
從1669年至1670年，牛頓一直致力於改進他的望遠鏡。1671年，他的第一架望遠鏡不見了，便又製作了第二台。這一台望遠鏡的口徑是2英寸，焦距9英寸。這台望遠鏡使牛頓在全歐洲享有盛名，今天仍然是皇家學會最珍貴的收藏品之一。當時，這台望遠鏡送到皇家學會檢驗。1671年秋季，又送到國王那兒，也得到了國王的讚揚，查理二世和一些官員都曾應用牛頓製作的望遠鏡窺視天象。由於這項發明，牛頓於1672年1月11日，被選為英國皇家學會的會員，他頓時成了當時英國最有名望的學者。當時他還不滿30歲，這是他漫長的科學研究曆程中邁出的堅實有力的第一步。從此，牛頓和英國科學界的領導機構有了聯係，與正在興旺發達的實驗科學更緊密地聯係起來。他作為科學研究家和著作家，終生都與皇家學會有著密切的聯係。他作為一名有才華的新秀為皇家學會注入了新的血液，後來他作為皇家學會的會長，長期領導著皇家學會。