最早的顯微鏡是由一個叫詹森的眼鏡製造匠人於1590年前後發明的。這個顯微鏡是用一個凹鏡和一個凸鏡做成的，製作水平還很低。詹森雖然是發明顯微鏡的第一人，卻並沒有發現顯微鏡的真正價值。也許正是因為這個原因，詹森的發明並沒有引起世人的重視。事隔90多年後，顯微鏡又被荷蘭人列文虎克研究成功了，並且開始真正地用於科學研究試驗。關於列文虎克發明顯微鏡的過程，也是充滿偶然性的。
列文虎克於1632年出生於荷蘭的德爾夫特市，從沒接受過正規的科學訓練。但他是一個對新奇事物充滿強烈興趣的人。一次，他從朋友那裏聽說荷蘭最大的城市阿姆斯特丹的眼鏡店可以磨製放大鏡，用放大鏡可以把肉眼看不清的東西看得很清楚。他對這個神奇的放大鏡充滿了好奇心，但又因為價格太高而買不起。從此，他經常出入眼鏡店，認真觀察磨製鏡片的工作，暗暗地學習著磨製鏡片的技術。功夫不負苦心人。1665年，列文虎克終於製成了一塊直徑隻有0.3厘米的小透鏡，並做了一個架，把這塊小透鏡鑲在架上，又在透鏡下邊裝了一塊銅板，上麵鑽了一個小孔，使光線從這裏射進而反射出所觀察的東西。這樣，列文虎克的第一台顯微鏡成功了。由於他有著磨製高倍鏡片的精湛技術，他製成的顯微鏡的放大倍數，超過了當時世界上已有的任何顯微鏡。
列文虎克並沒有就此止步，他繼續下功夫改進顯微鏡，進一步提高其性能，以便更好地去觀察了解神秘的微觀世界。為此，他辭退了工作，專心致誌地研製顯微鏡。幾年後，他終於製出了能把物體放大300倍的顯微鏡。
1675年的一個雨天，列文虎克從院子裏舀了一杯雨水用顯微鏡觀察。他發現水滴中有許多奇形怪狀的小生物在蠕動，而且數量驚人。在一滴雨水中，這些小生物要比當時全荷蘭的人數還多出許多倍。以後，列文虎克又用顯微鏡發現了紅血球和酵母菌。這樣，他就成為世界上第一個微生物世界的發現者，被吸收為英國皇家學會的會員。
顯微鏡的發明和列文虎克的研究工作，為生物學的發展奠定了基礎。利用顯微鏡發現，各種傳染病都是由特定的細菌引起的。這就導致了抵抗疾病的健康檢查、種痘和藥物研製的成功。
據說，列文虎克是一個對自己的發明守口如瓶、嚴守秘密的人。直到現在，顯微鏡學家們還弄不明白他是怎樣用那種原始的工具獲得那麼好的效果的。
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電子顯微鏡的發展史及醫學應用
自從1590年複式光學顯微鏡發明之後，生物微細構造的神秘麵紗就逐漸的被揭開了。但是至今光學顯微鏡的解像力由於可見光波長的特性，無法突破0.2微米（μm）的極限，而事實上光學顯微鏡理論上的解像極限也僅有0.172微米。在這種解像力下，大部分胞器的詳細構造是無法被看清楚的，為了尋求具有更佳解像的顯微鏡，科學家們終於在1930年代發展出電子顯微鏡，藉著電子本身短波長的物理特性，電子顯微鏡終於突破光學顯微鏡的極限，使許多更細微的胞器、病毒甚至DNA的分子構造呈現在人們的眼前。Ernst Ruska也在1986年因首先發展成功電子顯微鏡而獲頒諾貝爾物理獎。在過去半個世紀中，電子顯微鏡蓬勃而成功的應用在許多生物醫學方麵的研究，諸如Albert Claude和George Palade因其卓越的電子顯微鏡研究的成果而得到1974年的諾貝爾獎。如今電子顯微鏡的應用不但廣泛涵蓋所有的生物醫學領域，更成為病理診斷不可缺少的工具。
電子顯微鏡在醫學上的應用主要為病理診斷和醫學研究。自從1947年Porter和Thompson首先使用電子顯微鏡觀察惡性腫瘤細胞之後，電子顯微鏡在人類及動物腫瘤的研究上就形成一股熱潮，不過在這股早期的熱潮之中並沒有突破性的發現，超顯微病理學也都一直處於萌芽的階段。直到60年代末期，Juan Rosi等人成功的將電子顯微鏡應用到腫瘤病理的鑒別診斷上之後，超顯微病理學就進入蓬勃發展的階段。Feroze Ghadially首先出版了第一本超顯微腫瘤病理及圖譜，Ghadially後來又出版數本超顯微病理專書，而被譽為超顯微病理學大師。電子顯微鏡更廣泛應用到非腫瘤疾病的診斷上，其中發展最深入當屬腎髒病理，其他如小兒病理中許多先天性或遺傳性疾病的診斷、肌肉神經病理的探討等。