透镜产生聚焦效果的原因是，光在透镜中的传播比在周围空气中的传播慢，因此光束进入透镜的位置和从透镜出射到空气中的位置都会发生光束的折射，突然弯曲。
单个透镜具有两个精确规则的相对表面。两个表面都是弯曲的，或者一个表面是弯曲的，另一个是平面。可以根据透镜的两个表面将其分类为双凸透镜，平凸透镜，凹凸透镜（会聚弯月面），双凹透镜，平凹透镜和凸-凹（会聚弯月面）。由于透镜表面的曲率，入射光束的不同光线会以不同角度折射，从而可以使整束平行光线会合或出现从一个点发散。这一点称为镜头的焦点或主焦点（通常在射线图中描绘为F）。从物体反射或发射的光线的折射会导致光线形成物体的视觉图像。该图像可能是真实（可拍摄或在屏幕上可见）或虚拟-仅在观察镜头时才可见，例如在显微镜中。根据镜头的焦距以及镜头与物体之间的距离，图像可能比物体大得多或小得多。透镜的焦距是从透镜中心到形成远处物体的图像的点的距离。长焦距镜头形成远处物体的较大图像，而短焦距镜头形成较小的图像。
通常，由单个透镜形成的图像不足以在天文学，显微镜和摄影等领域进行精确的工作。这是因为由远处物体中的单个点发出的圆锥不是由透镜在一个完美的点上结合，而是形成一小块光。单个目标点的镜头图像中的这种和其他固有缺陷称为像差。为了校正这种像差，通常需要在一个安装架中组合几个透镜元件（单个透镜），其中一些可能是凸面的而有些是凹面的，有些是由致密的高折射或高色散玻璃制成，而另一些是由低折射率玻璃制成。 -折射或低色散玻璃。另请参见 像差）。精确的安装还可以确保所有镜头正确居中；也就是说，所有镜头表面的曲率中心都位于一条称为镜头的主轴。衡量任何镜头系统质量的常用方法是其形成足够清晰的图像以分离或分辨物体中两条非常靠近的点或线的能力。分辨力取决于镜头系统中各种像差的校正程度。
最简单的复合透镜是两个单透镜的薄胶合组合，例如小型折射望远镜的物镜（最靠近物镜的透镜）中使用的透镜。显微镜物镜可能包含多达八或九个元素，其中一些元素可能由不同的材料制成，以使所有颜色的光聚焦到一个共同的焦点上，从而防止色差。相机中使用的物镜可包含2到10个元件，而所谓的变焦或可变焦距镜头可在多组中包含多达18或20个元件，不同的组可通过控制杆或控制杆沿轴移动。凸轮以在不移动焦平面的情况下产生所需的焦距变化。镜头的直径变化也很大，从0.16厘米（1/ 16英寸）用于显微镜物镜的元件，而对于天文望远镜物镜则高达100厘米（40英寸）。在反射镜和其他几种天文望远镜中，使用凹面镜代替物镜作为物镜。
