透射电镜的基本原理
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理
透射电镜是一种常用的电子显微镜，用于观察和研究材料中的微观结构。
它利用电子的波粒二象性，通过透射原子层的电子来形成显微图像，具有比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的成像原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 电子发射：透射电镜使用热阴极或冷阴极发射出高速电子，这些电子被加速到高能状态。
2. 透射样品：加速的电子通过一个非常薄的样品片，如薄片状的金属、陶瓷或生物组织。
样品必须具有高度透射性，以允许电子通过。
3. 散射与透射：入射电子束在样品中发生散射和透射两种现象。
散射是指电子与样品中的原子或电子相互作用，改变其运动方向，而透射是指电子穿过样品的现象。
4. 透射电子形成图像：透射电镜使用透射电子成像器件，如方形磁透镜或电磁透镜，将透射电子聚焦在屏幕或感光材料上。
根据电子的能量和散射情况，屏幕上形成亮暗不同的区域，形成图像。
透射电镜成像原理的关键在于控制电子束的发射和透射过程，以及透射电子的成像聚焦和检测。
通过调整透射电子的能量、电磁透镜的设置和样品的准备，可以获得高分辨率的电子显微图像，揭示材料的微观结构和性质。
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理透射电镜是一种利用电子束来成像的高分辨率显微镜，其成像原理主要基于电子的波粒二象性和透射电子的特性。
透射电镜成像原理的理解对于正确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
首先，透射电镜成像的基本原理是利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
电子束由电子枪产生，经过透镜的聚焦和定位后，射向样品。
样品中的原子核和电子会对电子束产生散射和吸收，形成不同的透射强度。
透射电子被收集并转换成电子信号，最终形成样品的影像。
其次，透射电镜成像原理涉及到电子的波粒二象性。
根据德布罗意关系，电子具有波动性，其波长与动量呈反比关系。
因此，透射电镜成像的分辨率受到电子波长的限制，通常采用加速电压提高电子的动能，从而减小电子的波长，提高成像分辨率。
另外，透射电镜成像原理还涉及到透射电子的特性。
由于电子具有负电荷，其在物质中的相互作用主要包括库仑散射和弹性散射。
这些散射过程会影响电子束的透射强度和方向，从而影响成像结果。
因此，在透射电镜成像过程中，需要考虑样品的厚度、成分和结构等因素，以及透射电子与样品之间的相互作用。
最后，透射电镜成像原理还涉及到透射电镜的成像系统和信号处理。
透射电镜成像系统包括电子光学系统、样品台、检测器和成像设备等部分，通过这些部分协同工作，可以获取样品的高分辨率影像。
同时，透射电镜成像信号需要经过放大、处理和显示等步骤，以便对样品进行分析和观察。
综上所述，透射电镜成像原理是基于电子的波粒二象性和透射电子的特性，利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
正确理解透射电镜成像原理对于准确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
透射电镜成像原理的深入理解有助于提高透射电镜的成像分辨率和质量，为科学研究和工程应用提供有力支持。
透射电镜的工作原理
透射电镜的工作原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察样品的微观结构的高分辨率显微镜。
与光学显微镜不同，透射电镜使用的是电子而不是可见光来照射样品，因此能够获得比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面，下面将详细介绍透射电镜的工作原理。
1. 电子的产生。
透射电镜使用的是电子束来照射样品，因此首先需要产生电子。
电子产生的常用方法是热发射和场发射。
热发射是利用热能使金属表面的电子逃逸而产生电子，而场发射则是利用电场使电子从金属表面逃逸。
在透射电镜中，通常使用的是热发射电子源，即利用钨丝或钨钢合金丝受热后发射电子。
2. 电子的聚焦。
产生的电子束需要经过一系列的聚焦系统，使其成为一个细小的束流，以便能够准确地照射到样品上。
透射电镜的聚焦系统通常包括电子透镜和磁透镜。
电子透镜利用电场来聚焦电子束，而磁透镜则利用磁场来聚焦电子束。
通过合理设计和调节，可以使电子束聚焦到非常小的尺寸，从而获得高分辨率的成像能力。
3. 电子的透射。
经过聚焦系统聚焦后的电子束将照射到样品上，这时的电子束被称为透射电子束。
透射电子束穿过样品时，会与样品中的原子和分子发生相互作用，产生散射和吸收。
透射电镜通过检测透射电子束的变化来获取样品的结构信息。
4. 成像。
透射电镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用后产生的信号来获取样品的结构信息。
透射电镜通常采用透射电子显微镜来观察样品。
透射电子显微镜通过探测透射电子束的强度和位置来获得样品的结构信息，然后将这些信息转换成图像显示出来。
5. 检测。
透射电镜的检测系统通常包括电子探测器和图像处理系统。
电子探测器用于探测透射电子束的强度和位置，然后将这些信息传输给图像处理系统。
图像处理系统将探测到的信息转换成图像，并进行增强和处理，最终显示在显示屏上供用户观察。
总结来说，透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面。
透射电镜工作原理
透射电镜工作原理
透射电镜(Transmission Electron Microscopy，简称TEM)是一种用于观察微尺度物质形态结构和表面形貌特征的重要显微镜技术，其最早应用于生物学和化学研究，如今也广泛用于材料科学和工程研究。
透射电镜的工作原理是：一束通过电子源发射出来的电子流（通常是由金属管发射出），经过分散器和偏转垂直准直器，然后通过镜片，使得电子在低压下穿过样品，然后再抵达探测器。
它是一种辐射成像技术，核心是样品挡住了辐射源发出来的电子流，同时样品也会对发射出来的电子流产生穿透效应，生成横截面，这不同于其他显微技术。
首先，在样品上由电子源发射出来的电子束被分散器和偏转垂直准直器经过处理，使其产生小的束圆孔径，并将电子束之路向化朝向被检测的样品，进行定向准直，使样品所面对的束密度均匀。
然后经过镜片，将电子束缩小至1nm范围内，并将其余部分过滤，只保留<1nm的电子束，进而进入样品。
接着，样品所面对的电子束便会受到被检测的样品的影响，产生电子穿透现象，即样品会挡住一部分电子束，另一部分电子束则会通过它穿过样品表面，穿透深度的深度取决于电子流能量，此时，这些穿透样品表面的电子将投射在探测器上，在投射在屏幕上产生了投影图像。
通过分析被检测样品上表面被投影出来的图像，便可获得细微细节，并反映出样品的结构性质、表面形貌以及体积分布状态，从而获得样品的理化信息，如组成、结构、大小及形状等，从而进行细节分析和宏观观察等，推动科学研究。
透射电镜的基本原理
透射电镜的基本原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种使用电子束而非光线进行成像的仪器。
它使用高能电子束将样品穿透，然后收集透射的电子，并通过电子透射图像来获得样品的高分辨率图像。
以下是透射电镜的基本原理。
1.电子源：透射电镜中的电子通常是通过热发射或场发射从钨丝或钨尖中提取出来的。
电子源通常位于电镜的顶部，并通过加热或外加电场使电子发射。
2.加速器和减速器：电子源中产生的电子通过一个加速器进行加速，以达到高能水平。
这样可以使电子具有足够的能量穿透样品。
在穿过样品后，电子被进一步减速，以改变电子束的相对能量。
3.样品：样品通常是非晶态或晶态材料，厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
样品先被制备成极薄切片，并被放置在透明的钢网上，并通过透射底座固定在电镜中。
4.磁透镜系统：磁透镜系统用于聚焦和定向电子束。
它可以通过控制磁铁中的磁场来控制电子束的聚焦和导向。
电镜通常包含一个物镜透镜和一个对焦透镜。
物镜透镜具有更大的聚焦能力，用于将电子束聚焦到样品上，而对焦透镜用于微调焦距。
5.透射：电子束穿过样品时会与样品中的原子和电子发生相互作用。
其中一个主要的相互作用是电子与样品中的原子核和电子发生库仑散射。
这些相互作用会使电子的能量损失，并改变电子的路径。
透射电子图像是根据这些散射事件的位置和能量损失来重建的。
6.探测器：透射电子通过样品后，会被收集并转换为可视图像。
光学系统使用透射电子图像来放大和重构样品。
最常用的探测器是闪烁屏幕和摄像机。
闪烁屏幕会发出光，而摄像机则将光转换为电信号，并将其转化为可视化的图像。
7.后处理：获得的透射电子图像可以通过计算机后处理进行增强和处理。
这些处理包括调整对比度，增强细节以及从二维图像中提取出三维信息。
透射电镜的原理允许它在纳米尺度下观察物质的结构和形貌。
与传统的光学显微镜相比，透射电镜具有更高的分辨率和更大的深度解析力。
透射电镜的简单原理
透射电镜的简单原理
透射电镜是一种用于观察材料内部结构的显微镜。
其简单原理如下：
1. 电子源：透射电镜使用电子束来照射样品。
电子源通常是一个发射电子的热阴极，例如钨丝。
2. 准直系统：电子束从电子源发射出来后，通过准直系统进行调整，以保持电子束的直线性质和平行性。
准直系统通常包括透镜和磁铁等。
3. 照射样品：经过准直系统调整后的电子束照射到待观察的样品上。
样品可以是薄片或厚块，这取决于所需的观察深度。
4. 样品交叉点：经过样品的电子束会与样品内部原子或分子相互作用。
这些相互作用会导致一部分电子束被散射、吸收或透射。
5. 过滤器：透射电镜使用不同的过滤器来选择散射、吸收和透射电子束。
通过调整过滤器，可以选择只让透射电子束通过。
6. 探测器：透过样品的透射电子束最终到达探测器，例如荧光屏或CCD。
探测器记录下电子束的位置和强度。
7. 数据处理：通过采集和处理探测器的数据，可以形成一个关于样品内部结构的电子图像。
透射电镜的原理包括产生平行且高能的电子束、调整电子束与样品之间的相对位置、选择透射电子束并记录下来。
通过这些原理，透射电镜可以产生高分辨率的样品内部结构图像。
化学物质的透射电镜
化学物质的透射电镜透射电镜是一种常用的分析工具，特别是在化学领域。
它利用电子束照射样品，通过观察电子透射的方式来研究物质的结构和性质。
本文将介绍透射电镜的原理、应用以及在化学物质研究中的重要作用。
一、透射电镜的原理透射电镜的原理基于电子的波粒二象性。
电子具有波动性质，与光的波动性质相似。
通过将电子束聚焦到很小的直径上，并使其通过样品，探测样品中透射电子的强弱，可以了解样品的结构和成分。
二、透射电镜的应用1. 结构研究：透射电镜可以用来研究材料的晶体结构和外形。
通过观察透射的电子的衍射图案，可以确定晶体的晶胞参数、晶面指数等信息。
同时，透射电镜还可以观察到有关晶格缺陷、原子排列和晶界等结构信息。
2. 成分分析：透射电镜可以通过观察透射电子的吸收和散射情况，来确定样品的成分。
利用不同化学物质对电子的散射和吸收的差异，可以获得样品的能谱图像，进而分析样品中的元素种类和含量。
3. 形貌观察：透射电镜还可以用来观察化学物质的形貌。
通过调节电子束的聚焦和透射模式，可以观察到样品的表面形貌以及微观结构，如纳米颗粒、薄膜厚度等。
三、透射电镜在化学研究和应用中的作用1. 新材料研发：透射电镜在新材料研发中起到了重要作用。
通过观察材料的晶格结构、成分分布和缺陷情况，可以帮助科学家们设计和合成具有特定性能的新材料。
2. 催化剂研究：催化剂在化学反应中起到了关键作用。
透射电镜可以用来研究催化剂的结构和活性中心，以及催化剂与反应物之间的相互作用，从而优化催化剂的性能和效率。
3. 纳米材料研究：纳米材料因其独特的物理和化学性质而备受关注。
透射电镜可以观察到纳米材料的形貌和结构信息，帮助了解纳米颗粒的生长机理、表面活性和物理化学性质。
4. 生物化学研究：透射电镜在生物化学领域中也有广泛的应用。
它可以用来观察生物大分子的结构和形貌，如蛋白质、核酸等，对于研究其功能和生物活性具有重要意义。
综上所述，透射电镜在化学物质研究中扮演着重要角色。
透射电镜的原理
透射电镜的原理
透射电镜是一种使用电子束而不是光束的显微镜，用于观察非常细小的物体，例如细胞、原子和分子。
透射电镜的原理基于电子束的特性。
当电子束通过物样后，它会与物样中的原子和分子相互作用，从而发生散射和吸收。
透射电镜通过记录散射和吸收的电子，可以确定物样的结构和组成。
透射电镜主要由以下几个关键部分组成：电子源、准直系统、透射样品、物镜和接收器。
电子源产生高能电子束，准直系统通过透镜将电子束聚焦为平行的束流。
透射样品是待观察的物样，放置在电子束前方。
物样中的原子和分子会与电子束发生相互作用，导致电子的散射和吸收。
透射电镜在透过物样之前使用物镜将被电子束散射的电子重新聚焦到接收器上。
接收器记录这些散射和吸收的电子，形成一个电子图像。
通过分析电子图像，可以得出物样的结构和组成。
透射电镜可以实现非常高的分辨率，可以观察到纳米尺度的细节。
与光学显微镜不同，透射电镜使用的是电子束，因此可以获得远高于光的分辨率。
由于电子具有波粒二象性，其波长比可见光短得多，因此透射电镜可以观察到更小的细节。
此外，透射电镜可以使用许多高级技术，例如能量散射谱（EDS）和选区电子衍射（SAED），以进一步分析物样的结构和化学成分。
总之，透射电镜利用电子束与物样相互作用的原理来观察和分
析物样的结构和组成。
它的高分辨率和多种分析技术使其成为研究微观世界的重要工具。
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阳极（加速极） 电子束
聚光镜
试样
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透射电镜的基本原理
阴极又称为灯丝 (包括钨丝、六铍化镧等)，通常 用钨丝制成，通电加热后灯丝内的自由电子热运 动增加并逸出表面，在加速电压作用下，阳极相 对阴极形成正电场，逸出阴极的电子在正电场力 作用下高速飞向阳极，中心部分的电子因惯性而 穿过阳极孔成为照明电子束。
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透射电镜的使用
5 ．选择样品上颗粒密集的地方，在高倍数 下改变物镜激励电流，若图像出现方向性 的结构，说明物镜有残存象散。 上述五步的检查，基本上可以判断电镜合 轴是否合格。
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透射电镜的基本原理
入射电子 散射 样品 电子
透镜极靴
活动光栅
成像电子
物镜光栅在成像中的作用
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透射电镜的基本原理
生物组织样品主要由原子序数很低的碳、氢、 氧、氮等元素组成，在电镜中不能直接 形成反差，因而不能成像。 为了获得生物样品的反差，必须对样品进行电 子染色，即在样品制备过程中使组织块或超薄 切片与重金属盐类(如锇、铀、铅)相作用，使 组织中的某些结构结合(化合、吸附)重金属元 素，从而增加这些结构对电子的散射能力以获 得反差，使样品显示出清晰的结构来。
心。
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O
O’
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带铁壳的带极靴的透镜
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B（z） 有极靴
没有极靴 无铁壳
磁感应强度分布图
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z
透射电镜的基本原理
电磁透镜的焦距决定于磁场强度，磁场强度决定
于通过线圈的电流强度。因此，可以调节激励电
流来改变磁场强度，从而达到改变放大倍数和进 行图像调焦的目的。由于电磁透镜像差小，调节 容易，因此为现代电镜所普遍采用。但有些电子 透镜不必改变焦距，可采用磁钢制造形成永久磁
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一、电子显微镜的发展简史
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电子显微镜的发展简史
20世纪30年代，卢斯卡（E.ruska）发明了世
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透射电镜的基本原理
目前商品电镜的分辨本领可达到2 Å ，其有效放 大倍数为 （倍）
即100万倍。 这个倍数可以从电镜上直接得到，也可在摄制20 万倍的底片后再以光学放大5倍来获得。因此，标 示电镜性能的主要指标是分辨本领而不是放大倍 数。
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电子显微镜种类
电子显微镜种类：
由于电子与物质相互作用会产生透射电子、弹性 散射电子、能量损失电子、二次电子、背反射电 子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和 电动力等等。电镜就是利用这些信息来对试样进 行形貌观察、成分分析和结构测定的。 主要分为透射式电子显微镜(简称透射电镜， transmission electron microscope，TEM)和扫描 电子显微镜(简称扫描电镜，scanning electron microscope,SEM)两大类。
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透射电镜的基本原理
一束电子的螺旋形轨迹是相似的。为便于理解， 可设想将其外周包络起来而不考虑其有否旋转，
则包络线的形状基本上和光学玻璃会聚透镜的光
路相似。
现代的电磁透镜是在线圈外面套上铁壳作磁路， 并在铁壳中心置有极靴(pole piece)，使线圈通电 后产生的磁场高度集中而又均匀地分布在极靴中
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透射电镜的基本原理
第三章
生物医学超微结构分析
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透射电镜的基本原理
光学显微镜的分辨本领由阿贝公式决定
式中d为分辨本领，λ为照明波波长，n为物体与物 镜之间介质的折射率，α为物体上的点与物镜所成 夹角的一半。 普通光学显微镜用油浸镜头时n≈1．5，α<90 。即sinα<1，用可见光作照明源时，其平均波长 约为5 000 Å，那么，它的分辨本领约为2 000 Å 。这说明光学显微镜只能分辨大于2 000 Å的结构 。
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电子显微镜的发展简史
80年代--电子显微镜已发展成为一种综合分
析仪器。例如，安装配有计算机系统的能量 分析谱仪，对样品进行元素的成分分析。
样品室内亦可装配加热、冷却、大角度倾斜、
拉伸样品台等附件。
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电子显微镜的发展简史
扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)是显微镜世家中的一位后起 之秀。自第一台定型的透射式电子显微镜产生 后，法国卡诺尔就提出了扫描电子显微镜的设 计思想和工作原理。 到1942 年剑桥大学首次制成世界上第一台扫描 电子显微镜。由于扫描电子显微镜使用范围广， 并具备分辨率高、图像立体感强、放大倍率选 择范围广、样品适应性大、制样方便等优点。 所以后期发展速度比透射式电子显微镜快的多。 70年代已发展成为性能完善，自动化程度高， 功能齐全的一种电子光学仪器。
运行中的电子束只有在通过电场或磁场时
才能改变其运动轨迹。轴对称的电场或磁 场可以使电子束聚焦，故称为电子透镜， 前者叫静电透镜，后者叫磁透镜。
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透射电镜的基本原理
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线圈磁场对电子射线的作用
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磁透镜使电子会聚的原理
A
C
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电子在磁透镜中的运动轨迹
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电子显微镜种类
扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两 者的性能。
为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如： 超高压(1MV)和中等电压(200~500kV)透射电镜、低电压 (~1kV)扫描电镜；
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透射电镜的基本原理
要提高分辨本领，必须采用波长短的照明
源。电子显微镜的照明源波长约为0.05 Å ， 目前最好的电镜分辨本领已达1．4 Å ，比 光学显微镜提高了 1 000多倍。 ---放大倍数是指物体经过仪器放大后的像 与物的大小之比。 不能增加图像细节的放大倍数称为空放大， 而与分辨本领相应的最高放大倍数称为有 效放大倍数，为眼的分辨本领与仪器的分 辨本领之比。
第一章 透射电子显微镜 的原理与操作
主讲: 吴金浪
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透射电镜的使用
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透射电镜的使用
灯丝电流逐步增大时光斑图像变化
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消像散时光斑图像变化
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透射电镜的使用
3．调物镜激励电流从最大到最小 (允许使用 者观察电镜时调焦用的最大 钮)，反复调整， 观察光斑中心是否偏离荧光屏中心。如有 偏离说明照明系统与成像系统合轴不佳。 4 ．放入样品聚好焦，找一标记移置荧光屏 中心，然后向欠焦的方向 ( 减小物镜激励电 流的方向)调中聚焦钮 6～8档，观察标记是 否偏离荧光屏中心，如有偏离说明电流中 心合轴不好。
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光源 聚光镜
电子枪 聚光镜
试样 物镜
试样 物镜
中间像 目镜
中间像 投影镜
毛玻璃 2018/1/5 照相底板
电镜室
观察屏 照相底板
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透射电镜的基本原理
透射电镜的基本原理如下： (一)分辨本领与放大倍数 ---分辨本领是指能够分辨物体上两点之 间的最小距离。 光学显微镜的分辨极限为O.2μm，而电 镜的分辨本领可优于2 Å ，相差达l 000 倍，因为影响光镜提高分辨本领的主要 因素是由于光线的衍射作用。
场，即为永磁透镜。
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透射电镜的基本原理
电子透镜的缺陷
球差---球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电 子的会聚能力不同而造成的。结果在象平面成了一个满散 圆斑。 象散---磁场不对称时，就出现象差。有的方向电子束的 折射比别的方向强，这样，圆形物点的象就变成了椭圆形 的漫散圆斑。 色差---电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜 的焦距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将 沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面。