离子显微镜(FIM)的基本构造比较简单，仪器体积也不是很庞大。通常，场离子显微镜(FIM)设置在一个真空度为10-9Too:的高真空腔内，然后在真空腔内充入温度为20-SOK左右压强约10-5Toor的成像气体He(氦)或Ne(氖)。尖锐的针尖样品设置在真空腔内，通有十1OKV左右的正偏压，这样针尖上就形成了强大的电场。在样品末端的高电场及低温下，周围的成像气体会被极化，吸附在样品尖端的球形表面比较突出的原子上其它再被吸引过来的气体原子则会在已吸附的原子上电离。成像气体被强电场电离后，受到电场的加速，并、沿着电场的方向飞行到阴极荧光屏上形成针尖末端原子的分布图像。它是观察电子源本身的像，完全不需要电子透镜，所以是一种极为简单的显微镜，仅仅由阴极与阳极(环状)构成。在没有外场时，气体中的电子的势能曲线，其势垒是限宽的。能量I是原子的电离能，也就是使原子中的电子激发并逃离原子所需的能量。样品顶端周围的气体原子被强电场极化当样品上的电势增高时窄，并被吸引到针尖表面其势垒在一个方向上变在碰撞过程中，与针尖表面的热交换使得气体原子损失部分动能，而被陷入针尖表面附近的强电场区域，于是气体原子在针尖表面经历一系列的减幅跳跃，最终气体原子中的电子通过隧道效应进入针尖。
当气体原子距金属表面为临界距离Xc时，此距离下气体原子中电子的能级恰好与金属的费米能级重合，这时电子的遂穿率最大:当距离比X。还小时，气体原子外层电子能级低于金属的费米能级，由于在金属内部没有适宜能量的空能级可容纳电子，电子的遂穿效应受Pauli不相容原理所限制。气体原子电离后成为带正电的气体离子。带正电的气体离子在电场的作用下沿针尖表面法线方向加速，直到打在荧光屏上，形成能够反映样品表面形貌的放大倍数很高的图像。