第五章 透射电镜的结构
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了
重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微
镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分
析的需求。上世纪 30年代后，电子显微镜的发
明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微
镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、
晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观
世界的能力从此有了长足的发展。
Definitions
Microscope - A device with a lens or series
of lenses that enlarge (magnify) the
appearance of an object.
Does not apply to SEM.
Lens - A lens is an optical component
which is used to focus beams of radiation,
Lenses for light are usually made of a
glassy material,whereas non-uniform
electromagnetic fields are used as lens for
electrons.
Image - Perception of an object using your eyes
(vision),One can sense an object without vision
(touch,etc..),Requires visible light.
Lenses
Curved glass or mirror for
Visible light
Concave surface of metal (e.g,satellite
dish)
Radio waves
Concave mirror or Fresnel lens
Heat
Solenoid (electromagnetic fields that
can be varied)
Subatomic particles (electrons,
protons,positrons)
concave convex
Resolution - The point at which two or more objects can
be distinguished as separate.
Magnification - The ratio between image size to the
object size,Can be varied by changing the distance
between the object and the final lens (of the eye) or
by inserting a second lens between the two.
History:
First record of using glass lens for magnification
was by an Arabian from what is now known as Iran,
Alhazen,in the 10 and 11th century.
He contradicted Ptolemy's and Euclid's theory of
vision that objects are seen by rays of light
emanating from the eyes; according to him the rays
originate in the object of vision and not in the eye,
Because of his extensive research on vision,he has
been considered by many as the father of modern
optics,
15th century on - Studies done with glass magnifiers to
study objects in detail mostly as a curiosity by non-
scientists - Antonie van Leeuwenhoek (linen draper)
described three shapes of bacterial cells using his simple,
single lens microscope (glass bead in metal holder).
By mid-19th century,became evident that theoretical
limits of light were reached.
Above magnification of 1500,resolution lost,Image
was larger,but blurred (empty magnification).
In 1870,Ernst Abbe derived mathematical expression
for resolution of microscope:
Resolution is limited to approx,1/2 the
wavelength of illuminating source.
Wavelength - distance
between peaks of the
waveform
Blue light has a wavelength of 0.47 um
Resolution max - 0.2 um (200 nm)
Cannot go beyond this even with better optics.
Solution? Use illumination of shorter wavelength
Antone de Broglie (1924) Theory of wave nature of electrons
Hermann Busch (1924) axial magnetic fields refract electrons
Electron optics
?1935 - Max Knoll
demonstrates the theory of the
scanning electron microscope
Knoll and Ruska
1986 Nobel Prize winners
von Ardenne
1939 - Ruska and von Borries,working for Siemens produce the
first commercially available EM
1938 - First scanning electron
microscope produced by von
Ardenne
?1939 - First EM built in North America by James Hillier and Albert Prebus at the
University of Toronto
Dr,Prebus Dr,Ladd
Light vs Electron Microscope
光学显微镜的分辨率
? 由于光波的波动性，使
得由透镜各部分折射到
像平面上的像点及其周
围区域的光波发生相互
干涉作用，产生衍射效
应。一个理想的物点，
经过透镜成像时，由于
衍射效应，在像平面上
形成的不再是一个像点，
而是一个具有一定尺寸
的中央亮斑和周围明暗
相间的圆环所构成的
Airy斑。如图 5-1所示。
透镜分辨率
? 测量结果表明 Airy斑的强度大约 84%集中在中心亮斑上，其余
分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼
不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以 Airy斑的第一暗环
的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产
生的 Airy斑半径 R0的表达式为：
? （ 5-1）
? 通常把两个 Airy斑中心间距等于 Airy斑半径时，物平面上相应
的两个物点间距（ Δr 0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透
镜分辨率（也称分辨本领）。由式 5-1得：
? 即 （ 5-2）
? 对于光学透镜，当 n?sinα 做到最大时（ n≈1.5, α≈70 -
75° ），式（ 5-2）简化为：
MnR ??s in61.00 ?
M
Rr 0
0 ?? ?
?
s in
61.0
0 nr ??
20
???r
有效放大倍数
? 上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。
半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波
长是 390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是 ≈ 200nm。
? 一般地人眼的分辨本领是大约 0.2mm，光学显微镜的最大
分辨率大约是 0.2μm 。把 0.2μm 放大到 0.2mm让人眼能分
辨的放大倍数是 1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍
数。光学显微镜的分辨率在 0.2μm 时，其有效放大倍数是
1000倍。
? 光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分
对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服而已。
所以光学显微镜的放大倍数一般最高在 1000-1500之间。
如何提高显微镜的分辨率
? 根据式（ 5-3），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低
照明光源的波长。
? 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在 13-
390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地
吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。
? 更短的波长是 X射线。但是，迄今为止还没有找到能使 X射
线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没
有 X射线的透镜存在。因此 X射线也不能作为显微镜的照明
光源。
? 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，
而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为
照明光源，由此形成电子显微镜。
电子波长
? 根据德布罗意 （ de Broglie） 的观点，运动
的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这
一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电
子运动的速度和质量，即
? （ 5-4）
? 式中,h为普郎克常数, h=6.626× 10-34J.s；
m为电子质量； v为电子运动速度，它和加速
电压 U之间存在如下关系：
? 即 （ 5-5）
? 式中 e为电子所带电荷,e=1.6× 10-19C。
? 将（ 5-5）式和（ 5-4）式整理得：
?
? （ 5-6）
mv
h??
eUmv ?221 meUv 2?
em U
h
2
??
不同加速电压下的电子波波长
? 加速电压 U/KV 电子波波长 λ/nm 加速电压 U/KV 电子波波长 λ/nm
20
40
60
80
100
0.00859
0.00601
0.00487
0.00418
0.00371
120
160
200
500
1000
0.00334
0.00285
0.00251
0.00142
0.00087
电磁透镜
? 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会
聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场
则可以让电子束折射，从而产生电子束的
会聚与发散，达到成像的目的。人们把用
静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把
电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之
“电磁透镜”。
静电透镜
? 当电子在电场中运动，由
于电场力的作用，电子会
发生折射。我们将两个同
轴圆筒带上不同电荷（处
于不同电位），两个圆筒
之间形成一系列弧形等电
位面族，散射的电子在圆
筒内运动时受电场力作用
在等电位面处发生折射并
会聚于一点（图 5-2）。
这样就构成了一个最简单
的静电透镜。透射电子显
微镜中的电子枪就是一个
静电透镜。
电磁透镜
? 电子在磁场中运动，当电子运动
方向与磁感应强度方向不平行时，
将产生一个与运动方向垂直的力
（洛仑兹力）使电子运动方向发
生偏转。
? 图 5-3是一个电磁线圈。当电子沿
线圈轴线运动时，电子运动方向
与磁感应强度方向一致，电子不
受力，以直线运动通过线圈；当
电子运动偏离轴线时，电子受磁
场力的作用，运动方向发生偏转，
最后会聚在轴线上的一点。电子
运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。
电磁透镜
? 短线圈磁场中的电子
运动显示了电磁透镜
聚焦成像的基本原理。
实际电磁透镜中为了
增强磁感应强度，通
常将线圈置于一个由
软磁材料（纯铁或低
碳钢）制成的具有内
环形间隙的壳子里
（如图 5-4）。
电磁透镜
? 此时线圈的磁力线都集中在
壳内，磁感应强度得以加强。
狭缝的间隙越小，磁场强度
越强，对电子的折射能力越
大。为了使线圈内的磁场强
度进一步增强，可以在电磁
线圈内加上一对磁性材料的
锥形环（如图 5-5所示），
这一装置称为极靴。增加极
靴后的磁线圈内的磁场强度
可以有效地集中在狭缝周围
几毫米的范围内。
电磁线圈与极靴
?
电磁透镜成像
? 光学透镜成像时，物距 L1、像距 L2和焦距 f三者之间满足
如下关系：
? （ 5-8）
? 电磁透镜成像时也可以应用式（ 5-8）。所不同的是，光
学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。
电磁透镜焦距 f常用的近似公式为：
? （ 5-9）
? 式中是 K常数,Ur是经相对论校正的电子加速电压，（ IN）
是电磁透镜的激磁安匝数。
? 由式（ 5-9）可以发现，改变激磁电流可以方便地改变电
磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着
电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。
21
111
LLf
??
? ? 2IN
UKf r?
电磁透镜的像差及其对分辨
率的影响
? 按式（ 5-3）最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。
对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率
是波长的一半。以日立 H-800透射电镜为例，其加
速电压达是 200KV，若分辨率是波长的一半，那么
它的分辨率应该是 0.00125nm；实际上 H-800透射
电镜的点分辨率是 0.45nm，与理论分辨率相差约
360倍。
? 什么原因导致这样的结果呢？原来电磁透镜也和
光学透镜一样，除了衍射效应对分辨率的影响外，
还有像差对分辨率的影响。由于像差的存在，使
得电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜的像
差包括球差、像散和色差。
一、球差
? 球差是因为电磁透镜近轴
区域磁场和远轴区域磁场
对电子束的折射能力不同
而产生的。
? 原来的物点是一个几何
点，由于球差的影响现在
变成了半径为 Δr S的漫散
圆斑。我们用 Δr S表示球
差大小，计算公式为：
?
? （ 5-10）
? 球差是像差影响电磁透镜分辨
率的主要因素，它还不能象光
学透镜那样通过凸透镜、凹透
镜的组合设计来补偿或矫正。
3
4
1 ?
sS Cr ??
二、像散
? 像散是由透镜磁场的非旋转对称
引起的像差。当极靴内孔不圆、
上下极靴的轴线错位、制作极靴
的磁性材料的材质不均以及极靴
孔周围的局部污染等都会引起透
镜的磁场产生椭圆度。
? 将 RA折算到物平面上得到一个半
径为 Δr A的漫散圆斑，用 Δr A表
示像散的大小，其计算公式为：
?
? （ 5-11）
? 像散是可以消除的像差，可以通
过引入一个强度和方位可调的矫
正磁场来进行补偿。产生这个矫
正磁场的装置叫消像散器。
?AA fr ???
三、色差
? 色差是由于成像电子的能
量不同或变化，从而在透
镜磁场中运动轨迹不同以
致不能聚焦在一点而形成
的像差。
? 最小的散焦斑 RC。同样将
RC折算到物平面上，得到
半径为 Δr C的圆斑。色差
Δr C由下式来确定：
?
? （ 5-12）
? 引起电子能量波动的原因有两个，一
是电子加速电压不稳，致使入射电子
能量不同；二是电子束照射试样时和
试样相互作用，部分电子产生非弹性
散射，致使能量变化。
E
ECr
cC
???? ?
衍射效应的分辨率和球差造成
的分辨率
? 比较式（ 5-2）和（ 5-10），可以发现孔径半角 α 对衍射效应
的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。
? 提高孔径半角 α 可以提高分辨率 Δr 0，但却大大降低了 Δr S。
因此电镜设计中必须兼顾两者。唯一的办法是让 Δr S=Δr 0，
考虑到电磁透镜中孔径半角 α 很小（ 10-2-10-3rad），则
? （ 5-13）
? 那么 Δr S=Δr 0,即：
? 整理得,（ 5-14）
? 将上式代入（ 5-13）,（ 5-15）
? 根据式（ 5-15）和（ 5-16），透射电镜孔径半角 α 通常是 10-2
-10-3rad；目前最佳的电镜分辨率只能达到 0.1nm左右。
?
?
?
? 61.0
s in
61.0
0 ??? nr
3
0
0 4
161.0 ?
?
?
sC?
4
1
0 25.1 ??
?
?
???
?
?
sC
??
4
3
4
1
0 49.0 ?sCr ??
景深
? 电磁透镜饿景深是指当成像时，像平面不动
（像距不变），在满足成像清晰的前提下，
物平面沿轴线前后可移动的距离
? 当物点位于 O处时，电子通过透镜在 Oˊ 处会
聚。让像平面位于 Oˊ 处，此时像平面上是一
像点；当物点沿轴线渐移到 A处时，聚焦点则
从 Oˊ 沿轴线移到了 Aˊ 处，由于像平面固定
不动，此时位于 Oˊ 处的像平面上逐渐由像点
变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定电磁
透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑半径 R0
折算到物平面上的尺寸只要不大于 Δr 0，像
平面上就能成一幅清晰的像。
? 轴线上 AB两点间的距离就是景深 Df。
? 由图 5-9的几何关系可推导出景深的计算公式
为：
? （ 5-16）
??
00 22 r
tg
rD
f
????
焦长
? 焦长是指物点固定不变（物距不变），
在保持成像清晰的条件下，像平面沿透
镜轴线可移动的距离。
? 当物点位于 O处时，电子通过透镜在 Oˊ
处会聚。让像平面位于 Oˊ 处，此时像
平面上是一像点；当像平面沿轴线前后
移动时，像平面上逐渐由像点变成一个
散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于 R0
（折算到物平面上的尺寸不大于 Δr 0），
像平面上将是一幅清晰的像。此时像平
面沿轴线前后可移动的距离为 DL：由图
5-10中几何关系得：
20000 2222 MrMr
tg
Mr
tg
RD
L ????
???????
透射电镜的结构
? 图 5-11是透射电镜的
外观照片。
? 通常透射电镜由电子
光学系统、电源系统、
真空系统、循环冷却
系统和控制系统组成，
其中电子光学系统是
电镜的主要组成部分。
透射电镜
的结构
? 图 5-12是电子
光学系统的组
成部分示意图。
由图可见透射
电镜电子光学
系统是一种积
木式结构，上
面是照明系统、
中间是成像系
统、下面是观
察与记录系统 。
照明系统
? 照明系统主要由 电子枪 和 聚光镜 组成。
? 电子枪是发射电子的照明光源。
? 聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而
成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。
? 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照
明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明
源。
电子枪
? 电子枪是透射电子显微镜的
电子源。
? 常用的是热阴极三极电子枪，
它由发夹形钨丝阴极、栅极
帽和阳极组成，
? 图 5-13（ a）为电子枪
的自偏压回路，自偏压回路
可以起到限制和稳定束流的
作用。
? 图 5-13（ b）是电子枪
结构原理图。在阴极和阳极
之间的某一地点，电子束会
集成一个交叉点，这就是通
常所说的电子源。交叉点处
电子束直径约几十个微米。
灯丝
?
聚光镜
? 聚光镜用来会聚电子枪射
出的电子束，以最小的损
失照明样品，调节照明强
度、孔径角和束斑大小。
一般都采用双聚光镜系统，
如图 5-14所示。第一聚光
镜是强激磁透镜，束斑缩
小率为 10～ 50倍左右，将
电子枪第一交叉点束斑缩
小为 1～ 5μm ；而第二聚
光镜是弱激磁透镜，适焦
时放大倍数为 2倍左右。
结果在样品平面上可获得
2～ 10μm 的照明电子束斑。
从聚光镜到物镜
成像系统
? 成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。
? （一）物镜
? 物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或
电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领
的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都
被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜
的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强
激磁，短焦距的物镜。
? 物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大
倍数较高，一般为 100-300倍。目前，高质量的物
镜其分辨率可达 0.1nm左右。
物镜
? 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般
来说，极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨
率就越高。
? 为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物
镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，
而且或以提高图像的衬度。
? 此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后
焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。
? 在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和
距离总是固定不变的，（即物距 L1不变）。因此改变物理
学镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距
（即 f 和 L2）来满足成像条件。
（二）中间镜
? 中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍
透镜，可在 0-20倍范围调节。当
M>1时，用来进一步放大物镜的像；
当 M<1时，用来缩小物镜的像。在
电镜操作过程中，主要是利用中间
镜的可变倍率来控制电镜的放大倍
数。
? 如果把中间镜的物平面和物镜的像
平面重合，则在荧光屏上得到一幅
放大像，这就是电子显微镜中的成
像操作，如图 5-15（ a）所示。如
果把中间镜的物平面和物镜的后焦
面重合，则在荧光屏上得到一幅电
子衍射花样，这就是电子显微镜中
的电子衍射操作，如图 5-15（ b）
所示。
（三）投影镜
? 投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像
（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏
上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。
投影镜的激磁电流是固定的。因为成像电子束进
入投影镜时孔镜角很小（约 10-3rad）,因此它的
景深和焦距都非常大。即使改变中间镜的放大倍
数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不
会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还
会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投
影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像
仍旧是清晰的。
成像系统
? 高性能的透射电镜大都采用 5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，
分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。见图
观察与记录系统
? 观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，
在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照
相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起，电子
束即可使照相底片曝光。由于透射电子显
微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间
有数十厘米的间距，仍能得到清晰的图像
透射电镜的主要部件 ---样品台
? 样品台的作用是承
载样品，并使样品
能作平移、倾斜、
旋转，以选择感兴
趣的样品区域或位
向进行观察分析。
透射电镜的样品是
放置在物镜的上下
极靴之间，由于这
里的空间很小，所
以透射电镜的样品
也很小，通常是直
径 3mm的薄片。
样品台与试样
透射电镜的主要部件 ---消像散器
? 消像散器可以是机械式的，
可以是电磁式的。机械式
的是在电磁透镜的磁场周
围放置几块位置可以调节
的导磁体，用它们来吸引
一部分磁场，把固有的椭
圆形磁场校正成接近旋转
对称的磁场。电磁式的是
通过电磁极间的吸引和排
斥来校正椭圆形磁场的
透射电镜的主要部件 ---光阑
? 在透射电子显微镜中
有许多固定光阑和可
动光阑，它们的作用
主要是挡掉发散的电
子，保证电子束的相
干性和照射区域。其
中三种主要的可动光
阑是第二聚光镜光阑，
物镜光阑和选区光阑。
光阑都用无磁性的金
属（铂、钼等）制造。
（一）第二聚光镜光阑
? 四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上
（ 图 5-19）, 使用时, 通过光阑杆的分档机构按
需要依次插入, 使光阑孔中心位于电子束的轴线
上 （ 光阑中心和主焦点重合 ） 。
? 聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角 。 在双聚光
镜系统中, 安装在第二聚光镜下方的焦点位置 。
光阑孔的直径为 20～ 400μm作一般分析观察时,
聚光镜的光阑孔径可用 200～ 300μm,若作微束
分析时, 则应采用小孔径光阑 。
（二）物镜光阑
? 物镜光阑又称为衬度光阑,通常它被放在物镜的后焦面上。
? 常用物镜光阑孔的直径是 20～ 120μm 范围。
? 电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角 (或衍射
角 )较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从
而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小，
被挡去的电子越多，图像的衬度就越大,这就是物镜光阑
又叫做衬度光阑的原因。 加入物镜光阑使物镜孔径角减小，
能减小像差，得到质量较高的显微图像。
? 物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑
点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。 利用明暗场显
微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。
（三）选区光阑
? 选区光阑又称场限光阑或视场光阑。
? 为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光
阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。
? 对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分
析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光阑
孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因
此,选区光阑都放在物镜的像平面位置。 这样布置达到的
效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直
径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是 50倍，则一
个直径等于 50μm 的光阑就可以选择样品上直径为 1μm 的
区域。
? 选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑
孔的直径位于 20～ 400μm 范围之间，它可制成大小不同的
四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。
透射电镜的功能及发展
? 从 1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，
70年的时间里它得到了长足的发展。这些
发展主要集中在三个方面。
? 一是透射电子显微镜的功能的扩展；
? 另一个是分辨率的不断提高；
? 第三是将计算机和微电子技术应用于控制
系统、观察与记录系统等。
功能的扩展
? 早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，
后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶
体结构。具有能将形貌和晶体结构原位观察的两
个功能是其它结构分析仪器（如光镜和 X射线衍射
仪）所不具备的。
? 透射电子显微镜增加附件后，其功能可以从原来
的样品内部组织形貌观察（ TEM）、原位的电子衍
射分析（ Diff），发展到还可以进行原位的成分
分析（能谱仪 EDS、特征能量损失谱 EELS）、表面
形貌观察（二次电子像 SED、背散射电子像 BED）
和透射扫描像（ STEM）。
功能的扩展
? 结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透
射电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态
和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的
变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。
? 透射电子显微镜功能的拓宽意味着一台仪器在不
更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可
以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分
（价态）的全面分析。
分析型透射电子显微镜
? 利用电子束与固体
样品相互作用产生
的物理信号开发的
多种分析附件，大
大拓展了透射电子
显微镜的功能。由
此产生了透射电子
显微镜的一个分
支 —— 分析型透射
电子显微镜。
分析型透射电子显微镜
分析型透射电子显微镜
超高压电镜
高分辨透射电子显微镜
? 透射电子显微镜发展的另一个表现是分辨率的不
断提高。目前 200KV透射电子显微镜的分辨率好于
0.2nm,1000KV透射电子显微镜的分辨率达到
0.1nm。
? 透射电子显微镜分辨率的提高取决于电磁透镜的
制造水平不断提高，球差系数逐渐下降；透射电
子显微镜的加速电压不断提高，从 80KV,100KV、
120KV,200KV,300KV直到 1000KV以上；为了获得
高亮度且相干性好的照明源，电子枪由早期的发
夹式钨灯丝，发展到 LaB6单晶灯丝，现在又开发
出场发射电子枪。
高分辨透射电子显微镜
? 提高透射电子显微镜分辨率的关键在于物
镜制造和上下极靴之间的间隙，舍弃各种
分析附件可以使透射电子显微镜的分辨率
进一步提高，由此产生了透射电子显微镜
的另一个分支 —— 高分辨透射电子显微镜
（ HREM）。
? 但是近年来随着电子显微镜制造技术的提
高，高分辨透射电子显微镜也在增加各种
分析附件，完善其分析功能。
计算机技术的应用
? 透射电子显微镜的发展还表现在计算机技术和微
电子技术的应用。计算机技术和微电子技术的应
用使透射电子显微镜的控制变得简单，自动化程
度大大提高，整机性能提高。
? 在透射电子显微镜的观察与记录系统中增加摄像
系统，使分析观察更加方便，而且能连续记录。
近几年慢扫描 CCD相机越来越多地取代传统的观察
与记录系统，将透射电子信号（图象）传送到计
算机显示器上，不仅方便观察记录，而且与网络
结合使远程观察记录成为可能
总结
? 电磁透镜的分辨率受两个因素控制：衍射效应和
像差（主要是球差）。孔径半角 α对两个因素的
影响作用相反。
? 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中球差不
可消除且对电镜分辨率影响最显著；像散可以消
除；色差的影响是电压波动和样品厚度不均
? 有效放大倍数和放大倍数是两个不同的概念。
? 正是由于 α很小，电子显微镜的景深和焦长都很
大。
总结
? 透射电子显微镜主要组成部分是 照明系统,
成像系统 和 观察记录系统 。
? 成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的
分辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可
以实现两种成像操作：一种是将物镜的像
放大成像，即试样 形貌观察 ；另一种是将
物镜背焦面的衍射花样放大成像，即 电子
衍射 分析。
总结
? 样品台是透射电子显微镜的重要附件之一，
它可以实现样品的平移、倾斜和转动操作
从而便于样品的观察分析；高温台、低温
台和拉伸台等可以进一步扩大透射电子显
微镜的功能。
? 光阑在透射电子显微镜的光路中是用来限
制电子束的发散角。
? 三个可动光阑：第二聚光镜光阑、物镜光
阑和选区光阑的 位置 和 作用 是各不相同的。
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了
重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微
镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分
析的需求。上世纪 30年代后，电子显微镜的发
明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微
镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、
晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观
世界的能力从此有了长足的发展。
Definitions
Microscope - A device with a lens or series
of lenses that enlarge (magnify) the
appearance of an object.
Does not apply to SEM.
Lens - A lens is an optical component
which is used to focus beams of radiation,
Lenses for light are usually made of a
glassy material,whereas non-uniform
electromagnetic fields are used as lens for
electrons.
Image - Perception of an object using your eyes
(vision),One can sense an object without vision
(touch,etc..),Requires visible light.
Lenses
Curved glass or mirror for
Visible light
Concave surface of metal (e.g,satellite
dish)
Radio waves
Concave mirror or Fresnel lens
Heat
Solenoid (electromagnetic fields that
can be varied)
Subatomic particles (electrons,
protons,positrons)
concave convex
Resolution - The point at which two or more objects can
be distinguished as separate.
Magnification - The ratio between image size to the
object size,Can be varied by changing the distance
between the object and the final lens (of the eye) or
by inserting a second lens between the two.
History:
First record of using glass lens for magnification
was by an Arabian from what is now known as Iran,
Alhazen,in the 10 and 11th century.
He contradicted Ptolemy's and Euclid's theory of
vision that objects are seen by rays of light
emanating from the eyes; according to him the rays
originate in the object of vision and not in the eye,
Because of his extensive research on vision,he has
been considered by many as the father of modern
optics,
15th century on - Studies done with glass magnifiers to
study objects in detail mostly as a curiosity by non-
scientists - Antonie van Leeuwenhoek (linen draper)
described three shapes of bacterial cells using his simple,
single lens microscope (glass bead in metal holder).
By mid-19th century,became evident that theoretical
limits of light were reached.
Above magnification of 1500,resolution lost,Image
was larger,but blurred (empty magnification).
In 1870,Ernst Abbe derived mathematical expression
for resolution of microscope:
Resolution is limited to approx,1/2 the
wavelength of illuminating source.
Wavelength - distance
between peaks of the
waveform
Blue light has a wavelength of 0.47 um
Resolution max - 0.2 um (200 nm)
Cannot go beyond this even with better optics.
Solution? Use illumination of shorter wavelength
Antone de Broglie (1924) Theory of wave nature of electrons
Hermann Busch (1924) axial magnetic fields refract electrons
Electron optics
?1935 - Max Knoll
demonstrates the theory of the
scanning electron microscope
Knoll and Ruska
1986 Nobel Prize winners
von Ardenne
1939 - Ruska and von Borries,working for Siemens produce the
first commercially available EM
1938 - First scanning electron
microscope produced by von
Ardenne
?1939 - First EM built in North America by James Hillier and Albert Prebus at the
University of Toronto
Dr,Prebus Dr,Ladd
Light vs Electron Microscope
光学显微镜的分辨率
? 由于光波的波动性，使
得由透镜各部分折射到
像平面上的像点及其周
围区域的光波发生相互
干涉作用，产生衍射效
应。一个理想的物点，
经过透镜成像时，由于
衍射效应，在像平面上
形成的不再是一个像点，
而是一个具有一定尺寸
的中央亮斑和周围明暗
相间的圆环所构成的
Airy斑。如图 5-1所示。
透镜分辨率
? 测量结果表明 Airy斑的强度大约 84%集中在中心亮斑上，其余
分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼
不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以 Airy斑的第一暗环
的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产
生的 Airy斑半径 R0的表达式为：
? （ 5-1）
? 通常把两个 Airy斑中心间距等于 Airy斑半径时，物平面上相应
的两个物点间距（ Δr 0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透
镜分辨率（也称分辨本领）。由式 5-1得：
? 即 （ 5-2）
? 对于光学透镜，当 n?sinα 做到最大时（ n≈1.5, α≈70 -
75° ），式（ 5-2）简化为：
MnR ??s in61.00 ?
M
Rr 0
0 ?? ?
?
s in
61.0
0 nr ??
20
???r
有效放大倍数
? 上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。
半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波
长是 390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是 ≈ 200nm。
? 一般地人眼的分辨本领是大约 0.2mm，光学显微镜的最大
分辨率大约是 0.2μm 。把 0.2μm 放大到 0.2mm让人眼能分
辨的放大倍数是 1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍
数。光学显微镜的分辨率在 0.2μm 时，其有效放大倍数是
1000倍。
? 光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分
对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服而已。
所以光学显微镜的放大倍数一般最高在 1000-1500之间。
如何提高显微镜的分辨率
? 根据式（ 5-3），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低
照明光源的波长。
? 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在 13-
390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地
吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。
? 更短的波长是 X射线。但是，迄今为止还没有找到能使 X射
线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没
有 X射线的透镜存在。因此 X射线也不能作为显微镜的照明
光源。
? 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，
而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为
照明光源，由此形成电子显微镜。
电子波长
? 根据德布罗意 （ de Broglie） 的观点，运动
的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这
一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电
子运动的速度和质量，即
? （ 5-4）
? 式中,h为普郎克常数, h=6.626× 10-34J.s；
m为电子质量； v为电子运动速度，它和加速
电压 U之间存在如下关系：
? 即 （ 5-5）
? 式中 e为电子所带电荷,e=1.6× 10-19C。
? 将（ 5-5）式和（ 5-4）式整理得：
?
? （ 5-6）
mv
h??
eUmv ?221 meUv 2?
em U
h
2
??
不同加速电压下的电子波波长
? 加速电压 U/KV 电子波波长 λ/nm 加速电压 U/KV 电子波波长 λ/nm
20
40
60
80
100
0.00859
0.00601
0.00487
0.00418
0.00371
120
160
200
500
1000
0.00334
0.00285
0.00251
0.00142
0.00087
电磁透镜
? 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会
聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场
则可以让电子束折射，从而产生电子束的
会聚与发散，达到成像的目的。人们把用
静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把
电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之
“电磁透镜”。
静电透镜
? 当电子在电场中运动，由
于电场力的作用，电子会
发生折射。我们将两个同
轴圆筒带上不同电荷（处
于不同电位），两个圆筒
之间形成一系列弧形等电
位面族，散射的电子在圆
筒内运动时受电场力作用
在等电位面处发生折射并
会聚于一点（图 5-2）。
这样就构成了一个最简单
的静电透镜。透射电子显
微镜中的电子枪就是一个
静电透镜。
电磁透镜
? 电子在磁场中运动，当电子运动
方向与磁感应强度方向不平行时，
将产生一个与运动方向垂直的力
（洛仑兹力）使电子运动方向发
生偏转。
? 图 5-3是一个电磁线圈。当电子沿
线圈轴线运动时，电子运动方向
与磁感应强度方向一致，电子不
受力，以直线运动通过线圈；当
电子运动偏离轴线时，电子受磁
场力的作用，运动方向发生偏转，
最后会聚在轴线上的一点。电子
运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。
电磁透镜
? 短线圈磁场中的电子
运动显示了电磁透镜
聚焦成像的基本原理。
实际电磁透镜中为了
增强磁感应强度，通
常将线圈置于一个由
软磁材料（纯铁或低
碳钢）制成的具有内
环形间隙的壳子里
（如图 5-4）。
电磁透镜
? 此时线圈的磁力线都集中在
壳内，磁感应强度得以加强。
狭缝的间隙越小，磁场强度
越强，对电子的折射能力越
大。为了使线圈内的磁场强
度进一步增强，可以在电磁
线圈内加上一对磁性材料的
锥形环（如图 5-5所示），
这一装置称为极靴。增加极
靴后的磁线圈内的磁场强度
可以有效地集中在狭缝周围
几毫米的范围内。
电磁线圈与极靴
?
电磁透镜成像
? 光学透镜成像时，物距 L1、像距 L2和焦距 f三者之间满足
如下关系：
? （ 5-8）
? 电磁透镜成像时也可以应用式（ 5-8）。所不同的是，光
学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。
电磁透镜焦距 f常用的近似公式为：
? （ 5-9）
? 式中是 K常数,Ur是经相对论校正的电子加速电压，（ IN）
是电磁透镜的激磁安匝数。
? 由式（ 5-9）可以发现，改变激磁电流可以方便地改变电
磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着
电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。
21
111
LLf
??
? ? 2IN
UKf r?
电磁透镜的像差及其对分辨
率的影响
? 按式（ 5-3）最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。
对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率
是波长的一半。以日立 H-800透射电镜为例，其加
速电压达是 200KV，若分辨率是波长的一半，那么
它的分辨率应该是 0.00125nm；实际上 H-800透射
电镜的点分辨率是 0.45nm，与理论分辨率相差约
360倍。
? 什么原因导致这样的结果呢？原来电磁透镜也和
光学透镜一样，除了衍射效应对分辨率的影响外，
还有像差对分辨率的影响。由于像差的存在，使
得电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜的像
差包括球差、像散和色差。
一、球差
? 球差是因为电磁透镜近轴
区域磁场和远轴区域磁场
对电子束的折射能力不同
而产生的。
? 原来的物点是一个几何
点，由于球差的影响现在
变成了半径为 Δr S的漫散
圆斑。我们用 Δr S表示球
差大小，计算公式为：
?
? （ 5-10）
? 球差是像差影响电磁透镜分辨
率的主要因素，它还不能象光
学透镜那样通过凸透镜、凹透
镜的组合设计来补偿或矫正。
3
4
1 ?
sS Cr ??
二、像散
? 像散是由透镜磁场的非旋转对称
引起的像差。当极靴内孔不圆、
上下极靴的轴线错位、制作极靴
的磁性材料的材质不均以及极靴
孔周围的局部污染等都会引起透
镜的磁场产生椭圆度。
? 将 RA折算到物平面上得到一个半
径为 Δr A的漫散圆斑，用 Δr A表
示像散的大小，其计算公式为：
?
? （ 5-11）
? 像散是可以消除的像差，可以通
过引入一个强度和方位可调的矫
正磁场来进行补偿。产生这个矫
正磁场的装置叫消像散器。
?AA fr ???
三、色差
? 色差是由于成像电子的能
量不同或变化，从而在透
镜磁场中运动轨迹不同以
致不能聚焦在一点而形成
的像差。
? 最小的散焦斑 RC。同样将
RC折算到物平面上，得到
半径为 Δr C的圆斑。色差
Δr C由下式来确定：
?
? （ 5-12）
? 引起电子能量波动的原因有两个，一
是电子加速电压不稳，致使入射电子
能量不同；二是电子束照射试样时和
试样相互作用，部分电子产生非弹性
散射，致使能量变化。
E
ECr
cC
???? ?
衍射效应的分辨率和球差造成
的分辨率
? 比较式（ 5-2）和（ 5-10），可以发现孔径半角 α 对衍射效应
的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。
? 提高孔径半角 α 可以提高分辨率 Δr 0，但却大大降低了 Δr S。
因此电镜设计中必须兼顾两者。唯一的办法是让 Δr S=Δr 0，
考虑到电磁透镜中孔径半角 α 很小（ 10-2-10-3rad），则
? （ 5-13）
? 那么 Δr S=Δr 0,即：
? 整理得,（ 5-14）
? 将上式代入（ 5-13）,（ 5-15）
? 根据式（ 5-15）和（ 5-16），透射电镜孔径半角 α 通常是 10-2
-10-3rad；目前最佳的电镜分辨率只能达到 0.1nm左右。
?
?
?
? 61.0
s in
61.0
0 ??? nr
3
0
0 4
161.0 ?
?
?
sC?
4
1
0 25.1 ??
?
?
???
?
?
sC
??
4
3
4
1
0 49.0 ?sCr ??
景深
? 电磁透镜饿景深是指当成像时，像平面不动
（像距不变），在满足成像清晰的前提下，
物平面沿轴线前后可移动的距离
? 当物点位于 O处时，电子通过透镜在 Oˊ 处会
聚。让像平面位于 Oˊ 处，此时像平面上是一
像点；当物点沿轴线渐移到 A处时，聚焦点则
从 Oˊ 沿轴线移到了 Aˊ 处，由于像平面固定
不动，此时位于 Oˊ 处的像平面上逐渐由像点
变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定电磁
透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑半径 R0
折算到物平面上的尺寸只要不大于 Δr 0，像
平面上就能成一幅清晰的像。
? 轴线上 AB两点间的距离就是景深 Df。
? 由图 5-9的几何关系可推导出景深的计算公式
为：
? （ 5-16）
??
00 22 r
tg
rD
f
????
焦长
? 焦长是指物点固定不变（物距不变），
在保持成像清晰的条件下，像平面沿透
镜轴线可移动的距离。
? 当物点位于 O处时，电子通过透镜在 Oˊ
处会聚。让像平面位于 Oˊ 处，此时像
平面上是一像点；当像平面沿轴线前后
移动时，像平面上逐渐由像点变成一个
散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于 R0
（折算到物平面上的尺寸不大于 Δr 0），
像平面上将是一幅清晰的像。此时像平
面沿轴线前后可移动的距离为 DL：由图
5-10中几何关系得：
20000 2222 MrMr
tg
Mr
tg
RD
L ????
???????
透射电镜的结构
? 图 5-11是透射电镜的
外观照片。
? 通常透射电镜由电子
光学系统、电源系统、
真空系统、循环冷却
系统和控制系统组成，
其中电子光学系统是
电镜的主要组成部分。
透射电镜
的结构
? 图 5-12是电子
光学系统的组
成部分示意图。
由图可见透射
电镜电子光学
系统是一种积
木式结构，上
面是照明系统、
中间是成像系
统、下面是观
察与记录系统 。
照明系统
? 照明系统主要由 电子枪 和 聚光镜 组成。
? 电子枪是发射电子的照明光源。
? 聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而
成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。
? 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照
明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明
源。
电子枪
? 电子枪是透射电子显微镜的
电子源。
? 常用的是热阴极三极电子枪，
它由发夹形钨丝阴极、栅极
帽和阳极组成，
? 图 5-13（ a）为电子枪
的自偏压回路，自偏压回路
可以起到限制和稳定束流的
作用。
? 图 5-13（ b）是电子枪
结构原理图。在阴极和阳极
之间的某一地点，电子束会
集成一个交叉点，这就是通
常所说的电子源。交叉点处
电子束直径约几十个微米。
灯丝
?
聚光镜
? 聚光镜用来会聚电子枪射
出的电子束，以最小的损
失照明样品，调节照明强
度、孔径角和束斑大小。
一般都采用双聚光镜系统，
如图 5-14所示。第一聚光
镜是强激磁透镜，束斑缩
小率为 10～ 50倍左右，将
电子枪第一交叉点束斑缩
小为 1～ 5μm ；而第二聚
光镜是弱激磁透镜，适焦
时放大倍数为 2倍左右。
结果在样品平面上可获得
2～ 10μm 的照明电子束斑。
从聚光镜到物镜
成像系统
? 成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。
? （一）物镜
? 物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或
电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领
的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都
被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜
的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强
激磁，短焦距的物镜。
? 物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大
倍数较高，一般为 100-300倍。目前，高质量的物
镜其分辨率可达 0.1nm左右。
物镜
? 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般
来说，极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨
率就越高。
? 为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物
镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，
而且或以提高图像的衬度。
? 此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后
焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。
? 在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和
距离总是固定不变的，（即物距 L1不变）。因此改变物理
学镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距
（即 f 和 L2）来满足成像条件。
（二）中间镜
? 中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍
透镜，可在 0-20倍范围调节。当
M>1时，用来进一步放大物镜的像；
当 M<1时，用来缩小物镜的像。在
电镜操作过程中，主要是利用中间
镜的可变倍率来控制电镜的放大倍
数。
? 如果把中间镜的物平面和物镜的像
平面重合，则在荧光屏上得到一幅
放大像，这就是电子显微镜中的成
像操作，如图 5-15（ a）所示。如
果把中间镜的物平面和物镜的后焦
面重合，则在荧光屏上得到一幅电
子衍射花样，这就是电子显微镜中
的电子衍射操作，如图 5-15（ b）
所示。
（三）投影镜
? 投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像
（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏
上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。
投影镜的激磁电流是固定的。因为成像电子束进
入投影镜时孔镜角很小（约 10-3rad）,因此它的
景深和焦距都非常大。即使改变中间镜的放大倍
数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不
会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还
会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投
影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像
仍旧是清晰的。
成像系统
? 高性能的透射电镜大都采用 5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，
分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。见图
观察与记录系统
? 观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，
在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照
相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起，电子
束即可使照相底片曝光。由于透射电子显
微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间
有数十厘米的间距，仍能得到清晰的图像
透射电镜的主要部件 ---样品台
? 样品台的作用是承
载样品，并使样品
能作平移、倾斜、
旋转，以选择感兴
趣的样品区域或位
向进行观察分析。
透射电镜的样品是
放置在物镜的上下
极靴之间，由于这
里的空间很小，所
以透射电镜的样品
也很小，通常是直
径 3mm的薄片。
样品台与试样
透射电镜的主要部件 ---消像散器
? 消像散器可以是机械式的，
可以是电磁式的。机械式
的是在电磁透镜的磁场周
围放置几块位置可以调节
的导磁体，用它们来吸引
一部分磁场，把固有的椭
圆形磁场校正成接近旋转
对称的磁场。电磁式的是
通过电磁极间的吸引和排
斥来校正椭圆形磁场的
透射电镜的主要部件 ---光阑
? 在透射电子显微镜中
有许多固定光阑和可
动光阑，它们的作用
主要是挡掉发散的电
子，保证电子束的相
干性和照射区域。其
中三种主要的可动光
阑是第二聚光镜光阑，
物镜光阑和选区光阑。
光阑都用无磁性的金
属（铂、钼等）制造。
（一）第二聚光镜光阑
? 四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上
（ 图 5-19）, 使用时, 通过光阑杆的分档机构按
需要依次插入, 使光阑孔中心位于电子束的轴线
上 （ 光阑中心和主焦点重合 ） 。
? 聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角 。 在双聚光
镜系统中, 安装在第二聚光镜下方的焦点位置 。
光阑孔的直径为 20～ 400μm作一般分析观察时,
聚光镜的光阑孔径可用 200～ 300μm,若作微束
分析时, 则应采用小孔径光阑 。
（二）物镜光阑
? 物镜光阑又称为衬度光阑,通常它被放在物镜的后焦面上。
? 常用物镜光阑孔的直径是 20～ 120μm 范围。
? 电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角 (或衍射
角 )较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从
而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小，
被挡去的电子越多，图像的衬度就越大,这就是物镜光阑
又叫做衬度光阑的原因。 加入物镜光阑使物镜孔径角减小，
能减小像差，得到质量较高的显微图像。
? 物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑
点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。 利用明暗场显
微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。
（三）选区光阑
? 选区光阑又称场限光阑或视场光阑。
? 为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光
阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。
? 对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分
析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光阑
孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因
此,选区光阑都放在物镜的像平面位置。 这样布置达到的
效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直
径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是 50倍，则一
个直径等于 50μm 的光阑就可以选择样品上直径为 1μm 的
区域。
? 选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑
孔的直径位于 20～ 400μm 范围之间，它可制成大小不同的
四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。
透射电镜的功能及发展
? 从 1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，
70年的时间里它得到了长足的发展。这些
发展主要集中在三个方面。
? 一是透射电子显微镜的功能的扩展；
? 另一个是分辨率的不断提高；
? 第三是将计算机和微电子技术应用于控制
系统、观察与记录系统等。
功能的扩展
? 早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，
后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶
体结构。具有能将形貌和晶体结构原位观察的两
个功能是其它结构分析仪器（如光镜和 X射线衍射
仪）所不具备的。
? 透射电子显微镜增加附件后，其功能可以从原来
的样品内部组织形貌观察（ TEM）、原位的电子衍
射分析（ Diff），发展到还可以进行原位的成分
分析（能谱仪 EDS、特征能量损失谱 EELS）、表面
形貌观察（二次电子像 SED、背散射电子像 BED）
和透射扫描像（ STEM）。
功能的扩展
? 结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透
射电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态
和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的
变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。
? 透射电子显微镜功能的拓宽意味着一台仪器在不
更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可
以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分
（价态）的全面分析。
分析型透射电子显微镜
? 利用电子束与固体
样品相互作用产生
的物理信号开发的
多种分析附件，大
大拓展了透射电子
显微镜的功能。由
此产生了透射电子
显微镜的一个分
支 —— 分析型透射
电子显微镜。
分析型透射电子显微镜
分析型透射电子显微镜
超高压电镜
高分辨透射电子显微镜
? 透射电子显微镜发展的另一个表现是分辨率的不
断提高。目前 200KV透射电子显微镜的分辨率好于
0.2nm,1000KV透射电子显微镜的分辨率达到
0.1nm。
? 透射电子显微镜分辨率的提高取决于电磁透镜的
制造水平不断提高，球差系数逐渐下降；透射电
子显微镜的加速电压不断提高，从 80KV,100KV、
120KV,200KV,300KV直到 1000KV以上；为了获得
高亮度且相干性好的照明源，电子枪由早期的发
夹式钨灯丝，发展到 LaB6单晶灯丝，现在又开发
出场发射电子枪。
高分辨透射电子显微镜
? 提高透射电子显微镜分辨率的关键在于物
镜制造和上下极靴之间的间隙，舍弃各种
分析附件可以使透射电子显微镜的分辨率
进一步提高，由此产生了透射电子显微镜
的另一个分支 —— 高分辨透射电子显微镜
（ HREM）。
? 但是近年来随着电子显微镜制造技术的提
高，高分辨透射电子显微镜也在增加各种
分析附件，完善其分析功能。
计算机技术的应用
? 透射电子显微镜的发展还表现在计算机技术和微
电子技术的应用。计算机技术和微电子技术的应
用使透射电子显微镜的控制变得简单，自动化程
度大大提高，整机性能提高。
? 在透射电子显微镜的观察与记录系统中增加摄像
系统，使分析观察更加方便，而且能连续记录。
近几年慢扫描 CCD相机越来越多地取代传统的观察
与记录系统，将透射电子信号（图象）传送到计
算机显示器上，不仅方便观察记录，而且与网络
结合使远程观察记录成为可能
总结
? 电磁透镜的分辨率受两个因素控制：衍射效应和
像差（主要是球差）。孔径半角 α对两个因素的
影响作用相反。
? 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中球差不
可消除且对电镜分辨率影响最显著；像散可以消
除；色差的影响是电压波动和样品厚度不均
? 有效放大倍数和放大倍数是两个不同的概念。
? 正是由于 α很小，电子显微镜的景深和焦长都很
大。
总结
? 透射电子显微镜主要组成部分是 照明系统,
成像系统 和 观察记录系统 。
? 成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的
分辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可
以实现两种成像操作：一种是将物镜的像
放大成像，即试样 形貌观察 ；另一种是将
物镜背焦面的衍射花样放大成像，即 电子
衍射 分析。
总结
? 样品台是透射电子显微镜的重要附件之一，
它可以实现样品的平移、倾斜和转动操作
从而便于样品的观察分析；高温台、低温
台和拉伸台等可以进一步扩大透射电子显
微镜的功能。
? 光阑在透射电子显微镜的光路中是用来限
制电子束的发散角。
? 三个可动光阑：第二聚光镜光阑、物镜光
阑和选区光阑的 位置 和 作用 是各不相同的。
