Si on place l'objet à une distance inférieur à la longueur focale de la lentille, on observe que l'image n'est plus inversée et agrandie. C'est le principe de fonctionnement d'une loupe.
On note que dans ce cas, la distance entre lentille et image est négative. C'est une image virtuelle qui se trouve sur le même côté de la lentille que l'objet et ne peut pas être reproduite sur un écran.
Pour compléter un diagramme dans ce cas, on tire une ligne du foyer F (à gauche de la lentille) à la lentille en passant par le haut de l’objet, puis on tire une ligne partant de ce point et parallèle à l’axe optique. On tire ensuite une ligne passant par le haut de l’objet et le centre optique. L’intersection de ces deux lignes est le haut de l’image.