1. Sources de lumière : primaires et secondaires
Un objet n'est visible que s'il envoie de la lumière vers l'œil de l'observateur. On distingue deux catégories de sources lumineuses. Une source primaire (ou source de lumière) est un corps qui produit lui-même la lumière qu'il émet : le Soleil, une étoile, une flamme, une lampe allumée. Une source secondaire (ou objet diffusant) est un objet non lumineux par lui-même, mais qui renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu'il reçoit d'une source primaire : la Lune, une page de livre, un mur éclairé. La grande majorité des objets qui nous entourent sont vus grâce à la lumière qu'ils diffusent, et non parce qu'ils émettent leur propre lumière.
2. Propagation rectiligne de la lumière
Dans un milieu transparent et homogène (l'air, le vide, l'eau pure), la lumière se propage en ligne droite : c'est le principe de propagation rectiligne. On peut le vérifier en alignant plusieurs écrans percés d'un petit trou : la source n'est visible à travers les trous que lorsque ceux-ci sont parfaitement alignés. Dans le vide, la lumière se propage à la vitesse , valeur quasiment identique à sa vitesse dans l'air.
3. Rayon lumineux et faisceau lumineux
On modélise le trajet de la lumière par un rayon lumineux, droite orientée indiquant le sens de propagation. Un ensemble de rayons issus d'une même source forme un faisceau lumineux : divergent lorsque les rayons s'écartent à partir d'un point (source ponctuelle proche), convergent lorsqu'ils se rapprochent vers un point, parallèle lorsqu'ils restent à distance constante (source très éloignée comme le Soleil).
4. Milieux transparents, translucides et opaques
Un milieu transparent se laisse traverser par la lumière sans la diffuser, permettant de voir nettement à travers (verre clair, eau). Un milieu translucide laisse passer une partie de la lumière mais la diffuse, empêchant de distinguer nettement les objets (verre dépoli). Un milieu opaque ne laisse pas passer la lumière (bois, métal) : il donne naissance à des zones d'ombre.
5. Ombre propre et ombre portée
Lorsqu'un objet opaque est éclairé par une source ponctuelle (dimensions négligeables), la face de l'objet non atteinte par la lumière constitue son ombre propre. La zone sombre qui apparaît sur un écran placé derrière l'objet, là où les rayons lumineux sont interceptés, est appelée ombre portée. Avec une source ponctuelle, l'ombre portée est nette et entièrement sombre : aucun rayon issu de la source n'y parvient.
6. Pénombre : cas d'une source étendue
Lorsque la source possède une taille non négligeable (source étendue, comme une ampoule ou le Soleil), l'ombre portée d'un objet opaque se divise en deux régions : l'ombre (aucune lumière d'aucun point de la source) et la pénombre (lumière provenant seulement d'une partie de la source, donc partiellement éclairée). Ce phénomène explique les contours flous des ombres portées par une lampe de bureau, ainsi que les éclipses partielles.
7. Condition de visibilité d'un objet
Un point est visible par un œil placé en un point donné si, et seulement si, un rayon lumineux issu de ce point (émis ou diffusé) atteint effectivement l'œil sans être intercepté par un obstacle opaque sur son trajet. La visibilité dépend donc à la fois de l'existence d'une source au niveau de ce point, et d'un trajet rectiligne dégagé jusqu'à l'œil.
8. Angle de vue (diamètre apparent)
La taille apparente d'un objet dépend non seulement de sa taille réelle mais aussi de sa distance à l'observateur. L'angle de vue (diamètre apparent) sous lequel un objet AB est vu depuis un point O est l'angle formé par les rayons extrêmes joignant O aux extrémités A et B. Pour un objet petit devant sa distance à l'œil, on utilise l'approximation des petits angles (radians) : .
9. Pouvoir séparateur de l'œil
L'œil ne distingue deux points que si l'angle de vue sous lequel ils sont vus dépasse une valeur minimale, le pouvoir séparateur (limite de résolution angulaire), noté . Pour un œil normal, minute d'angle, soit environ . Si l'angle de vue entre deux points est inférieur à , l'œil les perçoit comme un seul point confondu.