透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况:
吸收像:当电子射到质量、密度大的样品时,主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大,通过的电子较少,像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。
衍射像:电子束被样品衍射后,样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力,当出现晶体缺陷时,缺陷部分的衍射能力与完整区域不同,从而使衍射波的振幅分布不均匀,反映出晶体缺陷的分布。
相位像:当样品薄至100以下时,电子可以穿过样品,波的振幅变化可以忽略,成像来自于相位的变化。

衍射图样的动态范围通常非常大。对于晶体样品,这个动态范围通常超出了CCD所能记录的大范围。因此TEM通常装备有胶卷暗盒以记录这些图像。对衍射图样点对点的分析非常复杂,这是由于图像与样品的厚度和方向、物镜的失焦、球面像差和色差等等因素都有非常密切的关系。尽管可以对格点图像对比度进行定量的解释,然而分析本质上非常复杂,需要大量的计算机来计算。衍射平面还有更加复杂的表现,例如晶体格点的多次衍射造成的菊池线。在会聚电子束衍射技术中,绒毡层超微结构技术服务,会聚电子束在样品表面形成一个极细的探针,从而产生了不平行的会聚波前,而汇聚电子束与样品的作用可以提供样品结构以外的信息,例如样品的厚度等等。

在扫描电镜中,入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步,保证了样品上的“物点”与荧光屏上的“象点”在时间和空间上一一对应,称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的,正因为如此,才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外,还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示。
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