因電子束穿透樣品後，再用電子透鏡成金相顯微鏡像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿，可以直接獲得一個樣本的投影。通過改變物鏡的透鏡系統人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。在這種電子顯微鏡中，圖像細節的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。

由於電子需要穿過樣本，因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數納米到數微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，這樣就有較多的電子通過物鏡光欄，參與成像，在圖像中顯得較亮。反之，樣品中較厚或較密的部分，在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密，則像的對比度就會惡化，甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。

透射電鏡的分辨率為0。1∼0。2nm，放大倍數為幾萬∼幾十萬倍。由於電子易散射或被物體吸收，顯微鏡故穿透力低，必須制備更薄的超薄切片（通常為50∼100nm）。

透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品後由物鏡成像於中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像於熒光屏或照相干版上。中間鏡主要通過對勵磁電流的調節，放大倍數可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍；改變中間鏡的焦距，即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。

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