В основе геометрической оптики лежат законы отражения и преломления света.
Закон отражения утверждает, что отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью N, проведенной в точке падения, при этом угол отражения равен углу падения. Закон преломления: луч падающий, преломленный и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной пары двух сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой.
Если луч распространяется из оптически более плотной среды в менее густое, то при некотором предельном угле падения преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред, т. е. При угле падения световой луч полностью отражается. В этом заключается суть явления полного внутреннего отражения. На явлении полного внутреннего отражения базируется работа приборов (рефрактометров), которые позволяют определять показатель преломления среды.
Линза называется тонкой, если ее толщина d мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей R1 и R2. Главной оптической осью линзы называют прямую, проходящую через центры кривизны ее поверхностей. Можно считать, что в такой линзе точки пересечения главной оптической оси с обеими поверхностями линзы совпадают. Эту точку называют центром линзы. Лучи, проходящие через центр линзы, не испытывают преломлений. Плоскости, проходящие через главные фокусы F и линзы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными плоскостями линзы.
Зачастую бывает, что вещество по обе стороны от линзы одна и та же (например, воздуха). Тогда главные фокусные расстояния численно равны друг другу. Противоположные знаки означают, что главные фокусы лежат по разные стороны от линзы.