球差
自从球差这个词在哈勃望远镜的主要光学元件中首次被关注后(不过是在发射之后)，对其使用就变得频繁起来。这个缺陷是由于透镜场不均匀地作用在离轴光线上而引起的。对于电磁透镜，电子离轴越远，被偏折就越厉害，结果导致点状物体折射后就形成了一个一定大小的盘，这限制了放大物体细节的能力，因为细节在成像过程中被削减了。就像前面介绍的，这种球差可以校正，但是它仍然限制了大多数TEM的分辨率，所以要对其进行仔细探讨。
球差的作用如图A所示，点状物P在高斯平面P'成像。这个像并不是一个点而是一个带有环绕光环的高强中心亮区。球差在物镜中是最重要的，因为它降低了TEM图像的质量，所有其他的透镜放大了它所产生的误差。球差在AEM或STEM的聚光镜中也是同样有害的，这两种模式中都需要使用大的励磁电流来形成最小的电子束斑。所有形式的TEM在分辨率极限所能实现的功能几乎都受到了球差的限制，这就是为什么人们对能校正球差而感到如此兴奋的原因。
从图A中可以看到为什么用「球」来描述像差。球差的效应就是使来自于光源的弯曲(球状)波前的曲率增加。
图A 透镜球差是因为透镜对于透镜边缘的光线折射能力强于旁轴光线，这样会导致从物点P出射的波前发生球面扭曲。这个点状物成像为最小模糊面上半径最小的圆盘和在P处高斯像平面上半径比较大的圆盘。最小模糊面是物体最小像形成的平面。这两个重要平面上的强度分布如光路图旁边所示
从图A中可以看到，由透镜作用而形成的光线锥的最小尺寸并不在高斯像平面上。正如图上所见，最小尺寸形成在很靠近透镜的位置，对此有个讨人喜欢的术语「最小模糊斑」。这个盘的半径为0.25 Csβ3直径为0.5 Csβ3。TEM的制造者们特别喜欢这个圆盘，因为它比高斯像平面上的圆盘小，因此透镜的分辨率会好一些。
磁透镜中Cs校正器的作用是制造一个发散离轴光线的透镜(也就是凹透镜)从而使那些光线重新聚到一点而不是像之前高斯面上的一个盘。实际上,这种校正是依靠一组高度复杂的，计算机控制的四极、六极、八极透镜实现的。有两种主要方式来实现Cs校正。第一种是Rose和他的同事们在德国CEOS商业系统中开发的校正器，既有STEM老经中的束校正又有TEM中的像校正。第二种是krivanek等制造的用在Nion专用STEM系统中的校正器，现已经被更新应用到了若干个VG STEM中。图B给出了Nion校正器和CE0S系统的光路示意图。在后面将会深人讨论Cs校正。
图B 两种不同的商业系统对Cs校正的光路图:(A)四极(Q)和十极(0)透镜(Nion);(B)六极和其他传递透镜(CEOS)
色差
这个术语和电子的「颜色」(即波长、能量)相关。曾假设电子是单色的，但实际上并不是。然而，由于现在可以制备出很好的高压电源，而电源引起的电子能量变化范围通常小于1/106，也就是说，对于100keV的电子束，电子能量变化为0.1eV。取决于电子源的实际电子束中的能量发散大约在0.3eV(FEG)至1eV(LaB6)范围内。这个范围如此之小，以致没有必要去担心色差对像分辨率的影响。例外的情况是，如果有了Cs校正器在校正了Cs之后，Cc就成了下一个最大的像差。现在正在开发校正Cc的透镜。
图C 色差会使一定能量范围的电子聚焦在不同的面上。从样品中散射出来的没有能量损失的电子偏折程度要比有能量损失的电子小，所以如图A所示，样品中的一个点在高斯像平面上会成为一个盘，并有一个最小模糊面
如果不把样品放入电子束中，几乎可以完全忽略色差。但不幸的是，样品一旦放到电子束下，就会从薄样品上产生整个能量范围的电子。物镜对低能电子的弯曲更为厉害，因此来自样品中同一点的电子就会再一次在高斯像平面上模糊形成盘(图C)(在最小模糊面形成一个小的盘)。这个盘(参考物平面)的半径rchr可以表示为
式中，Cc为透镜的色差系数; ∆E是电子损失的能量;E0是初始电子束能量;β是透镜的收集半角。Cc与Cs一样具有长度量纲，近似等于焦距。在人射电子東中，∆E <1eV，对于大部分电子通过50~100nm厚的薄样品时，能量损失一般为15-25eV。很容易计算rchr是一个非常大的数(与原子维度来比)。样品越厚，色差越大、样品越薄，色差越小(记住一个普遍的标准「薄就好」)。所以减小色差最低成本的方法就是制作薄样品。
色差校正的方法取决于是否尝试去补偿电子束或者样品引起的色差效应。需要注意，电子枪发出的电子的能量范围主要受电子源类型的影响，因此这个范围值取决于TEM是哪种电子源。使用单色器使电子单色化是一种(昂贵的)解决方法。
像散
能把软铁极靴中的孔加工成非常完美对称的圆柱形，软铁本身也可能由于微观结构的不均匀性引起磁场强度的局部变化。即使克服了这些困难，放到透镜中的光阑的中心轴如果没有精确地与光轴重合的话，磁场也会受到干扰。此外，如果光阑不干净，带电污染物就会使电子束偏转。影响像散的因素很多，会导致图像扭曲，可以用一个量r表示
式中，∆f是像散引起的焦距最大差值。幸运的是，通过消像散器可以很容易地校正像散。消像散器是个很小的八极透镜，它能引入补偿场来平衡引起像散的不均匀磁场分布。照明系统(聚光镜)和成像系统(物镜)中都有消像散器。
总之，球差、色差和像散是电磁透镜的3个主要缺陷。还有一些小缺陷例如桶型和枕形畸变，这是根据图像的畸变方式给出的字面解释。偶尔在很低的放大倍数下可以看到这些缺陷，这是由于离极靴孔很近的电子参与成像所导致的。其他的缺陷如彗差、场弯曲等都可以忽略。
