角孔径
物镜前镜收集的光锥的最大纵向角度称为“角孔径”(见图1)。除了不断增加的NA，图像亮度也与角孔径成正比。角孔径与物镜聚焦时物镜前镜能捕捉到的从样品发出的成像光线的最大角度有关，角孔径随物镜焦距的变化而变化。
角孔径与物镜的焦距成反比。随着焦距的减小，物镜前透镜可以聚集的光量也会增加。换句话说，如果物镜非常靠近试样，则物镜可以收集更多的斜光线。应该说，角孔径通常由物镜内的光学元件决定，每个物镜都有一个最佳焦距。打个比方，你可以这样想：如果你站在一扇门前，门上有一个钥匙孔通向另一个房间，那么当你站在远处时，你只能看到房间里的一点光线和物体。如果你把眼睛按在钥匙孔上，你会看到房间里更多的细节和光线，因为理论上，你增加了眼睛的角度光圈。
物镜收集和形成的图像亮度和图像细节（分辨率）与角孔径有关。来自试样的光继续通过盖玻璃和物镜前透镜之间的空气或浸没介质。
计算NA
数值孔径可通过以下公式表示和确定：
数值孔径（NA）=n•sin（α）
在上述等式中，“n”是覆盖玻璃和物镜前透镜之间介质的折射率（例如；空气、水或油）。“α”符号与透镜可收集的光锥角的一半有关（即角孔径；s图2）。
空气的折射率约为1.0，而水的折射率为1.3，一些用于光学显微镜的浸油的折射率高达1.52。
折射
为了全面了解NA，了解折射是有帮助的。在光学和显微镜学中，折射是光波通过和从样品射入的方向发生变化，这是由于光通过的介质发生变化，无论是空气、玻璃、水还是油。折射可以用一个叫做“斯涅尔定律”的公式来描述。威尔伯德·斯奈利乌斯(1580-1626)，荷兰数学家、天文学家。除了确定了一种计算地球半径的新方法，他还被认为在数学上描述了折射。然而，他并不是第一个这样做的人，更准确的说法是，他“重新发现”了衍射，就像几个世纪前波斯数学家和物理学家伊本·萨尔(Ibn Sahl)所描述的那样。在他984年的手稿中，他描述了弯曲的镜片和镜子如何弯曲和聚焦光线。
斯涅尔定律指出，入射光和折射光的角度之比等于光通过的折射率之比的倒数。
简单地说，当光从一种介质传播到另一种介质时，它会改变速度——例如，当光从空气传播到水时，速度会减慢。此外，速度的变化导致以90°以外的角度进入介质的光的方向发生变化。应该注意的是，光的频率不会改变，但波长将由介质的性质决定。
理论上，物镜前镜采集的光锥最大角孔径为180°，α值为90°。由于sin90是1，这意味着一个物镜的理论NA，能够收集180°的合成光，从一个样品在空气介质中也将是1。显然，折射率是达到目标的最高NA的限制因素。因此，高钠目标是那些使用浸没介质代替空气，如油或水。在现实中，样品和物镜前镜头之间有空气的NA是无法实现的，因此“干燥镜头”(即非浸泡物镜)的最高NA接近0.95。这是由于大多数镜头无法收集180°的光，最宽的角度大约是144°。144°的正弦值为0.95，当空气的折射率为1.0时，理论最大NA接近0.95。
因此，低NA的高倍物镜分辨率较低。许多显微镜公司提供具有尽可能高的NA的物镜。所以，如果你正在为你的显微镜购买新镜头，你应该考虑购买那些在你的预算内提供最大的NA的目标。
