最早的望远镜是折射望远镜。它们利用透镜来收集和聚焦光线。伽利略于1609年制造了自己的望远镜，并将其指向天空，发现了木星的卫星、金星的盈亏以及月球上的山脉。他的观测结果推翻了地心说，并确立了地球绕太阳运行的理论。
折射望远镜使用凸透镜收集光线并将其聚焦。目镜则放大图像。物镜的焦距越长，放大倍数越大。早期的折射望远镜非常长，有时超过40米，这是为了减少色差。但也因此变得笨重。
色差仍然是折射镜的主要弱点。不同颜色的光聚焦在不同的位置，产生彩色条纹。消色差透镜发明于18世纪，它使用两种不同类型的玻璃来减少色差。复消色差透镜可以进一步减少色差，但价格昂贵。
折射望远镜在业余天文爱好者中仍然很受欢迎。它们结构简单、坚固耐用，而且几乎无需维护。它们在观测月球和行星方面表现出色，因为在这些天体上，清晰的对比度比聚光能力更为重要。但对于深空天体而言，反射望远镜通常是更好的选择。
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