(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の連続的なサブ像を形成し、これらのサブ像それぞれに対して結像レンズ系の種々のデフォーカシング調節を利用し、
このようにして得られた前記サブ像それぞれに対して、デフォーカシングの関数として振動関数に依存する重み付ファクタを割り当て、
前記重み付ファクタが乗算された前記サブ像を加算することにより、前記結像レンズ系によって形成された前記複数のサブ像により粒子−光学装置の物体像を形成するに当たり、
前記振動関数の値が全デフォーカシング範囲に亘って同一の符号を有することを特徴とする粒子−光学装置の物体像形成方法。
【請求項２】
前記重み付ファクタを、前記サブ像の露光時間を選択することによって調整し、
このようにして得られた前記サブ像の加算を、前記これらのサブ像を同一の記録担体に毎回記憶することにより行うことを特徴とする請求項１記載の粒子−光学装置の物体像形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の粒子−光学装置の物体像形成方法を実施する粒子−光学装置であって、この粒子−光学装置の光学軸線に沿って移動する粒子を放出する粒子源と、
前記粒子−光学装置によって結像すべき物体を前記光学軸線の区域に配置する試料支持体と、
結像すべき物体の像を形成する結像レンズ系と、
前記レンズ系によって生じた像を記録担体に記録する記録装置と、
前記結像レンズ系の励磁を制御するようにした制御装置とを具える粒子−光学装置において、
前記制御装置は、値が前記全デフォーカシング範囲に亘って同一の符号を有する予め決められた時間依存性の振動関数に一致して前記レンズ系を励磁するようにしたことを特徴とする粒子−光学装置。
【請求項４】
前記記録装置は、前記サブ像を一つの記録担体に加算するようにしたことを特徴とする請求項３記載の粒子−光学装置。
【請求項５】
前記静電レンズを２個の電極で形成した請求項３記載の粒子−光学装置において、少なくとも１個の前記電極を前記試料担体の表面で形成したことを特徴とする粒子−光学装置。
【請求項６】
前記結像レンズ系は、光学軸線が前記粒子−光学装置の光学軸線と一致し、対物レンズのキャビティ内であって、下側のポールピースより下に配置された補助コイルを具えることを特徴とする請求項３記載の粒子−光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の連続的なサブ像を形成し、これらのサブ像それぞれに対して結像レンズ系の種々のデフォーカシング調節を利用し、このようにして得られた前記サブ像それぞれに対して、デフォーカシングの関数として振動関数に依存する重み付ファクタを割り当て、前記重み付ファクタが乗算された前記サブ像を加算することにより、前記結像レンズ系によって形成された前記複数のサブ像により粒子−光学装置の物体像を形成する方法に関するものである。
【０００２】
また本発明は、この方法を実施する粒子−光学装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
この種の方法は、１９９０年に刊行された雑誌「電子顕微鏡ジャーナル」(“J“urnal of Electron Microscopy")のVol.39,No3の１３７〜１４４頁の記事“Active Image Processing as Applied to High Resolution Electron Microscopy (I) Assessment of Misalignment and Its Correction" （谷口等著）から既知である。
【０００４】
複数のサブ像を加算することにより粒子−光学装置の物体の像を形成する方法は、例えば１９８５年に刊行されたP.Bonhomme及びA.BeorchiaによるUltramicroscopy の“Image synthesis in the electron microscope"の１２７〜１３２頁から既知である。引用した文献特に図２の説明には、像の復元方法が開示されており、ここでは３組のサブ像を加算することにより像を形成している。第１の組のサブ像は単一の像から成り、それに対して第２の組のサブ像は、レンズの励磁電流の時間的な線形変化のためにデフォーカシングが下限から上限まで時間的に一度変化する連続した一連の像から成る。また第３の組の像も、レンズ電流が線形的に変化するために下限から上限に時間的に一度変化する連続した一連の像から成る。サブ像に割り当てられた重み付ファクタは、所定のデフォーカス範囲において結像レンズ系の調節の休止時間に生じる。引用した文献には、正弦曲線的に時間変化するレンズ電流を使用することについても記載されている。
【０００５】
引用したP.Bonhomme及びA.Beorchiaによる刊行物には、この方法により、結像レンズが像形成中に固定された焦点を有する従来の像に比べて、物体に存在する空間周波数をより広い範囲で伝達する像を形成できることが記載されている。
【０００６】
電子顕微鏡のような粒子−光学装置の像は通常、いわゆる位相差伝達関数（以下「ＰＣＴＦ」と称する。）によって表現されている。この関数は、物体の区域の結像粒子ビームの波動関数と像の区域の結像粒子ビームの波動関数との間の関係を設定している。このＰＣＴＦでは、物体の細部の空間周波数がパラメータとして作用する。全ての既知の粒子−光学装置では、ＰＣＴＦは物体中の空間周波数に依存する振動態様で変化する。このことは、符号の反転が像を形成する波の振幅中に発生することを意味する。このような符号の反転のために、コントラストの形成は結像すべき物体に存在する細部だけでなく、ＰＣＴＦの特性すなわち結像装置にも依存する。したがって、物体のコントラストによって生じるのではなく装置の特性によって生じる位相差が発生するおそれがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
引用された谷口等による文献ではこの欠点は、デフォーカシング関数として各サブ像に割り当てられた重み付ファクタが、振動態様に依存するとともに正及び負に交互に顕著に変化することにより解消される。したがってＰＣＴＦの振動変化にもかかわらず、装置の特性により空間周波数の広範囲に亘ってコントラストが生じなくなる。最終的に所望される像を得るためのサブ像の合成が、テレビジョンカメラによるサブ像のコンピュータ制御された記録によって既知の方法に基づいて行われ、また、関連の重み付ファクタを有するこれらのサブ像の積分がＴＶフレーム積分器を用いて行われる。このことは、コンピュータやテレビジョン装置のような所定の数の電子装置が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、粒子−光学装置中において所望の像をより簡単に復元することができる方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明の粒子−光学装置の物体像形成方法は、前記振動関数の値が全デフォーカシング範囲に亘って同一の符号を有することを特徴とするものである。
【００１０】
粒子−光学装置特に通常の電子顕微鏡では、本発明を、装置を大幅に修正する必要なく用いることができる。この場合復元を、サブ像を加算するだけで行うことができる。
【００１１】
本発明は特に、前記重み付ファクタを、前記サブ像の露光時間を選択することによって調整し、
このようにして得られた前記サブ像の加算を、前記これらのサブ像を同一の記録担体に毎回記憶することにより行うことを特徴とするものである。記録担体を、同一の場所が繰り返し露光される写真用フィルムとすることができるが、像の画素をディジタル的に記録及び加算することもできる。この場合記録担体を、ソリッドステートのメモリ又は磁気記録担体のような通常の記録媒体によって形成する。
【００１２】
また本発明は、前記重み付ファクタの調整を、予め決定されたデフォーカシングの程度の関数である速度で全デフォーシング範囲に亘って走査することによって行い、その後前記記録担体に記録された像を連続的に発生させることを特徴とするものである。これにより、装置において時間的に連続したプロセスのトラッキングを行うことができる。前記デフォーカシング範囲を、人間の肉眼の一時的な解像度よりも小さい期間で周期的に走査する際に、テレビジョン回路を介して物体を調査することもできる。
【００１３】
【実施例】
図１に示す電子顕微鏡は、電子源１として構成されるとともに電子放出素子２を具える粒子源と、ビーム調節系３と、ビーム絞り４と、集束レンズ６と、対物レンズ８と、ビーム走査系１０と、試料支持体１３を収容する対物空間１１と、回折レンズ１２と、中間レンズ１４と、投射レンズ１６と、電子検出器１８とを具える。対物レンズ８、中間レンズ１４及び投射レンズ１６は共同して結像レンズ系を構成する。これらの素子を、電子源１用の電力供給導線２１、観察窓２２及び真空排気装置２４が設けられたハウジング２０に収容する。電子顕微鏡は、レンズ系によって生じた像を記録担体に記録する記録装置も具える。記録装置は、電子検出器１８と、画像記憶装置を有する画像処理装置２８と、形成された像を観察する映像ディスプレイ２７とを具える。電子検出器１８は電子感知入口面を具える。このために、電子感知入口面を、例えば個々に読み出されることができる電子感知ダイオードのマトリックスから成る半導体検出器として構成することができる。これらの検出器の素子のそれぞれを、外側からアクセスできる端子２６に個々に接続する。特に、高い信号周波数に対して情報の損失を回避するために、検出器の素子を好ましくは、第１の信号増幅段と一体になるように構成する。このために、この信号増幅段をハウジング２０内に収納するとともに、個々のダイオードにそれぞれ直接結合する。この場合、検出信号の乗算例えば種々のサブ像の加算を、第１の増幅段の後段で得られた信号を用いて行うことができる。
【００１４】
所望のデフォーカス変化を行うために、本発明によれば、対物レンズ８の励磁コイルを、予め決められた時間依存性の振動関数に従って結像レンズ系の励磁を制御するようにする制御装置１５に接続する。このデフォーカスは、例えばデフォーカス関数を不連続な値の形態例えばＰＣＭのワードの形態で記憶装置に記憶するようにして制御する。この記憶装置を所定の速度でアドレス指定することによって読み出すことができ、したがってデフォーカシング関数のサンプルが所望の速度で記憶装置のデータ出力に現れる。デフォーカシング関数は、ディジタル−アナログ変換後利用できるようになる。
【００１５】
図２は、本発明による電子顕微鏡に用いる対物レンズ８を示す。対物レンズ８はポール３２を有する鉄被回路３０を具える。光学軸線３６を図のように規定する。磁気レンズは、鉄被回路３０内に収納されたコイル３４により通常の方法で励磁される。光学軸線３６を中心にしたポール３２の真下には、補助コイル３８を鉄被回路３０のキャビティ４０内に収容してデフォーカシングを行うようにする。この補助コイル３８をこのように配置することにより、この補助コイル３８を鉄被回路３０による外部の妨害電磁界から保護される。また、補助コイル３８はこの位置に鉄被回路３０の鉄を含まないので、高周波数のデフォーカシング磁界は渦電流をほとんど発生させない。したがって、この形態はビデオ周波数で物体を観察するには特に好適である。
【００１６】
図３は、現在の電子顕微鏡に発生しうる位相差伝送関数（ＰＣＴＦ）を示す。このＰＣＴＦは試料中に電子が吸収されることによるコントラストの形成を考慮していない。このコントラストは主に、位相差が発生する生物標本の場合に頻繁に発生する。このグラフィック表示では、試料の空間周波数を水平方向にプロットするとともに、デフォーカシングの程度を図面平面に垂直な方向にプロットする。位相差をデフォーカシングの面及び空間周波数に垂直に示す。このＰＣＴＦを、電界放出タイプの電子源を有するフィリップス社製の電子顕微鏡のタイプＣＭ３０によって決定した。球面収差の係数Ｃs 及び色収差の係数Ｃc に対して１ｍｍの値を、電子加速電圧に対して３００ｋＶの値を、加速電圧の偏差に対して１ｐｐｍの値を、電子エネルギーの広がりに対して１ｅＶの値を、結像ビームの開口角に対して０．１ｍｒａｄの値をそれぞれ仮定した。この図は明らかに、コントラストが結像すべき物体に実際には存在しないにもかかわらず像にコントラストが発生しうるＰＣＴＦの符号の反転を示す。
【００１７】
図４はデフォーカシング関数を線図的に示す。デフォーカシングを水平方向にプロットするとともに、サブ像に対する重み付ファクタを垂直方向にプロットする。グラフに示す全ｚ領域は１３．５μｍに相当する。領域Δｚをこのグラフで選択すると、時間間隔Δｔは領域Δｚに対応する。この時間間隔Δｔは、領域Δｚが選定された付近のｚの値に関連する休止時間となる。
【００１８】
図５は結果として生じるＰＣＴＦを線図的に示したものである。ここで曲線ｂを図４に示す全領域に亘って適用されたデフォーカシング関数によって決定する。曲線ａを、値０μｍと図４において垂直な破線で示した値７μｍとの間に位置するデフォーカシング関数の一部によって決定した。図５のＰＣＴＦのスケールを、デフォーカシング及びサブ像の加算のないＰＣＴＦに基づいて決定する。このＰＣＴＦによって仮定することができる最小値及び最大値を、−１及び＋１にそれぞれ設定する。同一個数の電子が像に関連すると、図５のＰＣＴＦがこの際決定される。このようにして決定されたスケールに基づいて、ＰＣＴＦは値０と値０．３との間で移動する。図５の二つの曲線を、ｚの正の値に対するデフォーカシング関数のみを利用することにより得た（デフォーカシング）。
【００１９】
図４及び５を、以下の前提に基づいて決定した。フィリップス社製の電子顕微鏡のタイプＥＭ４２０を用い、結像電子に対して１００ｋＶの加速電圧とし、球面収差係数Ｃs ＝２．７ｍｍとし、ＰＣＴＦが、平坦となる所望の領域が１〜１０ｎｍの物体中の細部の寸法に相当するようにした（これらの解像度の値に対して、色収差係数Ｃc は重要ではない。所望なら２．７ｍｍに等しく選定することもできる）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実施する電子顕微鏡の線図的な断面図である。
【図２】図１に示す電子顕微鏡の結像レンズ系に用いる対物レンズの線図的な断面図である。
【図３】物体の空間周波数及び結像レンズ系のデフォーカシングに依存する位相差伝達関数を線図的に示す。
【図４】本発明による方法及び装置に用いるデフォーカシング関数のグラフィック表示である。
【図５】図４から得られる位相差伝達関数のグラフィック表示である。
【符号の説明】
１  電子源
２  電子放出素子
３  ビーム調節系
４  ビーム絞り
６  集束レンズ
８  対物レンズ
１０  ビーム走査系
１１  対物空間
１２  回折レンズ
１４  中間レンズ
１５  制御装置
１６  投射レンズ
１８  電子検出器
２０  ハウジング
２１  電力供給導線
２２  観察窓
２４  真空排気装置
２６  端子
２７  映像ディスプレイ
２８  画像処理装置
３０  鉄被回路
３２  ポール
３４  コイル
３６  光学軸線
３８  補助コイル
４０  キャビティ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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