<Desc/Clms Page number 1>
Additionele samenstelling van defocusseringsbeelden in een elektronenmicroscoop.
De uitvinding betreft een werkwijze voor het maken van een afbeelding van een object in een deeltjesoptisch instrument, met behulp van een aantal deelopnamen die worden gemaakt met een afbeeldend lenzenstelsel, welke werkwijze omvat : het maken van een aantal opvolgende deeloynamen waorbij voor elke deelopname een telkens andere defocussering van het afbeeldend lenzenstelsel wordt ingesteld, het toekennen van een gewichtsfactor aan elke aldus verkregen deelopname, en het bij elkaar optellen van de met de gewichtsfactoren vermenigvuldigde deelopnamen.
Tevens betreft de uitvinding een deeltjesoptisch instrument voor het uitvoeren van de werkwijze.
Een dergelijke werkwijze is bekend uit een artikel van P. Bonhomme en A. Beorchia, getiteld "Image synthesis in the electron microscope", Ultramicroscopy 17 (1985), blz. 127-132. In dit artikel, i. h. b. in het bijschrift bij figuur 2, wordt een wijze van beeldreconstructie beschreven waarmee een afbeelding wordt gemaakt die ontstaat door drie series van deelopnamen bij elkaar op te tellen.
De eerste serie bestaat daarbij uit een enkele opname, de tweede serie bestaat uit een continue reeks opnamen waarbij de defocussering eenmalig met de tijd van een ondergrens tot een bovengrens varieert door de bekrachtigingsstroom van de lens lineair met de tijd te variëren en de derde serie bestaat uit een continue reeks opnamen waarbij de defocussering eveneens eenmalig met de tijd van een ondergrens tot een bovengrens varieert, eveneens met een lineair varierende lensstroom. De gewichtsfactor die hierbij aan de deelopnamen wordt toegekend ontstaat door de verblijfstijd van de instelling van het afbeeldende lenzenstelsel in een bepaald defocusgebied. Eveneens in dit artikel wordt beschreven hoe gebruik gemaakt wordt van een sinusvormig met de tijd varierende lensstroom.
In de genoemde publikatie wordt beschreven dat op deze wijze afbeeldingen gemaakt kunnen worden die een breder gebied van de in het object aanwezige ruimtelijke frequenties doorlaten in vergelijking met een conventionele afbeelding waarbij de afbeeldende lens een vaste focusinstelling heeft tijdens het vormen
<Desc/Clms Page number 2>
van de afbeelding.
Het is gebruikelijk de afbeelding in een deeltjes-optisch instrument zoals een elektronenmicroscoop te beschrijven met behulp van de zogeheten Fase Contrast Overdrachts Functie (Phase Contrast Transfer Function, PCTF). Deze functie legt een verband tussen de golffunctie van de afbeeldende deeltjesbundel ter plat'se van het object en die ter plaatse van de afbeelding. In deze PCTF treedt de ruimtelijke frequentie van de objectdetails op als parameter. In alle bekende deeltjesoptische instrumenten heeft de PCTF een oscillerend verloop in afhankelijkheid van de ruimtelijke frequentie in het object. Dit betekent dat in de amplitude van de beeldvormende golf tekenomkering optreedt.
Het gevolg van deze tekenomkering is dat de contrastvorming niet alleen afhangt van de in het af te beelden object aanwezige details maar ook van de eigenschappen van de PCTF, dus van het afbeeldende instrument. Hierdoor kunnen contrastverschillen ontstaan die niet veroorzaakt worden door contrast in het object maar door instrumenteigenschappen. Dit is vanzelfsprekend ongewenst.
De uitvinding heeft ten doel een werkwijze te verschaffen waarmee in
EMI2.1
een deeltjesoptisch instrument over een groot gebied van ruimtelijke frequenties van het object, geen contrast door instrumenteigenschappen wordt geintroduceerd ondanks het oscillerend verloop van de PCTF.
Daartoe is de werkwijze volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat het verloop van de gewichtsfactor met de defocussering een oscillerende functie is.
Zowel experimenteel als door berekening kan worden aangetoond dat door deze maatregel het verloop van de contrastoverdracht van object naar afbeelding zodanig wordt afgevlakt dat introductie van hinderlijk contrast door het afbeeldende instrument wordt tegengegaan.
Een verdere afvlakking van de contrastoverdracht wordt bereikt in een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding die is gekenmerkt doordat de omhullende van de oscillerende functie een monotoon dalende functie is.
In een deeltjesoptisch instrument, i. h. b. een conventionele elektronenmicroscoop, kan de werkwijze worden toegepast zonder dat ingrijpende veranderingen aan het instrument nodig zijn. De werkwijze is dan gekenmerkt doordat dat de gewichtsfactor wordt ingesteld door keuze van de belichtingstijd van de deelopnamen, en doordat het optellen van de aldus verkregen deelopnamen gebeurt door
<Desc/Clms Page number 3>
deze deelopnamen op telkens dezelfde informatiedrager op te slaan. Deze informatiedrager kan een fotografische film zijn, maar het is ook mogelijk om de beeldelementen van de afbeelding digitaal op te slaan en bij elkaar op te tellen. De informatiedrager is dan een gebruikelijk opslagmedium zoals een vaste stof geheugen of een magnetische informatiedrager.
De uitvinding is verder daardoor gekenmerkt dat de instelling van de gewichtsfactor wordt verkregen door het gehele defocusseringstraject te doorlopen met een snelheid die een vooraf bepaalde functie is van de mate van defocussering, waarbij de beeldregistratie op de informatiedrager continu plaats vindt. Hiermee is het mogelijk om continu in de tijd verlopende processen in het instrument te volgen. In het bijzonder is het mogelijk om een object via een televisiecircuit te bestuderen indien het doorlopen van het defocusseringstraject periodiek plaats vindt met een periode die kleiner is dan de tijdresolutie van het menselijk oog.
De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van de figuren.
Daarbij toont :
Figuur 1 schematisch in doorsnede een elektronenmicroscoop voor toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding,
Figuur 2 een schematische weergave in doorsnede van een objectieflens voor gebruik in een afbeeldend lenzenstelsel in de elektronenmicroscoop volgens figuur 1,
Figuur 3 een grafische weergave van een Fase Contrast Overdrachts Functie in afhankelijkheid van de ruimtelijke frequenties in het object en de defocussering van het afbeeldende lenzenstelsel,
Figuur 4 een grafische weergave van de defocusseringsfunctie voor toepassing in de werkwijze en het instrument volgens de uitvinding,
Figuur 5 een grafische weergave van de uit figuur 4 resulterende Fase Contrast Overdracht Functie, zowel voor afgebroken als voor voortgezette toepassing van de defocusseringsfunctie.
De elektronenmicroscoop zoals weergegeven in figuur 1 bevat een als electronenbron 1 uitgevoerde deeltjesbron met een elektronen emitterend element 2, een bundelrichtsyteem (beam alignment) 3 en een bundeldiafragma 4, een condensorlens 6, een objectieflens 8, een bundelaftastsysteem 10, een objectruimte 11 waarin geplaatst
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
een preparaatdrager 13, een diffractielens 12, een tussenlens 14, een projectielen 16 en een electronendetector 18. De objectieflens 8, de tussenlens 14, en de projectielen 16 vormen tezamen een afbeeldend lenzenstelsel. Deze elementen zijn opgenomen in een huis 20 met een elektrische toevoerleiding 21 voor de electronenbron, een kijkvenster 22 en een vacuümpompinrichting 24.
De elektronenmicroscoop bevat voorts een registratie-eenheid voor het op een informatiedrager registreren van door het lenzenstelsel voortgebrachte opnamen. De registratie-eenheid omvat een electronendetector 18, een beeldbewerkingseenheid 28 met een beeldgeheugen, en een video-display 27 voor waarneming van de gemaakte afbeeldingen. De electronendetector 18 is voorzien van een voor elektronen gevoelig ingangsvlak het kan daartoe zijn uitgevoerd als een halfgeleiderdetector, bijvoorbeeld bestaande uit een matrix van voor elektronen gevoelige dioden die elk afzonderlijk kunnen worden uitgelezen. Elk van deze detectorelementen is afzonderlijk met een van buiten bereikbare aansluiting 26 verbonden. Om informatieverlies, in het bijzonder voor de hogere signaalfrequenties te voorkomen, is het gunstig de detectorelementen gemtegreerd met een eerste signaalversterkertrap uit te voeren.
Deze is daartoe direct met elke afzonderlijke diode van de matrix gekoppeld in het huis 20 opgenomen. Het manipuleren van de detectorsignalen, zoals b. het optellen van de verschillende deelopnamen, kan dan met signalen na de eerste versterkertrap worden doorgevoerd.
Om het gewenste defocusseringsverloop te verkrijgen, zijn de bekrachtigingsspoelen van objectieflens 8 aangesloten op een besturingseenheid 15, die volgens de uitvinding is ingericht voor het besturen van de bekrachtiging van het afbeeldende lenzenstelsel volgens een vooraf vastgestelde van de tijd afhankelijke oscillerende functie. De besturing van de defocussering vindt b. plaats doordat de nog nader te bespreken defocusseringsfunctie in discrete waarden is opgeslagen in een geheugen, b. in de vorm van PCM-woorden. Dit geheugen kan worden uitgelezen door dit te adresseren met een gegeven snelheid, zodat de bemonsteringen van de defocusseringsfunctie met de gewenste snelheid op de data-uitgang van het geheugen ., an an verschijnen. Na digitaal-analoog omzetting staat dan de defocusseringsfunctie ter beschikking.
Figuur 2 toont een objectieflens ss voor gebruik in een elektronenmicroscoop volgens de uitvinding. De lens omvat een ijzercircuit 30 waarvan polen 32 deel uitmaken. Hierdoor wordt een optische as 36 vastgelegd. De magnetische
<Desc/Clms Page number 5>
lens wordt bekrachtigd door spoelen 34 die op de gebruikelijke wijze binnen het ijzercircuit zijn aangebracht. Rondom optische as 36 en direct onder de polen 32 is een hulpspoel 38 aangebracht in een holte 40 van het ijzercircuit, om de defocussering te realiseren. Door deze plaatsing van de hulpspoel wordt bereikt dat deze spoel door het ijzercircuit is afgeschermd van externe stoorvelden. Doordat bij deze plaatsing de hulpspoel geen ijzer van het ijzercircuit omvat, worden bovendien worden door eventuele hoogfrequente defocusseringsvelden nauwelijks storende wervelstromen opgewekt.
Daardoor is deze configuratie in het bijzonder geschikt voor het waarnemen van objecten met videofrequentie.
Figuur 3 toont een Fase Contrast Overdrachts Functie (PCTF) zoals deze in een bestaande elektronenmicroscoop kan bestaan. In deze PCTF is geen rekening gehouden met contrastvorming door absorptie van elektronen in het preparaat ; dit is vaak het geval bij biologische preparaten, waarbij hoofdzakelijk fasecontrast optreedt. In deze grafische weergave is horizontaal de ruimtelijke frequentie van het preparaat uitgezet, en loodrecht daarop in het vlak van tekening de mate van defocussering.
Loodrecht op het vlak van defocussering en ruimtelijke frequentie is het fasecontrast weergegeven. Deze PCTF is bepaald voor een Philips elektronenmicroscoop type CM 30 met een electronenbron van het veldemissie-type. Hierbij is een waarde aangenomen voor de coefficient van sferische aberratie C, evenals voor de coefficient van chromatische aberratie Ce van 1 mm, voor de versnelspanning van de elektronen 300 kV, voor de afwijking in de versnelspanning 1 ppm, voor de spreiding in de
EMI5.1
electronenenergie 1 eV en voor de openingshoek van de afbeeldende bundel mrad.
In deze figuur zijn duidelijk de tekenomkeringen van de PCTF te zien die de oorzaak kunnen zijn van een eventueel contrast in een afbeelding terwijl dat contrast in werkelijkheid niet in het af te beelden object aanwezig is.
Figuur 4 toont een grafische weergave van de defocusseringsfunctie.
Hierbij is horizontaal uitgezet de defocussering en verticaal de gewichtsfactor voor de deelopnamen. Daarbij komt het gehele in de grafiek weergegeven z-gebied overeen met 13, 5 m. Wordt in deze grafiek een gebied Az gekozen dan correspondeert daarmee een tijdsinterval At. Dit tijdsinterval is de verblijfstijd behorende bij de waarde van z waaromheen het gebied Az gekozen is.
Figuur 5 toont een grafische weergave van de resulterende PCTF ; daarbij is curve b bepaald met een defocusseringsfunctie die geheel is toegepast over het in
<Desc/Clms Page number 6>
figuur 4 getekende gebied. Curve a is bepaald met behulp van het gedeelte van de defocusseringsfunctie dat ligt tussen de waarde 0 en 7 gm, hetgeen door de verticale gestreepte lijn in figuur 4 wordt weergegeven. De schaal van de PCTF volgens figuur 5 wordt vastgesteld uitgaande van een PCTF zonder defocussering en optelling van deelopnamen.
De minimale en maximale waarden die deze PCTF kan aannemen worden op-l resp. + 1 gesteld. Onder aanname van hetzelfde aan de afbeelding deelnemende
EMI6.1
aantal elektronen wordt nu de PCTF volgens figuur 5 bepaald ; het blijkt nu dat op de aldus vastgestelde schaal de PCTF zich beweegt tussen de waarden 0 en 0, 3. Er zij nog opgemerkt dat de beide curven van figuur 5 tot stand gekomen zijn door slechts de defocusseringsfunctie voor positieve waarden van z (de defocussering) toe te passen.
Zowel figuur 4 als figuur 5 zijn bepaald onder de volgende omstandigheden : aangenomen is een Philips elektronenmicroscoop type EM 420, versnelspanning van de afbeeldende elektronen 100 kV, coëfficiënt van sferische aberratie C, =2, 7 mm en een gewenst gebied waarin de PCTF vlak verloopt
EMI6.2
corresponderend met een detailgrootte in het object van. l tot 10 nm. (Bij deze waarden van de resolutie is de coefficient van chromatische aberratie C. niet van belang ; deze kan evt. eveneens 2, 7 mm gekozen worden).