При этом сосредоточимся на вопросах распространения света в неоднородной среде, показатель преломления которой плавно меняется в пространстве. Световое поле представляется в форме локально плоской волны. В приближении геометрической оптики амплитуда этой волны не зависит от частоты, а частота, которая считается большой величиной, входит только в фазовый множитель.

В однородной (n=const) среде простейшее решение волнового уравнения - плоская волна

. (1)

Фаза ее постоянна на плоскостях z=cоnst, т.е. фазовые фронты плоские. Нормали к фронтам параллельны.

Пусть показатель преломления среды есть функция координат n=n(r), тогда амплитуда А становится функцией координат, а волновые фронты перестают быть плоскими. Нормали к ним не параллельны, но близки к параллельным. Будем считать, что все характерные масштабы изменения и амплитуды поля, и показателя преломления среды велики по сравнению с длиной волны  (=2p/k). Если l - наименьший из этих масштабов, то предполагается, что выполнено неравенство

Это неравенство - не самое сильное условие применимости лучевой или геометрической оптики, законы которой мы ниже сформулируем. Представим поле световой волны в неоднородной среде в виде почти плоской волны

(3)

Здесь А(k,r) - амплитуда волны; kS(r) - фаза; величина S(r) называется эйконалом. Термин «почти плоская волна» оправдан тем, что в области порядка 2p/kn поле имеет вид (1).

Амплитуду А и эйконал S будем искать из требования, чтобы решение, записанное в форме (3), удовлетворяло волновому уравнению, и при этом используем условие, что k велико. Это можно сделать несколькими способами. Простейший из них состоит в том, чтобы искать А в виде лучевого разложения по обратным степеням k:

(4)

Фактически это разложение проводится по возрастающим степеням безразмерного малого параметра μ (2).

Подставляя (3), (4) в волновое уравнение

(5)

и приравнивая нулю коэффициенты при одинаковых степенях k, получим в нулевом приближении уравнение эйконала

(6)

а в следующих приближениях — систему рекуррентных уравнений для амплитуд

(7)

(8)

которые называются уравнениями переноса.

Приближение, при котором в (4) сохраняется только нулевой член, называется геометрооптческим приближением. Поля в этом приближении, т.е. поля геометрической оптики

(9) Приближение геометрической оптики

содержат частоту только множителем в фазе. В отличие от (3), в (9) А₀ уже не есть функция частоты.

Геометрическая оптика рассматривает формирование изображения с помощью световых лучей. В основе геометрической оптики лежат законы прямолинейного распространения света и независимости распространения световых лучей в изотропных средах, а также законы преломления и отражения на границах раздела сред с разными оптическими свойствами. Природу световых излучений в геометрической оптике во внимание не принимают; пренебрегают и такими физическими явлениями, как интерференция, дифракция и др.

Физиологическая оптика — наука о зрительном восприятии света глазом — смыкается с биофизикой и психологией, исследует механизмы зрения, изучает восприятие света глазом.
Значительную часть практических вопросов можно вполне удовлетворительно решить с помощью законов геометрической оптики. Теория оптических приборов базируется в основном на законах геометрической оптики, частью которой является теория аберраций и методика расчета оптических систем. Оптические системы приборов, рассчитанные в соответствии с законами геометрической оптики, обеспечивают достаточно хорошее качество изображения.
Однако существует ряд явлений, связанных с образованием оптических изображений и их качеством, которые можно правильно объяснить только с позиций физической или волновой оптики. К их числу относятся явления дифракции (отклонения лучей от прямолинейного распространения); интерференции (взаимодействия световых пучков); дисперсии (изменения скорости распространения излучения в зависимости от его частоты, в результате чего происходит разложение сложного излучения на его составляющие—монохроматические излучения). Такие вопросы объясняет только физическая оптика, рассматривающая световое излучение как процесс распространения коротких электромагнитных волн, и изучающая тонкую структуру оптического изображения.
Следует подчеркнуть, что все электромагнитные волны и, в частности, волны оптического диапазона могут вступать во взаимодействие со всеми известными современной науке веществами. Это положение характеризует тесную связь учения об оптических явлениях с учением о молекулярном строении вещества и объясняет широкое применение оптических методов исследования и контроля.