La comprensione dell'ottica sia geometrica che fisica ci consente di studiare i fenomeni risultanti da entrambi gli aspetti delle particelle e delle onde della luce.
Proprietà della luce

La luce viaggia attraverso lo spazio come onde elettromagnetiche e
come particelle. Come risultato di questa dualità onda-particella
, quando i fisici lavorano con l'ottica (lo studio della luce), devono pensare alla propagazione della luce in uno di due modi, a seconda dell'applicazione. >

Quando si pensa a caratteristiche della luce come l'interferenza, la polarizzazione o il colore, descrivere la luce come fronti delle onde trasversali è la strada da percorrere. Ma quando si costruisce un telescopio o una lente correttiva e si determina come la luce rifletterà, rifrarrà e trasmetterà, l'opzione migliore è pensare alla luce come un raggio di particelle che si muovono in linee rette chiamate raggi.
Wave Optics e Wave Theory of Light

Lo studio dell'ottica fisica utilizza la natura ondulatoria della luce per comprendere fenomeni quali schemi di interferenza causati da onde luminose che attraversano reticoli di diffrazione e spettroscopia. L'ottica fisica decollò come campo nel 1800 dopo diverse scoperte chiave, tra cui l'esistenza della luce al di fuori dello spettro visibile di Sir Frederick William Herschel.

Nell'ottica fisica, la luce è rappresentata come un fronte d'onda trasversale, come la sinusoidale o "curva a S" che descrive anche un'onda che viaggia attraverso l'acqua con creste e canali (punti alti e bassi). Con questo modello, le onde luminose seguono le stesse regole delle altre onde trasversali: le loro frequenze e lunghezze d'onda sono inversamente proporzionali a causa dell'equazione della velocità dell'onda e i fronti delle onde interferiscono l'uno con l'altro nel punto in cui si intersecano.

Ad esempio, due creste (punti alti) o due depressioni (punti bassi) che si sovrappongono interferiscono in modo costruttivo
, rendendo la cresta generale più alta o la depressione complessiva più bassa, rispettivamente. Dove i fronti delle onde si incontrano sfasati - una cresta e una depressione insieme - interferiscono in modo distruttivo
, annullandosi completamente o parzialmente l'un l'altro.

Anche pensare alla luce come un'onda è anche la chiave comprendere le differenze tra i tipi di luce nello spettro elettromagnetico, come la differenza tra radio, visibile e raggi X, poiché tali tipi sono classificati in base alle loro proprietà d'onda. Questo significa anche trattare la luce come un'onda è importante nell'ottica fisica del colore, dal momento che è un sottoinsieme della porzione visibile dello spettro.
Ottica geometrica e ray tracing

Nell'ottica geometrica, i fisici usano la natura particellare della luce per rappresentare il suo percorso in linee rette conosciute come raggi. L'ottica geometrica è stata utilizzata per molto più tempo rispetto all'ottica fisica, poiché le persone avevano imparato a progettare dispositivi che piegano e focalizzano la luce per scopi come la realizzazione di telescopi e lenti correttive ben prima di capire cosa fosse la luce. Nel 1600, le lenti a macinare allo scopo di aiutare la visione umana erano all'ordine del giorno.

I raggi di luce sono disegnati come linee rette che emanano da una sorgente luminosa e indicano la direzione che la luce percorre. Un diagramma a raggi viene utilizzato per mostrare i percorsi di diversi raggi di luce rappresentativi mentre riflettono, rifrangono e trasmettono attraverso materiali diversi al fine di determinare misure quali la lunghezza focale e le dimensioni e l'orientamento dell'immagine risultante.

Di tracciando i percorsi dei raggi di luce, i fisici possono comprendere meglio i sistemi ottici, compresa la formazione di immagini in lenti sottili e specchi piani, fibre ottiche e altri strumenti ottici. Data la sua lunga storia come campo, l'ottica geometrica ha portato a diverse leggi ben note su come la luce rimbalza e si piega, forse più notoriamente la legge di rifrazione (legge di Snell) e la legge della riflessione.