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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Transmissionselektronenmikroskop.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Elektron-Energieverlust-Spektrometer (EELS) ist als Gerät bekannt, mit dem man ein Energieverlust-Spektrum von Elektronen erhalten kann, die durch eine Probe transmittiert werden, indem ein Elektronenstrahl auf die Probe gerichtet wird. Die Elektronen aus der Elektronenkanone treffen auf die Probe auf und erleiden folglich einen Energieverlust. Demzufolge werden durch die Probe Elektronen mit verringerter Energie transmittiert. Der Energieverlust der durch die Probe transmittierten Elektronen ändert sich in Abhängigkeit der Art der Probe. Folglich kann durch die Aufnahme eines Spektrums des Energieverlusts die Struktur der Probe bestimmt werden.
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Im Betrieb ist das EELS-Gerät üblicherweise an ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) angekoppelt. 4 ist eine schematische Ansicht des Mikroskops. Das Mikroskop verfügt über eine Elektronenkanone 1 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, der mittels eines Kondensors 2 fokussiert wird. Hinter dem Kondensor 2 ist ein Probenhalter 3 angeordnet.
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Der durch die auf dem Probenhalter 3 angeordnete Probe transmittierte Elektronenstrahl wird durch eine Objektivlinse 4 fokussiert. Der durch die Objektivlinse 4 transmittierte Strahl wird durch eine Zwischenlinse 5 fokussiert. Das durch die Zwischenlinse 5 transmittierte Bild des Elektronenstrahls wird von einer Projektionslinse 6 vergrößert. Zur Beobachtung des Bilds des Elektronenstrahls wird eine Beobachtungskammer 7 verwendet. Der von der Beobachtungskammer 7 kommende Elektronenstrahl wird einem Analysator 8 zugeführt, der ein Energieverlust-Spektrum aufnimmt. Der durch den Analysator 8 transmittierte Strahl wird durch ein Linsensystem 9 fokussiert. Ein Detektor 10 wandelt das Bild des Elektronenstrahls in ein elektrisches Signal um. Zum Beispiel wird als Detektor 10 eine CCD-Kamera verwendet.
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5 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Transmissionselektronenmikroskops. Vergleichbare Komponenten sind in beiden 4 und 5 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. In dieser Ausführungsform ist der Analysator 8 zwischen der Zwischenlinse 5 und der Projektionslinse 6 angeordnet.
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Insbesondere kann in dem Fall, in dem der Analysator in dem optischen Abbildungssystem angeordnet ist, zusätzlich zu einem Betriebsmodus zum Aufnehmen eines Spektrums ein Betriebsmodus zur Auswahl und Abbildung ausschließlich von Elektronen mit einer bestimmten Energie durchgeführt werden. Folglich besteht eine zunehmende Nachfrage nach dieser Geräteart. Die Linsen werden hinter dem Analysator angeordnet, um das Bild oder Spektrum zu vergrößern.
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Das Dispersionsvermögen des Analysator an der energiedispersiven Oberfläche beträgt üblicherweise nur einige Mikrometer pro Volt. Die Energiedispersion ist hierbei eine Kennzahl, die den Abstand angibt, um den Elektronen mit Energiedifferenzen von einem Volt voneinander beabstandet sind. Andererseits beträgt die Auflösung des das Spektrum aufnehmenden Mediums ungefähr 10 bis 20 Mikrometer pro Pixel. Die Anzahl der Pixel beträgt hunderte bis tausende.
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Die benötigte maximale Energieauflösung beträgt üblicherweise weniger als 0,5 eV. Der maximale Aufnahmebereich an Energien beträgt mehrere 100 V. Um beide Bedingungen zu erfüllen, ist es notwendig, das an der energiedispersiven Oberfläche des Analysators erzeugte Energieverlust-Spektrum stark zu vergrößern oder den Vergrößerungsfaktor niedrig zu halten. Das heißt, dass die Vergrößerung variabel sein muss. Folglich werden die Linsen hinter dem Analysator angeordnet.
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Das das Spektrum aufnehmende Medium wirkt auch als Aufnahmemedium für Elektronenmikroskopbilder. Üblicherweise wird als das Spektrum aufnehmende Medium eine zweidimensionale CCD-Kamera verwendet. Elektron-Energieverlust-Spektroskopie wird durchgeführt, um durch das Aufnehmen von Spektralbildern in der CCD-Kamera 10, das Auslesen der Bilder, das Übertragen dieser an einen Computer und das Analysieren der Verteilung der Intensitäten der Elektronenenergien Informationen über eine Probe zu erhalten.
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6 zeigt das entlang der vorgegebenen Richtung der Energiedispersion aufgenommene energiedispersive Spektrum. Die Abbildung zeigt, wie das energiedispersive Spektrum entlang der vorgegebenen Richtung der Energiedispersion aufgenommen wird. In der Figur sind ein Spektralbild A und ein energiedispersives Spektrum B dargestellt. In dem energiedispersiven Spektrum ist die Elektronenenergie (dE) auf der horizontalen Achse aufgetragen. In dem Spektrum wird die Intensitätsverteilung von Elektronen mit derselben Energie dargestellt.
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Beispielsweise aus der Patentreferenz 1, der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
JP 2001- 076 664 A (Absätze 0008 bis 0015 und
1) ist ein System dieser Art aus dem Stand der Technik bekannt, um die Richtung der Energiedispersion unter Berücksichtigung der Rotation der Richtung der Energiedispersion in Abhängigkeit von der Änderung der Vergrößerung der Projektionslinse automatisch festzulegen.
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Bei der Untersuchung eines neu hergestellten Halbleiterbauteils ist es notwendig, mehrere Energieverlust-Spektren aufzunehmen, wobei die Position des Elektronenstrahls auf der Probe verändert wird, falls eine Elementanalyse nahe einer Kristall-Korngrenze durchgeführt wird oder elektronische Zustände von Elementen bezüglich der Abhängigkeit vom Abstand zur Grenze untersucht werden. Der Elektronenstrahl wird auf einen Punkt der Probe gerichtet. Das erhaltene Spektrum wird mit CCDs aufgenommen, ausgelesen und analysiert.
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In diesem Moment ist es wichtig, die Aufnahmezeit für das Spektrum zu minimieren, da, falls die Aufnahmezeit lang ist, die Probe wandert, die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl die Probe beschädigt oder die Probe während dieses Zeitraums weiter kontaminiert wird. Dies führt zu einer Verschlechterung der Genauigkeit der Analyse.
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Selbst wenn das Spektrum durch ein Erhöhen der Elektronendichte des Beleuchtungsstrahls oder ein Verbessern der Sensitivität der CCD-Kamera in einer kürzeren Zeit in den CCDs gespeichert wird (beispielsweise in einer Zeit von 1/100 s), so beträgt die Zeit zum Einlesen unter der Voraussetzung dass die Anzahl der CCD-Pixel 2.000 × 2.000 = 4.000.000 beträgt und die A/D-Wandlung und das Einlesen in den Computer mit 100 MHz durchgeführt werden bis zu 4 Sekunden. Folglich ist offensichtlich, dass die Einlese-Zeit eine entscheidende Engstelle darstellt.
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Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Funktionalität des CCD-Binnings verwendet wird. 7 stellt das CCD-Binning dar. Es wird angenommen, dass, wie dargestellt, eine CCD-Einheit mit N × N Pixeln vorhanden ist. Die Seiten des CCD-Sensorbereichs werden in X- bzw. Y-Richtung aufgenommen. Als Beispiel werden die in der Y-Richtung angeordneten Pixel zu einem einzigen kombiniert. Die gesamte Pixel Anordnung wird durch ein sich in der X-Richtung erstreckendes, eindimensionales Pixelarray dargestellt. Die Anzahl der Datenelemente wird verringert. Als Folge kann die Betriebsgeschwindigkeit drastisch verbessert werden. Im Fall des in 7 dargestellten Beispiels werden, falls die in der Y-Richtung angeordneten Pixel alle zu einem Array kombiniert werden und falls in dem einzelnen, sich in X-Richtung erstreckenden linearen Array von Elementen die elektrische Ladung aufsummiert wird, N × N Pixel auf N × 1 Pixel reduziert.
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Übrigens bedingt eine Elektronenlinse beim Fokussieren des Bildes durch die Linse eine Rotation desselben. Eine Rotation des Spektrums aufgrund der hinter dem Analysator befindlichen Elektronenlinse stellt ein Problem dar. In dem Diagramm von 6 wurde die Richtung der Energiedispersion nach rechts unten rotiert. Zur Veränderung des Vergrößerungsfaktors muss hinter dem Analysator eine Elektronenlinse angeordnet sein. Wird die Intensität der Linse verändert, so wird in diesem Fall das Spektrum rotiert.
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Wird die Intensität des in den CCDs aufgenommenen Spektrums analysiert, muss die Intensität in einer zur Richtung der Energiedispersion senkrechten Richtung abgebildet werden und der Gesamtwert ermittelt werden. Falls die Richtung der Energiedispersion des Spektrums nicht parallel zu einer Seite der CCD-Sensorbereichs verläuft, ist es folglich unmöglich, beim Auslesen der Bilder aus den CCDs CCD-Binning zu verwenden. Vielmehr müssen immer alle Pixel ausgelesen werden. Abhängig von der Richtung des Spektrums ist es ausreichend, anstelle aller Pixel lediglich einige Pixel zu extrahieren. Jedoch ist die Effizienz deutlich niedriger als im Fall einer Verwendung des Binning-Modus.
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Der diesbezüglich nächstgelegene Stand der Technik ergibt sich aus „P. J. Thomas et al., Image-spectroscopy - I. The advantages of increased spectral information for compositional EFTEM analysis. Ultramicroscopy 88 (2001), 179-186“. Diese Veröffentlichung zeigt bereits ein Transmissionselektronenmikroskop, das mit einem Energieverlust-Spektrometer ausgestattet ist, wobei das Transmissionselektronenmikroskop umfasst:
- eine Elektronenkanone zur Emission eines Elektronenstrahls;
- einen Kondensor zur Fokussierung des Strahls der Kanone auf eine Probe;
- eine erste Ablenkvorrichtung, um den auf die Probe gerichteten Strahl zur Veränderung der Position des Strahls auf der Probe abzulenken, so dass der Strahl die Probe an unterschiedlichen Stellen bestrahlt;
- einen Analysator zur Energiedispersion des von der Probe abgegebenen Elektronenstrahls in einer vorgegebenen Richtung, um ein spektrales Bild zu erzeugen; und eine photoelektrische Vorrichtung, auf die das spektrale Bild, welches von dem Analysator erzeugt worden ist, projiziert wird, und welches das spektrale Bild aufnimmt.
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Weiterer diesbezüglicher Stand der Technik ergibt sich aus
JP 10 21 35 38 A ,
JP 10 30 27 00 A ,
JP 2001 / 07 66 64 A ,
JP 2004 / 17 89 80 A sowie „P. A. Midgley, Energy Filtered Transmission Electron Microscopy and the use of Image-Spectroscopy, Microscopy and Microanalysis 9.S02 (2003), S. 1574 and 1575“.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Angesichts der voranstehenden Probleme wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Transmissionselektronenmikroskop zu schaffen, das eine verbesserte Verarbeitungsgeschwindigkeit bieten kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Transmissionselektronenmikroskop gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Weitere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden im Verlauf ihrer nun folgenden Beschreibung ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 das Prinzip der Funktionsweise der Erfindung;
- 3 die Umwandlung von Pixelpositionen;
- 4 eine schematische Ansicht eines Transmissionselektronenmikroskops;
- 5 eine schematische Ansicht eines weiteren Transmissionselektronenmikroskops;
- 6 ein Diagramm eines energiedispersiven Spektrums, das entlang einer vorgegebenen Richtung der Energiedispersion aufgenommen wurde; und
- 7 ein Diagramm zur Darstellung des CCC-Binnings.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Abbildungen beschrieben.
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1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es wird angemerkt, dass in den 1 und 5 vergleichbare Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Vorrichtung weist eine Elektronenkanone 1 auf, die einen durch einen Kondensor 2 fokussierten Elektronenstrahl erzeugt. Hinter dem Kondensor 2 ist ein Probenhalter 3 angeordnet.
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Eine Objektivlinse 4 fokussiert den durch die auf dem Probenhalter 3 angeordnete Probe transmittierten Elektronenstrahl. Eine Zwischenlinse 5 fokussiert den durch die Objektivlinse 4 transmittierten Strahl. Hinter der Zwischenlinse 5 ist ein Analysator 8 angeordnet. Das durch den Analysator 8 transmittierte Elektronenstrahlbild wird von einer Projektionslinse 6 vergrößert. Zur Beobachtung des Elektronenstrahlbilds wird eine Beobachtungskammer 7 verwendet. Eine aus Arrays von photoelektrischen Elementen bestehende CCD-Kamera 10 wandelt das Elektronenstrahlbild in ein elektrisches Signal um.
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Ein als Vorrichtung zur Bildverarbeitung wirkender Bild-Prozessor 12 nimmt das Ausgangssignal der CCD-Kamera 10 auf und erstellt einen Spektralbild sowie ein energiedispersives Spektrum. Mit dem Bild-Prozessor 12 und dem Analysator 8 ist ein Steuergerät 11 verbunden, das den Analysator 8 und den Bild-Prozessor 12 steuert. Das Steuergerät 11 wirkt ebenfalls als Vorrichtung zur Bildverarbeitung. Beispielsweise wird als Steuergerät 11 ein Mikrocomputer verwendet. Mit dem Steuergerät 11 ist ein Speicher 13 verbunden. In dem Speicher 13 werden mehrere Spektren als ein CCD-Bild aufgenommen und daraufhin werden Bilder, die stapelweise in den Speicher eingelesen wurden, abgespeichert. Die Funktionsweise der gemäß der bisherigen Beschreibung aufgebauten Vorrichtung wird wie folgt beschrieben.
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In der vorliegenden Erfindung werden mehrere Spektren als ein CCD-Bild in der ein spektrumaufnehmendes Medium bildenden CCD-Kamera 10 aufgenommen und daraufhin werden die Daten der Spektralbilder von der CCD-Kamera 10 stapelweise eingelesen. Daraufhin werden Berechnungen bezüglich einer Rotation durchgeführt, um das einzelne CCD-Bild in mehrere Spektralbilder aufzuteilen. Bei Verwendung dieses Verfahrens kann die Einlese-Zeit auf effektive Weise verringert werden, falls mehrere Spektren aufgenommen werden.
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Die von der Elektronenkanone 1 emittierten und auf eine erwünschte Energie beschleunigten Elektronen werden durch den Kondensor 2 fokussiert und auf eine auf dem Probenhalter 3 angeordnete (nicht dargestellte) Probe gerichtet. Die auf die Probe auftreffenden Elektronen durchlaufen die Probe unversehrt. Die die Probe verlassenden Elektronen werden in zwei Arten von Elektronen unterteilt. Die Energien der Elektronen erster Art bleiben unverändert. Den Elektronen zweiter Art wird von den die Probe bildenden Atomen Energie entzogen und sie verlieren ihre eigene Energie.
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Die transmittierten Elektronen werden durch die Objektivlinse 4 und die Zwischenlinse 5 auf vorbestimmte optische Eigenschaften eingestellt und dem Analysator 8 zugeführt. Die den Analysator 8 verlassenden Elektronen weisen entsprechend unterschiedlicher Energien unterschiedliche Austrittswinkel auf und bilden folglich ein Spektrum. Das Spektrum wird durch die Projektionslinse 6 vergrößert und auf die CCD-Kamera 10 fokussiert. Wird ein Energieverlust-Spektrum aus der Nähe einer Korngrenze innerhalb der Probe erfasst, so wird ein Elektronenstrahl auf die Probe gerichtet. Das erhaltene Spektrum wird in der CCD-Kamera 10 aufgenommen, während die Strahlposition auf der Probe verändert wird.
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Zur Veränderung der Strahlposition auf der Probe wird die Strahlausrichtungsspule A in dem Beleuchtungslinsensystem des Mikroskops verwendet. Zur Bestimmung der Position auf der CCD-Kamera 10, auf die das Spektrum abgebildet wird, wird die Strahlausrichtungsspule B in dem Abbildungslinsensystem verwendet. Wird die Probenposition durch Veränderung der Betriebsbedingungen der eine erste Ablenkvorrichtung bildenden Spule A verändert, so wird die Position auf der CCD-Kamera, auf die das Spektrum abgebildet wird, durch eine Veränderung der Betriebsbedingungen der eine zweite Ablenkvorrichtung bildenden Spule B verändert. Die den Spulen A und B zugeführten elektrische Ströme werden durch das Steuergerät 11 gesteuert.
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Auf diese Weise wird eine Serie von Spektren in der CCD-Kamera 10 aufgenommen, die von der Position des Strahls auf der Probe abhängt. Daraufhin wird die Intensität des CCD-Bilds eingelesen. Die Bilddaten in der CCD-Kamera 10 werden dem BildProzessor 12 übergeben und in digitale Daten umgewandelt. Die Daten werden dann über das Steuergerät 11 in dem Speicher 13 abgespeichert. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine schnellere Verarbeitung als das Verfahren, bei dem jedes einzelne Spektralbild eins nach dem anderen von der CCD-Kamera 10 eingelesen wird. Falls beispielsweise 100 Spektren als ein einziges CCD-Bild aufgenommen und stapelweise ausgelesen werden, kann die Auslese-Zeit um einen Faktor von 100 verkürzt werden.
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Das Steuergerät 11 führt die zur Rotation der in dem Speicher 13 abgespeicherten Bilddaten notwendige Verarbeitung durch, um jedes aufgrund der Verwendung von Elektronenlinsen rotierte Bild in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen, wie später noch detailliert beschrieben werden wird. Weiterhin extrahiert das Steuergerät 11 einzelne Spektralbilder aus den rotierten Spektralbildern, um eine Abfolge von Spektren in der Nähe einer Korngrenzen der Probe zu erzeugen.
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2 stellt die Funktionsweise der vorliegende Erfindung dar. In 2(a) sind mehrere von der CCD-Kamera 10 aufgenommene Spektren dargestellt. In 2(b) werden über das Steuergerät 11 in dem Speicher 13 abgespeicherte Bilder gezeigt. In 2(c) sind Bilder dargestellt, die man durch Rotationskorrekturen der in dem Speicher 13 gespeicherten Bilder erhält. In 2(d) ist ein Diagramm dargestellt, das die Extraktion jedes einer Rotationskorrektur unterzogenen Spektralbilds zeigt.
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Die Rotationskorrektur gemäß (c) kann unter Verwendung eines bekannten Bildverarbeitungsverfahrens durchgeführt werden. 3 zeigt die Umwandlung von Pixelpositionen, wobei diese Umwandlung eine der Vorgänge bei der Rotationskorrektur bildet. In 3(a) sind in dem Speicher 13 gespeicherte Bilder dargestellt. In 3(b) sind Bilder dargestellt, die man durch Ausführen von Rotationskorrekturen erhält. Es wird angenommen, dass ein Bild 20 die Pixel a, b und c enthält. Die Adressen der Pixel a, b und c sind anfänglich bekannt. Die Verarbeitung zur Umwandlung der Pixelpositionen wird basierend auf Informationen bzgl. einer Bildrotationen durchgeführt, um die rotierten Bilder in ihren Originalzustand zurückzuführen. Die Informationen hängen hierbei von einer Veränderung des Vergrößerungsfaktors der Projektionslinse ab.
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Wie in 3(b) dargestellt, wird, falls jedes Bild in ein horizontal ausgerichtetes Bild umgewandelt wird, das Pixelbild an der Position a der Position a' zugewiesen. Das Pixelbild an der Position b wird der Position b' zugewiesen. Das Pixelbild an der Position c wird der Position c' zugewiesen. Rotationskorrekturen der Bilder können durchgeführt werden, indem eine derartige Verarbeitung zur Umwandlung von Positionen vorgenommen wird. Durch eine derartige Rotationskorrektur des Bildes kann ein Spektralbild in ein horizontal ausgerichtetes Bild umgewandelt werden. Die Richtung der Energiedispersion eines Spektrums kann in Übereinstimmung mit der horizontalen Richtung (X-Richtung) gebracht werden. Folglich kann das Steuergerät 11 durch Extraktion jedes einzelnen Spektralbilds, wie in 2(d) dargestellt, Aufsummieren der Intensitäten der Spektralbilder (digitale Bilder) in der zur Richtung der Energiedispersion senkrechten Y-Richtung und graphisches Darstellen der aufsummierten Intensitäten ein energiedispersives Spektrum erhalten.
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Die Verarbeitung der Umwandlung von Pixelpositionen kann, wie zuvor beschrieben wurde, von dem Steuergerät 11 durchgeführt werden oder von dem Bild-Prozessor 12. Weiterhin kann auch die zuvor erwähnte Extraktion (Aufteilung) der Spektralbilder und der Verarbeitung zum Erhalten eines energiedispersiven Spektrums nicht von dem Steuergerät 11, sondern von dem Bild-Prozessor 12 durchgeführt werden.
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In der oben dargestellten Ausführungsform werden als Beispiel von photoelektrischen Geräten CCDs verwendet. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Auch andere photoelektrische Geräte wie CMOS-Bauelemente können verwendet werden.
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Wie soweit detailliert beschrieben wurde, werden erfindungsgemäß mehrere Spektren als ein CCD-Bild aufgenommen. Dann werden derartige Bilder stapelweise eingelesen. Daraufhin werden die Pixelpositionen in den stapelweise eingelesenen Bildern umgewandelt. Folglich kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit verbessert werden.
