(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過型電子顕微鏡の対物レンズの下流に配置され、複数の多極子レンズを含む組みレンズで発生される負の球面収差で前記対物レンズの球面収差を相殺して球面収差補正を行う、透過型電子顕微鏡用収差補正器であって、
負の球面収差を発生する球面収差補正部と、
前記対物レンズと前記球面収差補正部との間に設けられ、コマ収差又は５次収差の発生を抑える第１及び第２の球面転写レンズを有する転写部と、を備え、
前記転写部は、前記対物レンズの後焦点面付近に形成される前記対物レンズのコマフリー面又は５次収差最小面を、前記球面収差補正部のコマフリー面又は前記球面収差補正部の第１番目のレンズの中心面に転写し、試料で散乱されて試料面を発する電子線を前記球面収差補正部に平行に入射させ、
前記コマフリー面転写部の２枚の球面転写レンズのうち、前記対物レンズにより近い位置に配置された第１の球面転写レンズと前記対物レンズの距離が前記第１の球面転写レンズの焦点距離とは異なることを特徴とする透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【請求項２】
前記転写部内の前記第１及び第２の球面転写レンズの焦点距離ｆ１、ｆ２が、以下関係式（i）によって規定されることを特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【数１】
0004533444.tif 000018
ここで、ｌ１、ｌ２、およびｌ３はそれぞれ、前記対物レンズの前記コマフリー面又は前記対物レンズの中心面と前記第１の球面転写レンズとの距離、前記第１の球面転写レンズと前記第２の球面転写レンズとの距離、前記第２の球面転写レンズと前記球面収差補正部のコマフリー面又は前記球面収差補正部の第１番目のレンズの中心面との距離であり、Ｌｔは前記転写部の全長（Ｌｔ＝ｌ１＋ｌ２＋ｌ３）であり、Ｋは式（ii）で定義されるパラメータである。
【数２】
0004533444.tif 000019
【請求項３】
前記球面収差補正部が、互いに等価な第１及び第２の六極子レンズと、前記第１及び第２の六極子レンズ間に配置され、像転写のための互いに等価な第３及び第４の球面レンズと、を含み、
前記第１の六極子レンズと前記第３の球面レンズとの間隔、前記第３の球面レンズと前記第４の球面レンズとの間隔、及び前記第４の球面レンズと前記第２の六極子レンズの間隔のそれぞれが、前記第３及び第４の球面レンズの焦点距離をｆとすると、ｆ、２ｆ、ｆとなるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【請求項４】
透過型電子顕微鏡の対物レンズの下流に配置され、複数の多極子レンズを含む組みレンズで発生される負の球面収差で前記対物レンズの球面収差を相殺して球面収差補正を行う、透過型電子顕微鏡用収差補正器であって、
負の球面収差を発生する球面収差補正部と、
前記対物レンズと前記球面収差補正部との間に設けられ、コマ収差又は５次収差の発生を抑える第１、第２及び第３の球面転写レンズを有し、これらの球面転写レンズにより前記対物レンズから前記球面収差補正部への転写倍率を調節可能にする転写部と、を備え、
前記転写部は、前記対物レンズの後焦点面付近に形成される前記対物レンズのコマフリー面又は５次収差最小面を、前記球面収差補正部のコマフリー面又は前記球面収差補正部の第１番目のレンズの中心面に転写し、試料で散乱されて試料面を発する電子線を前記球面収差補正部に平行に入射させ、
前記転写部の３枚の球面転写レンズのうち、前記対物レンズにより近い位置に配置された第１の球面転写レンズと前記対物レンズの距離が前記第１の球面転写レンズの焦点距離とは異なることを特徴とする透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【請求項５】
前記転写部内の前記第１乃至第３の球面レンズの焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３は、前記転写部の転写倍率ｍｔと以下の関係式（iii）によって規定されることを特徴とする請求項４に記載の透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【数３】
0004533444.tif 000020
ここで、ｌ１、ｌ２、ｌ３及びｌ４はそれぞれ、前記対物レンズの前記コマフリー面又は前記対物レンズの中心面と前記第１の球面転写レンズとの距離、前記第１の球面転写レンズと前記第２の球面転写レンズとの距離、前記第２の球面レンズと前記第３の球面転写レンズとの距離、前記第３の球面転写レンズと前記球面収差補正部のコマフリー面又は前記球面収差補正部の第１番目のレンズの中心面との距離である。
【請求項６】
前記対物レンズの倍率をｍ０とし、前記（iii）式の示す転写条件を維持しながら前記転写部の転写倍率ｍｔを選択して、前記対物レンズの球面収差Ｃｓｏと前記球面収差補正部がこれを補正するために生成する負の球面収差Ｃｓｃとの相殺を関係式（iv）によって調整することを特徴とする請求項５に記載の透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【数４】
0004533444.tif 000021
【請求項７】
前記ｌ１、ｌ２、ｌ３及びｌ４がｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４≡Ｌの関係にあるとき、前記第１乃至第３の球面転写レンズが各々(v)式の示す基準となる焦点距離ｆ１０、ｆ２０、ｆ３０
【数５】
0004533444.tif 000022
を持つとき、前記転写倍率ｍｔ＝−１が得られ、
前記第１及び第３の球面転写レンズの焦点距離を (vi)式の通り、
【数６】
0004533444.tif 000023
として反対称に変化させることでｍｔ＝−１＋δｍとなるように転写倍率の微調整を可能とすることを特徴とする請求項６に記載の透過型電子顕微鏡用収差補正器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置、特に透過型電子顕微鏡に用いられる収差補正器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転対称な電磁界を用いる電子レンズにおいて球面収差は原理的に常に正値であり、これらを用いる範囲で球面収差を補償しても球面収差を０とすることができない（非特許文献１参照）。従って、電子顕微鏡装置において、近年まで球面収差はその分解能を限定する最大要因であり続けた。
【０００３】
その一方で、１９９０年代後半から、多極子レンズのような非回転対称電子光学系を用いた球面収差補正器の実用化が進み、２００８年現在実用レベルで球面収差補正器を搭載した電子顕微鏡も製品化されるようになってきている。特に、１００ｋＶを超える加速電圧を持つ透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）においては、多くの場合球面収差が分解能を決める最大要因であり、球面収差補正器を利用する効果は高い。
【０００４】
図１は、収差補正器を備えたＴＥＭの概略を示す図である。ＴＥＭ鏡体１において当該の球面収差補正器２は、対物レンズ４の球面収差を補正することを主目的として、試料３から対物レンズ４を挟んだ下流に配置される。試料３は、電子源５（熱電子放出方式、電解放出方式、熱電解放出方式等の電子源がある）から取出され、加速管６で所定の加速電圧で加速された後、１枚以上のコンデンサレンズ７で収束度を調整された電子線８で照射される。このとき試料３で散乱される電子線９を、対物レンズ４で結像し、拡大像を得る。試料３を１ｎｍ以下の高分解能で観察しようとする時は通常、試料３が対物レンズポールピース（磁場を集中させる為の磁極）の磁場中に浸させて置かれるので、図１では試料３を対物レンズ４中に置くように図示している。
【０００５】
拡大像を結像する過程で、球面収差補正器２は対物レンズ４直下に置かれ、対物レンズ４の球面収差で発生する像の歪、ボケを補償する。得られた拡大像は、さらに下段に配置される複数枚の結像レンズ１０で再拡大され、観察面１１上に結像される。通常、観察面には電子線８によって蛍光する蛍光板が置かれ、これを直接目視することで拡大像を観察することができるほか、フィルムやＣＣＤのカメラによってこれを撮影することもできるようになっている。なお、図１では基本的な構成を示し、電子ビームの調整を行う偏向器、非点補正器、その他付属装置は、説明から省いている。
【０００６】
上述のＴＥＭにおいては、球面収差補正を行う為に適当な球面収差補正器として、Ｈ．Ｒｏｓｅが特許文献１で提案した２枚の六極子レンズを含む構成が、現在Ｍ．Ｈａｉｄｅｒらによって実用化されている。図２は、試料３、対物レンズ４と球面収差補正器を含めた、図１破線枠１２の範囲の構成を示す図である。図２中、実線１３と破線１４はそれぞれ、試料面１５と（後述の）コマフリー面１６を発する電子線軌道である。図２では左を電子顕微鏡の上流として作画している為、対物レンズ４、試料３は図２の左端に表示されている。これらの下側（図２で右）に配置されるのが補正器２であり、対物レンズ４直下から第１の六極子レンズ１８手前までの前半部と、それ以下の後半部に大きく分けられる。後者が、対物レンズ４の球面収差を補正する球面収差補正部（Ｈ．Ｒｏｓｅの呼ぶ４ｆシステム１７）である。この球面収差補正部は、２枚の六極子レンズＨＥＸ１＿１８と、ＨＥＸ２＿１９と、これらに挟まれた２枚の回転対称転写レンズＴＬ１＿２０及びＴＬ２＿２１を含んでいる。
【０００７】
六極子レンズ１８は負の球面収差を持つことが知られているが、同時に３回対称非点収差など補正には不要な収差も生じる。これを、２枚に六極子レンズ１８及び１９を用意し、転写レンズ２０及び２１で反対称な転写を行うことにより、３回対称非点収差はキャンセルされ、負の球面収差のみを取出すことができる（非点収差はレンズ２０及び２１によってキャンセルされる）。この負の球面収差の大きさを対物レンズ４の正の球面収差と相殺させるよう調節して、球面収差補正は実現される。適切な転写条件を成立させる為に、４ｆシステムのＨＥＸ１＿１８及びＨＥＸ２＿１９とＴＬ１＿２０及びＴＬ２＿２１は、転写レンズの焦点距離ｆを以って図２に示すとおりｆ、２ｆ、ｆの距離で配置されることが必要である。
【０００８】
一方、前半部は、球面収差の次にＴＥＭで問題となる第一の軸外収差、すなわちコマ収差を抑制するための工夫であり、ここに含まれる２枚の転写レンズを用いて対物レンズと４ｆシステムの間でコマフリー転写を実現している。以下、この前半部をコマフリー転写部２２と呼ぶ。
【０００９】
対物レンズ４自体のコマフリー面１６（コマ収差係数が正負反転する過程で０となる面）は、対物レンズ４の後焦点面付近に形成される。そして、対物レンズ４のコマフリー面１６を２枚の転写レンズＴＦ１＿２３ａ及びＴＦ２＿２４ａを使って４ｆシステムのコマフリー面であるＨＥＸ１１８中心面に転写して、コマ収差の増大を抑えている。なお、この転写を１：１に行うため、Ｈ．Ｒｏｓｅは、コマフリー転写部のレンズ配置を、やはり転写レンズの焦点距離をｆとして、図２のようにｆ、２ｆ、ｆの距離で並ぶように規定しており（特許文献１参照）。
【００１０】
しかしながら、このコマフリー面転写部２２でのレンズ配置条件は、上記１：１の転写条件を崩せば、Ｒｏｓｅの限定的な条件以外でもコマフリー転写を行うことは可能である。逆に１：１転写でなく倍率を持たせて転写させることで、収差補正器の効果を調整できるという利点もある。このような点に着目し、Ｍ．Ｈａｉｄｅｒらは改良した球面収差補正器の構成を特許文献２に示した。
【００１１】
図３は、このＨａｉｄｅｒによる球面収差補正器の構成を示している。図３に示される通り、補正器後半４ｆ部は、図２のＨ．Ｒｏｓｅの構成と同一である。一方、コマフリー面転写部でのレンズ配置は、ＴＦ１＿２３ｂとＴＦ２＿２４ｂが異なる焦点距離ｆ１、ｆ２として変更されている。このときコマフリー転写部における各レンズは、ｆ１、ｆ１＋ｆ２、ｆ２  の距離で配置されている。このときコマフリー転写部の転写レンズＴＦ１＿２３ｂ、ＴＦ２＿２４ｂで、倍率ｍｔは次の式で表される。
【００１２】
【数１】
0004533444.tif 000002
【００１３】
なお、図２のＨ．Ｒｏｓｅによる構成では、ｆ１＝ｆ２、すなわちｍｔ＝１である。
【００１４】
このとき、球面収差補正器と対物レンズでの球面収差相殺は、対物レンズ物面で考えて、以下式となる。
【００１５】
【数２】
0004533444.tif 000003
【００１６】
ここで、ＣＳＯは対物レンズの球面収差（係数）、ＣＳＣは球面収差補正器の球面収差、ｍＯは対物レンズ倍率である。例えば、ｆ１＜ｆ２としてｍｔ＜１にすれば、より小さい補正量（ＣＳＣ）で対物レンズ４の球面収差ＣＳＯを相殺することができる。このようにｍｔのとり方で球面収差補正を調整することができるようになる。
【００１７】
【特許文献１】特許第３２０７１９６号公報
【特許文献２】特表２００２−５１０４３１号公報
【非特許文献１】”Uber einige Fehler von Elektronenlinsen“ O. Scherzer, Zeitschrift fur Physik A Hadrons and Nuclei, vol. 101, p.593 (1936)
【非特許文献２】”Upper limits for the residual aberrations of a high-resolution aberration-corrected STEM”, M.Haider, S.Uhlemann, J. Zach, Ultramicroscopy vol.81, p.163, (2000)
【非特許文献３】”Towards sub-0.5 A electron beams”, O.L. Krivanek, P.D. Nellist, N. Dellby, M.F. Murfitt, Z. Szilagyi, Ultramicroscopy vol.96, p.229, (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、図２のＨ．Ｒｏｓｅによる構成、及び図３のＭ．Ｈａｉｄｅｒによる構成では共に、コマフリー面転写部のレンズ配置が固定的であり、それぞれ用いる転写レンズの焦点距離（Ｈ．Ｒｏｓｅ  の構成によってｆ、またＭ．Ｈａｉｄｅｒの構成によってｆ１、ｆ２）によって限定されてしまうことになる。つまり、Ｈ．Ｒｏｓｅの構成ではコマフリー面転写部の機械的構成によってｆが固定されてしまい、Ｍ．Ｈａｉｄｅｒの構成では、ｆ１には自由度はあるものの、ｆ１及びコマフリー面転写部の機械的構成が決ってしまうとｆ２が決まってしまう。これは、具体的に装置構成を考える際の制限（装置設計の自由度を奪う）となる。
【００１９】
また、装置を組み立てた後の微調整が困難という問題も生じさせてしまう。つまり、装置構成が決まれば逆にＨ．Ｒｏｓｅ、Ｍ．Ｈａｉｄｅｒいずれの場合でも、コマフリー転写部の光学条件が固定されてしまうので、例えば対物レンズのコマフリー面が設計位置とずれた場合、或いは観察の要請に応じて倍率や試料位置など対物レンズの使用条件を初期値からずらそうとする場合調整マージンがなく、厳密にはＴＦ１、ＴＦ２の位置を設計値とのずれや、所望の光学条件に応じてずらさなければならなくなってしまう。
【００２０】
さらに、図３のＭ．Ｈａｉｄｅｒの構成では、前述の通り、コマフリー転写部２２で倍率を持たせて、式２の方法で対物レンズ球面収差と補正器の球面収差相殺のバランスを調整することができる。しかし、ｆ１、ｆ２が固定されればｍｔも定値を持ち、（収差補正器を設計する段階での調整パラメータではありうるが）動作状態で調整しうるパラメータにはならない。収差補正器は、補正器自体の不完全性に起因する寄生収差や３次より高次の収差を抑制する調整過程で、往々にして収差補正器の球面収差を微調整する必要があり、従来、図２のＨ．Ｒｏｓｅ及び図３のＭ．Ｈａｉｄｅｒの補正器では、直接にＣＳＣを変化させることによりこれらの問題に対処していた。これは収差補正器の微調整に従って逐次的に４ｆシステム内の六極子レンズＨＥＸ１、ＨＥＸ２の強度を変えることを意味する。ところが、六極子は相互の軸あわせに高い精度が必要な上、励磁の変化で軸ずれを起こしやすく、適切に近い条件を見つけた後では出来る限り動かすことなく、条件を固定したままで用いたい。もし、式２でｍｔを調整過程でも可変な調整パラメータとして残すことができれば、４ｆシステムは条件を固定のまま(調整の容易な球面レンズからなる)転写レンズ部でｍｔを変え、式２で示す球面収差補正のバランスを調整することができるので都合が良い。
【００２１】
以上のように、これまでに提案された球面収差補正器は、球面収差補正に必要な条件の為にレンズの配置が限定的、固定的であり、具体的な装置構成を設計する為の自由度が限られていた。また、収差補正器が組みたてられた後では、レンズ配置が固定されて調整の余地は残らず、従って実際に補正器を使用する状態においては、例えば設計と製作した補正器との誤差を埋めるため、或いは実使用条件に応じた調整に対応するため、調整を加えることが困難である。特に、４ｆシステムは微調整が困難であるので、むしろ固定した条件で用いる方が適当であると思える。その一方、補正器前半コマフリー面転写部は４ｆシステム固定条件を保つためにも、補正器外部と柔軟な調整マージンを備えた方が適当であると考えられる。例えば、前述のとおり、もしコマフリー転写部２２での転写倍率ｍｔを可変とできるなら、六極子レンズ調整など複雑な４ｆシステムの調整は行わず固定したまま、ｍｔを変えることで対物レンズ４と補正器の球面収差相殺を微調整することも可能である。
【００２２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、収差補正器の機械的構造が予め決っていたとしてもコマフリー面転写部の設計の自由度を保証し、補正器外部との柔軟な調整マージンを有する収差補正器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明による収差補正器は、試料面（対物レンズ物面）から発する電子線軌道を、多極子レンズ（ＨＥＸ１＿１８）に平行入射させ、対物レンズコマフリー面又は５次収差最小面（対物レンズの中心）から発する電子線軌道を、４ｆシステムの多極子レンズ中心面に結像させるようにしている。これにより、４ｆシステムで球面収補正を行うよう２つの多極子レンズ（ＨＥＸ１＿１８、ＨＥＸ２＿１９）間で反対称な転写を行い、コマ収差又は５次収差の発生を抑制するためのコマフリー又は５次収差最小面の転写を行っている。
【００２４】
即ち、本発明による収差補正器は、透過型電子顕微鏡の対物レンズの下流に配置され、複数の多極子レンズを含む組みレンズで発生される負の球面収差で対物レンズの球面収差を相殺して球面収差補正を行う、透過型電子顕微鏡用収差補正器であって、負の球面収差を発生する球面収差補正部と、対物レンズと球面収差補正部との間に設けられ、コマ収差又は５次収差の発生を抑える第１及び第２の球面転写レンズを有する転写部と、を備える。そして、転写部は、対物レンズの後焦点面付近に形成される対物レンズのコマフリー面又は５次収差最小面を、球面収差補正部のコマフリー面又は球面収差補正部の第１番目のレンズ（上流に位置する多極子レンズ）の中心面に転写し、試料で散乱されて試料面を発する電子線を球面収差補正部に平行に入射させる。また、コマフリー面転写部の２枚の球面転写レンズのうち、対物レンズにより近い位置に配置された第１の球面転写レンズと対物レンズの距離が第１の球面転写レンズの焦点距離とは異なっている。
【００２５】
また、本発明による収差補正器は、透過型電子顕微鏡の対物レンズの下流に配置され、複数の多極子レンズを含む組みレンズで発生される負の球面収差で対物レンズの球面収差を相殺して球面収差補正を行う、透過型電子顕微鏡用収差補正器であって、負の球面収差を発生する球面収差補正部と、対物レンズと球面収差補正部との間に設けられ、コマ収差又は５次収差の発生を抑える第１、第２及び第３の球面転写レンズを有し、これらの球面転写レンズにより前記対物レンズから前記球面収差補正部への転写倍率を調節可能にする転写部と、を備える。そして、転写部は、対物レンズの後焦点面付近に形成される対物レンズのコマフリー面又は５次収差最小面を、球面収差補正部のコマフリー面又は球面収差補正部の第１番目のレンズ（上流の多極子レンズ）の中心面に転写し、試料で散乱されて試料面を発する電子線を前記球面収差補正部に平行に入射させる。また、転写部の３枚の球面転写レンズのうち、対物レンズにより近い位置に配置された第１の球面転写レンズと対物レンズの距離が第１の球面転写レンズの焦点距離とは異なっている。
【００２６】
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、収差補正器の機械的構造が予め決っていたとしてもコマフリー面転写部の設計の自由度を保証し、補正器外部との柔軟な調整マージンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、荷電粒子線装置において分解能の改善を目的とするものであり、特に透過型電子顕微鏡において、球面収差を補償する装置に関する。本発明による収差補正器は、従来技術の場合同様、図１で示される荷電粒子線装置（透過型電子顕微鏡装置に適用可能である。
【００２９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００３０】
＜第１の実施形態＞
まず、本発明の原理について説明する。
【００３１】
コマフリー面転写条件を維持したまま、例えば設計と製作した補正器との誤差を埋める為、或いは実使用条件に応じた調整に対応する為、調整マージンを与えうるコマフリー面転写部のレンズ構成を以下のように与える。まず、コマフリー面転写条件を、次のようにまとめて考える。
【００３２】
条件１：試料面（対物レンズ物面）から発する電子線軌道１３を、ＨＥＸ１＿１８に平行入射させる。（当該電子軌道は、試料から散乱される電子線の軌道に相当する。４ｆシステム１７で球面収補正を行うようＨＥＸ１＿１８、ＨＥＸ２＿１９間で反対称な転写を行うために必要な条件）
条件２：対物レンズコマフリー面１６から発する電子線軌道１４を、４ｆシステムコマフリー面（ＨＥＸ１＿１８の中心面）に結像する。（コマ収差の発生を抑制する為のコマフリー転写を行うために必要な条件）
【００３３】
図４は、上記条件１及び２に基づく収差補正器の構成を示している。条件１及び２を関係式にまとめると、以下のようになる。
【００３４】
【数３】
0004533444.tif 000004
【００３５】
ここで、ｌ１、ｌ２、ｌ３は、各々図に示すとおり対物レンズ−ＴＦ１間、ＴＦ１−ＴＦ２間、ＴＦ２−ＨＥＸ１間の距離である。また、ｆ１とｆ２は各々ＴＦ１ ２３ｃとＴＦ２＿２４ｃの焦点距離である。ｂ２は、条件２の電子軌道を考えてのＴＦ２＿２４ｃがコマフリー面１６を転写する面までの当該レンズからの距離で、以上の、ｌ１、ｌ２、ｌ３、ｆ１、ｆ２を用いて、レンズの公式から以下の関係で示される。
【００３６】
【数４】
0004533444.tif 000005
【００３７】
ただし、ｂ１は、ＴＦ１＿２３ｃからコマフリー面の中間転写面までの距離である。
【００３８】
【数５】
0004533444.tif 000006
【００３９】
以上、式３、式４、式５を連立して、ｆ１、ｆ２について解くと、式６のようになる。
【００４０】
【数６】
0004533444.tif 000007
【００４１】
ただし、Ｌｔはコマフリー転写部２２の全長、すなわち式７である。
【００４２】
【数７】
0004533444.tif 000008
【００４３】
また、Ｋは、以下の式８で表されるパラメータである。
【００４４】
【数８】
0004533444.tif 000009
【００４５】
すなわち、式６で示される解は、Ｋが実数である範囲、即ち、式９を満足する場合に実解となる。
【００４６】
【数９】
0004533444.tif 000010
【００４７】
勿論、ｌ１、ｌ２、ｌ３は正数であり、また簡単な演算で式９の有解範囲で式６のｆ１、ｆ２も正値となることを示すことができる。
【００４８】
以上は、すなわち条件１及び２のコマフリー転写部２２にかかる条件を満足しながら、任意のレンズ間隔ｌ１、ｌ２、ｌ３において実効的なＴＦ１、ＴＦ２の焦点距離ｆ１、ｆ２を式９の有解範囲で見つけることができることを示している。この結果は、設計段階においてコマフリー面転写部のレンズ配置自由度を著しく増大させることになり、さらにレンズ配置が固定された後、稼動する状態においても式６に従って微調整をすることが可能となる。
【００４９】
さらに、コマフリー転写部２２に調整可能な倍率を持たせる為には、３番目の転写レンズを追加することが考えられる。レンズの追加により増える自由度を用いて、コマフリー面転写条件を維持しながら同部の転写倍率をコントロールできる余裕が生まれる。
【００５０】
続いて、上述の発明の原理に基づいて、具体例を挙げて考察する。ここでは、図４の構成において、例えばｌ１＝３０ｍｍ、ｌ３＝４５ｍｍとし、式９から式１０で示す値が求まる。
【００５１】
【数１０】
0004533444.tif 000011
【００５２】
ｌ２が式１０で示される範囲の値であるとき、コマフリー転写部２２が上述の条件１及び２を成立させる式６に従った解をもつ。なお、式１０は、例えば、±１％の精度で表されている。
【００５３】
図５のグラフ２５は、このときｌ１をパラメータとしてｆ１、ｆ２がどのように変化するかを示している。グラフの破線と実線は、式６中＋／−（プラスマイナス）と−／＋（マイナスプラス）の上符号を取るか下符号を採るかによる。＋、−いずれでも式１０の範囲でｆ１、ｆ２は正数解を持つことが確認される。
【００５４】
一方、転写倍率ｍｔは、図５のグラフ２６で示す通り、式６において、＋／−と−／＋を上符号で採るか下符号で採るかによって大きく異なる。従って、実用的にｆ１、ｆ２の組み合わせはこの転写倍率の差を考慮して決められるべきだが、通常は収差補正効果をより効率よく得る為式２からｍｔが小さくなる組み合わせ、すなわち式６で＋を取るｆ１、ｆ２の組み合わせを選ぶのがより適当と考えられる。ただし、−を採るｆ１、ｆ２の組み合わせでも、コマフリー条件は維持されるので、この２つの条件を切り替ええることで、４ｆシステム１７を触ることなく転写レンズＴＦ１＿２３、ＴＦ２＿２４のみの調整で、適正球面収差補正状態と不足補正状態を比較観察できるようになる。このように適正補正状態と不足補正状態を容易に切り替え観察できると、例えば収差補正の調整段階で補正状況の確認（適正な収差補正が実行できたか確認）ができる。また、適正球面収差補正時に逆に低下する長周期構造に対するコントラストを、不足補正状態の観察で補うことも可能となる。つまり、球面収差を補正すると、細かい物は良く見えるようになるが逆に大まかな物が見えにくくなる傾向がある。よって、大まかな物の観察をしたい場合には、式６で下符号の組み合わせを選択して試料観察すると良い。このようにすれば、コマフリーを担保しつつ、球面収差の補正の有無を切り替えることができる。従来の構成だと、補正器２そのものを外さざるを得ず、コマフリーを担保することができなかったので、これは本発明による利点の１つである。
【００５５】
なお、グラフに示した条件で、ｌ２＝ｌ１＋ｌ３＝７５ｍｍとする場合は、Ｍ．Ｈａｉｄｅｒによる球面収差補正器（図３参照）と、等価になる。また、さらにｌ１＝ｌ３＝ｌ２／２とするとき、これはＨ．Ｒｏｓｅによる球面収差補正器（図２参照）と等価になる。
【００５６】
従って、本発明では、この条件（ｌ２＝ｌ１＋ｌ３、ｌ１＝ｌ３＝ｌ２／２）は式６から除かれるべきであり、まとめるとｌ１≠ｆ１、ｌ３≠ｆ２となる。
【００５７】
＜第２の実施形態＞
前述の通り４ｆシステムは調整が困難である為、４ｆシステムを固定したまま球面収差補正の微調整はコマフリー面転写部転写レンズで集約して行える方が望ましい。このためには、ＴＦ１及びＴＦ２を有する２枚レンズ構成であった転写レンズに１枚ＴＦ３＿２７を追加して、３枚レンズ構成にする。すると、コマフリー転写条件は維持したまま、転写倍率ｍｔをズーム的に可変することができるようになる。つまり、転写倍率設定の自由度も拡大させることができる。
【００５８】
第２の実施形態では、図６に示されるように、コマフリー面転写部２２が、対物レンズ４と４ｆシステム第１の六極子レンズ１８との間に、ＴＦ１＿２３、ＴＦ２＿２４、及びＴＦ３＿２７の順にレンズを備えている。この場合、上記条件１及び２を満足する、焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３は、式１１のようになる。
【００５９】
【数１１】
0004533444.tif 000012
【００６０】
ただし、対物レンズ４、ＴＦ１＿２３ｄ、ＴＦ２＿２４ｄ、ＴＦ３＿２７、ＨＥＸ１＿１８の各間距離を順にｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４とし、また各式の２項目へは、ｌ１≡Ｌを基準として、次のようにする。
【００６１】
【数１２】
0004533444.tif 000013
【００６２】
式１１の通り、ｍｔを独立変数として残すことができるので、コマフリー転写条件を維持したまま、転写倍率ｍｔを調節することが可能となる。さらに、各レンズを等間隔に並べる時（すなわち、ｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４≡Ｌとすると）、ｆ１、ｆ２、ｆ３は、式１３のようになる。
【００６３】
【数１３】
0004533444.tif 000014
【００６４】
式１３によれば、ｍｔ＜０のときで、f1、f2、f3に正数解を見つけることができる。例として、Ｌ＝ ３０ｍｍの場合（式１３）の関係が図６のグラフ２８にプロットされている。特に、倍率の微調整の為、｜ｍｔ｜≒１（今回の場合は、ｍｔ≒−１）近傍での振舞いをこの点で展開して見ると、ｆ１、ｆ２、ｆ３はそれぞれ式１４のようになる。
【００６５】
【数１４】
0004533444.tif 000015
【００６６】
ただし、ｍｔ≡δｍｔ−１とし、またＯ（δｍ２）はδｍの２乗以上の項で、δｍ≪４／５のとき影響は小さい。従って、δｍが上記範囲にあるときの調整操作としては、まずｍｔ＝−１を得るため、式１５を基準状態とする。
【００６７】
【数１５】
0004533444.tif 000016
【００６８】
ｆ２はδｍに２次以上でしか変化しないためＴＦ２＿２４ｄ固定のまま、ＴＦ１＿２３ｄとＴＦ３＿２７でｆ１とｆ３をそれぞれ反対称に、δｍ／４ずつ振れば良いことがわかる。このように、式１３を、条件（レンズを等間隔に並べる）を与えて単純化して式１４のようにすれば、調整操作が簡単になる。
【００６９】
このｍｔ＝−１を与える基準状態での電子線軌道を図７の２９に、また、ｍｔ＝−０．５とｍｔ＝−１.５となるときの電子線軌道が図７の３０及び３１にそれぞれ示されている。この時の、各々パラメータのちを示すと、表１のようになる。図７から分かるように、ｍｔが０．５の場合には微小とは言えないため、表１のようになっている。
【００７０】
【表１】
0004533444.tif 000017
【００７１】
ただし、表１において、ｔ１、ｔ２はそれぞれ転写レンズＴＦ１とＴＦ２がコマフリー面を転写する面までの、各々のレンズからの距離。  
【００７２】
以上説明されるように、本発明はコマフリー転写部における転写レンズの構成について、２レンズ系では自由な配置と電子光学的微調整を可能とし、また３レンズを用いるときには転写倍率を独立として４ｆシステムを固定のまま、球面収差補正強度を調整する手段を与える。
【００７３】
なお、上述の説明においては、転写レンズ部の制限条件をコマフリー転写について説明をしたが、類似の特定の２面（試料面と転写条件で限定される面、上記ではコマフリー面）を転写する条件の下で、本発明の適用が可能である。コマフリー面転写以外の条件としては、例えば５次球面収差の最小化などがあり、この場合は上記説明でコマフリー面を五次収差最小となる面（たとえば、対物レンズの中心）に代えて、転写を考えればよい。
【００７４】
また、上記説明においては、球面収差補正部はＨ．Ｒｏｓｅ、Ｍ．Ｈａｉｄｅｒの構成に倣って、六極子レンズを用いる球面収差補正部をおくとして説明した。しかし、球面収差補正部は六極子レンズを用いる代わりに、その他の多段多極子レンズを用いる球面収差補正器をおくことも可能である。この場合も、特定の制限条件を以って対物レンズから球面収差補正部への像転写を考えることは同等であり、通常球面レンズからなる転写レンズ部の調整が多極子からなる球面収差補正部の調整よりも容易であることも同様である。この場合も条件は六極子レンズの場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】球面収差補正器を備えた透過型電子顕微鏡鏡の構成を示す図である。
【図２】従来の透過型電子顕微鏡用収差補正器（Ｒｏｓｅ）の構成を示す図である。
【図３】従来の透過型電子顕微鏡用収差補正器（Ｈａｉｄｅｒ）の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による収差補正器の構成を示す図である。
【図５】第１の実施形態による収差補正器の効果として、転写レンズ群焦点距離と転写倍率を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による収差補正器を構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態による収差補正器の効果として、転写レンズ群の焦点距離と転写倍率の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による収差補正器の実際の適用条件を例示する図である。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・球面収差補正器を含む透過型電子顕微鏡鏡体
２・・・透過型電子顕微鏡用球面収差補正器
３・・・観察する試料
４・・・対物レンズ
５・・・電子源
６・・・加速管
７・・・収束レンズ（群）
８・・・試料を照射する電子線
９・・・試料で散乱された電子線
１０・・・投影レンズ（群）
１１・・・観察面
１２・・・対物レンズと収差補正器
１３・・・光軸上で試料面から発する電子線近軸軌道
１４・・・光軸上で対物レンズのコマフリー面から発する電子線近軸軌道
１５・・・試料
１６・・・対物レンズのコマフリー面
１７・・・４ｆシステム
１８・・・六極子レンズ１ (HEX1)
１９・・・六極子レンズ２ (HEX2)
２０・・・４ｆシステム内転写レンズ１（ＴＬ１）
２１・・・４ｆシステム内転写レンズ２（ＴＬ２）
２２ａ・・・Ｈ．Ｒｏｓｅのコマフリー転写部
２２ｂ・・・Ｍ．Ｈａｉｄｅｒのコマフリー転写部
２２ｃ・・・第１の実施形態によるコマフリー転写部
２２ｄ・・・第２の実施形態によるコマフリー転写部
２３ａ・・・Ｈ．Ｒｏｓｅのコマフリー転写部内転写レンズ１（ＴＦ１）
２３ｂ・・・Ｍ．Ｈａｉｄｅｒのコマフリー転写部内転写レンズ１（ＴＦ１）
２３ｃ・・・第１の実施形態によるコマフリー転写部内転写レンズ１（ＴＦ１）
２３ｄ・・・第２の実施形態によるコマフリー転写部内転写レンズ１（ＴＦ１）
２４ａ・・・Ｈ．Ｒｏｓｅのコマフリー転写部内転写レンズ２（ＴＦ２）
２４ｂ・・・Ｍ．Ｈａｉｄｅｒのコマフリー転写部内転写レンズ２（ＴＦ２）
２４ｃ・・・第１の実施形態によるコマフリー転写部内転写レンズ２（ＴＦ２）
２４ｄ・・・第２の実施形態によるコマフリー転写部内転写レンズ２（ＴＦ２）
【図１】
0004533444.tif 000024
【図２】
0004533444.tif 000025
【図３】
0004533444.tif 000026
【図４】
0004533444.tif 000027
【図５】
0004533444.tif 000028
【図６】
0004533444.tif 000029
【図７】
0004533444.tif 000030
【図８】
0004533444.tif 000031