掃描電子顯微鏡主要由電子光學系統、信號收集處理系統、真空系統、圖像處理顯示和記錄系統、樣品室樣品臺、電源系統和計算機控制系統等組成。
電子光學系統
電子光學系統主要是給掃描電鏡提供一定能量可控的并且有足夠強度的，束斑大小可調節的，掃描范圍可根據需要選擇的，形狀完美對稱的，并且穩定的電子束。
電子光學系統主要由電子槍、電磁聚光鏡、光闌、掃描系統、消像散器、物鏡和各類對中線圈組成，如圖3-1。
1. 電子槍（Electron Gun）
電子槍是產生具有確定能量電子束的部件，是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。燈絲主要有鎢燈絲、LaB6和場發射三類。
① 鎢燈絲電子槍：
如圖3-2，燈絲是鎢絲，在加熱到2100K左右，電子能克服大約平均4.5eV的逸出功而逃離，鎢燈絲是利用熱效應來發射電子。不過鎢燈絲發射電子效率比較低，要達到實用的電流密度，需要較大的鎢絲發射面積，一般鎢絲電子源直徑為幾十微米。這樣大的電子源直徑很難進一步提高分辨率。還有，鎢燈絲亮度差、電流密度低、單色性也不好，所以鎢燈絲目前最高只能達到3nm的分辨率，實際使用的放大倍數均在十萬倍以下。不過由于鎢燈絲價格便宜，所以鎢燈絲電鏡得到了廣泛的應用。
② LaB6電子槍：
要提高掃描電鏡的分辨率，就要提高電子槍的亮度。而一些金屬氧化物或者硼化物在加熱到高溫之后（1500～2000K），也能克服平均逸出功2.4eV而發射熱電子，比如LaB6，曲率半徑為幾微米。
LaB6燈絲亮度能比鎢燈絲提高數倍。因此LaB6燈絲電鏡有比鎢燈絲更好的分辨率。除了LaB6外，類似的還有CeB6等材料。不過目前在掃描電鏡領域，LaB6燈絲價格并不便宜，性能相對鎢燈絲提升有限，另外就是場發射的流行，使得LaB6燈絲的使用并不多見。
② 場發射電子槍：
1972年，擁有更高亮度、更小電子束直徑的場發射掃描電鏡（FE-SEM）實現商品化，將掃描電鏡的分辨率推向了新的高度。場發射電子槍的發射體是鎢單晶，并有一個極細的尖端，其曲率半徑為幾十納米到100nm左右，在鎢單晶的尖端加上強電場，利用量子隧道效應就能使其發射電子。圖3-4為場發射電子槍的結構示意圖。鎢單晶為負電位，第一陽極也稱取出電極，比陰極正幾千伏，以吸引電子，第二陽極為零電位，以加速電子并形成10nm左右的電子源直徑。圖3-5為場發射電子槍的鎢單晶燈絲結構，只有鎢燈絲支撐的非常小的尖端為單晶。
場發射電子槍又分為冷場發射和熱場發射。
熱場發射的鎢陰極需要加熱到1800K左右，尖端發射面為或取向，單晶表面有一層氧化鋯（如圖3-6），以降低電子發射的功函數（約為2.7eV）。
冷場發射不需加熱，室溫下就能進行工作，其鎢單晶為取向，逸出功最小，利用量子隧道效應發射電子。
冷場電子束直徑，發射電流密度、能量擴展（單色性）都優于熱場發射，所以冷場電鏡在分辨率上比熱場更有優勢。不過冷場電鏡的束流較小（一般為2nA），穩定性較差，每個幾小時需要加熱（Flash）一次，對需要長時間工作和大束流分析有不良影響。不過目前Hitachi最新的冷場SEM，束流已經能達到20nA，穩定性也比以往提高了很多，能夠滿足一些短時間EBSD采集的需要，不過對于WDS、陰極熒光等分析還不夠。
熱場發射雖然電子束直徑、能量擴展不及冷場，但是隨著技術的發展，其分辨率也越來越接近冷場的水平，有的甚至還超越了冷場。特別是熱場電鏡束流大，穩定性好，有著非常廣闊的應用范圍。
從各個電鏡廠商對待冷場和熱場的態度來看，歐美系廠商鐘情于熱場電鏡，而日系廠商則傾向于冷場電鏡。不過目前日系中的日本電子也越來越多的推出熱場電鏡，日立也逐步推出熱場電鏡，不過其性能與自家的冷場電鏡相比還有較大差距。
① 各種類型電子源對比：
SEM的分辨率與入射到試樣上的電子束直徑密切相關，電子束直徑越小，分辨率越高。最小的電子束直徑D的表達式為：
其中D為交叉點電子束在理想情況下的最后的束斑直徑，CS為球差系數、CC為色差系數、ΔV/V0為能量擴展、I為電子束流、B為電子源亮度，a為電子束張角。由此可以看出，不同類型的電子源，其亮度、單色性、原始發射直徑具有較大的差異，最終導致聚焦后的電子束斑有明顯的不同，從而使得不同電子源的電鏡的分辨率也有如此大的差異。通常掃描電鏡也根據其電子源的類型，分為鎢燈絲SEM和冷場發射SEM、熱場發射SEM。
2. 電磁透鏡
電磁透鏡主要是對電子束起匯聚作用，類似光學中的凸透鏡。電磁透鏡主要有靜電透鏡和磁透鏡兩種。
① 靜電透鏡
一些特定形狀的并成旋轉對稱的等電位曲面簇可以使得電子束在庫侖力的作用下進行聚焦，形成這些等電位曲面簇的裝置就是靜電透鏡。
靜電透鏡在掃描電鏡中使用相對較少。不過電子槍外的柵極和陽極之間，自然就形成了一個靜電透鏡。另外一些特殊型號的電鏡在某些地方采用了所謂的靜電透鏡設計。
② 磁透鏡
電子束在旋轉對稱的磁場中會受到洛倫茲力的作用，進而產生聚焦作用。能使產生這種旋轉對稱非均勻磁場并使得電子束聚焦成像的線圈裝置，就是磁透鏡。
磁透鏡主要有兩部分組成，如圖3-9。第一部分是軟磁材料（如純鐵）制成的中心穿孔的柱體對稱芯子，被稱為極靴。第二部分是環形極靴的銅線圈，當電流通過線圈的時，極靴被磁化，并在心腔內建立磁場，對電子束產生聚焦作用。
磁透鏡主要包括聚光鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡是聚光鏡，靠近試樣的是物鏡，如圖3-10。一般聚光鏡是強勵磁透鏡，而物鏡是弱勵磁透鏡。
聚光鏡的主要功能是控制電子束直徑和束流大小。聚光鏡電流改變時，聚光鏡對電子束的聚焦能力不一樣，從而造成電子束發散角不同，電子束電流密度也隨之不同。然后配合光闌，可以改變電子束直徑和束流的大小，如圖3-11。當然，有的電鏡不止一級聚光鏡，也有的電鏡通過改變物理光闌的大小來改變束流和束斑大小。
物鏡的主要功能是對電子束做最終聚焦，將電子束再次縮小并聚焦到凸凹不平的試樣表面上。
雖然電磁透鏡和凸透鏡非常像似，不過電子束軌跡和光學中的光線還是有較大差別的。幾何光學中的光線在過凸透鏡的時候是折線；而電子束在過磁透鏡的時候，由于洛倫茲力的作用，其軌跡是既旋轉又折射，兩種運動同時進行，如圖3-12。
3. 光闌
一般聚光鏡和物鏡之間都有光闌，其作用是擋掉大散射角的雜散電子，避免軸外電子對焦形成不良的電子束斑，使得通過的電子都滿足旁軸條件，從而提高電子束的質量，使入射到試樣上的電子束直徑盡可能小。電鏡中的光闌和很多光學器件里面的孔徑光闌或者狹縫非常類似。
光闌一般大小在幾十微米左右，并根據不同的需要選擇不同大小的光闌。有的型號的SEM是通過改變光闌的孔徑來改變束流和束斑大小。一般物鏡光闌都是卡在一個物理支架上。
在電鏡的維護中光闌的狀況十分重要。如果光闌合軸不佳，那將會產生巨大的像散，引入額外的像差，導致分辨率的降低。更有甚者，圖像都無法完全消除像散。另外光闌偏離也會導致電子束不能通過光闌或者部分通過光闌，從而使得電子束完全沒有信號，或者信號大幅度降低，有時候通過的束斑也不能保持對稱的圓形，如圖3-14，從而使得電鏡圖像質量迅速下降。
還有，物鏡光闌使用時間長了還會吸附其它物質從而受到污染，光闌孔不再完美對稱，從而也會引起額外的像差，信號的衰弱和圖像質量的降低。
因此，光闌的清潔和良好的合軸，對掃描電鏡的圖像質量來說至關重要。光闌的對中調節目前有手動旋擰和電動馬達調節兩種方式。
TESCAN在電鏡的設計上比較有前瞻性，所有型號的電鏡都采用了中間鏡技術，利用電磁線圈代替了傳統的物鏡光闌。中間鏡是電磁線圈，可以受到軟件的自動控制，并且連續可調，所以TESCAN的中間鏡相當于是一個孔徑可以連續可變的無極孔徑光闌，而且能實現很多自動功能。