摘要：1897年，在剑桥大学的实验室里，J.J. Thomson通过对阴极射线的研究，发现了这些射线实际上是由异常轻的粒子组成，这些粒子后来被命名为"电子"。这一发现的确认工作延续到1899年，当时科学家们证实了这些粒子确实异常轻，而非极高电荷。这一发现不仅革命了人

电子显微术的发展源于人类对物质微观结构认识的深化。

1897年，在剑桥大学的实验室里，J.J. Thomson通过对阴极射线的研究，发现了这些射线实际上是由异常轻的粒子组成，这些粒子后来被命名为"电子"。这一发现的确认工作延续到1899年，当时科学家们证实了这些粒子确实异常轻，而非极高电荷。这一发现不仅革命了人们对原子结构的认识，更为日后电子光学的发展奠定了基础。

图 | Joseph John Thomson

理论上的重大突破来自于1923年Louis de Broglie的天才洞察。这位法国物理学家在巴黎提出了一个革命性的概念：所有物质都具有波动性质，其波长与动量之间存在着简洁而优美的关系λ = h/mv。这个公式最初以多篇论文的形式发表在法国科学院报告上，最终在1925年形成了完整的量子理论著作。de Broglie的理论在当时显得相当超前，但正是这种理论上的前瞻性为后续的技术发展提供了坚实的基础。

图 | Louis Victor de Broglie

与此同时，德国Jena的Hans Busch正在进行着同样重要的理论工作。1926年到1927年间，Busch通过数学推导证明了旋转对称磁场对电子束具有聚焦作用，并且这种聚焦效应可以用类似于光学透镜的公式来描述。这一发现具有划时代的意义，因为它不仅建立了电子光学的基本原理，更为实际制造电镜提供了理论指导。Busch的工作实际上创立了电子光学这门新学科，为后续所有电子光学仪器的发展奠定了数学基础。

图 | Hans Walter Hugo Busch

实验验证的契机很快到来。1927年，在两个相互独立的实验室里，科学家们几乎同时证实了de Broglie理论的正确性。George Paget Thomson在剑桥大学通过薄金属铂箔的电子衍射实验，而Clinton J. Davisson和Lester H. Germer在纽约贝尔电话实验室通过镍晶体表面的电子散射实验，都观察到了清晰的电子衍射图样。这些实验结果不仅证实了电子的波动性质，更重要的是证明了电子波的行为遵循与光波相同的衍射定律，这为电子光学的建立提供了坚实的实验基础。

图 | George Paget Thomson

第一台电镜的诞生与早期发展

理论的突破很快就激发了实践的热情。1928年，在柏林工业大学Adolph Matthias的实验室里，一个雄心勃勃的项目开始启动。年轻的研究生Ernst Ruska在导师Max Knoll的指导下，开始了制造世界第一台电镜的艰难历程。这个项目的起点是对电子透镜可能性的探索，但很快就发展成为一个全新仪器的创造过程。初期的研究工作旨在建立两级电镜，第一个图像的放大倍数仅为16倍。

经过三年的不懈努力，1931年，Ruska和Knoll成功制造出了人类历史上第一台能够工作的电镜。这台仪器虽然只有两个磁透镜，但它的意义是革命性的。这台简陋的仪器证明了电子束确实可以被磁场聚焦并用于成像，从而将de Broglie的理论预言转化为现实。同年，Ernst Ruska验证了Busch透镜公式的正确性，为电子光学理论的完善提供了关键的实验证据。

图 | Max Knoll和Ernst Ruska

在取得初步成功后，Ruska并没有满足于现状。1933年，他开始构建更加完善的三透镜系统。这个新系统包括了聚光镜、物镜和投影镜，这种设计几乎奠定了现代透射电镜的基本结构。到1933年，这台改进后的仪器已经能够获得棉纤维和铝箔的清晰图像，放大倍数达到了惊人的12,000倍，分辨率首次超越了传统光学显微镜。这一成就标志着电子显微术从理论走向实用的重要转折点。

1931年的Rüdenberg专利事件；第一个电镜专利于1931年5月30日由Rüdenberg的雇主Siemens-Schuckert Werke （柏林）申请，该专利后来在美国被认为是Rüdenberg 的专利。然而，没有迹象表明Reinhold Rüdenberg 曾制造过电镜，人们普遍认为他是根据Max Steenbeck的报告申请的专利，他在申请专利的几周前访问了柏林工业大学。关于Knoll和Steenbeck之间有关这一点的信件往来，见《The Beginnings of Electron Microscopy》。

与此同时，德国的其他研究团队也在探索不同的技术路径。在柏林通用电气公司（AEG）的研究实验室里，Ernst Brüche和H. Johannson正在开发一种基于静电透镜的电镜。1932年，他们获得了第一批实验结果，证明了静电透镜同样可以用于电子成像。这种技术路径虽然最终没有成为主流，但它展现了早期电子显微术发展的多样性和创新性。

同期，在布鲁塞尔的Ladislaus Marton也在进行电镜的构建工作。1932-1934年间，Marton制造了多台仪器，第一台是只有单个透镜的"放大镜"，但第二台建于1933年的仪器已具备三个透镜，并成功获得了第一个生物标本的图像——一个用四氧化锇浸渍的厚度为15μm的茅膏菜叶片标本。

图 | Ladislaus Marton

理论体系的完善与技术应用多元化

随着实验技术的进展，理论研究也在快速发展。1932年，Walter Glaser开始了系统的电子光学理论研究，他的工作为这个新兴领域提供了更加严格的数学基础。Glaser不仅完善了电子透镜的理论描述，还为后续的像差理论发展做出了重要贡献。

图 | Walter Glaser和他的著作

1934年，Brüche和Otto Scherzer合作出版了第一部系统性的电子光学专著，这部著作首次将分散的研究成果整合成一个完整的理论体系。几乎同时，L.C. Martin在英国发表了第一本英语电子光学教科书《电子光学的近轴方程》，使得这门新兴学科的知识能够传播到更广泛的科学界。这些早期著作的出版标志着电子光学从一门实验科学发展成为具有完整理论体系的独立学科。

图 | Otto Scherzer

与此同时，世界各地都在开展电镜的研制工作。1934-1935年，E. Driest和H.O. Muller在Ruska的电镜上获得了未固定生物标本（家蝇的翅膀和腿）的图像，该电镜现已配备了内置照相机。不久之后，Friedrich Krause成功拍摄了硅藻、蝾螈上皮细胞和细菌的图像。

1935年，Paul Anderson和Kenneth Fitzsimmons在华盛顿州立大学Pullman校区建造了第一台北美电镜，这标志着电子显微术从欧洲向北美的技术转移。

理论限制的发现与技术突破

然而，理论发展也带来了令人沮丧的发现。1936年，Otto Scherzer通过严格的数学推导证明了一个重要但令人困扰的结论：电子透镜的球差和色差系数在原理上无法消除。他通过将这些系数的积分表达式写成平方项之和的形式，证明了它们本质上总是正值。这一发现虽然暂时限制了电镜分辨率的提升，但它为后续几十年的像差校正研究指明了方向。Scherzer的工作表明，要突破传统电子透镜的局限性，必须寻找全新的技术途径。

1936年，Hans Boersch发展了选区衍射（SAD）技术，通过选区光阑系统实现样品特定微小区域的电子衍射分析，使形貌观察与结构鉴定相结合。同期，日本电镜事业快速发展：1936年E. Sugata等人开始建造原始设备，1939年振兴学术委员会成立和M. von Ardenne《电子超显微术》专著传入提供了重要推动力。战争期间日立和岛津率先商业化生产，JEOL（1949年）和明石（1953年）相继加入，奠定了日本在电镜领域的重要地位，从技术追随者发展为全球市场的重要力量。

图 | M. von Ardenne和他的著作

在技术发展方面，1937年标志着电镜商业化的开始。位于英国曼彻斯特的Metropolitan-Vickers公司向伦敦帝国学院的Louis C. Martin提供了第一台商业电镜EM1。这台仪器能够提供同一标本的光学图像和电子图像，但其分辨率并不优于光学显微镜。尽管如此，这台仪器的成功运行证明了电子显微技术已经从实验室的原型发展成为可靠的科学工具。

1937年，David B. Langmuir提出电子束亮度存在物理极限（Langmuir定理），受热运动、空间电荷效应等因素制约，极限值为βmax = eV/πkT。这一理论解释了传统热阴极的根本限制，为后续场发射枪发展提供指导，建立了电子源性能评价的理论框架，使设计从经验尝试转向基于物理原理的系统优化，至今仍指导现代电子源技术发展。

1937-1939年间，E. Ruska和B. von Borries与西门子和蔡司公司取得联系。西门子-哈尔斯克在柏林设立了超显微实验室，1938年两台原型电镜投入运行，分辨率约为7纳米。这些设备主要用于Ruska的兄弟Helmut和H.O. Müller的生物学研究，他们在1939年底前已发表了约20篇论文。

技术创新的黄金时代

1938年，Manfred von Ardenne在德国Dresden实现了另一个重要突破。他成功构建了世界第一台扫描电镜（SEM）和第一台扫描透射电镜（STEM）。这些仪器采用了与传统透射电镜完全不同的成像原理，通过逐点扫描的方式构建图像。虽然von Ardenne的早期扫描电镜在性能上还无法与透射电镜相比，但它开创了电子显微术的全新分支，为后续几十年的技术发展奠定了基础。

图 | Manfred von Ardenne开发的STEM

1938年，Walther Kossel和Gottfried Möllenstedt首次使用会聚束电子衍射（CBED），能在单一图样中获取多个布拉格反射和高角度信息，实现局域结构分析。这启发了Carolina MacGillavry发展CBED运动学理论，建立衍射强度与晶体结构的定量关系，为直接测定晶体结构奠定基础，标志着电子衍射从定性识别向定量结构分析的转变。

同年，James Hillier和A. Prebus建造的磁透镜透射电镜被认为是北美第一台，实现40,000倍放大倍数和6纳米分辨率，标志着北美电镜技术正式起步。

西门子公司在1939年开始批量生产透射电镜，在1939年到1945年间共制造了38台显微镜，这标志着电子显微术正式进入工业化生产阶段。von Borries和Ruska的一篇论文显示，在70千伏电压下实现了7纳米的分辨率。

同年，Hans Mahl和Hans Boersch（AEG，柏林）描述了静电电镜。Manne Siegbahn（X射线光谱学诺贝尔奖得主）建造了第一台斯堪的纳维亚（挪威、瑞典和丹麦，加上芬兰和冰岛）电镜，分辨率约为150纳米。大约在1944年，斯德哥尔摩的Georg Schönander AB公司生产了一个商业模型，声称分辨率为2纳米，共制造了10-15台。

1939年还见证了两本重要专著的出版：L.M. Myers的《电子光学，理论与实践》和von Ardenne的《电子显微术》专著，后者在1940年出版并产生了重要影响，推动了技术成熟度和理论体系的全面提升。

图| Manfred von Ardenne出版专著和手稿

国际化发展与新技术涌现

进入1940年代，电子显微术的发展呈现出加速和国际化的趋势。1940年，Hans Mahl将复型技术引入电子显微术，这种方法使得研究者能够观察那些对电子束敏感的样品，大大扩展了电子显微术的应用范围。同年，James Hillier加入美国RCA公司，开始了商业化透射电镜的系统开发工作。根据租借法案，有六台设备被送往英国。RCA在几年内主导了电镜市场，但战后，许多欧洲和日本公司也开发了此类仪器，1969年RCA停止了电镜的生产。AEG完成了其EM5电镜的生产模型，该电镜配备静电透镜。

1941年，Walter Glaser引入了钟形模型来描述磁透镜中的磁场分布，这个模型为透镜设计提供了更加实用的工具。该模型为此类透镜的所有近轴光学性质和像差系数提供了闭式表达式，这在计算机出现之前的时代是非常有价值的特征。

同期，Jan Le Poole在代尔夫特理工大学建造了电镜（1941-1944），这些是飞利浦系列电镜的前身。

图 | （左图）J. B. Le Poole博士和（右图）代尔夫特电镜，1941年4月

Richard Ruthemann在1941-1942年间的研究为电子能量损失谱学（EELS）奠定了理论基础。他系统分析了电子与物质的非弹性散射机制，包括等离激元激发、内壳层电离和价电子跃迁，建立了能量损失与材料性质的关联模型。这项工作将电镜从形貌观察工具提升为定量分析仪器，为EELS技术发展提供了理论支撑。

法国采取多技术路线策略：Gaston Dupouy（图卢兹）开发磁透镜系统，Pierre Grivet（CSF巴黎）主导静电透镜技术。商业化进程包括1946年MIII CSF仪器上市，1949年性能大幅提升的MIX型号发布，1955年OPL公司生产磁透镜商业型号，标志着技术路线从静电向磁透镜的转向。

1942年，在MIT获得了胶原蛋白的TEM图像。同年，Heinz Müller首次展示了金属蒸发阴影技术，该技术在1944年由Robley Williams和Ralph Wyckoff独立引入。

1943年，James Hillier与R.F. Baker发现高能电子束穿过样品时的非弹性散射能量损失对应原子特征能级跃迁，成功获得第一个内壳层损失谱，具有元素特异性。这开创了电子能量损失谱学（EELS）新领域，实现元素定量分析和价电子结构研究，使电子显微学从形貌观察扩展到纳米尺度成分和电子结构分析，奠定了现代材料表征技术基础。

1944年，Giovanni Induni在Trüb-Täuber开发了瑞士显微镜，KM型号于1947年上市。

战后理论发展与技术成熟

作为电子学领域的权威专家，Zworykin在1945年出版的《电子光学与电镜》教科书，恰逢战后科技快速发展期，为电子显微术从专家技术向标准化工具的转变发挥了关键作用。该书建立了完整的电子光学理论框架和实践指导体系，通过与传统光学类比降低学习门槛，统一了领域术语和操作规范，使技术快速普及。作为权威英文教材，它推动了电子显微术全球化发展，不仅满足了大量科研人员的学习需求，更为后续技术创新提供了理论基础，成为电子显微学科发展的重要里程碑。

图 | Vladimir Kosma Zworykin

1946年，Pierre-Michel Duffieux提出傅里叶光学理论，将傅里叶分析引入光学领域，建立了频域分析框架。该理论将光学系统视为空间滤波器，通过传递函数和点扩散函数重新定义图像形成为物体频谱与系统传递函数的卷积过程，解释了分辨率极限本质并为像差校正提供量化依据。

这一理论为现代数字图像处理奠定基础，使滤波、增强、复原等算法获得清晰物理解释，深刻影响了电镜像差校正和图像解释技术发展，并成为计算光学、超分辨率显微镜等前沿技术的理论源泉，至今仍推动成像科学创新发展。

1947-1949年间，François Bertein、James Hillier和Otto Rang几乎同时发现了消像散器原理，解决了电镜分辨率提升的关键瓶颈。像散问题源于电子透镜磁场非理想对称性，使点光源无法聚焦成完美点像。他们的核心发现是通过引入可控四极场产生与原有像散相反的补偿性像散，Bertein提供理论基础，Hillier开发实用工程方案，Rang完善测量校正方法。这一突破不仅显著提高了电镜实际分辨率，更建立了电子光学像差主动校正的概念和方法学，为现代像差校正电镜技术奠定基础，影响延续至今。

1947年是电镜技术的关键转折年，三项突破共同推动技术成熟化。J.B. Le Poole发明的"摆动器"聚焦装置装备飞利浦EM 100，通过焦点周期性变化实现动态观察聚焦效果，显著降低操作难度；Otto Scherzer系统性地列出了所有球差校正方法，建立完整像差校正理论框架，证明分辨率限制可突破，为现代像差校正技术奠定基础；联合电气工业（AEI）首台批量生产的英国电镜EM2问世，注重实用性和可靠性获得31年商业成功，打破了德美荷垄断格局。这三项发展标志着电镜从实验室工具向标准化科研仪器转变，为1950年代技术快速发展奠定基础。

现代理论建立与技术突破

1948年，Denis Gabor在英国帝国理工学院提出了全息术的概念。Gabor的动机是寻找一种方法来规避电子透镜球差对分辨率的限制。他设想通过记录电子波的相位信息，然后用光学方法重建图像，从而绕过电子透镜的固有缺陷。虽然当时的技术条件还无法实现Gabor的设想，但全息术的发明最终为他赢得了1971年的诺贝尔物理学奖，并且在后来的电子显微术发展中发挥了重要作用。

同年，Charles Oatley在剑桥大学工程系启动了一项研究计划，最终在1965年促成了第一台商业扫描电镜的出现。第一台此类电镜由Dennis McMullan建造，1951年获得了第一批图像。这项工作由Kenneth C.A. Smith、Oliver Wells（获得了第一个立体3D图像）和许多其他人继续进行。

图| Charles Oatley和第一台SEM

1948-1954年间，日本出现了关于电子显微术和电子光学的早期书籍。1948-1953年间，Porter和Schmitt等科学家开发的超薄切片机实现了制备50-100纳米生物切片的技术突破，首次使电镜能够观察细胞的精细结构。此外，超薄切片机的出现阻止了向更高电压电镜发展的进程，同时将显微照片的质量提高到了前所未有的水平。

1949年标志着电子显微术发展史上的一个重要里程碑。这一年在荷兰代尔夫特举行了第一届国际电子显微术大会，来自世界各地的科学家们聚集一堂，分享最新的研究成果和技术进展。会议论文集不仅总结了电子显微术发展的历史，更重要的是预告了许多重大技术发展的方向。这次会议标志着电子显微术从分散的研究活动发展成为一个国际化的科学领域。

在这次会议上，Scherzer、Glaser和其他理论家开始用波光学的术语来研究成像过程和分辨率问题。这种方法论的转变具有深远的意义，因为它将电子显微术的理论基础从几何光学提升到了更加精确的波动光学层面。

同年，飞利浦推出了其第一台商业显微镜EM100，随后是一系列逐步改进的型号，在FEI管理下持续到今天（FEI如今被赛默飞收购）。Ehrenberg和Siday发表了一篇文章，在半经典基础上预测了所谓的Aharonov-Bohm效应，经过多年争议后，该效应的存在被Akira Tonomura等人毫无疑问地证明了。

图 | Philips公司生产的第一台商业化TEM电镜

1949-1951年间，Raymond Castaing开发了X射线微分析仪，初步描述可在代尔夫特（1949年）和巴黎（1950年）电子显微术会议论文集中找到，完整描述在1951年提供。

Raymond Castaing写于1951年的博士论文

商业化发展与技术多样化

1951年，西门子恢复了电镜生产。ÜM100于1951年出现，Elmiskop 1（分辨率1纳米）于1954年出现；Elmiskop 101于1968年推出，102于1972年推出，CT150于1976年推出，但1979年西门子停止了电镜生产。同年，Peter Andrew Sturrock发表了受Glaser开创性工作启发的像差理论正式方法。

1952年，Walter Glaser出版了一部电子光学论著，该论著在几十年中一直是标准著作。

1953年，钱临照在重庆一个仓库（原国民党广播事业部）发现的未开箱Metropolitan-Vickers EM2经组装后成为中国电镜技术的起点，为中国培养了第一批电镜专家并奠定了自主研发基础；捷克TESLA BS241商业电镜的出现标志着电镜从实验室原型向标准化商业产品转变，打破了英美技术垄断，为更多国家获得电镜技术提供了选择；Cecil Hall发表的《电子显微术导论》首次将分散的技术知识系统化，建立了理论框架和实践标准，成为全球通用教材。

图左 | 1996年6月，钱临照先生在新出版的《电子显微学新进展》一书衬页上题签赠送中国电子显微镜学会第二任理事长郭可信院士（https://mp.weixin.qq.com/s/Jzk-ue0eheiLLXqcPEtzYw）

图右 | 英国Metropolitan-Vickers EM2型电子显微镜

在20世纪50年代初，黄兰友在西德完成电子显微镜博士后回国，参与中国科学院电子研究所工作。1958年，他提议制造透射式电子显微镜，获得所长顾德欢支持。与长春光机所的王大珩合作，组建团队，仅用72天成功研制出我国第一台中型透射式电子显微镜——DX-100（Ⅰ）。这一成就标志着中国在此领域的重要进展。

随后，长春光机所决定设计大型透射式电子显微镜，黄兰友受命领导。尽管他不愿离开北京，最终同意每月前往长春。1958年11月，设计工作启动，黄兰友的资料帮助团队设计出分辨率约为25埃的DX-100（Ⅱ），其高压100kV、放大倍数10万倍。该成果为中国电子显微镜技术奠定了基础。

项目生产交给上海精密医疗机械厂，虽曾面临放弃风险，最终在上海市长支持下，组建上海电子光学技术研究所。1964年，DXA2-8型电子显微镜达成20埃分辨率，展现了中国科研的实力。

1964年，我国以DXA2-8型电子显微镜为主题发行的邮票

1954年，Heinz Düker和Gottfried Möllenstedt的电子双棱镜实验验证了电子的波粒二象性，为电子全息技术奠定基础。该技术通过带电细丝分离电子束产生干涉条纹，证明电子波相位信息可被有效利用，开启了现代高分辨率电镜发展的新路径。

同年发现了现在被称为Boersch效应的现象，揭示了高电流密度下电子间库仑相互作用导致的能量展宽现象，直接影响电镜的能量分辨率。该发现推动了场发射电子枪技术发展，实现了高亮度与低能量展宽的平衡。

1955年，G. Liebmann的"通用曲线"标准化了磁透镜设计，描述了不同激磁条件下的焦距和像差系数，使透镜设计从经验转向科学预测。Sturrock的eikonal方法将几何光学概念引入电子轨迹分析，为像差校正技术提供理论基础。

1956年，Tadahoshi Hibi引入了尖状的钨灯丝，钨尖灯丝的应用显著提高了电子束亮度和稳定性，为高分辨率成像提供了更优电子源。James Menterr首次直接观察到晶体位错，开创了实空间原子排列观察的先河，标志着材料科学研究方法的革命性突破。Peter Duncumb在微束分析仪中集成扫描线圈，结合了形貌观察与元素分析功能，标志着扫描电镜技术萌芽。Microscan的商业化证明了该技术实用价值，为扫描电镜广泛应用奠定基础。

1957年，John Cowley和Alexander Moodie提出了图像模拟的多层切片方法，当必要的计算能力可用时，Dennis Lynch和Michael O'Keefe将其付诸实践。同年，H. Yoshioka的非弹性散射研究深化了电子-物质相互作用理解，为提高图像对比度和分辨率提供理论指导。

1958年，加拿大魁北克省Pointe Claire的纸浆造纸研究所接收了一台扫描电镜，该电镜基于剑桥大学工程系K.C.A. Smith构建的模型。

1959-1963年间，Peter Hirsch、Archibald Howie、Michael Whelan和Hatsujiro Hashimoto发展了结晶样品电子衍射的运动学理论（单次散射模型）和动力学理论（多次散射模型），系统阐述了位错、层错等晶体缺陷如何产生特定的衍射对比度，建立了从微观结构到图像对比度的定量关系。

1965年出版的《Electron Microscopy of Thin Crystals》系统化了这些理论成果，成为金属物理TEM的经典教科书，标志着电镜从定性观察发展为定量分析工具，使研究人员能够精确确定位错参数和相变机制，为现代材料科学的微观结构-性能关系研究奠定了理论基础，并推动了电镜在工业应用中的普及。

图 | Peter Hirsch和他的电子显微学专著（业内人称yellow bible）

同年，还出版了俄语版电子光学完整论著，W. Tretner完成了对Scherzer 1936年结果的重要补充工作，开始使用气体比例计数器分析X射线微分析中的轻元素。

超高压时代与新技术探索

1960年，Gaston Dupouy用在图卢兹建造的1.2-MV显微镜获得了第一批图片。Dupouy对这台仪器抱有很大希望，认为它能使生物学家通过电子显微术研究活体材料。同年，将氩离子束蚀刻集成到SEM中，描述了广泛使用的SEM检测器——Everhart-Thornley检测器。

1962年，Raymond Castaing和Lucien Henry描述了一种结合磁棱镜和静电镜进行元素映射的能量过滤器。

1964年，首次提出利用超导性的磁透镜。André Laberrigue和Paul Levinson在兰斯的早期提议很快得到了芝加哥（Humberto Fernández-Morán）、日本（S. Ozasa等）、柏林（Hans Boersch）和慕尼黑西门子研究实验室的工作跟进。1966年在京都举行的国际电子显微术大会论文集专门有一节讨论超导透镜。慕尼黑Isolde Dietrich及其同事引入"屏蔽透镜"是一个重大发展。

商业化成熟与现代发展

1965年，剑桥仪器公司推出了第一台商业SEM——Stereoscan。Charles Oatley、William Nixon和Fabian Pease为现代SEM撰写了第一份完整说明。

图 | 首款商用SEM，Stereoscan

1965-1966年间，在剑桥1965年会议和ICEM-6（京都，1966年）上，Albert Crewe开发的扫描透射电镜采用聚焦电子探针扫描样品，通过检测透射信号构建图像。关键技术突破是James Butler设计的场发射枪，利用强电场直接"拉出"电子，具有更高亮度、更小能量展宽和更好相干性。Butler首次大量运用计算机辅助设计优化电极几何，STEM实现了单原子分辨率和多信号同时检测，为分析电镜奠定基础。

同年，Karl-Joseph Hanszen引入的对比传递函数描述了不同空间频率成分如何在图像中被传递和修改，综合考虑了球差、色差、像散等像差因素。CTF理论建立了样品真实结构与观察图像的定量关系，使研究人员能从含像差图像中恢复真实信息，为像差校正技术和相位重构方法提供理论基础。

剑桥750千伏和日本1兆伏高压显微镜的成功带来多重优势：电子波长减小提高分辨率，高穿透能力可观察更厚样品，降低辐射损伤效应。日本在此领域大量投入，建设多台1兆伏显微镜，为其电镜技术领先地位奠定基础。

聚光镜-物镜系统将传统功能集成到单一透镜，样品置于磁场中心。主要优势包括：显著减少球差系数，提高收集效率，简化机械结构。虽然强磁场环境限制了某些样品使用，但该系统成为高分辨率电镜标准配置。

Thon实现的CTF可视化技术通过分析无定形样品功率谱直接观察对比传递函数振荡模式。Thon环技术使操作人员能精确测量球差系数、确定焦距值、评估像散，为电镜调节提供客观标准，推动高分辨率技术实际应用。

1966年SEM定量分析时代开启，标志着从形貌观察工具向精密测量仪器转变。早期发展建立了二次电子信号与材料性质的定量关系，包括原子序数对比、三维重构和元素分析。1972年720型SEM集成高速数字图像处理、自动测量功能和无人值守扫描，使SEM从研究工具发展为工业质量控制设备，广泛应用于材料检测、失效分析和工艺监控领域。

数字化时代的到来

1968年标志着电子显微术进入数字化时代的开始。这一年，科学家们首次尝试用计算机处理扫描显微镜图像，David de Rosier和Aaron Klug完成了第一次病毒的三维重建，开创了电子显微三维成像的新纪元。离轴全息术实验也在1968年开始进行，由图宾根的Gottfried Möllenstedt和Herbert Wahl以及东京日立先进研究实验室的Akira Tonomura进行。

同年，描述了第一台专为X射线光谱设计的分析型TEM。虽然领先于时代，但受到大体积、低效率晶体光谱仪的限制，EMMA并不是商业成功，但为下一代基于EDS的AEM铺平了道路。发表了可靠的散射因子表，Peter Thornton出版了第一本关于扫描电镜的书籍。

1969年，Walter Hoppe引入了叠层成像术的概念，在这种技术中，通过调制入射到样品上的波来获得电子波函数相位分布的信息。添加了柱后电子能量损失光谱仪。

1970年代到1980年代，电子显微术的发展呈现出专业化和多样化的特点。1970年，图卢兹3-MV显微镜获得的第一批图像在格勒诺布尔ICEM上展示。M.G.R. Thomson和E. Zeitler首次全面研究了STEM图像形成机制。

辐射损伤（即电子轰击对样品造成的损伤）成为主要关注点。通过形成STEM中弹性和非弹性图像的比值，Crewe等人展示了单个原子的图像，对比机制被称为"Z对比"，因为散射截面的比值大约与原子序数Z成正比。

1971年，日本科学家Hajime Ohiwa提出"移动物镜"概念，颠覆了传统电子显微镜"样品移动、透镜固定"的设计，改为通过机械或电磁控制使物镜移动而样品固定。这一创新大幅提高了高倍率观察的稳定性和成像质量，减少了振动漂移，实现了精确定位和大视野扫描，虽然因技术复杂性未广泛应用，但为后续扫描电镜、像差校正等技术发展奠定了重要理念基础。

1972年，实时、直视立体扫描电镜使得能够在扫描电镜中进行显微解剖和3D视频记录。Ralph Gerchberg和Owen Saxton描述了相位问题迭代解决的算法。STEM开始用于分子量测定。

1973年，英国Cambridge大学的Eric Munro首次全面阐述了有限元方法在电子光学场计算中的应用，突破了传统解析方法只能处理简单几何形状的局限性。有限元方法通过将连续求解域离散化为小单元，能够精确计算复杂几何形状的静电场和磁场分布，支持任意边界条件处理和参数化设计优化，大幅提高了电子光学系统的设计精度和效率。这一开创性工作标志着计算电子光学新领域的诞生，推动电子光学设计从经验试验转向科学计算，为现代电子显微镜设计和像差校正器等复杂系统的开发奠定了重要的数值计算基础。

设备技术发展与像差校正

1974年，Ludwig Reimer出版了第一本关于扫描电镜的系列书籍。Harald Rose和Erich Plies引入了Ω型过滤器，Gerard Zanchi、Jean-Philippe Pérez、Yolande Kihn和Jean Sevely进行了进一步研究，这导致为图卢兹1.2-MV电镜建造了这样的过滤器。N.H. Dekkers和H. de Lang表明，在STEM中使用非圆形对称检测器可产生相位信息。

Vacuum Generators制造了商业STEM——HB5，不久之后，西门子也销售了STEM——ST100。低压扫描电镜重新引起显著兴趣。

1976年，会聚束衍射（CBED）技术实现纳米尺度晶体结构精确分析，首本静电透镜专业书籍的出版使电子光学理论系统化，推动电镜从经验制造向科学设计转变。1977年，并行电子能量损失谱（PEELS）技术通过同时检测多个能量通道，大幅提升化学分析效率，实现形貌、结构、成分同步检测。这三项突破协同发展，将电镜转变为综合性材料表征工具，为后续原子尺度分辨率和多模态分析奠定基础。

1978-1979年是电镜技术发展的关键转折期，多项突破性技术同步涌现。1978年，通过在Ω型过滤器中引入额外对称性设计成功消除关键像差，为像差校正电镜奠定了技术基础。1979年，电镜发明者Ernst Ruska发表早期发展历史总结，标志着电镜从新兴技术向成熟学科的转变，同时建立了完整的知识传承体系。

同年，Dennis Gabor在1948年提出的全息术球差校正理论终于得到实践验证，通过数字重构消除球差影响，为突破传统分辨率极限开辟了软件校正的新途径。与此同时，扫描电镜在适度真空下的成像机理被成功解释，突破了传统高真空限制，形成了环境扫描电镜的技术原型，极大拓展了对生物和动态样品的观察能力。

此外，1979年还预示了STEM中Z对比技术的新形式，利用高角度散射电子实现原子序数敏感成像，为后来Steven Pennycook和Peter Nellist发展的高角度环形暗场（HAADF）技术奠定基础。这些技术突破协同发展，推动电镜向像差校正、环境适应性和原子尺度元素分析方向演进，为1980年代的重大技术跃升做好了全面准备。

21世纪的发展

1980-1996年期间，电镜技术实现了从基础理论向系统化应用的重大转型。1980年，飞利浦EM400系列引入的TWIN透镜通过双层磁透镜结构显著减少球差色差，将分辨率提升至2埃以下；会聚束电子衍射技术在大角度视野下深化了晶体学信息提取能力；Joachim Frank和Marin van Heel的对应分析算法革命性地实现了图像自动分类，为后续三维重构奠定算法基础。

1982年，非常规磁透镜设计的全面描述推动电子光学从定性向定量设计转变，Lowicryl树脂的引入解决了生物样品低温包埋难题，John Spence高分辨率电镜教科书标志着该领域理论学科化。1983-1984年，EELS光谱图集和CBED参考数据库的建立实现了技术标准化，使定性分析向定量分析转变。

1985-1986年技术融合加速：Ludwig Reimer的SEM英文教科书建立了扫描电镜理论体系；实用化的Ω型过滤器使能量过滤电镜商业化；图宾根全息术研究恢复标志着该技术实用化；Ray Egerton的EELS标准教材确立了权威理论基础。

1989年，计算机控制显微术达到实用水平，实现操作自动化；磁透镜与静电透镜结合的混合系统优势得到阐释；John Rodenburg提出通过记录STEM全部信息解决相位问题的突破性方案，为定量电镜分析奠定基础。

1993-1996年开启新时代：充分利用高相干性、高亮度电子源的新一代透射电镜设计理念确立；Akira Tonomura电子全息术专著标志该技术独立学科化；二维晶体电子晶体学经典案例展示了结构生物学应用前景；远程显微术出现预示使用模式变革；IFSEM历史文章集和权威教科书的发表标志学科完全成熟。

这一时期实现了技术系统化、应用标准化、功能多样化和操作智能化的全面发展，为后续球差校正电镜和原子分辨率成像的突破奠定了坚实的理论、技术和人才基础。

像差校正的历史性突破

1997年成为电子显微术发展史上的革命性转折点，困扰科学界60年的像差校正难题终获突破。自1936年Scherzer证明旋转对称磁透镜无法避免球差以来，像差问题一直是限制电镜分辨率的根本障碍，将分辨率严格限制在1-2埃范围内。

这一年，两项独立的球差校正技术同时获得成功。Ondrej Krivanek采用四极和八极透镜组合设计了STEM球差校正器，通过多极透镜产生的负球差精确抵消物镜正球差，使探针尺寸达到亚埃级别，实现商业化应用。Max Haider则使用六极透镜组合校正TEM物镜球差，六极透镜的三次对称磁场分布与球差对称性完美匹配，通过精密机械设计和先进反馈控制系统成功集成到传统TEM光路中。

备注：1992年，Max Haider就与达姆施塔特的Rose教授和尤利希的Max Haider教授合作，启动了一个为200 kV透射电子显微镜（TEM）建立Cs校正器的项目。Rose是 Haider的博士生导师

这一突破的深层意义在于证明Scherzer极限并非绝对技术极限，通过非旋转对称多极透镜可以在保持基本功能前提下实现像差校正。技术成功代表了精密机械加工、电子控制、计算机算法等多领域的系统性进步，使电镜分辨率从2埃提升至0.5埃以下，实现真正的原子分辨率成像。

同年，John Spence提出电子衍射图样直接反演获得结构因子的方法，为从衍射数据中提取结构信息提供了新工具，与像差校正技术形成完美互补。SEM实现智能化，自动聚焦、散光校正等功能大大降低了使用门槛。专业科学史学家开始关注电子显微术，标志着学科完全成熟。

1997年的技术突破开启了电镜发展新时代，从渐进改善转向革命性突破的发展模式，展示了多学科协同创新的巨大潜力。原子分辨率成像能力彻底改变了材料科学研究方式，使研究者能够直接观察操纵单个原子，为21世纪纳米科学和材料科学的繁荣发展奠定了技术基础。技术突破迅速商业化，推动整个电镜产业快速发展，带动了精密机械、电子控制等相关技术产业，形成完整的技术生态系统。

单色器技术发展

1998年，球差校正成功后，技术焦点转向色差控制，电子束能量扩散成为新瓶颈。色差由电子束能量分布不均引起，即使微小能量差异也会导致不同能量电子聚焦位置不同，严重影响成像分辨率和光谱分析精度。

三项关键单色器技术同步突破：F. Kahl和H. Rose开发了小Boersch效应单色器，通过特殊电子光学设计减少电子间库仑相互作用；H.W. Mook和P. Kruit研究高亮度源单色化，解决保持高亮度与实现单色化的矛盾；P.C. Tiemeijer精确测量库仑相互作用，为单色器优化设计提供物理参数和指导。

2000年启动的英国SuperSTEM项目具有前瞻性战略构想，提出建造世界首批专门用于高空间分辨率EELS分析的像差校正STEM设施。项目采用专业化设计理念，将像差校正与电子能量损失谱分析深度融合，双机器配置确保技术开发与科学应用协调发展。

2002年德国SMART项目更具系统性和全面性，联合CEOS、Carl Zeiss等工业领军企业与马克斯·普朗克研究所等学术机构，形成完整的产学研协同创新生态。项目不仅追求球差和色差的全面校正突破，更重要的是建立从基础研究到产业化转化的完整路径，采用标准化模块化设计使校正器适配不同厂商电镜平台。

1998年，H. Rose在测试SMART项目的像差校正器

这一时期体现了技术发展模式从单点突破向系统集成的重要转变。单色器技术、像差校正、高稳定性机械系统、精密控制算法等多项技术必须协同工作才能实现最终性能目标。大型科学项目通过国家战略支持集中资源解决关键技术难题，英德两国项目的并行发展形成良性竞争，推动技术快速发展。

CEOS公司在SMART项目中扮演技术集成商关键角色，开创了像差校正器专业化商业模式，通过为不同厂商提供标准化产品推动整个行业技术升级。项目成功推动了从精密机械到电子控制系统的完整产业生态建设，培养了大批专业人才。

这两个雄心勃勃的国家级项目奠定了2004年CEOS公司球差校正器成功商业化的技术和产业基础，标志着电子光学技术从实验室原型向标准化科学工具的历史性转变。更重要的是开创了大型科学项目驱动技术创新的新模式，从设备制造向系统解决方案转变。

从1897年电子的发现到2002年SMART项目，电子光学与仪器技术经历了一个多世纪的发展历程。这个历程不仅见证了科学理论向实用技术的转化，更体现了人类探索微观世界的不懈努力。

参考资料Key Events in the History of Electron Microscopy DOI: 10.1017/S1431927603030113

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

来源：芯片测试赵工