Bei dünnen Linsen ist es erlaubt, die zweifache Lichtbrechung an den beiden Linsenoberflächen durch eine einzige an der Linsen-Mittelebene zu ersetzen. Bei dicken Linsen (oder Linsenkombinationen) ist der Lichtweg im Glas aber zu lang für diese Näherung.
Wenn man die in das Linsensystem eintretenden achsenparallelen Lichtstrahlen verlängert und den Schnittpunkt mit der rückwärtigen Verlängerung der austretenden Strahlen sucht, kommt man zur bildseitigen Hauptebene:
Analog kommt man zur gegenstandsseitigen Hauptebene, wenn achsenparallele Strahlen von rechts einfallen:
Die beiden Hauptebenen (und die Brennweite) charakterisieren das optische System bereits vollständig, man kann auf das Einzeichnen der Linsen verzichten:
Die Bildkonstruktion erfolgt nun ähnlich wie bei dünnen Linsen:
Hauptebenen können auch ausserhalb des körperlichen Linsensystems liegen (Bsp: Operngucker) oder die beiden Hauptebenen können in umgekehrter Reihenfolge auftreten.
Die Brennweite ist von den Hauptebenen aus zu messen, sie ist auf beiden Seiten gleich gross, wenn sich auf beiden Seiten des Systems das gleiche Medium (zB Luft) befindet. Man darf die bekannten Abbildungsgleichungen dünner Linsen verwenden, wenn man die Bild- und Gegenstandsweiten von den entsprechenden Hauptebenen aus misst.