三维电子断层成像技术是透射电子显微镜中应用最广泛的三维重构技术,它通过样品的倾转系列线性投影图像来对原始样品三维结构进行重建。由于需要收集大量的倾转系列透射电子显微镜图像,该技术在实际运用中存在许多理论和实验问题。首先,由于常规的透射电子显微镜无法收集样品倾转至高角度的图像,致使重构结果在傅里叶空间中存在一个锥形的信息缺失的区域,通常称为缺失锥,这使得重构的结果中存在严重的假象。另一方面,随着扫描透射电子显微镜的电子束斑的尺寸越来越小,高角环形暗场像将成为样品局部的光学层析,偏离样品结构的线性投影。此时,原子分辨率的三维电子断层成像技术在理论上是否可行、其与常规块体样品的三维重构之间的异同,需要被研究和准确地理解。另外,为了回避实验中存在的困难,一些电子显微学家另辟蹊径,通过结合像模拟和相关理论,从单张或少量透射电子显微镜图像来分析材料的三维结构信息。这些方法的实验实现过程更加简单快捷,但是在理论上面对许多挑战,是值得探究和完善的新技术。着眼于上述科学问题,本论文通过理论探究、编程模拟、实验验证等手段开展了如下研究,并取得了一些创新性结果:（1）开发了一种代数重构型神经网络三维电子断层成像算法。该算法以反传播神经网络为优化模型求解线性投影方程组,直接从实验投影数据进行图像重建。不同于一般的正则化或约束的代数重构算法,该算法凭借神经网络的高复杂度来重构低维的图像,能够在不引入任何先验知识的情况下,大幅度抑制缺失锥假象,恢复出缺失锥中丢失的频率信息。并且,该算法还使用了一种“多次平均”的方式,在统计意义上获得平滑数值解,这使其不易与实验噪音互相干扰,具有良好的抗噪音能力。模拟测试表明,该算法能够运用于重构各种不同形态的样品。实验结果表明,当材料的形貌复杂,且存在实验噪音时,该算法相比于其他方法具有很大的优势。（2）通过理论模拟,探究了纳米尺度景深下原子分辨率三维电子断层成像技术的可行性。研究中使用多片层法模拟原子模型的倾转系列高角环形暗场像,再使用同时迭代重构技术对其进行重构。为了避免通道效应,研究中以无序的原子模型为探究对象,对比研究了束斑的加速电压、会聚半角、欠焦量、样品的尺寸、元素等因素对三维重构的影响。研究发现,当景深小于样品厚度时,三维重构技术只能正确重构样品中的局部区域。而且,实际正确重构的区域相对于电子束名义聚焦位置偏上,即存在提前聚焦现象。电子束斑的实际聚焦位置与倾转轴之间的相对关系,决定图像包含的样品信息的具体位置,从而决定重构的质量。电子束斑聚焦于倾转轴上时,可以获得最好的重构效果。电子束斑偏离倾转轴时,相当于收集到的信息中存在缺失锥。（3）提出了一种切实可行的通过对单张透射电子显微镜原子像的定量分析重建一般晶体表面的原子分辨率三维重构技术。本文首先设计了一种通过模拟匹配,全局定量分析透射电子显微镜原子像的算法。通过详细的理论模拟探究,证明了对于一般的透射电子显微镜原子像,必须使用全局匹配,才能准确重构其对应的样品的三维形貌。并且,本文还提出了一种自洽性验证方案,取多次独立重构的平均结果重构为最终结果,具有统计意义,且能够估计和定义三维重构的分辨率。重构后还通过定量模拟分析,并引入置信度来定量探究非晶对重构结果的影响。我们使用该方法对Si[110]晶体样品的二维原子分辨率透射电镜图像进行了重构,并且测得该重构的结果在原子柱的高度（欠焦量）和厚度（原子个数）方面的分辨率都是一个原子间距（0.384 nm）,其表面覆盖的非晶层厚度小于1 nm。本论文开发了高精度的三维重构新方法,并在理论上探究和揭示了当三维重构达到原子分辨率时将面对的问题。这些方法和理论还有更广阔的探究空间,能够为材料科学研究提供更好的技术手段。