Les mirages sont des phénomènes de réflexion optique de la lumière qui traverse différents milieux d'indices différents : le rayon se courbe. Cependant, comme l'oeil humain a l'habitude de visualiser des rayons lumineux se propageant en ligne droite (en milieu homogène), il observera une image à un endroit où elle ne devrait normalement pas être (rayon imaginaire). On peut observer ce phénomène assez facilement : l'air n'est pas homogène thermiquement, plus on est proche du sol et plus l'air est chaud, et donc plus on augmente en hauteur et plus l'air est froid. En prenant l'exemple du mirage du désert : l'air présente des couches d'air à différentes températures, on a un gradient thermique.

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On distingue deux types de mirages : les mirages supérieurs et les mirages inférieurs.

• Mirages supérieurs : gradient (d'indice ou thermique) positif.
• Mirages inférieurs : gradient (d'indice ou thermique) négatif. On observe une image renversée de l'objet.

Pour passer d'un point à un autre, la lumière emprunte le chemin le plus court possible : il se propage rectilignement, à vitesse constante dans un milieu homogène (donc d'indice n constant). Or, à la traversée de milieux d'indices différents, la lumière n'emprunte pas une chemin en ligne droite. Le chemin le plus court et le plus rapide pour passer d'un point à un autre est une courbe : la vitesse de la lumière dans un milieu dépend de l'indice optique du milieu : $v = \frac{c}{n}$. La direction de propagation de la lumière évolue en fonction de l'indice de réfraction du milieu traversé, qui s'obtient avec la relation de Snell Descartes : $$n_1 . sin θ_1 = n_2 . sin θ_2$$