镜头
光线追踪可用于显示镜头如何形成图像。对于空气中的薄透镜，图像的位置由简单方程给出
,
是物体到镜头的距离，是镜头到图像的距离，并且是镜头的焦距。在此处使用的符号约定中，如果物体和图像位于镜头的相对两侧，则物体和图像距离为正。
物理光学
在物理光学中，光被认为是作为波传播的。该模型预测了几何光学无法解释的干涉和衍射等现象。
波动模型可用于预测光学系统的行为方式，而无需解释什么是在什么介质中“波动”。直到 19 世纪中叶，大多数物理学家都相信光干扰在其中传播的“空灵”介质。1865 年麦克斯韦方程组预测了电磁波的存在。这些波以光速传播，并具有相互正交的变化电场和磁场，也与波的传播方向正交。光波现在通常被视为电磁波，除非必须考虑量子力学效应。
叠加和干涉
在没有非线性效应的情况下，叠加原理可用于通过简单地添加干扰来预测相互作用波形的形状。波的这种相互作用以产生结果的模式通常被称为“干扰”，并可能导致各种结果。如果两个相同波长和频率的波同相，则波峰和波谷都对齐。这会导致建设性干扰以及波幅的增加，对于光而言，这与该位置的波形变亮有关。或者，如果相同波长和频率的两个波异相，则波峰将与波谷对齐，反之亦然。这会导致相消干涉和波幅的降低，这对于光而言与该位置的波形变暗有关。
衍射和光学分辨率
衍射是最常观察到光干涉的过程。1665 年， Francesco Maria Grimaldi首次描述了这种效果。第一个基于惠更斯-菲涅耳原理的衍射物理光学模型是由 Thomas Young 于1803 年在他的干涉实验中开发的，他对两个紧密间隔的狭缝的干涉图案进行了干涉实验。杨表明，只有当这两个狭缝充当两个独特的波源而不是微粒时，才能解释他的结果。在 1815 年和 1818 年，Augustin-Jean Fresnel 牢固地建立了波干涉如何解释衍射的数学。
