Ảo ảnh là một sự phản chiếu, chỉ có điều tấm gương ở đây không phải là kính, không phải là nước, mà chính là không khí. Nguyên nhân của các ảo ảnh (mirage) quan sát được trong tự nhiên thường do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp không khí gây nên hiệu ứng khúc xạ và phản xạ toàn phần. Có hai loại ảo ảnh như thế:
** Loại thứ nhất: Ảo ảnh lộn ngược và nằm dưới vật thật thường được quan sát thấy ở sa mạc, hay trên đường nhựa vào những ngày trời nắng nóng. Nguyên nhân là do sự chênh lệch nhiệt độ của các lớp không khí: mặt đất hấp thụ nhiệt từ các tia sáng mặt trời và bức xạ ngược trở lại không khí khiến cho các lớp không khí ở sát mặt đất (hoặc sát mặt đường) nóng hơn các lớp không khí ở bên trên nó. Khi độ cao tăng nhiệt độ giảm, nên mật độ của lớp không khí bên trên sẽ đậm đặc hơn và độ chiết suất cũng cao hơn. Khi đó tia sáng từ vật qua các lớp không khí bị khúc xạ nhiều lần sẽ có đường đi cong, thoai thoải và hướng xuống dưới. Càng xuống gần mặt đất, do bị khúc xạ, độ lớn của góc tới sẽ tăng dần và đến một lúc nào đó sẽ vượt qua giá trị của góc khúc xạ giới hạn làm xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, tia sáng bị phản xạ, hướng lên trên, đi đến mắt người quan sát, khiến cho họ như trông thấy bóng của vật hiện lên trên mặt đất. Ví dụ, trời mùa hè nắng nóng, đi trên đường quốc lộ ta cảm thấy mặt đường lấp loáng như mặt nước soi bóng các phương tiện ôtô, xe máy,...; hay những người trên sa mạc thường ảo giác thấy trước mặt là một hồ nước.
** Loại thứ hai: là các bóng mờ của các vật thể lớn (như tàu thuyền, hay thậm chí là một dãy núi, một hòn đảo, một thành phố) hiện lên trên bầu trời, trên mặt biển gần bờ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do có lớp không khí lạnh nằm sát mặt nước, trong khi các lớp không khí bên trên nó thì nóng hơn do được mặt trời sưởi ấm. Cơ chế xảy ra giống hệt loại thứ nhất, nhưng hướng của tia sáng thì ngược lại. Khi đó, tia sáng từ vật thể lớn, tỉ dụ như con thuyền, đi hướng lên trên, do khúc xạ mà thay vì truyền theo đường thẳng nó đi theo một đường cong với góc tới ngày càng lớn, đến khi lớn hơn góc khúc xạ giới hạn, nó bị phản xạ và hướng xuống đến mắt người quan sát, làm cho người đó như thấy cái bóng lộn ngược của con thuyền trên bầu trời.
Trong quang học, ảo ảnh là các cảm giác hình ảnh không có thật để lại trong tâm thức khi quan sát một số hình ảnh đặc biệt. Lúc này, thông tin thu thập được từ mắt được xử lý bởi bộ não cho ra các cảm nhận không trùng với vật thể có thật. Ảo ảnh quang học thể hiện rằng bộ não người khi cảm nhận về hình ảnh có thể dùng các giả thiết nhất định để làm tăng tốc quá trình xử lý thông tin nhưng đôi khi không phù hợp thực tế.
Trên sa mạc, môi trường trong suốt nhưng không đồng tính: mặt đất thì nóng, trên cao thì lạnh, mật độ không khí không đều, ánh sáng có thể truyền theo đường cong. Do đó gây ra hiện tượng ảo ảnh.
