球差
自從球差這個詞在哈勃望遠鏡的主要光學元件中首次被關註後(不過是在發射之後)，對其使用就變得頻繁起來。這個缺陷是由於透鏡場不均勻地作用在離軸光線上而引起的。對於電磁透鏡，電子離軸越遠，被偏折就越厲害，結果導致點狀物體折射後就形成了一個一定大小的盤，這限制了放大物體細節的能力，因為細節在成像過程中被削減了。就像前面介紹的，這種球差可以校正，但是它仍然限制了大多數TEM的分辨率，所以要對其進行仔細探討。
球差的作用如圖A所示，點狀物P在高斯平面P'成像。這個像並不是一個點而是一個帶有環繞光環的高強中心亮區。球差在物鏡中是最重要的，因為它降低了TEM影像的質素，所有其他的透鏡放大了它所產生的誤差。球差在AEM或STEM的聚光鏡中也是同樣有害的，這兩種模式中都需要使用大的勵磁電流來形成最小的電子束斑。所有形式的TEM在分辨率極限所能實作的功能幾乎都受到了球差的限制，這就是為什麽人們對能校正球差而感到如此興奮的原因。
從圖A中可以看到為什麽用「球」來描述像差。球差的效應就是使來自於光源的彎曲(球狀)波前的曲率增加。
圖A 透鏡球差是因為透鏡對於透鏡邊緣的光線折射能力強於旁軸光線，這樣會導致從物點P出射的波前發生球面扭曲。這個點狀物成像為最小模糊面上半徑最小的圓盤和在P處高斯像平面上半徑比較大的圓盤。最小模糊面是物體最小像形成的平面。這兩個重要平面上的強度分布如光路圖旁邊所示
從圖A中可以看到，由透鏡作用而形成的光線錐的最小尺寸並不在高斯像平面上。正如圖上所見，最小尺寸形成在很靠近透鏡的位置，對此有個討人喜歡的術語「最小模糊斑」。這個盤的半徑為0.25 Csβ3直徑為0.5 Csβ3。TEM的制造者們特別喜歡這個圓盤，因為它比高斯像平面上的圓盤小，因此透鏡的分辨率會好一些。
磁透鏡中Cs校正器的作用是制造一個發散離軸光線的透鏡(也就是凹透鏡)從而使那些光線重新聚到一點而不是像之前高斯面上的一個盤。實際上,這種校正是依靠一組高度復雜的，電腦控制的四極、六極、八極透鏡實作的。有兩種主要方式來實作Cs校正。第一種是Rose和他的同事們在德國CEOS商業系統中開發的校正器，既有STEM老經中的束校正又有TEM中的像校正。第二種是krivanek等制造的用在Nion專用STEM系統中的校正器，現已經被更新套用到了若幹個VG STEM中。圖B給出了Nion校正器和CE0S系統的光路示意圖。在後面將會深人討論Cs校正。
圖B 兩種不同的商業系統對Cs校正的光路圖:(A)四極(Q)和十極(0)透鏡(Nion);(B)六極和其他傳遞透鏡(CEOS)
色差
這個術語和電子的「顏色」(即波長、能量)相關。曾假設電子是單色的，但實際上並不是。然而，由於現在可以制備出很好的高壓電源，而電源引起的電子能量變化範圍通常小於1/106，也就是說，對於100keV的電子束，電子能量變化為0.1eV。取決於電子源的實際電子束中的能量發散大約在0.3eV(FEG)至1eV(LaB6)範圍內。這個範圍如此之小，以致沒有必要去擔心色差對像分辨率的影響。例外的情況是，如果有了Cs校正器在校正了Cs之後，Cc就成了下一個最大的像差。現在正在開發校正Cc的透鏡。
圖C 色差會使一定能量範圍的電子聚焦在不同的面上。從樣品中散射出來的沒有能量損失的電子偏折程度要比有能量損失的電子小，所以如圖A所示，樣品中的一個點在高斯像平面上會成為一個盤，並有一個最小模糊面
如果不把樣品放入電子束中，幾乎可以完全忽略色差。但不幸的是，樣品一旦放到電子束下，就會從薄樣品上產生整個能量範圍的電子。物鏡對低能電子的彎曲更為厲害，因此來自樣品中同一點的電子就會再一次在高斯像平面上模糊形成盤(圖C)(在最小模糊面形成一個小的盤)。這個盤(參考物平面)的半徑rchr可以表示為
式中，Cc為透鏡的色差系數; ∆E是電子損失的能量;E0是初始電子束能量;β是透鏡的收集半形。Cc與Cs一樣具有長度因次，近似等於焦距。在人射電子東中，∆E <1eV，對於大部份電子透過50~100nm厚的薄樣品時，能量損失一般為15-25eV。很容易計算rchr是一個非常大的數(與原子維度來比)。樣品越厚，色差越大、樣品越薄，色差越小(記住一個普遍的標準「薄就好」)。所以減小色差最低成本的方法就是制作薄樣品。
色差校正的方法取決於是否嘗試去補償電子束或者樣品引起的色差效應。需要註意，電子槍發出的電子的能量範圍主要受電子源類別的影響，因此這個範圍值取決於TEM是哪種電子源。使用單色器使電子單色化是一種(昂貴的)解決方法。
像散
能把軟鐵極靴中的孔加工成非常完美對稱的圓柱形，軟鐵本身也可能由於微觀結構的不均勻性引起磁場強度的局部變化。即使克服了這些困難，放到透鏡中的光闌的中心軸如果沒有精確地與光軸重合的話，磁場也會受到幹擾。此外，如果光闌不幹凈，帶電汙染物就會使電子束偏轉。影響像散的因素很多，會導致影像扭曲，可以用一個量r表示
式中，∆f是像散引起的焦距最大差值。幸運的是，透過消像散器可以很容易地校正像散。消像散器是個很小的八極透鏡，它能引入補償場來平衡引起像散的不均勻磁場分布。照明系統(聚光鏡)和成像系統(物鏡)中都有消像散器。
總之，球差、色差和像散是電磁透鏡的3個主要缺陷。還有一些小缺陷例如桶型和枕形畸變，這是根據影像的畸變方式給出的字面解釋。偶爾在很低的放大倍數下可以看到這些缺陷，這是由於離極靴孔很近的電子參與成像所導致的。其他的缺陷如彗差、場彎曲等都可以忽略。
