Wynalezienie mikroskopu stanowiła dla ludzkości wkroczenie w nową erę badań. Zanim go odkryto człowiek poznał świat tylko w stopniu na jaki pozwoliły mu jego własne oczy, ewentualnie jeszcze przy wykorzystaniu prostych soczewek skupiających. Gdy pojawił się mikroskop, przed naukowcami otworzyła się zupełnie nowa rzeczywistość. Po raz pierwszy byli oni w stanie obserwować zachowanie bakterii, drobnoustrojów, czy innych drobnych organizmów. Mogli oni w końcu poznać strukturę wszelkich tkanek, komórek itp. W ogromnym stopniu przyczyniły się do rozwoju medycyny i odkrywaniu nowych gatunków roślin, grzybów, a także zwierząt.

Pierwszy mikroskop optyczny powstał najprawdopodobniej w 1590 roku i został zbudowany przez Z. van Jansena. W 1872 roku opracowano podstawy teoretyczne opisujące działania mikroskopu. Od tego czasu wiele się zmieniło w konstrukcji mikroskopu. Postęp technologiczny, modyfikacje konstrukcji i wykorzystanie wielu dodatkowych urządzeń, umożliwiają obserwowanie przedmiotów za pomocą światła przechodzącego przez niego, jak i od niego odbitego, oraz umożliwiają wykorzystanie mikroskopu także do specjalnego rodzaju zadań. Między innymi w dzisiejszych czasach dzięki mikroskopowi, jesteśmy w stanie poznać strukturę przedmiotów anizotropowych (do tego celu wykorzystuje się mikroskop polaryzacyjny), prowadzić obserwacje stereoskopowe (przy użyciu mikroskopu optycznego spektroskopowego), czy nawet prowadzić obserwacje cząsteczek, których rozmiary są mniejsze od zdolności rozdzielczej mikroskopu (tutaj stosuje się tzw. ultramikroskop). Gdy skonstruowano pierwsze lasery, powstały także pierwsze mikroskopy, które je wykorzystywały. Dzięki laserom skonstruowano mikroskopy skanujące, odbiciowe i fluoroscencyjne, czy mikroskopy dopplerowskie, oraz inne. W 1931 roku powstał pierwszy mikroskop elektronowy, a skonstruował go Ernst Ruska, dzięki czemu zrewolucjonizował w ten sposób biologię. Bowiem dzięki temu mikroskopowi stało się możliwe oglądanie obiektów, których rozmiary były rzędu nanometrów. Ernst Ruska za skonstruowanie mikroskopu elektronowego został uhonorowany w 1986 roku Nagrodą Nobla.

Konstrukcja mikroskopu optycznego to w zasadzie połączenie dwóch mechanizmów: optycznego i mechanicznego. Układ mechaniczny służy do ustawiania położenia odpowiednich elementów układu optycznego, natomiast sam układ optyczny służy do uzyskania powiększonego obrazu badanego obiektu. Układ mechaniczny spełnia ważną rolę, ponieważ zapełnia stabilność całemu urządzeniu, ustawia wszystkie elementy tak aby uzyskać wyraźny i ostry obraz, wyposażony jest w różnego rodzaju elementy regulujące.

W skład układu mechanicznego wchodzą:

Korpus mikroskopu i statyw - jego głównym zadaniem jest zapewnienie całemu układowi stabilności i sztywności, więc panuje tutaj zasada, że im jest on cięższy i sztywniejszy tym lepiej. Od konstrukcji statywu zależy, czy dla ustawienia ostrości, czyli określenia odpowiedniej odległości pomiędzy obiektywem, a badanym obiektem, regulujemy położenie stolika przedmiotowego, czy też może sterujemy położeniem tubusa zawierającego obiektyw. Rozwiązanie pierwsze jest lepsze, z tego względu, że zapewnia także stałą wysokość okularów. Dlatego też jest ono stosowane w nowszych mikroskopach. Poza tym drugie rozwiązanie, czyli dotyczące poruszającego się tubusa, ma tą istotną wadę, że w przypadku cięższych układów optycznych jego ustawienie może nastręczać kłopotów. Może tutaj pojawić się tzw. płynięcie tubusa, czyli powolne opadanie w czasie regulacji. W wyniku tego rodzajów problemów zrezygnowano już z tego rozwiązania i obecnie w produkowanych mikroskopach stosuje się ten pierwszy wariant, czyli regulacje stolika przedmiotowego.

Stolik przedmiotowy - jest to element, który służy do umieszczenia na nim badanego preparatu i możliwości jego przesuwania w płaszczyźnie stolika. Jak już wcześniej wspomnieliśmy, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego zastosowanego w mikroskopie, stolik ten może się przesuwać w pionie, zmieniając w ten sposób odległość przedmiotu od obiektywu, lub być nieruchomy. W nowoczesnych mikroskopach stosuje się stoliki, które mają szczególne przeznaczenie, tak jest w przypadku mikroskopu polaryzacyjnego, gdzie stosuje się stolik obrotowy.

Śruba mikrometryczna i makrometryczna - są to śruby pozwalające na regulację odległości przedmiotu od obiektywu, czyli ustawienie ostrości obrazu przedmiotu. W zależności od konstrukcji mikroskopu ich obrót może powodować opuszczanie i podnoszenie stolika, lub przemieszczenie tubusu wraz z całym układem obiektyw - okular. W starszych mikroskopach zmiana obiektywu wymaga ponownej regulacji ostrości za pomocą śrub. W nowszych natomiast mikroskopach (produkowanych od połowy XX wieku) występuje tzw. układ parafokalny, który powoduje to, że raz nastawiona ostrość obrazu dla danego obiektywu, pozostanie taka sama, nawet przy zmianie na inny obiektyw (co najwyżej może być wymagana niewielka korekta ostrości).

Rewolwer - jest to obrotowa tarcza, zaopatrzona w gniazda, w których to znajdują się obiektywy. Obrót rewolwera pozwala na bardzo łatwą zmianę obiektywu, czyli także powiększenia mikroskopu.

Tubus - jest to przestrzeń znajdująca się pomiędzy obiektywem mikroskopu, a jego okularem. W niej to powstaje obraz utworzony przez obiektyw. W mikroskopach produkowanych w dawnych czasach wykorzystywano tubusy o standardowej długości 160 mm, lub 170 mm. Wiązało się to z koniecznością stosowania odpowiednich obiektywów pod każdą z tych długości (na obiektywie grawerowano długość do jakiej był on przystosowany). Natomiast w mikroskopach, które produkowano w końcu XX wieku i które teraz się produkuje stosuje się tzw. optykę ustawioną na nieskończoność, bowiem istnieje możliwość produkcji obiektywów ustawionych na nieskończoność (obiektywy takie zamiast wartości długości mają wygrawerowany na sobie symbol nieskończoności.

Kondensator - w najprostszym przypadku jest to zwykłe lusterko, które pozwala na odpowiednie skierowanie światła. W mikroskopach bardziej skomplikowanych kondensator stanowi odpowiednia lampa, wyposażona jest w kolektor, oraz układ którym można regulować różne jej parametry. Odpowiednie oświetlenie preparatu jest sprawą kluczową dla obserwacji.

Układ mechaniczny kondensatora - jest to układ umożliwiający zmianę przesuwanie kondensatora w pionie. W bardziej nowoczesnych mikroskopach kondensator może także być centrowany względem osi optycznej mikroskopu.

W skład układu optycznego wchodzą:

Oświetlacz - w najprostszym przypadku jest to zwykłe lusterko, które pozwala na odpowiednie skierowanie światła. W mikroskopach bardziej skomplikowanych kondensator stanowi odpowiednia lampa, wyposażona jest w kolektor, oraz układ, którym można regulować różne jej parametry. Odpowiednie oświetlenie preparatu jest sprawą kluczową dla obserwacji.

Obiektyw - jest to układ optyczny, który zbiera światło pochodzące od przedmiotu i tworzy jego powiększony obraz wewnątrz tubusu

Nasadka okularowa - jest to element, w którym osadzone są okulary, pozwalający na zmianę biegu promieni świetlnych, tak, aby zapewnić wygodę obserwacji. W prostszych mikroskopach mamy do czynienia z nasadami zaopatrzonymi w jeden okular. Natomiast w bardziej zaawansowanych stosuje się nakładki z dwom okularami - tzw. nakładki binokularne. Pozwala to na obserwowanie obrazu przedmiotu przy pomocy obu oczu. Jest to rozwiązanie bardziej korzystne, jeśli chodzi o wygodę obserwacji, ale i także zdrowie obserwatora. Często nasadki binokularne są dodatkowo zaopatrzone w układ pozwalający na regulację ich rozstawu, dzięki czemu możliwe jest odpowiednie dopasowanie okularu do oczu, a także w układ regulujący dioptrię dla jednego z okularów, dzięki czemu możliwe jest wyrównanie różnic ostrości, jakie występują pomiędzy oczami obserwatora. Co więcej taki okular może być podłączony do aparatu fotograficznego, zwykłego lub cyfrowego, a nawet do kamery.

Okular - jest to układ optyczny, który służy do powiększania i obserwacji obrazu utworzonego przez obiektyw mikroskopu. Okular może także w pewien sposób korygować wady obrazu wytworzone przez obiektyw.

Obiektyw mikroskopu powoduje powstanie rzeczywistego powiększonego i odwróconego obrazu badanego przedmiotu. Obraz ten powstaje we wnętrzu tubusa. Zadaniem okularu jest dodatkowe powiększenie tego obrazu. Okular powoduje powstanie obrazu powiększonego i pozornego. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i okularu. W przypadku gdy nie znamy tych wielkości to powiększenie kątowe mikroskopu wyraża się wzorem:

gdzie: x - długość tubusa

D - tzw. odległość dobrego widzenia, która wynosi 250 mm

f - ogniskowa obiektywu

F - ogniskowa okularu

Najsłabsze mikroskopy charakteryzują się powiększeniem rzędu kilkudziesięciu razy, natomiast te najmocniejsze mogą nawet mieć powiększenie tysiąckrotne.

Granicą powiększenia dla mikroskopu optycznego jest długość fali światła widzialnego, która to wynosi ok. kilkuset nanometrów. Dlatego też najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają na oglądanie przedmiotów, które są większe od tej wartości. Powiększenie można to zwiększyć przy zastosowaniu mikroskopów, które wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne ultrafioletowe. Jasność obrazu mikroskopowego, zależy od rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu i im jest on większy tym większa jasność. Dodatkowo obiektyw powinien charakteryzować się możliwie najmniejszą ogniskową. Te wymagania z kolei sprawiają, że promienie światła wchodzące do obiektywu nie znajdują się blisko jego osi optycznej, a to przyczynia się do powstawania różnych wad optycznych - tzw. aberracji. Dlatego też ważne jest aby mikroskop wyposażony był w układ optyczny który niweluje powstałe wady. Układy takie, są na ogół dosyć skomplikowane. Jeden z najprostszych w swojej konstrukcji - tzw. obiektyw aplanatyczny Amiciego składa się już z 6 soczewek.

Bardzo często można się spotkać z mikroskopami wyposażonymi w podwójny okular, a także z mikroskopami tzw. stereoskopowymi, które to są układami praktycznie dwóch równoległych mikroskopów. Czasami okular może być połączony z aparatem fotograficznym, lub być zaopatrzony w specjalną nakładkę umożliwiającą odrysowanie obrazu.

Jest kilka technik obserwacji mikroskopowych, które różnią się pod względem stosowanego rodzaju oświetlenia.

- metoda obserwacji jasnego pola w świetle przychodzącym - jest to metoda którą stosuje się dla preparatów, które w pewnym stopniu pochłaniają światło.

- metoda obserwacji ciemnego pola w świetle przychodzącym - w tym wypadku metodę tą stosuje się dla preparatów nieprzezroczystych, które to powodują rozproszenie światła.

- metod kontrastu fazowego - w metodzie tej stosuje się specjalny układ optyczny, który powoduje ukazanie różnic dróg optycznych dla różnych promienie świetlnych. Metodę tą wykorzystuje się do badania preparatów przezroczystych.

- metoda interferencyjna - tutaj wykorzystuje się do obserwacji interferencję światła po przejściu przez preparat.

Obraz w mikroskopie optycznym powstaje wskutek zajścia zjawisk dyfrakcji światła na powierzchni badanego przedmiotu. Stąd też istnieje fizyczne ograniczenie na zdolność rozdzielczą mikroskopów optycznych. Otóż można dostrzec szczegóły danego przedmiotu, które są nie mniejsze niż połowa długości fali stosowanego promieniowania. Postęp technologiczny spowodował, że oprócz mikroskopów optycznych, które wykorzystują do swojego działania promieniowanie elektromagnetyczne widzialne, powstało szereg mikroskopów, które do obrazowania przedmiotów wykorzystują inne rodzaje promieniowania o krótszych długościach fali. Powstały także mikroskopy, które w swoim działaniu nie wykorzystują żadnego promieniowania, a tylko siły atomowe jakie wiążą ze sobą atomy.

Mikroskop elektronowy

Swego czasu fizycy odkryli, że cząstki mogą zachowywać się podobnie jak fala. Określa się to mianem dualizmu korpuskularno - falowego, a znaczy ono tyle, że każdej cząstce możemy przypisać określoną falę -tzw. falę deBroglie'a. Jako, że w przypadku cząstek takich jak elektrony fale te mają długość mniejszą niż fale światła widzialnego, zrodził się pomysł wykorzystania wiązki elektronów w mikroskopie zamiast wiązki światła, co zdecydowanie polepszyłoby jego zdolność rozdzielczą i tym samym powiększenie. Tak więc powstał mikroskop elektronowy. A działa on w ten sposób, że wytwarza się w specjalnym działku skoligowaną wiązkę elektronów, które dodatkowo przyspiesza się w polu elektrycznych i kieruje się je na powierzchnię badanej próbki. Gdy elektrony padają na jej powierzchnię, pojawiają się zjawiska dyfrakcyjne, które następnie rejestruje się i na ich podstawie tworzy się obraz badanej powierzchni. Dzięki mikroskopowi elektronowemu, można uzyskać powiększenia przedmiotu do ok. 250 000 razy. Co ciekawsze powiększenie to jeszcze można zwiększyć (do ok. 5 mln razy) jeżeli zastosuje się zamiast wiązki elektronów wiązkę jonów, a w szczególności wiązkę jonów wodoru, czyli protonów.

Mikroskop skaningowy sił atomowych

Mikroskop ten w zasadzie charakteryzuje się prostą ideą działania. Jednak w wyniku braku odpowiedniej technologii został on skonstruowany stosunkowo niedawno. A powstał on w laboratoriach firmy IBM. Otóż zasadę jego działania można porównać do działania gramofonu, jaki to odtwarzał płyty winylowe. W gramofonie tym odtwarzanie płyty odbywało się za pomocą przesuwania odpowiedniej igły po jej powierzchni. Tutaj sytuacja jest bardzo podobna. Po badanej powierzchni przemieszcza się delikatne ostrze, które to jest zamocowane na niewielkiej sprężynce. Gdy ostrze to przemieszcza się ponad powierzchnią próbki, to jego atomy oddziałują z atomami próbki, przez co na ostrze działa pewna siła. Siła ta powoduje ugięcie się sprężynki, które opisuje w prosty sposób prawo Hooke'a F = - kx. We wzorze tym F oznacza działającą siłę na sprężynę, x jej odkształcenie, a k stałą sprężystości. Tak więc w czasie przemieszczania się ostrza po powierzchni próbki, wykorzystując wartość odkształcenia sprężynki, którą w dzisiejszych czasach można mierzyć z dokładnością do odległości rzędu rozmiarów atomu, oblicza się siłę jaka działa na sprężynkę. Dzięki temu wiadomo w jakiej odległości od ostrza znajdują się atomy powierzchni, a to z kolei pozwala na dokładne odwzorowanie jej struktury.