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X射线三维显微镜的成像原理遵从几何光学原理
X射线三维显微镜是X射线成像术的一种，也是显微成像技术，即将微观的、肉眼无法分辨看出的结构、图形放大成像以便观察研究的器械。X射线成像的衬度原理、设备的构造与主要组成部件(如X射线源、探测器等)，但主要是从宏观物体的成像(如人体器管的医学成像、机械制品的缺陷探伤、机场车站的安全检查等)出发的。宏观成像与微观成像有相通之处，如衬度原理、设备的主要组成部件等，但也有区别。由于X射线显微镜是用来观察肉眼无法分辨的微观结构与图形，因而在仪器结构和要求上有显著不同，如要求光源尺寸小而强度大，要将像放大和高分辨等
X射线三维显微镜成像原理与光学显微镜基本上是一样的，遵从几何光学原理，其关键部件是成像和放大作用的光学元件，在光学显微镜中为透镜。由于X射线的波长很短，在玻璃和一般物质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镜，一般用波带片。
此外，它们同样利用吸收衬度和位相衬度成像，同样要求有强光源及像探测器。对光学显微镜，一般用肉眼观察，故常加一目镜起进一步放大的作用。在X射线显微镜中当然不能用眼晴直接观察，可用CCD等面探测器探测。显微镜的重要性能指标两者是相似的，有放大倍数、分辨力、像差等几个。X射线显微镜的一般构造:从强光源来的光束先经聚焦元件(在此为毛细管透镜聚焦)使光斑尺寸变小、亮度加大，然后射到样品上，透过样品的光，再经成像放大元件(在此为波带片)而到达探测器(在此为闪烁体加CCD)。成像波带片和探测器之间有一个Au位相补偿环，在相衬成像时用。