We beperken ons tot de optica van de lenzen die gebruikt worden in fototoestellen. Dus geen lenzen met negatieve kromming (holle of concave lenzen) en geen spiegels. De theorie is al moeilijk genoeg.

Waarbij R₁ en R₂ de stralen van de bolvorm zijn.
Is een zijde vlak, dan is de straal oneindig en telt de zijde niet mee bij de berekening.
De stralen van beide bolvormen worden in een cartesiaanse ruimte gemeten, dat wil zeggen dat R₂ een negatief getal oplevert voor een bolle curvatuur.
n is de brekingsindex van het lensmateriaal.
ƒ is de brandpuntsafstand.
Voor dunne lenzen (d is klein) kan men de formule vereenvoudigen (zonder het grijze deel). Als R₁ en R₂ in mm gegeven worden, dan is de brandpuntsafstand ook in mm.

Bij convexe lenzen is de brandpuntsafstand altijd positief. Bij concave lenzen heeft men een negatieve brandpuntsafstand (het virtueel “brandpunt” staat aan de andere kant van de lens). Deze lenzen worden hier niet verder besproken.

De dioptrie of lenssterkte is 1/ƒ (als ƒ uitgedrukt is in meters).

Ons object (dat formeel voorgesteld wordt door een pijl) straalt in alle richtingen uit. Ga over de vette tekst om de bijhorende lichtstralen te doen verschijnen.

Eerst beperken we ons tot de lichtstralen die evenwijdig met de optische as van de lens lopen (hoofdas).
Dit zijn de rode lichtstralen. Deze lichtstralen komen samen in het brandpunt, en lopen gewoon verder. De afbuiging is groter aan de zijkanten van de lens, want daar is ook de prisma-werking het grootst.

Dan volgen we alle lichtstralen die uit één punt afkomstig zijn.
Dit zijn de groene lichtstralen. De meeste lichtstralen raken nooit de lens. De stralen die wel door de lens gaan worden afgebroken. Let op de belangrijke straal die door de tweede brandpunt gaat: de straal wordt afgebogen tot een straal evenwijdig met de as van de lens. De straal die door het middelpunt van de lens gaat wordt niet afgebogen (immers: de twee grensvlakken (lucht-glas overgangen) staan evenwijdig met elkaar.

Ieder punt van het object geeft lichtstralen.
We tekenen hier de lichtstralen van een tweede punt. Het vreemde is dat de lichtstralen van dat tweede punt ook samenkomen op eenzelfde vlak. Deze blauwe lichtstralen laten we verder weg om het beeld niet te zwaar te maken.

Als we zowel de evenwijdige stralen en de puntstralen samenvoegen komen we tot de volgende situatie:
de puntstralen (groene stralen) komen terug samen op één punt, en de evenwijdige stralen (rode stralen) vormen nog steeds een verhouding van het onderwerp.

Hier komen de belangrijkste lichtstralen aan bod:
de straal die door het middelpunt van de lens gaat en niet afgebogen wordt (centrumstraal), en de twee stralen die door beide brandpunten gaat (eerst evenwijdig met optische as: parallelstraal en eerst door het brandpunt: brandstraal). Stralen die door het brandpunt gaan worden afgebogen tot stralen evenwijdig met de optische as.

Voor de duidelijkheid halen we alle andere stralen weg en we bekomen onze formele voorstelling met de drie belangrijke hoofdstralen.

De lens vormt een reëel beeld: een exacte afbeelding dat opgevangen kan worden door een fotografische sensor.

• Het object staat op meer dan 2× de brandpuntsafstand
  De afbeelding is omgekeerd en verkleind. Deze situatie is van toepassing op de meeste lenzen.

• Het object staat op 2× de brandpuntsafstand
  De afbeelding is omgekeerd en evengroot als het object. Dit is de situatie bij macro-lenzen bij een 1× vergroting.

• Het onderwerp staat tussen de brandpuntsafstand, en het dubbele van de brandpuntsafstand
  De afbeelding staat omgekeerd en is groter dan het object. Deze situatie treed op bij speciale lenzen zoals de Canon MP-E 65mm en bij dia-, filmprojectoren en foto-ontwikkelaars.

• Het onderwerp staat op de brandpuntsafstand
  Er wordt geen beeld gevormd en de lichtstralen uit het brandpunt verlaten de lens evenwijdig. Bij taslampen uitgerust met een lens staat de gloeilamp op brandpuntsafstand om een zo evenwijdig mogelijk lichtbundel te produceren. In een vuurtoren staat de lamp ook in het brandpunt en gebruikt men Fresnel-lenzen: lenzen die uit dunne stroken bestaan, met altijd de juiste kromming, maar iedere strook kan dunner gemaakt worden dan een volledige lens.

• Het voorwerp staat dichter dan de brandpuntsafstand.
  Zo werkt een vergrootglas. Er ontstaat geen reëel beeld, enkel een virtueel beeld (het beeld dat je door de lens ziet). Het beeld staat rechtop en is vergroot. Door de breking van de lichtstralen afkomstig van het onderwerp zie je het onderwerp uitvergroot. De rode pijl kan je niet opvangen door een sensor op die plaats te monteren: de rode pijl is gezichtsbedrog.

Bij fotografie is vooral de eerste situate van toepassing. Naargeland het onderwerp dichter (paars) of verderaf gelegen is (groen) zal het groter of kleiner geprojecteerd worden. Maar ook het vlak waarop het beeld scherp is (focusvlak) verplaatst zich. Bij het scherpstellen op een onderwerp, wordt niet de sensor verplaatst (ten opzichte van de lens), maar de lens wordt verplaatst (ten opzichte van een vast gemonteerde sensor).

1. Om een scherp beeld te bekomen, voldoet een sferisch geslepen lens niet. Zolang men enkel sferische lenzen kon bouwen was men verplicht heel kleine openingen te gebruiken (de lenzen waren niet lichtgevoelig).

2. Lichtstralen van verschillende kleuren worden verschillend afgebogen (kleurschifting of dispersie). Vergeet niet dat de lens uit een oneindig aantal kleine prisma's bestaat. Dit fenomeen stak zijn kop op toen men ging werken met panchromatische emulsies (film dat gevoelig is voor alle kleuren en niet enkel voor groen-blauw (orthochromatische emulsies)).