潜望镜原理示意图潜望镜是指从海面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面，用以窥探海面或地面上活动的装置。其构造与普通地上望远镜相同，惟另加两个反射镜使物光经两次反射而折向眼中。潜望镜常用于潜水艇、坑道和坦克内用以观察敌情。
按目前的技术水平，潜艇综合成像系统基本上由几大类成像系统构成。下面就依照艇上和艇外成像系统的顺序，分别描述几种成像系统的技术现状和特点。
潜望镜成像系统
现代潜艇潜望镜是在20世纪初发明的。1906年德国海军建成第一艘潜艇时，已使用了相当完善的光学潜望镜，由物镜、转像系统和目镜等组成。当时潜望镜的潜望力在5~7米，观察距离很近、视场狭窄、图像质量也很差，而且夜间无法使用。传统潜望镜的主要功能包括观察水面的舰船、对空观察飞机、估算被攻击目标的距离、将其方位和距离提供给火控系统、在潜没状态下实施地标导航或天文导航等。
现代的潜望镜制造商应用微光夜视、红外热成像、激光测距、计算机、自动控制、隐身等光电技术的最新成果，开发出新一代光电潜望镜。以2003年德国研制的最新一款SERO400型潜望镜为例。主要技术性能包括：俯仰范围-15°～60°，1.5倍、6倍和12倍三种放大倍率，高精度的瞄准线双轴稳定，潜望镜入瞳直径大于21毫米，潜望力约12米。它能配置多种摄像机和传感器，如数码摄像机、微光电视摄像机、彩色电视摄像机、热像仪、人眼安全型激光测距仪等，供潜艇指挥员根据实战需要选用；还能把视频信号实时提供给作战系统监视器，实现同步观察。潜望镜系统的串行接口可供不同的作战系统控制台实现遥控操作。该潜望镜系统在昼光和夜间条件下都有相当好的观察效果，能有效监视海面和海空、收集导航数据、搜索和识别各种海上目标，观察到的图像可以录像供回放。
现代光电潜望镜技术已经相当成熟，不可能再有很大提高。传统的穿透式潜望镜的固有弊端已十分明显：其一，也是最主要的缺陷，潜望镜必须穿透潜艇壳体，镜管直径越大，对潜艇耐压性的影响就越大；其二，潜望镜目镜头的转动直径一般为0.6米，在原本有限的艇内占据较大空间，对潜艇指挥舱的布置十分不利；其三，潜望镜只适合一人操作观察，无法实现多人同时观察，不利于作战信息资源的共享。尽管存在上进缺陷，但光电潜望镜在现在和将来依然是各国海军潜艇最普遍使用的成像观察装置。
光电桅杆系统
1976年，美国科尔摩根公司正式提出最初的光电桅杆原理供海军评审。接着在20世纪80年代，非穿透光电桅杆的开发计划正式启动。如今，光电桅杆已从概念、原理样机发展成为工程型号。美、英、法三国海军在新型核动力潜艇上淘汰了传统的穿透式潜望镜，都将配备光电桅杆。这标志着潜艇光电桅杆技术已经达到相当成熟和可靠的水平。光电桅杆和常规潜望镜的最大差别在于，光电桅杆是“非穿透桅杆”。它由光电桅杆观察头、非穿透桅杆和艇内操控台三部分组成。美国“弗吉尼亚”级潜艇上的光电桅杆系统是AN／BVS1成像系统，它除了现有潜望镜系统的功能外，还能提供电子情报收集、监视和目标打击等功能。
光电桅杆与传统的穿透式潜望镜相比有诸多优点：如光电桅杆不穿透耐压艇壳，直接布置在指挥舱的合适位置，不但提高了潜艇耐压强度，也方便了指挥舱的布置；光电桅杆的观察头部装有多种光电探测传感器、电子战和通讯天线等装置；艇外情况可通过电视和红外摄像机摄取，然后传输到艇内，显示在操控台监视器及大屏幕上。光电桅杆正在逐步取代穿透式潜望镜，成为潜艇作战信息系统的重要组成部分。
但由于技术复杂、价格昂贵等原因，目前只有少数潜艇使用了一根光电桅杆，例如俄罗斯“德尔塔Ⅲ”和“德尔塔Ⅳ”级导弹核潜艇装备有一根“砖雨”光电桅杆。只有美国“弗吉尼亚”级攻击核潜艇使用了两根光电桅杆。目前较为普遍的是一根光电桅杆和一根潜望镜配合使用，如美、英、德、法、俄、日、埃及等国的部分潜通气管摄像机监视系统。
围壳及壳体部分的摄像机电视系统
这是电视摄像机系统在潜艇上的特殊应用。主要用于对己艇的外部环境和各种发射状况进行检查和监视，也可为潜艇在冰层下活动提供光学导航。电视摄像机系统在潜艇壳体上的应用至少有30年的历史，具体应用多见于英国、俄罗斯及北欧等国海军潜艇。英国潜艇围壳上配置的水下电视摄像机系统，是专为潜艇在冰层或水下活动的需要而研制的。它可以提供安全的水下导航，是潜艇上浮时的重要辅助装置。一般就导航系统而言，在潜艇围壳上应配置两台水下电视摄像机，一台置于向上观察的位置，另一台置于前视位置并与水平方向成40°角。这种布置方式十分有利于潜艇在上浮或前进机动时获得最好质量的图像。英国西姆拉德公司的OE0285型摄像机已装备英国的潜艇，它是一种增强的硅靶摄像机，它能在有云的星光条件下依靠微弱光线观察各种目标。当潜艇在北冰洋地区活动时，OE0285摄像机是潜艇通过冰层上浮时的重要辅助设备。
虚拟潜望镜系统
这是美国海军正在研究的潜艇水下摄像机系统。虽然称之为“虚拟”潜望镜，但与计算机技术领域的“虚拟现实”截然不同，也不同于围壳上的摄像机系统。虚拟潜望镜就是一种完全从水下潜没的潜艇平台上透过水面进行观察的光学传感器，包括潜艇水下摄像机、处理器和图像显示器。所谓“虚拟”，是指图像显示器能把摄像机看到的海面上部半球形视场内的不完整图像重现为一幅完整的图像。虚拟潜望镜与潜艇传感器系统构成一体，可减少潜艇指挥员使用常规潜望镜的次数，提高潜艇的隐身性。
美国某海军正在通过虚拟
潜望镜观察海面情况虚拟潜望镜技术还可以在最大程度上减少潜艇与水面舰船碰撞的概率。潜艇上浮到潜望深度前，必须确认上浮区内没有行驶的船舶。从潜望深度到水下约150英尺（46米）的“过渡区”，是潜艇水下活动的不安全区。在这个尴尬的区域内，潜艇因为所处位置“太深”而看不见上方是否有正在航行的舰船，又因为距离航行舰船下方“太浅”而不能安全地通过。但是，这个过渡区可能包含了最佳水声搜索深度，也是最好的规避深度，是潜艇在浅水区安全活动的最理想深度区域。如果潜艇丧失了这个过渡区，其活动能力就会大打折扣。如果潜艇采用虚拟潜望镜技术观察周围情况，就能在这个过渡区内安全地活动了。
虚拟潜望镜的光学原理与普通潜望镜不同。普通潜望镜是在海上某个位置接收光线；虚拟潜望镜则是利用水下的一个或几个向上观察的摄像机，接收来自空间并穿透海面的光线。虚拟潜望镜项目运用对微弱折射光重构的成像技术，开发一个能探测水面目标的水下摄像机系统（包括软件系统）。虚拟潜望镜不只是一项特殊的成像技术，而且完全适合于潜艇特种作战部队的应用。
光电浮标系统
美国早在20世纪80年代初已申请了光电浮标技术的专利。到了90年代，美国马萨诸塞州波卡塞特的船舶成像系统公司开始了潜艇用光电浮标的设计与研究。该公司与美国国防研究计划局签订了100万美元的研究合同，设计并制造从潜艇发射的摄像机浮标系统（BCD）。BCD使用CCD传感器，并通过光纤和电缆与潜艇保持连接。CCD传感器由潜艇控制其稳定和监视方向，在水面上获取目标图像数据，再转换成光纤信号传送到潜艇上。获取的信息用图像增强算法软件进行处理。潜艇用光电浮标可以进行隐身处理以提高隐蔽性，如伪装成冰块或海上漂浮物。如果能降低成本，光电浮标可设计成一次性的。还有人建议研制多传感器光电浮标系统。
无人机系统
潜艇无人机的开发解决了潜望镜和光电桅杆潜望高度低、不能远距离观察的问题。潜艇可以在潜没状态下获得无人机从空中摄取的图像，从而提高了隐蔽性。与潜艇有关的无人机技术研究始于20世纪80年代中期，当时的无人机是从鱼雷管发射的，现在已能从潜艇桅杆内向外发射无人机。例如，美国科尔摩根公司研制成功的无人机发射装置装在潜艇桅杆内，一次可装四架无人机。美国海军已经把无人机技术应用在“弗吉尼亚”级和“俄亥俄”级攻击核潜艇上。无人机可以通过军用卫星把探测到的信息传输给发射潜艇，或转发到其他潜艇、水面舰船以及陆上的作战指挥中心，并与水下运载器等多种系统构成综合的信息网络。