Las principales limitaciones deRendimiento de TEMSon la aberración esférica (también conocida como aberración), la aberración cromática y el astigmatismo. La aberración esférica y la aberración cromática limitan la resolución de la TEM tradicional. Ambos defectos son inevitables al utilizar campos electromagnéticos rotacionales simétricos estáticos. La aberración esférica es el factor más importante que determina el rendimiento de una lente objetivo. Para muestras más gruesas, la diferencia de color será más pronunciada. Para reducir este problema, es mejor fabricar muestras más delgadas. La dispersión puede afectar la capacidad de enfoque de la imagen, pero se puede corregir por completo. La aberración esférica se debe al efecto desigual del campo de la lente sobre los rayos fuera del eje. En otras palabras, los rayos de luz que son "paralelos" al eje óptico, pero a diferentes distancias del eje, no pueden converger en el mismo punto. Cuanto más se desvían los electrones del eje, más se desvían hacia él. Por lo tanto, los objetos puntuales se visualizan como un disco de tamaño finito, lo que limita la capacidad de ampliar los detalles. La siguiente figura muestra el impacto de la desviación esférica. El punto P se visualiza como el disco con el radio más pequeño en el plano de "menor confusión" y como PI en el plano de imagen. El área brillante central es intensa y está rodeada por un halo.

La expresión para calcular el radio del disco de aberración esférica (rsph) en el plano de la imagen es la siguiente:

Rsph=Csβ3

donde Cs es una constante para una lente específica, llamada coeficiente de aberración esférica, e β es el semiángulo de convergencia máxima de la apertura del objetivo. Según esta derivación, Cs tiene una dimensión de longitud, usualmente aproximadamente igual a la longitud focal. En TEM, la longitud focal es usualmente de unos 3 milímetros, pero en HRTEM es mucho menor que 1 milímetro. Uno de los métodos para minimizar las aberraciones es usar lentes de longitud focal corta (es decir, lentes con pequeños coeficientes de aberración esférica). La siguiente imagen es un ejemplo de una fuente de luz puntual fotografiada por un sistema con aberración esférica negativa (arriba), aberración esférica cero (centro) y aberración esférica positiva (abajo). Solo el punto central es un punto, y la imagen por encima y por debajo de él se muestra como un disco.

El impacto de la aberración esférica en fuentes de luz puntuales. La imagen a la izquierda del centro está desenfocada hacia adentro; la imagen a la derecha del centro está desenfocada hacia afuera.

Diferencia de color: El término diferencia de color se relaciona con la energía de los electrones, que no son monocromáticos (procedente de la óptica, se puede entender que los electrones no presentan fluctuaciones de energía). El cañón de electrones emite electrones con diversas energías, y la lente del objetivo los desvía en distintos grados; los electrones con menor energía (mayor pérdida) se desvían con mayor intensidad. Por lo tanto, los electrones de un punto determinado de la muestra forman una imagen de disco, similar a la aberración esférica. El radio del disco (rchr) se obtiene mediante la siguiente fórmula: donde Cc es el coeficiente de aberración cromática (longitud) de la lente, θE es la pérdida de energía de los electrones, Eo es la energía inicial del haz de electrones y β es el semiángulo de recolección de la lente.
La εE en el haz de electrones incidente es inferior a 1 eV. Para la mayoría de los electrones que atraviesan muestras con un espesor de 50-100 nm, la εE suele ser de 15-25 eV. Cuanto más gruesa sea la muestra, mayor será la diferencia de color, ya que la proporción de electrones dispersos inelásticos es mayor y puede verse afectada por la diferencia de color.

Astigmatismo: El astigmatismo se produce cuando la sección transversal del haz de electrones no es completamente circular.

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