潜艇要在水下发现水面的目标，必须有“眼睛”。潜艇的“眼睛”就是它的观察设备，主要有潜望镜、雷达、声呐等。其中，潜望镜是应用最早、最广泛的一种观察设备。
潜望镜作为一种军用装备，充分利用了光的反射原理：当潜艇处于潜望深度时（距水面8～10米），用一根可伸缩的光学镜管伸出水面观察目标。光学镜管由两端的棱镜、中间的成像透镜和转像透镜组成。当一端的棱镜发现水面目标后，通过中间的成像透镜和转像透镜将物像反映给艇内的人员。
据记载，潜望镜的工作原理是由中国人首先发现的。在我国西汉时期有一本名叫《淮南万毕术》的书，书中记载：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣！”意思是说：取一面镜子高高挂起，高过院墙，院外的景物通过镜子反射到水盆的水面上，再通过水面反射到人眼睛里，这样人就能看到院外的景物了。能够掌握光线的反射规律，并运用这些规律构思出这样一个装置，确实是很不容易的。可以说，这是世界上最早的潜望镜的雏形。
欧洲最早的潜望镜是19世纪末出现的，并很快被应用到潜艇上。当时美国人霍兰和俄国人维捷斯基设计的潜艇上都使用了潜望镜，这样一来，潜艇不出水就可以观察到水面上的情况，为潜艇隐蔽活动提供了保障。如今，核动力潜艇已成为海军的主力，它只要补给一次燃料，就可以在海底停留数月之久，潜望镜仍然是它用于了解水面情况的重要仪器。
现在有些潜望镜增加了红外成像、微光夜视、激光探测等新功能，从而增强了发现水面目标的能力。