电子显微成像的结果有时不那么直观,通过模拟研究可以从有限的结果中获得更多的信息。本论文就透射电子显微镜成像模拟方法进行了介绍,研究了离焦、像散下电镜的成像。另外,在多层法基础上提出了全空间力学分析,并将其应用在电子束对样品力学作用的研究中。首先,文中给出了一套模拟离焦图像并通过与实验图像定量对比优化参数的研究方案,分析了带电纳米线在大离焦量下的成像机制,为复杂情况下,共轴全息技术在荷电测量上的应用提供了理论支持。电子显微镜中,荷电会影响成像质量,也可反映样品的电学性质,受到人们的关注。电子共轴全息技术可用于荷电的分析,它通过系列离焦图像重建出相位图,并进一步给出样品的带电分布,但需要完全理解正焦图像和离焦图像之间的关系。文中考虑了荷电、内势、像差、相干性对离焦图像的影响,创新性地提出了由样品散射带来的相干性损失,及其模拟方法。研究方案本身也给出了一种利用离焦图像求解荷电的方法。其次,本文解释了磁针法产生的涡旋束在大像散下的成像机制,提出可通过大像散下菲涅尔条纹的扭曲反映磁针的磁化情况,并可进一步分析产生涡旋电子束的质量。涡旋电子束是一种新兴的带有角动量的电子束,其在材料磁性、手性和二色性测量中有应用前景。而磁针法可高效地产生涡旋电子束,但是磁针的磁化常常不够理想,从而使涡旋束的角动量不单一,因此需要对磁针的磁化情况进行判断。我们的研究指出,大像散成像下可以同时观察到涡旋自相干条纹和磁针的形貌,通过模拟像散图像,对自相干条纹的畸变和磁针菲涅尔条纹的扭曲进行了分析。文中提出了多磁单极模型模拟磁针的非均匀磁化情况,模拟结果与实验吻合,从而提出可以通过观察磁针两侧的条纹扭曲周期,判断漏磁的情况和磁化方向的倾斜。本研究提供了一种简单有效的确定磁针磁化情况的方法,可用于评价产生的涡旋电子束质量。第三,对于样品与电子束的力学作用,本文提出了一种全空间力学分析理论,自主开发了一套力学分析工具,为处于发展阶段的电子束操控技术,提供了一种有力的分析工具。该方法基于多层法发展,与多层法一样,具有计算效率高、精度高、样品与束可高度定制化的优势,具有极强的表达能力,可以给出样品内任意位置受到的作用力。文中使用本方法研究了涡旋束对纳米颗粒的作用力和力矩,提出了电子束强度梯度和相位梯度可以驱动纳米颗粒运动的机制,并用力矢量图进行了验证。在研究涡旋电子束对样品力学作用样品深度变化的问题中,论证了本方法的精度优势,分析了角动量随深度震荡的现象。综上,本文综合研究了荷电、非均匀磁化和像差等因素对透射电子显微镜成像的影响,为电子共轴全息在荷电测量方面的应用和磁针法生成涡旋电子束的质量优化两个实际问题提供了理论支持。另外,本文提出了一种分析电子束与纳米材料的力学作用的方法,研究了涡旋电子束与纳米颗粒的力学作用,总结了电子束操控的可能机制。