1590年，一个晴朗的早晨，荷兰光德堡的眼镜店技师詹森摆弄着他磨制的玻璃片。他将两片凸透镜装在一根金属管的两头，并通过管子望向街道旁的建筑。他惊奇地发现，教堂屋顶的雕塑公鸡比实际大了好多倍，就像被放到了眼前似的。当他用这神奇的金属管去看书时，书上的逗号变得像蝌蚪一样大。詹森很兴奋，他立刻与家人分享了这个新发现带来的喜悦。这应该是有记载的最早的望远镜和显微镜了。

眼睛的极限

眼睛是人体最主要的感光器官。来自物体的光线穿过角膜和瞳孔，再依次穿过晶状体和玻璃体，被聚集到视网膜上形成图像，然后由眼底的感光细胞产生信号，并通过神经将光信号传导到大脑，由此形成视觉。

一直以来，人们所能见到的世界是受眼睛分辨能力限制的。即使最好的视力，也很难看出小于0.1毫米的差距。这是因为我们的瞳孔和晶状体的大小有限，它们能同时采集的光线是有限的；另外细胞也有一定的大小，距离十分接近的两点投射到眼中的光线就会落到同一个感光细胞上，只能刺激产生一个光信号，大脑就无法进一步区分了。因此，太小的世界仅靠人眼是分辨不了的。我们必须借助一种叫作“凸透镜”的玻璃片。

被折射的光

人们很早就知道把透明的水晶或宝石磨成“透镜”,并利用它能放大物体的特性，制成了放大镜。后来人们逐渐从这种放大现象中总结出了光折射的规律：光在同一均匀介质中是沿着直线传播的，但当光线从一种介质进入另一种介质时，比如从空气进入玻璃中，传播方向会发生改变，即折射。

光线穿过凸透镜时发生的折射更为特殊。光线不仅会发生特定角度偏折，当眼睛接收到经凸透镜偏折后的光线时，大脑还本能地认为光线是沿着直线传播的。这是大脑的一种错觉，它让我们看到在光线的反向延长线上有一个放大的物体。这个像也并非是真实的像，它是无法被投射到屏幕上的，因此被称为虚像。

与虚像相对，光线通过镜片折射后，能够投射到屏幕上显示出来的图像被称为实像。比如物体发出的光线透过晶状体在视网膜上所成的像，又比如我们在电影院银幕上看到的电影画面，它们都是实像。如何区分实像和虚像呢，有一个简单的办法：当用一个凸透镜成像时，形成的虚像都是正立的，而实像总是倒立的。可是既然光线进入我们眼中形成的是实像，可我们看到的世界为什么不是倒立的呢?这是由于大脑的协同纠正能力，它会根据其他感觉器官的综合信息，将眼中接收的图像翻转到与实际情况相同的方向。

列文虎克的显微镜

在詹森发明显微镜的70多年后，又一个荷兰人，列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)也制作出了显微镜，不同的是，他将显微镜应用到了科学研究中。列文虎克并没有接受过正规的科学训练，但他是一个充满好奇心的人。当他得知眼镜店磨制的放大镜可以帮助人们看清微小的东西后，他就对放大镜产生了浓厚的兴趣。但当时镜片的价格太高，他买不起，于是就到眼镜店偷偷学习磨制镜片的技术。功夫不负有心人，凭借勤奋和非凡的天赋，他磨制镜片的水平竟超过了同时代的工匠。1665年，列文虎克制作了直径只有0.3厘米的小透镜，并将它安装在一块铜板上，这就是他制作的第一个显微镜，用它可以观察跳蚤的腿、鸡身上的绒毛。不过列文虎克没有就此止步，他还进一步改进显微镜，提高其性能，终于制成了能放大300倍的显微镜。

据统计，列文虎克一生磨制了超过500个镜片，制作了400多个显微镜。应用这些显微镜，通过细致的观察和精确的描述，列文虎克让人们认识了环境中广泛存在的细菌和原核生物，为我们观察微观世界打开了一扇窗。不过，列文虎克的显微镜还只是单镜片的，结构比较简单，就好像是一个放大倍数更大的放大镜。

在列文虎克精心打磨镜片的同时代，也有很多科学家进一步研究了双镜片系统。意大利的伽利略就制作出通过改变两个镜片间的距离来改变放大倍数的可调节望远镜。1665年，英国科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)设计出一部像工艺品般精巧的显微镜。他在其中加入了调焦机构、照明光源和用于放置样品的载物台。使用这部显微镜，胡克发现了栎树皮切片中的密密麻麻的小格子，并将它们命名为“细胞”。虽然胡克看到的并不是活的细胞，只是软木组织中细胞死后留下的空壳，但他设计的显微镜却确立了现代光学显微镜的基本组成结构，推动了显微镜技术的发展。