在东汉时期，天文学家张衡就发明了世界上最早的天文望远镜—浑天仪;元代天文学家郭守敬1276年创制的简仪，是最早的赤道经纬仪。现代光学天文观测从何而起呢？1609年，意大利科学家伽利略研制出第一台应用于天文观测的光学望远镜，发现望远镜具有增强聚光能力和放大视角的作用。最初他制作的简易望远镜只能放大3倍，经过几个月的改进，伽利略制成了可放大32倍的望远镜。
伽利略用这个划时代的天文仪器观测到一些令人惊奇的现象：夺目的太阳上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方却高山耸峙;木星有四个小卫星围绕其旋转，而且它们的位置是经常变化的，就像月亮围绕地球旋转一样。后来，伽利略还发现了金星的位相变化，从而证明金星是绕太阳运行的，银河系是由许多恒星组成的。于是，伽利略坚定了对地动说的信念。
这一系列发现轰动了欧洲。由于他坚持捍卫哥白尼的日心说，1633年，教廷把年迈的伽利略召到罗马进行审判。他被判有罪入狱，直到300多年后才获平反。
1611年，德国科学家开普勒发明了物镜和目镜均采用凸透镜的另一种折射式望远镜。这种望远镜的目镜在物镜焦点之后，可以放置十字丝。由于不同的光在介质中有着不同的折射率，折射望远镜不可避免地存在色差。
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