光轴是光學系統中一條假想的線，定義（在一次近似下）光學系統如何傳導光線。光線若和光轴重合，在光學系統中光將沿光轴傳遞。
光轴和光軸平行的光線通過不同透鏡折射的情形，其中紅光和光轴重合
若此光學系統有一定程度的轉動對稱（像相機鏡頭或是顯微鏡），光轴一般會是光學系統的旋轉中心，若光學系統是由簡單的透鏡和反射鏡組成，光轴會通過各平面的曲率中心（如焦點），和轉動對稱軸重合。光轴一般會和系統的機械中心重合，但也有例外，例如離軸光學系統。
若光線和光轴角度很小，而光線接近光學系統的軸，可以用幾何光學中的近軸近似來處理，可以簡化數學的運算。
在光纖中，光轴會和纤维芯重合，也稱為光纖軸。
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