Los espacios ópticos son sistemas de coordenadas matemáticas que facilitan el modelado de sistemas ópticos como transformaciones matemáticas. Un espacio óptico es un sistema de coordenadas matemático, como un sistema de coordenadas cartesiano asociado con un índice de refracción . El análisis de sistemas ópticos se simplifica enormemente mediante el uso de espacios ópticos que permiten a los diseñadores ubicar el origen de un sistema de coordenadas en cualquiera de varias ubicaciones convenientes. En el diseño de sistemas ópticos se emplean siempre dos espacios ópticos, el espacio de objetos y el espacio de imágenes . También se utilizan a menudo espacios intermedios adicionales.
Los espacios ópticos se extienden hasta el infinito en todas las direcciones. El espacio de objetos no existe solo en el lado de "entrada" del sistema, ni el espacio de imagen solo en el lado de "salida". Los espacios en este sentido pueden considerarse puntos de vista. Por tanto, todos los espacios ópticos se superponen completamente hasta el infinito en todas las direcciones. Por lo general, el origen y al menos algunos de los ejes de coordenadas de cada espacio son diferentes, lo que proporciona diferentes perspectivas al diseñador. Puede que no sea posible discernir a partir de una ilustración a qué espacio pertenece un punto, rayo o plano a menos que se adopte alguna convención. Una convención común usa letras mayúsculas como X, Y o Z para etiquetar puntos y letras minúsculas como a, byc para indicar distancias. Las letras sin imprimación como t o v indican el espacio del objeto y las letras sin imprimación como t ′ o v ′ indican el espacio de la imagen. Los espacios intermedios se indican mediante números primos adicionales, como r ″, z ″ o q ″. La misma letra se usa para indicar puntos o distancias que comparten una relación conjugada . La única excepción es el uso de F y F ′ para indicar respectivamente los puntos focales del objeto y el espacio de la imagen (que no son conjugados). El término "punto de objeto" no se refiere necesariamente a un punto de un objeto específico, sino a un punto en el espacio de objetos; de manera similar para "punto de imagen".
Uno puede preguntarse cómo puede existir un punto de objeto en el lado de "salida" de un sistema óptico o, a la inversa, cómo podría ubicarse un punto de imagen en el lado de "entrada" de un sistema óptico. La respuesta en ambos casos es que los puntos son virtuales; no existen físicamente. Los espacios ópticos se dividen en partes reales y virtuales. Por tanto, un punto de objeto en el lado de "salida" del sistema está en la parte virtual del espacio de objetos y se denomina punto de objeto virtual . Los puntos de objeto en el lado de "entrada" están en la parte real del espacio de objetos y son puntos de objetos reales . La situación se invierte para los puntos de imagen.
Es una práctica común designar el eje horizontal de un espacio óptico como el eje z con la dirección positiva de izquierda a derecha. De manera similar, el eje y es vertical con la dirección positiva hacia arriba.