光学是研究光的行为和特性的物理学分支，包括光与物质的相互作用以及使用或检测光的仪器的构造。光学通常描述可见光、紫外光和红外光的行为。因为光是一种电磁波，所以其他形式的电磁辐射，如X 射线、微波和无线电波也表现出类似的特性。
大多数光学现象可以通过使用光的经典电磁描述来解释。然而，光的完整电磁描述通常难以在实践中应用。实用光学通常使用简化模型完成。其中最常见的几何光学将光视为光线的集合，这些光线沿直线传播，并在穿过或从表面反射时弯曲。物理光学是一种更全面的光模型，包括衍射和干涉等波动效应这在几何光学中是无法解释的。历史上，首先开发了基于光线的光模型，然后是光的波动模型。19世纪电磁理论的进步导致发现光波实际上是电磁辐射。
一些现象依赖于具有波状和粒子状特性的光。这些效应的解释需要量子力学。在考虑光的类粒子特性时，光被建模为称为“光子”的粒子集合。量子光学涉及量子力学在光学系统中的应用。
经典光学
经典光学分为两个主要分支：几何光学和物理光学。在几何光学中，光被认为是直线传播，而在物理光学中，光被认为是电磁波。
几何光学可以看作是物理光学的近似，当所使用的光的波长远小于被建模系统中光学元件的尺寸时，它适用于物理光学。
几何光学
几何光学，用直线传播的射线来描述光的传播，其路径受不同介质界面处的反射和折射定律支配。这些定律早在公元984年就已凭经验发现，并且从那时起一直用于光学元件和仪器的设计。它们可以总结如下：
- 当一束光线撞击两种透明材料之间的边界时，它分为反射光线和折射光线。
- 反射定律说反射光线位于入射平面内，反射角等于入射角。
- 折射定律说折射光线位于入射平面内，入射角的正弦除以折射角的正弦是一个常数：
,
其中n是任意两种材料和给定颜色的光的决定的常数。如果第一种材料是空气或真空，n是第二种材料的折射率。
反射和折射定律可以从费马原理推导出来，该原理指出，光线在两点之间所走的路径是可以在最短的时间内穿过的路径。
反射和折射
镜头
由于折射而产生会聚或发散光线的装置称为透镜。透镜的特点是它们的焦距：会聚透镜具有正焦距，而发散透镜具有负焦距。较小的焦距表示镜头具有较强的会聚或发散效果。一个简单的镜头在空气中的焦距由镜头制造商方程给出。
