(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持手段と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記結像レンズ系による前記試料の像を取得するための少なくとも１つの検出手段とを備えた透過型電子顕微鏡であって、
前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の上流側に配置された第１の電子線バイプリズムと、
前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の下流側で、前記第１の電子線バイプリズムによって作り出される前記電子線の陰の空間に配置された第２の電子線バイプリズムとを有し、
前記第１の電子線バイプリズムにより、前記光源から放出された電子線を偏向させて、前記試料の所定の領域を異なる角度から照射する第１の電子線と第２の電子線とに分離し、
前記第２の電子線バイプリズムにより、前記試料を透過した前記第１の電子線および前記第２の電子線を偏向させて、前記第１の電子線により作られる前記試料の第１の像と前記第２の電子線により作られる前記試料の第２の像とを空間的に分離して形成し、
前記第１の像と前記第２の像とを前記検出手段で取得する
ことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記検出手段で取得された試料像から前記試料の形状を求めるための演算装置と、前記演算装置により求められた前記試料の形状を表示するための表示装置とを備えていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
前記演算装置は、前記試料の右視野像、左視野像に該当する前記第１、前記第２の像から前記試料の３次元形状を求める機能を有しており、
前記表示装置に、前記演算装置により求められた前記試料の３次元形状を表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１において、
前記第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極に正電圧が印加され、前記第２の電子線バイプリズムに負電圧が印加されることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１において、
前記第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極に印加される印加電圧をVf、偏向係数をkとし、αを電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度としたとき、α=kVfの関係に基き、前記光源から放出された電子線を偏向させて前記第１の電子線と前記第２の電子線とに分離する第１の電子線バイプリズムの制御ユニットを有していることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１において、
前記第２の電子線バイプリズムの中央極細線電極に印加される印加電圧をVf、偏向係数をkとし、αを電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度としたとき、α=kVfの関係に基き、前記試料を透過した前記第１の電子線および前記第２の電子線を偏向させて空間的に分離して形成する第２の電子線バイプリズムの制御ユニットを有していることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１において、
前記第１の電子線バイプリズムを、前記電子線の進行方向において前記照射光学系の照射レンズの主面に配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１において、
前記第１の電子線バイプリズムを、前記電子線の進行方向において前記照射光学系の照射レンズの上流側に配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１において、
前記第１の電子線バイプリズムを、前記電子線の進行方向において前記照射光学系の照射レンズの下流側に配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項７において、
前記照射光学系の照射レンズの主面に照射絞りを配置し、該照射絞りの絞り孔の中央部に前記第１の電子線バイプリズムの中央細線電極を配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項３において、
前記試料保持手段がトモグラフィー用試料ホルダーであり、
前記試料を連続的に傾斜させて撮影した撮影した複数の投影像を前記演算処理装置で画像処理し、３次元的構造を再構成し、前記表示装置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１２】
電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持手段と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記結像レンズ系による前記試料の像を取得するための少なくとも１つの検出手段とを有する透過型電子顕微鏡であって、
前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の上流側に配置された第１の電子線バイプリズムと、
前記電子線の光軸上で前記照射光学系に属する１つもしくは複数のレンズを介して前記第１の電子線バイプリズムよりも前記電子線の進行方向の下流側で、かつ前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の上流側で、前記第１の電子線バイプリズムによって作り出される前記電子線の陰の空間に配置された第３の電子線バイプリズムと、
前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の下流側で、前記第１の電子線バイプリズムによって作り出される前記電子線の陰の空間に配置された第２の電子線バイプリズムとを有し、
前記第１の電子線バイプリズムおよび前記第３の電子線バイプリズムにより前記光源から放出される電子線を偏向させて互いに異なる方向に伝播するように偏向された第１の電子線と第２の電子線とを、前記試料の所定の領域を異なる角度から照射し、
前記第２の電子線バイプリズムによって、前記試料を透過した前記第１の電子線および前記第２の電子線を偏向させることにより、前記第１の電子線により作られる前記試料の第１の像と前記第２の電子線により作られる前記試料の第２の像とを分離して形成し、
前記第１の像と前記第２の像とを前記検出手段で取得する
ことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２において、
複数の試料像から試料の形状を求めるための演算装置と、前記演算装置により求められた前記試料の形状を表示するための表示装置とを備えたことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１２において、
複数の試料像から試料の３次元形状を求めるための演算装置と、前記演算装置により求められた前記試料の３次元形状を表示するための表示装置とを備え、
前記３次元形状を求めるための前記複数の画像が、前記試料の右視野像、左視野像に該当する前記試料の第１の像と第２の像であることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１２において、
前記結像光学系を構成する対物レンズの電子線の下流側でかつ該対物レンズによる像の上流側に、干渉像を得るための第４の電子線バイプリズムを備えたことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項１６】
電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、
前記電子線が照射する前記試料を保持するための試料保持手段と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記結像レンズ系による前記試料の像を取得するための少なくとも１つの検出手段と、複数の試料像から試料の形状を求めるための演算装置と、表示装置とを有する透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法であって、
前記光源から電子線を発生させ、
前記照射光学系中に設置された第１の電子線バイプリズムにより前記電子線を偏向させて角度の異なる２つの電子線に分離し、前記試料の所定の観察領域に異なる角度から同時に照射し、
該試料を同時に透過した前記照射角度の異なる前記２つの電子線を前記結像レンズ系に配置された第２の電子線バイプリズムにより空間的に分離してそれぞれ個別に結像させて、２つの試料像を前記検出手段で取得し、
前記２つの試料像を処理した画像を前記表示装置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記照射角度の異なる２つの試料像から前記試料の３次元形状を再構築し、前記表示装置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法。
【請求項１８】
請求項１６において、
前記照射角度の異なる２つの試料像を生成し、前記表示装置の異なる位置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法。
【請求項１９】
請求項１６において、
前記透過型電子顕微鏡は、前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の下流側に配置された対物絞りを有しており、
透過電子線のみを用いた前記試料の明視野像と散乱電子線もしくは回折電子線のみを用いた前記試料の暗視野像とに基く２つの画像を生成し、前記表示装置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法。
【請求項２０】
請求項１６において、
前記第１の電子線バイプリズムは、前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の上流側に配置され、
前記第２の電子線バイプリズムは、前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の下流側で、前記第１の電子線バイプリズムによって作り出される前記電子線の陰の空間に配置されており、
前記光源から放出される電子線を前記第１の電子線バイプリズムにより偏向させて第１の電子線と第２の電子線とに分離し前記試料の所定の領域を異なる角度から同時に照射し、
前記試料を透過した前記第１の電子線および前記第２の電子線を前記第２の電子線バイプリズムにより偏向させて、前記第１の電子線により作られる前記試料の第１の像と前記第２の電子線により作られる前記試料の第２の像とを空間的に分離して形成し、
前記試料の右視野像、左視野像に該当する前記第１の像と前記第２の像とを前記検出手段で取得し、
前記試料の第１の像と第２の像とを処理した画像を前記表示装置に表示することを特徴とする透過型電子顕微鏡を用いた試料像の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型電子顕微鏡およびそれを用いた試料像の観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線は物質との相互作用が大きく、プローブとして用いるには高電圧で加速し、真空中を伝播させなければならない。そのため、レーザー光学系の様に、光学ベンチ上に３次元空間を利用して光学系を構成することは不可能で、光源（電子源）、レンズ、試料、観察装置が１つの真空容器（鏡体）内に１次元状に列を成して構成される。この様な構成から、従来の電子顕微鏡では試料を同時に２方向から観察することは大変に困難であり、２つの電子線を必要とする干渉型電子顕微鏡においても、１次元状に構成された光学系の範囲内での取り扱いであり、干渉の結果記録される干渉像も一時に１画像である。
【０００３】
このような電子顕微鏡における３次元観察法、立体観察法としては、トモグラフィー、ステレオ法、共焦点走査法などが用いられている。ステレオ法は、最も古くから実施されている観察法で、電子線に対して試料をプラスマイナスのそれぞれの方向に数度傾斜させた２枚の画像（もしくは試料像）を取得し、ステレオビュアーなどを用いて立体的に観察する方法であり、例えば、非特許文献１に開示されている。ステレオ法では、傾斜角度の異なる２枚の画像が、右視野像、左視野像に該当し、２枚の画像の角度差が視差角となる。
【０００４】
トモグラフィーは、近年のコンピュータを用いた画像処理技術の発達、試料位置/角度のコンピュータ制御の発達を受けて、同一視野内において試料傾斜角を例えば±７０°の範囲で数度ずつ変更しながら複数枚（数十枚）の画像を取得し、得られた画像を計算機処理することによって試料の所定の視野領域の３次元構造を計算機内に再構築し、任意の方位からの立体観察を可能成らしめる方法である。トモグラフィーは、例えば、非特許文献２に開示されており、これはステレオ法を高精度に発展させたものと考えることができる。
【０００５】
以上の方法は、画像の取得方法には依らないため、透過型電子顕微鏡において実施されているだけでなく走査透過型電子顕微鏡においても実施可能である。また、ステレオ法については、試料の表面形状を主な観察対象とする走査型電子顕微鏡においても実施されており、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１では、偏向器等を用いて電子線を偏向させ垂直照射電子線と斜め照射電子線とに切替えて、これら２つのビームを交互に試料に照射することで試料を異なった角度から観察できるようにしている。同様に、透過型電子顕微鏡を用いた試料の立体観察法が、特許文献３にも開示されている。特許文献３には、電子線源から発せられた電子線から、電子線台形プリズムに印加される電圧の極性の切替えによって異なる角度に偏向された第１の電子線と第２の電子線とを交互に形成し、これらの第１、第２の電子線を試料に交互に照射することにより第１の像、第２の像を撮像し、立体形状を再構築してモニタに表示する方法が開示されている。
【０００６】
共焦点走査法は、走査透過型電子顕微鏡法の一種であるが、照射角度の大きな電子線を用いて電子線の光軸方向の収斂部を小さくするとともに結像系に小径絞りを用いて被写界深度の浅い２次元画像を作り出し、観察面を光軸方向に変化させた複数枚の画像から試料の３次元構造を得る方法である。共焦点走査法は例えば、特許文献２に開示されている。
【０００７】
一方、上段の電子線バイプリズムが試料の下流側に配置され、下段の電子線バイプリズムが、上段の電子線バイプリズムの陰の空間に配される構造の２段バイプリズムを備えた干渉計が、特許文献４に開示されている。
【０００８】
また、照射光学系に四角錐型電子線プリズムを用いた干渉装置の例が、特許文献５の図１５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３１００７０号公報
【特許文献２】特開２００８−２７００５６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７１９２２号公報
【特許文献４】特開２００５−１９７１６５号公報
【特許文献５】特開２００６−３１３０６９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】桐谷道雄  『電子顕微鏡』Vol. 16, (1981) P71-P81
【非特許文献２】K. Kimura et al., J. Electron Microsc. Vol. 54 (4), (2005) P373-P377
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の電子顕微鏡において、複数の方向からの試料の観察を一度に実施することは困難であった。そのため、例えば、試料の３次元形状を求めるには、試料を様々な角度に傾斜させ、得られた各々の画像から３次元形状を再構築するトモグラフィー法、右視野像、左視野像に該当する２枚の画像を試料の傾斜もしくは電子線の照射角度の変化によって作り出し、立体観察を可能成らしめるステレオ法、走査型共焦点光学系においては、電子線の照射スポット（収斂部）と試料との位置関係を相対的に光軸方向に変化させて得られる複数の走査画像から試料の３次元形状を求める方法などがある。
【００１２】
しかし、上記各方法は、いずれも複数枚の画像を順次取得するため、画像取得の所要時間が大きく、動的観察、実時間観察には不適当な方法である。すなわち、いずれの方法も複数枚の画像を得るには画像枚数回分の画像取得作業を必要としており、時間分解能が低く、動的観察、実時間観察には至っていない。
【００１３】
その欠点を補うために、ステレオ法においては、試料を傾斜させる代わりに、電子線の照射角度を変化させることによって２枚の画像を短時間で取得する方法が考案されており、例えば、上記特許文献３に開示されている。
しかし、特許文献３の方法でも、印加電圧の極性を交互に切替えて電子線を偏向させて第１、第２の電子線を形成し、試料に交互に照射することで、第１の像と第２の像を順次取得している。そのため、第１の像、第２の像すなわち右視野像、左視野像の取得においてそれぞれ照射光学系の変更・調整と検出系との同期操作が必要であり、それらの所要時間内において動的観察を可能成らしめるもので、右視野像、左視野像の同時取得には至っていない。
【００１４】
本発明の主たる目的は、２種類の観察像の同時取得によるデータ量の倍増、及びそれによるデータ精度、信頼度の向上などを実現する透過型電子顕微鏡およびそれを用いた試料像の観察方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明の透過型電子顕微鏡は、電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持手段と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記結像レンズ系による前記試料の像を取得するための少なくとも１つの検出手段とを備えた透過型電子顕微鏡であって、前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の上流側に配置された第１の電子線バイプリズムと、前記電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より前記電子線の進行方向の下流側で、前記第１の電子線バイプリズムによって作り出される前記電子線の陰の空間に配置された第２の電子線バイプリズムとを有し、前記第１の電子線バイプリズムにより、前記光源から放出された電子線を偏向させて、前記試料の所定の領域を異なる角度から照射する第１の電子線と第２の電子線とに分離し、前記第２の電子線バイプリズムにより、前記試料を透過した前記第１の電子線および前記第２の電子線を偏向させて、前記第１の電子線により作られる前記試料の第１の像と前記第２の電子線により作られる前記試料の第２の像とを空間的に分離して形成し、前記第１の像と前記第２の像とを前記検出手段で取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、試料の同一領域の複数の観察像が同時に得られる様になり、取得情報量が倍増し、観察者にとっては観察効率が向上する。すなわち、同時に取得される右視野像、左視野像に該当する２枚の画像は、試料を全く同時刻に透過した２つの電子線の結像によるものであり、同時観察が厳密に実現されている。そのため、試料像の検出系の時間分解能に制約されるのみで、通常の電子顕微鏡観察と同様の動的観察、実時間観察が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】電子線バイプリズムの構成とこの電子線バイプリズムを利用した本発明による電子線の偏向を示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａの電子線バイプリズムの透過前後の各位置における、電子線の断面形状を示す模式図である。
【図２】照射光学系の電子線バイプリズムを照射レンズの主面に配置した、本発明の原理を示す光学系の模式図である。
【図３】図２の光学系とは、右視野像と左視野像を入れ替えた状態で結像させる、本発明を適用した他の光学系の模式図である。
【図４】照射光学系の電子線バイプリズムを照射レンズの上方に配置した、本発明を適用した他の光学系の模式図である。
【図５】照射光学系の電子線バイプリズムを照射レンズの下方に配置した、本発明を適用した他の光学系の模式図である。
【図６】本発明を適用し、照射光学系の電子線バイプリズムを照射レンズの下方で、光源の像のさらに下方に配置した場合の光学系の模式図である。
【図７】本発明を適用し、照射光学系の電子線バイプリズムを照射絞りと併用した場合の光学系の模式図である。
【図８】本発明を適用し、照射光学系の電子線バイプリズムを照射絞りの上方で併用した場合の光学系の模式図である。
【図９】本発明を適用し、照射光学系に２つの電子線バイプリズムを用いた場合の光学系の模式図である。
【図１０】本発明において干渉顕微鏡像を得るための原理を示す光学系の模式図である。
【図１１】本発明を適用し、照射光学系の電子線バイプリズムを、照射絞りの下方で併用した場合の光学系の模式図である。
【図１２】本発明の第１の実施例になる電子顕微鏡の構成例を示す模式図である。
【図１３】第１の実施例における光学系の調整法を示したフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施例になる電子顕微鏡の構成例を示す模式図である。
【図１５】本発明の第３の実施例になる電子顕微鏡の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施例になるトモグラフィーへの応用例を示す模式図である。
【図１７】本発明の第５の実施例になるトモグラフィーへの応用例を示す模式図である。
【図１８】本発明の第６の実施例（２電子線による同時フーコー法）になる模式図である。
【図１９】本発明の第７の実施例（４電子線による同時フーコー法）になる模式図である。
【図２０】本発明の第８の実施例（明視野像/暗視野像の同時観察）になる模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
最初に、本発明の概要を説明する。  
本発明は、透過型電子顕微鏡において複数の方向からの試料の観察を可能成らしめるとともに、立体観察法において、動的観察、実時間観察を実施するためになされたもので、右視野像、左視野像に該当する２枚の画像の実時間、同時取得を特徴とする。
【００１９】
前提として、透過型電子顕微鏡の光学系は、光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、電子線が照射した試料の像を観察領域に結像するための対物レンズおよび複数のレンズから構成される結像光学系（結像レンズ系もしくは拡大結像系とも言う）とを備えている。
【００２０】
本発明の一形態では、照射光学系中に第１の電子線バイプリズムを設置して角度の異なる２つの電子線を作り出し、試料の所定の観察領域に異なる角度から同時に照射する。この全く同時に試料を透過した２つの電子線を結像光学系に配置した第２の電子線バイプリズムにより空間的に分離し、検出面（観察記録面）にそれぞれ個別に結像させることにより、同時に右視野像、左視野像に該当する照射角度の異なる２つの電子顕微鏡像を得る。なお、この２つの電子顕微鏡像を検出手段により検出する検出面を、以下、便宜的に観察記録面と称するが、この観察記録面では試料像の検出と記録を行う場合のみならず、試料像の検出のみが行われる場合もあることは言うまでもない。
【００２１】
これにより、同一領域の複数の観察像が同時に得られる様になり、取得情報量が倍増し、実験効率が向上する。具体的には、以下の通りである。  
上述した構成により取得される右視野像、左視野像に該当する２枚の画像は、全く同時刻に試料を透過した２つの電子線の結像によるものであり、同時観察が厳密に実現されている。そのため、試料像の検出系の時間分解能に制約されるのみで、通常の電子顕微鏡観察と同様の動的観察、実時間観察が可能となる。また、２種類の試料像の同時取得によるデータ量の倍増、もしくは、時間的画像精度の向上、２枚の画像に対する拡大結像条件が全く同じであるためデータ精度、信頼度の向上などを実現できる。
【００２２】
さらに、右視野像、左視野像に該当する２枚の試料像取得に際して、新たな光学系の変更、再調整は必要なく、照射系、結像系を通じて全く同じレンズ、偏向器が用いられるため、誘導磁場やレンズ電流の揺らぎなど、取得される２枚の試料像に加わるノイズ等の外乱は同じものであり、画像解析時のアーティファクトを生じ難い。以上のことから、本発明によれば、試料の３次元形状・立体観察において、高精度、高分解能で、かつ高時間分解の動的、実時間観察が可能となる。
【００２３】
また、試料を多方向から実時間観察できるため、経時変化するような試料（例えば生物試料等)のリアルタイム多面観察が可能となる。また、細胞内部や生体内の微細構造を含む、比較的厚みを有する生物試料に対しても同様に、高精度且つ高時間分解の動的、実時間観察が可能となることはいうまでもない。
【００２４】
磁区構造を観察するローレンツ顕微鏡法（フーコー法）においても、磁化状態により異なる２方向に偏向された電子線を同時、個別に結像できるため、より高精度な磁区構造観察が可能となる。
【００２５】
以下、本発明の構成要素である電子線バイプリズム及び光学系、さらには干渉光学系について説明する。
＜電子線バイプリズム＞
電子線の伝播方向や位置を分離・重複させるために、照射光学系と、結像光学系において各々少なくとも１つずつの電子線バイプリズムを必要とする。先ず、この電子線バイプリズムについて、図１Ａ、図１Ｂを参照しながら説明する。
【００２６】
電子線バイプリズムは、光学におけるフレネルの複プリズムと同じ作用をする電子光学系における装置で、電界型と磁界型の二種類がある。このうち、広く普及しているものは図１Ａに示す電界型電子線バイプリズムであり、これは、中央部の極細線電極９と、その電極を挟む形で平行に保持され接地された一対の平行平板型接地電極９９とで構成される。例えば、図１Ａに示したごとく、光軸２上の中央極細線電極９に正電圧Ｖｆを印加すると、中央極細線電極９の近傍を通過する電子線ｅ−は、この中央極細線電極９の電位により互いに向き合う方向に偏向される（電子線の軌道２７参照）。
もちろん、光学系の構成によっては、電子線バイプリズムの中央極細線電極９に負電圧を印加する場合もあり、このときは、中央極細線電極９の近傍を通過する電子線ｅ−が互いに離れる方向に偏向される。
【００２７】
照射光学系に設置される電子線バイプリズムは、電子線を２つの領域（第１の電子線２１と第２の電子線２３）に分離する機能を有する。
【００２８】
図１Ｂに、電子線の進行方向の各位置での電子線の断面形状を示している。図１Ｂの（ａ）−（ｃ）は、各々、図１Ａにおける電子線の断面Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の各位置での電子線（電子線の断面もしくは照射領域、以下、単に電子線）の形状を示している。光源から放出された電子線２０の断面（Ａ−Ａ’）を円形とした場合、これが、断面（Ｂ−Ｂ’）に示すように、電子線バイプリズムの中央極細線電極９により該中央極細線電極の軸を中心にして左右対称な２つの半円形の領域（第１の電子線２１と第２の電子線２３）に分離され、かつ、これら２つの領域の電子線が互いに向き合う方向に偏向されることにより、断面（Ｃ−Ｃ’）に示すように、これら２つの半円形の領域（第１の電子線２１と第２の電子線２３）が全く同時刻に試料面上の同一観察領域に重畳して照射される。
【００２９】
本発明において、結像光学系に設置される電子線バイプリズムは、２つの領域の電子線２１、２３を、互いに離れた干渉を生じない位置に空間的に分離する機能を有する。試料の観察記録面上で得られる２つの電子線（右視野電子線２１、左視野電子線２３）は、全く同時に試料を透過した２つの電子線、すなわち同時に試料面上の同一観察領域に重畳して照射された２つの電子線によって得られた試料透過像である。
【００３０】
以下、電子線バイプリズムとして電界型電子線バイプリズムを用いて説明を行う。しかし、本発明は電子線バイプリズムとして電界型、磁界型に依らず構成可能であり、以下の説明で用いる電界型電子線バイプリズムに限定するものではない。
【００３１】
なお、中央極細線電極９から離れるほど電子線に作用する電位は小さくなるが、電位が作用している空間範囲が長くなるため、結果的に電子線の偏向角度は入射位置に依らず極細線電極への印加電圧に比例する。すなわち、αを電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度とすると、中央極細線電極９への印加電圧Vfと偏向係数kを用いてα=kVfで表わされる簡単な関係を持つ。偏向係数kは中央極細線電極９と接地電極９９との距離など装置の形状に依存するが、一般に加速電圧が100kVから300kVの電子顕微鏡においては k=2×10-6 rad/V 程度であり、中央極細線電極への印加電圧が500Vのときに、結晶によるブラッグ角１°の1/10程度の値（0.1°（0.001 rad））となる。この角度は、照射光学系により拡大、縮小が可能で、±５°（±0.5 rad）の照射角度差を作りだせる。
＜光学系＞
本発明は、１つの鏡体からなる電子顕微鏡の１つの光軸のみをもつ電子光学系において、照射角度の異なる２つの電子線（第１の電子線と第２の電子線）を作り出し、試料を透過後、それぞれの電子線を異なる試料像として個別に結像、記録することを特徴とする。
【００３２】
図２に、本発明を適用した代表的な光学系の例を示す。電子の光源１から放出された電子線は、照射光学系（照射レンズ４）により試料への照射に際して適切な電子密度、照射領域と成るよう調整される。このとき同時に、照射光学系に配置された第１の電子線バイプリズム９１により照射電子線は２つの電子線（第１の電子線２１と第２の電子線２３）に分離される。ここでは、第１の電子線２１の領域をドットで表示し、第２の電子線２３の領域と区別している。  
試料３の所定の領域を異なる角度から照射した２つの電子線２１、２３は、それぞれ拡大結像系にて結像される。３１は対物レンズ５により結像された試料の像を示している。２つの電子線２１、２３は、さらに、例えば、結像レンズ６による光源の像（光源の実像）１０の近傍に配置された第２の電子線バイプリズム９２により空間的に分離され、観察記録面８９の空間的に離れた位置にそれぞれ個別に像（試料の右視野像３２１、試料の左視野像３２３）を結ぶ。
【００３３】
図２の光学系においては、簡単のため、電子線の加速管など照射光学系に至るまでの装置（電子源もしくは電子銃）を、省略して電子の光源１として表すとともに、照射光学系も１段のレンズ４で代表して示している。拡大結象系においても、本発明の概念をより判り易く説明するため、対物レンズ５と拡大レンズ６の各１段のみを描いている。
【００３４】
さらに、２つの電子線バイプリズム９１、９２に関しては、中央極細線電極をその断面形状を示す円でのみ表し、接地電極は省略している。
また、電子線バイプリズムについて、光学系の中で厳密に中央極細線電極を示す場合は『電子線バイプリズムの中央極細線電極』と表記し、電子線の偏向器として慣用する場合には『電子線バイプリズム』とのみ表記するが、符号に関しては同じものを用いる。以上は、図２以降の図、説明においても同様である。
【００３５】
図２の光学系において、照射光学系に配置される第１の電子線バイプリズム９１は、試料直上（電子線の進行方向の上流側）の照射レンズ４の主面に配置した場合を図示しているが、その設置位置は照射レンズ４の上下に複数の場合が考えられる。利用する照射レンズとしては、上流側の第１照射レンズ、その下流側の第２照射レンズのどちらでも可能である。照射絞りとの併用、下流側第２照射レンズによる拡大、もしくは縮小の可能性から、上流側の第１照射レンズを利用する方が合理的と推定される。しかし、この構成の限りではないことはもちろんである。
【００３６】
一方、拡大結像系に配置される第２の電子線バイプリズム９２は、照射光学系に配置された電子線バイプリズムの陰の空間２２に配置すればよく、電子顕微鏡の機械的位置構成などを勘案して具体的な設置位置が定められれば良い。このように下流側の電子線バイプリズムが、上流側の電子線バイプリズムの陰の空間に配される点は、特許文献４に開示された２段バイプリズム干渉計と同様の構成である。しかし、特許文献４の下流側の電子線バイプリズムは、観察面に干渉像を生成するように電子線を偏向させる機能を有する点で、本発明の電子線バイプリズム９２とは異なる。
【００３７】
なお、第２の電子線バイプリズム９２が配置される位置は、対物レンズ５の下流側でも良く、対物レンズ５と第１拡大レンズ、第１拡大レンズと第２拡大レンズ、第２拡大レンズと第３拡大レンズの間などが想定される。いずれの位置においても、機械的、空間的に第２の電子線バイプリズム９２を設置可能な電子顕微鏡の装置上のスペースがあることと、第１の電子線バイプリズムの陰の空間２２内に収まる中央極細線電極の太さであることが必要である。
【００３８】
まとめると、第１の電子線バイプリズムが配置される位置は、電子線の光軸２上で試料の配置される位置より電子線の上流側の照射光学系であれば良く、これには照射光学系を構成するレンズと試料の間の位置も含まれる。さらに、第２の電子線バイプリズムが配置される位置は、電子線の光軸上で試料の配置される位置より電子線の下流側で、第１の電子線バイプリズムによって作り出される電子線の陰の空間であれば良く、これには結像レンズ系を構成するレンズと、試料との間や観察面との間も含まれる。
【００３９】
なお、第２の電子線バイプリズムは、観察領域において重畳された２つの領域の電子線２１、２３を、互いに空間的に分離する機能を有するものであれば良く、中央極細線電極９に印加電圧の極性は負電圧に限定されるものではない。
【００４０】
図３の光学系は、第２の電子線バイプリズム９２への印加電圧Ｖｆの正負を図２の光学系の場合と逆転させた例を示す。右視野電子線２１と左視野電子線２３を大きく偏向させることによって、図２の場合とは互いに逆の検出系へ、右視野像３２１、左視野像３２３を記録することができる。
【００４１】
図３の光学系の構成で立体視を行った場合には、図２の光学系と比較して凹凸の逆転した試料像が得られる。このように、本発明における第２の電子線バイプリズム９２の利用の仕方は、従来の電子線ホログラフィーなどで用いられる電子線バイプリズムの使い方とは本質的に異なり、２つの試料像をそれぞれ個別に結像し、検出手段により取得するために、２つの電子線を空間的に分離させるために使用することを特徴とする。
【００４２】
また、広範囲を入射電子線が照射した場合には、第２の電子線バイプリズム９２による、偏向だけでは２つの試料像を分離しきれず、右視野像へ左視野像が、左視野像へ右視野像が、互い重畳されて観察される可能性がある。この場合には、観察記録面８９の直前での視野制限を行い２試料像の重畳を防げばよい。但し、この場合には、２孔の視野制限が必要となる。そのため、図３に示したごとく、制限視野絞り５６を用いて、結像の初期に視野制限を実施することが合理的である。これにより、制限視野絞りの像３５６が試料の像（右視野像３２１、左視野像３２３）に重畳される。
【００４３】
既に述べた通り、第１の電子線バイプリズムが配置される位置は、電子線の光軸上で試料の配置される位置より電子線の上流側の照射光学系であれば良い。図４、図５、図６に、それぞれ第１の電子線バイプリズム９１の位置を電子線の進行方向において変えた場合の光学系の例を示す。図４の光学系は、第１の電子線バイプリズム９１を試料３の直上の照射レンズ４のさらに電子線の進行方向の上流側に配置した例である。図５の光学系は、第１の電子線バイプリズム９１を試料３の直上の照射レンズ４の電子線の進行方向の下流側で、該照射レンズ４による光源の像１０の上流側に配置した例である。図６の光学系は、第１の電子線バイプリズム９１を試料３の直上の照射レンズ４の下流側で、かつ該照射レンズ４による光源の像１０のさらに下流側で、試料３の位置より上流側に配置した例である。このように第１の電子線バイプリズム９１の位置を電子線の進行方向において変えることで、試料への照射角度が異なり、ひいては観察記録面で得られる試料像のもつ情報が異なったものになる。
【００４４】
図２、図３、図４、図５の各光学系における第１の電子線バイプリズム９１への印加電圧Ｖｆは負、図６の光学系における第１の電子線バイプリズム９１への印加電圧Ｖｆは正であり異なっているが、これは第１の電子線バイプリズム９１と照射レンズ４と光源の像１０の位置とによって定まるもので、これらの光学系の試料上の所定の領域を第１の電子線２１と第２の電子線２３により２方向から照射する作用に対しては同等である。
【００４５】
電子線の試料３に対する照射角度を分離、複数化する第１の電子線バイプリズム９１は、照射角度、照射電子線量を制御する際に用いられる照射絞り１５と併用が可能である。図７に、照射絞り１５と、第１の電子線バイプリズム９１の併用の例を示す。この例では、照射絞り孔（１孔）の中央部に第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極９１が配置され、これらが照射レンズ４の主面近傍に配置されている。
【００４６】
図８の光学系は、照射絞り１５に２孔のものを用いるとともに、照射絞り１５と第１の電子線バイプリズム９１の位置を一致させない場合の例である。すなわち、照射絞り１５を照射レンズ４の主面近傍に配置し、第１の電子線バイプリズム９１を照射絞り１５の上流側に配置している。  
図８の光学系に示した様に、照射絞りを２孔に分けた場合、照射レンズ４の励磁（焦点距離）によっては、第１の電子線バイプリズム９１による電子線の偏向作用が無くても、試料への２つの照射角度を作り出すことは可能であるが、照射光学系に求められる制御性を考慮すると、第１の電子線バイプリズムを備えることが好適である。
＜干渉光学系への適用＞
上述の光学系においては、電子線の干渉性については特に考慮しなかった。照射絞り、および第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極から発生するフレネル回折電子線は、主電子線２１、２３とともに試料に重畳して照射され、フレネル縞を発生させるが、熱電子源を光源とする場合には、電子線の可干渉性が低くフレネル縞の発生領域は試料照射領域の周辺部に限られるため問題とならない。これは熱電子型電子顕微鏡において、照射絞りの発生させるフレネル縞が観察像に影響を与えないことから明らかである。しかし、電子線源を例えば電界放出型とした場合には、フレネル縞の影響は照射領域の広範囲に及び、観察像へも影響を与える可能性がある。
【００４７】
図９の光学系は、干渉型電子顕微鏡において、本発明を実施する場合の、光学系について示したものである。照射光学系に電子線バイプリズムを２つ用いる点を特徴としている。第１の電子線バイプリズム９１、および照射絞り１５を、照射レンズ４の物面に設置し、試料３上に第１の電子線バイプリズム９１と照射絞り１５の像を結像させることによりフレネル縞の発生を抑止するものである。２つの電子線２１、２３が試料３の同じ所定の領域を照射するために、照射光学系内において、第３の電子線バイプリズム９３が第１の電子線バイプリズム９１の陰の空間２２に配置され、２つの電子線２１、２３を偏向させている。この配置をとることにより、第３の電子線バイプリズム９３によるフレネル回折は発生しない。従ってこの照射光学系を採る際には、干渉型電子顕微鏡であっても、フレネル縞の影響なく、同一視野の２つの試料像を観察記録することができる。
【００４８】
図１０の光学系は、図９の干渉型電子顕微鏡において、さらに電子線ホログラフィーを行うために第４の電子線バイプリズム９４を追加した一例である。すなわち、干渉像を得るための第４の電子線バイプリズム９４が、対物レンズ５の電子線の下流側で、かつ対物レンズの像３１の上流側に配置されている。この第４の電子線バイプリズム中央極細線電極９４の方位は、図１０の紙面内でかつ光軸２と直交しており、第１の電子線バイプリズム９１の方位とは『ねじれの位置関係』にある。すなわち、電子光学上の右視野電子線２１、左視野電子線２３ともに、物体波と参照波は、第４の電子線バイプリズム９４により紙面の上下に分離されている。右視野電子線２１、左視野電子線２３の各々の物体波、参照波が各々、観察記録面８９上に試料の像（３２１と３２３）と干渉縞８を描く様子を図１０の下部に描いている。電子線ホログラフィーを行うための光学系は、従来の電子線干渉顕微鏡とまったく同様に構築することが可能で、図１０のごとく、干渉のための電子線バイプリズムを１段利用するものに限らず、特許文献４に開示された２段電子線バイプリズム干渉光学系も、従来法と同様に構築可能である。すなわち、本発明による２視野を同時に得るための光学系は、干渉光学系の構築とそれによる干渉像の観察を妨げるものではない。
【００４９】
図１０の光学系に関し、第４の電子線バイプリズム９４に電圧を印加しない状態で使用すれば、図９の光学系と同じものとなる。従って、同じ装置において、第４の電子線バイプリズム９４に電圧の印加状態を変えることによって、同一視野の２つの試料像を観察記録する処理と、同一視野の２つの試料像の干渉像を観察記録する処理とを使い分けることも出来る。
【００５０】
図１１は、図８の光学系と同様に２孔の照射絞り１５を用いた場合の、干渉型電子顕微鏡のための照射光学系の例である。照射絞り１５を照射レンズ４の物面とし、試料位置をその像面とすることによりフレネル縞の発生を抑止する。そして、試料上の同一視野を２つの角度の電子線で照射するために、照射絞りの孔間の陰の空間に第３の電子線バイプリズム９３を配置した例である。照射絞り１５の電子光学系上の位置が、照射レンズ４の物面と定められたこと以外は、図８の光学系の例と概念は同じである。なお、図１１は２孔の照射絞り１５を採用した場合には、第１の電子線バイプリズム９１を省略し、第３の電子線バイプリズム９３のみにより、試料への２つの照射角度を作り出すことが出来ることを示している。
【００５１】
以上説明してきた本発明の各光学系は、照射光学系に設置した１つもしくは２つの電子線バイプリズムを用いて照射角度の異なる２つの電子線を作り出し、試料を照射・透過後、それぞれの電子線を再度拡大結像光学系の電子線バイプリズムにより空間的に分離し、それぞれ異なる試料像として個別に結像、記録することを特徴としている。
【００５２】
なお、これら干渉型電子顕微鏡においては、照射電子線の安定度は電子線の可干渉性に直接関係しており、電子顕微鏡への設置においては、第１電子線バイプリズムでの帯電効果や電圧印加のための導入線などが、誘導磁場によるノイズの源とならないような配慮、工夫が成されるのは当然のことである。  
以下，図面を参照しながら，本発明を具体的に適用した透過型電子顕微鏡の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００５３】
本発明の実施例１として、図４に示した光学系を搭載した透過型電子顕微鏡の例を、図１２に示す。図１２において、電子光学系は、電子源（もしくは電子銃）１、加速管４０、照射光学系（第１照射レンズ４１、第２照射レンズ４２）、及び結像光学系（対物レンズ５、第１結像レンズ６１、第２結像レンズ６２、第３結像レンズ６３、第４結像レンズ６４）を備えている。この電子光学系は真空容器１８中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に排気されている。
【００５４】
また、１９は電子源の制御ユニット、４９は加速管の制御ユニット、４８は第１照射レンズの制御ユニット、９６は第１の電子線バイプリズムの制御ユニット、４７は第２照射レンズの制御ユニット、３９は試料ホルダー（図示略）を介して試料３を制御する試料の制御ユニットである。５９は対物レンズの制御ユニット、６９は第１結像レンズの制御ユニット、６８は第２結像レンズの制御ユニット、９７は第２の電子線バイプリズムの制御ユニット、６７は第３結像レンズの制御ユニット、６６は第４結像レンズの制御ユニット、５１は制御系コンピュータを示している。第１の電子線バイプリズムの制御ユニット９６や第２の電子線バイプリズムの制御ユニット９７は、α=kVfの関係に基き、第１、第２の電子線バイプリズムの各中央極細線電極９への印加電圧Vfを制御する。
【００５５】
制御系コンピュータ５１は演算処理部及び所定の情報を格納するための記憶部やデータストレージを備えており、さらにモニタ５２や電子顕微鏡本体とオペレータとのマン・マシンインタフェースとなるユーザインタフェース５３及び画像記録・演算処理装置７７が接続されている。７９は試料の観察記録面上で得られる２つの電子線（右視野電子線２１、左視野電子線２３）の像を検出する検出手段としての撮像部、７８は撮像部７９の制御ユニットである。
【００５６】
制御系コンピュータ５１の記憶部には、図１３で説明するフローチャートを実行するためのプログラムを含む、上記各制御ユニットを制御して試料の記録・観察を実行するためのプログラムが記憶されており、制御系コンピュータ５１は、これらのプログラムに従って、上記各制御ユニットを制御する。ユーザインタフェース５３は、例えば、キーボードやマウス、ＧＵＩ機能などの情報入力手段を備えている。画像記録・演算処理装置７７（以下、画像処理装置、演算処理装置ともいう）は、撮像部７９で取得した複数の試料像の情報を記録するとともに、該記録された画像情報を処理して新たな情報を持つ画像を生成し、画像表示装置７６に表示する機能を有している。
【００５７】
なお、検出手段を構成する撮像部７９は、例えば、試料像の検出機能と記録機能と有するものであっても良く、あるいは、光センサーのように単に観察記録面の試料像の検出機能のみを有し、その結果を遂次画像記録・演算処理装置７７に送信するものであっても良い。例えばTVカメラやCCDカメラでは、試料像を検知しＡ/Ｄ変換して記録媒体に一時的に記録し、画像記録・演算処理装置７７などに送信する。光センサーの場合は、フォトダイオード等の光電変換素子と、光電変換素子からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ/Ｄ変換器とを備え、試料像の光を検出しその情報を光電変換、Ａ/Ｄ変換したデジタルデータが画像記録・演算処理装置７７や制御系コンピュータ５１に送信される。
【００５８】
なお、画像記録・演算処理装置７７に代えて、画像記録・演算処理装置７７の機能を有する画像演算プログラムを制御コンピュータ５１やネットワークを介して接続された上位のコンピュータ内に組み込み、右視野像と左視野像を利用した異なる情報を含む２つの画像、もしくは右視野像と左視野像の視差等を利用して３次元形状を構築し、モニタ５２に表示し、さらにプリンタなどの出力装置に出力することもできる。
【００５９】
また、撮像部７９で取得した複数の試料像情報やそれらの画像処理の結果を、各制御ユニットにより与えられる試料の測定条件、測定時刻などの情報と共に、制御コンピュータ５１や上位のコンピュータのデータストレージに記録し、別途実験者や他の者が利用できるようにしても良い。
【００６０】
本実施例において、試料３よりも電子線の進行方向上流側の第１の電子線バイプリズム９１は、照射光学系の第２照射レンズ４２の主面近傍に配置されている。そして、角度の異なる２方向から試料３に照射され、透過した２つの電子線（２１，２３）は、結像光学系の対物レンズ５、第１、第２拡大レンズ６１、６２で拡大された後、電子線の進行方向下流側に位置する第２電子線バイプリズム９２で空間的に分離され、さらに２段の拡大レンズ６３、６４を経た後、観察記録面８９で２つの像３２１、３２３を結ぶ。図１２には、２つの像３２１、３２３がそれぞれ、感度を調整した個別の撮像部７９で検出、記録され、演算処理装置７７に送られて、１つの画像データ７６０として表示装置７６に出力される様子を示している。演算処理装置７７の処理データは、制御系コンピュータ５１のデータストレージにも格納され、試料面の観察や解析などに利用される。
【００６１】
図１２は、従来型の100kVから300kVタイプの電子顕微鏡を想定して、２つの電子線バイプリズムや、拡大結像系のレンズを描いているが、これらの電子顕微鏡光学系の構成要素は、この図に限られるものではない。さらに、実際の装置ではこの図１２に示した構成要素以外に、電子線の進行方向を変化させる偏向系、電子線の透過領域を制限する絞り機構などが存在する。しかし、これらの装置は、本発明には直接的な関係が無いので、この図では省略している。さらに、真空排気系についても、本発明とは直接の関係が無いため省略する。以下の図においても、同様である。
【００６２】
ここで、検出系の２つの撮像部７９の調整方法の一例について述べる。
（１）感度の調整：
同種同型の記録媒体を用いても、左右２視野の試料像が自然な形で立体視されるには、２つの試料像の明るさ、コントラストが同じである必要がある。そこで、第１、第２の電子線バイプリズム９１と９２を光軸２上に挿入しない状態で観察記録面８９を広く均一に電子線照射し、このとき検出系の２つの検出・記録媒体である撮像部７９において同じ明るさが入力データとなるように感度調整を行う。この入力データが出力されるモニタなどの表示装置７６の調整も同時に行う。
（２）照射電子線の調整：
上記（１）の調整の後、第１、第２の電子線バイプリズム９１と９２を光軸２上に挿入し、しかるべく電子線を偏向して左右２視野の試料像を得る。このとき、左右の入力画像に明るさの差がないように第１の電子線バイプリズム９１の位置を調整する。もしくは、電子線の照射位置を調整する。
【００６３】
このように電子線バイプリズムにおいては、光軸２上への挿入、引出が簡便に行われる方が操作上便利が良い。また、各々の電子線バイプリズムの位置の微調整も出来なければならない。但し、その精度は、現行の電子線バイプリズムの性能の程度で十分である。
【００６４】
撮像部７９の調整は随時可とし、何らかの事情による左右２視野像の明るさの差を、電子光学系ではなく、画像処理装置側で補正可能としておくことは実使用に際しての利点と成る。このときの初期の調整値（同じ感度値）をデフォルトとして保全するとともに、いつでも復帰可としておくことは当然である。
【００６５】
ここで検出系の感度調整を含めて、上記光学系の調整法について、図１３のフローチャートを参照しながら説明する。
【００６６】
ステップ０１  通常の立ち上げ作業を行い、電子線を発生させる。（この時点では、試料、両電子線バイプリズムは光軸外にある。）  
ステップ０２  観察記録面８９を広く均一に電子線照射する。  
ステップ０３  両検出系７８が同じ入力データとなるよう、検出系のカメラ７９の感度を補正する。  
ステップ０４  両検出系の画像出力装置７６が、同じ明るさの画像を出力するように画像出力装置を調整する。  
ステップ０５  第１の電子線バイプリズム９１を光軸上に挿入する。  
ステップ０６  第１の電子線バイプリズムに電圧を印加し、電子線の重畳照射領域を作り出す。重畳照射領域の観察は、図１２に図示はしないが、観察記録面全体を視野に納めるカメラ、もしくは観察記録面全視野をビューポートなどから目視により実現できる。  
ステップ０７  照射レンズ系により、観察を想定している試料の大きさ、サイズに合わせて重畳照射領域を調整するとともに、第１の電子線バイプリズムにより、左右両試料像の視差角と重畳領域を定める。  
ステップ０８  第２の電子線バイプリズム９２を光軸上に挿入する。第１の電子線バイプリズム９１の陰の空間２２（第２の電子線バイプリズム９２が観察されない空間）に位置調整する。  
ステップ０９  第２の電子線バイプリズム９２に電圧を印加して照射領域を分離し、両検出系７９上へ合わせる。このとき、両照射領域が分離仕切れない場合には、照射系を再調整して照射領域を小さくするか、もしくは、制限視野絞り５６を用いて視野を制限してもよい。  
ステップ１０  両照射領域に明るさの差がある場合や、照射領域の大きさに差がある場合は、第１の電子線バイプリズム９１の位置を再調整し、上記差が最小となるようにする。  
ステップ１１  第２の電子線バイプリズムへの印加電圧をゼロとし電子線の重畳照射領域を作り出す。すなわち、この段階では、観察記録面８９の中央付近に１つの重畳照射領域が得られるように調整する。  
ステップ１２  試料を光軸上に挿入し、観察領域を光軸上の電子線の重畳照射領域に定める。すなわち、観察記録面８９の中央付近で試料像が得られるように調整する。  
ステップ１３  観察倍率を所定の倍率に定めるとともに、必要に応じて照射光学系により照射領域の大きさ、明るさなどを再調整する。  
ステップ１４  試料像のフォーカスや非点収差補正などを行う。  
ステップ１５  第２の電子線バイプリズム９２に電圧を再び印加し、右視野像３２１、左視野像３２３をそれぞれの検出系に個別に結像させる。すなわち、右視野像３２１、左視野像３２３を、２つの離れた位置の撮像部７９に対応する各位置において、観察記録面に結像させる。  
ステップ１６  観察・記録を実施する。すなわち、TVカメラやCCDカメラなどの撮像部７９により観察記録面に結像された右視野像３２１、左視野像３２３を検出、記録し、それらを演算処理装置７７に送り、画像処理された結果を画像表示装置７６のモニタ画面で観察する。観察に際しては、実験者の選択により、所定の画像が画像表示装置７６に表示される。  
ステップ１７  観察の結果、画像が不適切で再調整が必要と判断された場合には、例えばステップ１０に戻って、再調整を行う。このとき、試料はすでに光軸上に挿入されているので、試料の存在が不適当な場合は試料を抜き出す。試料を挿入したままの調整作業が可能な場合は、ステップ１２の試料挿入操作が省略される。いずれのステップに戻って、再調整を行うかは、状況に応じて実験者が適宜決めればよい。
【００６７】
ステップ１８  観察の条件を変更して試料の観察を継続する場合は、例えばステップ１２に戻る。観察条件の変更には、試料の観察領域の変更、倍率の変更、試料の温度の変更などが含まれる。いずれのステップに戻って、観察を継続するかは、状況に応じて実験者が適宜決めればよい。
【００６８】
以上により、右視野像３２１、左視野像３２３を同時に観察・記録することが可能となる。なお、試料像の観察記録部分の処理と、記録された試料像の演算処理を行い出力する部分の処理は独立して行われる。すなわち、ステップ１６で得られた画像データをどう処理するかは、実験者の自由である。以後の実施例にも示すが、立体像観察に限らず、異なる情報を有する２つの像の同時観察法も含めた、様々な応用が考えられる。
【００６９】
このように、本実施例によれば、照射光学系において電子線が２つに分離され、その各々が試料の所定の領域を照射、透過し、拡大結像される様に調整された後には、光学系に対する操作は無い。従って、試料の観察領域の時間的変化をそのまま実時間で記録可能である。そのため、従来の立体観察法が原則として出来なかった、動的かつ実時間での立体像観察が可能となる。
【実施例２】
【００７０】
図１４は、図８に示した光学系を搭載した透過型電子顕微鏡の例である。照射絞り１５を第２照射レンズ４２の主面近傍に配置し、第１の電子線バイプリズム９１を照射絞り１５の上流側に配置している。１７は照射絞り１５を制御する照射絞りの制御ユニットである。他は図１２と同様な構成であるが、撮像部７９が１つとなっている。すなわち、２つの独立した試料像３２１、３２３を記録するに十分な記録面積のある１つの撮像部７９を想定している。このシステムの場合、記録計が１つであるため、実施例１とは異なり、撮像部相互の感度調整（図１３のステップ３、ステップ４）は不要となる。出力装置７６は２つの画像７６１、７６２を個別に描画するタイプを例示している。
【００７１】
本実施例によれば、実施例１と同様に、試料の観察面の時間的変化をそのまま実時間で記録可能である。そのため、従来の立体観察法が原則として出来なかった、動的かつ実時間での立体像観察が可能となる。
【実施例３】
【００７２】
図１５は、図９に示した、照射光学系に電子線バイプリズムを２つ使用する、干渉型電子顕微鏡を想定した実施例である。照射光学系内において、第３の電子線バイプリズム９３が第１の電子線バイプリズム９１の陰の空間２２に配置され、２つの電子線２１、２３を偏向させて試料３の同じ所定の領域を照射する。９８は第３の電子線バイプリズムの制御ユニットである。光学系の調整法に関しては、図１３のフローにおいて、ステップ５〜１０における第１の電子線バイプリズム９１に関する処理に加えて、第３の電子線バイプリズム９３に関する処理が追加される。
【００７３】
この構成により、第３の電子線バイプリズム９３によるフレネル回折波は発生しない。その他の詳細は、先の実施例１，２と同様である。画像出力装置７６には、例えば偏光タイプなどのステレオビュアーを用いた立体視モニタを想定しており、図１５では左右の視野像が重なった像７６３を描いている。
【００７４】
本実施例によれば、実施例１と同様に、試料の観察面の時間的変化をそのまま実時間で記録し、立体画像を表示可能である。そのため、従来の立体観察法が原則として出来なかった、動的かつ実時間での立体像観察が可能となる。
【００７５】
以上、実施例１〜３では、２つに分離された電子線が作るそれぞれの像を用いて試料の３次元像を得ることを主たる目的としていた。照射光学系において電子線が２つに分離され、その各々が試料の所定の領域を照射、透過し、拡大結像される様に調整された後には、光学系に対する操作は無い。従って、試料の時間的変化をそのまま実時間で記録可能である。そのため、本発明に依れば、従来の立体観察法が原則として出来なかった、動的かつ実時間での立体像観察が可能となる。
【００７６】
さらに、実施例１〜３で明らかな様に、電子顕微鏡に関連した、画像の観察記録部分と演算処理を行い出力する部分に関しては独立であり、それらの組み合わせは自由である。そのため、同時取得された２つの画像を用いた立体視という概念から離れ、２種類の試料像の同時取得によるデータ量の倍増、もしくは、時間的画像精度の向上、２枚の試料像に対する拡大結像条件が全く同じであるためデータ精度、信頼度の向上など、別の利点、実施例が挙げられる。
【００７７】
なお、図３、図５〜図７、図１０、図１１に示した各光学系についても、上記実施例１〜３と同様に、透過型電子顕微鏡に搭載し、同様な効果を得ることが出来ることは言うまでもない。例えば、図１０に示した光学系の調整法に関しては、図１３のフローにおいて、ステップ５〜１１における第１の電子線バイプリズム９１、第２の電子線バイプリズム９２の調整に関する処理に加えて、第３の電子線バイプリズム９３、第４の電子線バイプリズム９４の調整に関する処理が追加される。
【実施例４】
【００７８】
＜トモグラフィーへの応用１＞
電子線によるトモグラフィーでは、光軸と垂直な軸を中心に試料を傾斜させ、各々の角度での試料像を演算装置に取り込み、観察領域に存在する所定の領域の３次元情報を再構築する。このとき、試料の回転軸の方向に伸びた針状の試料で無い限り試料の回転角度には、観察不可能な角度域が発生する。それを補うために、光軸を軸として試料を水平面内で回転（アジムス回転）させ、再び試料を傾斜観察させ、得られた２通りのデータからより高精度の３次元情報を再構築する手法が用いられる。すなわち都合２度の実験を行っている。
【００７９】
図１６は、本発明の第４の実施例になるトモグラフィーへの応用例を示す模式図である。３３はトモグラフィー用の試料ホルダーであり、試料を連続的に傾斜させて撮影した多数の投影像（例えば１度毎に±７５度まで傾斜させて撮影した１５１枚の像）を演算処理装置７７で画像処理し、３次元的構造を再構成する。
【００８０】
光学系の調整法に関しては、図１３のフローにおいて、試料ホルダーの傾斜角の制御と各角度毎の試料像データの取得の繰り返しに関連した処理が追加される。例えば、光軸２と試料ホルダー３３の傾斜軸２５が成す平面内を２つの電子線２１、２３が伝播するように、試料上方の電子線バイプリズムの方位角を合わせ、２つの電子線２１、２３が図１６に示すごとく２方向（照射角：θRとθL）から試料３を照射し、観察記録面８９に２つの像３２１、３２３を結像させる。この光学系条件とトモグラフィー実験における試料の傾斜は、全く独立であるため、この条件にてトモグラフィー観察を実施する。そして、取得される２種類のその各々の試料像データを元に、３次元情報の再構築を実施する。画像再構築の手法は、電子線の照射角度を考慮する点を除けば、従来のトモグラフィーと同じである。先述の試料のアジムス回転と異なり、試料の傾斜角度は、２通りの試料像データ間で全く同じであるため、より高精度の３次元情報の再構築が実現できる。
【００８１】
なお、図１６では簡単のため、すべての電子レンズを省略し、試料３とそれに入射する２つの電子線２１、２３とその電子線の元となる２つの光源の像１０、および観察される象３２１、３２３を模式的に表している。この省略は、２つの電子線の角度が異なり、それに伴って試料を透過する２つの電子線の角度が異なれば、それぞれの電子線を個別の像として観察記録できる本発明の原理に基づいている。光学系としては図４、装置の構成としては図１２などと同様である。以下の図においても同様の省略を行っている。
【実施例５】
【００８２】
＜トモグラフィーへの応用２＞
図１７に、本発明の第５の実施例になるトモグラフィーへの応用例を示す。図１７は、試料ホルダー３３の傾斜軸２５が実施例４と９０°異なる場合の模式図である。この場合には、実施例４の様に異なる照射方位角の２種類のデータを得ることにはならないが、試料３の傾斜角度に加えて電子線の照射角度（θRまたはθL）だけ、大きな角度でのトモグラフィー実験が実施可能となる。
【００８３】
さらに、照射角度の和θR＋θLが傾斜角の変化量の半分となる条件にて実施すれば（一例を挙げれば、θR＝…、−8、−4、0、4、8、12、…とθL＝…、−6、−2、2、6、10、14、…）、となるように照射角、傾斜角の変化の関係を選べば、従来法の半分の時間で従来法と同数の試料像が得られる。すなわち、実験効率が向上し、実験系における経時変化に対して影響を受け難い観察が可能となる。
【００８４】
一方、左右の照射角度が一致するような傾斜角度の変化を選んだ場合には、試料ホルダー３３の傾斜角度の範囲内においては、同照射角度の試料像を２枚ずつ取得することなり、実験の再現性の確認、もしくは、データ積分によるランダムノイズの低減に効果が望める。
【実施例６】
【００８５】
＜ローレンツ法への応用１＞
磁性体の磁化状態を観察するローレンツ顕微鏡法への適用も実施可能である。図１８は、ローレンツ法のうち、磁化による電子線の偏向成分を対物絞り５５によって選択し、磁区構造を観察するフーコー法への適用例である。観察する磁性薄膜３が図中ＢUPとＢDounで示した１80°反転磁区構造をとっているとき、磁化方向と垂直方向に２つの電子線を分離するように、試料上方の電子線バイプリズムの方位角を選ぶ。各々の電子線は、試料を透過した後、磁区構造を反映した２つの電子線（ｇＢUPとｇＢDoun）にそれぞれ分離される。従来のフーコー法によるローレンツ像観察では、その分離された電子線の片側を対物絞りで選択し拡大結象することにより、磁区の磁化方向を反映した白黒のストライプ状の像を観察する。黒いコントラストの領域は対物絞りで遮蔽された電子線が情報を担っていた磁区を示し、磁化情報の欠落が磁化情報の源である。そのため、試料中の結晶欠陥や析出物など磁化以外の情報を得るためには、再度対物絞りを調整しなおし、逆コントラストのローレンツ像（フーコー法）を観察するか、通常の電子顕微鏡像観察を実施しなければならなかった。
【００８６】
本発明によれば、図１８に示したごとく、その分離された電子線の片側ずつ（図１８では、光軸に近い角度の電子線（gＢUPとｇＢDoun））を対物絞り５５で選択し、拡大結象する。従来法では対物絞りを調整し直して得られていた２種類のフーコー法のローレンツ像３２１、３２３が、同時に、かつ個別に観察されるため、試料３中の結晶欠陥や析出物などの情報を実時間でより正確に得ることができる。なお、対物絞り５５には所定の電子線を透過させる２孔のものを用いてもよい。
【実施例７】
【００８７】
＜ローレンツ法への応用２＞
本発明において、観察領域に同時に照射される電子線は、第１の電子線と第２の電子線に限定されるものではない。実施例６をさらに発展させ、同様に、４つの電子線を用いて任意の方位をとる磁区構造を４方位それぞれ個別に観察することが可能である。図１９に、その原理を示す光学系の模式図を示す。本実施例においては、照射光学系に配置された四角錐型電子線プリズムの中央極細線電極９５を用いる。四角錐型電子線プリズム９５の詳細は、たとえば特許文献５の図１５に開示されている。この四角錐型電子線プリズム９５は、図１９のとおり、光軸２に垂直な同一平面内で中央極細線電極が直交するように配置されたものでも良いし、光軸上別の２平面に分けて直交するよう構成された２つの電子線バイプリズムから構成されてもよい。いずれにしても、光源から放出された電子線が四角錐型電子線プリズム９５により偏向されて入射角度の異なる４つの電子線となり、これらを試料３の同一領域を同時に照射できる構成である。試料を透過し、磁区によって伝播方向に偏向を受けたそれぞれの電子線は、孔径サイズ、形状を適切に設定された対物絞り５５により、それぞれ異なる磁化方向の磁区情報を持った電子線を個別に透過させることが可能である。そして、結像系に適切に設置された四角錐型電子線プリズムにより、それぞれ異なる磁区情報を反映した試料像（図１９上の、試料の下向き磁区画像３１１、試料の上向き磁区画像３１２、試料の右向き磁区画像３１３、試料の左向き磁区画像３１４）を、観察記録面８９に結像することができる。すなわち、磁性体試料の磁化情報を、全方位漏れなく同時観察可能とできる。
【実施例８】
【００８８】
＜明視野像、暗視野像の同時観察＞
本発明は、透過電子線のみを用いた観察像（明視野像３２２）と散乱（回折）電子線のみを用いた観察像（暗視野像３２４）の同時観察も可能となる。図２０に照射角度の和θR＋θLが３／２θの時の実施例を示す。ここでθは回折角であり、図中のｇＲ、ｇLは回折電子線を表している。光軸上でかつ試料３と第２の電子線バイプリズム９２の間に配置された対物絞り５５の孔径を、透過波ｏRと回折波−ｇLが透過する様に、絞り孔のサイズと設置位置を選べば、明視野像３２２と暗視野像３２４の同時観察が可能となる。
【００８９】
本発明はさらに、図には記載しないが、対物絞り５５の位置を選べば、２つの異なる回折波（例えば、図２０で対物絞りを光軸２に対称に挿入した場合には、−ｇLとｇＲの２つの暗視野像）の観察が可能となる。
【００９０】
本発明は、回折波に対してだけでなく、散乱角度の小さな電子線による暗視野像についても可能である。この場合、第１の電子線バイプリズムによる陰の領域が小さくなるが、第２の電子線バイプリズム９２を挿入する位置や、第２の電子線バイプリズムの中央極細線電極のサイズを適正に選部ことにより実施可能である。図２０では第２の電子線バイプリズム９２を挿入し、明視野像３２２と暗視野像３２４が観察記録面８９で空間的に完全に分離されることを模式的に示している。結晶性試料を観察する場合には、照射角度の和θR＋θLは、回折角θとしたとき、θ＜θR＋θL＜２θの範囲で実施可能である。但し、対物絞りに２孔のものを用いる場合や、円形孔でない絞りを用いる場合は、この限りではない。
【符号の説明】
【００９１】
１…電子源もしくは電子銃、１０…分離された光源の実像もしくは虚像、１５…照射絞り、１７…照射絞りの制御ユニット、１８…真空容器、１９…電子源の制御ユニット、２…光軸、２０…電子線の照射領域、２１…右視野電子線、２２…陰の空間、２３…左視野電子線、２５…試料ホルダーの傾斜軸、２７…電子線の軌道、３…試料、３１…対物レンズにより結像された試料の像、３１１…試料の下向き磁区像、３１２…試料の上向き磁区像、３１３…試料の右向き磁区像、３１４…試料の左向き磁区像、３２１…試料の右視野像、３２２…明視野像、３２３…試料の左視野像、３２４…暗視野像、３３…トモグラフィー用試料ホルダー、３５６…制限視野絞りの像、３９…試料の制御ユニット、４…照射レンズ、４０…加速管、４１…第１照射レンズ、４２…第２照射レンズ、４７…第２照射レンズの制御ユニット、４８…第１照射レンズの制御ユニット、４９…加速管の制御ユニット、５…対物レンズ、５１…制御系コンピュータ、５２…制御系コンピュータのモニタ、５３…制御系コンピュータのユーザインタフェース、５５…対物絞り、５６…制限視野絞り、５９…対物レンズの制御ユニット、６…結像レンズ、６１…第１結像レンズ、６２…第２結像レンズ、６３…第３結像レンズ、６４…第４結像レンズ、６６…第４結像レンズの制御ユニット、６７…第３結像レンズの制御ユニット、６８…第２結像レンズの制御ユニット、６９…第１結像レンズの制御ユニット、７６…画像表示装置、７７…画像記録・演算処理装置、７８…撮像部の制御ユニット、７９…撮像部、８…干渉縞、８９…観察・記録面、９…電子線バイプリズム中央極細線電極、９１…第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９２…第２の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９３…第３の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９４…第４の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９５…照射光学系に配置された電子線四角錐形プリズムの中央極細線電極、９６…第１の電子線バイプリズムの制御ユニット、９７…第２の電子線バイプリズムの制御ユニット、９８…第３の電子線バイプリズムの制御ユニット、９９…平行平板接地電極。
【図１Ａ】
0005405937.tif 000002
【図１Ｂ】
0005405937.tif 000003
【図２】
0005405937.tif 000004
【図３】
0005405937.tif 000005
【図４】
0005405937.tif 000006
【図５】
0005405937.tif 000007
【図６】
0005405937.tif 000008
【図７】
0005405937.tif 000009
【図８】
0005405937.tif 000010
【図９】
0005405937.tif 000011
【図１０】
0005405937.tif 000012
【図１１】
0005405937.tif 000013
【図１２】
0005405937.tif 000014
【図１３】
0005405937.tif 000015
【図１４】
0005405937.tif 000016
【図１５】
0005405937.tif 000017
【図１６】
0005405937.tif 000018
【図１７】
0005405937.tif 000019
【図１８】
0005405937.tif 000020
【図１９】
0005405937.tif 000021
【図２０】
0005405937.tif 000022