场离子显微镜与通常的高分辨率电子显微镜性质不同，它成像时不使用磁或静电透镜，是由所谓成像气体的“场电离”过程来完成的。
实验时,镜体内保持超高真空（10Torr以下）。用电解腐蚀法制成的针状样品（其尖端曲率半径小于1000）装于镜体内并被冷却到78K以下，然后通入成像气体He或Ne(10～10Torr)。当样品加上高电场(约4V/)后，由于热运动而射到样品针尖的成像气体原子会因受电场的诱导而极化并吸附于针尖表面的各个晶面的突出原子的上方。随后,更多的成像气体原子射到针尖表面,它们在表面上几经跳跃并由于能量交换而逐渐被减速，最后它们中的一些停留在表面的突出原子处被极化了的成像气体原子的上方，它们因电子隧道效应而被电离（“场电离”）。电离后的成像气体离子再次受电场加速而沿电场线飞向阴极一侧，中间经过电子倍增沟道板，由离子变成倍率很高的电子，然后投射到荧光屏，映出与样品针尖表面的原子相对应的，倍率为10～10的原子放大像。
1967年，E.W.弥勒又设计出一种所谓“原子探针场离子显微镜”（Atom Probe FIM，简称APFIM）,它是由场离子显微镜(FIM)与飞行时间(TOF)质谱仪组成的一种联合分析装置APFIM的优点在于它不仅能观察表面单个原子的行为，而且通过脉冲高压使表面原子“场蒸发”的办法,将被观察的原子逐个进行“剥离”,并对其作质量分析，确定它的质量数。从而研究从表面到体内各个原子面上原子排列的三维状态以及不同元素原子的分布。这就使 FIM的研究进入了一个新的定量化的阶段。目前，APFIM已有多种型式。常见的有飞行时间型(直线型和静电偏转型)、磁场偏转型以及直接成像型等。最近,为解决导电性较差的半导体和缘体材料对瞬时脉冲“场蒸发”的困难，已发展出一种新的脉冲激光型APFIM,并已显出它的广阔应用前景。
FIM以及APFIM不仅可用于观察固体表面原子的排列，研究各种晶体缺陷（空位、位错以及晶界等），而且利用场蒸发还能观察从表面到体内的原子的三维分布状况。早期的FIM研究，主要着重于金属表面的结构缺陷,合金的晶界，偏析以及有序－无序相变和辐照损伤等。现在已逐步扩展到表面吸附、表面扩散、表面原子相互作用以及由温度或电场诱导的各种表面超结构的研究。由于APFIM的出现，现在来各种FIM研究都已进入定量化阶段。
