Povestea telescoapelor a început în 1608, când un optician olandez, Hans Lippershey, a descoperit că un obiect îndepărtat părea mai mare atunci când era privit printr-o combinație de două lentile: o lentilă convergentă relativ slabă (adică cu distanța focală mare) îndreptată spre obiect și o lentilă divergentă puternică (adică cu distanța focală mică) în fața ochiului. Această combinație de lentile a fost folosită ulterior de Galileo Galilei pentru a privi Luna, planetele și stelele și a devenit cunoscută sub numele de telescopul galileean (a se vedea figura 2).
Până în jurul anului 1630, Johannes Kepler a înlocuit lentila ocularului divergentă cu o lentilă convergentă de distanță focală foarte scurtă. Această nouă combinație de două lentile convergente, telescopul keplerian, a rămas principala formă de construcție a telescoapelor astronomice cu refracție până în prezent, deși au fost introduse numeroase îmbunătățiri tehnologice pentru a face față diverselor probleme care pun limite performanțelor telescopului de bază. Figura 3 prezintă o schemă a unui telescop refractant de acest tip.
Pentru a optimiza puterea de colectare a luminii a unui telescop optic, diafragma Do a obiectivului său trebuie să fie cât mai mare posibil. Din păcate, acest lucru este mai ușor de spus decât de făcut. Pentru început, există probleme tehnologice serioase în producerea unor obiective foarte mari. Pentru a se asigura că blocul inițial de sticlă, din care urmează să fie fabricat obiectivul, este perfect transparent și omogen din punct de vedere optic, sticla topită poate avea nevoie de mai mulți ani (!) de răcire treptată și controlată. Urmează apoi problema șlefuirii și lustruirii – nu este ușor să se mențină o curbură sferică perfectă pentru o lentilă cu distanță focală foarte mare pe întreaga sa suprafață. Iar atunci când aveți o lentilă mare, aceasta este în mod inevitabil o lentilă groasă, care, prin urmare, absoarbe lumina, în mod preferențial în partea albastră și violetă a spectrului. Este, de asemenea, o lentilă foarte grea, ceea ce înseamnă că ar avea tendința de a se încovoia sub propria greutate. În practică, nu se pot realiza lentile de obiectiv utilizabile cu un diametru mult mai mare de 1 metru. Figura 4 prezintă o fotografie a unuia dintre cele mai mari telescoape cu refracție din lume, refractorul de 36 de inch de la Observatorul Lick, California. Observați corpul extrem de lung al telescopului în raport cu diametrul său.
Obținerea unei măriri mari cu un telescop necesită o distanță focală lungă fo, dar limitele privind valoarea maximă posibilă a fo sunt stabilite de necesitatea de a face întregul instrument mobil. Din figura 3 reiese clar că lungimea fizică a unui telescop refractor Keplerian nu poate fi mai mică decât fo. Prin urmare, nu ar fi deloc realist să se planifice un telescop cu o distanță focală de 100 de metri folosind acest design! Cu toate acestea, este important să ne amintim că obținerea unei măriri mari nu este neapărat întotdeauna utilă și că, uneori, este mai bine să avem distanțe focale foarte scurte. Acest lucru va crește câmpul vizual al telescopului și va face ca imaginile să pară mai luminoase, deoarece lumina este mai puțin dispersată. Proiectarea opticii cu distanțe focale foarte scurte conduce la unele aberații optice, pe care le vom discuta pe scurt.
Aberrațiile optice nu sunt erori de fabricație, ci sunt caracteristici fizice nedorite ale suprafețelor refractare și reflectante. De exemplu, razele paralele de lumină care trec prin diferite părți ale unei lentile nu sunt focalizate în același punct de către suprafețele sferice; acest lucru este cunoscut sub numele de aberație sferică. Aceasta nu ar fi o problemă dacă nu ar fi faptul că suprafețele sferice sunt relativ ușor de produs, în timp ce suprafețele parabolice, care oferă o focalizare perfectă, sunt mult mai dificil de produs. Cu toate acestea, chiar și din aceeași parte a obiectivului, undele de frecvență diferită (adică de culoare) sunt focalizate în puncte diferite; acest lucru este cunoscut sub numele de aberație cromatică. Prin combinarea mai multor lentile de puteri optice diferite și din materiale diferite, aberația cromatică poate fi redusă, dar problemele sunt formidabile și cresc odată cu creșterea dimensiunii lentilelor și a unghiului razelor în raport cu axa optică. Astfel, în practică, telescoapele cu refracție au doar un câmp vizual relativ îngust în interiorul căruia rezoluția este bună.
Alte două tipuri de aberații care afectează frecvent imaginile care se află în afara axei optice sunt coma și astigmatismul. Coma apare deoarece fiecare zonă inelară a lentilei sau oglinzii produce o imagine în afara axei a unei surse punctiforme de lumină (sau a unei stele) sub forma unei pete circulare de lumină. Aceste cercuri variază în funcție de poziție și diametru, trecând de la o zonă la alta, astfel încât „imaginea punctuală” combinată în planul focal este o zonă în formă de evantai formată din cercuri suprapuse. Astigmatismul apare deoarece lumina care cade oblic pe o lentilă sau oglindă este focalizată nu ca un singur punct, ci ca două linii perpendiculare, fiecare la distanțe diferite față de lentilă sau oglindă. În cea mai bună poziție de focalizare, imaginea unei surse punctiforme va apărea ca o formă eliptică.
Rezultatul net al tuturor acestor probleme este că telescoapele refractare mari nu mai sunt construite pentru lucrări astronomice serioase.