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最初的想法并非伽利略，是受人啟發才自制并改進的，但基于他的貢獻，大家都認為他是望遠鏡的發明者。
17世紀初的一天，荷蘭密特爾堡鎮一家眼鏡店的主人科比斯赫，他為檢查磨制出來的透鏡質量，把一塊凸透鏡和一塊凹鏡排成一條線，通過透鏡看過去， 發現遠處的教堂的塔好象變大而且拉近了，于是在無意中發現了望遠鏡原理。1608年他為自己制作的望遠鏡申請專利，并遵從當局的要求，造了一個雙筒望遠鏡。據說密特爾堡鎮好幾十個眼鏡匠都聲稱發明了望遠鏡，不過一般都認為利比赫是望遠鏡的發明者。
望遠鏡發明的消息很快在歐洲各國流傳開了，意大利科學家伽利略得知這個消息之后，就自制了一個。第一架望遠鏡只能把物體放大3倍。一個月之后，他制作的第二架望遠鏡可以放大8倍，第三架望遠鏡可以放大到20倍。1609年10月他作出了能放大30倍的望遠鏡。
伽里略用自制的望遠鏡觀察夜空，第一次發現了月球表面高低不平，覆蓋著山脈并有火山口的裂痕。此后又發現了木星的4個衛星、太陽的黑子運動，并作出了太陽在轉動的結論。
幾乎同時，德國的天文學家開普勒也開始研究望遠鏡，他在《屈光學》里提出了另一種天文望遠鏡，這種望遠鏡由兩個凸透鏡組成，與伽利略的望遠鏡不同，比伽利略望遠鏡視野寬闊。但開普勒沒有制造他所介紹的望遠鏡。沙伊納于1613年—1617年間首次制作出了這種望遠鏡，他還遵照開普勒的建議制造了有第三個凸透鏡的望遠鏡，把二個凸透鏡做的望遠鏡的倒像變成了正像。沙伊納做了8臺望遠鏡，一臺一臺地云觀察太陽，無論哪一臺都能看到相同形狀的太陽黑子。因此，他打消了不少人認為 黑子可能是透鏡上的塵埃引起的錯覺，證明了黑子確實是觀察到的真實存在。在觀察太陽時沙伊納裝上特殊遮光玻璃，伽利略則沒有加此保護裝置，結果傷了眼睛，最后幾乎失明。
荷蘭的惠更斯為了提高望遠鏡的精度在1665年做了一臺筒長近6米的望遠鏡，來探查土星的光環，后來又做了一臺將近41米長的望遠鏡。
使用物鏡和目鏡的望遠鏡稱為折射望遠鏡，即使加長鏡筒，精密加工透鏡，也不能消除色象差，1668年英國科學家反射式望遠鏡，斛決了色象差的問題。第一臺反望遠鏡非常小，望遠鏡內的反射鏡口徑只有2.5厘米，但是已經能清楚地看到木星的衛星、金星的盈虧等。1672年牛頓做了一臺更大的反射望遠鏡，送給了英國皇家學會，至今還俁存在皇家學會的圖書館里。
牛頓曾認為折色象差不可救藥，后來，證明過分悲觀。1733年英國人哈爾制成一臺消色差折射望遠鏡。1758年倫敦的寶蘭德也制成同樣的望遠鏡，他采用了折光原則不同的玻璃分別制造凸透鏡和凹透鏡，把各自形成的有色邊緣相互抵消。
但是要制造很大透鏡不容易，目前世界上最大的一臺折射式望遠鏡直徑為102厘米，安裝在雅弟斯天文臺。
反射式望遠鏡存在天文觀測中發展很快，1793年英國赫瑟爾制做了反射式望遠鏡，反射鏡直徑為130米，用銅錫合金制成，重達1噸。1845年英國的洛斯制造的反射望遠鏡，反射鏡直徑為1.82米。1913年在威爾遜山天文臺反望遠鏡，直徑為254米。1950年在帕洛瑪山上安裝了一臺直徑5.08米反射鏡的反射式望遠鏡。1969年在蘇聯高加索北部的帕斯土霍夫山 上裝設了直徑為6米的反射鏡，它是當時世界上最大的反射式望遠鏡，現在大型天文臺大都使用反射式望遠鏡。
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