光学显微镜的成像研究和设计，是以人眼可见光光线（人们常说的：可见光）的物理现象为基础进行的。光学显微镜的分辨力受可见光波长的限制，质量较好的光学显微镜的分辨极限约为0.2μm。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。为了观察到更细微的物体和结构，科学家采用更短波长的电子射线来代替光波，设计出了电子显微镜。电子微粒高速运动时，其行为类似光波的传播过程。扫描隧道显微镜，利用加电压的纳米级近距离物体放电现象，采用电子放大技术，描画物体精细表明结构，从而达到放大显示物体形貌的“显微镜”效果，揭示尺寸接近原子、分子大小的微观世界。