1917年，胡克望远镜在加州威尔逊山天文台建成。其主反射镜直径为2.54米，在其建成后30年，它一直是全世界最大的天文望远镜。正是利用这座望远镜，埃德温·哈勃发现了银河系外的星系，并找到了宇宙膨胀的证据。

直径5.08米的海尔反射式望远镜坐落在美国帕洛玛山上。它于上世纪三四十年代建造，1948年完成，建造技术在当时堪称奇迹。虽然从1993年以后，海尔作为最大反射式光学望远镜的地位已被取代，但仍在为宇宙探索发挥重要作用。

目前世界上最大的光学天文望远镜，位于夏威夷莫纳克亚山。其双子KeckI和KeckII分别在1993年和1996年建成。直径都是10米，由36块直径1.8米的六角镜面拼接组成。通过电脑控制的主动光学支撑系统调节，使镜面保持极高的精度。

1999年，欧洲南方天文台在智利建造了超大望远镜。它是由4台8米直径望远镜组成的一台等效直径达到16米的光学望远镜。这4台望远镜可以组成一个干涉阵，做两两干涉观测，也可以单独使用每一台望远镜。它可以在不同波段观测超新星等遥远天体。

日本的昴星团望远镜是目前世界上最大直径的单面反射镜，其直径达8.3米。坐落在夏威夷莫纳克亚山上，建造完成于1999年。据称，仅仅是抛光其超大镜面就花去了7年时间。昴星团望远镜使用了主动光学和自适应光学技术，支持镜面的是261个机械手指，它们可以不断调整镜面的形状以获得最佳成像。

“地外行星搜寻者”是美国宇航局空间计划的“点睛”之笔，计划于2012年发射升空。它汇集了人类太空望远镜 技术的精华，将在寻找太空生命方面崭露头角。“地外行星搜寻者”的设计思路与空间干涉望远镜相似，但在规模与性能上有重大突破。空间干涉望远镜的可收卷镜阵延伸9米上下，而“地外行星搜寻者”的镜面阵列延展可达百米。利用它空前的分辨率，人们将足以探明，在太阳系邻近数十光年之内，是否存在与地球条件相似的行星，并进一步为解开地外生命的“悬念”获取宝贵的线索。

总之，21世纪的“天眼”，将具备前所未有的高灵敏度、高分辨率、大视场以及多天体观测能力。就整体而言，它们观测宇宙的效能将全面超越其“老大哥”，哈勃太空望远镜，从而全方位地开阔人类探测宇宙的视界。长久以来，人们仰望天空，看见日月星辰东升西落，有过天圆地方、地心说、日心说等宇宙模型。从前，人们只能用肉眼对星空进行观察，观测范围非常局限，所得的数据资料也就非常有限。

关于反射、折射和折反射望远镜具体设计和详细的资料，请参阅反射望远镜、折射望远镜和折反射望远镜条目

设计图中最基本的元素是收集光线的物镜（透镜（1）或凹面镜）、在一段距离外的物体（4）在焦平面上形成一个实像（5）。这个影像可以被记录或经过作用如同放大镜的目镜（2），让眼睛（3）可以看见远处被放大的虚像（6）。

刻卜勒式望远镜的简图。

使用两个凸透镜成像的望远镜产生的影像是倒置的，观赏地面景物的望远镜和双筒望远镜使用棱镜（一般为普罗棱镜）或是在物镜和目镜之间再安装一个或更多的透镜将影像转正，这样就能看见正立像。

许多形式的望远镜会使用次镜（副镜）甚至第三个镜片来折叠光路，这些也许是光学设计的整体部分（卡塞格林反射镜和其他类似），但也有望远镜以更简洁的方法和在更方便的位置上安置目镜或探测器使用。在大型望远镜上，这些附加的镜片通常是为了提供更大的视野或是改善影像的品质。

忽略大气扰动（视宁度或称视象度）对影像品质的影响和光学望远镜的缺点，一架光学望远镜的角分辨率取决于物镜，也就是望远镜口径大小。

实际上，口径越大，角分辨率就越好。此处要特别强调的是，角分辨率不是为望远镜的最大放大率（或倍率）所提供的，经销商所提供的最大倍数是望远镜倍率的上限值，由于超越了物镜能力范围的最大倍率与角分辨率，不能把影像变得更清楚，通常得到的影像品质也是最差的。

对大型的固定地基望远镜，角分辨率的极限是由视象度决定，现今发展之望远镜安置在大气层之上，来消除空气对影像扰动影响角分辨率，也就是太空望远镜、气球望远镜和安装在飞机上的望远镜（古柏机载天文台、同温层红外线天文台（SOFIA）或将地基望远镜加装调适光学和斑点成像。）

近来，光学望远镜的综合口径阵列变得更实用，经由空间中一组小口径望远镜组合，在小心操控的光学平面连结下，可以获得更高的分辨率。但是这些干涉仪仍只能用于观测明亮天体，像是恒星或是活跃星系核，例如参宿四的星斑影像可以在此看见。

焦距决定了望远镜在配上目镜、一定大小的CCD或普通底片后可能观看的视野大小。望远镜的焦比（焦距比或f数，即摄影术语之“光圈”）是焦长和物镜口径（直径）比值。因此当口径（集光力）不变时，焦比低的视野较大。广角望远镜（像是天体照相仪）用来追踪卫星和小行星，或是从事宇宙射线的研究和巡天观测。低焦比望远镜的像差比高焦比的更难以消除。

一架望远镜的集光力直接与物镜（透镜或镜片）的直径（即口径）有关。要注意圆面积与半径的平方成正比，因此当望远镜的镜片直径增加三倍时，集光力会增加九倍，口径越大收集的光线越多；另外灵敏度高的影像设备（如CCD）能在较少的光量下获得比较好的影像品质。

几乎所有用于研究的大型天文望远镜都是反射镜，其原因是：

光学望远镜大小在20世纪稳定的增加，在1910至1940年增加一倍，在1940至1990年又增加一倍。现在最大的望远镜是11公尺的SALT和Hobby-Eberly望远镜，以及10.4公尺的 Gran Telescopio Canarias。

在1980年代，在技术上作出改进的新一代望远镜有了长足的进步，这些进步包括多镜片望远镜，可以控制镜片的个人电脑，另一个主要的进展是旋转的熔炉，可以用离心力让望远镜的镜片在融炉中就接近要磨制的形状（曲率半径）。

由于双筒望远镜有视场较广，较明亮且容易操作、较专业望远镜便宜等原因，成为天文爱好者平时学习观测的常用器材，而较大口径的双筒望远镜更成为了一些天文爱好者成功寻得新彗星的重要器材；另外亦有天文爱好者尝试把两具同一口径的反射望远镜组装成双筒望远镜。

完全由中国自主发明的新型大视场望远镜———大天区面积光纤光谱天文望远镜（LAMOST）在位于河北省兴隆县的国家天文台兴隆观测基地落成。这标志着中国第一次在望远镜类型上占有一席之地。

在技术上，LAMOST在其反射施密特改正镜上同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术，突破了世界上光学望远镜大视场不能同时兼备大口径的瓶颈，使中国主动光学技术处于国际领先地位。它采用的并行可控式光纤定位技术解决了同时精确定位4000个观测目标的难题，是一项国际领先的技术创新。

该望远镜的各项指标均已达到甚至超过设计要求，在调试过程中单次观测可同时获得3000多条天体光谱的能力，已成为中国最大的光学望远镜、世界上最大口径的大视场望远镜，也是世界上光谱获取率最高的望远镜。大量天体光学光谱的获取是大视场、大样本天文学研究的关键。但迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中，只有约万分之一进行过光谱观测。LAMOST将突破天文研究中光谱观测的这一瓶颈，对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天，将在河外天体物理和宇宙学研究以及河内天体物理和银河系研究上作出重大贡献。中科院常务副院长、LAMOST工程项目领导小组负责人白春礼在的落成典礼上说，LAMOST的建成和投入观测，将使中国具备世界领先的主动光学技术和多目标光谱观测能力；将为中国天文学研究增添高水平的观测设施和平台；将为中国在宇宙大尺度结构、银河系结构、暗能量等相关领域的研究提供必要的条件和技术支撑。

LAMOST中最具创新的部分是24块对角线1.1米的六角形平面子镜拼接成的反射施密特改正镜，观测过程中通过计算机控制这些子镜面形，使其实时变形成一系列不同的高精度的非球面，从而实现传统光学无法实现的这种世界上独一无二的大视场（广角）兼备大口径的主动反射施密特光学系统，以便精确地获取大量的天体光谱信息。我们在一块大反射镜上同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术，这不仅是在国际上将主动光学技术推进到新的前沿，也是在国际上发展出了第三种新类型的主动光学。我们还采用了并行可控式光纤定位技术解决了同时精确定位4000个观测目标的难题，远超过目前国际上最多同时定位600多根光纤。这都是国际领先的技术创新。

由中国科学家创造性设计和建造的这座望远镜，在口径、视场和光纤数目三者的结合上，超过了此前雄居世界第一的大视场巡天仪器——美国斯隆数字巡天望远镜，也一举超过了所有国际上已完成或正在进行的大视场多天体光纤光谱巡天计划，成为当今世界上获取天体光谱能力最强大的天文观测设备。

美加两国科学家7月21日宣布，建成后将成为世界最大光学望远镜的30m口径望远镜（TMT）确定在夏威夷的莫纳克亚山山顶建造。TMT将由美国加州理工学院、加州大学和加拿大大学天文学研究协会组成的联盟联合建造，预计2011年动工。TMT预计耗资10亿美元．联盟目前已收到的资助和承诺的资助共3亿美元．还不到计划中的1/3。联盟希望美国政府、私人基金会和国外合作伙伴能够补足剩余的资金。