対物レンズは各物体点から扇状の光線を集め、接眼レンズの前焦点面にその光線束を結像させます。 結像には従来のレイトレーシングの法則が適用される。 収差がない場合、幾何学的な光線は各物体点の点像を形成する。 収差がある場合、各物体点は不明瞭な点で表現されます。 接眼レンズは、像を見るのに便利な距離の焦点位置に光線を結像させるように設計されています。 このシステムでは、像の明るさはレンズの開口部の大きさと目の瞳孔の開き具合で決まります。 対物レンズの焦点距離と倍率は、接眼レンズを通して見るのに便利な大きさで、対象物の望ましい解像度を得るために選択する必要があります。 顕微鏡での結像は、結像系で起こる回折や干渉、焦点面に結像する光源を使用する必要があるため複雑である。
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現代の顕微鏡における結像理論は、1873年にドイツの物理学者エルンスト・アッベによって確立されました。 アッベ理論の出発点は、顕微鏡の焦点面にある物体が、集光装置からの収束光によって照らされることである。 光源からの収束光は、特定の方向に伝搬する多数の平面波の集まりと考えることができ、それが重なり合って入射照明となる。 これらの有効な平面波のそれぞれは、物体平面内の細部によって回折されます。物体の詳細な構造が小さいほど、回折角は広くなります。
物体の構造は、正弦波成分の和として表現することができます。 成分の空間的な変化の速さは、各成分の周期、すなわち正弦関数における隣接するピーク間の距離によって定義される。 空間周波数は、周期の逆数である。 細部ほど、物体の細部を表現する成分の空間周波数が高くなることが要求される。 各空間周波数成分は、光の波長に依存した特定の角度で回折を発生させる。 例えば、1μmの周期を持つ空間周波数成分は、1ミリメートルあたり1,000本の空間周波数を持つことになる。 このような成分の回折角は、波長550ナノメートル（nm：1ナノメートルは10-9メートル）の可視光に対して33.6°となる。 顕微鏡の対物レンズは、この回折波を集めて像面に向け、回折波同士の干渉によって物体の像を作り出します。 アッベは、対物レンズに到達する回折波の数が多ければ多いほど、像の細部が再現されることを示しました。 そして、回折光を集める対物レンズの能力、つまり細部の解像力を示す指標を「N.A.（Numerical Aperture）」と名付けました。 このことから、対物レンズの倍率が高くなればなるほど、必要な対物レンズの口径は大きくなることがわかる。 空気中で理論的に可能な最大のN.A.は1.0ですが、光学設計上の制約から、乾式対物レンズでは0.95程度になります。
上の例で空間周波数1000本/ミリの試料では、回折光を集めるのに必要なN.A.は0.55となります。 従って、1μm間隔の細部を持つ物体を観察し、有用なデータを収集するには、0.55N.A.以上の対物レンズを使用する必要がある。 対物レンズのN.A.が低いと、物体の細部が解像されません。 また、高倍率の接眼レンズで画像を拡大しても、分解能は上がりません。 このような状態を空倍率といいます。 そのため、液浸対物レンズは空気中の対物レンズに比べて、より微細な部分まで回折光を集めることができます。 N.A.は媒質の屈折率に乗じられ、1.4のN.A.を実現することができる。 光学顕微鏡の最高峰では、0.4μmの空間周波数を持つ構造物を観察することができる。 なお、レーウェンフックの単レンズは、厚さ0.7μmのフィブリルしか解像できないことが分かっている
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