В основе работы электронного микроскопа лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических или магнитных полей; соответствующие устройства, создающие эти поля, называют электронными линзами. В зависимости от вида электронных линз электронные микроскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные. Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа? Так же как и в случае оптического микроскопа, объекты, во-первых, могут быть "самосветящимися", т.е. служить источниками электронов. Это, например, накаленный или освещаемый фотоэлектронный кадот. Во-первых, могут быть использованы объекты, "прозрачные" для электронов, обладающих определенной скоростью. Иными словами, при работе на просвет объекты должны быть достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз. Кроме того, путем использования отраженных лучей могут быть изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и металлизированных образцов). Такой способ наблюдения аналогичен методам отражательной оптической микроскопии. По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растровые, теневые и зеркальные. Наиболее распространенными являются электромагнитные микроскопы просвечивающего типа, в которых изображение создается электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Такой микроскоп состоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изображения, состоящего из фотокамеры и флюоресцирующего экрана. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую колонну микроскопа, внутри которой поддерживается разряжение. Осветительная система обычно состоит из трехэлектродной пушки (катод, фокусирующий электрод, анод) и конденсорной линзы. Она формирует пучок быстых электронов нужного сечения и интенсивности и направляет его на исследуемый объект, находящийся в камере. Пучок электронов, прошедший сквозь объект, поступает в фокусирующую (проекционную) систему, состоящую из объективной линзы и одной или нескольких проекционных линз. Объективная линза предназначена для получения увеличенного электронного изображения. Часто это увеличенное изображение называют промежуточным. Для его наблюдения в плоскости изображений объективной линзы располагают специальный экран. Этот экран, покрытый люминесцерирующим веществом (люминофором), аналогичный экрану в кинескопах, превращает электронное изображение в видимое. Часть электронов из числа попадающих на экран необходимо направлять в проекционную линзу для формирования конечного электронного изображения; с этой целью в центре экрана сделано круглое отверстие. Поток электронов, прошедших сквозь отверстие, перед поступлением в проекционную линзу диафрагмируется. В более сложных микроскопах используются две электронные линзы. в этих случаях первую из линз называют промежуточной4 она формирует второе промежуточное изображение. Вторая же проекционная линза формирует конечное электронное изображение, которое фиксируется в блоке регистрации. Результат электронно-микроскопического исследования может быть получен либо в виде распределения плотностей почернения фотографической пластинки, либо в виде распределения яркостей свечения люминесцентного экрана. Образование изображения в просвечивающем электронном микроскопе связано главным образом с различной степенью рассеяния электронов различными участками исследуемого образца и в меньшей мере с различием в поглощении электронов этими участками. В зависимости от степени рассеяния электронов участками образца через так называемую апертурную диафрагму, помещенную перед объективной линзой, проходит большее или меньшее число электронов. Контрастность получаемого изображения определяется отношением числа прошедших через диафрагму электронов к общему числу электронов, рассеянных данным микроучастком образца. Какие же объекты можно наблюдать и исследовать с помощью электронного микроскопа? Пусть его разрешающая способность составляет порядка несколько ангстрем, т.е. порядка 10-10 м. Величина же 10-10 м сравнима с размерами отдельных атомов и молекул. Таким образом научившись видеть и обращаться с такими величинами, мы приобретаем возможность работать с отдельными атомами и молекулами вещества или по крайней мере с объектами, в которых не очень много атомов. Современные электронные микроскопы позволяют наблюдать и изучать большие органические молекулы. На уровне размеров, разрешаемых современной электронной микроскопией, разворачиваются события, играющие в конечном итоге исключительно важную роль в жизни человека, природе и технике. Важность проблемы улучшения разрешающей способности в электронной микроскопии, приближения её к теоретическому пределу, стимулировала проведение целого ряда исследований. Из многочисленных предложений и идей, зачастую остроумных и весьма перспективных, остановимся теперь более подробно на идеях, высказанных Д.Габором и получивших в последние годы широкое развитие в оптике, радиофизике, акустике, особенно в связи с созданием оптических квантовых генераторов (лазеров). Речь, конечно, идет о голографии, о которой известно сейчас уже не только специалистам, но и всем тем, кто интересуется новейшими достижениями физики. Как это часто бывает в истории науки и техники, современные успехи голографического метода связаны с другими важными техническими задачами, хотя, по-видимому, первоначальная идея будет реализована и в электронной микроскопии.
Сущность метода Габора сводится к следущему. Монохроматический поток электронов, т.е. поток, содержащий электроны с одинаковыми скоростями, освещает объект исследования. При этом происходит дифракция электронов на объекте. Обычно в электронном микроскопе пучок, претерпевший дифракцию на объекте, поступает в систему электронных линз, формирующих изображение и обеспечивающих нужное увеличение. Однако эти линзы являются источниками трудноустранимых искажений, препятствующих достижению теоритического разрешения. В новом методе предлагалось фиксировать результат дифракции этектронов фотографически в виде дифракционной картины и подвергать эту картину последующей обработке методов, где получение нужных увеличений может быть достигнуто с меньшими искажениями. В таком двухступенчатом процессе получения изображений основное увеличение достигается за счет перехода от электронных длин волн к оптическим.