กล้องโทรทรรศน์โดยทั่วไปแล้วมี 3 แบบ คือ กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง และกล้องโทรทรรศน์แบบผสม นอกจากนี้ยัง มีกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา สำหรับใช้ศึกษาความรู้ทางดาราศาสตร์

กล้องโทรทรรศน์ (Telescope) หรือ กล้องดูดาว เป็นทัศนูปกรณ์ซึ่งประกอบด้วย เลนส์นูนสองชุดทำงานร่วมกัน หรือกระจกเงาเว้าทำงานร่วมกับเลนส์นูน

เลนส์นูน หรือกระจกเงาเว้าขนาดใหญ่ที่อยู่ด้านใกล้วัตถุทำหน้าที่รวมแสง ส่วนเลนส์นูนที่อยู่ใกล้ตาทำหน้าที่เพิ่มกำลังขยาย การเพิ่มกำลังรวมแสงช่วยให้นักดาราศาสตร์มองเห็นวัตถุที่มีความสว่างน้อย การเพิ่มกำลังขยายช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถมองเห็นรายละเอียดของวัตถุมากขึ้น

กล้องโทรทรรศน์มี 3 ประเภท คือ กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง และกล้องโทรทรรศน์แบบผสม กล้องส่องทางไกลชนิดสองตา มีหลักการทำงานเช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง เพียงแต่ใช้ปริซึมหักเหแสงไปมา เพื่อลดระยะความยาวของลำกล้อง

1. กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง

กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (Refractor telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้เลนส์นูนในการรวมแสง  มีใช้กันอย่างแพร่หลายสามารถพบเห็นได้ทั่วไป แต่ไม่ค่อยนิยมใช้ในหอดูดาวเพราะส่วนมากแล้ว กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงมีขนาดเล็ก ที่ส่วนมากต้องมีขนาดเล็กเนื่องจากเลนส์นูนที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงส่วนใหญ่มีโฟกัสยาว (เลนส์นูนโฟกัสสั้นสร้างยากและมีราคาสูงมาก)

ถ้าสร้างกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงขนาดใหญ่ เลนส์นูนขนาดใหญ่ก็จะทำให้โฟกัสยิ่งยาว ลำกล้องก็จะยื่นยาวเกะกะ และมีน้ำหนักมาก ไม่สะดวกแก่การพกพา เปลืองพื้นที่ในการติดตั้ง ทั้งยังมีต้นทุนสูง ดังนั้น กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงขนาดเล็กจึงมีความสะดวกกว่า

ด้วยความที่กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงส่วนมากมีขนาดเล็ก จึงเหมาะสำหรับใช้ศึกษาวัตถุที่มีความสว่างมาก และขนาดไม่ใหญ่เกินไป เช่น ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ แต่ไม่เหมาะสำหรับการใช้สังเกตวัตถุที่มีขนาดใหญ่แต่สว่างน้อย เช่น เนบิลา และกาแล็กซี เนื่องจากมีกำลังรวมแสงน้อยและให้กำลังขยายมากเกินไป ภาพที่ได้จึงมีความสว่างน้อยและมีขนาดใหญ่จนไม่สามารถมองเห็นภาพรวมของวัตถุได้นั่นเอง

ปัญหาของกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงอีกประการหนึ่งก็คือ “ความคลาดสี” หรือ “ความคลาดรงค์” เนื่องจากเลนส์นูนที่ใช้ทำให้เกิดการหักเหแสง แสงขาวที่เข้าสู่ลำกล้องจะกระจายออกมาเป็นสีรุ้ง ทำให้สังเกตขอบของวัตถุได้ไม่ชัดเจน ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขด้วยการเพิ่มชิ้น “เลนส์อรงค์” (Achromatic Lens) หรือเลนส์ที่ทำให้ไม่เกิดสีรุ้ง ประกบเข้าไปที่เลนส์นูนอีกที โดยการทำงานของเลนส์อรงค์นี้คือ การลดการหักเหของแสงสีต่างๆ จึงทำให้ภาพที่ได้มีความคมชัดมากขึ้น

2. กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง

กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (Reflector telescope) ถูกคิดค้นโดย เซอร์ ไอแซก นิวตัน กล้องโทรทรรศน์แบบนี้ใช้กระจกเว้าแทนเลนส์นูนใกล้วัตถุ ทำหน้าที่รวบรวมแสงส่งไปยังกระจกทุติยภูมิ ซึ่งเป็นกระจกเงาระนาบขนาดเล็กที่ติดตั้งอยู่ในลำกล้อง โดยทำหน้าที่สะท้อนลำแสงให้ตั้งฉากออกมาที่เลนส์ใกล้ตาซึ่งติดตั้งอยู่ที่ปลายของลำกล้อง

กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ส่วนมากเป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง เนื่องจากกระจกเว้ามีน้ำหนักเบา และราคาถูกกว่าเลนส์นูนและเลนส์อรงค์ นอกจากนั้น กระจกเว้ายังสามารถสร้างให้มีความยาวโฟกัสสั้นได้ง่ายกว่าเลนส์นูน

ดังนั้น ถ้าจะสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงจึงเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่ากว่า หอดูดาวจึงนิยมติดตั้งกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงขนาดใหญ่ ซึ่งมีกำลังรวมแสงสูง ทำให้สามารถสังเกตเห็นวัตถุที่มีความสว่างน้อย และอยู่ไกลมากอย่าง เนบิวลา และกาแล็กซี ได้ดี

อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง กับกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงที่มีขนาดเท่ากันแล้ว กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงจะให้ภาพที่สว่าง และคมชัดกว่า เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงมีกระจกทุติยภูมิอยู่ในลำกล้อง ซึ่งกลายเป็นอุปสรรคขวางทางเดินของแสง ทำให้ความสว่างของภาพที่ได้นั้นลดลง หรือเรียกได้ว่าเกิด “ความคลาดแสง”

นอกจากนั้น ภาพที่เกิดจากการหักเหผ่านเลนส์อรงค์ของกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง ยังมีความคมชัด และสว่างกว่าภาพที่ได้จากการสะท้อนของกระจกเว้า ในกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงอีกด้วย

กำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง=ความยาวโฟกัสของกระจกเว้าความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา

3. กล้องโทรทรรศน์แบบผสม

กล้องโทรทรรศน์แบบผสม (Catadioptric telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงที่ใช้การสะท้อนแสงกลับไปกลับมา เพื่อลดระยะความยาวของตัวกล้อง กล้องจึงมีขนาดสั้นลงได้ โดยใช้กระจกนูนเป็นกระจกทุติยภูมิช่วยบีบลำแสง ซึ่งทำให้ยังคงมีกำลังขยายสูง

อย่างไรก็ตาม การทำงานของกระจกนูนทำให้ภาพที่เกิดขึ้นบนระนาบโฟกัสมีความโค้ง จึงจำเป็นต้องติดตั้งเลนส์ปรับแก้ (Correction plate) ไว้ที่ปากลำกล้องเพื่อทำงานร่วมกับกระจกทุติยภูมิ ในการชดเชยความโค้งของระนาบโฟกัส โดยที่เลนส์ปรับแก้ไม่ได้มีอิทธิพลต่อกำลังรวมแสงและกำลังขยายเลย

กล้องโทรทรรศน์แบบผสมถูกออกแบบขึ้นมาเพื่อให้มีลำกล้องสั้น และสะดวกในการติดตั้งอุปกรณ์ กล้องโทรทรรศน์แบบนี้มีความยาวโฟกัสมาก เหมาะสำหรับใช้สำรวจวัตถุขนาดเล็ก เช่น ดาวเคราะห์ เนบิวลา และกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล แต่ไม่เหมาะสำหรับการสังเกตวัตถุขนาดใหญ่ เช่น กระจุกดาวเปิด เนบิวลาและกาแล็กซีที่อยู่ใกล้

กล้องโทรทรรศน์แบบผสมเป็นที่นิยมในหมู่นักดูดาวสมัครเล่น เพราะมีขนาดกระทัดรัด ขนย้ายสะดวก แต่ไม่เหมาะสำหรับใช้ในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เนื่องจากเลนส์ปรับแก้ที่อยู่ด้านหน้านั้นจะกรองรังสีบางช่วงความยาวคลื่นออกไปด้วย

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (HST) ถูกส่งขึ้นไปโคจรอยู่เหนือชั้นบรรยากาศโลกที่ระยะความสูง 559 กิโลเมตร เพื่อให้บันทึกภาพได้คมชัดกว่ากล้องโทรทรรศน์ที่อยู่บนพื้นผิวโลก

ฮับเบิลโคจรรอบโลกใช้เวลา 97 นาที เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ใช้กระจกปฐมภูมิขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร สามารถบันทึกภาพได้ในช่วงรังสีที่ตามองเห็น (Visible light) รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near infrared) และยังติดตั้งอุปกรณ์สเปกโตรกราฟ เพื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของวัตถุในห้วงอวกาศ

นักดาราศาสตร์ใช้ฮับเบิลในการศึกษาวัตถุต่างๆ ได้อย่างหลากหลาย ไม่ว่าจะเป็น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ เนบิวลา ซูเปอร์โนวา กาแล็กซี สสารมืด เลนส์ความโน้มถ่วง และเอกภพตอนเยาว์วัย

กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา

กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา (Chandra) เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ มีวงโคจรรูปวงรี ระยะใกล้ที่สุดอยู่ห่างจากโลก 16,000 กิโลเมตร ระยะไกลที่สุดอยู่ห่างจากโลกเท่ากับ 1/3 ของระยะทางจากโลกไปยังดวงจันทร์

กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราโคจรรอบโลกใช้เวลา 64 ชั่วโมง 18 นาที นักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราในการศึกษาดาวนิวตรอน หลุมดำ และซูเปอร์โนวา