电子显微镜原理
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。
20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。
现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成像的可能性。
1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。
到了二十世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。
在中国，1958年研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。
电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。
分辨能力是电子显微镜的重要指标，它与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。
可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。
当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。
由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。
电子显微镜由镜筒、真空系统和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体；真空系统由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接；电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。
电子显微镜的工作原理
电子显微镜的工作原理电子显微镜是一种利用电子束来观察微观结构的仪器，其工作原理主要包括电子发射、电子透镜系统、样品与电子相互作用和信号检测等几个方面。
首先，电子显微镜的工作原理之一是电子发射。
电子显微镜中的电子是通过热发射或场发射的方式产生的。
在热发射中，通过加热钨丝或其他材料，使其表面的电子获得足够的能量，从而跃迁到空穴态，形成电子云，最终逸出金属表面。
而在场发射中，则是通过外加电场使金属表面的电子获得足够的能量，克服表面势垒而逸出金属表面。
其次，电子显微镜的工作原理还涉及到电子透镜系统。
电子透镜系统包括电子透镜和投影镜。
电子透镜通过调节电压和电流，控制电子束的聚焦和偏转，从而实现对样品的扫描和成像。
而投影镜则用于放大和观察样品的显微图像。
另外，电子显微镜的工作原理还包括样品与电子相互作用。
样品与电子相互作用是电子显微镜成像的基础。
当电子束照射到样品表面时，会发生多种相互作用，如散射、透射、吸收等。
不同的相互作用会产生不同的信号，从而形成样品的显微图像。
最后，电子显微镜的工作原理还涉及到信号检测。
在电子显微镜中，常用的信号检测方法包括透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
透射电子显微镜通过测量透射电子的强度和角度，来获取样品的内部结构信息。
而扫描电子显微镜则通过测量样品表面反射、散射和二次电子等信号，来获取样品的表面形貌和成分信息。
总的来说，电子显微镜的工作原理涉及电子发射、电子透镜系统、样品与电子相互作用和信号检测等几个方面。
通过这些原理的相互作用，电子显微镜能够实现对微观结构的高分辨率成像，为科学研究和工程应用提供了重要的技术手段。
tem工作原理
tem工作原理
TEM（透射电子显微镜）工作原理是利用电子束穿透物质样
本并通过透射方式形成样本的显微图像。
TEM是一种高分辨
率的显微镜，可用于观察和研究非常细小的物质结构。
TEM的基本构造包括电子源、透镜系统和探测器。
首先，电
子源产生高能电子束。
然后，电子束通过一系列透镜系统，包括电子透镜和物镜透镜，来聚焦电子束并使其通过样本。
透过样本后，电子束进入投射透镜，再通过聚焦透镜，最后进入探测器。
在通过样本的过程中，一部分电子束会被样本中的原子核、电子等相互作用而散射出去，另一部分电子束则会透过样本并与探测器相互作用。
探测器收集到的透射电子信号会转化为电信号，并通过电子学系统进行放大和处理。
最终，这些电信号被转化为图像，并通过显示器或拍摄设备进行观察和记录。
TEM的工作原理基于电子的波粒二象性，在透明薄样品的情
况下，电子束的穿透性可以用来解析样本内部的微观结构。
TEM在分辨率方面具有很高的优势，可以观察到纳米级别的
细小结构和特征。
同时，TEM还可以通过调整电子束的能量，实现不同样本性质的观测，如原子分辨率、晶体结构、元素分析等。
总而言之，TEM的工作原理是通过电子束穿透样本，利用透
射方式形成样本的显微图像。
这种技术在材料科学、生物科学和纳米科技等领域具有重要的应用价值。
材料研究方法13 电子显微镜的成像原理及二次电子像
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作业
1 试论述电子显微镜的成像原理。 2 试论述二次电子像的产生、采集及意义。
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高岭石的手风琴状形貌
39
多水高岭石(埃洛石)的管状形貌
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(a) 原图
(b) 锐化
(c)
提取 边界
(d)
计算 粒度 分布
利用二次电子像计算粒度分布举例
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(5) 二次电子像的优点
（1） 分辨率高，最高可达10Å； （2） 放大倍数灵活，几十到100万倍可调； （3） 景深大，所以立体感强； （4） 反差对比度好，图象细节清楚； （5） 可以与成分分布状态结合观察，综合分析。
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A special type of detector acts like a TV camera and the image of the sample is displayed on a TV screen. By changing how the electrons are bent and how the beam of electrons strikes the sample, you can change the magnification and focus of the TV image.
一般地，控制电子束在样品表面的 一个微小区域内，做逐点、逐行扫描 移动。
当电子束在其中每一点时，都采集一次信号信息，最后把逐点、逐行移 动时采集的全部信息，按信号强弱显示在一张图形上，得到完整的对应于 样品表面微小区域的图形，称之为扫描电镜的图像。
3
样品中的该区域，大小为24μm ×18μm，电子束的束斑直径 10nm，控制电子束在该区域内逐点移动(1280×960)。
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扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。
其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。
电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。
2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。
聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。
3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。
样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。
4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。
其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。
5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。
常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。
6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。
7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。
扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。
它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。
电子显微镜的原理
电子显微镜的原理电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的高分辨率显微镜。
它的原理是利用电子的波粒二象性，将电子束聚焦到极小的尺寸，通过与物质相互作用产生的散射、透射等现象来获取样品的显微图像。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，可以观察到更小尺度的物质结构。
首先，电子显微镜的基本原理是利用电子的波动性。
电子具有波粒二象性，当电子穿过物质时，会产生散射现象，这种散射现象包括弹性散射和不弹性散射。
通过观察这些散射现象，可以获取有关样品内部结构的信息。
其次，电子显微镜利用电子的波动性来实现高分辨率成像。
电子波的波长远小于可见光波长，因此电子显微镜具有比光学显微镜更高的分辨率。
在电子显微镜中，通过使用透射电子束，可以观察到物质的原子尺度结构，这是光学显微镜无法做到的。
另外，电子显微镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用产生的信号。
当电子束穿过样品时，部分电子被样品原子散射，部分电子穿过样品并被收集到后面的探测器上。
通过测量这些透射电子的位置和能量，可以获得样品的显微图像。
此外，电子显微镜还可以通过控制电子束的聚焦和偏转来实现对样品的成像。
通过调节电子透镜的参数，可以使电子束聚焦到极小的尺寸，从而获得更高的分辨率。
同时，通过控制电子束的偏转，可以对样品进行扫描成像，获取样品的全景图像。
最后，电子显微镜的原理还包括对透射电子的探测和信号处理。
在电子显微镜中，透射电子被探测器捕获后，会产生电子图像信号。
这些信号经过放大、增强和数字化处理后，可以呈现在显示屏上，供用户观察和分析。
总的来说，电子显微镜的原理是利用电子的波动性和与物质相互作用产生的散射、透射现象来获取样品的显微图像。
通过对电子束的控制和信号处理，可以实现对样品的高分辨率成像。
电子显微镜在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有重要应用，为人们深入了解物质微观结构提供了强大的工具。
电子显微镜工作原理
电子显微镜工作原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种先进的显微镜技术，使用高能电子束来替代光束，能够提供比光学显微镜更高的分辨率和放大倍数。
在本文中，将详细介绍电子显微镜的工作原理。
一、电子束的发射和聚焦电子显微镜的工作起始于电子束的产生。
通常，电子源是通过热发射来获得的，即通过加热一个金属丝（如钨丝）来使其电子从表面发射。
这些发射的电子经过聚焦系统，包括电子透镜和磁铁，来形成一个聚焦的电子束。
聚焦系统的作用是将电子束聚集到极小的尺寸，并确保其直线传播，以提供高分辨率的成像能力。
二、样品的准备和扫描在电子显微镜中，样品通常需要进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被切割成非常薄的片，以确保电子束可以穿透样品。
然后，样品通常被涂覆上一层金属薄膜，以增加电子的反射和散射效果，从而提高成像质量。
一旦样品准备就绪，电子束将被聚焦在样品表面上。
电子束在扫描时，通过扫描线圈产生的磁场来控制其运动。
扫描电子显微镜通过逐点地扫描样品表面并收集电子的散射和反射信号来形成图像。
三、电子显微镜中的检测和成像在传统光学显微镜中，通过收集光的反射或透射信号来形成图像。
而在电子显微镜中，电子的散射和反射信号将被收集和检测。
主要有两种类型的电子检测器被广泛使用。
第一种是所谓的透射电子检测器（Transmission Electron Detector），它位于样品背面，用于检测由样品通过的电子。
该检测器可以提供高分辨率的透射电子图像。
第二种是所谓的散射电子检测器（Scanning Electron Detector），它位于样品上方，用于检测由样品表面散射的电子。
该检测器可以提供高解析度的表面图像。
根据所需的成像模式，透射电子显微镜和扫描电子显微镜可以产生不同类型的图像。
透射电子显微镜可以提供高分辨率的细节图像，适用于研究材料的内部结构。
而扫描电子显微镜则可以提供高放大倍数的表面图像，适用于观察材料的表面特征。
电子显微镜原理
电子显微镜原理电子显微镜（Electron Microscope）是一种用电子束来观察样品的显微镜。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，能够观察更小、更细微的结构。
一、基本原理电子显微镜的基本原理是利用电子的波粒二象性。
与可见光不同，电子具有波长较短的特点，因此电子显微镜可以观察到更小的细节。
电子显微镜主要由电子枪、电磁透镜系统、样品台和检测器组成。
首先，电子枪通过加热阴极产生高速电子。
然后，这些电子被加速电场加速，形成电子束，通过电磁透镜系统聚焦到样品上。
样品与电子束相互作用后，产生一系列的相干和不相干散射电子。
最后，这些散射电子被检测器收集，转化为图像。
二、扫描电子显微镜（SEM）原理扫描电子显微镜是电子显微镜的一种类型，它通过扫描电子束并检测反射电子来生成高分辨率的表面形貌图像。
在扫描电子显微镜中，电子束被聚焦到非常细小的尺寸，并沿预定的方式在样品表面扫描。
当电子束照射到样品表面时，样品会产生一系列的反射电子。
这些反射电子被检测器捕捉，经过信号处理后形成图像。
三、透射电子显微镜（TEM）原理透射电子显微镜是另一种常见的电子显微镜类型，它通过透射电子来观察样品的内部结构。
在透射电子显微镜中，电子束经过极细的样品切片后射向检测器。
透射过程中，电子束会被样品内部的原子和晶格结构散射，形成干涉和衍射效应。
通过收集和处理经过样品透射的电子，最终形成高分辨率的内部结构图像。
四、电子显微镜的应用电子显微镜在科学研究、医学诊断、材料分析等领域有广泛的应用。
在材料科学中，电子显微镜可以观察材料的晶体结构、表面形貌和化学成分，帮助科学家研究材料性质和改进材料性能。
在生物学中，电子显微镜可以观察细胞和病毒的内部结构，揭示生物体的微观细节，对疾病的诊断和治疗提供重要依据。
在纳米科技领域，电子显微镜可以帮助科学家观察纳米材料的形貌和性质，探索纳米尺度下的奇特现象和新领域。
总结起来，电子显微镜利用电子的波粒二象性，通过聚焦、扫描和检测等技术，实现对样品的高分辨率观测。
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●质量厚度(mass-thickness)
（样品厚度与密度的乘积）
大，散射角大，被光阑挡住， 小，散射角小
暗区 亮区
●
物镜光阑孔
小 反差大
五、电镜的像差(aberration)
● 球差(spheric aberration)
不能把所有入射光线聚向共同焦点
● 像散(astigmatism) ● 色差(chromatic aberration)
∴标志电镜性能的主要指标是分辨率而不是放大倍
三、电镜的照明系统 （电子束的产生）
顶部的电子枪（三极式）
●热阴极（灯丝）
热电子发射
●栅极（控制极）
控制阴极发射电子的数目
●阳极（加速极）
使电子加速
电 子 枪 的 结 构
四、透镜的成像原理
（一）、电子透镜 （二）、电子散射
（三）、透镜图像反差的形成
电子显微镜原理
电子显微镜：
(electron microscope )
以电子束作为“光源”，利用电 磁 透镜成像，并与一定的机械装置、电 子和高真空技术相结合，所构成的现
代化、综合性精密电子光学仪器。
透 射 式 电 子 显 微 镜
第一节 电镜的类型
※ 第二节 电镜的基本概念与工作原理
※ 第三节 透镜的构造 第四节 电镜与光镜的比较
电子与样品原子和电子之间相互作用而引 起的路径或能量发生变化或两者兼而发生
● 弹性散射(elastic scattering)
电子—核 轨道偏转大，能量转移小 ● 非弹性散射(inelastic scattering) 电子—电子 能量损失大，方向改变小
（三）、透镜图象反差的形成
反差(contrast)：像与背景亮度上的差别，是成像的 必备条件
●
●
电子加速高压电源：电流很小
透镜励磁电源：电流很大
第四节电镜与光镜的比较
光镜
TEM
电镜
SEM
照明 可见光 电子束 波长 750nm（可见光）—200nmn（紫外光） 0.859nm（20Kv）—0.37nm（100Kv） 透镜 玻璃透镜 电磁透镜 分辨率 200nm 0.2nm 1~10nm 放大倍率 1000倍 80~100万倍 20~40万倍 景深 浅 中等 深 聚焦 机械 电聚焦 成像原理 光线吸收为主 电子散射作用 二次电子信息 成像方式 直接成像 荧光屏成像 显象管间接成像 图象颜色 彩色 黑白 样品环境 空气 高真空 样品制作 简便 复杂 较复杂
加速电压：40KV以下
加速电压：50-100KV 样品厚度：1-100nm
TEM
分辨率 放大倍数 0.2-0.3nm 80万
SEM
3-6nm 20万
制样技术
图象特征 应用范围
超薄切片为主
二维平面结构 超微结构
样品表面观察
三维立体结构 生物样品表面、
断面立体形貌
第二节 电镜的基本概念 与工作原理
一、电镜的计量单位 LM: μm(micrometer) EM: nm(nanometer) 二、分辨率与放大倍率 三、电镜的照明系统（电子束的产生） 四、透镜的成像原理 五、电镜的像差(aberration)
二、电镜的应用
透镜：超薄切片——负染技术、电镜放射自显影技术、免疫电镜技术 扫描电镜：常规技术——生物样品内部结构冷冻割断技术 高分辨扫描电镜技术、管道铸造技术 目前 已超出形态学范围，而与物理、化学、生化、计算机等学科发生了 内在联系，成为生物学、基础医学、临床医学、农林科学等的研究手段 近10年: 电镜附件X-射线微区分析 电镜图象处理 用于医学：分析电镜，超高压电镜，环境扫描电镜，扫描探针显微镜
电 子 枪 的 结 构
（二）、成像系统(imaging system) ● 样品室 3mm铜网支载 ● 物镜(objective lens,OL) 最重要的部分，决定着电镜的分辨本领和成像质量 作用：将样品信息作初步放大（50倍）
物镜可动光阑：可限制电子束孔径角，以减少球面像差，
增加图象反差 消像散器：校正、消除像散 ● 中间镜(intermediate lens, IL) 焦距较长，弱透镜，将经物镜放大的电子像二次放大 ● 投影镜(projector lens, PL) 高倍镜，强透镜，使中间像放大后在荧光屏上成像
● 其它 ● 超高压电镜（UHTEM） ● 电子探针(electron Probe Micro Analyzer) ● 扫描透射电子显微镜（STEM） ● 环境扫描电子显微镜（ESEM）
透射电镜与扫描电镜
● 透射式电子显微镜
电子束透过样品直接成 像
● 扫描式电子显微镜
电子束照射在样品上产 生二次电子，收集二次 电子信息放大成像
∴电子作圆锥螺旋运动
以任意角度发射的两个电子通过磁透镜
电磁透镜会聚作用示意图
电子在非匀磁透镜中的运动轨迹1：100
焦距 ∝ 1/磁场强度2 ∝ 1/（IN）2 磁场强度 ∝ IN
磁场强度↑ 焦距↓ 放大倍数↑
调节电流可以改变磁场强度， 从而改变放大倍数和进行图象调焦
（二）、电子散射
(electron scattering)
（一）、照明系统
● 电子枪(electron gun)
阴极： v型钨丝 栅极：控制阴极发射电子的数目 阳极：使电子加速
● 聚光镜(condenser, CL)
聚焦电子束至样品上，控制照明亮度、电子束斑的大 小及孔径角 组成：聚光镜，聚光镜光阑，偏转线圈，消像散器 ●第一聚光镜 强磁透镜，将光斑缩小到1μm左右 ●第二聚光镜 弱磁透镜，长焦距， 把 缩 小 光 斑放大并聚集在样品上 ，得到2-3μm 的 照明光斑
光镜：样品中不同物质对光的吸收差别
电镜（透镜）：
电磁透镜使电子聚焦
聚光镜系统的电子透镜使电子束聚焦在样
品上，
经成像系统的电子透镜放大，聚焦成像。
决定像衬度的主要因素是样品对入射电子
的散射。
（一）、电子透镜
● 匀磁场对运动电子的作用 F=–e· νH F ——洛仑兹力 e ——电子电荷 ν——运动电子的初速度 H ——匀磁场中磁场强度 ν∥H时 F=0 匀速直线运动 ν┴H时 ν值不变，但方向变 匀速圆周运 动 ν与H成α夹角时 螺旋线运动 ● 电子透镜对运动电子的会聚作用 非均匀磁场使电子束会聚 ● 电子获切向速度作圆周运动 ● 平行轴向磁场的分量使电子向轴心偏转
波长取决于速度 低速电子易会聚 高速电子不易会聚 不完全对称引起 消像散器(stigmator)消除
● 畸变(distortion)
● 枕形畸变：周边大于中央 ● 桶形畸变：周边小于中央 ● 扭曲畸变：
第 三 节 透 镜 的 基 本 结 构
电 子 光 学 系 统 （ 镜 筒 ）
一、电子光学系统
第 五 节 电 镜 的 发 展 及 应 用
1924 法 德.布罗意 快速运动的电子具波动性 λ=h/mv 代入ev=mv2/2 得到λ2=1.2262/v 1926 德 布许 高速运动的电子在电场和磁场中发生折射且被聚焦 波动性和可折射性——电镜的理论基础
一、电镜的发展
1931 德 Knoll Ruska 第一台TEM 13倍 1934 Ruska 将分辨率提高到50nm 1937 Dulast 25nm 1939 Ruska 商品电镜 70年代以来 0.3nm 1942 M Mullan 第一台SEM 1965 商品SEM 50~100nm 目前3~6nm 1988 日 田中敬一 放大40万倍的爱滋病病毒的SEM图象
四级成像放大系统:
M总=M物×M中1×M中2×M投
M总=M物×M中×M投1×M投2
（三）、观察记录系统
荧光屏
双目放大镜
二 真空排气系统
使镜筒处于高真空10-4托(Torr)以上 二级真空泵 ● 机械泵：10-2托 ● 油扩散泵或离子聚集泵：10-5托
三 电路系统（电源供电系统）
● 灯丝加热电源：高频或直流
第五节 电镜的发展与应用
第一节 电镜的类型
● 透射式电子显微镜 （transmission electron microscope ,TEM） ●扫描式电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM) ●分析型电子显微镜 (analysis electron microscope,AEM)
二、分辨率与放大倍率
● 分辨率(resolution) 能清楚分开的两点间的最小距离 阿贝公式: d=0.612λ∕n*sinα d——分辨率 λ——入射光的波长 n——透镜与物体间介质的折射系数 α——物体与物镜间所成夹角的1/2 0.612——常数
d=λ/2
● 放大倍率 像/物 m显微镜=d人眼/d显微镜 mLM=1000× mEM=1000000× ● 有效放大倍数(useful magnification, Mu) d人眼/d显微镜 ● 空放大
形态学分析阶段—定性、定量分析
思 考 3、透镜的成像原理。 题 4、电镜的像差。 ：
Hale Waihona Puke 1、简单了解电镜的分类及特点。 2、为什麽说标志电镜性能的主要指标是 分辨率而不是放大倍数？
5、透镜的镜筒由哪几部分组成？各自的 主要作用。 6、电镜与光镜的比较。 7、概念比较：像差与反差；球差与色差
弹性散射与非弹性散射