Mikroskop służy do obserwowania bardzo małych obiektów, takich jak komórki. Jego działanie opiera się na załamaniu światła w soczewkach skupiających. Światło przechodzi przez cienki preparat i trafia do obiektywu, który tworzy powiększony, rzeczywisty obraz. Następnie okular działa jak lupa i jeszcze bardziej powiększa ten obraz dla oka obserwatora. Ważne jest odpowiednie ustawienie ostrości oraz oświetlenia, aby uzyskać wyraźny obraz. Całość tworzy układ optyczny zdolny do powiększeń nawet kilkusetkrotnych.
Luneta służy do obserwacji bardzo odległych obiektów, takich jak planety czy gwiazdy. Działa dzięki zbieraniu dużej ilości światła przez soczewkę obiektywu, która skupia promienie i tworzy obraz w ognisku. Obraz ten jest odwrócony i powiększany przez okular, który umożliwia jego obserwację. Im większa średnica obiektywu, tym więcej światła jest zbierane i obraz jest jaśniejszy oraz bardziej szczegółowy. Wnętrze lunety jest tak zaprojektowane, aby ograniczyć rozpraszanie światła i poprawić kontrast. Dzięki temu można dostrzec szczegóły bardzo odległych obiektów.
Aparat służy do rejestrowania obrazu poprzez zapis światła. Obiektyw skupia promienie świetlne i kieruje je na matrycę światłoczułą lub kliszę. Ilość światła kontrolują dwa elementy: przysłona (reguluje wielkość otworu) oraz czas naświetlania (określa jak długo światło pada na matrycę). W wyniku tego powstaje obraz odwzorowujący scenę przed aparatem. Dodatkowo układy soczewek mogą korygować zniekształcenia i poprawiać ostrość. Nowoczesne aparaty wykorzystują też przetwarzanie cyfrowe obrazu.
Okulary poprawiają widzenie poprzez odpowiednie kierowanie promieni światła do oka. W przypadku krótkowzroczności stosuje się soczewki rozpraszające, które odsuwają ognisko obrazu. Przy dalekowzroczności używa się soczewek skupiających, które przybliżają ognisko do siatkówki. Dzięki temu obraz powstaje dokładnie na siatkówce i jest wyraźny. Soczewki są precyzyjnie dobrane do wady wzroku użytkownika. Oprawki utrzymują je w odpowiedniej pozycji względem oczu.
Periskop umożliwia obserwację obiektów znajdujących się poza bezpośrednią linią widzenia. Jego działanie opiera się na zjawisku odbicia światła od luster lub pryzmatów ustawionych pod kątem 45 stopni. Promień światła wpada do górnej części peryskopu, odbija się od pierwszego lustra, następnie od drugiego i trafia do oka obserwatora. Dzięki temu obraz może zostać "przeniesiony" ponad przeszkodą. W bardziej zaawansowanych konstrukcjach stosuje się pryzmaty dla lepszej jakości obrazu. Urządzenie jest często wykorzystywane w łodziach podwodnych i pojazdach wojskowych.