DE1564075B1

DE1564075B1 - Verfahren zur kontrastreichen Abbildung von Phasen- oder Amplitudenobjekten in einem Korpuskularstrahlgeraet,insbesondere einem Elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE1564075B1
Application number: DE19661564075
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Dr Rer Nat Hanssen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-05-13
Filing date: 1966-05-13
Publication date: 1970-04-30
Also published as: GB1194021A; US3500043A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrast- Objektivlinse proportionale erste Konstante und B

reichen Abbildung von Phasen- oder Amplituden- ' Darin ist A eine der Öffnungsfehlerkonstante der

Objekten in einem Korpuskularstrahlgerät, insbeson- eine der Defokussierung proportionale zweite Kon-

dere einem Elektronenmikroskop, mit einer eine stante.

Wellenaberration verursachenden Objektivlinse unter 5 Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, allein durch

Verwendung einer in den Strahlengang eingebrach- Verwendung einer die Phase über den gesamten

ten Korrekturblende, die abwechselnd aufeinander- _. ,, ,.,. , „. . λ , , .

folgende korpuskularstrahldurchlässige und-undurch- Strahlquerschnitt um den Wert_T (oder geeignete

lässige Felder in solcher Anordnung aufweist, daß Vielfache davon) drehenden Folie bei der Abbildung entweder nur mit positivem oder nur mit negativem io störende Phasenverschiebungen zu eliminieren. Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen des Objektes Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die eben darin die Bildebene gelangen. gelegten Verhältnisse bezüglich der Abhängigkeit der

Es ist bekannt, korpuskularstrahloptische Unter- Wellenaberration von der betrachteten Stelle der

suchungen, also beispielsweise solche in einem Elek- hinteren Brennebene F und der Erregung der

tronenmikroskop, an sehr dünnen Objekten mit 15 Objektivlinse. In beiden Figuren ist mit O die Ebene

hoher Auflösung bei kleiner Bestrahlungsapertur des Objektes, mit L die Ebene der Objektivlinse

unter Verwendung des Phasenkontrastefiektes durch- bezeichnet; ρ ist der Primärstrahl, um den herum

zuführen. Die durch die im Objekt vorhandene sich gebeugte Strahlen (in den Figuren für zwei

Potentialverteilung gekennzeichneten Objekteinzel- Ortsfrequenzen eingezeichnet) bei astigmatismusfreier

heiten beeinflussen überwiegend die Phase der ein- 20 Objektivlinse ringförmig gruppieren. Der Abstand

fallenden Wellen. Für die theoretische Behandlung der betrachteten Stelle in der hinteren Brennebene F

der dabei auftretenden Vorgänge ist es vorteilhaft, vom Primärstrahl ρ ist wiederum mit r, die Objekt-

das Objekt nach Fourier aus sinusartigen Phasen- koordinate mit χ bezeichnet.

gittern verschiedenster Ortsfrequenzen zusammen- Jede der Fig. 1 und 2 gibt den Verlauf der WeI-gesetzt zu denken und die Abbildung jeweils einer 25 lenaberration W (r) in der hinteren Brennebene F bei bestimmten Ortsfrequenz zu betrachten. Jede Orts- einem bestimmten Wert der Erregung der Objektivfrequenz wird in einen anderen Ort in der Ebene der linse wieder. Im Falle der F i g. 1 handelt es sich um Austrittspupille der Objektivlinse, üblicherweise der eine schwache Unterfokussierung. Man erkennt aus Ebene der Aperturbegrenzung, übertragen. der Darstellung des Verlaufs der Wellenaberration Wir)

An einem schwachen sinusförmigen Phasengitter 30 in Abhängigkeit vom radialen Abstand r vom Primärwerden die Wellen in zwei symmetrisch zur optischen strahl p, daß ein relativ großer zentraler Bereich Achse liegenden Richtungen abgebeugt Die ge- positiven Phasenkontrasts vorhanden ist, an den sich beugten Wellen besitzen gegenüber der Primärwelle ein äußerer ringförmiger Bereich negativen Phasen-

eine Phasenverschiebung ±(X = Korpuskelwellen- Contrasts.anschließt. . .

4 ^r 35 Bei einer stärkeren Unterfokussierung, wie sie

länge). ·; in F i g. 2 zugrunde gelegt ist, ist der zentrale Bereich

Zur kontrastreichen Abbildung der betrachteten positiven Phasenkontrasts wesentlich kleiner gewor-Ortsfrequenz muß diese Phasenverschiebung durch den; an ihn schließt sich ein ringförmiger Bereich das abbildende System rückgängig gemacht oder auf negativen Phasenkonstrasts. an, der seinerseits- wiegeeignete Weise ergänzt werden. 40 derum von einem Ringbereich positiven Phasen-

Es ist bei optischen Systemen bereits bekannt, zur konstrats umgeben wird. Daran schließen sich weitere

Behebung einer derartigen Phasenverschiebung eine derartige Bereiche in abwechselnder Folge an.

phasendrehende Folie in· der hinteren Brennebene Es ist bekannt, daß bei Phasenobjekten nur solche

einer Linse so anzuordnen, daß der Primärstrahl Ortsfrequenzen in dem oben gekennzeichneten Sinne

keine Phasendrehung erfährt, dagegen die phasen- 45 mit positivem Kontrast abgebildet werden, deren

drehende Folie allen abgebeugten Strahlen eine Übertragung durch einen Ort mit dem Achsen-

Phasendrehung um -i erteilt. Diese phasendrehende ?^stf^d ^r™ ^f^ ^^renn?,^ef ™^{ttelt wird}> ⁶ 4 * fur den die WellenaberraüonW(r) zwischen —η·λ

Folie läßt jedoch die Bildfehler der Objektivlinse und — (n + |) · λ mit η = 0, ±1, ±2, ±3... liegt, unberücksichtigt und ist daher nur sehr beschränkt 50 χ ist wiederum die Wellenlänge des Korpuskularwirksam. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Strahles. Die entsprechenden Werte für Amplituden-Objektivlinse beispielsweise eines Elektronenmikro- objekte lauten: — (n — |) · λ und — {n + |) ■ λ. skops ohnehin eine Phasenbeeinflussung der gebeug- Fig. 3 gibt den Zusammenhang zwischen dem

ten Strahlen vornimmt. Dieses Verhalten wird durch Phasenkontrastübertragungsfaktor K einerseits und den Begriff der Wellenaberration beschrieben. Es 55 der Aperturk'oordiriate rbzw. den Wellenlängeng der handelt sich dabei also um die Phasendrehung, die Ortsfrequenzen andererseits bei bestimmtem OfE-die Strahlen beim Durchsetzen der Objektivlinse er- nungsfehler und bestimmter Wellenlände λ wieder, leiden oder aber, anders ausgedrückt, um die Ab- Dabei gilt Kurve α für schwache Unterfokussierung weichung der in jeden Bildpunkt einlaufenden Wellen- entsprechend Fig. 1, Kurve b für stärkere Unterfronten von der Kugelgestalt, betrachtet in der Ebene 60 fokussierung entsprechend dem Verlauf der Wellender Austrittspupille der Linse. Wie Untersuchungen aberration gemäß Fig. 2. In beiden Kurven wechgezeigt haben, ist die Wellenaberration W (r) keine sein Bereiche positiven und negativen Phasenkon-Linsenkonstante, sondern abhängig sowohl von dem trastes ab. Man ist bestrebt, den Bereich positiven radialen Abstand r des betrachteten Ortes der hinte- Übertragungsfaktors (bzw. einen Bereich negativen ren Brennebene der Linse vom Primärstrahl als auch 65 Phasenkontrastübertragungsfaktors) möglichst groß von der jeweiligen Objektiverregung und folgt der zu machen, um möglichst viele Ortsfrequenzen nur Beziehung mit positivem (bzw. nur mit negativem) Kontrast zu

W (r) = —Α ή+ Br² + höhere Glieder. übertragen.

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Bei einer »gemischten« Abbildung, bei der also Ist es nicht möglich, durch sukzessive Verwendung die verschiedenen Ortsfrequenzen im Hinblick auf von zwei unterschiedlichen Korrekturblenden bei den in den F i g. 1 und 2 angegebenen Verlauf der durch unterschiedliche Erregungen der Objektiv-Wellenaberration teils mit positivem, teils mit nega- linse erzielter unterschiedlicher Wellenaberration tivem Phasenkontrast zur Bildentstehung beitragen, 5 sämtliche interessierenden Ortsfrequenzen an der ist es schwierig, aus den Bildstrukturen sichere Bildentstehung zu beteiligen, so ist es zweckmäßig, Schlüsse auf die Objektstrukturen zu ziehen. mehr als zwei Verfahrensschritte vorzunehmen. Eine

Es läßt sich zeigen, daß der maximale positive Lösung der gestellten Aufgabe für diesen allgemeine-Phasenkontrast bei einer Wellenaberration von ren Fall zeichnet sich dadurch aus, daß nach der — (n + J) · λ, der maximale negative Phasenkontrast io Abbildung mit der ersten und der zweiten Korrekbei einer Wellenaberration von — (n + f) · λ auftritt. turblende nacheinander bei jeweils unterschiedlichen Es ist aber nicht möglich, allein durch geeignete Werten der Objektivlinsenerregung weitere Korrek-Wahl des Wertes der Objektivlinsenerregung einen turblenden solcher Dimensionierung in den Strahlengenügend großen Bereich nur positiven oder nur gang eingeführt werden,'daß jede von ihnen jeweils negativen Phasenkontrastes zu erzielen. 15 bei dem zugeordneten Wert der Objektivlinsen-

Dieser Tatsache trägt eine bekannte Korrektur- erregung nur mit positivem bzw. negativem Kontrast blende Rechnung, die für den Elektronenstrahl durch- abgebildete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelässige und undurchlässige Bereiche in abwechseln- langen läßt, wobei diese Erregungswerte im Hinblick der Aufeinanderfolge aufweist, wobei diese Bereiche auf die Erzielung solcher Wellenaberrationen gewählt derart dimensioniert sind, daß sie nur die mit posi- 20 sind, daß alle durch die erste Korrekturblende untertivem oder nur die mit negativem Kontrast abgebil- drückten Ortsfrequenzen nacheinander unter Verdeten Ortsfrequenzen des Objektes in die Bildebene Wendung der zweiten Korrekturblende und der weigelangen lassen. Eine derartige Blende ist schema- teren Korrekturblenden abgebildet werden,
tisch in die Fig. 1 und 2 eingezeichnet. Man erkennt, Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindaß im Falle der F i g. 1 die Korrekturblende B1 25 dung werden die Korrekturblenden in den Bereich diejenigen Ortsfrequenzen zurückhält, die mit nega- der hinteren Brennebene der Objektivlinse eingeführt, tivem Phasenkontrast abgebildet werden. Hierzu wie dies bereits an Hand der Fig. 1 und 2 angebesitzt die Blende Bl einen etwa ringförmigen, für geben ist.
Korpuskularstrahlen undurchlässigen Bereich. Es handelt sich also im Prinzip um die Überlage-

Im Falle der der Fig. 2 zugrunde liegenden star- 30 rung der unter Verwendung verschiedener Korrektur-

keren Unterfokussierung und des dadurch bedingten Wenden bei verschiedenen Linsenerregungen herge-

komplizierteren Verlaufs der Wellenaberration ist stellten korpuskularstrahloptischen Bilder desselben

auch die dann erforderliche Blende B 2 etwas korn- Objektes. Diese Überlagerung läßt sich dadurch

plizierter. Gemeinsam ist beiden Blenden, daß sie erzielen, daß die unter Verwendung der verschiedenen

den Primärstrahl durchlassen. 35 Korrekturblenden erzeugten Bilder auf demselben

Gegenüber der oben diskutierten Verwendung fotografischen Material, d. h. auf demselben FiImeiner Folie konstanter Phasendrehung bietet eine stück oder derselben fotografischen Platte, aufgederartige Korrekturblende den Vorteil, daß auch die nommen werden. Es ist auch möglich, von den unter durch die Wellenaberration hervorgerufene, vom Verwendung der verschiedenen Korrekturblenden er-Achsenabstand abhängige Beeinflussung der Phase 40 zeugten Bildern individuelle Aufnahmen herzustellen der verschiedenen Wellen berücksichtigt wird. Diese und diese bei der Betrachtung übereinanderzulegen. günstige Wirkung wird jedoch mit der Unter- Die Anzahl der Verfahrensschritte, d. h. der verdrückung eines Teiles der Ortsfrequenzbereiche er- wendeten Korrekturblenden, ist durch die mit der kauft. Das bedeutet einen Verlust an Informationen Zahl der Verfahrensschritte ansteigende Untergrundbezüglich der Objektstruktur. 45 intensität begrenzt. Diese kann dem in den F i g. 4

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bis 8 wiedergegebenen Verlauf der Bildintensität/' Verfahren unter Verwendung einer derartigen Kor- als Wert 1 bzw. 2 entnommen werden. Die Diarekturblende anzugeben, mit dem es möglich ist, alle gramme zeigen den Verlauf der Bildintensität /' für interessierenden Objektstrukturen abzubilden. Die die Ortsfrequenzen in den Fig. 1 und 2 über die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, 50 Bildkoordinate*'. Dabei entsprechen die Fig. 4 daß zunächst bei einem ersten Wert der Erregung und 5 den Verhältnissen in F i g. 1, die F i g. 6 und 7 der Objektivlinse eine derart dimensionierte erste den Verhältnissen in Fig. 2, während sich Fig. 8 Korrekturblende in den Strahlengang eingeführt wird, auf die Überlagerung der unter Verwendung der daß sie nur die bei dem ersten Erregungswert mit Blenden B1 und B 2 hergestellten Bilder bezieht,
positivem bzw. negativem Kontrast abgebildeten 55 Im Falle der F i g. 4 und 6 ist der Intensitätsver-Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, und lauf bei aus dem Strahlengang entfernter Blende B1 daß nach fotografischer Aufnahme dieses Bildes die bzw. B2 dargestellt, während in den Fig. 5 und 7 erste Korrekturblende aus dem Strahlengang entfernt die Blenden sich in der in den Fig. 1 bzw. 2 ange- und eine derart dimensionierte zweite Korrektur- gebenen Stellung befinden und demgemäß nur Ortsblende in den Strahlengang eingeführt wird, daß sie 60 frequenzen zur Bildentstehung beitragen, die mit bei einem zweiten Wert der Objektivlinsenerregung positivem Kontrast abgebildet werden. Man erkennt, nur mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebil- daß die mittlere Bildintensität in allen Fällen kondete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, stant ist.

wobei der zweite Erregungswert im Hinblick auf die Anders ist es im Falle der erfindungsgemäßen

Erzielung einer solchen Wellenaberration gewählt ist, 65 Überlagerung gemäß Fig. 8; dort ist die mittlere

daß bei Verwendung der zweiten Korrekturblende Helligkeit verdoppelt, da entsprechend den verschie-

von der ersten Korrekturblende unterdrückte Orts- denen Wellenaberrationen die Blenden Bl und Bl

frequenzen abgebildet werden. verschiedene Ortsfrequenzen in die Bildebene gelan-

gen lassen, aber bei beiden Blenden der Primärstrahl durchgelassen wird. Hierdurch ist die Zahl der Belichtungen mit verschiedenen Korrekturblenden begrenzt.

Fig. 9 schließlich gibt den Verlauf des Phasenkontrastübertragungsfaktors K bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem der Darstellung der Fig. 3 entsprechenden Diagramm wieder. Mit Bl und B 2 sind wiederum die Korrekturblenden bezeichnet. Man erkennt, daß insgesamt ein breiterer Bereich positiven Kontrastübertragungsfaktors K durch die doppelte Belichtung desselben Fumes unter Verwendung der beiden Blenden erzielt wird. Bei Verwendung der Blende Bl wird ein Bild mit den Wellenlängen s der Ortsfrequenzen erzeugt, die der Kurve kl zugeordnet sind, während für die Belichtung unter Verwendung der Blende B 2 die Kurve k 2 gilt.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, geeignete Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Satz von Korrekturblenden vorhanden ist und Maßnahmen getroffen sind, die die verschiedenen Werte der Linsenerregung fest vorzuwählen und durch einfache Knopf- oder Schalterbedienung nacheinander einzustellen gestatten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontrastreichen Abbildung von Phasen- oder Amplitudenobjekten in einem Korpuskularstrahlgerät, insbesondere einem Elektronenmikroskop, mit einer eine Wellenaberration verursachenden Objektivlinse unter Verwendung einer in den Strahlengang eingebrachten Korrekturblende mit abwechselnd aufeinanderfolgenden korpuskularstrahldurchlässigen und -undurchlässigen Feldern in solcher Anordnung, daß entweder nur mit positivem oder nur mit negativem Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen des Objektes in die Bildebene gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst bei einem ersten Wert der Erregung der Objektivlinse eine derart dimensionierte erste Korrekturblende in den Strahlengang eingeführt wird, daß sie nur die bei dem ersten Erregungswert mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebildeten Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, und daß nach fotografischer Aufnahme dieses Bildes die erste Korrekturblende aus dem Strahlengang entfernt und eine derart dimensionierte zweite Korrekturblende in den Strahlengang eingeführt wird, daß sie bei einem zweiten Wert der Objektivlinsenerregung nur mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, wobei der zweite Erregungswert im Hinblick auf die Erzielung einer solchen Wellenaberration gewählt ist, daß bei Verwendung der zweiten Korrekturblende von der ersten Korrekturblende unterdrückte Ortsfrequenzen abgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abbildung mit der ersten und der zweiten Korrekturblende nacheinander bei jeweils unterschiedlichen Werten der Objektivlinsenerregung weitere Korrekturblenden solcher Dimensionierung in den Strahlengang eingeführt werden, daß jede von ihnen jeweils, bei dem zugeordneten Wert der Objektivlinsenerregung nur mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, wobei diese Erregungswerte im Hinblick auf die Erzielung solcher Wellenaberrationen gewählt sind, daß alle durch die erste Korrekturblende unterdrückten Ortsfrequenzen nacheinander unter Verwendung der zweiten Korrekturblende abgebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturblenden in den Bereich der hinteren Brennebene der Objektivlinse eingeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Verwendung der verschiedenen Korrekturblenden erzeugten Bilder auf demselben fotografischen Material (Film oder Platte) aufgenommen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den unter Verwendung der verschiedenen Korrekturblenden erzeugten Bildern individuelle Aufnahmen hergestellt und bei der Betrachtung übereinandergelegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen