理论图像形成

物镜从每个物体点收集一扇射线，并在目镜的前焦平面对射线束成像。常规的射线追踪规则适用于成像。在没有像差，几何射线构成每个物体点的点像。在…面前畸变时，每个对象点用一个模糊点表示。目镜的设计目的是将光线成像到一个便于观看图像的距离的焦点。在这个系统中，图像的亮度由透镜的光圈大小和光圈大小决定学生眼睛。焦距和结果放大物镜的选择应使物镜的分辨率达到所要求的大小，便于通过目镜观察。显微镜成像是复杂的衍射和干扰发生在成像系统和要求使用光在焦平面成像的光源。

显微镜成像的现代理论是由这位德国物理学家于1873年创立的恩斯特阿贝．阿贝理论的出发点是，在显微镜焦平面上的物体是不对称的照亮通过聚光器的聚光。光源的收敛光可以看作是许多平面波的集合传播在特定的方向上叠加形成事件照明．这些有效平面波中的每一个都被物体平面上的细节衍射:物体的细节结构越小，衍射角就越宽。

物体的结构可以表示为正弦分量的和。分量在空间上的变化速度是由每个分量的周期或它们之间的距离来定义的相邻正弦函数的峰值。空间频率是互惠时期的。细节越精细，表示对象细节的组件所需的空间频率就越高。每个空间频率成分产生衍射的特定角度取决于光的波长。例如，周期为1的空间频率分量μm空间频率为每毫米1000条线。波长为550纳米(nm)的可见光的衍射角;1纳米等于10⁻⁹米)将是33.6°。显微镜物镜收集这些衍射波，并将它们引导到一个像面，其中衍射波之间的干涉产生物体的图像。

由于物镜的孔径是有限的，并非所有来自物镜的衍射波都能被反射传播通过目标。阿贝表明，到达物镜的衍射波的数量越多，可以在图像中重建的细节就越精细。他指定了这个词数值孔径(N.A.)作为物镜收集衍射光的能力的衡量，因此也是其解决细节的能力。在此基础上，很明显，物镜的放大倍数越大，所需的物镜n.a也就越大。理论上在空气中的最大N.A.为1.0，但光学设计限制了干燥物镜的N.A.可达到0.95左右。

对于上面的a的例子标本若空间频率为每毫米1,000线，则收集衍射光所需的na为0.55。因此，必须使用0.55 n.a或更大的物镜对细节间隔为1 μm的物体进行观测和收集有用数据。如果目标的N.A值较低，则目标的细节将无法解析。试图用高倍目镜放大图像细节不会提高分辨率。后一种情况被称为空的放大。

当光的波长变短时传播穿过稠密的介质。为了解决尽可能小的细节问题，浸物镜比空气中的物镜能收集被更细的细节衍射的光。n.a乘以折射率，工作N.A值可能为1.4。在最好的光学显微镜中，可以观察到空间频率小至0.4 μm的结构。请注意，列文虎克制造的单透镜已被证明能够分辨厚度仅为0.7 μm的原纤维。

专用光学显微镜

光学显微镜的基本形式是由设计者为了方便而修改的，并有一系列特殊的适应可用于特定目的。有些是为人体工程学还有一些是为了方便获取组件，而一些是针对特定年龄组的，还有一些是为了明确定义的目的。投入生产的最大光学显微镜，伯奇反射器它是1947年制造的，重200公斤(440磅)，而最小的显微镜——由英国光学师Horace Dall在1950年制造的单透镜仪器——重量不超过24克(0.8盎司)。列文虎克制造的小型乐器甚至更小，通常重量不到15克(0.5盎司)。市面上最成功的小型显微镜是由英国医生约翰·麦克阿瑟于1958年设计的，自那以后，麦克阿瑟显微镜已被多家制造商生产。一些专门用于手持使用的显微镜(例如，1989年制造的Microwatcher)包含了照明器和镜头系统变成一个单一的单元。最近，小型数码显微镜已经问世。

倒置显微镜

为了某些特殊目的，尤其是考试细胞文化，显微镜倒置安装更实用。在这种形式的显微镜中，倒置显微镜，光源和聚光镜位于最上面，直接的光通过平台向下。物镜的前端元件放在最上面，目镜向上倾斜，以便观察者可以研究仍处于水介质中的标本。倒置显微镜是重要的生物学还有医学研究。