望远镜是一种收集远处物体发出的电磁辐射，并将其传送至观察者或探测器以进行成像和测量的仪器。虽然人们通常将望远镜与可见光联系起来，但望远镜的工作波段覆盖了电磁波谱的很大一部分。其主要科学用途是探测暗弱的辐射源、分辨彼此相近的细节，以及测量辐射的性质。望远镜是天文学的基础仪器，而不只是让物体看起来更大的装置。(science.nasa.gov)
历史发展
有文献记载的最早望远镜于1608年出现在荷兰。汉斯·利珀希曾为一种组合使用凸透镜和凹透镜的仪器申请专利；包括雅各布·梅蒂乌斯在内的其他制作者也与类似装置有关。这些记录确立了望远镜出现的时间和地点，却不足以确定唯一的发明者。1609年，伽利略·伽利莱制造了性能更好的望远镜，并开始进行天文观测，揭示了月球的一些特征，对当时既有的天界描述提出了挑战。(history.aip.org)
早期望远镜使用透镜。透镜的局限促使人们尝试使用反射镜，艾萨克·牛顿于1668年制成了一台反射望远镜。其曲面主镜收集光线，一面较小的平面镜则将会聚光束折转到便于观察的位置。此后，光学加工、机械支撑和电子探测技术的进步，使人们能够制造大得多的仪器，并在肉眼不可见的波段开展观测。(history.aip.org)
光学设计
光学望远镜运用光学原理收集辐射并形成图像。折射望远镜以透镜作为主要集光元件。透镜通过折射使入射光线弯折并会聚到焦点。大型透镜需要高质量的透明材料和形状精确的表面；透镜自身的重量，以及支撑方式所受的限制，使制造超大型折射望远镜十分困难。(science.nasa.gov)
反射望远镜则使用凹面主镜。采用反射（光学）原理时，反射镜可以从背面获得支撑，而且只有反射面需要达到光学级加工精度。因此，大型天文仪器主要采用反射式设计。副镜的不同布局可将光线引导至不同位置的仪器，从而容纳体积和重量较大的相机或光谱仪。(openstax.org)
目视观测时，目镜将主光学系统形成的图像放大。相机则可不经目镜，直接记录该图像。角放大率的大小近似等于望远镜的有效焦距除以目镜焦距。更换目镜可以改变放大率，但不会增大仪器的集光面积，也无法呈现其光学系统本就不能分辨的细节。(openstax.org)
口径、灵敏度与分辨率
望远镜的口径是其主要集光透镜或反射镜的直径。集光面积大致随口径的平方增大，因此，口径越大，从同一辐射源收集到的辐射就越多。实际灵敏度还取决于光学透过率、探测器效率、曝光时间和背景辐射。因此，更大的口径能够改善对暗弱天体的探测，而不一定需要更高的放大率。(science.nasa.gov)
角分辨率描述的是区分天空中相近方向的能力。即使光学系统完美无缺，由于衍射，点源的像仍具有有限大小。衍射极限对应的特征角尺度与波长除以口径成正比：在波长一定时，更大的口径能够分辨更精细的细节；而在更长波长下，要获得相当的分辨率，就需要更大的仪器。光学缺陷和大气湍流可能使望远镜无法达到这一极限。(eso.org)
探测器与科学仪器
人眼是最早的天文探测器。随后，摄影技术提供了永久记录，并使长时间曝光期间的光信号得以累积。电子探测器进一步提高了探测效率，并提供适合计算机分析的数值数据。在电荷耦合器件中，入射光子产生电子，这些电子在各个图像像素中积累，随后被读出。(openstax.org)
滤光片选取特定波段，用于成像和亮度测量。光谱学将辐射分解成光谱，使天文学家能够研究化学组成、温度和运动。由于光谱测量会将收集到的光分配到许多波长区间，观测暗弱辐射源可能需要较大的集光面积和较长的曝光时间。红外观测还需要控制来自望远镜、周围环境以及探测器自身的热辐射。(openstax.org)
地面与空间观测
地球大气层既会吸收辐射，也会使入射波前发生畸变。因此，地面天文台通常选址于夜空黑暗、天气晴朗、水汽少且大气状况稳定的地方。空间望远镜可避免大气造成的图像模糊，还能观测无法到达地面的波段，包括大部分紫外辐射和来自天体的X射线。(openstax.org)
自适应光学测量快速变化的波前畸变，并利用可变形反射镜加以补偿。主动光学则处理望远镜自身光学元件对准状态或镜面形状的缓慢变化。这两种技术解决的问题不同，可以配合使用，在适宜条件下使仪器性能接近衍射极限。(eso.org)
射电望远镜与干涉测量
射电望远镜利用天线和接收机探测天体的射电辐射。许多射电望远镜采用抛物面天线，将辐射汇聚到馈源，再由电子系统放大并测量微弱信号。聚焦式X射线望远镜采用不同的几何结构：嵌套排列的反射镜让入射辐射以很小的掠射角反射，而非近乎正面入射。(gb.nrao.edu)
干涉测量将彼此分离的望远镜所接收的信号组合起来，以测量精细的角结构。其分辨尺度主要取决于波长，以及各单元之间的间距，即基线长度。望远镜阵列可以获得相当于大得多的仪器的分辨率，但其集光面积并不等于一个横跨该基线、完全填满的口径所具有的面积。要重建不同角尺度上的结构，需要多种长度和方向的基线。(eso.org)