(57)【要約】【課題】透過型電子顕微鏡で観察領域の高画質の三次元画像を取得する。【解決手段】制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して、所定の角度範囲内の所定の角度刻みの傾斜角度に試料６を傾斜させ、試料６に設定された観察範囲よりも狭い照射領域の電子線２を観察範囲全体にわたって走査させ、その走査時のあらかじめ定められた複数の位置で焦点合わせをして、その照射領域に対応する部分の試料の透過画像を、画像検出部９を介して取得し、その透過画像を観察範囲全体にわたって統合することにより、観察範囲全体の透過画像を取得する。さらに、制御コンピュータ３０は、以上のようにして取得した前記角度刻み毎の観察範囲全体の透過画像を用いて観察範囲全体の三次元画像を作成する。【選択図】図１
2013171818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象の試料に電子線を照射する電子線照射手段、前記試料に電子線を照射する照射領域を設定する照射領域設定手段、前記照射領域を走査させる走査手段、前記照射領域が設定された電子線の焦点を合わせる焦点合わせ手段、前記電子線の照射方向の垂直面に対して前記試料を傾斜させる試料傾斜手段、および、前記試料を透過した電子線の像を透過画像として検出する画像検出手段を含んで構成された電子光学系装置と、
前記電子光学系装置を制御する制御装置と、
前記制御装置を介して前記電子光学系装置を制御して、前記試料の傾斜角の異なる複数の透過画像を取得し、前記取得した複数の透過画像から前記試料の三次元画像を再構成する制御コンピュータと、
を備え、
前記制御コンピュータは、
前記試料傾斜手段を制御して前記試料を傾斜させる第１の処理と、
前記照射領域設定手段を制御して前記照射領域を前記試料に設定された観察範囲よりも狭い範囲に設定する第２の処理と、
前記第２の処理で設定された電子線の照射領域を、前記走査手段を制御して、前記試料の観察範囲全体にわたって走査させるとともに、その走査時に、あらかじめ定められた複数の位置で、前記焦点合わせ手段を制御して、前記焦点を前記試料の位置に合わせ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記照射領域に対応する透過画像を取得し、前記取得したそれぞれの透過画像を統合して前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第３の処理と、
前記第１の処理により、前記試料をあらかじめ設定された範囲内の複数の傾斜角度のそれぞれの角度に設定し、その設定したそれぞれの傾斜角度毎に、前記第３の処理を実行して、前記それぞれの傾斜角度に対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第４の処理と、
前記第４の処理によって取得した複数の傾斜角度それぞれに対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を用いて三次元画像を作成する第５の処理と、
を実行すること
を特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記制御コンピュータは、前記第３の処理で前記照射領域を走査させるときには、前記試料を傾斜させるときの傾斜軸に平行な方向を主走査方向として走査させること
を特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記制御コンピュータは、前記第３の処理で焦点合わせをするときには、前記試料を傾斜させるときの傾斜軸の位置で焦点合わせをしておき、その後、前記照射領域を走査させるときには、前記照射領域の中心点の前記傾斜軸からの離脱距離と前記試料の傾斜角度とから算出される焦点ずれ量に基づいて焦点合わせをすること
を特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記制御コンピュータは、
前記第２の処理で前記照射領域を設定する場合には、前記第１の処理で傾斜された前記試料の傾斜角に応じて設定し、前記傾斜角が大きいほど前記照射領域を狭く設定すること
を特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記電子光学系装置は、前記電子線の照射軸を傾斜させる電子線傾斜手段をさらに含んで構成され、
前記制御コンピュータは、
前記第３の処理で前記焦点合わせをする前に、
前記照射領域設定手段を制御して前記電子線の照射領域を前記観察範囲よりも広い範囲に設定し、前記焦点合わせ手段を制御して、前記試料を傾斜させる傾斜軸上に前記焦点を合わせ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記観察範囲全体の第１の透過画像を取得し、引き続いて、前記電子線傾斜手段を制御して、前記電子線の照射軸を傾斜させ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記観察範囲全体の第２の透過画像を取得する処理と、
前記第１の透過画像と前記第２の透過画像とを比較し、両者の透過画像のずれが生じない位置情報に基づき、前記第１の透過画像における前記試料の傾斜軸の位置を求める処理と、
を実行しておき、
前記照射領域を走査させるときに、前記照射領域の中心位置の前記傾斜軸からの離脱距離と前記試料の傾斜角度とから算出される焦点ずれ量に基づいて、前記焦点を合わせをすること
を特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記制御コンピュータは、
前記試料の傾斜軸の位置を求める処理では、前記第１の透過画像および前記第２の透過画像それぞれ同じように複数の区画に分割し、それぞれ対応する区画ごとに両者の画像を比較して、両者の画像のずれ量を算出し、その画像のずれ量が０となる複数の区画の中心点を求め、その複数の中心点からなる点列を近似する直線を最小二乗法により前記傾斜軸として求めること
を特徴とする請求項５に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
前記制御コンピュータは、
前記第２の処理で前記照射領域を設定する場合には、前記第１の処理で傾斜された前記試料の傾斜角に応じて設定し、前記傾斜角が大きいほど前記照射領域を狭く設定すること
を特徴とする請求項６に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項８】
観察対象の試料に電子線を照射する電子線照射手段、前記試料に電子線を照射する照射領域を設定する照射領域設定手段、前記照射領域を走査させる走査手段、前記照射領域が設定された電子線の焦点を合わせる焦点合わせ手段、前記電子線の照射方向の垂直面に対して前記試料を傾斜させる試料傾斜手段、および、前記試料を透過した電子線の像を透過画像として検出する画像検出手段を含んで構成された電子光学系装置と、
前記電子光学系装置を制御する制御装置と、
前記制御装置を介して前記電子光学系装置を制御して、前記試料の傾斜角の異なる複数の透過画像を取得し、前記取得した複数の透過画像から前記試料の三次元画像を再構成する制御コンピュータと、
を備えてなる透過型電子顕微鏡における三次元画像取得方法であって、
前記制御コンピュータは、
前記試料傾斜手段を制御して前記試料を傾斜させる第１の処理と、
前記照射領域設定手段を制御して前記照射領域を前記試料に設定された観察範囲よりも狭い範囲に設定する第２の処理と、
前記第２の処理で設定された電子線の照射領域を、前記走査手段を制御して、前記試料の観察範囲全体にわたって走査させるとともに、その走査時に、あらかじめ定められた複数の位置で、前記焦点合わせ手段を制御して、前記焦点を前記試料の位置に合わせ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記照射領域に対応する透過画像を取得し、前記取得したそれぞれの透過画像を統合して前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第３の処理と、
前記第１の処理により、前記試料をあらかじめ設定された範囲内の複数の傾斜角度のそれぞれの角度に設定し、その設定したそれぞれの傾斜角度毎に、前記第３の処理を実行して、前記それぞれの傾斜角度に対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第４の処理と、
前記第４の処理によって取得した複数の傾斜角度それぞれに対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を用いて三次元画像を作成する第５の処理と、
を実行すること
を特徴とする三次元画像取得方法。
【請求項９】
前記制御コンピュータは、前記第３の処理で前記照射領域を走査させるときには、前記試料を傾斜させるときの傾斜軸に平行な方向を主走査方向として走査させること
を特徴とする請求項８に記載の三次元画像取得方法。
【請求項１０】
前記制御コンピュータは、前記第３の処理で焦点合わせをするときには、前記試料を傾斜させるときの傾斜軸の位置で焦点合わせをしておき、その後、前記照射領域を走査させるときには、前記照射領域の中心点の前記傾斜軸からの離脱距離と前記試料の傾斜角度とから算出される焦点ずれ量に基づいて焦点合わせをすること
を特徴とする請求項８に記載の三次元画像取得方法。
【請求項１１】
前記制御コンピュータは、
前記第２の処理で前記照射領域を設定する場合には、前記第１の処理で傾斜された前記試料の傾斜角に応じて設定し、前記傾斜角が大きいほど前記照射領域を狭く設定すること
を特徴とする請求項８に記載の三次元画像取得方法。
【請求項１２】
前記電子光学系装置は、前記電子線の照射軸を傾斜させる電子線傾斜手段をさらに含んで構成され、
前記制御コンピュータは、
前記第３の処理で前記焦点合わせをする前に、
前記照射領域設定手段を制御して前記電子線の照射領域を前記観察範囲よりも広い範囲に設定し、前記焦点合わせ手段を制御して、前記試料を傾斜させる傾斜軸上に前記焦点を合わせ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記観察範囲全体の第１の透過画像を取得し、引き続いて、前記電子線傾斜手段を制御して、前記電子線の照射軸を傾斜させ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記観察範囲全体の第２の透過画像を取得する処理と、
前記第１の透過画像と前記第２の透過画像とを比較し、両者の透過画像のずれが生じない位置情報に基づき、前記第１の透過画像における前記試料の傾斜軸の位置を求める処理と、
を実行しておき、
前記照射領域を走査させるときに、前記照射領域の中心位置の前記傾斜軸からの離脱距離と前記試料の傾斜角度とから算出される焦点ずれ量に基づいて、前記焦点を合わせをすること
を特徴とする請求項８に記載の三次元画像取得方法。
【請求項１３】
前記制御コンピュータは、
前記試料の傾斜軸の位置を求める処理では、前記第１の透過画像および前記第２の透過画像それぞれ同じように複数の区画に分割し、それぞれ対応する区画ごとに両者の画像を比較して、両者の画像のずれ量を算出し、その画像のずれ量が０となる複数の区画の中心点を求め、その複数の中心点からなる点列を近似する直線を最小二乗法により前記傾斜軸として求めること
を特徴とする請求項１２に記載の三次元画像取得方法。
【請求項１４】
前記制御コンピュータは、
前記第２の処理で前記照射領域を設定する場合には、前記第１の処理で傾斜された前記試料の傾斜角に応じて設定し、前記傾斜角が大きいほど前記照射領域を狭く設定すること
を特徴とする請求項１３に記載の三次元画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の三次元画像を取得するのに好適な透過型電子顕微鏡および三次元画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過型電子顕微鏡を用いて試料を観察する際に、その試料の構造をより直感的に観察できるようにするため、近年では、しばしば、透過型電子顕微鏡で取得した試料の二次元画像から三次元画像を再構成することが行われている。
【０００３】
例えば、非特許文献１のp.228−p.231には、観察対象の試料を連続的に傾斜させて取得した二次元の連続傾斜画像群を、取得時の傾斜角度で逆投影させて三次元画像を再構成する逆投影法の技術が示されている。また、非特許文献１のp.231−p.234や非特許文献２には、前記の連続傾斜画像群を各投影方向における真値画像とし、未知なる三次元画像を、各方向に投影した結果と前記の真値画像の誤差が最小となるよう代数的に再構成する方法が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Jose-Maria Carazo, et al., “Algorithms for 3D reconstruction”, ELECTRON TOMOGRAPHY 2, (USA), Springer, 2005, p.228-p.234
【非特許文献２】N. Baba, et al., “A novel Method of Reconstructing a Tomogram by Convergence of an Innumerable Dots Map Without the “Missing-Wedge” Effect”, Frontiers of Electron Microscopy in Materials Science, S-15, Session-1, 2 October, 2009, p.71
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、透過型電子顕微鏡においては、試料の観察対象範囲よりも広範囲に電子線を照射するように電子線の径を広げ、試料の観察対象範囲を透過した電子線を検出することにより、試料の観察対象範囲の二次元画像を取得する。このとき、対物レンズの焦点は、観察対象範囲の中のある一点に合わせられている。通常、透過型電子顕微鏡による観察では、薄膜試料が用いられ、しかも、その薄膜試料が大きく傾斜されることはない。従って、対物レンズの焦点が観察対象範囲の中のある一点に合っていれば、観察対象範囲全体にわたって焦点がずれることはない。
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に開示されている方法を用いると、観察対象の試料の三次元画像を二次元画像から再構成する場合には、試料を±７０度程度の範囲で連続的に傾斜させたときの二次元画像を撮影する必要がある。その場合、試料を大きく傾斜させると、試料傾斜軸からの離軸距離が大きくなるほど、対物レンズ主面と試料との距離は短くなるか、または、長くなる。従って、試料を大きく傾斜させた場合には、観察対象範囲全体にわたって焦点が合った画像を得ることが困難になる。すなわち、試料傾斜角度が大きい場合には、このような焦点ずれが大きくなるので、取得された画像の画質が低下する。
【０００７】
また、非特許文献１，２などに示されているように、三次元画像の再構成は、前記連続傾斜画像群を、取得したときの傾斜角度で逆投影するか、あるいは、その画像を代数演算の真値として用いている。従って、元となる連続傾斜画像群の画質が低い場合には、再構成される三次元画像の画質も低くなる。
【０００８】
また、透過型電子顕微鏡に設けられている既存の試料傾斜装置は、試料を傾斜させるとき、位置ずれを起こす。そのため、前記の連続傾斜画像群のそれぞれの画像は、位置ずれを含んだ画像とならざるを得ない。これらの連続傾斜画像群のそれぞれの画像間で位置合わせをする場合、一般的には、画像マッチングなどの画像処理が適用される。しかしながら、それぞれの画像の画質が低いと、その位置合わせの精度も向上しないことになる。
【０００９】
以上のような従来技術の問題に鑑み、本発明は、高画質の三次元画像を取得することができる透過型電子顕微鏡およびその透過型電子顕微鏡における三次元画像取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る透過型電子顕微鏡は、観察対象の試料に電子線を照射する電子線照射手段、前記試料に電子線を照射する照射領域を設定する照射領域設定手段、前記照射領域を走査させる走査手段、前記照射領域が設定された電子線の焦点を合わせる焦点合わせ手段、前記電子線の照射方向の垂直面に対して前記試料を傾斜させる試料傾斜手段、および、前記試料を透過した電子線の像を透過画像として検出する画像検出手段を含んで構成された電子光学系装置と、前記電子光学系装置を制御する制御装置と、前記制御装置を介して前記電子光学系装置を制御して、前記試料の傾斜角の異なる複数の透過画像を取得し、前記取得した複数の透過画像から前記試料の三次元画像を再構成する制御コンピュータと、  を備える。
【００１１】
そして、前記制御コンピュータは、前記試料傾斜手段を制御して前記試料を傾斜させる第１の処理と、前記照射領域設定手段を制御して前記照射領域を前記試料に設定された観察範囲よりも狭い範囲に設定する第２の処理と、前記第２の処理で設定された電子線の照射領域を、前記走査手段を制御して、前記試料の観察範囲全体にわたって走査させるとともに、その走査時に、あらかじめ定められた複数の位置で、前記焦点合わせ手段を制御して、前記焦点を前記試料の位置に合わせ、そのとき前記画像検出手段によって検出される前記照射領域に対応する透過画像を取得し、前記取得したそれぞれの透過画像を統合して前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第３の処理と、前記第１の処理により、前記試料をあらかじめ設定された範囲内の複数の傾斜角度のそれぞれの角度に設定し、その設定したそれぞれの傾斜角度毎に、前記第３の処理を実行して、前記それぞれの傾斜角度に対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を取得する第４の処理と、前記第４の処理によって取得した複数の傾斜角度それぞれに対する前記試料の観察範囲全体の透過画像を用いて三次元画像を作成する第５の処理と、を実行することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、観察対象の試料を傾斜させ、その試料のある観察範囲の電子線による透過画像を取得するときには、その観察範囲よりも狭い照射領域の電子線をその観察範囲全体にわたって走査させ、その走査時のあらかじめ定められた複数の位置で焦点合わせをして、その照射領域に対応する部分の試料の透過画像を取得し、その透過画像を観察範囲全体にわたって統合することにより、観察範囲全体の透過画像を取得する。
【００１３】
従って、本発明では、試料を傾斜させたときに取得される観察範囲全体の透過画像に焦点ずれが生じることがない。すなわち、本発明では、三次元画像を再構成する場合、その元となる二次元画像の画質の向上を図ることができるので、その結果、高画質の三次元画像を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高画質の三次元画像を取得することができる透過型電子顕微鏡およびその透過型電子顕微鏡における三次元画像取得方法を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る透過型電子顕微鏡の概略構成の例を示した図。
【図２】本発明の第１の実施形態における座標系の定義を示した図。
【図３】（ａ）従来技術での試料透過像の撮影方法、（ｂ）本発明の第１の実施形態における試料透過像の撮影方法および（ｃ）電子線照射領域の走査方法の例を模式的に示した図。
【図４】制御コンピュータの表示装置に表示されるＧＵＩ画面の例を示した図。
【図５】連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理の処理フローの例を示した図。
【図６】局所領域照射撮影法による透過画像取得処理の詳細な処理フローの例を示した図。
【図７】局所領域照射撮影法による透過画像取得処理を説明するための補助図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る透過型電子顕微鏡で用いられる電子線照射領域の大きさと試料傾斜角度との関係を示した図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理の処理フローの例を示した図。
【図１０】第３の実施形態に係る局所領域照射撮影法による透過画像取得処理（その１）の処理フローの例を示した図。
【図１１】第３の実施形態に係る局所領域照射撮影法による透過画像取得処理（その２）の処理フローの例を示した図。
【図１２】透過画像の中で試料傾斜軸を探索する方法の例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る透過型電子顕微鏡の概略構成の例を示した図である。図１に示すように、本実施形態に係る透過型電子顕微鏡１００は、電子光学系装置１０と、電子光学系装置１０の各構成要素を個別的に制御する制御装置２０と、制御装置２０を介して電子光学系装置１０の各構成要素を統合的に制御する制御コンピュータ３０と、を含んで構成される。
【００１８】
電子光学系装置１０は、電子線２を出射する電子銃１と、出射された電子線２を試料６に照射する照射領域を設定するための照射レンズ系３と、照射された電子線２を試料６に焦点を合わせるための対物レンズ系４と、試料６を透過した電子線２の像を拡大する拡大レンズ系５と、拡大された試料６の像を検出する画像検出部９と、試料６に対する電子線２の照射位置を変更する照射位置変更コイル７と、試料６に対する電子線２の照射角度を変更する照射角度変更コイル８と、を含んで構成される。
【００１９】
電子光学系装置１０は、さらに、試料６を保持し、電子線２の照射方向に対し傾斜させる試料傾斜装置１１と、電子線２に対し垂直な平面内で移動させる試料移動装置１２と、を備える。ここで、電子銃１は、例えば、電子光学系装置１０の最上部に設けられ、電子線２を垂直下方に向けて照射するものとする。また、試料６は、標準状態で試料傾斜装置１１および試料移動装置１２によって、電子線２の照射方向に垂直に（つまり、水平に）保持されるものとする。
【００２０】
画像検出部９には、その上部には、シンチレータ９ａが配置され、また、その内部には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子（図示せず）が設けられている。シンチレータ９ａは、試料６を透過した電子線２により蛍光を発するので、撮像素子は、その蛍光を受光することによって、電子線２による試料６の透過像を撮影する。撮影された試料６の透過像は、画像データ（以下、透過画像という）として図示しないバッファメモリに格納された後、通信バス２５を介して制御コンピュータ３０へ送信される。
【００２１】
さらに、図１に示すように、制御コンピュータ３０は、演算処理装置３１と、記憶装置３２と、キーボードやマウスなどからなる入力装置３３と、出力装置として用いられる表示装置３４と、通信バス２５におけるデータ送受信制御する通信ＩＦ（Interface）制御装置３５と、含んで構成される。
【００２２】
ここで、記憶装置３２には、画像データを含む様々なデータが格納される他、制御コンピュータ３０が試料６の透過画像を取得するために制御装置２０を介して電子光学系装置１０を制御する様々なプログラム、さらには、その制御に必要な制御データをユーザが設定するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）プログラムなどが格納される。そして、演算処理装置３１は、制御装置２０に格納されているプログラムを読み出して実行することにより、制御コンピュータ３０が果たすべき機能を実現する。
【００２３】
制御装置２０は、制御コンピュータ３０から通信バス２５を介して送信される制御データに基づいて、電子銃１、照射レンズ系３、対物レンズ系４、拡大レンズ系５、照射位置変更コイル７、照射角度変更コイル８、試料傾斜装置１１、試料移動装置１２などをそれぞれ制御する。例えば、制御装置２０には、制御電源２１，２２が設けられており、制御電源２１，２２の出力電圧は、制御コンピュータ３０から送信される制御データによって決定される。そして、制御電源２１，２２の出力電圧は、試料傾斜装置１１、試料移動装置１２それぞれに入力され、試料傾斜装置１１、試料移動装置１２は、その電圧値に応じて、試料６を傾斜または移動させる。
【００２４】
図２は、本実施形態における座標系の定義を示した図である。図２に示すように、本実施形態においては、電子線２の照射方向（例えば、垂直下方）をＺ軸と定める。そして、試料６は、標準状態でＺ軸に垂直な平面に平行な状態で保持されるものとする。さらに、試料６が標準状態で保持される平面をＸＹ平面（Ｘ軸、Ｙ軸を含む平面）とし、そのＸＹ平面の試料６上に、例えば、長方形の観察範囲６１が設定され、その観察範囲６１がＸＹ平面の第１象限に位置するように、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の原点Ｏが定められるものとする。
【００２５】
また、試料６が試料傾斜装置１１によって傾斜されるとき、その傾斜の中心軸を試料傾斜軸６２と呼び、試料傾斜軸６２は、観察範囲６１の中心である観察範囲中心６４を通り、Ｙ軸に平行な直線であるとする。なお、試料６の傾斜角は、ＸＹ平面と平行にある場合を０度とし、回転方向６３の矢印方向（右ネジの方向）に回転した角度を正の値で表し、回転方向６３の矢印方向と反対方向に回転した角度を負の値で表すものとする。
【００２６】
画像検出部９の撮像素子（図示せず）は、この観察範囲６１に対応する部分の試料６を透過した電子線２による透過像を撮影する。以下、画像検出部９の撮像素子により撮影された試料６の透過像を、単に、透過画像と呼ぶ。
【００２７】
図３は、（ａ）従来技術での試料透過像の撮影方法、（ｂ）本発明の第１の実施形態における試料透過像の撮影方法および（ｃ）電子線照射領域の走査方法の例を模式的に示した図である。図３（ａ）に示すように、従来技術では、電子線照射領域２ａは、試料６上に設定された観察範囲６１よりも広範囲に設定される。そして、試料６の観察範囲６１全体の透過像がシンチレータ９ａ（図１参照）の上面である結像面９ｂに結像する。
【００２８】
そこで、制御コンピュータ３０が試料６の三次元画像を取得しようとする場合には、通常、試料傾斜装置１１により試料６を、例えば、−７０度から＋７０度まで２度刻みで連続的に傾斜させ、それぞれの傾斜角度に傾斜させたときの試料６の観察範囲６１の透過画像を取得する。
【００２９】
ところで、試料６を傾斜させた場合、対物レンズ系４の焦点が合う焦点面６５は、観察範囲中心６４（つまり、試料傾斜軸６２）の位置に設定される。焦点面６５は、対物レンズ系４の主面４ａから等距離にある面であるから、試料６が大きく傾斜された場合には、試料傾斜軸６２からの離脱距離が大きい観察範囲６１内の位置については、焦点面６５からの距離、すなわち、焦点ずれ量ΔＺが大きくなる。
【００３０】
言い換えれば、試料６が大きく傾斜された場合には、試料傾斜軸６２からの離脱距離が大きい観察範囲６１のＸ軸方向の周辺部分については、結像面９ｂに結像される試料６の透過像がぼけることになり、その像質が劣化することになる。また、その像質の劣化は、試料６の傾斜角が大きいほど大きくなる。
【００３１】
これに対し、本実施形態では、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、照射レンズ系３によって定められる電子線照射領域２ａを、試料６上に設定された観察範囲６１よりも十分に狭い領域に限定する。そして、電子線照射領域２ａの大きさに応じて、観察範囲６１を、例えば、６×５の区画に分割し、分割した観察範囲６１の各区画を１つずつ、電子線照射領域２ａでカバーしながら、例えば、矢印の方向に走査する。そして、各区画に対応する試料６の透過像をシンチレータ９ａ（図１参照）上の結像面９ｂに結像させ、その透過画像を画像検出部９の撮像装置によって取得する。
【００３２】
この場合、試料６上に設定された観察範囲６１の各区画の透過画像を取得するとき、その都度、焦点面６５の位置を各区画の中心位置に合わせることができる。しかも、各区画の大きさは、観察範囲６１全体に比べはるかに小さい。そのため、試料６が大きく傾斜された場合で、かつ、各区画のＸ軸方向の周辺部分であっても、その焦点面６５からの焦点ずれ量ΔＺは、それほど大きくならない。
【００３３】
なお、電子線照射領域２ａの走査は、照射位置変更コイル７を制御装置２０で制御することによって行われる。また、図３（ｃ）では、電子線照射領域２ａを走査するときの主走査方向を、Ｘ軸に平行な方向としているが、Ｙ軸、つまり、試料傾斜軸６２に平行な方向であってもよい。このほうが、主走査方向に走査するとき、一度だけ焦点合わせをすれば済むので、観察範囲６１全体の透過画像取得の効率を向上させることができる。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、電子線照射領域２ａを局所的な領域、すなわち、試料６の観察範囲６１を分割した小さな区画をカバーする程度の大きさに狭め、その狭めた電子線照射領域２ａを焦点合わせしながら走査することによって、試料６の観察範囲６１全体の透過画像を取得する。従って、試料６が大きく傾斜された場合であっても、焦点ボケをなくすことができるので、試料６の観察範囲６１全体のより高画質な透過画像を取得することができる。
【００３５】
なお、本明細書の以下の説明では、このような観察範囲６１全体の透過画像の取得方法を、従来方法と区別して、局所領域照射撮影法と呼ぶ。
【００３６】
以下、図４〜図７を参照して、局所領域照射撮影法を用いて、試料６の観察範囲６１の連続傾斜画像を取得し、その連続傾斜画像から三次元画像を作成するまでの手順について説明する。ここで、連続傾斜画像とは、あらかじめ設定された傾斜角度の範囲内の所定の刻み角度毎の角度（例えば、−７０度から＋７０度までの２度ごとの角度）に傾斜させたときの試料６から得られる観察範囲６１の透過画像群をいう。
【００３７】
図４は、制御コンピュータ３０（図１参照）の表示装置３４に表示されるＧＵＩ画面の例を示した図である。すなわち、試料６の連続傾斜画像を取得し、三次元画像を作成しようとするとき、制御コンピュータ３０は、ＧＵＩ画面３４０を表示装置３４に表示して、ユーザに必要なデータの入力を求める。
【００３８】
図４に示すように、ＧＵＩ画面３４０には、試料６を試料傾斜装置１１によって傾斜させるときの傾斜開始角度Ａstart、その傾斜を繰り返すときの刻み角度Ａstep、および、傾斜を終了させるための終了角度Ａendをそれぞれ入力するための数値入力欄３４１〜３４３が表示される。ユーザは、この数値入力欄３４１〜３４３を介して、傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendの各値を自在に設定することができる。
【００３９】
なお、傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendについては、あらかじめデフォルト値を定めておくものとしてもよい。そして、数値入力欄３４１〜３４３から傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendそれぞれに対応する数値が入力されない場合や、ユーザによるデフォルト値を使用する旨の指示を受け付けた場合には、制御コンピュータ３０は、傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendとして、前記のデフォルト値を用いるものとする。
【００４０】
また、ＧＵＩ画面３４０には、傾斜開始角度Ａstartおよび終了角度Ａendから自動計算される傾斜範囲の値を表示する傾斜範囲表示欄３４４、および、実行ボタン３４６が表示される。そこで、ユーザが実行ボタン３４６をクリックすると、制御コンピュータ３０は、次に図５を用いて説明する連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理の実行を開始する。そして、その処理の進行とともに、適宜、試料傾斜角度Ａの表示欄３４５には、透過画像取得中の試料傾斜角度Ａが表示され、また、透過画像表示領域３４７には、その試料傾斜角度Ａで取得された試料６の透過画像が表示される。
【００４１】
図５は、連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理の処理フローの例を示した図である。この連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理は、演算処理装置３１によって実行されるプログラムであるが、以下の説明では、演算処理装置３１の上位の構成要素である制御コンピュータ３０が実行するものとして説明する（後出する図６、図９〜図１１の処理フローの説明でも同様）。
【００４２】
制御コンピュータ３０が図５の処理を開始する前に、ユーザは、試料６を電子光学系装置１０（図１参照）の内部に装着し、試料傾斜装置１１および試料移動装置１２によって保持された状態に設定する。また、その試料６には、結像面９ｂ（図３参照）の大きさと拡大レンズ系５の倍率により定められる観察範囲６１（図２参照）を設定しておく。さらに、ユーザは、前記のＧＵＩ画面３４０（図４参照）を介して、傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendの値を制御コンピュータ３０に入力する。
【００４３】
図５に示すように、制御コンピュータ３０は、連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理を開始すると、まず、試料傾斜角度Ａの初期値として傾斜開始角度Ａstartを設定する（ステップＳ１０）。すなわち、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａの初期値として、ＧＵＩ画面３４０の数値入力欄３４１から入力された傾斜開始角度Ａstartを設定し、その設定した試料傾斜角度Ａを通信ＩＦ制御装置３５および通信バス２５を介して、制御装置２０内の制御電源２１へ送信する。制御電源２１は、試料傾斜角度Ａを受信すると、その値に応じた電圧値を試料傾斜装置１１に出力し、試料傾斜装置１１は、試料６をその電圧値に応じた傾斜角度に傾斜させる。
【００４４】
次に、制御コンピュータ３０は、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）よりも狭い範囲に設定する（ステップＳ１１）。なお、ここでいう観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）は、図３（ｂ）でいう観察範囲６１に対応し、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）は、電子線照射領域２ａに対応する。また、本明細書では、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）というとき、Ｓ（ｘ，ｙ）という記号は、中心座標が（ｘ，ｙ）の領域であることを表すとともに、その領域の大きさ（例えば、Ｘ軸方向の大きさ）をも表すものとする。このことは、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）についても同様である。
【００４５】
つまり、ステップＳ１１では、制御コンピュータ３０が電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を定めるデータを制御装置２０に送信するので、制御装置２０は、そのデータを受信すると、照射レンズ系３を制御して、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）（図３（ｂ）でいう電子線照射領域２ａ）を設定する。そして、その中心座標（ｘ，ｙ）の初期値は、走査開始位置となる、例えば、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）を分割した複数の区画（図３（ｃ）参照）の最上段左端の区画の中心座標である。
【００４６】
次に、図３（ｃ）に示すように、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を走査させながら、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の各区画の透過画像を、その都度焦点を合わせながら取得し、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の透過画像を取得する（ステップＳ１２）。なお、この焦点合わせでは、ユーザによる操作などの作業は必要でない。
【００４７】
次に、制御コンピュータ３０は、取得した観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の透過画像を、連続傾斜画像ＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の、試料傾斜角度ＡがＡstartのときの画像として記憶装置３２に格納する（ステップＳ１３）。なお、ステップＳ１２およびステップＳ１３の処理は、図３で説明した局所領域照射撮影法による透過画像の取得処理であり、その処理の詳細については、別途、図６を用いて説明する。
【００４８】
次に、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａを更新、すなわち、試料傾斜角度Ａ＝試料傾斜角度Ａ＋刻み角度Ａstepとし（ステップＳ１４）、試料傾斜装置１１を介して、試料６を更新後の試料傾斜角度Ａに傾斜させる。ここで、刻み角度Ａstepは、ＧＵＩ画面３４０の数値入力欄３４２を介して入力された数値である。
【００４９】
次に、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を走査させながら（図３（ｃ）を参照）、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の各区画の透過画像を、その都度焦点を合わせながら撮影し、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の透過画像を取得する（ステップＳ１５）。
【００５０】
次に、制御コンピュータ３０は、取得した観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の透過画像を、連続傾斜画像ＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の、試料傾斜角度ＡがＡstart＋ｋ・Ａstep （ｋ＝１〜Ｎ−１）のときの画像として記憶装置３２に格納する（ステップＳ１６）。ここで、カウンタｋは、ステップＳ１２の直前にｋ＝１に設定され、ステップＳ１６の直前にｋ＝ｋ＋１とカウントアップされるものとする。
【００５１】
なお、ステップＳ１５およびステップＳ１６の処理は、ステップＳ１２およびステップＳ１３の処理と同様に局所領域照射撮影法による透過画像の取得処理であり、その詳細については、別途、図６を参照して説明する。
【００５２】
次に、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａが終了角度Ａend以上であるか否かを判定し（ステップＳ１７）、試料傾斜角度Ａが終了角度Ａend未満であった場合には（ステップＳ１７でＮｏ）、ステップＳ１４へ戻り、ステップＳ１４以下の処理を繰り返し実行する。ここで、終了角度Ａendは、ＧＵＩ画面３４０の数値入力欄３４３を介して入力された数値である。
【００５３】
一方、試料傾斜角度Ａが終了角度Ａend以上であった場合には（ステップＳ１７でＹｅｓ）、制御コンピュータ３０は、ＧＵＩ画面３４０を介して設定することが求められたすべての試料傾斜角度Ａに対して連続傾斜画像ＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の取得が完了したものと判断し、その取得した連続傾斜画像ＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）に対し、試料６を傾斜させるに際して生じた透過画像の位置ずれを補正して、位置補正連続傾斜画像ＴＩalign（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を作成する（ステップＳ１８）。
【００５４】
最後に、制御コンピュータ３０は、位置補正連続傾斜画像ＴＩalign（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を用いて、三次元画像ＲＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を作成し（ステップＳ１９）、図５における連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理を終了する。なお、三次元画像ＲＩ（ｘ，ｙ，ｚ）を作成する方法については、ここでは、その説明を省略するが、例えば、非特許文献１，２などに記載されている方法を利用することができる。
【００５５】
図６は、局所領域照射撮影法による透過画像取得処理の詳細な処理フローの例を示した図である。また、図７は、局所領域照射撮影法による透過画像取得処理を説明するための補助図である。
【００５６】
図６に示すように、制御コンピュータ３０は、まず、制御装置２０を介して照射レンズ系３を制御して、一時的に電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）以上に広げ、その観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の中心に対物レンズ系４の焦点を合わせる（ステップＳ２０）。
【００５７】
次に、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａおよび観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）に基づき、局所領域照射する場合の各電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対する焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２１）。ここで、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）は、拡大レンズ系５の倍率Ｍと画像検出部９に設定された撮影範囲Ｃ（ｘ，ｙ）から求められ、式（１）に示す関係を有している。また、局所領域照射する場合の各電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）での焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）は、図７から明らかなように、式（２）によって計算することができる。
【００５８】
【数１】
2013171818.tif 000003
【００５９】
なお、図７において、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）は、その一辺がＹ軸に平行な長方形であるものとし、その長方形のＸ軸方向の座標値が小さい側の辺のｘ座標値を０であるとする。また。観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の中心を通る試料傾斜軸ＴＡのｚ座標値を０であるとし、ステップＳ２０での対物レンズ系４の焦点は、試料傾斜軸ＴＡの位置（ｚ＝０）に合わせられるものとする。
【００６０】
次に、制御コンピュータ３０は、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の初期値を設定、すなわち、ｘ＝ｘ０、ｙ＝ｙ０とする（ステップＳ２２）。ここで、座標値（ｘ０，ｙ０）は、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）を複数の区画に分割したときの、例えば、最上段左端の区画の中心座標である（図３（ｃ）参照）。また、ステップＳ２２では、制御コンピュータ３０は、定数Ｘmax、Ｙmaxとして観察範囲（ｘ，ｙ）に含まれる点のｘ座標の最大値およびｙ座標の最大値を設定する。
【００６１】
次に、制御コンピュータ３０は、試料６の観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の撮影を行うために、画像検出部９に付属している図示しないシャッタを開放する（ステップＳ２３）。
【００６２】
次に、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して、照射レンズ系３および照射位置変更コイル７を制御して、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を設定するとともに（ステップＳ２４）、対物レンズ系４を制御して、当該電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対する焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）（ステップＳ２１で算出したもの）を補正する（ステップＳ２５）。そして、そのとき画像検出部９で検出される当該電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）部分の試料６の透過画像を取得する（ステップＳ２６）。
【００６３】
次に、制御コンピュータ３０は、当該電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の中心の座標値ｘが定数Ｘmax以上であるか否かを判定し（ステップＳ２７）、座標値ｘが定数Ｘmax未満であった場合には（ステップＳ２７でＮｏ）、その座標値ｘを更新、すなわち、ｘ＝ｘ＋Δｘとし（ステップＳ２８）、ステップＳ２４へ戻ってステップＳ２４以下の処理を繰り返し実行する。なお、Δｘは、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）を複数の区画に分割したときの各区画のＸ軸方向の幅に相当する。
【００６４】
また、ステップＳ２７での判定で、座標値ｘが定数Ｘmax以上であった場合には（ステップＳ２７でＹｅｓ）、制御コンピュータ３０は、さらに、当該電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の中心の座標値ｙが定数Ｙmax以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。そして、その判定の結果、座標値ｙが定数Ｙmax未満であった場合には（ステップＳ２９でＮｏ）、その座標値ｙを更新、すなわち、ｙ＝ｙ＋Δｙとし（ステップＳ３０）、ステップＳ２４へ戻ってステップＳ２４以下の処理を繰り返し実行する。なお、Δｙは、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）を複数の区画に分割したときの各区画のＹ軸方向の幅に相当する。
【００６５】
また、ステップＳ２９の判定で、座標値ｙが定数Ｙmax以上であった場合には（ステップＳ２９でＹｅｓ）、制御コンピュータ３０は、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）をＸ軸方向およびＹ軸方向に走査することによる試料６の透過画像の取得が終了したものと判断し、画像検出部９に付属のシャッタを閉鎖する（ステップＳ３１）。
【００６６】
次に、制御コンピュータ３０は、以上の処理によって取得した各電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対する試料６の透過画像を統合して、指定された試料傾斜角度Ａに対する連続傾斜画像ＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）のうちの１つを作成し、記憶装置に格納する（ステップＳ３２）。
【００６７】
以上、図６に示した局所領域照射撮影法による透過画像取得処理により、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａが大きい場合であっても、試料６の観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体に焦点が合った高画質の透過画像を得ることができる。さらに、図５に示した連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理により、制御コンピュータ３０は、あらかじめ設定された全傾斜角度範囲について、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体に焦点が合った高画質の透過画像を得ることができることができるので、高精度な位置合わせが可能となり、高画質の三次元画像の再構成が可能となる。
【００６８】
なお、本実施形態では、試料傾斜角度の刻み角度が一定の連続傾斜画像を取得した場合を例として説明したが、その説明は、試料傾斜角度の刻み角度が一定でない不連続な傾斜画像を取得する場合でも、ほぼ同様に適用可能である。また、本実施形態では、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の走査方向を固定したが、その走査方向は、任意の方向であってもよい。また、本実施形態では、試料６の試料傾斜軸ＴＡは、Ｙ軸に平行であるとしたが、Ｘ軸に平行であってもよい。
【００６９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る透過型電子顕微鏡は、第１の実施形態で示した透過型電子顕微鏡１００の機能の一部を変更したものである。従って、図１などを用いて説明した透過型電子顕微鏡１００の構成は、第２の実施形態でも同じであるので、その構成の説明を割愛する。そして、以下の説明では、第１の実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いるものとし、主に、第１の実施形態と相違する点について説明する。
【００７０】
ところで、第１の実施形態では、観察範囲６１（図３（ｂ）、（ｃ）など参照：観察範囲（ｘ，ｙ）とも記載）を分割した各区画に局所的に照射する電子線照射領域２ａ（図３（ｂ）：電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）とも記載）を一定の大きさの領域として扱った。それに対し、第２の実施形態では、電子線照射領域２ａの大きさを試料傾斜角度Ａに応じて適切に決定し、観察範囲６１全体に焦点が合った高画質な透過画像を効率よく取得する方法を示す。
【００７１】
一般に、透過型電子顕微鏡１００の場合、走査透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡とは異なり、その透過画像の分解能は、電子線照射領域２ａの大きさには関係しない。そのため、高分解能であっても電子線照射領域２ａの大きさを任意に変えることができる。
【００７２】
そして、透過型電子顕微鏡１００を用いて三次元画像の再構成をするときには、試料６を±７０度程度傾斜させ、連続傾斜画像を取得する必要がある。ここで、従来技術のように電子線照射領域２ａを、観察範囲６１全体をカバーするほど広いものにし、その焦点を観察範囲６１の中心に設定し、さらに、試料６の試料傾斜角度Ａが大きい場合には、試料傾斜軸ＴＡからの離脱距離が大きい位置で焦点ボケが生じる。その焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）は、式（２）に示した通り、試料傾斜角度Ａと試料傾斜軸ＴＡからの距離に大きく関係する。
【００７３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る透過型電子顕微鏡１００で用いられる電子線照射領域２ａの大きさと試料傾斜角度Ａとの関係を示した図である。
【００７４】
図８に示すように、試料傾斜角度Ａが大きい場合（例えば、試料傾斜角度Ａ＝±５０度の場合）には、対物レンズ系４の焦点が合う領域６１１は、観察範囲６１と比較して相当に小さい領域となっている。そのため、電子線照射領域２ａの大きさも小さく設定しなくてはならない。従って、電子線照射領域２ａの大きさが観察範囲６１に比べ小さい場合には、電子線照射領域２ａで観察範囲６１全範囲を走査し、観察範囲６１全体の透過画像を取得しようとすると、長時間を要することになる。
【００７５】
一方、試料傾斜角度Ａが小さい場合（例えば、試料傾斜角度Ａ＝±２０度の場合）には、対物レンズ系４の焦点が合う領域６１２は、試料傾斜角度Ａが大きい場合の対物レンズ系４の焦点が合う領域６１１に比べ大きくなっている。この場合には、領域６１２の大きさに合わせて、電子線照射領域２ａの大きさを大きく設定することができる。そして、電子線照射領域２ａの大きさを大きくすれば、その大きくした電子線照射領域２ａで観察範囲６１全範囲を走査し、その全体の透過画像を取得する時間が短縮される。
【００７６】
さらに、試料傾斜角度Ａが０度である場合には、当然ながら、観察範囲６１全体を１つの電子線照射領域２ａでカバーすることができるようになるので、電子線照射領域２ａを走査する必要もなくなる。
【００７７】
そこで、本実施形態では、電子線照射領域２ａの大きさを試料傾斜角度Ａに基づいて定めるようにした。その結果、観察範囲６１全体にわたって焦点が合った高画質な連続傾斜画像をより効率的に得ることが可能となる。
【００７８】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る連続傾斜画像取得＆三次元画像作成処理の処理フローの例を示した図である。この処理フローは、第１の実施形態の説明で示した図５の処理フローの一部を変更したものであり、例えば、電子線照射領域２ａの大きさを試料傾斜角度Ａから算出するように変更している。以下、図５に示した処理フローとの相違部分を主に説明する。
【００７９】
まず、この処理を開始するに当たって、ユーザは、ＧＵＩ画面３４０（図４参照）を介して傾斜開始角度Ａstart、刻み角度Ａstepおよび終了角度Ａendの値を制御コンピュータ３０に入力し、実行ボタン３４６をクリックする。すると、制御コンピュータ３０は、試料傾斜角度Ａの初期値として、傾斜開始角度Ａstartを設定する（ステップＳ４０）。この処理は、図５のステップＳ１０と同じである。
【００８０】
次に、制御コンピュータ３０は、式（３）を用いて試料傾斜角度Ａに基づく電子線照射領域Ｓ（ｘ、ｙ）の大きさを算出し、制御装置２０を介して、前記算出された大きさの電子線照射領域Ｓ（ｘ、ｙ）を照射レンズ系３にて設定する（ステップＳ４１）。なお、式（３）において、フォーカス精度値Ｆは、ユーザがあらかじめ設定しておく数値である。
【００８１】
【数２】
2013171818.tif 000004
【００８２】
次に、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を走査させながら（図３（ｃ）を参照）、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の各区画の透過画像を、その都度焦点を合わせながら撮影し、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の透過画像を取得する（ステップＳ４２）。なお、この処理は、基本的には、図５のステップＳ１２と同じであるが、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を走査させるときの走査間隔が異なる。すなわち、第１の実施形態では（図５の場合）、走査間隔は、試料傾斜角度Ａに依存せず同じであるが、ここでは、走査間隔を式（３）で算出した電子線照射領域Ｓ（ｘ、ｙ）の１／２であるとする。
【００８３】
以降、ステップＳ４３〜ステップＳ４９の処理は、図５のステップＳ１３〜ステップＳ１９の処理と同じであるので説明を割愛する。また、ステップＳ４５、ステップＳ４６の処理の詳細は、図６の局所領域照射撮影法による透過画像の取得処理と同じである。
【００８４】
以上、第２の実施形態では、電子線照射領域２ａの大きさを試料傾斜角度Ａに基づいて定めるようにしたことにより、観察範囲６１全範囲を走査し、その全体の透過画像を取得する時間が短縮されるので、効率よく観察範囲６１全体にわたって焦点の合った高画質の連続傾斜画像の取得が可能となる。その結果、高画質の三次元画像の再構成を効率よく行うことが可能となる。
【００８５】
なお、本実施形態では、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の走査間隔を電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の大きさの１／２としたが、その走査間隔は、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の大きさよりも小さければ、他の値でもよい。また、本実施形態では、電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）の大きさの算出式として式（３）を用いたが、式（３）に限定されるものではない。また、本実施形態では、試料６の試料傾斜軸ＴＡは、Ｙ軸に平行であるとしたが、Ｘ軸に平行であってもよい。
【００８６】
（第３の実施形態） 
第３の実施形態に係る透過型電子顕微鏡は、第１の実施形態で示した透過型電子顕微鏡１００の機能の一部を変更して、不足焦点の観察方法に適用することを可能としたものである。従って、図１などを用いて説明した透過型電子顕微鏡１００の構成は、第３の実施形態でも同じであるので、その構成の説明を割愛する。そして、以下の説明では、第１の実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いるものとし、主に、第１の実施形態と相違する点について説明する。
【００８７】
透過型電子顕微鏡１００を用いて生物試料などのコントラストが低い試料６を観察する場合には、しばしば、対物レンズ系４の焦点を大きく不足焦点にすることによって、コントラストを大きくする観察方法が用いられる。この観察方法では、対物レンズ系４の励磁が大きく変化するため、透過画像に回転が生じ、試料傾斜軸ＴＡが透過画像のＹ軸と平行ではなくなってしまう。
【００８８】
そこで、本実施形態では、第１の実施形態における局所領域照射撮影法による透過画像取得処理（図６参照）に、傾斜軸を探索する処理、および、傾斜軸からの離脱距離を算出して、その離脱距離に応じた焦点ずれ量を算出する処理を組み込む。図１０および図１１は、第３の実施形態に係る局所領域照射撮影法による透過画像取得処理の処理フローの例を示した図である。また、図１２は、透過画像の中で試料傾斜軸ＴＡを探索する方法の例を示した図である。
【００８９】
図１０に示すように、制御コンピュータ３０は、まず、制御装置２０を介して照射レンズ系３を制御して、一時的に電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）以上に広げ、その観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の中心に対物レンズ系４の焦点を合わせる（ステップＳ５０）。この処理は、図６のステップＳ２０の処理と同じである。
【００９０】
次に、制御コンピュータ３０は、その広げた電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対応する観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の試料６の透過像を撮影して、透過画像ＮＩ（ｘ，ｙ）を取得し（ステップＳ５１）、記憶装置３２に格納する。なお、この撮影方法は、従来の一般的な撮影方法に他ならない。
【００９１】
次に、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して照射角度変更コイル８を制御することにより、電子線２の照射軸をα度（例えば、２〜３度）傾斜させ、その傾斜した電子線２を試料６に照射する（ステップＳ５２）。そして、制御コンピュータ３０は、その電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対応する観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体の試料６の透過像を撮影して、透過画像ＴＩ（ｘ，ｙ）を取得し（ステップＳ５３）、記憶装置３２に格納する。
【００９２】
このとき、透過画像ＮＩ（ｘ，ｙ）と透過画像ＴＩ（ｘ，ｙ）とを比較すると、対物レンズ系４の焦点が合っている位置では、両者の画像は、ほとんど同じ画像になるが、焦点がずれている位置では、その焦点ずれの量および電子線２の傾斜角度αに応じて両者の画像にずれが生じる。このことを利用することにより、制御コンピュータ３０は、透過画像ＮＩ（ｘ，ｙ）において焦点が合っている位置、すなわち、試料６の試料傾斜軸ＴＡを定めることができる。
【００９３】
そこで、制御コンピュータ３０は、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、透過画像ＮＩ（ｘ，ｙ）７０および透過画像ＴＩ（ｘ，ｙ）７１を、ＸＹ平面上でそれぞれＫ個の区画に分割し、分割した各区画の画像により傾斜軸探索用画像群ＴＮＩ（ｘ，ｙ）ｎ７２およびＴＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ７３（ｎ＝１〜Ｋ）を作成する（図１０：ステップＳ５４）。
【００９４】
次に、制御コンピュータ３０は、図１２（ｃ）に示すように、それぞれ対応する位置の画像ＴＮＩ（ｘ，ｙ）ｎ７４，７６，７８，…  と、画像ＴＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ７５，７７，７９，…  と、を比較して、画像ＴＮＩ（ｘ，ｙ）ｎ７４，７６，７８，…  に対する、画像ＴＴＩ（ｘ，ｙ）ｎ７５，７７，７９，…  の移動量をそれぞれ算出する（図１０：ステップＳ５５）。なお、このステップでの移動量の算出には、例えば、テンプレートマッチング処理や相互相関処理などを利用する。
【００９５】
次に、制御コンピュータ３０は、図１２（ｃ），（ｄ）に示すように、各区画の画像について算出した移動量により、移動量マップＭ（ｘ，ｙ）８０を作成し（図１０：ステップＳ５６）、さらに、その作成した移動量マップＭ（ｘ，ｙ）８０から試料６の試料傾斜軸ＴＡを導出する（図１０：ステップＳ５７）。
【００９６】
ここで、試料傾斜軸ＴＡの導出には最小二乗法を利用する。前記したように試料傾斜軸ＴＡの近傍では、透過画像ＮＩ（ｘ，ｙ）７０と透過画像ＴＩ（ｘ，ｙ）７１との間で画像のずれが生じないので、移動量マップＭ（ｘ，ｙ）上の試料傾斜軸ＴＡの近傍には、移動量が０の区画（０とみなせる区画を含む）が現れる。そこで、図１２（ｅ）に示すように、移動量マップＭ（ｘ，ｙ）において移動量が０である複数の区画の中心点によって形成される点列を近似する直線８１を最小二乗法により求め、求めた直線８１を試料傾斜軸ＴＡとする。
【００９７】
次に、制御コンピュータ３０は、制御装置２０を介して照射レンズ系３を制御して電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）を局所領域照射するときの大きさに戻し、試料傾斜角度Ａ、および、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）の各座標点の試料傾斜軸ＴＡからの離脱距離に基づき、局所領域照射する場合の各電子線照射領域Ｓ（ｘ，ｙ）に対する焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）を算出する（図１０：ステップＳ５８）。このとき、焦点ずれ量ΔＺ（ｘ，ｙ）は、式（４）によって計算する。
【００９８】
【数３】
2013171818.tif 000005
【００９９】
なお、式（４）において、離脱距離Ｌは、試料傾斜軸ＴＡまでの最短距離を意味し、符号を含むものとする。なお、その符号は、（各座標点のｘ座標値）−（各座標点に対し最短距離となる試料傾斜軸ＴＡ上の点のｘ座標値）で算出されるときの符号を用いる。
【０１００】
続いて、制御コンピュータ３０は、図１１に示すステップＳ５９〜ステップＳ６９の処理を実行する。なお、このステップＳ５９〜ステップＳ６９の処理は、図６に示したステップＳ２２〜ステップＳ３２の処理と同じなので、その説明を割愛する。
【０１０１】
以上の処理によって、試料６の試料傾斜軸ＴＡが取得される透過画像のＹ軸と平行でない場合であっても、観察範囲Ｗ（ｘ，ｙ）全体に焦点が合った高画質な連続傾斜画像を取得することができる。
【０１０２】
以上、第１〜第３の実施形態で説明した透過型電子顕微鏡１００を用いることにより、半導体デバイスの三次元形状の可視化や計測、触媒粒子の粒径計測や分布状態の観察、いわゆるナノ材料の構造の三次元解析などが可能となり、材料解析分野での幅広い適用が期待される。また、細胞や生体高分子に対しても、細胞内器官の形態の可視化、成分混合状態の観察などが可能となる。
【符号の説明】
【０１０３】
１      電子銃（電子線照射手段）
２      電子線
３      照射レンズ系（照射領域設定手段）
４      対物レンズ系（焦点合わせ手段）
４ａ    主面
５      拡大レンズ系
６      試料
７      照射位置変更コイル（走査手段）
８      照射角度変更コイル（電子線傾斜手段）
９      画像検出部（画像検出手段）
９ａ    シンチレータ
９ｂ    結像面
１０    電子光学系装置
１１    試料傾斜装置（試料傾斜手段）
１２    試料移動装置
２０    制御装置
２１，２２    制御電源
２５    通信バス
３０    制御コンピュータ
３１    演算処理装置
３２    記憶装置
３３    入力装置
３４    表示装置
３５    通信ＩＦ制御装置
６１    観察範囲
６２，ＴＡ    試料傾斜軸
６４    観察範囲中心
６５    焦点面
１００  透過型電子顕微鏡
３４０  ＧＵＩ画面
【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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