DE1564075C - Verfahren zur kontrastreichen Abbildung von Phasen- oder Amplitudenobjekten in einem Korpuskularstrahlgerät, insbesondere einem Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

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

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- _Ol ,, , . . ... , ;. , ,

folgende korpuskularstrahldurchlässige und-undurch- Strahlquerschnitt um den Wert _χ (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 Bestrahluhgsapertur des Objektes, mit L die Ebene der Objektivlinse

unter Verwendung des Phasenkontrasteffektes 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 F i g. 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 W(r)

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 | (λ .= Korpuskelwellen- kontrasts anschließt.

⁰ 4 ^r 35- Bei einer stärkeren Unterfokussierung, wie sie

länge). in Fi 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 _f ^abst*^{nd r}jⁿ "¹¹¹⁶J⁶¹¹ ^"^f vermittelt wird -.4 ^r fur den die Wellenaberration W(r) zwischen — η·λ Folie läßt jedoch die Bildfehler der Objektivlinse und — (?i + |) · /. 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 — |) ·;. und — (n + J) ·;..
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 Aperturkoordinate r bzw. den Wellenlängen ε der handelt sich dabei also um die Phasendrehung, die Ortsfrequenzen andererseits bei bestimmtem öffdie 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) = -A r* + B r² + höhere Glieder. übertragen.

Bei einer »gemischten« Abbildung, bei der also die verschiedenen Ortsfrequenzen im Hinblick auf den in den Fig. 1 und 2 angegebenen Verlauf der Wellenaberration teils mit positivem, teils mit negativem Phasenkonirast zur Bildentstehung beitragen, ist es schwierig, aus den Bildstrukturen sichere Schlüsse auf die Objektstrukturen zu ziehen.

Es läßt sich zeigen, daß der maximale positive Phasenkontrast bei einer Wellenaberration von — (η-τ-·!) ··/.,· der maximale negative Phasenkontrast bei einer Wellenaberration von — (n-f-f)·/. auftritt. Es ist aber nicht möglich, allein durch geeignete Wahl des Wertes der Objektivlinsenerregung einen genügend großen Bereich nur positiven oder nur negativen Phasenkontrastes zu erzielen.

Dieser Tatsache trägt eine bekannte Korrekturblendc Rechnung, die für den Elektronenstrahl durchlässige und undurchlässige Bereiche in abwechselnder Aufeinanderfolge aufweist, wobei diese Bereiche derart dimensioniert sind, daß sie nur die mit positivem oder nur die mit negativem Kontrast abgebildeten Ortsfrequenzen des Objektes in die Bildebene gelangen lassen. Eine derartige Blende ist schematisch in die Fig. 1 und 2 eingezeichnet. Man erkennt, daß im Falle der F i g. 1 die Korrekturblende B1 diejenigen .Ortsfrequenzen zurückhält, die mit negativem Phasenkontrast abgebildet werden. Hierzu besitzt die Blende Bl einen etwa ringförmigen, für Korpuskularstrahlen undurchlässigen Bereich.

Im Falle der der F i g. 2 zugrunde liegenden starkeren Unterfokussierung und des dadurch bedingten komplizierteren Verlaufs der Wellenaberration ist auch die dann erforderliche Blende B 2 etwas komplizierter. Gemeinsam ist beiden Blenden, daß sie den Primärstrahl durchlassen.

Gegenüber der oben diskutierten Verwendung einer Folie konstanter Phasendrehung bietet eine derartige Korrekturblende den Vorteil, daß auch die durch die Wellenaberration hervorgerufene, vom Achsenabstand abhängige Beeinflussung der Phase der verschiedenen Wellen berücksichtigt wird. Diese günstige Wirkung wird jedoch mit der Unterdrückung eines Teiles der Ortsfrequenzbereiche erkauft. Das bedeutet einen Verlust an Informationen bezüglich der Objektstruktur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren unter Verwendung einer derartigen Korrekturblende anzugeben, mit dem es möglich ist, alle interessierenden Objektstrukturen abzubilden. Die Lösung dieser Aufgabe ist 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.

Ist es nicht möglich, durch sukzessive Verwendung von zwei unterschiedlichen Korrekturblenden bei durch unterschiedliche Erregungen der Objektivlinse erzielter unterschiedlicher Wellcnaberration sämtliche interessierenden Ortsfrequenzen an der Bildentstehung zu beteiligen, so ist es zweckmäßig, mehr als zwei Verfahrensschritte vorzunehmen. Eine Lösung der gestellten Aufgabe für diesen allgemeineren Fall zeichnet sich dadurch aus. daß nach der Abbildung mit der ersten und der zweiten Kurrekturblende nacheinander bei jeweils unterschiedlichen Werten der Objektivlinscnerregung weitere Korrekturblenden solcher Dimensionierung in den Strahlengang eingeführt werden, daß jede von ihnen jeweils bei dem zugeordneten Wert der Objektiv linsenerregung nur mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, wobei diese Erregungswerte im Hinblick auf die Erzielung solcher Wcllenaberrationen gewählt sind, daß alle durch die erste Korrekturblende unterdrückten Ortsfrequenzen nacheinander unter Verwendung der zweiten Korrekturblende und der weiteren Korrekturblcnden abgebildet werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Korrekturblenden in den Bereich der hinteren Brennebene der Objektivlinse eingeführt, wie dies bereits an Hand der Fig. 1 und 2 angegeben ist.

Es handelt sich also im Prinzip um die Überlagerung der unter Verwendung verschiedener Körrekturblenden bei verschiedenen Linsenerregungen hergestellten korpuskularstrahloptischen Bilder desselben Objektes. Diese überlagerung läßt sich dadurch erzielen, daß die unter Verwendung der verschiedenen Korrekturblenden erzeugten Bilder auf demselben fotografischen Material, d. h. auf demselben Filmstück oder derselben fotografischen Platte, aufgenommen werden. Es ist auch möglich, von den unter Verwendung der verschiedenen Korrekturblenden erzeugten Bildern individuelle Aufnahmen herzustellen und diese bei der Betrachtung übereinanderzulegen.

Die Anzahl der Verfahrensschritte, d. h. der verwendeten Korrekturblenden, ist durch die mit der Zahl der Verfahrensschritte ansteigende Untergrundintensität begrenzt. Diese kann dem in den F i g. 4 bis 8 wiedergegebenen Verlauf der Bildintensität/' als Wert 1 bzw. 2 entnommen werden. Die Diagramme zeigen den Verlauf der Bildintensilät /' für die Ortsfrequenzen in den Fig. 1 und 2 über die Bildkoordinate x'. Dabei entsprechen die F i g, 4 und 5 den Verhältnissen in Fig. 1, die Fi g. 6 und 7 den Verhältnissen in Fig. 2, während sich Fig. 8 auf die überlagerung der unter Verwendung der Blenden B1 und B 2 hergestellten Bilder bezieht.

Im Falle der F i g. 4 und 6 ist der Intensitätsverlauf bei aus dem Strahlengang entfernter Blende B1 bzw. B2 dargestellt, während in den Fig. 5 und 7 die Blenden sich in der in den F i g. 1 bzw. 2 angegebenen Stellung befinden und demgemäß nur Ortsfrequenzen zur Bildentstehung beitragen, die mit positivem Kontrast abgebildet werden. Man erkennt, daß die mittlere Bildintensität in allen Fällen konstant ist.

Anders ist es im Falle der erfindungsgemäßen Überlagerung gemäß Fig. 8; dort ist die mittlere Helligkeit verdoppelt, da entsprechend den verschiedenen Wellenaberrationen die Blenden Bl und B 2 verschiedene Ortsfrequenzen in die Bildebene gelan-

gen lassen, aber bei beiden Blenden der Primärstrahl durchgelassen wird. Hierdurch ist die Zahl der Belichtungen mit verschiedenen Korrckturblendcn begriMl/t.

F i g. 9 schließlich gibt den Verlauf des Phasenkontrastübertragungsfaktors λ' bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem der Darstellung der I" i g. 3 entsprechenden Diagramm wieder. Mit B 1 und H 2 sind wiederum die Korrckturblcnden bezeichnet. Man erkennt, daß insgesamt ein breiterer Bereich positiven Kontrastübertragungsfaktors A' durch die doppelte Belichtung desselben Filmes unter Verwendung der beiden Blenden erzielt wird. Bei Verwendung der Blende B 1 wird ein Bild mit den Wellenlängen / der Ortsfrcquenzcii erzeugt, die der Kurve k 1 zugeordnet sind, während für die Belichtung unter Verwendung der Blende B 2 die Kurve A 2 giU\ ·

!•ine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung zeichnet sich da- ao durch aus. daß ein Satz von Korrckturblenden vorhanden ist und Maßnahmen getroffen sind, die die verschiedenen Werte der Linsenerregung fest vorzuwählen und durch einfache Knopf- oder Schalterbedienung nacheinander einzustellen gestatten. as

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontrastreichen Abbildung von Phasen- oder Amplitudenobjekten in einem Korpuskularstrahlgerät, insbesondere einem Elektronenmikroskop. mit einer eine Wcllenaberration verursachenden Objektivlinse unter Verwendung einer in den Strahlengang eingebrachten Korrckturblendc mit abwechselnd aufeinanderfolgenden korpuskularstrahidurchlässigcn und -undurchläs- !»igen 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 Korrckturblcndc 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 Korrckturblcndc in den Strahlengang eingeführt wird, daß sie bei einem zweiten Wert der Objcktivlinsenerregung 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 Korrckturblende 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 Korrckturblcnde nacheinander bei jeweils unterschiedlichen Werten der Objcktivlinscncrrcgung weitere Korrckturblendcn solcher Dimcnsionicrung in den Strahlengang eingeführt werden, daß jede von ihnen jeweils bei dem zugeordneten Wert der Objcktivlinscncrrcgung nur mit positivem bzw. negativem Kontrast abgebildete Ortsfrequenzen in die Bildebene gelangen läßt, wobei diese Erregungswerte im Hinblick auf die Erzielung solcher Wellcnaberrationen gewählt sind, daß alle durch die erste Korrckturblcnde unterdrückten Ortsfrequenzen nacheinander unter Verwendung der zweiten Korrekturblende abgebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Korrckturblcnden 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 Korrckturblcnden 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 Korrckturblcndcn erzeugten Bildern individuelle Aufnahmen hergestellt und bei der Betrachtung übereinandergclegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen