关于光学和放大的观察在希腊和罗马的记录中随处可见，然而，直到公元1000年才开始广泛使用被称为 "阅读石"的镜片作为阅读辅助工具来放大文字。希腊人还用研磨玻璃制成的弧形透镜来点火！这并不是字面意义上的，而是指在希腊人看来，透镜是一种很好的工具，通过聚焦光线产生的热量被用来烧灼伤口、病变和手术中的切口。然而，这些弧形眼镜要再过1200年才会在眼镜中找到用途。
与此同时，阿拉伯世界的一些学者也在努力理解光学。Ibn Al-Haytham在公元1021年出版了《光学之书》，总结了他对光和视觉的研究。当时人们认为，从眼睛反射出来的光线 "触及 "物体，从而使我们能够看到它们。
也有证据表明，中国文明在4000多年前就了解并使用了放大术。周王朝开发了我们现在称之为 "水显微镜 "的仪器，它由一根长管组成，里面装满不同程度的水，取决于所需的放大率。这些简单而有效的仪器能够达到超过150倍的放大率。
在西方世界，发明家在13世纪才开始尝试使用透镜。公元1284年，意大利的Salvino d'Aramento Degli Amati被认为是发明了第一个可佩戴的眼镜。到了14世纪，这种眼镜开始在欧洲各地广泛使用。300年后，文艺复兴已经到来，帮助来自欧洲各地的科学家自由交流。因此，迎来了显微镜的发明。
GalileoGalilei（公元1564年-公元1642年）因发明了能够放大远处物体的望远镜而受到广泛赞誉。然后他很快发现，将望远镜中的镜片重新排列，缩短它们之间的距离，有助于放大小东西，从而制造出第一台复合显微镜，他称之为"Occhiolino"。该装置实现的放大率比广泛使用的放大镜高几倍。
同时，荷兰眼镜制造商Zaccharias Janssen和Hans Lipperhey也声称已经独立建造了一台使用管子和两个镜片组合的复合显微镜；物镜位于标本上方，镜片用于观察图像。尽管不清楚是谁首先提出了显微镜的设计，但到公元1625年，这个术语已经在欧洲广泛使用。
在同一世纪，Anton Van Leeuwenhoek建造了第一台简单的显微镜，使用了一个非常小但强大的镜头。他在研磨和抛光玻璃方面进行了广泛的实验，开发了能够显著放大的弧形玻璃。
有趣的是，花了150年的时间才建造出能够复制Leeuwenhoek的简单自制显微镜的放大率的复合显微镜。1674年，他用他的设备观察一滴水里的细菌，为自己赢得了 "显微镜之父 "的称号。
一位英国物理学家，Robert Hooke, Leeuwenhoek的同时代人也在使用显微镜来研究生物体。他用蜡烛光照亮的简单显微镜发现了细胞和它们特有的蜂窝状结构。1665年，‘cells’l细胞一词被创造出来，并发表在他的神学院作品《Micrographia》中，该作品以生动的皮肤和头发插图闻名。有趣的是，科学家们在200多年后才同意细胞是生命的基本单位。
然而，早期的显微镜很难使用，并受到其镜头质量的限制。200多年后，在1729年，Chester Moore Hall开发了消色差透镜。消色差透镜结合了两个不同形状和焦距的透镜，以提供更好的焦点。
18世纪末和19世纪初，镜头的设计有了许多进步，从而极大地提高了显微镜的质量。这些设备在提高放大率的同时也变得相当小。此外，新镜头的开发解决了旧设备中经常出现的常见光学问题。在这个时候，显微镜的进化之旅遍布世界各地，来自不同国家的发明家们一起努力建造更好的设备。
1830年，Joseph Jackson Lister 在纠正一种称为球差的现象方面取得了巨大进展。在那之前，通过显微镜观察的图像会根据镜片之间的角度而发生扭曲。然而，Lister建立了一个装置，将弱透镜放置在彼此之间的精确距离上，从而消除了球面差。这极大地帮助了当时的博物学家观察明显的生物结构，在那之前，这些结构只是模糊的变形。
美国人John Leonard Riddel 是一个身兼数职的人；科学家、化学家、植物学家、地质学家、医生、显微镜学家、政治家和作家。1850年，他在杜兰大学工作，建造了第一台有两个工作眼片的双目显微镜。利用该设备，他还开创了对霍乱弧菌的研究，霍乱弧菌是导致霍乱的细菌。
十年后，显微镜制造公司‘Ernst Leitz’制造了包含五个不同放大倍数的镜头的显微镜，可以根据需要进行调整。他们通过将多个镜头固定在位于镜筒末端的可移动转塔上来实现这一目标。与此同时，一个竞争对手的公司 "蔡司光学厂 "也在努力推动显微镜的发展。
1866年，Ernst Abbe 在蔡司工作时，奠定了指导计算光学发展的原则，直到今天。随着物理学的进步，显微镜的设计开始倾向于被证明的理论而不是试错方法。利用新发现的光波特性，阿贝制造了超过17个物镜，每个物镜都有不同的放大率。他还开发了第一个浸入式物镜，在这种情况下，样品和透镜都被浸入比空气有更高折射率的液体中。他开发了名为 "阿贝方程式 "的数学公式，帮助计算显微镜的最大分辨率。但是，他对显微镜最著名的贡献也许是发明了阿贝聚光镜，这是一个放在显微镜光源上方的装置，将光线集中到一个圆锥体上。
十九世纪末，许多制造公司开始大规模地设计和建造精密显微镜。随着价格开始下降，该设备开始被广泛的受众所接受。高精度显微镜为生物学中的一些最重要的成就提供了帮助，包括Walter Flemming在1879年发现的染色体。
在 1893, August Kohler 在蔡司光学厂工作，建造了专利的科勒照明装置。在那之前，聚光器在将光线聚焦到标本上的能力是有限的。Kohler 的装置通过提供一个均匀的光源，极大地提高了显微镜的分辨率和对比度。
显微镜使科学家和学者们能够探索他们周围看不见的世界。在20世纪，许多致命的疾病被理解和治愈，这主要得益于显微镜的可视化能力。这个世纪也见证了显微镜大众市场的发展， Leitz 公司声称在美国已售出超过50,000台设备。样品照明和光源方面的进步使新型显微镜的设计成为可能，下文将简要介绍这些显微镜。
1.超显微镜：在 1903, Richard Zsigmondy 在蔡司光学厂（现称为卡尔-蔡司公司）工作时制造了超显微镜，使人们能够使用波长低于可见光的波（如紫外线）。这是通过使用散射光的光源来实现的，而旧的显微镜只是反射光。该设备使科学家能够通过将粒子浸入液体中来观察小至4纳米的粒子。超显微镜使胶体、气溶胶、离子和生物超结构的研究有了发现。1925年，齐格蒙德迪因其发现而被授予诺贝尔化学奖。
2.电子显微镜：20世纪初，一系列替代光的照明源得到了发展。电子显微镜使用一束电子来生成图像。第一台透射电子显微镜（TEM）是在20世纪30年代由为西门子工作的两位德国物理学家Max Knoll和Ernst Ruska开发的。光学显微镜自然受到光学物理学的限制，其理论放大倍数限制为500倍或1000倍，分辨率限制为0.2μm。使用电子束可以获得更高的分辨率，使分辨率达到纳米级。电子束和样品之间的相互作用被记录下来并转化为图像。半导体和纳米技术的进步导致了今天所有先进技术的使用，而TEM使之成为可能。TEM还使人们能够发现和识别导致许多致命疾病的病毒。今天使用的TEM能够分辨小到一个原子的物体。1937, 阿登纳对TEM的设计进行了改进，建立了扫描电子显微镜的概念，以STEM的形式，该设备使用一束电子在试样表面移动，然后被收集以产生一个"反向散射"图案。尽管这些设备不如TEM强大，但它们能产生高分辨率、明显、清晰的三维图像。但后来的20多年，TEM的技术发展明显快于SEM，导致SEM在1965年的剑桥大学才实现商业化，比TEM完了29年。扫描电镜已经在生物学、化学和冶金学中发现用于阐明样品的形态、组成和拓扑结构。此外，Ernst Ruska因其设计的电子显微镜于1986年被授予诺贝尔物理学奖。Ernst Ruska的原理装置至今仍在使用，放大能力超过200万倍。
3.相位对比显微镜：1932年, Frits Zernike 设计了一种相位对比显微镜，能够放大透明样品。该装置使用光的干涉原理，而不是基于光的吸收的传统显微镜。当光与介质相互作用时，光线的相位或振幅发生变化。然而，这些相位变化对肉眼来说是看不见的。相位对比显微镜将相位的变化转换为亮度的变化。该设备对生物学领域特别有意义。在这之前，细胞必须被安装和染色，基本上是杀死它们，以便被放大。然而，相位对比显微镜使活细胞和细胞器在其自然状态下的成像成为可能。1953年，Zernike因其发明被授予诺贝尔物理学奖。
4.微分干涉对比显微镜：微分干涉对比（DIC）显微镜的原理与相位对比显微镜是相辅相成的。与相位对比不同的是，这些设备将光线穿过标本时的路径变化转化为亮度，图像在灰色背景下显示为从黑到白的梯度。这种效果被称为Nomarski干涉对比，以其创始人、波兰物理学家Georges Nomarski命名。DIC还允许对透明的生物样本进行成像，而无需染色。
5.扫描隧道/扫描探针显微镜：在 1981, Gerd Binning和Heinrich Rohrer 在瑞士IBM公司工作，根据他们对量子隧道（QT）现象的发现，建立了第一台扫描隧道显微镜。QT现象观察到，在样品和探针之间发生了微小的电子流或小电流。扫描探针显微镜测量这种电流，同时一个精致的小探针在样品的表面上移动。由于消除了光源，STM克服了光镜和电子显微镜的缺点。有趣的是，Binning和Rohrer还在STM中建立了一个反馈回路，定期调整样品和探头之间的距离。因此，STM能够对样品中的原子层进行成像，实现三维放大。STMs已经为学术和工业科学的重大发现做出了贡献。今天，这些STM拥有超细的压电探针，能够达到原子分辨率。Binning和Rohrer 因其开创性的发明与 Ernst Ruska分享了诺贝尔奖。考虑到STEM只能检测导电样品，AFM作为扫描探针显微镜家族中的重要成员，如今在科学研究中非常受欢迎。
6.荧光显微镜：有些物质能够吸收照射在它们身上的部分光线，从而发出不同颜色（波长）的光线。这种现象被称为 "荧光"（Fluorescence）。例如，常用的分子Fluorescein吸收蓝色的光（高能量），发出绿色的光（低能量）。荧光显微镜通过使用荧光染料对活体和固定的细胞结构进行化学染色，对样品进行成像。1962年，绿色荧光蛋白（GFP）首次由Osamu Shimomura, Frank Johnson和Yo saiga在水母中发现，他们因此分享了诺贝尔化学奖。这一发现与1992年GFP的克隆相结合，使GFP在荧光显微镜中的大规模生产和广泛使用成为可能。基于GFP的显微镜已经推动了生物学的许多重大发展，如阐明神经发育、大脑发育和癌症生长。荧光显微镜使人们能够了解包括糖尿病和阿尔茨海默氏症在内的重大疾病。最近，基因编辑的进步使活细胞能够表达自己的GFP，而不需要任何额外的染色方法。
7.共聚焦显微镜：在1957, Marvin Minsky首次提出共焦成像作为光镜的替代方法。在这种现象中，光被集中在样品的一个点上，而不是照亮整个样品。然而，直到1978年，激光的发现才帮助设计了高分辨率的共焦激光扫描显微镜。Thomas和Christoph Cremer 开发了一个带有微型光学系统的调查探针，在样品的一个精确点调查光散射。在整个样品上工作时，该装置建立了一个分辨率在0.5-3.0微米之间的三维图像。随着荧光染料的发现，特定的细胞结构可以被染色，使共焦扫描探针能够识别其形态。今天，共焦内窥镜已经被开发出来，不需要从体内取出组织。该设备可以提供生物组织的即时组织病理学检查体内的生物组织。这已被证明对胃肠道及其疾病的成像特别有用。
8.X射线显微镜：这些设备使用电磁辐射，通常是X射线来建立物体的三维图像。最常用的X射线显微镜是CT扫描仪（计算断层扫描），它可以对人体组织进行非侵入性成像。整个样品的X射线吸收模式由计算机收集并用于建立一个三维图像。由于人体的各种组织对X射线的吸收不同，该设备可用于成像和观察特定的生物结构。1972年，第一台CAT扫描仪由Allan Cormack和Godfrey Hounsfield建造，他们因此获得了诺贝尔生理学和医学奖。该设备最常用于医学，也被用于工业和考古学的非破坏性材料测试。
9.超分辨率显微镜：显微镜中分辨率的理论极限是由光的衍射限制的，这是由Ernst Abbe在1873年以数学方式定义的。然而，由Stefan Hell在1996年开创的超分辨率显微镜通过结合几种不同的光学技术克服了这个限制。归入超分辨率的设备包括使用荧光显微镜、光子隧道显微镜、超分辨率光学波动成像（SOFI）、刺激发射耗尽显微镜等。Eric Betzig、Stefan Hell和William Moerner因其对超分辨率显微镜的共同推进而分享了2014年的化学诺贝尔奖。今天，这些设备能够观察到小于0.2微米的颗粒。
10.冷冻电子显微镜：该设备是对透射电子显微镜（TEM）的一种改进。虽然TEM使用一束电子来检查样品，但大多数生物材料在这些条件下会损伤。Jacques Dubochet, Joachim Frank 和Richard Henderson 开发了一种新型的低温电子显微镜，通过冷冻生物大分子，可以实现生物大分子的高分辨率。该设备还使用了较温和的电子束，不影响生物结构，从而使蛋白质、DNA和其他生物分子的运动和功能的可视化。2010年，这些设备使病毒中的原子实现了可视化。2017年的诺贝尔化学奖被授予这些开创了这种设备的科学家。
目前世界各地都在使用各种各样的显微镜。声学显微镜使用声波而不是光来检查样品。这使得样品可以被非侵入性地成像。最常见的声学显微镜的改装是超声。
1986年开发的数码显微镜，使用一个数码相机和一台电脑进行现场成像。一些设备配备了眼球，而另一些则完全由计算机控制。计算机能够分析肉眼无法看到的图像属性，包括距离的测量、荧光的强度、厚度的微小变化等。Dino-Lite数字显微镜是最近的一项创新，在业余爱好者中很受欢迎。这些是手持式设备，比一支笔还小，能够达到500倍的放大率。USB电脑显微镜是一种低功率的数码显微镜，安装的数码电脑可以直接连接到电脑的USB端口。虽然它们只能够放大到200倍，但因其易于使用而受到欢迎。袖珍数码显微镜特别适合儿童和业余爱好者手持成像的低倍率（25X-100X）。立体解剖显微镜可以对样品进行立体成像。该设备结合了两对不同的目镜和物镜，通过产生一个直立的三维视角来阐明样品的深度。
目前使用的其他显微镜还包括对比显微镜、倒置显微镜、光纤检查显微镜、岩相和偏振显微镜、双光子显微镜和尖端增强拉曼显微镜。
我们在显微镜的发展过程中，从最初的显微镜到历史上最先进的一些显微镜系统，一路走来。它们不仅在技术上非常先进，而且随着这些设备的成本下降。未来的科学家，他们将在显微镜的发展过程中取得更大的进步。参考文献1.J van Zuylen, The microscopes of Antoni van Leeuwenhoek. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.1981.tb01227.x2.David Bardell, The invention of the microscope. https://doi.org/10.1893/0005-3155(2004)75%3C78:TIOTM%3E2.0.CO;23.Douglas B. Murphy and Michael W. Davidson. Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging4.William Rosenthal, Spectacles and Other Vision Aids: A History and Guide to Collecting5.Lauren Cox, Who invented the microscope. https://www.livescience.com/39649-who-invented-the-microscope.html6.Clara Sue Ball, The early history of the compound microscope. https://www.jstor.org/stable/4606667?seq=17.Sakurai, T. Advances in Scanning probe microscopy8.Erko,A. Modern developments in X-ray and neutron optics.9.Liz Logan. Early Microscopes Revealed a New World of Tiny Living Things10.Martin et al., The Scanning Electron Microscope. https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/21.2.10911.Kuo-Hsing, Optical Versus Virtual Microscope for Medical Education: A Systematic Review. https://doi.org/10.1002/ase.1844
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