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X射線三維顯微鏡的成像原理遵從幾何光學原理
X射線三維顯微鏡是X射線成像術的一種，也是顯微成像技術，即將微觀的、肉眼無法分辨看出的結構、圖形放大成像以便觀察研究的器械。X射線成像的襯度原理、設備的構造與主要組成部件(如X射線源、探測器等)，但主要是從宏觀物體的成像(如人體器管的醫學成像、機械制品的缺陷探傷、機場車站的安全檢查等)出發的。宏觀成像與微觀成像有相通之處，如襯度原理、設備的主要組成部件等，但也有區別。由于X射線顯微鏡是用來觀察肉眼無法分辨的微觀結構與圖形，因而在儀器結構和要求上有顯著不同，如要求光源尺寸小而強度大，要將像放大和高分辨等
X射線三維顯微鏡成像原理與光學顯微鏡基本上是一樣的，遵從幾何光學原理，其關鍵部件是成像和放大作用的光學元件，在光學顯微鏡中為透鏡。由于X射線的波長很短，在玻璃和一般物質界面上的折射率均接近1，故其成像放大元件不能用玻璃透鏡，一般用波帶片。
此外，它們同樣利用吸收襯度和位相襯度成像，同樣要求有強光源及像探測器。對光學顯微鏡，一般用肉眼觀察，故常加一目鏡起進一步放大的作用。在X射線顯微鏡中當然不能用眼晴直接觀察，可用CCD等面探測器探測。顯微鏡的重要性能指標兩者是相似的，有放大倍數、分辨力、像差等幾個。X射線顯微鏡的一般構造:從強光源來的光束先經聚焦元件(在此為毛細管透鏡聚焦)使光斑尺寸變小、亮度加大，然后射到樣品上，透過樣品的光，再經成像放大元件(在此為波帶片)而到達探測器(在此為閃爍體加CCD)。成像波帶片和探測器之間有一個Au位相補償環，在相襯成像時用。