Per molti strumenti ottici (il cannocchiale, il binocolo, la macchina fotografica, i moderni telescopi, ecc.) l'elemento base è la lente o, meglio, sono le lenti, poiché spesso esse vengono combinate tra loro. Normalmente una lente è un blocco di vetro o di altro materiale trasparente (molto usato è il polimero polimetilmetacrilato, più noto col nome di plexiglas, assai apprezzato per le sue caratteristiche ottiche) limitato da due superfici curve. Quasi sempre, e soprattutto in passato, le superfici delle lenti sono porzioni di calotta sferica.

Per ogni lente l'asse che passa per i centri delle due superfici sferiche è detto asse ottico e il suo funzionamento è dovuto al fenomeno della rifrazione ovvero al cambiamento di direzione che subisce un raggio luminoso nel passaggio da un mezzo ad un altro con diverso indice assoluto di rifrazione, come accade nel passaggio aria - vetro e vetro - aria attraverso una lente. Solo nel caso in cui l'angolo d'incidenza fosse nullo, il raggio non subisce rifrazione ad opera della lente.

Galleria d'immagini

Tipi di lenti Lenti convergenti e divergenti

Le immagini di oggetti che si possono osservare tramite una lente sono di due tipi, reali e virtuali. Se i raggi emergenti da una lente si incontrano in qualche punto dello spazio, l'immagine di un oggetto può allora essere raccolta su uno schermo. Quest'immagine data dalla lente viene detta immagine reale, mentre nel caso in cui i raggi emergenti non si incontrino in nessun punto dello spazio, ma lo fanno solo i loro prolungamenti fittizi nel verso opposto a quello di propagazione, allora l'immagine non può essere raccolta su uno schermo per cui l'immagine viene detta virtuale. Questa differenza nelle immagini deriva dal fatto che la deviazione subita dai raggi nel passaggio di mezzo è sì un fenomeno che si manifesta in tutte le lenti, ma i suoi effetti sono ben diversi a seconda del tipo di lente impiegato.

Si distinguono infatti due classi di lenti, quelle convergenti e quelle divergenti (vedi foto):

• le lenti convergenti sono più spesse al centro che ai bordi. Data la particolare geometria, la deviazione operata da queste lenti è tale che un insieme di raggi che giungano con direzione parallela all'asse ottico vengano portati a convergere tutti in uno stesso punto detto fuoco. Queste lenti danno immagini sia virtuali che reali a seconda della posizione dell'oggetto osservato rispetto all'asse ottico e della sua distanza dalla loro superficie;
• le lenti divergenti sono invece più spesse ai bordi che al centro. In questo caso la deviazione che subisce un insieme di raggi paralleli all'asse ottico è tali da farli allontanare l'un l'altro, cioè divergere. Il fuoco della lente è il punto dove si incontrano i prolungamenti verso la sorgente dei raggi che l'attraversano e pertanto questo tipo di lenti è in grado di produrre solo immagini virtuali degli oggetti reali.

Per osservare piccoli oggetti o dettagli una singola lente d'ingrandimento è senza dubbio uno strumento di grande aiuto. Ne fanno uso per esempio i filatelici le cui lenti hanno un ingrandimento non superiore a 2 (cioè le dimensioni di un particolare osservato attraverso di essa sono doppie delle dimensioni reali dell'oggetto), mentre le lenti singole d'ingrandimento più potenti arrivano massimo a 6 o 7 ingrandimenti. Questi valori non sono sufficienti per poter studiare corpi assai piccoli, come una cellula, invisibili ad occhio nudo. Per ottenere ingrandimenti maggiori si devono allora accoppiare più lenti, come accade nel microscopio, uno strumento ottico che ha reso enormi servigi allo sviluppo della biologia e della medicina, e nel Gran canocchiale con sostegno.

È importante segnalare che in passato, alla nascita dei primi strumenti ottici, il passaggio dalla semplice previsione teorica mediante l'Ottica Geometrica del comportamento di una lente o di una serie di lenti accoppiate in uno strumento all'effettiva realizzazione pratica dello strumento stesso ha trovato un grosso ostacolo soprattutto nella costruzione della lente. Infatti ogni lente veniva realizzata ovviamente a mano per molatura e successiva levigatura dall'occhialaio e l'esito dipendeva in larghissima parte proprio dalla sua abilità ed esperienza. Così accadeva che la non perfetta corrispondenza tra la superficie vera e propria della lente e quella della lente teorica rendevano i pochi strumenti del Seicento (effettivamente funzionanti e utilizzabili per l'osservazione) dei pezzi unici e assai rari. Inoltre, quanto più ci si discostava dalle particolari condizioni per le quali è lecito ricorrere alla teoria semplificata offerta dall'Ottica Geometrica, tanto più i risultati finali erano scadenti con immagini fortemente distorte e piene di aloni variamente colorati. In poche parole le lenti risultavano affette da aberrazioni di ogni tipo.