(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴニオメータと、
前記ゴニオメータ内に保持された試料の領域を電子ビームで照射するための電子ビームカラムと、
照射された前記領域からの電子像を受けるため及び受けた前記電子像を電気信号に変換するための電子検出システムと、前記電子像をスクリーン上に表示される像へ変換するためのモニタとを有する電子顕微鏡であって、
前記ゴニオメータは、前記電子ビームにより照射されるべき前記試料を保持するための載物台であって、当該載物台は、前記顕微鏡に対して固定された顕微鏡参照フレーム内に、複数の剛体のうちの前記試料を担持する一つの剛体の位置を複数の自由度で調整するために複数の前記剛体を相互接続する複数の可動接合部を有し、前記可動接合部の少なくとも一つは、当該可動接合部の少なくとも一つに対する入力信号にしたがって当該少なくとも一つの可動接合部を位置決めするための前記電気機械駆動機構を有する前記載物台と、
前記試料の像が前記電子顕微鏡により前記スクリーン上に表示されている間、前記電子ビーム内の前記載物台により保持された前記試料に対する再位置決め命令を発生するための前記顕微鏡の操作者のための入力装置であって、前記再位置決め命令は前記スクリーン上に表示される前記試料の前記像により定められた参照ユーザフレーム内の前記試料のための所望の新しい位置を定める、前記入力装置と、
前記試料に対する所望の新しい位置を、前記スクリーン上に表示された前記試料の前記像により定められた参照ユーザフレームから前記顕微鏡に関して固定された参照機械フレームへ変換するための前記再位置決め命令に応答する参照フレーム変換装置と、
前記顕微鏡に関して固定された参照機械フレーム内の前記所望の新しい位置に応答して、前記所望の新しい位置へ前記試料を再位置決めする電気機械駆動機構に入力信号を供給するための制御器とを有し、
前記試料は前記試料の前記像により定められた参照ユーザフレームを使用して電子顕微鏡の操作者により再位置決めされる電子顕微鏡において、
前記制御器は、前記顕微鏡に関して固定された参照機械フレーム内の前記所望の新しい位置に応答して、前記所望の新しい位置へ前記試料を再位置決めする電気機械駆動機構に入力する前記入力信号を逆運動学を使って生じさせることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、前記載物台が二つの前記剛体間の線形の変位運動を提供する三つの接合部と、二つの前記剛体間の回転運動を提供する二つの接合部とを有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、逆運動学を使って制御する前記制御器は前記供給された入力信号が前記顕微鏡のもう一つの部分で前記載物台の何れの前記剛体の衝突も生じさせないことを保証するための手段を含むことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の電子顕微鏡において、前記電子ビームカラムが、カットされた放物面の形状としてモデル化された物理的部分を含み、当該物理的部分は前記ゴニオメータの周辺にあり、カットされた放物面の形状としてモデル化された禁止ゾーン内に前記ゴニオメータの前記載物台のどの部分をも運ぶことを避けるように、前記電子機械駆動機構への前記入力信号を制限することにより、前記モデル化された部分と前記ゴニオメータとの衝突が避けられることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、前記操作者による前記再位置決め命令は、参照ユーザフレーム内の現在の位置若しくは回転、又は位置及び回転に関して、参照ユーザフレーム内の位置若しくは回転、又は位置及び回転の増加の変化を生じる命令であって、前記変化は小さな漸増変化へ分割されることを特徴とする電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
背景技術
１．技術分野
この発明は、電子顕微鏡試料位置決めシステム（即ちゴニオメータ）及び特にコンピュータ制御されたゴニオメータに関する。
２．関係ある従来技術の説明
電子顕微鏡において、磁気レンズのセットは電子の束を試料上に合焦させる。該試料を去る電子は、もう一つの磁気レンズのセットにより合焦され、顕微鏡写真をつくるための蛍光視スクリーンの表面又は、フィルム又はプレート上の電子感知乳剤のような、ある種の電子感知層上に、像形成する。
蛍光スクリーンにより作られた光学像は、静止、ビデオ又はムービーカメラにより捕捉され、光感知フィルム又は電気的にテープ上に記録され、写真、動画又は実時間で表示モニタ又はＴＶ上に表示される。従来のカメラは観察部を介して使用されてもよく、特別のカメラは表示モニタ又はＴＶスクリーン上の改良された像形成のために利用可能である。例えば、Ｇａｔａｎ、７８０ Ｃｏｍｍｏｎｗｅａｌｔｈ Ｄｒｉｖｅ、Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ、ＰＡにより作られたモデル６９４スロースキャンカメラは、単結晶ＹＡＧ又は粉末蛍光シンチレータの何れかで電子像を検出し、検出された像を高解像度電子結合素子（ＣＣＤ）へ光学的ファイバに結合させる。ＣＣＤ像はモニタ上に表示のために適した信号を作るために掃引される。このＧａｔａｎカメラは、従来の蛍光視スクリーンにより直接作られた像よりも２０倍以上も拡大される表示スクリーン上の像を提供する。
光学像は、直接蛍光視スクリーン上又は表示モニタ上に操作者により見られ、電子顕微鏡を制御する際に操作者を補助する。操作者が試料により作られた電子ビーム像又はパターンの光学バーションを見ている間、所望の像又はパターンが得られるまで、操作は、試料ホルダ内に試料をのせ、ゴニオメータと呼ばれる複数軸の機械位置決めシステム内に前記試料ホルダを置き、そして運動軸について前記試料の位置及び回転を変えることを一般に含む。
従来の電子顕微鏡において、試料は、電子ビームカラムの一部内又は周りの球面旋回を通して延在する、二つの方向、一般には水平及び垂直にスイングできるロッドの端部付近に担持される。当該ロッドはまた、軸方向（即ち半径方向）にも移動可能であり、前記試料をチルトするように軸上に回転もできる。いくつかの試料ホルダはまた、試料が第二の方向にチルトすることを許容し、このようなチルトの制御のために前記ロッド内に機械的リンク装置を具備する。前記ロッドアセンブリ部分は試料ホルダと呼ばれて当該部分を制御する機械的位置決めシステムから通常取り外し可能であり、一方前記試料ホルダに合い当該試料ホルダとの組み合わせで該試料ホルダ内に保持された当該試料の位置及び回転を制御するように用いられる当該機械的位置決めシステムは、ゴニオメータと呼ばれている。ときどき前記機械位置決めシステム単独で（即ち前記試料ホルダなしで）ゴニオメータと呼ばれる。だからこれ以降の記述において、「ゴニオメータ」という言葉は、ときには機械的位置決めシステムだけをいい、ときには試料ホルダと機械的位置決めシステムとの組み合わせをいう。
全方向における調整は、一般にノブを回すことにより操作者により直接なされる。通常、一つ目のノブは試料ホルダの軸に沿って（これ以降ゴニオメータ軸と呼ぶ）半径方向に試料の位置を変える。二つ目のノブは１番目の角方向に球面旋回ポイントの周りにゴニオメータ軸をスイングさせ、３番目のノブは前記１番目の角方向に垂直な２番目の角方向に前記旋回ポイントの周りに前記ゴニオメータ幅をスイングさせる。これらのスイング角は典型的には小さいので、これら三つのノブによりなされる試料の位置調整は、典型的にはＸ−Ｙ−Ｚ直交座標であり（操作者は調整が参照の直交座標でなされていると考える）、現実に試料は極座標内で試料を動かすノブにより当該試料は位置決めされている。
前記試料ホルダ内の前記試料保持ステージの回転は、一つ又はそれ以上のノブを介しても制御可能である。一つのノブはゴニオメータ軸の周りに前記試料ホルダを典型的には回転させ、このようにチルトの一方向に試料をチルトさせる。チルト調整の一方向だけが供給されるならば、ゴニオメータはシングルチルトゴニオメータと呼ばれる。チルト調整が二方向のチルトに具備されているとき、ゴニオメータはダブルチルトゴニオメータと呼ばれる。チルトの２番目の方向は前記試料ホルダ端部で前記試料保持ステージを典型的に支えることにより供給され、ゴニオメータの軸に垂直であり前記試料表面には平行な軸の周りに回転されるべきことを許容する。この軸の周りの回転は、例えば前記試料保持ステージに装着されるゴニオメータ内のロッドを介して制御されてもよい。
従来のゴニオメータを制御する問題は、操作者が所望の結果に到達するためにどのノブを（及びどの方向に）回すかが直感的にわからなかったということである。これは、スクリーン上に表示される像回転及び試料回転が、あらかじめわからない、なお悪いことに試料が変更されているときは一定とならないというこれらの間の回転位相関係を通常もつという事実からくる。
ＴＥＭにおいて、磁気レンズが使われて電子による螺旋路に起因して、入射電子ビームの軸に沿った試料照射スポットの位置のどの変化も、像の回転となる。（チルト回転の軸が通常前記電子ビーム軸を通過しないという事実に起因して）試料のチルト角のどの変化も、ビーム軸に沿った前記照射スポットの位置での入射変更となり、したがって像の回転を生じる。そのうえさらに、試料が回転されるならばいつでも、平行方向のどの一つにおいても試料のどの動きも前記ビーム軸の方向の入射スポットの動きを生じ、観察される像の回転となる。
結果として、像は線形移動又はチルト移動があると同時に回転しようとし、これは操作者が像を見ている間に試料を制御することを難しくさせる。スポットが観察フィールドの端近くのスクリーン上に見られ、当該スポットを中心にしようと所望するならば、例えば操作者は所望のスポットを観察フィールド外にしばしば不注意に動かし、再びこれを見つけることを難しくしてしまう。
手動制御ゴニオメータのもう一つの問題は、前記ステージに対する可能性ある移動範囲が典型的にはとても充分に大きいので、衝突がゴニオメータ（又は試料）と電子顕微鏡の磁極片との間で起こることである。不慣れな操作者によりあり得る衝突が起こると、修理するにはとても高価な磁極片の損失が発生する。最近の電子顕微鏡の磁極片は互いに（及び磁極片間の試料と）近接してきている、なぜならばより近接の磁極片はより精細な像を作るからである。
日本の願番２−４９３０４（１９９０年３月２日に出願され、１９９１年１１月１３日付けの公開公報３−２５４０５５に対応する）において、電子顕微鏡は、ゴニオメータに対する運動命令が、運動可能な限界を計算し運動を実行する駆動システムへ、この限界内の運動命令だけを伝達する処理システムへ入力される。
これは、ゴニオメータの位置と回転との間の相関関係が考慮されて、ゴニオメータが対象止めに触れないような範囲内にだけ動けるために、運動限界をセットするために許容される。この参照文献は、衝突を避ける目的と一般に同一視され、操作者がさもなければ衝突してしまうだろう運動命令を入力するならば衝突を防ぐやり方を一般には提示する一方で、見失うことなしにより直感的に試料運動を制御（即ち試料についての制御）することについての操作者の助けには明らかにならない。
発明の目的及び概要
本発明の目的は、表示スクリーン上の試料の像を見ながら、試料について制御することについて、電子顕微鏡の操作者を補助することである。
他の目的は、操作者から試料及び／又は試料ホルダと電子顕微鏡の磁極片との衝突を生じることを防止することである。
ゴニオメータの機械的運動システムにより作られた同じ参照フレームをユーザが使うことを要求するよりはむしろ、ユーザ入力のための分離した参照フレームを作ることもまた目的である。
表示スクリーン上の試料の電子ビーム像を見ながら、操作者が見る参照のフレーム内の試料に対する位置及び回転（即ちチルト）命令を入力することを、電子顕微鏡の操作者に許容することも目的である。
さらに他の目的は、キーボード、マウス、タッチスクリーン又は音声制御にからのコンピュータ入力を使用して、電子顕微鏡内の試料を位置決めしたり回転させたりすることを操作者に許容することである。
本発明のこれらの目的は、位置及びチルトの変更を実行するためにゴニオメータにより使用される同じ参照フレーム内の位置及びチルト命令を操作者が入力するという要求よりはむしろ、ゴニオメータに対する位置及びチルト命令を発生させるのに操作者が使用する分離した参照フレームを供給することにより達成される。これは、ゴニオメータ機械的運動システムがユーザインタフェース要素からの課せられた束縛なしに、ゴニオメータ運動のためのシステムの適切な参照フレームを使用することを許容する。同時に、最適なユーザ入力参照フレームが前記機械的運動システムからのいかなる課せられた束縛なしに、採用されてもよい。これまで、単一の参照フレームがユーザ及び機械的システムにより使用されて、妥協と不利益となっていた。
この本発明にしたがって、表示スクリーン上の操作者により観察された電子ビーム像は、操作者の直感により試料の制御をなすために、分離した参照ユーザフレームを形成する。参照機械的運動システムフレームは、理想的には、ユーザ要素からの束縛がないものを形成する機械運動システム自身により定められる。結果として、機械運動システムは、ロボットアーム技術のような副システムで直接使用されるかもしれないいかなる型及び存在する技術において、最適化されてもよい。
好ましい実施例において、ゴニオメータに対する操作者の位置命令は、操作者により観察される表示スクリーン上の電子ビーム像に直接対応するユーザＸ−Ｙ−Ｚ座標系において、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン又は音声命令入力により発生される。ユーザのＸ方向は、前記スクリーンの電子ビーム像の水平方向（像の中心間を水平に横切るＸ軸をもち）として定められ、ユーザのＹ方向は、前記スクリーンの電子ビーム像の垂直方向（像の中心間を垂直に横切るＹ軸をもち）として定められ、ユーザのＺ方向は、前記ユーザＸ及びＹ方向に垂直（即ちスクリーン上の像に垂直）であるように定められる。
回転（即ちチルト）命令は、スクリーン上の電子ビーム像により定められた参照のユーザフレームの軸の一つ又はそれ以上の周りについての回転命令として、キーボード、マウス、ジョイスティック、タッチスクリーン又は音声命令入力により発生される。
参照ユーザフレーム内の操作者により発生された位置及び回転命令は、処理器により受信され、参照ユーザフレームからゴニオメータのための駆動システムにより使用される参照フレームへ翻訳される。好ましい実施例において、各翻訳された位置及び／又は回転命令は、ゴニオメータの路が磁極片と衝突を生じないということを確かめるために前記処理器によりさらに調べられる。衝突が生じないならば、翻訳された位置及び／又は回転命令は、ゴニオメータ駆動システムにより実行される。
操作者入力命令は、好ましくは、参照ユーザフレーム内の現在の位置及び／又は回転に関して、参照ユーザフレーム内の位置及び／又は回転に増加の変化を生じる命令である。好ましい実施例においては、前記命令された変化は、さらに小さな漸増変化へ分割される。ゴニオメータ制御システムは、試料を小さなステップで、現在の位置及び回転から新しい位置及び回転へ動かす。試料の位置又は回転の各ステップは、実行される前に、磁極片とゴニオメータの衝突の可能性を調べる。
操作者が参照ユーザフレームを観察し、参照ユーザフレーム内の位置及び回転命令を発生するので、試料についての制御は、初心者でさえも容易にできる。他の試料運動がなされるとき、像は不用意に回転はしないし、操作者が変化を入力しないならば、前記ビーム軸に沿って位置の不所望の変化は試料の像形成部に対して起こらない。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施例は、図を参照にした例により述べられるだろう。図１は、従来の電子顕微鏡を示した図であり、図２は、従来のゴニオメータの試料ホルダ部と試料の運動を制御するために操作者により使用される単一の座標系を示した図であり、図３は、本発明を取り入れた電子ビーム顕微鏡のブロック図であり、図４は、本発明の好ましい実施例を実践するのに互いに使用される参照システムに関係し、図５は、衝突回避を組み込んだ本発明の改善された実施例のブロック図であり、図６は、衝突回避を実行する好ましい方法と関連して使用されるテーブルを示す。
発明の好ましい実施の形態
図１は、電子ビーム像を表示するためのモニタスクリーンをもつ典型的な従来の伝送電子ビーム顕微鏡（ＴＥＭ）を概略的に図示したものである。薄い試料１０は、電子ビームカラムの像形成部１４とソース部１２との間に位置される。前記ソース部１２内で、（熱せられた六ホウ化ランタノイド結晶又はタングステンフィラメントのような）電子エミッタが電子を発生し、当該電子はソース部の電子ビームを形成するために静電気的に加速される。前記ソース部の電子ビームは小さな直径の照射ビーム１６を形成するために前記ソース部内に磁気的コンデンサレンズにより合焦される。
試料１０は、電子ビーム１６が試料１０の小さな領域を照射するように位置される。前記試料内で、典型的には、電子が新しい角度へ反射され、そのいくつかは新しい角度に回折され、いくつかは回折又は反射なしに通り過ぎる。前記試料の反対の側から活性化される電子２０は前記電子ビームカラムの前記像形成部へ受け入れられる。試料１０は（像形成部１４の）対物レンズの磁界内に典型的には入り、当該レンズは前記活性化された電子２０を前記対物レンズの後側焦点平面上に合焦され、そこにおいて回折パターンが形成される。像形成部１４内の付加の磁気プロジェクタレンズは、回折パターンを伝送するか、又は電子像をＴＶピックアップシステム又はカメラ２２の電子感度表面１８上に形成する。像ピックアップシステム２２は、前記電子パターン又は像を受け、それを光学パターン又は像２３としてユーザのモニタスクリーン２１上に表示するのに適した電子像に変換する。様々な構成が、電子像をモニタ上に表示するのに適した信号へ変換するように、従来技術において使用されていた。始めの方に述べられたガタン（Ｇａｔａｎ）カメラは一つの例である。モニタ２１は前記電子パターン又は表面１８上に作られた像と対応する光学像を表示する。
従来の電子ビーム顕微鏡のより完全で詳細な記述は、例えばＳｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ（１９８４）により出版されたＬ．Ｒｅｉｍｅｒ著「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９８８）により出版されたＪ．Ｃ．Ｈ．Ｓｐｅｎｃｅ著「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ．Ｋｒｉｅｇｅｒ出版社（１９７７）により出版されたＰ．Ｈｉｒｓｃｈ、Ａ．Ｈｏｗｉｅ、Ｒ．Ｂ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ、Ｄ．Ｗ．Ｐａｓｈｌｅｙ及びＭ．Ｊ．Ｗｈｅｌａｎ著「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」及びＷｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ（１９７９）により出版されたＧ．Ｔｈｏｍａｓ及びＭ．Ｊ．Ｇｏｒｉｎｇｅ著「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」のような本の何れにも見られる。これらの本の教示はここに参照文献として取り入れられる。
本発明の実践において、従来の電子ビームカラムが、従来のＴＶピックアップシステム又は従来のモニタ同様に使用されてもよい。本発明は特に前記電子ビームカラムに関して試料１０を位置決めする問題を処理する。試料１０は試料ホルダ２４（図１に示されたように）の端部に担持され、ゴニオメータと呼ばれる特別にデザインされた機械的位置決め装置２６に合わせられる。前記ゴニオメータは、操作者が前記試料をとても僅かの量各平行移動させて前記電子ビームに関する位置内に調整したり、典型的には前記試料を回転させて（即ちチルト）同様に調整することを許容する。
図２は典型的な従来の試料ホルダ２４と、球面上の旋回を形成するピボット軸受２７内に前記試料が遠隔的に支持される試料ホールドロッド２５の端部に担持された試料１０の位置及びチルトを制御するための機械的位置づけシステムにより操作者により使われる単一の座標系とを示す。図１に示された前記位置決めシステム２６は、始めの方に述べられ今図２に示されて、位置決め自由度が５度で前記試料を位置決めできる。前記試料は、前記ピボット軸受けを通して内側又は外側に前記ロッド２５をスライドさせることにより、前記ゴニオメータ試料ホルダ軸により定められた軸の半径方向Ｘに移動されてもよい。前記試料ホルダロッドは、示されているような弧を通って前記試料を動かし、前記球ピボットについてＹ方向に左右にスイングしてもよい。また前記試料ホルダロッドは、示されるようにもう一つの弧を通じて前記球ピボットについて上下にスイングしてもよい。前記試料は、前記軸Ｘについてα方向に前記試料ホルダロッドを回転させることにより、またチルトされてもよい。前記試料が左右及び上下にスイングするので、前記Ｘ軸もスイングし回転方向αの軸もスイングする。前記試料は、さらにまたチルト制御の２番目の方向としてのβ方向に、軸２５に対する回転のための試料ホルダアーム内の（示されていない）ステージ上に搭載される。Ｙ及びＺ方向内で動くように、β方向の軸２５は前記アームでスイングする。とても小さな角度のスイングで近似して、これが直交座標参照システムであるかのように、定められた方向は、ラベル付けされる。
前記機械的位置決めシステム２６（即ちゴニオメータ）は、典型的にはノブ３２、３４、３６、３８及び４０のグループをもち、これらは前記試料の位置及びチルトを制御するためにスクリーン２３を見ながら操作者２８により使用される。例えば、Ｘ方向に前記試料を動かすため、操作者はＸノブ３２を回す。Ｙ方向に前記試料を動かすため、操作者はＹノブ３４を回す。Ｚ方向に前記試料を動かすため、操作者はＺノブ３６を回す。ノブ３８はα方向に前記試料をチルトするように操作者により使われ、ノブ４０はβ方向に前記試料をチルトするように使われる。操作者はスクリーン２３上の像を見て、前記試料が所望の位置に移動されるまでこれらのノブを回す。
図３は、本発明を取り込んだ電子顕微鏡の図である。従来の電子ビームカラム１２、１４は、従来のピックアップシステム２２及びユーザスクリーン２３と同様に使われる。試料１０のための前記機械的位置決めシステム２６は図１に示されるのと同じ機械的位置決めシステムとみなされるが、しかしながら、本発明に関しては操作者からの機械的入力よりはむしろ電子−機械的駆動部４２、４４、４６、４８及び５０により制御されるように変形されている。この変形は、例えば図１に示されるノブ３２、３４、３６、３８及び４０の場所内にステップモータを組み込むことにより簡単化されてもよい。どの従来からのゴニオメータも、機械的制御がユーザの手で直接なされるよりはむしろ、電子機械的駆動により操作されるということで同様に変形されてもよい。ステップモータのような電子機械的ドライバの僅かな付加は、簡易な技術変形であるので、従来のゴニオメータ機械的位置決めシステムの自動化は、機械的位置決めシステムが再度設計される必要がないということで、新しい機械的位置決めシステムを設計すること以上に利益をもつ。
より明らかにするために、本発明が詳細に述べられる。ゴニオメータの存在がユーザインタフェースを考慮して設計されるので、個別のノブは垂直な及び独立した線形方向で物理的運動をつくり、ユーザに知られている理想的には直交座標と同様にこれらの方向についてチルトするように、前記機械的システムはできるだけ設計される。これは、典型的な従来技術のゴニオメータとほとんど近似して達成されるが、ポイントは、存在するゴニオメータの設計が、できる限りユーザインタフェースの目的に合わなければならないと言う理由で、ある程度までの妥協を表していることである。
本発明において、前記ゴニオメータ機械的位置決めシステムは、このやり方では束縛されない。電子機械的ドライバにより制御された動きは、互いに独立である必要はなく、直交座標系と似ている必要さえない。本発明において、現実に前記機械的位置決めシステムは５又は６度又はそれ以上の自由度をもつコンピュータ制御されたロボットアームとして機能する。したがって、正確なロボットアームの構成及び制御に関する全ての現代の技術は、最適化されたゴニオメータ機械的位置決めシステムを設計するように使用されてもよい。本発明にしたがって、ユーザインタフェースは、前記機械的位置決めシステムと結合されず、それで前記機械的位置決めシステムにより合わせる必要があるユーザインタフェースに関係する設計上の束縛又は目的がない。既述のように、ゴニオメータの機械的システムの再設計は要求されないが、再設計はいくつかの従来の束縛及び目的なしに可能である。多くの教科書がロボットアームの設計、構成及び理論について書かれている。ロボットアーム及び制御に関するより詳細な情報は、例えばＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ（１９８６）により出版されたＨ．Ａｓａｄａ及びＪ．−Ｊ．Ｅ．Ｓｌｏｔｉｎｅ著「Ｒｏｂｏｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」の中に見つけられてもよく、ここに参照文献として取り込まれる。
図３において、機械参照座標系が示され（明らかにするために左へ移動されて）、図２に示されたものととても似ている。当該二つを区別するために、この座標系は制御の各方向に対して添字Ｍをもつ。これはまた、本当の直交座標であり、図２に示されたものと違う。本発明で使われる機械座標系は、任意に選んでもよいことは理解されるべきである。（以下に詳細に述べられるべき）機械参照座標系を含む伝送の全てがそれ故変形されるかぎり、このように、図２に示された同じ座標系の代わりに使える。前記機械参照座標系は任意に選ばれてもよい、なぜならばユーザ座標内の命令が伝送される、及び伝送されたユーザ命令が、逆運動変換によりゴニオメータ駆動値（実際にはベクトル）に変換される座標系としてだけ主に存在するからである。好ましい実施例において、機械参照システムは、衝突回避の計算を実行するように使用されてもよい。しかしながら、衝突回避はこの発明の最も基本的な実施例の主要な部分ではない。さらに理論上、駆動ベクトル自身は衝突回避計算のための入力として使われてもよく、前記逆運動変換はユーザ参照システムから駆動ベクトルへ直接変形可能で、このように機械参照システムの必要性を結局除去する。
この発明にしたがって、参照のユーザのフレームは、ユーザ（即ち操作者）により見られる像を基にして作られる。図３に示されるように、垂直のＸU及びＹU軸は像自身の平面内に定められ、ＺU軸は前記ＸU及びＹU軸に垂直として規定される。角方向もまたこれらの軸各々について定められ、即ちＸU軸についてαU、ＹU軸についてβU及びＺU軸についてγUである。加えて、ＺU軸について定められた２番目の角度方向があり、即ちγIである。γIは、試料自身の実際の又は効果的回転がＺM軸の周りに所望されることなしに、前記ＺU軸についてのユーザ命令された像自身の回転である。
γIとγU命令との間の差がさらに詳細に述べられる前に、この実施例及び関係について述べるのに使われる座標系が図４を参照に述べられる。図４の上部に示される座標系は、図３とつなげて始めの方に述べられた機械参照システムである。ＺM方向は前記ビーム柱１２、１４の電子ビーム軸１５と一致する。試料１９は長い及び短い点線内に示される。当該試料上に照射されたスポット１７は点線の円として示される。方向ＸM、ＹM及びＺMは、前記電子ビームカラムのポール間の中途に実際の原点をもって直交している。前記機械参照システムは図４上方に置かれ、この下にもう一つの座標系を示す余地を作っている。図示された位置において、前記試料は移動されていないし又はチルトされていない。
前記機械参照システム座標系の下に、同一の試料１９が、移された及びチルトされた位置内に示され、他の座標系が前記移された及びチルトされた試料に関して示される。当該試料は、総量ＸM1によりＸMに移され、それぞれ角度αM1及びβM1によりαM及びβM方向にチルトされる。照射スポット１２は、前記電子ビーム軸に関係して動かない（試料チルトのために試料上の形状が僅かに変わっても）。前記試料上の照射スポットは、しかしながら、前記試料が移されるので動く。
試料表面座標系は、前記試料上に重ね合わされて示される。前記表面座標系は、電子ビーム軸に残るが前記試料がチルトされる原点をもつ。ＸS及びＹS軸は互いに垂直であり、前記試料の像平面と一致する。また、前記ＸS及びＹS軸は、前記ユーザ参照システムのＸU及びＹU方向と対応するように回転される。前記ＸU方向内でユーザにより見られる前記像間の運動は、前記試料間の前記ＸS方向内の運動に対応する。前記ＸS軸及びＹS軸に対するこの回転は、ＺS軸の周りに前記表面座標系を角度φ回転させることにより達成される。
φは前記機械参照システムと前記ユーザ参照システムとの間の回転オフセットの全体的角度であり、いくつかの要素の合計である。一つの要素は、電子が前記試料から前記電子感知表面１８へ移動するような螺旋路の結果として生じる特徴的回転移動である。前記螺旋路により生じるこのオフセットは、前記電子ビームカラムが異なって調整されるときだけでなく、前記試料が前記ＺM方向に移動するときも変化する。前記ＺM方向内の前記試料の移動で変化する前記螺旋路成分はこの移動の定数Ｈ倍である。Ｈは、操作者の位相較正の間に決められる。Ｈが決定される一つのやり方は実験的なものである。像が前後の回転を止めるまで前記ＺU方向に前記像を上下に動かしながら、ユーザはＨの値を調整する。前記試料のＺM移動で変化しない前記螺旋路成分は、位相較正の間に決められるφ0と呼ばれる全体的オフセットの一部である。φ0の適した値は、ユーザによりまた実験的に決められる。前記像が前記ＸU方向（又は前記ＹU方向）内の前後に正しく動くまでφ0の値を調整しながら、ユーザは前記像を前記ＸU方向（又は前記ＹU方向）内の前後に動かすように命令する。像のゆっくりした電子回転により生じるもう一つのオフセット成分がまだあるかもしれない。ユーザはユーザ命令によりこのオフセットを制御するので、このオフセットは知られる。φの値は図３に示される像回転モジュール６５により決められる。
図４に示されるように、前記表面参照システムは、前記ＸS軸の周りに回転αSの方向と前記ＹS軸の周りに回転βSの方向とを有する。αSはαUと一致し、βSはβUと一致する。αUの命令された変化はこのように前記試料のαS回転を生じ、βUの命令された変化はこのように前記試料のβS回転を生じる。しかしながら、ＺUはＺSと一致しない。前記試料が前記ＺU方向内に動かされるとき、ユーザは前記像を移動させることを期待しないので、前記ＺU方向は前記ＺM方向と一致する！ＺUの命令された動きは、結果として前記ＺM方向内の前記試料の移動となる。
前記ＸU及びＹU方向内の命令された移動または前記ＸS及びＹS方向内の前記試料の移動となるが、スケーリング要素は前記αS及びβSチルトに起因して紹介される必要がある。前記像スケーリングは前記像ピックアップ表面１８で実際に決められ、ＸU又はＹU命令が前記表面参照システム内で変換されるとき、なされる必要がないプロジェクション要素によりスケーリングされる。これは図４で示される。前記ユーザ参照システムと一致するより低い座標系に示されるように前記像が形成されるとき、前記チルトされた試料１９は平らな方向表面上に実際にプロジェクトされる。プロジェクション線４３は、前記チルトにより前記ＹU軸に沿う特定の距離ＹU1が前記ＹS軸に沿う僅かだけ長い距離ＹS1と対応することを表している。当該関係はαM1及びβM1の値から正確に決定可能である。
図３に戻って、ユーザが、結晶学上の例えば前記試料にとって通常でない（即ちαM及び／又はβMが０でない）電子ビームに関して軸又は平面を変えるために（実際的に又は効果的に）前記試料を回転させることを所望するとき、ユーザはγUの命令された変化を入力する。他方で、ユーザが前記試料位置又は像を結局変化させることなしに表示上に見られる前記像を回転させることを望むだけならば、ユーザはγIの命令された変化を入力する。
図１及び２の組み合わせで述べられた従来のゴニオメータは、前記試料を回転させる可能性をもたないことに注目されたい（即ち図１及び２の組み合わせで述べられた又は図示されたγ回転方向の可能性がない）。図３に示されたゴニオメータの自動化されたタイプは、前記試料を実際に回転させる物理的可能性をもたない。それにもかかわらず、同じ効果が前記試料を実際に回転させることなしに、前記試料の回転として生み出される。
明らかに、像回転だけが所望されるならば、前記試料自体は回転される必要はない。像回転機能は像回転モジュール６５により供給され、示されるように分離のハードウエア内で実行されてもよいし、又はコンピュータ６４内のソフトウェアで実行されてもよい。像回転はとても一般的なソフトウエアであるか、従来から多くのやり方で実行された電子機能である。どの従来の像回転技術も本発明を実行するのに選ばれてもよい。像回転が所望されるとき、前記γIの命令は像回転器６５へ送られ、これは命令された量により単に像を回転させる。
所望の試料回転のシミュレーションもまた実行するのは容易である。αM及びβMが０でないならば、γUの命令はγIの命令と同等であり、同じやり方で制御できる。αM及び／又はβMが０でないならば、αM及びβMの値を変形することにより、前記試料が実際に回転されたならばもつであろう同じ回転での前記試料へ入射する電子ビームを生じるために、γUの命令がシミュレートされてもよい（すなわち前記試料の回転がシミュレートされてもよい）。発生するところのものは、前記試料平面の全般的チルトが変わらないが、当該試料平面は所望の効果的回転の量により前記ビーム軸を摂動するように生じる。チルト角の値のこのような変形を通して、電子ビームにより生じる像は、前記試料平面を摂動することにより効果をシミュレートするかわりに前記試料が実際に回転されたならば前記像も回転されるだろうということを除いて、前記像が回転されたかのように同じになる。それで、前記像回転がなされたところへ補正することも必要である。これは図３に示されるように、γUの命令を前記像回転モジュール６５へ送ることにより容易になされてもよい。γUの変化とγIの変化との間の差は、γUの変化が像回転だけでなくチルト角への変化もまた含むということがほとんどないということである（前記ビーム軸についての前記試料平面の摂動と同等である）。当該摂動効果はデルタ変換モジュール６６内の変換である。
操作者が表示される画面を上に動かそうと所望するならば、即ち（試料の）ＹU位置を変える命令である、異なる入力命令が操作者により発生され、参照のユーザフレームが参照される。この一つの命令に応答して、当該システムは、表示される像への命令された変化を成し遂げるのに必要であるどの試料再位置決め信号も自動的に発生する。
操作者は、コンピュータ６４の入力インタフェース６２を介して参照の前記ユーザフレーム内に所望の命令を入力する。これは、キーボード命令、マウス入力、ジョィスティック入力、タッチスクリーン入力、音声命令入力及びユーザインタフェースが受け入れられるように設計されたどの種類の入力を使ってなされてもよい。現在の位置及び回転は操作者が実際にスクリーン上で見ているものなので、好ましくは前記命令入力は現在の位置及び回転から変わるように表現される。操作者からの命令は、ΔＸU命令又はΔＹU、ΔＺU、ΔαU、ΔβU、ΔγU又はΔγI命令又はこれらの二つ又はそれ以上のいくつかの組み合わせとして簡単に表されてもよい。
各一つ又はそれ以上の前記ユーザ参照システムの方向内の特定された量により前記試料の位置及び／又は回転を変える操作者の命令は、前記ユーザ参照システム内に表されたパラメータの変化量（ユーザシステムΔパラメータ）を前記機械参照システム内に表されたパラメータの変化量（機械システムΔパラメータ）へ変換するパラメータ変換モジュール６６へ送られる。各０でないユーザシステムΔパラメータは、少なくとも一つの（及び一般にはいくつかの）０でない機械システムΔパラメータへ翻訳される。各特別の機械システムΔパラメータの値は、数学的関数の前記ユーザシステムΔパラメータ及び現在の回転値αM，βM及びφとして表されてもよい。したがって、現在のαM，βM及びφの値は前記パラメータ変換モジュール６６への付加の入力として提供される。
パラメータ翻訳器６６は、６個のユーザシステムΔパラメータ（これらの一つだけ又はいくつかは一般に０ではない）を５個の機械システムΔパラメータ（これらのいくつかは０かもしれない）へ翻訳し、これらをもう一つの変換モジュール６８へ供給する。変換モジュール６８は、前記機械システムΔパラメータを現在の機械システム位置ベクトルに簡単に付加することにより、前記機械システムΔパラメータを新しい機械位置ベクトル（即ち前記機械参照システム内の新しい位置の値及び回転角）へ変換する。当該新しい機械システム位置ベクトルは、逆運動変換モジュール７０へ順に供給される。前記逆運動モジュールは、前記試料に対する所望の新しい機械システム位置ベクトルを駆動信号Ｊ1，Ｊ2，Ｊ3，Ｊ4及びＪ5へ変換し、前記新しい機械システム位置ベクトルにより定められた新しい位置へ該試料を運ぶための前記機械位置決めシステム２６を生じるために、順にこれらは対応する駆動器４２、４４、４６、４８及び５０を制御する。
述べられたこの種の変換問題、即ち、一つの座標系で実行されて一方から他方の座標系へ変換が必要であるような座標系というよりはむしろ、システムの所望の動きが異なる座標系で表されるという変換問題を処理する数学の部門はよく開発されていて、運動学（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）と呼ばれる。数学のこの領域において、二つの座標系間の関係は、運動モデルとして表され表現される。束縛があるとき及び解法が一つではないとき、動きが所望の動きのベクトルから実行されるべきである当該システムに対する駆動ベクトルを計算する問題をさらに特に扱う領域は、逆運動学と呼ばれる。数学のこれらの領域のより詳細な説明と、座標系間の上述の変換を作るための数学的式（実際にはマトリクス）の開発についての詳細な情報とは、始めの方に引用されたＨ．Ａｓａｄａ及びＪ．−Ｊ．Ｅ．Ｓｌｏｔｉｎe著「Ｒｏｂｏｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」に見られるだろう。逆運動学は特にこの本のセクション２．３の３９〜４９頁に述べられている。
図３の変換を取り込んだ特に従来のやり方は、Ｇｅｎｅｒｉｃ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ又はＧＭＣと呼ばれるこの出願の代理人により開発されたソフトウエア環境を使用することである。前記ＧＭＣソフトウエアは、米国のＰｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ社のＰｈｉｌｉｐｓ研究所内のＧＭＣグループから利用可能である。前記ＧＭＣソフトウエアは、機械と変換とが運動記述言語（ＫＤＬ）内にモデル化され前記機械を制御するように実行されてもよい環境をつくる。以下のコードは、前記ＧＭＣを使用するゴニオメータを制御するように要求されたＫＤＬコードの例として作られた。
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図３は一般に、本発明により供給される新しいユーザインタフェースを記述し、操作者はユーザ参照システム内の試料の動きを特定し、コンピュータは前記特定された動きを機械座標系内に実行のための駆動ベクトルへ翻訳する。これが、前記試料を制御し、磁極片と動いている部分との衝突を避けることで操作者を補助する一方、付加の機能がこのような衝突が起こらないことを確実にするコンピュータシステムへ好ましくは加えられる。
図５は、衝突回避を提供する本発明にしたがう改良された電子顕微鏡ゴニオメータ制御システムの線図である。この実施例は、ユーザ参照システム命令が一連のユーザ参照システムのセットポイントへ実行され、前記機械位置決めシステムにより実行される前に可能性ある衝突を調べるということを除いて、図３の実施例と似ている。
ユーザ入力インタフェース６２は、前記ユーザ参照システム内に所望の変化ベクトルを再度発生するが、この実施例において当該ユーザシステム変化ベクトルは、補間モジュール７１により参照のユーザフレーム内に一連の精細ステップ（又はセットポイント）へ変換される。これらの精細なユーザシステムセットポィントは、一つずつ実行される。路７２へ沿って前記補間モジュール７１へ送られる「精細な動きの完全な」タイミング信号により示されるように、連続する精細なユーザセットポイントは、前のものが実行されるまで処理されない。このタイミング信号は、好ましくは前記像回転モジュール６５へも送られるので、ユーザにより見られる像は、少しずつアップデートされる。
精細なユーザ参照システムセットポイントは、図３内のモジュール６６及び６８と似たように機能するモジュール７４内の機械参照システムセットポイントへ変換される。モジュール７４内で作られた機械参照システムセットポイントは、衝突検出システム７６により可能性ある衝突状況を調査する。何れの形式の衝突検出も使用可能である。好ましい実施例は、後で述べられる。衝突状況が検出されたならば、システム制御はエラー制御器７８を始動し、ユーザに警告する。検出される衝突状況を生じる機械参照システムセットポイントは、前記駆動器により実行されない。衝突がモジュール７６により検出されないならば、機械セットポイントは逆運動モジュール７０へ送られ、ちょうど図３内の前記逆運動モジュールのように機能する。前記駆動器により実行される駆動ベクトルＪ1．．．Ｊ5を作る。
前記Ｊ1．．．Ｊ5ベクトルが前記駆動器へ送られるとき、試料が所望の機械参照システムセットポイント（この場合精細な機械システムセットポイント）に実際にあると仮定するよりはむしろ、図５のシステムは全駆動器の実際の駆動位置、即ちＪ1A．．．Ｊ5Aを得、機械参照システム座標内の試料の実際の位置を計算する。これは、前の運動モジュール８０によりなされる。計算された実際の位置ベクトルＸMA，ＹMA，ＺMA，αMA及びβMAはコンピュータ８２により所望の機械システムベクトルへ計算される。万一これらが合わない場合は、エラー状況が検出され、前記エラー制御器７８へ送られ、ユーザに警告する。
前記実際の機械システムベクトルＸMA，ＹMA，ＺMA，αMA及びβMAは、次の機械参照システムセットポイントを作る際に使用のための変換モジュール７４へ送られる。前記ＺMAの値は、前記変換モジュール７４により必要とされるφ値を計算するのに使用のための前記像回転器６５へも送られる。全精細なユーザセットポイントがユーザ命令に対応して実行されたとき、補間器７１は、完成を感知し、もう一つのユーザ入力命令のために前記ユーザ入力インタフェースシステム６２を開く。ユーザ入力命令が（小さなステップで）実行されている間、前記ユーザ入力インタフェースシステムは閉じられ、現在の命令の結果が実行されユーザに表示されるまでユーザはもう一つの命令を入れないだろう。
衝突を検出する好ましい方法が今記述される。電子ビーム顕微鏡のポールは特徴的形状をもつ傾向にあるということが観察されていて、この特徴ある形状は近似的に平頭の（即ちカットされた）長円形放物面である。衝突回避計算は、衝突するかもしれない対象物があるというやり方でモデル化される必要があるということを固有に要求する。それでカットされた又は平頭の長円形放物面のような前記ポールをモデルとすることが好ましい。
αM及びβMの特定の組み合わせで、平頭の長円形放物面の各ポールに対して禁じられたゾーンが計算され実験的に決められる。（各ポールに対して）長円形放物面を定めるパラメータが、図６に示されるテーブルを形成するためのαM及びβMの値にしたがって記録される。箱内にあるパラメータは、当該パラメータが平頭の長円形放物面を定める必要があるということを表示する。これらのパラメータの値のセットは、前記テーブル内のαM及びβMの各組み合わせ（前記テーブル内にα及びβとして簡易に示されて）に対して決められ、対応する蓄積場所に置かれる。
衝突の確認は予想された新しいαM及びβMの値に対応する前記テーブル登録からのパラメータのセットを回収し、前記予想された新しいαM及びβMの値ＸM、ＹM及びＺMがこれらの回収されたパラメータにより表示された平頭の長円形放物面内に落ちるかどうかを計算することである。
本発明は好ましい実施例を参照に特に詳細に述べられたが、本発明の意図及び範囲内にある多くの変形が可能性があるということは、気が付くべきである。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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