I geometrisk optik er en lysstråle en linje, langs hvilken lysenergi overføres. Mindre tydeligt, men mere tydeligt, kan en lysstråle af lille tværgående størrelse kaldes en lysstråle.
Konceptet med en lysstråle er en hjørnestenstilnærmelse af geometrisk optik. Denne definition indebærer, at retningen af strømmen af strålingsenergi (lysstrålens bane) ikke afhænger af lysstrålens tværgående dimensioner. På grund af det faktum, at lys er et bølgefænomen, finder diffraktion sted , og som et resultat udbreder en smal lysstråle sig ikke i nogen retning, men har en endelig vinkelfordeling.
Men i de tilfælde, hvor lysstrålernes karakteristiske tværdimensioner er tilstrækkeligt store i forhold til bølgelængden, kan man se bort fra divergensen af lysstrålen og antage, at den udbreder sig i én enkelt retning: langs lysstrålen.
Begrebet en lysstråle kan også udledes af en streng bølgeteori om lys inden for rammerne af den såkaldte eikonal tilnærmelse . I denne tilnærmelse antages det, at alle egenskaberne for mediet, som lyset passerer igennem, ændrer sig meget lidt ved afstande af størrelsesordenen af lysets bølgelængde . Som et resultat kan en elektromagnetisk bølge i et medium lokalt betragtes som et stykke af en plan bølgefront med en bestemt gruppehastighedsvektor (som per definition er ansvarlig for energioverførslen). Således danner sættet af alle gruppehastighedsvektorer et bestemt vektorfelt. Rumlige kurver, der tangerer dette felt i hvert punkt, kaldes lysstråler. Overflader, der er ortogonale i hvert punkt i forhold til gruppehastighedsfeltet, kaldes bølgeoverflader .
I den eikonale tilnærmelse, i stedet for ligningen for en elektromagnetisk bølge, er det muligt at opnå en ligning for udbredelsen af en lysflux (det vil sige for kvadratet af amplituden af en elektromagnetisk bølge) - den eikonale ligning . Løsningerne af den eikonale ligning er netop de lysstråler, der udsendes fra et givet punkt.
Hvis mediets egenskaber ikke afhænger af koordinaterne (det vil sige, hvis mediet er homogent), så er lysstrålerne lige. Dette følger direkte af den eikonale tilnærmelse af bølgeoptik, men det er praktisk at formulere det samme rent geometrisk optik ved hjælp af Fermats princip . Det er dog værd at understrege, at anvendeligheden af Fermats princip i sig selv på lysstrålernes forløb kun er berettiget på niveau med bølgeoptik.
Det er indlysende, at den geometriske optiks love ikke kan hjælpe i tilfælde, hvor et medie pludseligt, i afstande mindre end lysets bølgelængde, erstattes af et andet medie. Især kan geometrisk optik ikke besvare spørgsmålet om, hvorfor der overhovedet skulle være lysbrydning eller refleksion. Bølgeoptik giver svar på disse spørgsmål, men den resulterende lov om lysbrydning og loven om lysreflektion kan formuleres igen i den geometriske optiks sprog.
Et sæt nærliggende lysstråler kan opfattes som en lysstråle . De tværgående dimensioner af lysstrålen behøver ikke at forblive uændrede, da forskellige lysstråler generelt ikke er parallelle med hinanden.
Et vigtigt tilfælde af lysstråler er homocentriske stråler , det vil sige sådanne lysstråler, hvis stråler skærer hinanden på et eller andet tidspunkt i rummet. Sådanne lysstråler kan formelt opnås fra en punktlyskilde eller fra en flad lysfront ved hjælp af en ideel linse . Standard billeddannelsesproblemer i optiske systemer bruger kun egenskaberne af sådanne stråler.
Ikke-homocentriske bundter konvergerer ikke til ét punkt i rummet. I stedet konvergerer hver lille sektion af en sådan stråle til sit fokus. Stedet for alle sådanne foci af ikke-homocentriske skiver kaldes det kaustiske .