据有关资料记载，荷兰很早就开始磨制玻璃和宝石镜片，并且知道一块一个面或者两个面凸起呈弧形的透明玻璃片有放大作用，利用它可以看清物体的一些细节。现在人们称这种用单片透镜做的放大器为单式显微镜。这种简单显微镜的放大倍数不超过30倍，一般是20倍左右。要得到更高的放大倍数，需要让几个透镜组合，这就是复式显微镜。据说最早发明这种复式显微镜的也是荷兰的一位眼镜制造商，他是米德尔堡的詹森（Z.Janssen）。他制作镜片的技术非常精良，能够制作各种大大小小、厚厚薄薄的镜片。1590年，他做了两个圆筒，把它们套在一起，然后在套筒的一端安装一块双凸透镜，在另外一端装一块双凹透镜。他手拿着这个套筒左右比划着，突然从双凹透镜中看到自己放在凸透镜上的手指变粗了不少。
他又把一只小虫放上去观察，发现这小虫也变大了。这个现象启发詹森，使用多块透镜叠在一起可以把物体放得很大。经过一番努力，终于制造出能够看见微小物体的复式显微镜。今天，在荷兰米德尔堡科学协会还保留了一架镜筒长18英寸、直径大约2英寸的显微镜，据说它是詹森当年制造的。不过，詹森没有估计到显微镜的使用价值，并未对显微镜做进一步完善工作，也没有利用他发明的显微镜对微生物进行观察，真正开展这些工作则是在多年之后。
列文虎克利用显微镜窥探微生物世界取得的成就，鼓舞了许多科学家，他们利用显微镜探索其他科技领域，如医学领域、金属结构领域、矿物领域、机械领域和电子工业领域等，相应也发展出各种专业显微镜，比如用于观察微生物和生物细胞组织的生物显微镜，用于检测和研究金属组成和结构的金相显微镜，用于对岩石或者矿物标本进行检查分析用的岩相显微镜，用于精密测量零件、部件尺寸和外形轮廓的量度及工具显微镜等。
显微镜是人类最伟大的发明物之一，在它发明之前，人类关于世界的认知局限在用肉眼或者靠手持透镜。虽然列文虎克在世时就已得到人们的承认，但真正认识到他对人类认识世界所作出的伟大贡献以及显微镜的巨大价值，还是在100多年之后。
用电子替代光子人们很快发现，显微镜的放大倍数存在一定限度，最大不超过2000倍。但这不意味着不能再放大了，比如把显微镜的显微图像投影到大屏幕上，可以放得更大，但是这样一味追求图像的大尺寸，却看不到更多的细节。科学家用一个称为“分辨率”的物理量来评价显微镜观察细节的能力，分辨率是指显微镜能够分辨的最细微结构的尺寸。光学显微镜能够分辨的最微小结构的尺寸是0.2微米左右，尺寸再小的结构就无能为力了。
众所周知，光束在空间以直线传播，当传播路途上遇到物体时会被反射回来或透过物体继续直线传播。但是，如果遇到的这个物体的尺寸与光波波长差不多时，传播方式就会出现新状况，有一部分光会绕过这个物体的边缘，改变传播方向，这个现象称为光的衍射，这是光的基本特性之一。正是衍射效应限定了显微镜的分辨率最高只能达到所用光的波长的一半。可见光的波长是390至770纳米，换言之，采用可见光照明的显微镜能够分辨的最小细节尺寸是0.2微米左右，人类不可能察觉小于这个尺寸的细节。这就好比盲人读书，他们靠手指抚摸字形的凹凸纹来认字，所以，手指只有抚摸出字与字之间的空隙时才能辨认出前后的字具体是哪一个。在光学显微镜中，这只“手”是光束，光的波长相当于手指的粗细，显然，要它辨别出比波长小的物体是不现实的。根据这个道理，显微镜使用发射短波长辐射的光源照明，比如紫外射线或者X射线就可以提高分辨率。不过，最“革命”的做法就是用电子束替代光束制造显微镜，这种电子显微镜的分辨率一下子获得几千倍的提高。
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