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光学相机是人们最熟悉、应用最早和历史最长的一种遥感设备，今天仍是最常见的一种遥感仪器。它的工作波段在近紫光、可见光到近红外(0.32um~1.3um)之间，[1]主要受限于光学会聚单元的透镜组和感光胶片的光谱向应力。在透镜组前面的带通滤光片选择能通过透镜组令胶片曝光的波段。
分幅式多光谱相机
它是在普通相机的基础上通过用不同波段的滤光片和感光胶片的组合形成的一种新的分幅式相机。相机拍片时光轴指向不变，利用启动快门将视场内的景物聚焦在感光胶片上。分幅式多光谱相机具有多种组合类型。[2]
多相机型
实际上有几部相机组合而成。每个相机都配有自己工作波段的滤光片和感光胶片。工作时所有镜头皆对准同一目标，由一个操控装置控制同步地进行拍摄。拍到的是同一场景但不同窄波段的图像，这对后面的处理、判读很有用。这种相机信息量大，信息利用率高。更换镜头可获得不同空间分辨力，适用不同应用目的。为了最终得到高质量的合成图片，对各相机所拍照片重叠精度、快门同步精度、光学系统一致性等要求较高。另外，它体积大、结构复杂。
多镜头型
用一台相机配备两个以上的镜头，每个镜头都配有自己工作波段的滤光片，底片盒保持不变，在幅面较大的同一胶片上同时记录多个小画幅，每个小画幅分别对应不同光波段的图像。此种相机各波段图像几何位置的配准较难，而且一种胶片难以适应多种波段的不同要求。在可见光波段内常备有几十个滤光片，对不同任务可选用。
单镜头光束分离型
由光学镜头会聚的复式光束通过快门进入到分光或棱镜色散装置，通常分解成为红、绿、蓝、红外等若干个波段的光束，分别在不同胶片上曝光成像。单镜头光束分离型光学相机如图1-1所示，其特点是结构较简单，用单镜头就能得到几个光谱的图像；因共用一个光学孔径、一个快门，所以不同光谱图像对准的精度高，没有快门同步、光轴不平行等问题。多个胶片分别记录不同波段图像，信息量多，利用率高，对以后图像的处理、组合有利。但由于入射光经多次分光，到达胶片上的光谱能量有损失，光强有所减弱。
其中，1为蓝绿光、红光、红外光分色器；2为红光、红外光分色器；3为光阑和快门；4为蓝光、绿光分色器；5为滤光片。
利用多光谱相机摄取的一组图片，既可逐个分析研究景物图像不同光谱特色，也可将不同光谱的照片相互组合成伪彩色或真彩色照片进行分析对比研究，能获得更多的信息。分幅式相机最大特点是拍摄的照片几何关系较为严格，常用做目标较准确的定位，另外空间分辨力高，图像清晰、质量好，但实时性差，必须等回收后胶片冲洗出来才能看到。由于感光底片响应的波段有限，多光谱相机工作波段的延伸也受到限制，用滤光片分光的光谱间隔也不容易分得很窄，工作波段数也不多。采用固体成像器件代替感光胶片，就成为数码相机，景物通过光学系统成像于光敏面上，每个光敏元感生出于景物像点的光强弱相对应的电信号。在驱动脉冲的作用下，经图像处理电路处理，最后得到数字信号记录物体的影像。数码相机的空间分辨力不如胶片相机，但其信号可直接远距离传输、实时性好。
全景相机
在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，地面景物在相机内滚筒上的弧形胶片上聚焦成像，物镜在垂直于航线方向扫描，就得到一幅扫描成像的地面图像。物镜摆幅很大，可实现宽摄像覆盖要求，能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片。由于全景相机的像距保持不变，而物聚随扫描角的增大而增大，因此和航线正下方的中心部位相比，就会出现两边比例尺会逐渐缩小的现象，整个影像产生全景畸变。另外在扫描的同时，飞机向前飞行，以及扫描摆动的非线性等因素，使影像的畸变更为复杂。由于全景相机的照片几何关系不如分幅式相机严格，存在畸变，因此常用于军事侦察、发现和识别目标，而不用于精确定位。
狭缝式相机
相机的光轴指向不变，物镜在垂直于飞行方向设置一条狭缝。相机瞬间所获取的影像，是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影像。当飞机向前飞行时，相机焦平面上的缝隙线影像连续变化，相机内的胶片以与地面在缝隙中的影像移动速度相同的速度不断卷动和曝光，从而得到连续的航带摄影照片。