他認為孔相當小的時候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時孔的大小隻不過和像的明暗程度有關，不改變像的形狀。當孔相當大的時候，所得到的像就是孔的正立像。
為了證實這個結論，趙友欽設計了一個比較完備的實驗程序。
首先在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個直徑4尺多的圓井，右邊的井深4尺，左邊的深8尺，在左井裏放置一張4尺高的桌子，這樣兩井的深度就相同了。
然後做兩塊直徑4尺的圓板，板上各密插1000多支蠟燭，點燃後，一塊放在右井井底，一塊放在左井桌上。
接著在井口各蓋直徑5尺，中心開小方孔的圓板，左板的方孔寬1寸左右，右板的方孔寬半寸左右。
這時，就可以看到樓板上出現的都是圓像，隻是孔大的比較亮，孔小的比較暗。
趙友欽用光的直線傳播的道理，說明了東邊的蠟燭成像於西，西邊的成像於東，南邊的成像於北，北邊的成像於南。由於1000多支燭是密集成圓形的，所成的像也相互連接成為圓像。
在光源、小孔、像屏距離不變的情況下，所成的像形狀不變，隻有照度上的差別：孔大的“所容之光較多”，因而比較亮；孔小的“所容之光較少”，因而比較暗。
如果把右井裏東邊的蠟燭熄滅500支，那右邊房間樓板上的像西邊缺半，相當於日月食的時候影和日、月食分相等一樣。
如果左邊蠟燭采取疏密相間的方法點燃二三十支，像雖然是圓形分布，但卻是一些不相連接的暗淡方像；如果隻燃一支燭，方孔對於燭光源來說不是相當小，因而出現的是方孔的像；把所有的燭重新點著，左邊的像就恢複圓形。
在實驗中，趙友欽又在樓板上平行於地麵吊兩塊大板作為像屏，這時像屏距孔近，看到的像變小而明亮。
接著去掉兩塊吊板，仍以樓板作為像屏，撤去左井裏的桌子，把蠟燭放到井底，這時左井的光源離方孔遠，左邊的樓板上出現的像變小，而且由於燭光弱，距離增加後亮度也變弱。
從這些實驗結果，趙友欽歸納得出了小孔成像的規律，指出了光源的遠近、強弱和小孔、像屏的遠近之間的關係：
像屏近孔的時候像小，遠孔的時候像大；燭距孔遠的時候像小，近孔的時候像大；像小就亮，像大就暗；燭雖近孔，但是光弱，像也就暗；燭雖遠孔，但是光強，像也就亮。
實驗的最後一步是撤去覆蓋井麵的兩塊板，另在樓板下各懸
直徑一尺多的圓板，右板開4寸的方孔，左板開各邊長5寸的三角形孔，調節板的高
低，就是改變光源、孔、像屏之間的距離。
這時，仰視樓板上的像，左邊是三角形，右邊是方形。這說明孔大的時候所成的像和孔的形狀相同：孔
距屏近，像小而明亮；孔距屏遠，像大而暗淡。
從以上實驗的結果，趙友欽得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結論，並指出這個結論是“斷乎無可疑者”。
用如此嚴謹的實驗，來
證明光的直線傳播，闡明小
孔成像的原理，這在當時世界上是絕無僅有的。充分表現了我國
古代勞動人民的智慧。