Untersuchungsmethoden der lichtoptischen Mikroskopie, insbesondere in der Art der Polarisationsmikroskopie, sind in der Gemmologie unerlässlich. Das Bauprinzip eines Mikroskops mit Objektiv, Tubus und Okular bleibt bei allen konstruktiven Lösungen gleich. Als Edelsteinmikroskop ist der Tubus meist horizontal, bei den üblichen Mikroskopen vertikal angeordnet. Der Einblick erfolgt heute fast nur noch mit einem binokularen Schrägtubus.

Die Beleuchtung kann im Auflicht oder im Durchlicht erfolgen. Im ersten Fall fällt das Licht einer oder mehrerer Lampen oder das Tageslicht seitwärts von oben auf das Objekt, und die in das Objektiv gelangenden, reflektierten Anteile ergeben ein Bild vom Objekt. Die Beleuchtung erfolgt im Auflicht-Dunkelfeld, d.h. außerhalb der Objektiv-Apertur. Demzufolge bezeichnen wir eine Beleuchtung durch das Objektiv, erzeugt durch seitwärts in den Tubus eingestrahltes und dort umgelenktes Licht, als Auflicht-Hellfeld. Diese Anordnung wird speziell genutzt für die Erz- und Metallmikroskopie. Im Auflicht können recht gut Konturen und Farben beobachtet werden.

Für durchsichtige Objekte, das sind im allgemeinen die Edelsteine, wird am effektivsten die Durchlichtmikroskopie genutzt – und zwar im Durchlicht-Hellfeld, wobei die Beleuchtungsapertur innerhalb der Beobachtungsapertur des Objektivs liegt. Mit Hilfe der polarisationsoptischen Zusatzeinrichtungen, ein Polarisationsfilter vor dem Objekt als Polarisator und ein zweiter Polarisationsfilter hinter dem Objekt als Analysator sowie verschiedenen Kompensatoren, lassen sich die kristalloptischen Eigenschaften sehr gut beobachten und recht präzise messen. Solche Daten sind für eine gesicherte Edelsteinbestimmung notwendig. Darüber hinaus ermöglicht die Durchlichtmikroskopie zahlreiche weitere Aussagen. Einschlüsse oder Defekte können Antwort darauf geben, ob er natürlich ist oder eine Synthese, ob er behandelt wurde und wo er herstammt. Solch hohe Ansprüche erfordern qualitativ hochwertige, mikroskopische Ausrüstungen und große Erfahrung.

Hat man es nur mit Diamanten zu tun, dann spielt die Edelsteindiagnostik keine Rolle, dann geht es um detailliertere Nutzung der Mikroskopie. Obwohl der Diamant nach seiner kubischen Punktgruppe m3m optisch isotrop sein müßte, zeigen quasi alle Diamanten unter dem Mikroskop bei gekreuzten Polarisatoren optische Anisotropie. Die Spannungsverteilung im Kristall, hervorgerufen durch Verteilungsinhomogenitäten, Einschlüsse, Kristallstrukturdefekte, Deformationen oder Wachstumsanomalien, erzeugt verschiedene und oft sehr charakteristische Muster der Interferenzfarben und Höhe der Gangunterschiede. Daraus leiten sich wichtige Hinweise auf Diamanttyp und innere Zustände ab.

Im normalen Durchlicht-Hellfeld lassen sich mikroskopisch in den Diamanten zahlreiche weitere topographische Merkmale erkennen. Charakteristisch für viele ungeschliffene Naturdiamanten sind auf den Oberflächen Ätzgrübchen, und zwar sogenannte Trigons auf den Oktaederflächen oder Rektangels auf den Rhombendodekaederflächen, Wachstums- oder Lösungsstufen und Streifungen verschiedener Ursachen.

Einschlüsse lassen sich oft schon topographisch erkennen, wie z.B. der relativ häufige, meist epigenetische Graphit. Andere lassen sich an Hand optischer Merkmale bestimmen. Wichtig ist die mikroskopische Feststellung von Mikrorissen und anderen ausgedehnten Defekten. Hierzu zählen z.B. die Platelets, leistenförmige Gebilde mit Längsrichtung parallel zu den Normalen der Rhombendodekaeder-flächen in Ebenen parallel den Würfelflächen, die in ihrer größeren Ausbildung mit 1 x 20 µm gelegentlich abbildbar sind. Sie geben Hinweise auf höhere Stickstoffgehalte und Deformationen.

Weitere topographische Details lassen sich unter Anwendung bestimmter Beleuchtungsarten, wie das Durchlichtdunkelfeld, oft variabel kombiniert mit dem Durchlicht-Hellfeld und/oder dem Auflicht-Dunkelfeld, der Zweistrahl- oder Mehrstrahlinterferometrie und dem Phasenkontrast. Eine Art Lumineszenzmikroskopie ist die UV-Topographie, wo bei Anregung mit UV-Licht die Lumineszenzverteilung mikroskopisch beobachtet wird. Die Schlierenmikroskopie, die Beleuchtung erfolgt im Durchlicht im schmalen Grenzbereich von Hell- und Dunkelfeld, ist für Diamanten vom Typ Ia sehr wichtig. Hierbei zeigt sich eine in parallelen Schlieren bzw. Streifen wechselnde Konzentration an Stickstoff. Dieser Effekt beruht auf den geringen Unterschieden der Lichtbrechung zwischen Schlieren mit höheren Stickstoffgehalten (höherer Brechungsindex) und niedrigeren Stickstoffgehalten (<n). Länge und Breite (letztere etwa <1 bis 5µm) können (auch innerhalb eines Diamanten) deutlich variieren. Höhere Stickstoffgehalte werden oft durch eine gute Sichtbarkeit angedeutet.