Trong thiên văn học, sao đôi quang học là trường hợp khi hai ngôi sao (hay tổng quát là hai thiên thể) có vẻ nằm gần nhau khi được quan sát từ Trái Đất.Có hai kiểu sao đôi quang học: sao đôi thị giác và sao đôi quang học biểu kiến. Các sao đôi thị giác được coi là một hệ sao đôi thực sự và nằm gần nhau trong vũ trụ ở mức đủ để có sự tương tác hấp dẫn khiến chúng quay quanh lẫn nhau. Trái lại, các sao đôi quang học biểu kiến là hai ngôi sao chỉ có vẻ ở gần nhau, và trên thực tế nằm cách nhau rất xa trong không gian và không có tương tác hấp dẫn.Để phát hiện ra các sao đôi quang học không phải là sao đôi thực thụ, có thể quan sát chúng trong một thời gian dài, thường là nhiều năm. Nếu chúng chuyển động theo các đường thẳng, thì có nhiều khả năng chúng không nằm trong hệ sao đôi. Nếu vị trí của chúng dao động quanh nhau, thì chúng là sao đôi thực sự.Người đầu tiên phát hiện ra một sao đôi quang học, trước đó bị ngộ nhận là một ngôi sao, là Giovanni Battista Riccioli năm 1650 khi ông quan sát ζ Ursae Majoris (Mizar). Từ thời điểm ấy, việc tìm kiếm các sao đôi quang học đã được tiến hành kỹ lưỡng và mọi ngôi sao có độ sáng sao tới cấp 10 đều được khảo sát. Ít nhất một trong 18 ngôi sao ở nửa bắc bầu trời có độ sáng 9.0 là một sao đôi gần quan sát được bằng một kính viễn vọng 36-inch[cần dẫn nguồn].