Optyka jest specjalistycznym działem fizyki zajmującym się naturą światła, jego rozchodzeniem się w ośrodkach i prawami rządzącymi jego emisją, a także możliwymi zastosowaniami światła w nauce i technice. Najważniejszymi jej osiągnięciami są prawa rozchodzenia się, załamania oraz odbicia.

Propagacja fali świetlnej na granicy ośrodków

Światło porusza się zawsze prostoliniowo w przestrzeniach niezakrzywionych i środkach jednorodnych, takich jak próżnia lub jednorodna atmosfera. Natrafiając ma ciało w jakimś stopniu przepuszczalne, światło załamuje się w nim pod pewnym kątem, po czym kontynuuje swą podróż. Jeżeli jednak pada nie ciało całkowicie nieprzezroczyste, ulega tłumieniu na jego powierzchni, dając cień będący obrazem nieprzejrzystego przedmiotu. Załamanie światła jest zmianą kierunku, pod jakim promień rozchodzi się przy przejściu pomiędzy ośrodkami przezroczystymi o różniących się, charakterystycznych dla danego materiału ośrodkach załamania. Dzieje się tak na skutek różnych prędkości fali świetlnej w różnych materiałach (im gęstszy obiekt, tym większe jest pochłanianie fotonów i tym mniejsza prędkość.) Wiąże się z tym zjawisko dyspersji, czyli rozdzielenia poszczególnych składowych światła przez ośrodek. Światło jest mieszanką fal o różnych długościach, które to długości odpowiadają barwom światła: światło czerwone ma największą długość fali, a błękitne - najmniejszą. Pomiędzy nimi są inne barwy (zieleń, żółć), razem tworzące pełne widmo światła białego. W próżni wszystkie składowe światła rozchodzą się z jednakową prędkością. W ośrodkach przezroczystych sytuacja jest bardziej skomplikowana. Światło błękitne, mające małą długość falowa przy ogromnych częstościach, stanowią "małe" kwanty światła (fotony). Takie promieniowanie rozchodzi się trudniej i z mniejsza prędkością niż światło czerwone. Dyspersja jest zależnością współczynnika załamania danego ośrodka od długości fali. Światło o różnych długościach (składowe światła białego) załamuje się w ośrodku przezroczystym pod różnymi kątami, dając w efekcie rozdzielenie (rozszczepienie) poszczególnych barwnych promieni. Można to zjawisko łatwo zobrazować przy użyciu pryzmatu (przezroczystej bryły szklanej o parach równoległych ścianek). Światło przy przejściu przez taki obiekt da razy załamuje się na granicy różnych ośrodków (szkło, powietrze), dając ostatecznie przy wyjściu wiązki z pryzmatu do powietrza światło rozszczepione na wszystkie barwy tęczy.

Odbicie od powierzchni lustrzanej

Odbicie jest naglą zmianą kierunku i zwrotu rozchodzenia się światła na granicy dwóch ośrodków. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub, w zależności od chropowatości powierzchni odbijającej, powodować rozmyte obrazy, zachowujące jedynie właściwości fali padającej. Zwierciadłem nazywana jest w optyce każda odbijająca światło powierzchnia (np. powierzchnia lustrzana.) Szczególnym, prostym przypadkiem jest zwierciadło płaskie. Światło, padając na nie, tworzy po odbiciu obraz pozorny i w pełni symetryczny w odniesieniu do powierzchni odbijającej. Prawo odbicia Snelliusa głosi, że dla powierzchni odbijającej płaskiej kat, pod jakim fala świetlna pada, jest co do wartości bezwzględnej równy kątowi odbicia, a oba te kąty położone są w tej samej płaszczyźnie

Punkt przez który przechodzą po odbiciu od powierzchni zwierciadła kulistego wklęsłego promienie świetlne, padające równolegle do osi głównej, zwany jest ogniskiem tego zwierciadła. W przypadku powierzchni odbijających zakrzywionych otrzymane obrazy są bardziej złożone. Możemy dla przykładu rozważyć typowe, wypukłe lub wklęsłe zwierciadło kuliste jako część wypolerowanej kuli lub sfery. Takie układy optyczne mają ogniska pozorne (ognisko jest tu rozumiane jako punkt geometryczny, w którym załamują się poszczególne promienie świetlne już po odbiciu.) Istnienie ogniska pozornego oznacza, że wiązka spójna, skupiona wiązka wzajemnie równoległych promieni po odbiciu od powierzchni kulistej zmieni się w wiązkę rozbieżną (rozproszoną), podobnie jak dzieje się to w soczewce.

Może się zdarzyć, że ciało odbijające światło nie jest gładkie (papier, ściana itp.). Wówczas fala nie odbija się w ściśle określonym kierunku, ale zachodzi tzw. rozpraszanie odbiciowe. Promienie uciekają we wszystkie możliwe strony. Jest to z naszego punktu widzenia zjawisko korzystne, ponieważ umożliwia obserwację otoczenia. Gdyby wszystkie ciała były idealnie gładkie, widzielibyśmy jedynie odbijane od nich, rzeczywiste lub pozorne obrazy innych obiektów. Za stopień rozproszenia odpowiada przy tym rozmiar nierówności powierzchni i długość padającej fali - im jest ona większa, tym bardziej chropowata powierzchnia wydaje się dla oka obserwatora gładka.