Если при прохождении через одну среду пучок света сталкивается с другой средой, он делится на две части: одна часть отражается в первой, а другая преломляется во второй. Луч, который отражается, делает это под углом падения, равным углу отражения, и как падающая, так и отраженная части остаются в одной плоскости. Каждая среда имеет свой собственный показатель преломления, который соответствует соотношению её плотности с плотностью воздуха. В луче, который преломляется, отклонение увеличивается в зависимости от различия плотности между двумя средами. Плотность воздуха считается единицей.
В оптике «линзой» называют любое прозрачное вещество, форма которого приводит к преломлению света, изменяя местоположение фокуса.
Оптической осью называется линия, проходящая через центр сферической линзы и через её центр кривизны. Если пучок лучей, распространяющийся вдоль оптической оси, попадает на сферическую поверхность линзы, лучи будут отражаться или преломляться таким образом, что могут пересекаться в точке, расположенной на оптической оси. Эту точку, где два луча пересекаются, мы называем «фокусом». Расстояние между этой точкой и линзой называется «фокусным расстоянием».
Линзы с поверхностями с малым радиусом кривизны имеют короткие фокусные расстояния. Линза с двумя выпуклыми поверхностями всегда преломляет лучи, параллельные оптической оси, так, чтобы они сходились в фокусе, расположенном на стороне линзы, противоположной объекту. Единицей оптической силы линзы или любой оптической системы называется «диоптрия». Сила выпуклой линзы положительна, а сила вогнутой линзы отрицательна. Вогнутая поверхность линзы отклоняет падающие на неё лучи, параллельные оси, в расходящемся направлении. Сходящиеся линзы приближают точку схождения лучей, проходящих через них, и используются для тех, кто страдает «близорукостью». Расходящиеся линзы отдаляют точку схождения лучей, проходящих через них, и используются для тех, кто страдает «дальнозоркостью».
Вместо простой выпуклой линзы с одинаковой средой (воздух) с обеих сторон, система глаза включает роговицу, водянистую влагу, хрусталик и стекловидное тело. Цель этого сложного комплекса - сократить фокусное расстояние.
Система, образованная глазом, обычно рассматривается как линза с оптическим центром (узловой точкой) в задней части хрусталика. Параллельные лучи, попадающие на роговицу, фокусируются в 24 мм позади неё. В нормальном глазу фокус совпадает с сетчаткой. Это состояние называется «эмметропия». Совпадение фокуса с сетчаткой, с другой стороны, означает ясное и чёткое зрение.
Однако иногда сетчатка находится не на точном месте, чтобы лучи могли правильно сфокусироваться на ней. В таких случаях она может находиться либо ближе, либо дальше от правильной точки. Когда она ближе, говорят, что глаз «дальнозоркий», а когда дальше - «близорукий». Таким образом, если рассматривать эффект параллельных лучей, можно заметить, что при дальнозоркости, когда лучи достигают сетчатки, они ещё не сфокусированы, тогда как при близорукости они уже сфокусировались и начали расходиться. В обоих случаях несоответствие между фокусом и сетчаткой связано с нечетким зрением и представляет собой ситуации, которые называются «аномалии рефракции» или аметропии.
У человека с нормальным зрением фокус, соответствующий удалённым объектам (находящимся на расстоянии более шести метров), совпадает с сетчаткой только тогда, когда его глаза находятся в состоянии покоя, так как световые пучки почти параллельны. Для глаза с дефектом в виде миопии такое совпадение невозможно. Пациент с миопией может чётко видеть только близко расположенные объекты, он является «короткозорким». Он может немного лучше видеть удалённые объекты, прищуривая веки, что можно описать как вынужденный отбор лучей, достигающих его зрачка. Термин «миопия» происходит от этой особенности. Слово «миоп» происходит от греческого *mýǒps*, от *mýǒ* - «я закрываю», и *ǒps* - «глаз».
Гиперметропия, в свою очередь, возникает у глаза с фокусной точкой, расположенной позади плоскости сетчатки. В этих случаях наблюдается дефицит схождения. Расходящиеся лучи, испускаемые близкими объектами, не могут сфокусироваться на сетчатке, что приводит к размытости ближнего зрения.
Тот же феномен также наблюдается у подавляющего большинства людей после сорока лет, что называется «пресбиопией». В течение многих лет считалось, что в таких случаях всё происходит из-за ослабления сокращения цилиарной мышцы, что препятствует расслаблению «зонулярных волокон», вследствие чего хрусталик теряет свою способность увеличивать свой передне-задний диаметр и вызывает потерю «аккомодации».
Тем не менее, следует отметить, что хотя офтальмология считала, что дефекты рефракции объясняются избыточной кривизной (миопия) или недостатком кривизны (гиперметропия) хрусталика, уже в 1940 году американский офтальмолог Уильям Бейтс утверждал, что хрусталик не является фактором аккомодации. Он заявлял, что этот факт подтверждается многочисленными наблюдениями глаз у взрослых и детей с нормальным зрением, с рефракционными ошибками или амблиопией (снижением зрения без видимой причины, с др-греч ленивый глаз) , а также глаз у взрослых после удаления хрусталика в результате «катаракты»
В настоящее время медицинский консенсус признаёт, что как миопия, так и гиперметропия связаны с деформацией глазного яблока, с удлинением (миопия) или укорочением (гиперметропия) его передне-задней оси. Однако существуют и те, кто считает, что ошибки рефракции могут быть обусловлены другими причинами, кроме осевого укорочения или удлинения глаза (аксиальная аметропия). Они полагают, что причиной могут быть изменения показателей преломления сред или нарушения кривизны поверхностей; в таких случаях это называется соответственно «аметропия индекса» или «аметропия кривизны».
Уильям Бейтс утверждал, что за более чем тридцать лет клинического опыта он не наблюдал ни одного случая, который не соответствовал бы его убеждению, что хрусталик и цилиарная мышца не имеют никакого отношения к аккомодации. Он категорически заявлял, что изменения конфигурации глазного яблока, от которых зависят ошибки рефракции, не являются постоянными. Он утверждал, что его клинические наблюдения достаточно убедительны для доказательства истинности этого мнения, и что их достаточно, чтобы показать, как можно устранить ошибки рефракции навсегда с помощью продолжительного лечения. Именно так Уильям Бейтс разработал методику коррекции зрения, которая получила название «метод Бейтса».