如果我们把两块三棱镜和一块玻璃砖组合起来，它可以把一束平行光会聚而通过用阴影所表示的那个区域。如果用五块较小一些，加工更为精细的棱镜和玻璃砖组合来代替原来的组合镜，可以看到这一次平行光会聚而通过的阴影区域比原来要小得多。可以想象，用顶角更小，数目更多加工更精细的棱镜束组合来替代原来的组合镜时，它将越来越接近一片具有光滑曲面的玻璃片。一块磨制得很好的透镜可以看成是上述组合中棱镜数目无限增多时所达到的极限情况。上述几个步骤也可以看作透镜的制作过程。按这样程序磨制出来的透镜可以把入射的平行光束会聚成一条线，这种透镜叫柱面透镜，因为它表面非常接近圆柱面。当然人们更希望透镜能把平行光聚焦成一个点。只有透镜的两个表面是球面的一部分，它的曲率在任何方向上都相同，才能够有这样的聚焦作用。这类透镜叫球面透镜。可见透镜的磨制是一件难度很高又十分枯燥的工作。
究竟什么时候开始有透镜，现在已经很难查考。公元前424年编写的古希腊戏剧《云》中有这样一段情节：“用透明度极好的石头（玻璃）放在阳光下，就能够使光线通过一段距离去熔化那刻写在蜡板上的债契。”说明当时已经懂得了透镜聚光的道理，这样算来透镜的出现还应该更早些。历史学家告诉我们，人类发明玻璃的历史可以追溯到公元前1500年。现在保存在英国伦敦博物馆中的图特摩斯三世的一个蓝玻璃瓶就是那时候的物品。古埃及人在制陶的时候，发现天然碱与砂石混合经高温熔化后，能得到一些美丽而透明的石头，这就是玻璃。后来，古埃及的玻璃制造技术传到了古希腊、罗马。他们又对技术作了改进。用玻璃熔炉代替烧锅，提高了熔炼的温度，把它熔化成为清稀的液态等等。所以把玻璃磨制加工成透镜是很自然的事。这种透镜一般用来做装饰品，聚光点只是偶尔的尝试。一直到13世纪，透镜没有大的用处。实用英语中的透镜“lens”出自于“小扁豆”（lentil），显然这不是学术用语。14世纪初出现了有关眼镜的记录。在一份佛罗伦萨主教庄园的产业清单中就有“一副镀银架的眼镜”。不久在威尼斯城，眼镜的制作得到了普及，以致该城有一条法律，对用玻璃冒充水晶欺骗顾客的眼镜制造商要绳之以法。14世纪中叶，欧洲人的肖像画上也画了眼镜，著名的天文学家开普勒本人也戴眼镜。随着眼镜的普及和透镜加工业的崛起，熟悉透镜性能的人日益增多，新的、更有价值的光学仪器便在酝酿之中。
1623年近代科学的奠基者伽利略对望远镜的发明作过很客观的分析。他说：“我们可以肯定，望远镜的第一个发明者只是一个制造眼镜的人。他有各种各样的眼镜，偶然在不同远近的地方透过凹镜和凸镜两种镜片观看，见到并注意到了出乎意料的结果，这样就发现了这一用具。”在众多的记录中以荷兰米德尔堡眼镜商汉斯·利珀希最为出名：1600年的一天，他的两个孩子在店里玩耍，无意中把两片透镜叠在一起，并用它观看远处教堂的风标。突然，他的儿子兴奋地喊：“爸，快来看啊！”“你看见什么？”“我看见教堂塔顶上的风标。”“胡说，教堂离我们那么远，你一定是搞错了”“不信，你自己来瞧吧。”正是这次偶然的机遇，目不识丁的汉斯一下成了位发明家。对此发明，物理学家马赫曾强调说：“仅仅有偶然机遇还不能完成一个真正的发明。这一类发明者必然突出新的特征，把它铭刻在他的记忆中，把它跟他的思想的其余部分结合并交织在一起：简单说来，他应当具有向经验学习的能力。”是的，汉斯·利珀希在制造眼镜的过程中，为发明望远镜积累了经验。当他儿子把一个绝好的机遇送到他的面前时，他立刻意识到这是一件有用而且可以赚钱的玩意儿，于是就毫不犹豫地抓住它。1608年10月2日，荷兰议会收到了他提出的专利申请。当时荷兰正与西班牙政府支持的雇用军开战。独立军指挥莫里斯亲王登上亲王府内苑的一座塔，用望远镜鸟瞰全城，连声说好，并称赞它说：“它可能对荷兰有用。”然而利珀希并未因此交好运。望远镜的构造比较简单，立即有人仿造，并宣称自己才是真正的发明者。在混乱的战争状态下，荷兰政府拒绝了他的专利申请。
不久，法国驻海牙大使为亨利4世购买了一架望远镜。从此，在米兰、威尼斯、帕多瓦等地都出现了叫作“荷兰柱”、“透视镜”或“圆柱”的望远镜。
1611年德国人开普勒，这位以发现行星三大运动定律而名扬天下的天文学家，为了观察天体的运行，在望远镜的研制上也下了一番功夫，他创制的望远镜称为开普勒望远望，由两片凸透镜——物镜和目镜组成。物镜的焦距长而目镜的焦距短。开普勒望远镜的工作原理是：由于被观察的天体相当远，它发出的光线以平行光进入物镜，穿过物镜后，在物镜焦点外很近的地方形成天体倒立缩小的实像。由于物镜的焦点与目镜的交点重合，这样物镜得到天体的实像恰好落在目镜的焦距内，物镜的像就成为目镜的“物”。这个“物”在目镜的焦距内。当观察者对着目镜观察时，进入眼睛的光线就好像是直接从放大的虚像上发出来的。虚像的视角大于直接用眼观察天体的视角，因此从望远镜中看到的天体，使人觉得天体移近了，变得清晰可见了。
在望远镜问世的同时，另一种重要的光学仪器——显微镜也诞生了。它也是偶然发明的。可以想象，有了望远镜的人很自然地会试用它来放大近旁的物体。伽利略本人也做过这样的尝试。他告诉一位朋友说：“我用这个管子（望远镜）看到的苍蝇有羊羔那么大。全身是毛，并且有很尖的爪子……”大约在1625年博物学家约翰·法贝尔给这种装置定名为显微镜。
在显微镜的发明史上，最著名的人物是大科学家胡克和皇家学会的看门人列文虎克。正如伽利略在《星的使者》一书中，对望远镜及其看到的天空中的宏伟景象作了精彩的描述，罗伯特·胡克编著了《微观画集》描述了显微镜底下的微观世界。他亲手画了57幅图，第一次展示了苍蝇的眼睛、蜜蜂螫刺器官、跳蚤、虱子羽毛的结构以及霉菌，他还说这些东西都是由“细胞”组成的。而安东尼·范·列文虎克，生于荷兰的德尔夫特市，曾在布店里当学徒，后来就在市政府里当看门人。他活到91岁，没有再换工作，也没有离开过德尔夫特市一步，但他的名字却远播全球，至今还常常被人称道。列文虎克刚当看门人时才20岁，他觉得整天无所事事，十分无聊。总得干点什么吧！他想。
一天，他记得自己在布店学徒时，老板送了他一块放大镜，可惜表面有缺。他决定重新磨一块，从此一发便不可收。磨镜成了他的嗜好，简直到了痴迷的程度。他黎明即起，把一块玻璃放在油石上，认真地磨来磨去。只要没有人来找他，他可以从日出干到日落。这样他一直干了40年。他的房间里成为当时世界上最齐、最好的透镜库。他磨的镜片都很小，有的甚至不比针尖大多少。他通常把磨好的镜片嵌在两片带孔的铜片之间，通过铜片铆固使镜片固定。他磨制的镜片的放大倍数在50～300之间，他的显微镜实际上是一种放大镜，也称为单式显微镜。显微镜和望远镜的发明大大拓宽了人的视野，它们的制作又促进了人们研究光学理论的兴趣。近代光学差不多从那时候（17世纪）开始发展起来了。