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光学天文望远镜主要有三大类：折射式望远镜、反射式望远镜和折反射式望远镜。折射式望远镜利用透镜作主镜收集光线并将光线屈折到焦点上。反射式望远镜则使用一块凹面镜作主镜，将入射光线反射后会聚到焦点上。折反射式则是在反射镜的基础上在入口处加一块称为修正镜的透镜。
1609年意大利著名物理学家伽利略受荷兰眼镜商磨制小望远镜的启发发明了人类历史上第一架天文望远镜。伽利略制造的天文望远镜都是折射式望远镜，是用一块凸透镜作物镜，一块凹透镜作目镜（图2-1）。虽然他研制的几架望远镜的口径都只有几厘米，但却获得了许多震惊世界的新发现。他发现了太阳表面的黑子，月球表面凹凸不平的环形山，木星的4颗卫星，以及金星的圆缺变化。更令人吃惊的是，当他把望远镜对准了夜空中那条柔和的光带——银河时，看到了多如牛毛的星星。
图2-1 伽利略折射式望远镜的原理图
伽利略的望远镜能够看到的范围（即视场）比较小。与伽利略同时代的著名德国天文学家开普勒对伽利略的光学系统做了改进，用凸透镜作物镜，同时用凸透镜作目镜。这种光学系统的特点是视场大，成倒像。对于日常使用的观景望远镜来说，看到一切事物都是倒的，当然很别扭，但对观测天体来说，正像和倒像就没有什么差别。这个系统有一个方便之处，就是可以在目镜前加装十字丝，适于做天文观测。开普勒望远镜在17世纪曾风靡一时。
由于玻璃对各种颜色光的折射率各不相同，用单透镜作物镜会产生严重的色差。色差是天文观测中的大忌，它会使一个观测目标变成一个色彩斑斓的光环。为了解决这个问题，后来的折射望远镜都不再用一块透镜作物镜，而是用两三块或更多块折射率不同的玻璃组合在一起作为一个物镜使用，成为消色差的光学系统。常用的有双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜，等等。
折射镜的一个重大缺陷是会产生色差。牛顿是首先了解色差产生原因的科学家。在1666年，他做了一个著名的光学实验，让一束白色的太阳光穿过一块棱镜，白色的阳光被分解成赤橙黄绿青蓝紫的七色光带。他还发现不同颜色的光在透镜中的折射角度不一样。为避开折射望远镜的这一缺陷，牛顿开始研制反射望远镜。
反射镜与透镜一样，也具有聚光的本领。17世纪中叶已经有几位科学家从理论上提出可以使用反射镜做望远镜的建议。使用折射望远镜观测时，光线从镜筒的一端射进来，观测者的眼睛在另一端观测。这是一种非常自然的状态。反射望远镜的情况就完全不同了。光从镜筒的一端射进来，射到反射镜上，又返回到同一端，观测者如果在入射端观测物像，那么它就会挡住光线的入射。这个问题曾使天文学家为难。
牛顿用青铜凹面镜来代替凸透镜作物镜，再在这面凹面反射镜的焦点位置上倾斜的放置一小片平面镜，把会聚后的光再反射到目镜上（见图2-2）。这就是世界上第一架利用光的反射原理制成的反射式望远镜，后来人们就把这种类型的望远镜称之为“牛顿式望远镜”。
图2-2 牛顿式反射望远镜光路图
牛顿式反射望远镜的光学系统是反射系统中最简单的一种。图2-2是牛顿式反射望远镜的光路图。由三部分组成，一是作物镜的抛物面镜，二是平面反射镜，三是目镜。由前端入射的光被反射镜会聚到一块平面镜。平面镜是斜着放置的，以便把光线反射到安装在镜筒侧面的目镜上。牛顿式光学系统的相对口径一般为1/3 到1/5，它的特点是光力强，像质优良。
用反射镜作物镜的望远镜光学系统叫做反射系统。反射镜都是凹面镜，光线射到凹面镜上反射后会聚成像。因为所有波长的光的入射角和反射角都一样，光线反射后不会分散，因而没有色差的问题。如果凹面镜是抛物面的话，反射后的光线都将会聚到焦点上。由于抛物面磨制起来比较困难，往往磨制成球面镜。但是因为射到球面镜上的平行光不能会聚到一个点上，所以会有球面像差产生。
1672年法国天文学家卡塞格林发明了一种反射系统，由抛物面镜物镜、双曲面副镜和目镜组成（见图2-3）。它比牛顿式反射系统更巧妙，在主镜中心区开了一个圆孔，来自天体的光经过抛物面镜反射后，再经双曲面镜反射，经过圆孔，聚焦在主镜的后面，使观测者视线方向与镜筒指向成一致，观测起来方便自如。这种系统主副镜都不是球面镜，加工难度大，制作成本高，但它的光学质量极佳，因此在大望远镜中经常使用。
图2-3 卡塞格林系统的光路图
由于反射系统的主镜重量较轻，比起折射镜来镜面容易做大，又不会产生色差的干扰，因此大口径的望远镜都采用反射式。但反射镜的磨制精度要求很高，而且要保持反射镜面的表面光亮度还需经常重新镀膜。反射望远镜发展非常快，成为光学望远镜的主流。目前世界上最优秀的望远镜都是反射望远镜。
赫歇尔是比牛顿整整晚了一个世纪的人。他的一生当中共磨制了数百架望远镜，在研制反射式望远镜方面做出了重大贡献。他用自己磨制的一架口径15厘米的牛顿式望远镜发现了天王星。1786 年，他实施了一项令世人震惊的计划，制造了一架当时世界上最大的口径达1.2米的反射望远镜。镜筒长12 米，依靠一个15 米高的木构架竖立起来，就像一尊指向天空的巨型大炮，被人们称为赫歇尔的“大炮”（图2-4）。
图2-4 赫歇尔的“大炮”
在赫歇尔之后大约100年，出身名门望族的英国天文学家罗斯伯爵花费了20多年的时间，先后制成了四架反射望远镜，口径一架比一架大，最大的一架口径达1.84 米，曾雄霸一时。它的镜筒直径2.4 米，长17米，有五六层楼高。人们用城堡来形容它（图2-5）。罗斯用它首次发现蟹状星云具有纤维状结构，就像是一只只的螃蟹腿。罗斯将它命名为蟹状星云，这个名字至今未变。
镜面越大，会聚光线的能力越强。聚光能力越强，望远镜可以“看到”的空间就越深。目前世界上的大型望远镜基本上都是反射式的，最大的反射镜面口径已达10米，而最大的折射式望远镜的口径仅有1米。
图2-5 罗斯的“城堡”（左）和他描绘的螺旋星云（右）
自1668年牛顿发明了反射望远镜之后，200 多年以来，天文学家的主要精力都放在反射望远镜的研制上。折射望远镜的发展极为缓慢，直到19世纪中叶，这种局面才被打破，而打破这种局面的，竟是美国的一对画家父子。
克拉克父子是马萨诸塞州的画家。老克拉克（1804—1887）非常热爱天文学，他不满足于一般的观察星空，决心自己动手磨制望远镜，所不同的是他打算磨制折射望远镜。他关闭了画室，专心致志地研磨透镜。1860年，密西西比大学名誉校长巴纳德决定要为他的大学造一架口径47厘米的折射镜，这将成为美国首屈一指的最大折射镜。克拉克父子仅用了两年时间就完成了这项任务。他们用这架望远镜发现了天狼星的伴星——人类发现的第一颗白矮星。
1870年，美国海军天文台出资5 万美元，请克拉克父子为该台造了一架物镜口径66厘米的折射式望远镜。海军天文台的天文教授霍尔用这架望远镜发现火星的两颗卫星。
此后，在两个金融家的资助下，克拉克父子造出了两架更大的折射望远镜。一架是金融家詹姆斯·里克出资，口径91 厘米的折射望远镜——里克望远镜。另一架由大金融家叶凯士出资，由小克拉克制成的口径102厘米的望远镜，称为叶凯士望远镜，被安装在芝加哥西北约130千米、海拔73米的日内瓦湖边的叶凯士天文台（图2-6）。
图2-6 小克拉克制造的102厘米折射望远镜
由于大型折射望远镜固有的缺点，天文学家把希望仍然寄托在反射望远镜上。因此克拉克父子制造的叶凯士望远镜和里克望远镜也就成为世界上最大的两架折射望远镜，而且在冠亚军的宝座上一直坐到今天。
不论是折射镜还是反射镜，都有自己的优缺点。折射镜视场大，每次可以观测较大范围的天区，反射镜的清晰度高而视场小，每次只能看见几平方角分的天区，如果用大型反射镜做巡天观测的话，大约要耗费几千年甚至上万年的时间才能把整个天空巡查完。怎样才能把这两者的优点集于一身呢？这是天文学家多年以来梦寐以求的愿望。20世纪30年代，德国光学专家施密特的巧妙设计使天文学家的这一愿望变成了现实。
勃恩哈德·施密特（1879—1935）本是俄国人，在俄国上学只读完高中二年级就从学校走上社会。22岁来到德国，学习工程技术，后来改攻光学。1926年，47岁的施密特来到汉堡天文台工作。他要超越前人，研制一种融折射镜和反射镜的优点为一体的新型望远镜。经过4 年的努力，在1930年研制出一架主镜口径48厘米，修正镜口径36厘米的折反射式望远镜。这个光学结构的设计复杂，但他却主要用手工操作，而且还是靠他仅有的一只左臂研磨完成工艺要求非常高的光学系统。
这种折反射式望远镜的光路非常巧妙，它的一块球面主镜放在镜筒的后边，一块波浪形的透镜作为改正镜放在主镜前适当的位置。改正镜与主镜的口径比例大约为2∶ 3。望远镜的焦点不是聚焦在一个平面上，而是聚焦在一个曲面上。施密特望远镜兼顾了折射镜和反射镜的优点。球面反射镜作主镜会产生球差，影响成像质量，而波浪形的透镜正好能改正光线经过反射镜时所产生的各种像差，使望远镜得到了像折射镜一样的大视场和像反射镜一样的高清晰度。施密特望远镜非常适合作天体摄影工作，可获得大面积天区的高清晰度照片（见图2-7）。
图2-7 施密特望远镜的光路图
百折不挠的施密特成功了，然而他却积劳成疾，于1935 年12 月1日，年仅56岁时就去世了。为了缅怀施密特的伟大功绩，后来，人们将施密特设计的这种折反射式天文望远镜统称为施密特望远镜。
施密特望远镜在世界各国天文台中得到了广泛的应用，我国的几大天文台中也都安装有口径不同的施密特望远镜。目前，世界上最大的施密特望远镜在德国史瓦西天文台，它的主镜口径200厘米，改正透镜口径为134厘米，视场达3.4°×3.4°。