Objektu mikrostruktūra ir cieši saistīta ar to fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Optiskā mikroskopija ir viena no galvenajām pētniecības nozarēm dažādu materiālu un bioloģisku paraugu mikrostruktūras kvalitatīvai un kvantitatīvai analīzei. Optiskais mikroskops ir instruments, kurā ar lēcu sistēmas palīdzību tiek savākts un izvērsts gaismas staru kūlis, tādējādi izveidojot palielinātu pētāmā objekta attēlu.

Dažādu objektu īpašību un funkcionalitātes raksturošanai nepieciešama informācija par to struktūru mikromērogā un nanomērogā. Ar “klasiskajiem” optiskajiem mikroskopiem var panākt līdz 200 nanometru sīku objektu izšķiršanu. Smalkāku struktūru pētījumiem tiek izmantotas augstas izšķirtspējas optiskās mikroskopijas, elektronu un skenējošās zondes mikroskopijas nozaru metodes.

Optiskie mikroskopi tiek izmantoti bioloģisku un medicīnisku pētījumu veikšanā, materiālzinātnē, ģeoloģijā, inženierijā, kriminālistikas analīzē, industrijā un citās nozarēs.

Vēsturiski gaismas mikroskopijai ir bijusi revolucionāra loma zinātnes attīstībā, piemēram, organisma struktūras pamatelementu – šūnu – un mikroorganismu atklāšanā. Mūsdienās optiskās mikroskopijas metodes ir progresējušas tik tālu, ka ir iespējama atsevišķu molekulu vizualizēšana reālā laikā, kas ļauj veikt dinamisku procesu pētījumus dzīvās šūnās.

Optiskajai mikroskopijai ir daudzas apakšnozares, tajā skaitā:

• gaišā lauka mikroskopija,
• polarizētās gaismas mikroskopija,
• fluorescences mikroskopija,
• konfokālā mikroskopija,
• fāžu kontrasta mikroskopija,
• tuvā lauka optiskā mikroskopija un citas.

Optiskās mikroskopijas pamatprincipus skaidro optika. Optiskā starojuma gaitu mikroskopā un attēla veidošanos apraksta ģeometriskā optika. Ģeometriskās optikas pamatpieņēmumi ir:

• gaismas staru taisnvirziena kustība optiski homogēnā vidē,
• robežvirsmās starp divām optiski atšķirīgām vidēm gaismas stari var tikt atstaroti, lauzti, absorbēti vai tikt sadalīti vairākās komponentēs.

Gaismas laušana ir fizikāla parādība, kas izpaužas kā gaismas staru virzienu maiņa, tiem pārejot starp vidēm ar atšķirīgiem gaismas laušanas koeficientiem. Gaismas laušanu raksturo Snelliusa likums (Snellius law). Gaismas laušanas parādība tiek izmantota lēcās, lai kontrolētu staru gaitu optiskajās sistēmās. Izšķir lēcas, kas ienākošu staru kūli fokusē (savācējlēcas, arī izliektas vai pozitīvas lēcas), un lēcas, kas izkliedē (izkliedētājlēcas, arī ieliektas vai negatīvas lēcas). Fizikālais lielums, kas raksturo lēcas gaismas staru lauztspēju, ir optiskais stiprums, un tas ir apgriezti proporcionāls lēcas fokusa attālumam.

Vienkāršāko salikto (compound) gaismas mikroskopu cilindriskajos tubusos tiek izvietotas divas lēcas – okulārs un objektīvs ‒, kamēr modernos gaismas mikroskopos var tikt veidotas sarežģītas lēcu sistēmas, kas nodrošina palielinājumu pat līdz 1000 reizēm.

Eksistē fundamentāls ierobežojums optiskās mikroskopijas izšķirtspējai d neatkarīgi no lēcu sistēmas sarežģītības gaismas difrakcijas parādības dēļ. To nosaka Releja kritērijs (Rayleigh criterion):

Ņemot vērā, ka redzamās gaismas viļņa garums ir 400‒700 nm robežās, bet tipiskas skaitliskās apertūras vērtības ir ap 1, augstākā izšķirtspēja, ko var nodrošināt standarta gaismas mikroskops, ir aptuveni 200 nm. Mūsdienās ir vairākas optisko mikroskopu realizācijas, kurās gaismas difrakcijas izšķirtspējas ierobežojums ir pārvarēts. 

Atsevišķos optisko mikroskopu veidos tiek izmantots tas, ka gaismu veido atšķirīgu elektromagnētisko viļņu polarizāciju superpozīcija. Par polarizāciju sauc fizikālas parādības izpausmi kādā noteiktā virzienā. Gaismas gadījumā tās ir elektriskā un magnētiskā lauka svārstības, kas norisinās perpendikulāri gaismas viļņa izplatīšanās virzienam. Gaismas izplatīšanos elektromagnētiska viļņa veidā apskata viļņu optika (fizikālā optika).

Fluorescences mikroskopijā papildus jāņem vērā kvantu optikas atziņas, kas skaidro gaismas kvantu – fotonu – mijiedarbību ar vielu. Fluorescence ir fizikāla parādība, kuras rezultātā vielu veidojošie atomi pēc to ierosināšanas izstaro elektromagnētisko starojumu, parasti redzamās gaismas diapazonā.

Visplašāk izplatītā optiskās mikroskopijas metode ir gaišā lauka mikroskopija (bright field microscopy). Vienkāršākajā realizācijas variantā pētāmo paraugu uzliek uz priekšmetgaldiņa un izgaismo no apakšas. Paraugam cauri izgājušais starojums tiek savākts ar objektīva un okulāra lēcām, nodrošinot priekšmeta palielināta attēla veidošanos. Metode ir viegli lietojama, tādēļ gaišā lauka mikroskopus izmanto ne tikai nozaru un zinātnes, bet arī izglītības iestādēs.

Tumšā lauka mikroskopijā (dark field microscopy) objekts tiek izgaismots ar slīpi krītošiem gaismas stariem. Slīpie stari objektīvā nenokļūst, tāpēc attēla fons ir melns, bet redzes laukā esošie objekti gaismu izkliedē un, nonākot līdz detektoram, veido attēlu. Paraugu var izgaismot arī frontāli un parauga attēlu iegūt no atstarotajiem gaismas stariem. Tas ir nepieciešams gaismu necaurlaidīgu materiālu, piemēram, metālu, raksturošanai.

Polarizētās gaismas mikroskopi papildus tiek modificēti ar elementiem, kas laiž cauri izvēlētas polarizācijas gaismu (polarizatoriem), un rotējošu paraugu galdiņu. Metode ir piemērota, lai pētītu optiski anizotropus materiālus, kuru gaismas laušanas koeficients ir atkarīgs no gaismas viļņa polarizācijas virziena. Rezultātā var novērot paraugā ieejošā nepolarizētā stara dubultlaušanu – sadalīšanos divos polarizētos staros. Polarizētās gaismas mikroskopija vēsturiski bijusi nozīmīga ģeoloģijā un kristalogrāfijā, taču mūsdienās aktuāli pielietojumi ir arī šūnu arhitektūras un molekulāru struktūru pētījumos.

Fluorescences mikroskopijā (fluorescence microscopy) tiek reģistrēts objekta fluorescences signāla attēls pēc apstarošanas ar augstas intensitātes ierosinošo starojumu. Fluorescences signālu pastiprināšanai objektā jāievada luminiscējošas krāsvielas, kas piesaistās pie pētāmā objekta. Metode ir nozīmīga šūnu bioloģijā molekulu un dinamisku procesu vizualizēšanai dzīvās šūnās.

Viens no variantiem, kā uzlabot izšķirtspēju, ir paraugu izgaismošana ar punktveida lāzera avotu, soli pa solim skenējot vienā parauga punktā fokusētu starojumu un reģistrējot no parauga atstaroto vai fluorescences signālu. Šādu attēlveidošanas tehniku sauc par konfokālo mikroskopiju (confocal microscopy). Telpisku parauga attēlu iegūst no divdimensionālu attēlu sērijas, kas iegūti no dažāda dziļuma slāņiem. Metodi plaši izmanto dzīvības zinātnēs, pusvadītāju materiālu kvalitātes kontrolē, materiālu fizikā un citās nozarēs.

Viens no veidiem, kā pārvarēt optiskās mikroskopijas izšķirtspējas robežu, ir tuvā lauka optika (near field optics). Šādās optiskajās sistēmās attālums starp komponentēm ir mazāks par izmantotā starojuma viļņa garumu. Mikroskopu, kurā tiek izmantota šāda konfigurācija, sauc par skenējošo tuvā lauka optisko mikroskopu (scanning near field optical microscope, SNOM). Lai gan tehniski metode tiek klasificēta kā skenējošās zondes mikroskopijas metode, attēls tiek iegūts ar optisko starojumu.

Jau kopš stikla izgudrošanas ap 3500. gadu p. m. ē. cilvēki eksperimentēja ar materiāla daudzveidīgajām īpašībām un pielietojumiem. Tika novērots, ka stikls ar biezāku vidusdaļu salīdzinājumā ar tā ārējām malām var tikt izmantots, lai aplūkotu priekšmetus palielinājumā. Lēcu izgatavošana attīstījās 14. gs. Itālijā, kur tās galvenokārt izmantoja briļļu izgatavošanā.

Pirmo gaismas mikroskopu 1590. gadā izveidoja holandiešu briļļu meistari Hanss Jansens (Hans Janssen) ar dēlu Zahariju Jansenu (Zacharias Janssen). Mikroskops bija salikta tipa, jo palielināta attēla iegūšanai tika izmantota divu lēcu optiska sistēma, kas nodrošināja aptuveni deviņas reizes lielu palielinājumu.

Ap 17. gs. vidu mikroskopi tika izmantoti zinātnisku pētījumu veikšanai. 1665. gadā publicēts viens no slavenākajiem britu izgudrotāja Roberta Huka (Robert Hooke) darbiem “Mikrogrāfija” (Micrographia). Grāmatā apkopotas tādu sīku objektu kā korķa un blusas ilustrācijas mikroskopa palielinājumā, kas radīja revolūciju cilvēku uzskatos par mikroskopisko pasauli.

Mikroskopijas un mikrobioloģijas attīstībā lielu ieguldījumu deva nīderlandiešu zinātnieks Antonijs van Lēvenhuks (Antonie Philips van Leeuwenhoek). Viņš izgatavoja vienkāršā tipa mikroskopus (simple microscope), kas sastāvēja no vienas lēcas un nodrošināja palielinājumu pat līdz 270 reizēm. A. van Lēvenhuks bija pirmais, kas aprakstīja vienšūnu organismus, kurus mūsdienās pazīst kā baktērijas.

Pirmo mikroskopistu pētījumus ierobežoja izmantoto stiklu kvalitāte un forma. Divas galvenās problēmas instrumentu pilnveidošanā bija hromatisko un sfērisko aberāciju novēršana. Hromatiskā aberācija saistīta ar to, ka lēca dažādas krāsas gaismu fokusē atšķirīgos punktos, tādējādi izsmērējot iegūto attēlu. Šī efekta koriģēšanai britu izgudrotājs Česters Mūrs-Holls (Chester Moore Hall) 18. gs. 30. gados izgatavoja ahromatisku lēcu, kuru veidoja divu atšķirīgu formu lēcu sistēma. Sfēriskā aberācija saistīta ar to, ka gaismas stari, kas caur lēcu iziet dažādos attālumos no optiskās ass, nesaiet vienā punktā. Ar lēcas formu saistīto attēla kropļojumu novēršanai britu fiziķis Džozefs Džeksons Listers (Joseph Jackson Lister) ierosināja lēcas kombinēt, precīzi kontrolējot attālumu starp tām.

19. gs. strauji attīstījās optisko instrumentu ražošana. Dažas no vadošajām bija vācu zinātnieku Karla Ceisa (Carl Zeiss) un Ernsta Leica (Ernst Leitz) izveidotās kompānijas. Optisko principu teorētiskos pētījumos lielu ieguldījumu deva vācu fiziķis Ernsts Karls Abe (Ernst Karl Abbe). 1873. gadā viņš publicēja fizikālo mikroskopu izšķirtspējas ierobežojumu, ko nosaka izmantotā starojuma viļņa garums. Šī fundamentālā ierobežojuma modificētu versiju – Releja kritēriju – 1873. gadā ieviesa britu zinātnieks Jons Strats jeb Trešais barons Relejs (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh of Terling Place).

20. gs. sākumā ķīmiķis Rihards Ādolfs Zigmondi (Richard Adolf Zsigmondy) izveidoja ultramikroskopu (ultramicroscope). Ultramikroskopā ir iespējams izgaismot objektus tādā veidā, ka tiek detektēts izkliedētais gaismas starojums, kas ļauj aplūkot mazākus objektus nekā klasiskajos gaismas mikroskopos. Par koloīdu pētījumiem un ultramikroskopa izveidi R. Zigmondi 1925. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.

20. gs. 30. gados holandiešu matemātiķis un fiziķis Fritss Zernike (Frits Zernike) izveidoja fāžu kontrasta mikroskopu (phase contrast microscope). Fāžu kontrasta metode balstās uz gaismas viļņa fāžu nobīdi, tam izejot cauri objektam. Metode ļauj raksturot šūnu iekšējo struktūru bez speciālas krāsošanas vai fiksēšanas, tādējādi nodrošinot iespēju pētīt dzīvus objektus. Par fāžu kontrasta mikroskopa izgudrošanu F. Zernikem 1953. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Viens no nesenākajiem optiskās mikroskopijas sasniegumiem ir saistīts ar 2014. gadā piešķirto Nobela prēmiju ķīmijā. Balvu dalīja amerikāņu zinātnieki Ēriks Bercigs (Eric Bertzig), Viljams Mērners (William Moerner) un vācu zinātnieks Štefans Valters Hells (Stefan Walter Hell) par augstas izšķirtspējas fluorescences mikroskopijas izstrādi. Augsto izšķirtspēju panāk ar attēlu kombināciju, kur katrā attēlā tiek aktivizētas dažādas molekulas, kas ļauj sekot līdzi procesu norisei dzīvās šūnās.

Klasiskās gaismas mikroskopijas telpisko izšķirtspēju līdz dažiem simtiem nanometru ierobežo gaismas difrakcijas parādība. Progress tuvā lauka optikā un uz fluorescenci balstītu attēlveidošanas metožu izveidē mūsdienās ļauj pārvarēt difrakcijas robežu. Ar modernām optiskās mikroskopijas metodēm var iegūt informāciju par atsevišķu molekulu trīsdimensionālu stāvokli un orientāciju telpā ar augstu izšķirtspēju. Tas ir aktuāli mikrobioloģijā, nanotehnoloģijās, materiālu fizikā un citās nozarēs.

Pasaules mērogā nozīmīgas pētniecības iestādes ir Mikroskopijas un molekulārās attēlveidošanas centrs (Centre for Microscopy and Molecular Imaging) Beļģijā, Nacionālais mikroskopijas un attēlveidošanas pētniecības centrs (National Center for Microscopy and Imaging Research) Amerikas Savienotajās Valstīs un citas.

Optiskās mikroskopijas attēli tiek iekļauti daudzās medicīnas, bioloģijas, ķīmijas un fizikas zinātņu nozaru žurnālu publikācijās. Pasaulē nozīmīgākie ir Nature izdevniecības žurnāli (kopš 1869. gada; izdevējs Nature Research), kuros tiek publicēti visu minēto nozaru pētījumi.

Nozīmīgākie zinātnieki un optiskās mikroskopijas aizsācēji ir R. Huks un A. van Lēvenhuks. 20. gs. modernu optiskās mikroskopijas metožu attīstību sekmējuši Nobela prēmiju laureāti R. Zigmondi, F. Zernike, Ē. Becigs, V. Mērners un Š. Hells.