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显微镜对人类的文明起着重要的作用。
在文明之初的数千年间，人类对肉眼看不见的世界一无所知，所以只能迷信神祗和超自然的力量。直到显微镜的发明，一切才开始改变。
显微镜的发明是许多极具聪明才智的人们在不同时代和不同国度经历了无数实验摸索和仔细思考的结果。我们在、及中已经简单地介绍了显微镜的历史：
● 哈桑·伊本·海赛姆（Ḥasan Ibn al-Haytham，965—1040）首先讲述了玻璃镜片的放大作用；
● 查卡里亚斯·詹森（Zacharias Janssen，1585—1632）和汉斯·利柏黑（Hans Lipperhey，1570—1619）最先制作出放大镜，其放大倍数为3～9倍；
● 胡克（Robert Hooke，1635—1703）最先改进了显微镜，并创立了“细胞”的概念，他的显微镜的放大倍数约为50倍；
● 列文虎克（Anton van Leeuwenhoek，1632—1723）发明的显微镜可以放大200倍，能够观察到一些活动的微生物。
列文虎克是个商人，他改良了胡克的制作显微镜的方法，做出了高倍数的显微镜，并因此荣获英国皇家学院院士头衔。但他在对显微镜的理论并没有深入的了解，而且把自己的技术看作是商业机密，秘而不宣。当他去世时，他的技术也随之失传。在接下来的一百多年间，显微镜技术进步不大。
显微镜顾名思义就是要“显微”。人类目力的极限约为30微米。这个尺寸大约是头发丝直径的一半。而一个细菌的大小约为3微米，比这个尺寸小10倍。要清楚地看到细菌就要放大到100倍以上。
1845年，蔡司公司成立。卡尔·蔡司（Carl Zeiss，1816—1888）出生于一个较为富裕的平民家庭，早年上过学，也当过学徒。蔡司专攻显微镜。他尝试了许多新的方法，渐渐地建立起自己的品牌。
卡尔·蔡司（Carl Zeiss，1816—1888）
1866年，恩斯特·阿贝（Ernst Abbe，1840—1905）加盟蔡司公司，后来又成为公司的合伙人。阿贝发明了一款新型的消除色差透镜（参见）。他还详细地描述了透镜形成清晰图像的必要条件，完善了显微镜的理论。
他最著名的发现是光学显微镜的极限，即阿贝衍射极限（Abbe’s diffraction limit），这个光学显微镜的空间分辨率极限（d）是由光的波长（λ）和所用透镜的数值光圈（NA）决定的，即:
1879年，荷兰化学家奥托·肖特（Otto Schott，1851—1935）加入蔡司公司。他是制作玻璃的专家，发明了一种制作透镜的方法，使透镜的数值光圈接近了NA＝1。
1微米（µm）＝0.001毫米（mm）
蔡司、阿贝和肖特三人（图1）确立了蔡司公司在光学显微镜领域的领先地位。到了19世纪末，蔡司公司已生产出上万台价廉物美的显微镜（图2），以显微镜为基础的科学研究也开始风靡全球。
图1，蔡司公司的三位奠基人，左起：阿贝、蔡司、肖特
图2，蔡司公司的显微镜及其物镜
图3是显微镜光学系统的示意图。其主要部件包括目镜（Eyepiece），参考焦距（又称细焦距，Reference focal length, L）,管镜（Tube lens），物镜（Objective lens），焦距（又称粗焦距，Focal length，F），样本平面（Specimen plane），聚光镜（Condenser），和光圈（Aperture）。
它的参考焦距与焦距都是可调的。望远镜的放大倍数（M）由参考焦距与焦距之比来确定（M＝L／F）。它的清晰度则由聚光镜和光圈来决定（参见）。
图3，显微镜的基本光路
上图中的显微镜用白光照射样本，样本中不同的物质对光的吸收能力不同。密度大的吸收光多些，因此看上去会暗些；密度小的吸收光少些，看上去会亮些，由此构成图像。这一方法简单实用。然而，有些样本吸收光能力很差，有些样本中各种物质的光密度差异很小（例如生物细胞），这时显微图像的质量也就较差。
1938荷兰科学家弗里茨·泽尼克（Frits Zernicke，1888—1966）发明了相衬显微技术（Phase contrast microscopy）。
如图4所示，它用一个衬环让射入的光线产生相位差，带有相位差的光线穿过样本时有先有后，经过透镜后，利用一个环镜将光线重新组合即可形成清晰的图像。对于吸收光密度差异小的样本，这一方法大幅地提高了成像质量。
许多显微镜制造公司把这一技术作为生物显微镜的标配。泽尼克也因此荣获1953年诺贝尔物理学奖。
图4，泽尼克和他的相衬显微镜
我们知道生物细胞虽小，但也是3维的。在显微镜下，3维的物体难以聚焦显示。
1955年，麻省理工学院的马文·明斯基（Marvin Minsky，1927—2016）提出了共聚焦显微镜的方法。他的想法是用一对针孔来限制通过样本的光场和样本的检测深度。不过，这一方法在实际应用中却难以实现。
1961年，他申请了共聚焦显微镜的专利。然而直到他的专利过期，科技才赶上了他的思想。
1987年，共聚焦显微镜终于面世。而明斯基则早已转向了人工智能的研究，并获得了图灵奖（人称计算机科学的诺贝尔奖），成为人工智能的奠基者之一（参见《》）。
图5，马文·明斯基
共聚焦显微镜是通过激光来实现的。如图6所示，激光通过光源针孔射到分色镜（Dichromatic mirror）上，然后折射穿过物镜射到样本上（图中的绿色线）。调整激光的入射角度可以改变聚焦面，从而观测样品在不同高度的特征。样品的反射光通过物镜、分光镜及感应器针孔，最后由感应器检测出来（图中的红色线）。
图7是一个例子。图7（a）是光学显微镜下一颗花粉的图片，图7（b）是通过共聚焦显微镜照出的12张分层图片，图7（c）是利用计算机软件构造出的3维模型。
图6，共聚焦显微镜图解
（a）显微镜下图片
（b）共聚焦显微镜的12张图片
（c）计算机生成的3维模型 图7，一颗花粉的显微镜图片
图7中的花粉直径约为50微米左右，花粉上那些3微米大小的尖刺让它能够“抓”住花蕊上的柱顶，从而完成授粉。
光学显微镜最多能看到多小的物体？根据上述的阿贝衍射极限，可见光的波长（λ）为0.25~0.75微米。以波长为0.4微米，数值光圈为1来算，阿贝衍射极限为0.2微米，这相当于放大了2000倍。
超过这个极限，由于衍射的影响（参见），光学显微镜就看不清楚了。
但是在自然界中，还有许多比这个极限更小的物体，如病毒就只有纳米大小（图8）。因此科学家与工程师们一直在不懈努力去设计与制作更强大的显微镜。
1微米（µm）＝0.001毫米（mm）
图8，生物的大小与阿贝衍射极限
大家也许会想到X光。X光的波长在10~0.01纳米之间，比可见光的波长要短很多，因此根据阿贝衍射极限可以做出放大倍数更高的显微镜。
此外，X光有很强的穿透力，可以看到样品内部的结构。X光显微镜的想法早在1930年代就被提出来了。
1950年代初，剑桥大学与斯坦福大学几乎同时做出了X光显微镜。这一发明催生了DNA结构的发现，从而改变了人类对生命的认识。
X光显微镜有多种，包括X光反射显微镜，X光折射显微镜，X光衍射显微镜和X光吸收显微镜。图9（a）是蔡司公司制作的X光反射显微镜，其分辨率为50纳米（相当于放大了1万倍）。图9（b）是一张集成电路芯片的X光显微镜照片。
(a)
(b) 图9，蔡司公司的X光显微镜及拍摄出的一张集成电路芯片照片
要看到更小的东西就要靠电子显微镜了。1931年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska，1906—1988）和马克思·诺尔（Max Knoll，1897—1969）制作出了第一台透射电子显微镜。
后来，瑞士科学家格尔德·宾宁（Gerd Binnig，1947—）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933—2013）又发明了扫描电镜。如图10所示，透射电子显微镜与光学显微镜有些相似，不过用电子束代替了光线。
当电子束穿过样品时，不同的物质会吸收不同分量的电子束，因此在荧光屏上显示出样品的组分。扫描电镜用的是完全不同的原理（图11），高能量的电子束打在样品上会产生光子、X射线、俄歇电子（Auger）、反向散射电子（Back-scattered electrons）和二次电子（Secondary electrons）。根据这些物质可以检测出样品的组分。
1986年，鲁斯卡、宾宁与罗雷尔获得诺贝尔物理学奖（此时诺尔已逝）。
图10，光学显微镜（左）与电子透射显微镜（中）及电子扫描显微镜（右）的比较
图11，扫描电镜
电子显微镜的分辨率可达0.2纳米（相当于放大2百万倍），但却不能直接用于检测生物样本。这是因为生物样本都含有水分，而电子显微镜必须在真空下才能工作。在真空下，生物样本会被破坏。科学家们想出了用重金属包裹生物样本的方法，但这导致了分辨率的降低，还不如X光显微镜。冷冻电镜（Cryo-EM）应运而生。
1978年，瑞士科学家雅克·杜波谢（Jacques Dubochet，1942—）首先开发出快速冷冻样本的技术，开创了冷冻电镜的研究。接着德国科学家阿希姆·弗兰克(Joachim Frank，1940—)开发出了单颗粒分析重构技术，可以将蛋白质直接成像。
不久苏格兰科学家理查德·亨德森（Richard Henderson，1945—）又完成了晶体的三维重构技术，完善了冷冻电镜技术。2017年，三人分享了诺贝尔化学奖。
图12，荣获2017年诺贝尔化学奖的三位冷冻电镜发明人 左起：杜波谢、弗兰克、亨德森
2019年，新冠病毒Covid-19突然爆发，科学家们用冷冻电镜很快就找到了相关病毒（图13），为快速开发疫苗及抗病毒特效药打下了基础。
图13，冷冻电镜揭示了新冠状病毒Covid-19（彩色球状）攻击人体细胞
最后还要一提的是原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。上面说到，1986年发明了扫描电镜的瑞士科学家宾宁荣获诺贝尔奖（图14（a））。同年，他设计了原子力显微镜（图14（b））。
这个设计十分简单：
用一个装有尖针的悬臂梁轻轻地划过样本的表面，悬臂梁随着样本表面的起伏上下运动，用激光测出运动的幅度即可得到样本的轮廓。
随后，各种各样的原子力显微镜不断涌现，有接触式的也有非接触式的，有测量固体的也有测量胶体的。原子力显微镜的分辨率可达0.03纳米，比电子显微镜还要高。图15是原子力显微镜下的一个分子的氢键。
图14，格尔德·宾宁和原子力显微镜
图15，原子力显微镜下一个分子的氢键及其分子结构示意图
比分子更小的还要原子，比原子更小的还有基本粒子。要看到这些东西就要用到闪裂中子源了。我们将另文介绍，敬请期待！
