Przechodząc przez przyrząd optyczny, taki jak teleskop lub soczewka aparatu fotograficznego, promień światła ulega zmianie kierunku na każdej załamującej lub odbijającej powierzchni.
Możemy zrekonstruować ścieżki takich promieni, jeśli znamy dwa proste prawa, które rządzą zmianami kierunku: prawo załamania, które zostało odkryte przez Willebrorda Snella kilkaset lat temu, oraz prawo odbicia, z którym Archimedes był obeznany już ponad 2000 lat temu.
Rys. 1 pokazuje prosty przykład, w którym promień światła A-B ulega załamaniu na każdej z czterech powierzchni brzegowych dwóch soczewek, zgodnie z prawem Snella.

Pierre de Fermat zdefiniował całkowitą ścieżkę promienia świetlnego z dużo bardziej ogólnego punktu widzenia.
W różnych ośrodkach światło rozchodzi się z różnymi prędkościami, a trasa promienia sprawia wrażenie jakby światło musiało dotrzeć do celu tak szybko jak to możliwe.
Nawet najmniejsze odchylenie od ścieżki, którą światło faktycznie wybrało, musiałoby oznaczać dodatkowe opóźnienie.
To jest słynna reguła najkrótszego czasu Fermata, (
pl.wikipedia.org/wiki/Zasada_Fermata ), która w cudowny sposób w jednym zdaniu całkowicie determinuje los promienia światła, a także zawiera bardziej ogólny przypadek, w którym natura ośrodka nie zmienia się nagle na granicy poszczególnych powierzchni, lecz płynnie z jednego miejsca w inne.
Ziemska atmosfera jest dobrym tego przykładem: im bardziej w głąb niej penetruje promień..