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透射电子显微镜一般利用传播路线与光轴平行或者传播路线在光轴上某一点会聚光这两种电子光源光模式和待测样品之间的相互作用来成像，可把平行光视为手电筒的光源，汇聚光视为激光器的光源。
几乎任何与材料相关的领域都要用到透射电镜，而最常用的三大透射电镜是：普通透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)。
普通透射电子显微镜(TEM)
技术原理
利用电子的波动性(德布罗意波)，通过高能电子束穿透样品，经电子光学透镜聚焦成像，从而实现对样品内部微观结构的观察。具体过程如下：
• 电子束的产生与加速
电子枪(如热阴极或场发射源)发射电子，在高电压(通常100-300kV，甚至更高)加速下获得能量，电子的德布罗意波长随能量升高而缩短(如200kV下波长约0.0025nm)，远小于可见光波长(400-700nm)，这使得TEM可实现原子级分辨率。
• 电子与样品的相互作用
高能电子束穿透样品时，会与样品中的原子发生弹性散射(电子能量不变，方向改变)和非弹性散射(电子能量损失，方向改变)。部分电子直接透射(未散射)，部分则发生不同角度的散射。
• 成像过程
透射电子和散射电子经物镜、中间镜、投影镜等电子透镜聚焦放大，最终在荧光屏或探测器上形成图像。通过选择不同电子信号(如透射电子形成“明场像”，散射电子形成“暗场像”)，可观察样品内部的晶体结构、缺陷、相分布等细节。
平行光照射模式(TEM)
此处TEM特指普通分辨率TEM。它主要用于观测物质的微观形貌与组织，如催化剂粉末轮廓外形、纳米粒子大小与形态等。通常常用TEM分辨率为几纳米量级。电子与样品相互作用后，透射电子主要分为三大类：透射电子、弹性散射电子和非弹性散射电子。这三类电子各司其职，其中透射电子和弹性散射电子均可用于成像。
若仅选用透射电子成像的话，则可以想象在无试样处，电子通过量最大，因此观察屏中亮度最大，试样越重，厚度越大，电子越难通过则越暗淡。它叫“明场像”。
明确来说，明场成像就是在物镜的背焦面上，让透射光束经过物镜的光阑阻挡衍射光束而获得成像。明场像就是通过采集透射电子信号来成像的，试样的厚度越小，电子穿过的范围就越大，试样区域也就越明亮；相反，样品厚度越大，电子就越难通过，样品区域也就越黑。因试样厚薄不均匀，品质不一致所造成的明暗差异，叫做“质厚衬度”。
既然有“明场像”，必然就有“暗场像”。暗场成像是将入射光束方向倾斜2θ角度，通过物镜光阑使衍射光束挡住透射光束得到图像。暗场像是通过收集散射(衍射)电子信号成像，样品质量越大、越厚，其散射越强，暗场下样品区域越亮；反之样品越少，电子散射越弱，样品区域越暗。这种由于衍射强度不同而产生的明暗差异称为“衍射衬度”，暗场下的衍射衬度可用来区分样品中不同区域的晶粒。
高分辨透射电子显微镜(HRTEM)
技术原理
晶体的高分辨像形成过程，可以简述为：由电子枪发射的电子波，在穿过晶体后，携带了丰富的结构信息。这些信息经过电子透镜的作用，在电子显微镜的像平面上，透射束与衍射束发生干涉，最终呈现出晶体的精细结构。
在透射电子显微镜中，晶体透射函数经过物镜调制后，在后焦面形成了电子衍射图。这些衍射波被用作次级子波源，在像平面通过干涉重建了放大的晶体像。样品透射函数描述了样品上每一点对电子波的影响，而最终图像上对应于样品上点的扩展区域则用特定函数来描述。
在测试过程中，电子束穿透晶体时，会形成透射束和衍射束。这些束经过透镜作用后发生汇聚。如果将荧光屏置于C点，将得到衍射斑点图样。而如果将荧光屏移至D点位置，点光源发出的球面子波将相互干涉，形成干涉条纹，从而进一步生成高分辨率的晶体图像。
高分辨TEM(HRTEM)图像模式
从字面意义上很好理解，高分辨电子显微镜，顾名思义就是比普通电镜的分辨率更高一些。确实，普通的TEM只能用来看看外观，很难看到内部结构，如：晶面间距、原子排布等信息。
近年来HRTEM发展迅猛，分别率已经达到原子级别(几埃，甚至零点几埃)。理论上能清楚地看到单个原子。因此HRTEM被用于观察晶体的内部结构，原子排布和许多精细结构(比如位错、孪晶等)。但是，理论和实际之间总存在着距离。要在HRTEM上获取精确的材料结构信息并不容易。首先要确保样品够薄(弱相位近似)以及Scheerzer在欠焦情况下所摄HRTEM像能正确地反应晶体结构。
高质量HRTEM像的拍摄，需要较高要求的待测样品：
• 样品足够薄(弱相位近似)，厚度小于10 nm；
• 样品在铜网上须稳定牢固，使其能经受电子束的轰击，防止装卸过程中因机械振动而损伤。
高分辨像是相位衬度像，是所有参加成像的衍射束与透射束之间因相位差而形成的干涉图像。普通TEM要么采用透射电子，要么采用散射电子。高分辨是两者都用。所用电子类别繁多，样品要求也较高。
那么，问题就来了：原子在高分辨像中究竟是暗原子还是亮原子？结果表明：在TEM欠焦量处于最佳状态下HRTEM具有最高分辨率。此时，对薄晶体来说，原子通常表现出暗衬度，也就是原子变暗。但是在实际应用中，有时它还可能是明亮的。
扫描透射电子显微镜(STEM)
技术原理
STEM的成像过程可拆解为三个关键步骤，形成“聚焦-扫描-探测”的完整链路：
• 电子束聚焦
电子枪发生的电子束经过聚光镜聚焦，形成直径小于1nm的极细电子束流。
• 样品扫描
聚焦后的电子束在样品表面进行扫描(类似扫描电子显微镜)，每移动一个像素点，电子就与该位置的样品发生散射、透射等相互作用。
• 信号探测与成像
样品下方的探测器收集每个扫描点产生的型号(透射电子、散射电子等)，信号信息与扫描像素点对应，最后拼接成二维图像。
汇聚光照射模式(STEM)
从成像角度来分析，其与前面两者最大的区别是：TEM和HRTEM的光照射范围是面，而STEM是一点一点的逐点扫射，然后再收集。有个不合时宜的比喻：一为手电筒光源，一为激光器光源。很明显，激光器更精细地刻画了其结构。STEM有明场与暗场，常常和HAADF连用。HAADF属于高角度环状暗场探测器。
STEM模式下最常用的是HAADF-STEM像，像的强度正比于原子序数Z的平方，Z越大像越亮。测试过程中利用HAADF探头采集样品信息，可以收集得到样品的原子和成分信息。STEM模式也可以进行汇聚束衍射(Convergent beam electron diffraction, CBED)、BF-STEM(Bright field image)、ADF-STEM(Annular dark field image)等成像拍摄。
HAADF的作用是收集高角卢瑟福散射电子。为什么要收集高角散射电子？因为其产生的是非相关高分辨像，可避免TEM和HRTEM中复杂的衍射衬度和相干成像，从而能够直接反应原子的信息。
什么时候用HAADF-STEM？直白的答案就是，当发现TEM和HRTEM仍然不能满足你的愿望时；在需要观察较细结构，较低浓度成分时；在需要进行线扫描时，HAADF-STEM同样被优先考虑。