Niewątpliwie najbliższymi nam instrumentami optycznymi są nasze oczy . Warto więc poświęcić ich działaniu chwilę uwagi. I tak Układem optycznym oka jest rogówka oraz soczewka. W obrębie soczewki mamy do czynienie z różnicami w wartości współczynnika załamania. I tak wynosi 1.4 w rejonie jądra soczewki, ale już 1.33 dla zewnętrznych obszarów soczewki. Jedną z cech soczewki jest możliwość zmiany kształtu w zależność od tego w jakiej odległości od oka znajduje się oglądany przedmiot. I tak jeśli przedmiot znajduje się w bliskiej odległości to soczewka uwypukla się . Natomiast jeśli patrzymy na przedmiot odległy to soczewka ulega spłaszczeniu. W taki sposób następuje regulacja zdolności skupiającej soczewki.

Promień świetlny dostając się do oka pokonuje drogę poprzez rogówkę i trafia do komory przedniej oka. Następnie przechodzi przez soczewkę i ciałko szkliste, aż wreszcie pada na siatkówkę.

Aby doszło do wywołania wrażenia wzrokowego do oka musi dotrzeć określona porcja energii świetlnej. Jej minimalna wartość określona jest przez tzw. bezwzględny próg czułości. Na siatkówce znajdują się tzw. komórki światłoczułe. Są to pręcikiczopki. Czopki są mało wrażliwe na światło i aby doszło do wytworzenia wrażenia wzrokowego potrzebna jest większa ilość światła niż w przypadku pręcików. Dlatego w przypadku czopków mówi się o tzw. widzeniu jasnym, a w przypadku pręcików o widzeniu jasnym.

Wrażenie wzrokowe powstałe na siatkówce następnie przekazywane jest di odpowiedniego ośrodka w mózgu za pośrednictwem nerwów.

Obraz powstający na siatkówce jest rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony. Ma on dobrą ostrość tylko w części środkowej. Poza tym obszarem nie ma wyraźnego kształtu ani ostrości.

Dwie podstawowe wady wzroku to krótkowzroczność i dalekowzroczność. Z krótkowzrocznością mamy do czynienia wtedy, gdy dochodzi do wydłużenia gałki ocznej lub zwiększenia się krzywizny rogówki. Wtedy istnieje możliwość ostrego widzenia tylko przedmiotów bliskich. Natomiast ogniskowanie przedmiotów dalekich odbywa się przed siatkówką. Aby skorygować taką wadę wzroku zasadne jest stosowanie soczewek rozpraszających.

Drugim rodzajem wad wzroku jest dalekowzroczność. Następuje tutaj zaburzenie ostrości widzenia przedmiotów bliskich. Dzieje się tak wtedy, gdy dochodzi do skrócenia gałki ocznej . Aby przywrócić dobre widzenie używa się soczewek skupiających.

Oko ludzkie mimo, że doskonałe w budowie ma jednak ograniczone możliwości jeśli chodzi o widzenie przedmiotów o małych rozmiarach. Dlatego od wieków ludzkość zajmowała się poszukiwaniem przedmiotów , które mogłyby wspomóc ludzki wzrok. Pierwszymi takimi obiektami były szklane naczynia, które wypełniało się wodą. Pozwalały one na otrzymywanie niewielkich powiększeń przedmiotów. Takie zastosowanie tych naczyń było znane już w starożytnej Grecji.

Potem weszły do użycia pierwsze soczewki powiększające. Prawdopodobnie używane były po raz pierwszy przez mnichów ze średniowiecznych klasztorów. Ułatwiały im one przepisywanie ówczesnych tekstów.

Jednak takie małe powiększenia nie zadowalały już ludzkości. Ciągle trwały prace nad uzyskaniem większego powiększenia. Rozpoczęto pierwsze próby łączenia soczewek w układy w tym widząc nadzieję na odniesienie sukcesu. Wkrótce dokonano odkrycia, że przy odpowiednim oddaleniu dwóch soczewek zachodzi możliwość oglądania przedmiotów, które znajdują się w dużych odległościach od obserwatora. I tak doszło do skonstruowania pierwszej lunety.

Istnieją sprzeczności jeśli chodzi o nazwisko jej konstruktora. Niektórzy uważają, że mógł to być Roger Bacon , ale inni twierdzą, że wynalazek ten należy przypisać raczej uczonym arabskim.

Do obserwacji astronomicznych służy przyrząd optyczny zwany teleskopem. Może on być lunetą astronomiczną czyli tzw. refraktorem lub teleskopem zwierciadlanym czyli reflektorem

Refraktorem określa się teleskop Galileusza. Rok jego konstrukcji to 1608. Natomiast jego budowniczym był optyk Hans Lippershey. Jednak teleskop ten znany jest jako "teleskop Galileusza" ponieważ to właśnie on rozpowszechnił jego użycie do obserwacji astronomicznych. Sam dzięki temu urządzeniu dokonał licznych astronomicznych odkryć.

Światło, które jest emitowane przez obiekty w Kosmosie dociera najpierw do obiektywu takiego teleskopu. Obiektyw utworzony jest przez soczewki wypukłe. Dochodzi więc do skupienia padającego światła , które następnie kieruje się na okular. Okular utworzony jest przez soczewki rozpraszające. Dzięki okularowi widoczny jest obraz przedmiotu prosty i powiększony. Teleskop ma postać długiej rury, w której montowane są soczewki obiektywu i okularu. Zachodzi możliwość regulowania ich odległości względem siebie.

Ponieważ u podstaw działania tego teleskopu leży zjawisko załamania promieni świetlnych, dlatego teleskop ten zalicza się do reflektorów. Inny typ reflektora stanowi teleskop astronomiczny. Różnica polega na tym, że role okularu pełnią także soczewki o własnościach skupiających.

Dzięki temu otrzymuje się obrazy odwrócone.

W przypadku teleskopów refrakcyjnych przez długi okres czasu borykano się z poważną ich wadą. Chodzi mianowicie o aberracje chromatyczną. Polega ona na tym, że soczewki załamują promienie różniące się długością fali pod innymi kątami. Przez to do ich ogniskowania również dochodzi w innych punktach. Jest to przyczyną tworzenia się dookoła obrazu barwnej otoczki. W dzisiejszych teleskopach stosuje się już układy soczewek wolnych od tej wady.

Również doskonale poradził sobie z problemem aberracji Ssak Newton. Mianowicie pozbył się on soczewek i na ich miejsce wprowadził zwierciadła wklęsłe. W tym przypadku kąt odbicia promieni świetlnych jest zawsze taki sam i nie ma na to wpływu długość fali.

Dodatkowym ulepszeniem było zastosowanie w konstrukcji obiektywu małego płaskiego lusterka. Jego zadaniem było odbijanie światła skupionego tak aby kierowało się ono na soczewkę okularu.

W czasach obecnych takich teleskopów używają tylko astronomowie amatorzy. Profesjonaliści pracują bowiem na bardziej ulepszonym sprzęcie.

Do roku 1930 teleskopy , którymi się posługiwano pozwalały na obserwowanie tylko fragmentu nieba. Zaradził temu Bernhardt Schmidt, który był optykiem i pracował nad układami optycznymi. Jego konstrukcja nosiła nazwę Kamery Schmidta. W teleskopie tym wykorzystał układ zwierciadła sferycznego i soczewek oraz szklanych płytek. Dzięki temu znacznie powiększył się kąt widzenia. Urządzenia optyczne skonstruowane przez Schmidta są do dziś używane przez obserwatoria astronomiczne.