(57)【要約】  試料を中心に、入射側に集光レンズおよび前方対物レンズを、射出側に後方対物レンズおよび投影レンズを対称的に配置した共焦点法において、試料前方と後方に空間フィルター挿入を可能とする構成を持つようにする。これにより、試料前に空間フィルターを設置可能であるという共焦点法の利点を生かし、従来の透過位相差電子顕微鏡の弱点（ハロー、電子線損失）を取り除いて、材料科学から生命科学にわたる幅広い材料を無染色状態において高コントラストかつ高分解能で見ることが可能な電子顕微鏡技術を確立できる、位相差電子顕微鏡装置を提供する。
2007058182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を中心に、入射側に集光レンズおよび前方対物レンズを、射出側に後方対物レンズおよび投影レンズを対称的に配置した共焦点構成を持つ電子顕微鏡装置であって、光源像を試料および像観察面で結像させるレンズ系構成とし、入射側の集光レンズに、出し入れ可能な絞りや位相板などの空間フィルターを挿入すること、および射出側の投影レンズに、出し入れ可能な絞りや位相板などの空間フィルターを挿入することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項２】
光源を点光源とし、検出器を点検出器とし、試料自体を走査する試料走査型であることを特徴とする請求項１の電子顕微鏡装置。
【請求項３】
光源を点光源とし、検出器を点検出器とし、試料を固定し、集光レンズ後焦点近傍と対物レンズ前焦点近傍にそれぞれ偏向板を入れ、共役走査を行う光束走査型であることを特徴とする請求項１の電子顕微鏡装置。
【請求項４】
光源を非干渉性面光源とし、検出器を点分解面検出器とし、試料を固定して観察する非走査型であることを特徴とする請求項１の電子顕微鏡装置。
【請求項５】
空間フィルターとして、半円π位相板、半円π/2位相板またはナイフエッジを入射側集光レンズに、絞りを射出側投影レンズに挿入した共焦点法であることを特徴とする請求項1記載の電子顕微鏡装置。
【請求項６】
空間フィルターとして、絞りを入射側集光レンズに、半円π位相板，半円π/2位相板またはナイフエッジを射出側投影レンズに挿入した共焦点法であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡装置。
【請求項７】
空間フィルターとして、半円π位相板、半円π/2位相板またはナイフエッジを入射側集光レンズおよび射出側投影レンズの両者に挿入した共焦点法であることを特徴とする請求項1の電子顕微鏡装置。
【請求項８】
対物レンズの前方磁場が前方対物レンズを成すことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡装置。
【請求項９】
対物レンズの後方磁場が後方対物レンズを成すことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１０】
空間フィルターを挿入できる複数の集光レンズを有することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１１】
空間フィルターを挿入できる複数の投影レンズを有することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１２】
投影レンズ後方にエネルギーフィルターを挿入することを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１３】
試料ステージとして傾斜機能を持った傾斜ステージを挿入し、断層像再構成が可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１４】
試料ステージとして高温側に温度制御可能な傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１５】
試料ステージとして液体窒素冷却した傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１６】
試料ステージとして液体ヘリウム冷却した傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１７】
試料の機械的伸長実験を行うステージを挿入することを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１８】
電子線の非干渉性面光源として、２枚の集光レンズと、そのレンズ間に挿入された拡散板とを組み合わせた面光源を用いることを特徴とする請求項4記載の電子顕微鏡装置。
【請求項１９】
拡散板として貴金属の薄膜を用いることを特徴とする請求項１８記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２０】
微小な中心遮光板を入射側空間フィルターとして挿入し、拡散板から生ずるバックグランドの非弾性散乱を減光させることを特徴とする請求項18記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２１】
電子線の非干渉性面光源として、レーザ光照射された光電板からの光電子を用いることを特徴とする請求項４記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２２】
集光ミニレンズを設置し、共焦点モードと平行照射モードとの切り換えを可能とし、共焦点電子顕微鏡と透過電子顕微鏡を共用とすることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２３】
共焦点モードのときは集光レンズに出し入れ可能な位相板用フィルターステージを、平行照射モードのときは対物レンズ系の後焦点面に出し入れ可能な位相板用フィルターステージを装着したことを特徴とする請求項２２記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２４】
入射側位相板と射出側絞りで成る合成空間フィルターの最適化のため、位相板のカットオフ周波数と絞りのカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２５】
入射側絞りと射出側位相板で成る合成空間フィルターの最適化のため、位相板のカットオフ周波数と絞りのカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする請求項６に記載の電子顕微鏡装置。
【請求項２６】
入射側位相板と射出側位相板で成る合成空間フィルターの最適化のため、両位相板のカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする請求項７に記載の電子顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、位相差電子顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
もともと焦点深度の深い近軸光学系である電子顕微鏡は、焦点深度を浅くすることを目的とする共焦点法とは相容れない。そのため、Zaluzec の共焦点顕微鏡（US6,548,810 B2, "Scanning Confocal Electron Microscope"、S. P. Frigo, Z. H. Levine and N. J. Zaluzec, "Submicron Imaging of Buried integrated circuit structures using scanning confocal electron microscope"、Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 2112-2114.参照）は、高分解能を必要とする領域ではなく、通常電子顕微鏡には扱えない分厚い試料のみを対象としている。【０００３】
一方、従来の位相差電子顕微鏡（特開2001-273866号公報、特開2002-237272号公報、特開2003-100249号公報、特願2004-351902号、特願2005-321402号参照）は、位相板が試料後方に入るため、画像情報を荷った電子線に軌跡の乱れが生じ、帯電に由来する画像歪や電子線損失に由来する信号強度低下が起こる。この中で、帯電由来の像歪み問題は無帯電位相板で対処できたが（特願2004-351902号参照）、電子線由来の信号強度低下を防ぐことは困難であった。【０００４】
電子線損失は全周波数粋にわたって信号強度を低下させる。低周波数側は位相差法の特性でカバーされるためコントラスト向上を実現できるが、高周波側の信号強度低下はなく、分解能低下に繋がる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、以上のとおりの事情に鑑み、上記従来技術とは逆に、共焦点法の利点、つまり試料前に絞りや位相板などの空間フィルターを設置可能であることを生かし、従来の透過位相差電子顕微鏡の弱点を取り除いた、新しい位相差型の電子顕微鏡装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、試料を中心に、入射側に集光レンズおよび前方対物レンズを、射出側に後方対物レンズおよび投影レンズを対称的に配置した共焦点構成を持つ電子顕微鏡装置であって、光源像を試料および像観察面において結像させるレンズ系構成とし、入射側の集光レンズに、出し入れ可能な絞りや位相板などの空間フィルターを挿入すること、および射出側の投影レンズに、出し入れ可能な絞りや位相板などの空間フィルターを挿入することを特徴とする。【０００７】
第２には、光源を点光源、検出器を点検出器とし、試料自体を走査する試料走査型であることを特徴とする。【０００８】
第３には、光源を点光源とし、検出器を点検出器とし、試料を固定し、集光レンズ後焦点近傍と対物レンズ前焦点近傍にそれぞれ偏向板を入れ、共役走査を行う光束走査型であることを特徴とする。【０００９】
第4には、光源を非干渉性面光源とし、検出器を点分解面検出器とし、試料を固定して観察する非走査型であることを特徴とする。【００１０】
第５には、空間フィルターとして、半円π位相板、半円π/2位相板またはナイフエッジを入射側集光レンズに、絞りを射出側投影レンズに挿入した共焦点法であることを特徴とする。【００１１】
第６には、空間フィルターとして、絞りを入射側集光レンズに、半円π位相板、半円π/2位相板またはナイフエッジを射出側投影レンズに挿入した共焦点法であることを特徴とする。【００１２】
第７には、空間フィルターとして、半円π位相板、半円π/2位相板またはナイフエッジを入射側集光レンズおよび射出側投影レンズの両者に挿入した共焦点法であることを特徴とする。【００１３】
第８には、対物レンズの前方磁場が前方対物レンズを成すことを特徴とする。【００１４】
第９には、対物レンズの後方磁場が後方対物レンズを成すことを特徴とする。【００１５】
第１０には、空間フィルターを挿入できる複数の集光レンズを有することを特徴とする。【００１６】
第１１には、空間フィルターを挿入できる複数の投影レンズを有することを特徴とする。【００１７】
第１２には、投影レンズ後方にエネルギーフィルターを挿入することを特徴とする。【００１８】
第１３には、試料ステージとして傾斜機能を持った傾斜ステージを挿入し、断層像再構成が可能となっていることを特徴とする。【００１９】
第１４には、試料ステージとして高温側に温度制御可能な傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする。【００２０】
第１５には、試料ステージとして液体窒素冷却した傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする。【００２１】
第１６には、試料ステージとして液体ヘリウム冷却した傾斜試料ステージを挿入することを特徴とする。【００２２】
第１７には、試料の機械的伸長実験を行うステージを挿入することを特徴とする。【００２３】
第１８には、電子線の非干渉性面光源として、２枚の集光レンズと、そのレンズ間に挿入された拡散板とを組み合わせた面光源を用いることを特徴とする。【００２４】
第１９には、拡散板として貴金属の薄膜を用いることを特徴とする。【００２５】
第２０には、微小な中心遮光板を入射側空間フィルターとして挿入し、貴金属拡散板から生ずるバックグランドの非弾性散乱を減光させることを特徴とする。【００２６】
第２１には、電子線の非干渉性面光源としてレーザ光照射された光電板からの光電子を用いることを特徴とする。【００２７】
第２２には、集光ミニレンズを設置し、共焦点モードと平行照射モードとの切り換えを可能とし、共焦点電子顕微鏡と透過電子顕微鏡を共用とすることを特徴とする。【００２８】
第２３には、共焦点モードのときは集光レンズに出し入れ可能な位相板用フィルターステージを、平行照射モードのときは対物レンズ系の後焦点面に出し入れ可能な位相板用フィルターステージを装着したことを特徴とする。【００２９】
第２４には、入射側位相板と射出側絞りで成る合成空間フィルターの最適化のため、位相板のカットオフ周波数と絞りのカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする。【００３０】
第２５には、入射側絞りと射出側位相板で成る合成空間フィルターの最適化のため、位相板のカットオフ周波数と絞りのカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする。【００３１】
第２６には、入射側位相板と射出側位相板で成る合成空間フィルターの最適化のため、両位相板のカットオフ周波数の大小関係を自由に設定できることを特徴とする。【００３２】
上記のとおりの特徴を有する本願発明によれば、試料後に位相板を設置する（投影レンズ側）従来の位相差電子顕微鏡のみならず試料前に位相板を設置する（集光レンズ側）位相差電子顕微鏡を実現することができる。これによって、従来にはない種々の合成空間フィルターが設計可能となり、更に位相板の帯電問題や電子線損失問題にも対応可能となる電子顕微鏡技術を確立できる。【００３３】
現在電子顕微鏡には透過型（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）、走査型（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）、走査透過型（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）の３種類があるが、それぞれ一長一短を持っている。一方、光学顕微鏡でもこれら３種に相当するものがあるが、近年共焦点法が導入され、その性能が飛躍的に向上した。ところが、電子顕微鏡の場合、焦点深度の深い近軸光学系のため共焦点法の利点を生かすことができなかった。【００３４】
そこで、本願発明の発明者は、誠意研究開発の末に、位相差法に共焦点法を適用した場合、多大な利点を持つことを解明し、本願発明を想到するに到った。【００３５】
本願発明の主な特徴点は以下のとおりである。【００３６】
１．分解能が従来法の２倍近く向上する。【００３７】
２．位相差法の場合、位相板が試料前方に設置可能なので、電子線損失が回避され、分解能を落とさずにコントラストが向上できる。【００３８】
３．半円π/2位相板またはナイフエッジを用いると、位相の微分像が試料厚に関係なくとれ、位相差法の応用範囲が広がる。透過型位相差法では実効性のなかったフーコー微分法（K. Nagayama, J. Phys. Soc. Jpn. 73(2004) 2725）が実効的に実現する。【００３９】
４．半円π位相板を用いると、暗視野の位相微分像が試料厚に関係なくとれ、位相差法の応用範囲が広がる。【００４０】
５．位相差法の致命的欠点、像周辺のハローが消失する。【００４１】
６．非走査型共焦点法では、走査なしに一度に全視野の記録が可能となり、従来のＳＴＥＭに比べ像記録時間を飛躍的に短縮できる。【００４２】
７．エネルギーフィルターと組み合わせると、非弾性散乱吸収像が通常電顕試料で観察可能な厚さの１００倍の厚さの試料に対しとれる。【００４３】
８．デフォーカスに伴う像歪みが小さいので、傾斜試料を必要とするトモグラフィーの観察において、ＴＥＭ、ＳＴＥＭを用いた場合より深さ方向の画質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、従来の電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【図２】図２は、M. Minskyによる共焦点法について説明するための図。
【図３】図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、本願発明の試料走査型、光束走査型、非走査型の電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【図４】図４は、本願発明の等価透過型の電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【図５】図５は、本願発明の等価共焦点型の電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【図６】図６（ａ）（ｂ）は、各々、図４の電子顕微鏡装置における光変換機能について説明するための図。
【図７】図７（ａ）（ｂ）は、各々、図５の電子顕微鏡装置における光変換機能について説明するための図。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、各々、本願発明の発明者による従来の等価透過位相差型、等価共焦点位相差型の電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【図９】図９は、位相板の一実施形態を例示した概略図。
【図１０】図１０は、位相板の一実施形態を例示した概略図。
【図１１】図１１は、位相板の一実施形態を例示した概略図。
【図１２】図１２は、位相板の一実施形態を例示した概略図。
【図１３】図１３は、各種空間フィルターによる点像について説明するための図。
【図１４】図１４は、半円πフィルターを用いた共焦点法において入射側のカットオフ周波数が射出側のカットオフ周波数より大きい場合の効果を説明するための図。
【図１５】図１５は、電子顕微鏡シミュレーションに用いられた金属クラスターと金属クラスター１次元鎖を示す図。
【図１６】図１６は、金属クラスター１次元鎖のシミュレーション像による透過法位相差法と共焦点法位相差法の性能比較を示す図。
【図１７】図１７は、金属クラスター１次元鎖のシミュレーション像による透過法位相差法と共焦点法位相差法の性能比較を示す図。
【図１８】図１８は、金属クラスター１次元鎖のシミュレーション像による透過法位相差法と共焦点法位相差法の性能比較を示す図。
【図１９】図１９（ａ）（ｂ）は、各々、本願発明の共焦点モード、平行照射モード切り換え型電子顕微鏡装置を例示した概略図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
i）従来の電子顕微鏡
まず、従来の電子顕微鏡について、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いて説明する。なお、図１（ｂ）（ｃ）では、図１（ａ）と同じ構成要素に対しては名称を付していない。【００４６】
ＴＥＭは、図１（ａ）に例示したように、点光源（点電子源）をレンズ系で平行光（平行電子波）に変えて試料に照射し、試料透過後の光（電子波）をレンズ系で拡大し、それを写真やＣＣＤ（Charged Coupled Device）等の点分解面検出器の受光板にあてて、像を作り出す。試料からの散乱電子を含む平行光は一度絞り面で集光され、次に投影レンズで受光面全体に云わゆる像を作り出す。従って、撮像はカメラでいうところのシャッターをたとえば０．１秒あけて行われる。【００４７】
一方、ＳＴＥＭは、図１（ｂ）に例示したように、点光源の像を点として試料上に集光し、そこからの散乱光の全体または一部を面検出器で得る。一般に面検出器は試料後のどこかの光軸近辺に置かれる。ＳＴＥＭの場合、一回の検出で試料上の微小な一部分しか検出できないので、当然試料上を電子線が走査する工夫が必要である。電子顕微鏡の場合、走査は偏向板を用いて行われるが、これはブラウン管テレビの電子線走査と同じであり、高速に行える利点を持つ。通常ＳＴＥＭは電子線走査を入射側だけで行い、射出側では行わない。その替り、入射電子線の走査に伴う、受光面での光軸の偏向を面検出器の検出面を広くとることでキャンセルするようにしている。しかしこれでは大きく光軸が大きく偏向した場合、検出感度が低下する弱点を持つ。【００４８】
図１（ｃ）に例示したZaluzec の共焦点電子顕微鏡はこの点をカバーしており、入射、射出両側で電子線走査を行い、入射電子線の偏向を射出側で共役的にキャンセルする特長を持っている。さらに以下に述べる共焦点顕微鏡の技術要件２つを備えている。【００４９】
ii）従来の共焦点電子顕微鏡の技術要件
本願発明の骨子を説明する前に、光学顕微鏡で成功している共焦点法の本質について概説する。【００５０】
共焦点法はM. Minsky により1957年に発明された（US Patent 3013467、"Microscopy apparatus"）。試作はMinsky 自身により行われ、また完全な実証は1960年代後半Eggerらにより行われた（Science 1157 (1967)305, Nature 223 (1969)831）。【００５１】
このオリジナルな共焦点法における技術的新規性の中心概念は２つある。【００５２】
１つは、図２に例示したように、名称の通り共焦点にある試料をはさんで対称的に入れた同一性能の２つのレンズの焦点が試料面で重なる構造。この点では、図１（ｂ）（ｃ）に示した２つの電子顕微鏡はともに共焦点要件を満たしている。【００５３】
しかしオリジナルな共焦点法は、図２に示すもう１つの要件がある。それは、光源と受光の対称性、特に点光源と点検出を可能とする工夫である。図２では対称に入った光源側の微小絞りと受光側の微小絞りがこれを保証している。Zaluzec の共焦点電子顕微鏡では図１（ｃ）の受光絞りが射出側の焦点面に来ており、共焦点顕微鏡構成となっている。【００５４】
共焦点顕微鏡を発明したMinskyの意図は、微小絞りを用いて不要な散乱光をカットし、点光源像が焦点を結ぶ試料内の一部分のみの光学情報を取り出す所にあった。すなわち、焦点深度を浅くし、深さ方向の観測部位選択性を高める所にあった。受光絞りはその意味で本質的であり、この絞りにより試料内で焦点以外から出た光は全てカットされる。このことにより、極めて背景ノイズの少ない３次元部位選択的観測が実現した。【００５５】
その他の利点としては、２倍近い分解能の向上がある。こうした長所を波動光学的に証明した厳密な共焦点光学顕微鏡の論文は、1970 年代に発表された（C. J. R. Sheppard and A. Choudhury, Optica Acta 24 (1977) 1051-1073）。【００５６】
iii）本願発明の共焦点電子顕微鏡デザイン
光学顕微鏡と電子顕微鏡の決定的に異なる点は焦点深度の差である。電子顕微鏡は、０．０１以下という極めて小さな開口数を持つ近軸光学系であり、云わゆるピントが実効的な分解能に比べ１００倍以上の広い範囲で合ってしまう特長を持っている。すなわち、光学顕微鏡のようにピントを変え深さ方向の位置選択を行うことができない。そのことは広く認識されており、共焦点法の特長を生かせないという意味で、共焦点法と電子顕微鏡の組み合わせは長らく行われなかった。【００５７】
Zaluzecの共焦点電顕は電顕コミュニティのそのような了解と関係なく発明されたものであり、電顕本来の高分解能応用では通常電子顕微鏡に比べ利点はない。この点に関しては逆に、通常のＴＥＭ、ＳＴＥＭでは、多重散乱のため全く像がぼやけて扱えないような分厚い試料に対し有効で、多重電子散乱を受光絞りでカットできるため、厚い試料でも低分解能であるが像が得られた。ただし、分厚い試料に対してエネルギーフィルターつきのＴＥＭ、ＳＴＥＭを用いればZaluzec の共焦点電顕と同等の効果が得られるので（受光絞りのかわりに多重散乱電子をエネルギーフィルターでカット）、特にメリットはなく、現在では共焦点電顕はほとんど採用されていない。【００５８】
本願発明は、こうした背景のもとになされたものである。【００５９】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本願発明における３種の共焦点法について示したものである。【００６０】
Zaluzec 共焦点法の基本構成を踏襲しているが、射出側に投影レンズを入れ、空間フィルターの挿入部を確保した。これを波動光学の言葉であるフーリエ変換（Fourier Transform：ＦＴ）で表すと、ＳＴＥＭ（図１（ｂ））の場合は試料面以後１回ＦＴ後に信号を検出、Zaluzec の共焦点電顕（図１（ｃ））は３回のＦＴ後に信号を検出、本願発明（図３）は４回ＦＴ後に信号を検出することになる。別の表現で言えば、本願発明は点光源像を試料面に作りさらにその像を受光面に作ることになる。そして試料面に対し入射側と射出側が光源から受光に到るまで対称性を保持する。点光源の点は受光面でも点となるので、検出は本質的には点検出であり、その点は特にＳＴＥＭの面検出と異なる所である。【００６１】
点光源の点が受光面の点に対応するという特長を考慮すると、３つの形式が考えられる。すなわち、点検出器を用いる試料走査型（図３（ａ））、写真やＣＣＤのような点分解能面検出器を用いる光束走査型（図３（ｂ））、そして点光源を非干渉性の面光源に変え、走査をやめ、結像を受光面全体に行う非走査型（図３（ｃ））が考えられる。【００６２】
本願発明では共焦点法の本質であった受光面直前に置く受光絞りがない。むしろ必要ない。それは電子顕微鏡の深い焦点深度の特性のためで、厚い試料に対しても深さ方向全ての位置で、云わゆるピントが合うため（深い焦点深度）、異なる深さ位置からの光情報が不要な背景ノイズとして受光面に広がることがないからである。このことの利点を利用したのが図３（ｂ）のＣＣＤのような点分解面検出器を用いた光束走査型である。入射側の光束走査に対応して受光面上の異なる位置に焦点が合うので、たくさんの点検出器の２次元アレイである点分解面検出器はそのまま画像を再現する。この場合Zaluzec の共焦点法と異なり、射出側の共役光束走査は不要となる。【００６３】
本願発明の位相差法では、デフォーカスに伴う像歪みを小さくすることができるので、傾斜試料を必要とするトモグラフィーの観察に適用した場合には、深さ方向の画質が向上する利点がある。この場合、試料ステージとして傾斜機能を持った傾斜ステージを挿入すると、断層像再構成が可能となる。適用の態様に応じて、試料ステージとして、温度制御可能な傾斜ステージを挿入することができる。このような温度制御可能な傾斜試料ステージとしては、高温傾斜ステージ，液体窒素冷却した傾斜試料ステージ、液体ヘリウム冷却した傾斜試料ステージ等を用いることができる。【００６４】
また、本願発明では、試料の機械的伸長実験を行うステージを挿入することもできる。【００６５】
さらに一歩進めれば、光走査もいらないことがわかる。光源を面光源とすると面光源の各点が１対１に面検出器上に焦点を結ぶので、図３（ｃ）に示すように走査も不要となる。ただし、面光源の隣接部分同士は光源として独立、つまり非干渉性でなければならない。受光面上の隣接点の像同士が干渉しあわないようにするためである。こうした非干渉型面光源を作るには、i）貴金属の薄膜（１００ｎｍ以下の厚さ）を２つのレンズではさんだ電子線拡散板を点光源と前方レンズの間に挿入し、貴金属原子の多重散乱による拡散電子を利用するか、ii）光束調節可能なレーザ光を光電板にあてそこから飛び出してくる光電子を利用するかすればよい。ともに面光源の面積の調節は前者は絞り孔調節により、後者はレーザ光束調節により可能である。【００６６】
iv）等価電子顕微鏡
共焦点電子顕微鏡を位相差法に拡張するために、電子顕微鏡を光学的に簡単な等価電子顕微鏡に変換する。図４、図５にＴＥＭと共焦点法の等価電子顕微鏡を示した。【００６７】
まず、図４のＴＥＭであるが、レンズ系による結像過程は、図６（ａ）のように記述できる。なお、図４の空間フィルターとは、絞りの作用、レンズ収差作用や位相板作用など光の空間周波数スペクトルに作用するあらゆる影響を意味している。【００６８】
これを入射側の等価集光レンズと射出側の等価対物レンズで置き換えると、図６（ｂ）のような等価ＴＥＭとなる。【００６９】
図５に示す本願発明の共焦点法では、結像過程は図７（ａ）（ｂ）の光変換過程となる。【００７０】
両方の等価電子顕微鏡において入射側の等価空間フィルター、射出側の等価空間フィルターは共にもとの空間フィルターの積となる。
入射側：Ｈ1＝Ｈ1'Ｈ2'
射出側：Ｈ2＝Ｈ3'Ｈ4'
以後、共焦点電子顕微鏡の働き、位相板の働きは等価電子顕微鏡を用いて解析する。【００７１】
v）共焦点電子顕微鏡の位相差法への拡張
共焦点法は、位相差電子顕微鏡に拡張したとき最も良くその特長が発揮される。次に位相差法の本願発明について記す。【００７２】
まず、本願発明の発明者が発明してきた、空間フィルターとしての位相板を利用した従来の透過位相差電子顕微鏡を、性能比較のために説明する。【００７３】
図８（ａ）に例示した等価透過位相差電子顕微鏡では、位相板は射出側の対物絞りの所に挿入される。これは等価空間フィルターで言えばＨ2に挿入されることを意味し、入射側のＨ1は開放となる。一方、図８（ｂ）に例示した等価共焦点位相差電子顕微鏡では、位相板は入射側の集光絞りの所に入る。すなわち、Ｈ1に入り、Ｈ2は開放である。【００７４】
両者は、このように位相板の位置が試料を挟み完全に逆転している。このことが本願発明の肝になる。すなわち、共焦点法の場合、位相板を試料前に入れることができるため、試料の光情報を荷った電子線を全く汚すことがない。そのため位相差法にまつわる種々の問題点、ａ）位相板による電子線損失、ｂ）試料帯電に伴う位相板位置の再調整、ｃ）特にフーコー微分法における電子線損失と強い背景ノイズ問題、を一挙に解決できるのである。もちろん従来法と同じように位相板を試料後に挿入するデザインも可能であり、後述するように空間フィルターのデザインによっては有利となる場合がある。【００７５】
vi）共焦点電子顕微鏡で使う位相板形状
共焦点法は試料照射光として集束光を使う点で平行光を使うＴＥＭと大きく異なる。このため、照射光由来の０次光（対物絞り面上の原点）と試料散乱光由来の高次光を区別することができない。すなわちゼルニケ位相板は使えない。しかしヒルベルト微分法（前記特開2003-100249号公報参照）で使用する半円の炭素膜空間フィルターや、フーコー微分法（K.Nagayama, J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 2725-2731）で使ったフーコーナイフエッジ、そして無損失位相板（磁性体細線）（前記特願2005-321402号参照）には応用可能である。それらの位相板の形状を図９〜図１２に示した。【００７６】
図９にはヒルベルト微分法用の炭素膜位相板または明視野フーコー微分法用のナイフエッジを示しており、集光レンズや投影レンズ近傍の絞りの半分を覆う形状および挿入位置となっている。図１０にはヒルベルト微分法用の磁性体細線を示しており、レンズ絞りの中心を通って磁性体細線が架橋した形状および挿入位置となっている。位相板の位相はπもしくはπ/2が用いられるが位相量は炭素膜の場合、厚さにより制御でき、磁性体細線の場合、磁性体磁束により制御できる。【００７７】
また、図１１および図１２には、図９および図１０に中心遮光板を組み合わせたものを示しており、レンズ絞りの中心に遮光板を配置し、この遮光板も位相板で半分覆い隠され（図１１参照）、また磁性体細線がその中心を貫いている（図１２参照）。【００７８】
中心遮光板は、図３（ｃ）に示した非走査型共焦点法に特有のもので、拡散光を作る際に生ずる貴金属膜からの非弾性散乱光を遮断するためのものである。非弾性散乱光は画像に寄与せず、背景ノイズとなるのでカットするのが好ましい。そのため非弾性散乱が散乱角度の小さい前方散乱であることを利用して、弾性散乱をほとんどカットせず、非弾性散乱のみをカットするのに中心遮光板を用いた。ちなみに位相差法では、弾性散乱の情報のみを画像化する。【００７９】
これら空間フィルターとしての各種位相板は、たとえば、集光レンズまたは投影レンズに対して出し入れ可能とするフィルターステージ（図示なし）を介して挿入される。レンズの絞りや中心遮光板も同様にフィルターステージを介して出し入れ可能に挿入できる。【００８０】
vii）位相板の働き
ここでは共焦点法における位相板の働きを位相差ＴＥＭと比較して記述する。特に位相板を含むフィルターの働きをよりよく理解するために、顕微鏡による結像過程をフーリエ変換で表す。【００８１】
透過電子顕微鏡の結像過程つまり光学変換の式は、図6（ｂ）の等価透過電子顕微鏡の結像過程を参考にすれば次のようにフーリエ変換過程で表される。【００８２】
【数１】
2007058182.tif 000003
【００８３】
数１では、ＦＴ［ＦＴ［Ｈ1］］＝Ｈ1（ただし空間反転を無視）やＦＴ［δ］＝１などのフーリエ変換公式を用いた。【００８４】
数１の最終表式は、結像が試料複素透過率と空間フィルターＨ2のフーリエ変換ＦＴ［Ｈ2］（通常、インパルス応答関数と呼ばれる）の合成積の絶対値二乗であることを示している。【００８５】
また、共焦点電子顕微鏡の結像過程つまり光学変換の式は、図７（ｂ）の等価共焦点電子顕微鏡の結像過程を参考にすれば次のようにフーリエ変換過程で表される。
【００８６】
【数２】
2007058182.tif 000004
【００８７】
数２の最終段を導き出すには、前段に対し数学的トリックが必要で、この導出は既出の論文（Sheppard & Choudhury）において初めて行われた。【００８８】
数２式に示される共焦点法の特徴は、インパルス応答関数を与える空間フィルターがＨ1とＨ2の合成積で表現されることにある（合成空間フィルターと呼ぶ）。合成積はＨ1、Ｈ2の順序によらない。すなわち
2007058182.tif 000005
【００８９】
も
2007058182.tif 000006
【００９０】
も同じ結果をもたらす。共焦点法のこの最大の特徴が位相差法で生きてくる。【００９１】
数１では、入射側の空間フィルターＨ1は、試料の複素透過係数Ｔに繰り込むことができる（Ｔ′＝Ｈ1Ｔ）が、数２では試料に対して働く空間フィルターとして作用する（ＦＴ［Ｈ1］Ｔ）。このことが位相板の試料前設定を可能にしている。【００９２】
前節で表示した位相板について、透過位相差法と共焦点型位相差法で具体的にどのようなフィルター関数と像が実現するのかを、図１３に示す。ただし、本願発明の位相板は、絞り面を半平面膜や細線で２分するタイプのものなので、対応する空間フィルターは半平面境界や細線に直交する方向の１次元関数とした。また上記に述べたように共焦点法では入射側フィルター（Ｈ1）と射出側のフィルター（Ｈ2）を交換しても合成フィルターは同じとなる。【００９３】
この図１３の計算の前提として、レンズ収差やデフォーカス（焦点はずれ）によるレンズ系固有の空間フィルターはないものとし、空間フィルターとしてはカットオフ周波数を与える絞り（開放フィルター）と位相板のみとして、位相板としては、ヒルベルト微分法用の位相板（炭素膜半円πフィルター、磁性体細線πフィルター）とシュリーレン法で用いられるナイフエッジを扱った。【００９４】
図１３の中で共焦点位相差顕微鏡（下の３段）以外はすでによく知られた結果である。また試料は最も簡単な点を扱った。これが作り出す散乱波は点波動であり、その２乗検出が作り出す像は点像である。全ての試料の像は最終的にこの点像の合成積で表現されるので、点像は光学系の基本である。【００９５】
ナイフエッジが示すフィルター関数は開放フィルターと半円πフィルターの和の１／２に等しいので、点波動も両者の作り出す点波動の和となる。ただし振幅はそれぞれ１／２、強度は１／４に減ずる。これが図１３中の３段目と６段目に示されている。【００９６】
半円π/2フィルターはナイフエッジと同等のフーコー微分法を与えるが、強度はナイフエッジの場合の２倍となる。ナイフエッジでは電子線の半分が完全に遮蔽されるため強度減弱が生まれるが、π/2フィルターでは電子線は全て利用されるので強度が回復される。【００９７】
次に実際に観測される点像の特長を説明する。【００９８】
開放フィルターの場合、透過法では関数形は（ｓｉｎαｋ／αｋ）2、共焦点法では（ｓｉｎαｋ／αｋ）4となる（αはカットオフ周波数で定まる）。指数が２乗と４乗と異なるため、第１に、共焦点法は点像の線幅が透過法より狭い。すなわち、分解能が２倍近く向上する。第２に、カットオフ周波数の逆数で決まる第１零点を超えて振動しながら広がる裾野も、共焦点法では弱くなるので、点像のキレが良い。この特徴は、下記の位相差像のハロー問題として重要な意味を持つ。【００９９】
半円πフィルターに対しては、差分の２乗が実現するが、この場合、共焦点法の差分幅は透過法の半分となる。更に重要なことは共焦点法の合成空間フィルター（上記数２参照）が原点で０となるため（図１３中の５段目参照）、０次光つまり背景をなす直流成分が無くなり、暗視野となることである。すなわち、暗視野の微分像が実現する。【０１００】
最後にナイフエッジの特徴だが、透過法の点像は３成分より構成される。その内２成分は開放フィルターと半円πフィルターの点像と同じ（ただし強度が１／４）だが、第３成分は両者の干渉項である。干渉項は図１３中の３段目の最終行に示されるように差分型なので、この点像と試料の複素透過係数（数１，数２のＴやＴ′）が作る2次元関数との合成積は差分像を与える。共焦点法も事情は透過法と同じだが、分解能が向上している。更に重要なのは、上記のように、カットオフ周波数の逆数で決まる点像の第１零点（１／ｋ0）を越えて広がる裾野が共焦点法では強く抑制されていることである。これは共焦点法特有の合成空間フィルターにはカットオフ周波数において、透過法空間フィルターのような不連続の飛びがないからである。この裾野成分は位相差法の云わゆるハローとして画像に現れるので、共焦点の位相差法ではハローが抑制されるということになる。【０１０１】
以上のように、共焦点法の位相差法は透過法に比しいくつかの利点を有している。【０１０２】
viii）入射側位相板Ｈ1と射出側絞りＨ2の最適組み合わせ
図１３の例では、入射側と射出側のカットオフ周波数（レンズ開口数に対応）を同じとしたが、特に位相差法の場合、低周波数成分の回復がコントラスト増強に重要なので、位相板のカットオフ周波数を相対的に大きくした場合の効果について考える。【０１０３】
図１４に、半円πフィルターを用いた場合の合成空間フィルターの形を計算した例を示す。上記したように入射側のフィルター（Ｈ1）と射出側のフィルター（Ｈ2）を交換しても同じ結果を導く。【０１０４】
この図１４よりわかることは、位相板側のカットオフ周波数が相対的に大きくなるにつれ、２つの効果が現れることである。１つは、合成空間フィルターのカットオフ周波数が大きくなること。もう１つは、低周波数側においてｋ＝０を中心とする直線の傾きが入射、射出同一カットオフ周波数の場合より増大することである。【０１０５】
像コントラストは低周波数側の成分が決めているので、このことは、位相板のカットオフ周波数を相対的に大きくすることでコントラスト向上が期待できることを意味する。図１４から、この効果は位相板のカットオフ周波数が相対的に大きければ大きいほどよい。特に開放フィルター側をピンホールにし、周波数比を無限大にすると、図１４Ｖに見られるようにいわゆるヒルベルト微分法（図１３の第２段参照）が実現し、低周波数成分は最大化される。【０１０６】
合成空間フィルターのカットオフ周波数は入射側と射出側の周波数の和なので、合成空間フィルターのカットオフ周波数をあらかじめ設定した場合、つまり像の分解能を設定した場合、それを入射側、射出側でどのように配分するかが問題となる。コントラストと分解能を同時に最適化するには、図１４IIIに示す入射側の周波数が射出側の２倍程度、コントラストのみを最大化するには、射出側の絞りをできる限り絞り、たとえば射出側の１０分の１程度にすればよい。【０１０７】
ただし、射出側の絞りを小さくすれば、散乱電子線という情報源を失うことになる。このことを回避するには開放フィルターを入射側に、位相板を射出側に持ってきてさらに光源を明るくすれば良い。【０１０８】
共焦点法位相差法の特徴を調べるため以下電子顕微鏡のシミュレーション実験の結果を詳述する。【０１０９】
ix）電子顕微鏡シミュレーターを用いた共焦点位相差法の性能テスト
実験を高精度に模倣する電子顕微鏡のシミュレーターを用いて共焦点位相差法の計算機実験を行い、種々の合成空間フィルターの性能を比較した。【０１１０】
まず試料として１３個の金属原子よりなる金属クラスター（Ｍ13）の１次元鎖を仮定した。具体的な金属クラスター１次元鎖は図１５に示す。図１５（ａ）がＭ13のモデル、図１５（ｂ）が４種の金属、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）を金属クラスター構成成分とする金属クラスター１次元鎖の配列である。Ａｕ、Ｐｄ等は実際はＡｕ13、Ｐｄ13のような金属クラスターを表している。【０１１１】
金属クラスター１次元鎖で試料としたときのシミュレーション電顕像が図１６に示されている。１〜３段が従来の透過電顕の位相板に対するシミュレーション像、４〜７段が共焦点電顕のシミュレーション像である。空間フィルターとしてはカットオフ周波数の異なる絞りと半円πフィルター（無損失、有損失）を仮定した。【０１１２】
まず従来法の透過電顕シミュレーションであるが、断面図からみた信号強度はデフォーカスコントラスト法（最上段、ｚ＝１００ｎｍ）と有損失ヒルベルト微分法（３段、ｚ＝０ｎｍ）とほぼ同等であることがわかる。無損失ヒルベルト微分法（２段、ｚ＝０ｎｍ）はこの両者よりも強度が高く、位相差法の利点がわかる。【０１１３】
共焦点法電顕シミュレーションであるが、入射側、射出側を開放フィルターとした場合（４段、ｚ＝１００ｎｍ）、その結果は透過電顕の結果（最上段）とほとんど差が出ない。一方入射側に半円πフィルター位相板を入れた暗視野フーコー微分法（５段）では信号強度がかなり弱まっていることがわかる。これは合成空間フィルターからわかるようにゼロ周波数（ｋ＝０）近傍の信号成分が極度に抑制されるために生じる現象である。フィルターを入射側に設置できる共焦点法の利点が信号強度低下で相殺された結果となった。【０１１４】
この弱点はｋ＝０近傍の信号強度を回復する位相差法明視野フーコー微分法を適用すれば回避できる。ｋ＝０の信号を回復するには、図１６の６段、７段に見られるようにカットオフ周波数の小さな絞りを、Ｈ1のＨ2どちらかに挿入し、もう一方のフィルターを半円πフィルターとすればよい。その際開放フィルターを光軸中心（ｋ＝０）からわずかにシフトさせることにより合成空間フィルターが６段、７段のようにｋ＝０の近辺の信号を回復できる。回復の程度は絞りのカットオフ周波数を小さくすればするほど良い（７段）。前述に述べた微分法の特徴であるハロー防止は、透過型ヒルベルト微分法（２段）と比較するとよくわかる。図１８の６段、７段に明視野ヒルベルト法を記号ａで、透過型ヒルベルト微分法を記号ｂで重ねて示してあるが、透過型ヒルベルト微分法の長い裾（ハロー）が明視野フーコー微分法では完全に消えている。特にカットオフｋ0／２０の小さい絞りを用いた結果は、信号強度が透過型ヒルベルト微分法と同じでハローがないという点で理想的な方法となっている。【０１１５】
前述してきたように、Ｈ1、Ｈ2のフィルターの順序を入れかえても、合成空間フィルターの結果は同じであり、像も同じとなる。しかし現実の結像系では常に信号強度とノイズとの競合が起こり、フィルター形だけでは議論ができない。試料から散乱される像形成に必要な散乱電子を邪魔しないためには、明視野フーコー微分法においては小さい絞りを入射側に、半円πフィルターを射出側に置かなければならない。入射側に狭い絞りを置いた場合、減光されるが、光源を強めることで減光をカバーできる。一方射出側に狭い絞りを置いた場合失われた情報源の散乱電子は回復されない。【０１１６】
図１６〜図１８のシミュレーションから次のことがわかった。入射側に位相板を入れる共焦点暗視野フーコー微分法では位相板の帯電問題や損失問題は回避され、理想的な微分像が得られるが、信号強度は弱い。従って電子線量を充分高くとれる金属や半導体などの材料科学の応用に向いている。射出側に位相板を入れ、狭い絞りを入射側に入れる明視野フーコー微分法ではハローが防止され信号も強く回復するので電子線で、損傷を受けやすく電子線量を大きくとれない生物試料に向いている。ただし位相板帯電問題や損失問題の回避は位相板自体の工夫（たとえば磁性体細線の適用など）が必要となる。【０１１７】
ix）汎用型共焦点電子顕微鏡
本願発明のさらなる具体例として、透過法と共焦点法の切り換えができる汎用型について説明する。その概略を図１９（ａ）（ｂ）に示す。【０１１８】
微小点光源で可干渉性のよい電界放射銃光源、非走査共焦点法を実現するための非干渉面光源生成レンズ系、入射側の位相板ホルダーを挿入できる集光レンズ、透過型と共焦点型を切り換える集光ミニレンズ、前方磁場、後方磁場が対称的に設計された対物レンズ（共焦点型では前方対物レンズ、後方対物レンズとして機能）、共焦点型では受光面光源像を作り、透過型では受光面全体に試料像を作る投影レンズ、投影レンズ後方に挿入されたエネルギーフィルター等により構成されている。図１９（ａ）（ｂ）の光路図がそれぞれ共焦点位相差電顕と透過位相差電顕に対応する。またその切り換えもこの構成から自明である。【０１１９】
x)本願発明の特徴要約
以上のとおり、共焦点法の特性は、通常の電子顕微鏡構成においてほとんど発揮できないが、本願発明において、共焦点位相差法の場合、透過型位相差法を越える利点を発揮する。そのことを実現する共焦点電子顕微鏡を考慮し、暗視野フーコー微分法，明視野フーコー微分法を発明した。透過法に比べ共焦点法は、１．より高い分解能、２．試料からの散乱電子線の完全無損失化、３.試料帯電効果軽減、４.位相法特有のハローの除去、５．デフォーカスによる像歪なし、６．非走査で一度に撮像可能、などの特長を有する。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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