一般の光学顕微鏡では可視光を試料に透過あるいは反射させ、ガラスレンズで拡大して観察していますが、数1000倍以上で観察すると像がボケてしまいます。(STEM)では電子銃で発生させた電子を試料に透過させ、電磁レンズを用い拡大観察します。これは波長の短い電子線を使うことにより高い分解能を得ることができ、数10万倍以上の倍率で観察しても像にボケを生じないからです。電子顕微鏡はガラスレンズの代わりに電磁レンズを使用していますが、光学系は図1-1に示すように光学顕微鏡とほぼ同じです。STEMはTEMに電子線の走査機構を付加したもので、細く絞った電子線を走査したり特定の場所に照射することが出来る光学系となっています。電子は大気中では数mの距離(鏡体の長さ)を空気分子に妨げられずに直進することが出来ない為、電子顕微鏡では筐体内を10-2Pa(10-4Torr)以下の真空にして用います。試料の汚れを防ぐ目的で10-6~10-9Pa(10-8~10-11Torr)の真空にする装置もあります。電子銃から放出された電子はコンデンサ-レンズを通して試料に照射され、試料を透過した電子は対物レンズによって拡大結像されます。投射レンズで拡大され、蛍光板上に結像されます。電子の透過力はきわめて小さいものですが、電子の加速電圧によって変化します。100kVの場合の1.6倍の厚さの試料まで観察できます。走査機構を利用し、細い電子ビ-ムを走査透過して観察すると、試料損傷を軽減させ、更に厚い試料が観察可能となります。いずれにしても数100nm程度の透過力しかありません。電子顕微鏡では試料の拡大像を得るばかりでなく、電子回折装置として結晶学的な内部構造を研究、解明することや、エネルギ-分散X線検出器(EDX)装着により、微小部の元素分析も可能となっています。これらの機構を利用するとX線回折法では粉末回折しか得られないような微結晶からでも単結晶としての解析ができます。マイクロディフラクション法を使うと20nm領域からの電子回折像が得られ、微小結晶体の解析に極めて有効です。厚い試料の透過像撮影が容易です。試料のダメ-ジが少なくなります。電子照射で動きやすい試料でも止まった像として観察できます。電子線照射を受けていない視野を最少の照射で撮影できます。(加速電圧120kV)した例です。カーボンファイバーの観察および電子線回折像(鏑木先生御提供)飲み物などに添加されている食物繊維を3,000°Cで炭素化したカーボンファイバーの電子顕微鏡像と電子線回折像を観測したものです。diffraction(制限視野回折)を示します。