我们已经看到，简单的凸透镜能够形成放大的像，但仅靠这种透镜很难获得很大的放大倍数。若不使图像失真，放大倍数超过 5× 是很困难的。为了获得更高的放大倍数，我们可以将简单的放大镜与一个或多个附加透镜组合起来。
显微镜最早于 17 世纪初由荷兰和丹麦的眼镜制造者研制出来。最简单的复合显微镜由两个凸透镜构成
物镜是一个焦距较短的凸透镜（即高倍透镜），其典型放大倍数为 5× 到 100×。目镜，也称为 ocular，是一个焦距较长的凸透镜。
复合显微镜由两个透镜组成：物镜和目镜。物镜形成第一个像，它比物体大。这个第一个像位于目镜焦距之内，并作为目镜的物体。目镜形成进一步放大的最终像。
为了了解图 2.9.1 中的显微镜如何成像，依次考察它的两个透镜。物体位于物镜焦距 $f^{obj}$ 之外不远处，因此产生一个实的、倒立的、比物体更大的像。这个第一像充当第二个透镜即目镜的物体。目镜的位置安排使得第一像位于其焦距 $f^{eye}$ 之内，从而能够进一步放大该像。从某种意义上说，它就像一个放大镜，放大由物镜产生的中间像。目镜所形成的像是一个放大的虚像。最终的像仍然是倒立的，但它比物体离观察者更远，因此易于观察。
显微镜的放大率是物镜产生的线放大率 $m^{obj}$ 与目镜产生的角放大率 $M^{eye}$ 的乘积。它们分别为：
$$ \underbrace{m^{obj}=-\frac{d_i^{obj}}{d_o^{obj}}\approx -\frac{d_i^{obj}}{f^{obj}}}_{\text{linear magnification by objective}} $$
$$ \underbrace{M^{eye}=1+\frac{25\text{ cm}}{f^{eye}}}_{\text{angular magnification by eyepiece}} $$
上面是假设最终像形成在眼睛的近点处，以获得最大的放大率。如果没有那么极端
望远镜用于观察远处的物体，所产生的像比裸眼所形成的像更大。望远镜收集的光远多于人眼，这使得人们能够以更高的放大率和更好的分辨率观察昏暗的物体。望远镜大约发明于 1600 年前后，而伽利略是第一位使用它来研究天空的人，由此带来了极其重大的影响。他观察到了木星的卫星、月球上的环形山和山脉、太阳黑子的细节，以及银河是由大量单独恒星组成这一事实。
（a）伽利略制作的望远镜使用凸物镜和凹目镜。它们产生正立的像，并用于单筒望远镜。
（b）大多数简单的折射望远镜都有两个凸透镜。物镜在目镜的焦平面处（或刚好在其内侧）形成一个倒立的实像。这个像作为目镜的物体。目镜形成一个被放大的倒立虚像。物体离望远镜非常远，因此入射光线基本上是平行的，并会聚焦在焦平面上。
虽然折射望远镜中透镜的排列看起来与显微镜中的相似，但两者之间有重要差别。在望远镜中，真实物体距离很远，中间像比物体小。在显微镜中，真实物体非常近，中间像比物体大。在望远镜和显微镜中，目镜都会放大中间像；然而在望远镜中，这却是唯一的放大。