显微镜是一种用于观察肉眼无法清晰分辨的微小物体和结构的仪器。不同类型的显微镜利用光、电子束，或精细探针与样品之间的相互作用来形成图像。它们能够揭示从细胞、微生物到纳米尺度表面的各种特征。显微术既涵盖仪器，也涵盖样品制备、图像采集及图像信息解读的方法。(microscopyu.com)
历史发展
显微镜在十七世纪成为重要的科学仪器。1665年，罗伯特·胡克出版了《显微图谱》，以图文展示他使用复合显微镜所作的观察。他在描述软木中的小格结构时，引入了“细胞”一词。安东尼·范·列文虎克使用小型单透镜仪器研究此前未被观察到的生物，为微生物学的建立奠定了观察基础。十九世纪，透镜制造技术的改进使显微观察更加细致、可靠。(blog.sciencemuseum.org.uk)
电子光学的发展带来了重大变革。1931年，恩斯特·鲁斯卡的早期仪器展示了电子光学成像，为突破传统光学显微术的分辨率限制开辟了道路。1981年，IBM的研究人员推出扫描隧道显微镜，它通过探针与样品之间的相互作用探查表面，而非依靠传统的成像透镜。这些进展将显微术从可见光观察拓展到了原子尺度研究。(nobelprize.org)
放大倍数与分辨率
放大倍数表示图像相对于物体放大了多少倍。分辨率表示区分相邻细节的能力。放大一幅细节尚未分辨开的图像，并不能揭示更多结构，这称为无效放大。因此，图像的有效性取决于分辨率、对比度和可检测信号的多少，而不只是标称放大倍数。(microscopyu.com)
在传统的光学显微术中，衍射限制了相邻特征能够被区分开的最小间距。横向分辨率的一种常用估算公式为
[ d \approx \frac{\lambda}{2,\mathrm{NA}}, ]
其中，(d) 为可分辨的距离，(\lambda) 为波长，数值孔径为 (\mathrm{NA}=n\sin\theta)。这里，(n) 是介质的折射率，(\theta) 是集光锥的半角。更短的波长和更高的数值孔径通常能提高分辨率。常规高性能可见光显微术可以分辨约200纳米尺度的横向细节；确切的极限取决于成像条件和分辨率判据。(microscopyu.com)
光学显微镜
简单显微镜使用单个放大透镜。复合光学显微镜利用物镜形成放大的中间像，再由目镜将其放大以供观察。许多现代系统在物镜与中间像之间设置了筒镜。相机可以代替目视观察来记录图像，也可以与目视观察同时使用。其他必要部件包括照明装置、载物台、调焦机构，以及透射光仪器中的聚光镜。(microscopyu.com)
不同的配置突出样品的不同性质。明场显微术记录透射光的变化，常借助染色来增强效果。相差显微术将透明样品引起的相位差转化为光强差，使未经染色的活细胞更容易辨认。微分干涉对比利用光的干涉来突出光程的变化。这些技术通过不同的物理性质产生对比，而不只是放大同一个视野。(microscopyu.com)
荧光显微术检测样品受激发后发出的光。滤光片将激发光与较弱的发射信号分离，使选定结构在暗背景下清晰显现。荧光标记可以识别特定的蛋白质或细胞组分。共聚焦显微术利用空间孔径阻挡大部分离焦光，生成可组合成三维图像的光学切片。(microscopyu.com)
电子显微术
电子显微镜使用加速电子和电磁透镜。电子的波长远短于可见光，因此有可能实现精细得多的分辨率，不过透镜像差、样品性质和工作条件也会限制其性能。(jeol.com)
透射电子显微镜（TEM）利用穿过足够薄的样品的电子成像，揭示其内部结构。扫描电子显微镜（SEM）用聚焦电子束扫描样品，并记录二次电子或背散射电子等信号。SEM图像通常突出表面形貌；探测器还可以收集特征X射线，用于元素分析。常规工作模式需要真空环境，生物样品通常还需经过固定、脱水、切片或镀膜等处理。低真空和低温方法则允许采用不同的制备条件。(jeol.com)
冷冻电子显微术用于观察在低温下保存的样品，这些样品通常包埋于玻璃态冰中。将许多颗粒的图像结合起来，可以重建包括蛋白质复合物在内的生物分子的三维结构。这项技术的发展获得了2017年诺贝尔化学奖的表彰。(nobelprize.org)
扫描探针与超分辨率
扫描隧道显微镜通过测量尖锐针尖与样品之间的量子隧穿电流，对导电表面进行成像。原子力显微镜通过悬臂梁的响应测量针尖与样品之间的作用力，并可在液体环境中工作。这些方法生成的是表面性质的分布图，而非普通的光学照片；在适当条件下，它们可以提供原子尺度的信息。(research.ibm.com)
超分辨率显微术涵盖能够突破传统衍射极限成像限制、区分更细微特征的光学技术。受激发射损耗技术通过受控抑制荧光来缩小发光区域。单分子定位方法则通过连续采集的图像，估算稀疏发光标记的位置。其性能取决于标记情况、检测到的光子数、样品运动以及重建时采用的假设；突破传统极限并不意味着分辨率可以无限提高。(nobelprize.org)
样品与图像解读
显微图像呈现的是特定的物理信号，不一定是物体的自然外观。荧光强度反映发光情况，SEM图像的亮度取决于检测到的电子信号，而探针图像则反映针尖与表面之间的相互作用。显示颜色可以通过计算机赋予。制备过程可能改变样品，照明或电子辐照也可能造成损伤。因此，要对图像作出有意义的解读，就必须结合其采集方法、样品制备过程和空间尺度。(microscopyu.com)