X 射线显微镜的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。如吸收衬度成像，可移走 [2] 。

　　聚焦放大元件

　　常用的聚焦镜是多层膜反射聚焦镜和波带片，成像放大元件是波带片。

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　　多层膜反射聚焦镜

　　多层膜是在基板上重复涂上两种不同的材料制成的人造一维晶体。通常，一种材料是高原子序数的重金属（H），另一种是低原子序数的非金属（L）。这两个层的厚度之和dH + dL构成这多层膜的重复周期d。dH 和dL 的大小与其比值及多层膜的性质有关。需按实验的要求来设计、制造，因此品种很多。最简单的是膜厚d 均匀的镜子，但也有膜厚d 是逐渐变化的镜子。镜面可以是曲面，可以是一维弯曲的（如圆筒面、抛物面或椭圆面等），也可以二维弯曲的（如球面或椭球面等）。发散光源放在椭圆的一个焦点上，反射光聚焦在另一个焦点上。

　　这种一维弯曲的聚焦镜只能在一个平面内起聚焦作用，得到的是线焦点，与此平面垂直的方向，射线仍保持原发散情况。若要两个方向都聚焦获得焦点可用两种方法：一是在两个方向上做二维弯曲；另一是将两块聚焦镜转过90° 先后放置，构成所谓的Kikpatrick-Baez (K-B)系统。K-B 系统有较多的实际应用。

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　　Fresnel 波带片

　　Fresnel 波带片的原理早在100 多年前就已提出，但将其用于X 射线却是近十几年的事。是由两套不同材料制成的同心圆环交替排列构成的，其中一种材料透光，另一种不透光。

　　波带片称振幅波带片，其效率较低。为了提高效率，要将不透光的部分也变成透光这种波带片称相位波带片。理想的相位波带片，对一级聚焦，比振幅波带片提高了几倍。

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　　毛细管

　　毛细管的聚焦作用是基于X 射线在毛细管内壁上的全反射，来改变X 射线的前进方向实现的。毛细管若是弯曲的，则会引导X 射线改变方向。毛细管不是等径而是锥状的，则X 射线就会在靠近出口处聚焦。它既可以聚焦单色X 射线，也可以聚焦白色X 射线。可聚焦的X 射线能量范围约从200 eV 至80 keV。

　　利用单根毛细管聚焦X 射线束的实物在20世纪80 年代已被实际应用。美国康奈尔大学用硼硅玻璃做的一根毛细管，长为1.6 m，粗头直径为470 μm，细头直径为110 μm。此管的反射效率对8 keV 的射线是49%，对13 keV 的射线为54%，对20 keV 的射线为34%。反射效率低于100%是因为毛细管的表面并不平整，一定的起伏和粗糙度会损失部分射线。从单根毛细管射出的光束的直径在出口处为最小，以后会慢慢增加。若毛细管出口直径为r，则工作距离为20 μm 至100 μm，此值是比较小的。Heald 等研究过毛细管的长度、进出口直径等参数与毛细管的透过率、强度增益倍数等性能的关系。

　　毛细管除了单根利用外，还可以集束应用。毛细管束，就是将数千根毛细管平行聚集在一起的元件，整体呈圆锥状。一个由336 根直径为17 μm 的玻璃毛细管组成的毛细管簇，可使光斑面积缩小至约1/20，功率密度可提高5 倍。

　　若入射光从毛细管锥体的大头入射，则从小头射出的光被聚焦；如入射光从较小的一头进去，则从较大的一头射出的光为平行光。与单毛细管相比，毛细管束的长度可以短，其焦点的面积会比单毛细管大一些，但焦点的位置离管口的距离也会大一些（有几公分），使用起来比较方便。毛细管束还可以是中间大两头小的双圆锥形。聚焦元件还有用单晶体做的和所谓的折射透镜，不过，它们在X 射线显微镜中用得不多 [3] 。

　　光源

　　三类X 射线光源：实验室X 射线光源(X 射线管)、直线加速器和同步辐射装置。同步辐射是既近平行又高强度，且波长可调而成为最理想的光源。未见有将直线加速器用于X 射线显微镜，实验室光源有使用的，但不能用焦点在10 mm×1 mm 左右的封闭X 射线管，可以用高功率的旋转阳极X 射线管。另外，可用焦点尺寸在数十微米的细聚焦X 射线管，该管焦点小，但光亮度大，可达2×1011~1.2×1012 photos/s · sr，已接近同步辐射的光亮度，而且功耗很小，一般只有数十瓦，整机体积也小，适合作为实验室X 射线显微镜的光源。此外，还有用等离子X 射线源的。

　　从光源发射出的X 射线一般需先经聚焦使光斑进一步缩小，光亮度进一步增加才照到样品上。总的来说，实验室光源的光亮度比较低，仪器的分辨力也低，故实验室X 射线显微镜应用面不广，而同步辐射显微镜却发展得很快，做出了许多很有价值的工作。

　　探测器

　　各种探测器都可用，如感光胶片、影像板(Image plate, IP)、影像增强器、半导体探测器(CCD，电荷偶合器) 等。当然，宏观用的和微观用的在结构和参数上是不同的。

　　X 射线显微镜可按使用的X 射线能量的高低分为软X 射线显微镜和硬X 射线显微镜。其构造基本相同，但研究对象有侧重。前者较多应用于生物医学体系，后者较多应用于材料医学体系。如按其技术或原理来分类，则有透射式或扫描式显微镜、光谱显微镜、全息显微镜等多种