2.3 结构细节、分辨率和衬度
结构细节是指试样物质的微细结构单元。能否观察到试样物质的结构细节主要决定于仪器的分辨率和显示这种分辨率必须具有的足够的图像放大倍数和图像衬度。原则上讲，欲增大放大率，在仪器设计和制作上通常都不存在问题，仪器可以轻易地实现对物质的高放大倍数。然而，高放大倍数并不意味着能观察到更微小的结构细节。例如，对高聚物材料试样，高于1万～2万倍的放大倍数对于要求观察到很小的细节并无实际意义。仪器标称的分辨率通常是指在理想条件下对某种或某些特定试样材料能够达到的分辨率。能否分辨某种指定的细节，除去有关于选取合适的仪器工作技术参数外，在很大程度上还取决于试样本身，例如试样的物理化学性质，细节的形状和位置以及衬度条件等。这里所述衬度条件是指试样本身产生的图像衬度机制。例如，未经增强衬度预处理的大多数高聚物试样，在透射电镜下一般都难以观察到它的结构细节。
2.3.1 放大倍数
设M0为电镜物镜的放大倍数，M1和M2分别是第一和第二中间镜的放大倍数，Mp为投影镜的放大倍数，则一台四级放大透射电镜的总放大倍数M为
M=M0M1M2Mp
（2-3）
对扫描电镜，其放大倍数为图像尺寸与电子探针在试样表面扫描尺寸之比。
2.3.2 分辨率
分辨率又称分辨本领，它是指与仪器获得的图像中能分辨开的相距最近两个点相应的两个物点之间的距离。对于“何谓可以分辨开的两个点”有一个公认的标准，这个标准就是瑞利准则。
当一物点发出的光波通过一透镜系统成像后，由于衍射效应和透镜像差的存在，在像平面上成像为一个圆斑，而不是一个点。圆斑的光强度分布如图2.10所示，有一个中央极大，相邻的是第一暗环，随后是强度低得多的第一和第二等明环。两个相邻的物点成像后是两个相邻的圆斑。如若这两个圆斑相距较远，如图2.11（a）所示，这两个物点所成的像是可分辨的。如若这两个圆斑相距太近，几乎相互重叠，如图2.11（c）所示，则为不可分辨。瑞利准则指出，当一个圆斑的强度中心正好落在相邻的另一圆斑的第一暗区时，仍可视为可分辨的，而且是可以分辨的极限，亦即更靠近的两个圆斑就认为是不可分辨的[图2.11（b）]。这时，两个圆斑强度分布叠加区的中央强度比起圆斑中央峰的强度低约19%。与此相应的两个物点之间的距离称为透镜系统的分辨率。
图2.10 圆斑的光强度分布
图2.11 分辨率的瑞利准则
据此，同时考虑到运动粒子（电子）波粒二象性的德布罗意理论，分辨率可用下式表达
（2-4）
式中,A为常数，其大小与计算过程中的理论假设有关。式（2-4）表明，提高分辨率的途径有两个：一是提高加速电压以减小波长λ；二是电镜设计时尽可能减小物镜的球差系数Cs。
扫描电镜与透射电镜有完全不同的成像机制，仪器能够获得的最高分辨率主要决定于电子探针的品质和电子束与试样物质相互作用的体积范围。
2.3.3 图像衬度
衬度俗称反差，它是指图像中不同区域（或不同点，或不同结构元）之间明暗的差别程度。获得高分辨率图像的一个必要条件是图像具有足够的衬度。衬度不足将无从谈论结构细节的分辨，即使仪器具有很高的分辨率。
对一给定的仪器，图像衬度取决于两个因素：所选用的成像衬度机制和试样物质结构本身对图像衬度的贡献。仪器信号检测器（包括透射电镜中的照相底片）接收到的信号强度IR可用下列方程式表示
IR=Is∑（RsoERor）+N
（2-5）
式中,Is为入射强度；Rso为与入射电子束和试样之间几何关系相关的因子；E为与物点的发射或散射性质相关的因子；Ror为与试样和信号接收器之间几何关系相关的因子；N为成像不需要的噪声。式（2-5）常称为衬度方程。显而易见，Rso和Ror取决于试样的形貌，因为电子源方位通常是固定的。E则取决于试样本身的结构和成分。
衬度方程还表明对像中某点强度的贡献不只决定于与之对应的物点本身的性质，还取决于检测器的位置和入射电子束的方位。如若忽略噪声的贡献，试样中a点与b点两点之间的相对衬度Co可用下式表示：
（2-6）
从式（2-6）可见，两点之间的相对衬度对不同成像机制有着不同的决定性因素。例如，对透射图像，主要是E的贡献，亦即相对衬度取决于两点的组成元素的原子系数和结构的差异；二次电子图像主要是Rso和Ror的贡献，亦即两点间的相对衬度主要决定于两点相对于入射电子束和检测器相对位置的差异；背散射电子像与Ror、Rso和E都有关系，因而两点间的衬度既决定于它们组成成分的差异，也和与形貌相关的因素有关；特征X射线和荧光光谱是E的贡献，两点之间的衬度取决于它们组成元素原子序数间的差异。
某种材料微观结构的电子显微术表征能否获得成功，实际上等同于能否获得足够的图像衬度。因此，在某种程度上可以说，聚合物材料电子显微术就是如何获得聚合物电子图像足够衬度的技术。
电子显微术中有两种方式获得衬度：一种是入射电子进入试样内部或“穿过”试样，相应的图像为吸收电子像和透射电子像；另一种方式则仅与试样表面层相关，入射电子仅作用于试样表面层，检测器接收从试样表面发出的信息，获得二次电子图像或背散射电子图像或特征X射线或荧光光谱等。
2.3.4 结构细节的散失
由于分辨率和衬度降低以及噪声增大引起的细节散失如图2.12所示。图2.12（a）为试样结构示意图。理想的成像信号强度分布显示在图2.12（b）。如若由于某些原因分辨率有所损失，强度分布曲线边缘的尖锐度将降低[图2.12（c）]。若分辨率恶化，条纹结构将会变得模糊[图2.12（d）]，以至完全无法分辨[图2.12（e）]。从图2.12（c）～（e）分辨细节能力的散失可能来源于仪器性能的恶化，或者对试样扫描尺寸的减小和放大倍数的增大。
图2.12 结构细节的散失
衬度的减弱同样会导致不能分辨细节，如图2.12（f）～（h）所示。仪器噪声的增大产生相类似的结果。噪声或者来源于检测器的杂散电子或者来自电流的影响，也可能兼而有之。它们对结构细节散失的影响如图2.12（i）～（k）所示。这是均匀噪声的影响。如若噪声是不均匀的，所引起的图像模糊如图2.12（l）所示。同样，不需要的杂散像（Stray Image）也可能导致图像的模糊[图2.12（m）]。
上述讨论假定了观察物仅仅是与观察方向相垂直的一个平面。如若试样具有三维结构，如图2.12（n）上方图所示，仅有一个平面被聚焦，其他平面的细节就可能是模糊的，如图2.12（n）下方图所示。模糊的程度则与焦深的大小有关。