DE1927038B2 - Steoroskopisches abtastelektronenmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein stereoskopisches Abtastelektronenmikroskop mit einem Kondensorlinsensystem, das einen Elektronenstrahl auf ein Objekt fokussiert, einer Rasterablenkvorrichtung, die das ">"> Objekt mit dem fokussierten Elektronenstrahl rasterförmig abtastet, einer Spannungsquelle, welche an die Rasterablenkvorrichtung eine entsprechende Ablenkspannung legt, einem Detektor, welcher die von der Objektoberflächc kommenden Elektronen registriert, wi und einer Wiedergabevorrichtung, die ein von dem Detektor empfangenes Signal mittels Kathodenstrahlen in Form eines Bildes auf einem Bildschirm darstellt und deren Ablenksystem mit der Rasterablenkvorrichtung synchronisiert ist, bei dem für den Stereobetrieb des f> > weiteren benachbart zum Kondensorlinsensystem eine Umschaltablenkeinheit vorgesehen ist, mit der die Einfallswinkel des Elektronenstrahls auf das Objekt zwischen zwei Werten alternierend veränderbar sind und die mit der Rasterablenkvorrichtung so gekoppelt ist. daß auf dem Bildschirm zwei den beiden Einfallswinkeln des Elektronenstrahls entsprechende Bilder beobachtbar sind.

Ein derartiges Abtastelektronenmikroskop ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 19 17 065.1-33 (DT-OS 19 17 065) vorgeschlagen worden.

Aus dieser älteren deutschen Patentanmeldung ist jedoch nicht zu ersehen, wie auf der Wiedergabevorrichtung, insbesondere auf einer Kathodenstrahlröhre, ein Stereoskopbild in Abhängigkeit von der Abtastung der Objektoberfläche wiedergegeben wird.

Bei Abtastelektronenmikroskopen, wie sie beispielsweise aus lEEE-Spektrum Band 4, 1967, Nr. 10. Seiten 96—102, bekannt sind, wird ein Elektronenstrahl von einer Elektronenquelle erzeugt und durch ein Kondensorlinsensystem auf ein Objekt fokussiert Ober eine Rasterablenkvorrichtung wird die Probe mit dem fokussierten Elektronenstrahl rasterförmig abgetastet wobei eine Spannung einer Quelle für die Rasterung an die Rasterablenkvorrichtung angelenkt wird Die von der Probenoberfläche abgelösten Elektronen werden einem Detektor zur Registrierung zugeführt In einer Kathodenstrahlröhre ist ein Ablenksystem derart mit dem Ablenksystem der Rasterablenkvorrichtung synchronisiert, daß das von dem Detektor erhaltene Signal in Fc rm eines Bildes auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre dargestellt wird.

Ferner sind zur Herstellung stereoskopischer Bilder aus der deutschen Patentschrift 9 10 944 und »Die Naturwissenschaften« 1946, Heft 12, Seite 367, Elektronenmikroskope bekannt, bei denen über eine Umschaltablenkeinheit, die benachbart zum Kondensorlinsensystem angebracht und jeweils erregt wird, der auf das Objekt auffallende Elektronenstrahl entsprechend zwei verschiedenen Einfallswinkeln alternierend hin- und herbewegt wird. Die bekannten Stereoelektronenmikroskope sind vom Durchstrahlungstyp, so daß der Elektronenstrahl das Objekt unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln durchsetzt. Das Elektronenbild wird abwechselnd auf zwei Leuchtschirmen wiedergegeben. Aus der deutschen Patentschrift 9 10 944 ist dabei ferner bekannt, daß der optische Strahlengang zwischen dem Bildschirm und den beiden Augen des Betrachters synchron zu der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung in der Weise unterbrochen wird, daß jeweils ein Auge ein Bild des Objektes sieht, das einem der beiden Einfallswinkel des Elektronenstrahles zugeordnet ist

Bei den bekannten Stereoelektronenmikroskopen vom Durchstrahlungstyp, bei denen keine Abrasterung des Objekts erfolgt, genügt es zur dreidimensionalen Wiedergabe, die Elektronenbilder den Augen des Beobachters synchron mit der Schaltfrequenz der Umschaltablenkeinheit zuzuführen. Um eine stereoskopische Wiedergabe zu ermöglichen, reicht es beim Durchstrahiungselektronenmikroskop aus, eine entsprechende Dimensionierung der Objektivblende vorzusehen. Für die stereoskopische Bildwiedergabe bei Abtastelektronenmikroskopen vom Reflexionstyp reicht dies nicht aus, um während der Abtastung der Objektoberfläche gleichzeitig eine stereoskopische Bildwiedergabe zu ermöglichen, da auf dem Bildschirm der Wiedergabevorrichtung nur während den Raster-Abtastzeiten Bilder erscheinen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abtastelektronenmikroskop vom Reflexionstyp zu zeigen, bei dem das Objekt rasterförmig abgetastet wird und auf der

Wiedergabevorrichtung ein stereoskopisch beobachtbares Bild während der Abtastung des Objektes erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Abtastdektronenmikroskop der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Unterbrechungseinrichtung vorgesehen ist, die synchron zur Umschaltablenkeinheit auf der Wiedergabevorrichtung jeweils ein Bild für ein Auge eines Beobachter freigibt, das einem der beiden Einfallswinkel des fokussieren Elektronenstrahles entspricht.

Um zu ermöglichen, daß jeweils ein Bild für ein Auge eines Beobachters freigegeben wird, kann die Unterbrechungseinrichtung zwischen der Wiedergabevorrichtung und den Augen des Beobachters einen Schieber aufweisen. Dieser Schieber wird hierbei synchron zur Umschaltablenkeinheit betätigt

Auch ist es möglich, daß an Stelle des Schiebers die Wiedergabevorrichtung zwei getrennte Wiedergabegeräte aufweist. In Abhängigkeit von der alternierenden Veränderung der Einfallswinkel erscheint auf jeweils einem Gerät ein Bild, das jeweils mit einem Auge betrachtet werden kann.

Um bei der dreidimensionalen Wiedergabe den günstigsten stereoskopischen Effekt zu erhalten, kann das an die Umschaltablenkeinheit angelegte Signal mit einem veränderlichen Verstärkungsgrad beaufschlagt werden.

Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung dient der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2 eine Darstellung des an die Rasterablenkvorrichtung angelegten Stromes und der Wellenform der Vorspannung, die an die in F i g. 1 gezeigte Wiedergabevorrichtung angelegt wird,

Fig.3 und 4 eine Darstellung des Verlaufes des Elektronenstrahlganges,

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem nur ein einziges Wiedergabegerät Verwendung findet,

Fig.6 die Darstellung eines in Fig.5 verwendeten Schiebers.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Abtastelektronenmikroskop enthält ein Gehäuse 1 eine Kammer 2 mit einer Kathode 3, einem Wehneltzylinder 4 und einer Anode 5, ein Kondensorlinsensystem 6, um den in der Kammer 2 erzeugten Elektronenstrahl auf ein Objekt 7 zu fokussieren, und eine Objektkammer 9, die einen Objektträger 8 enthält, sowie eine Umschaltablenkeinheit 10 und eine Rasterablenkvorrichtung 11, die zwischen dem Kondensorlinsensystem 6 und der Objektkammer 9 angeordnet sind. Die Umschaltablenkeinheit 10 dient dazu, den Einfallswinkel des auf die Objektoberfläche einfallenden Elektronenstrahles zwischen zwei Werten umzuschalten. Die Rasterablenkvorrichtung U dient der Abtastung. Nach je einer Abtastung des Bildfeldes durch den Elektronenstrahl wird von einer Spannungsquelle 13 für die Abtastung ein Signal an eine zu einer Unterbrechungseinrichtung gehörigen Schaltung 14 in der Weise gelegt, daß der Strom, der über einem Verstärker 15 an der Umschaltablenkeinheit 10 anliegt, umgekehrt wird, was zu einer in F i g. 2 ^Angezeigten Änderung dieser Ströme führt. Aus F i g. 2 (A)gebt hervor, daß nach Ablauf von bestimmten Abtastzeiten — entsprechend O bis ti, t\ bis t₂, usw. — der Einfallswinkel der Elektronenstrahlen 12 durch die Umschaltablenkeinheit 10 geändert wird. Dies führt zu in Fig. 3 und 4 dargestellten Sirahlengängen des Elektronenstrahles. Weiterhin werden zwei Rechteckimpulsfolgen gemäß Fig. 2 (B) und 2 (C) von der Schaltung 14 über Verstärker 16a und 166 an Signaleingänge von Kathodenstrahlröhren 17a und 176 gelegt. Um das Ablenksystem der Kathodenstrahlröhren mit der Abtastung der Elektronenstrahlen zu synchronisieren, wird ein Signal von der Spannungsquelle 13 auf die Ablenksysteme 18a und 186 der Kathodenstrahlröhren gegeben. Demgemäß findet auf den Kathodenstrahlröhren nur dann eine Ablenkung des Kathodenstrahls statt, wenn die Polarität der an die Signaleingänge der entsprechenden Kathodenstrahlröhren anliegenden Spannung positiv ist.

Im folgenden soll die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels von dem Augenblick an beschrieben werden, an dem der Einfallswinkel dem in F i g.! mit 12a bezeichneten Strahlengang entspricht (wenn der an der UmschaJtablenkeinheit 10 anliegende Strom positiv is', d. h. im Zeitraum O bis fi von F i g. 2). Unter diesen Bedingungen wird die Objektoberfl?che, wie in Fig. 3 gezeigt, in einem Raster abgetastet, wobei während dieses Zeitraumes nur auf der Kathodenstrahlröhre 17a ein Bild erscheint, da die Polaritäten der Spannungen 2 (B) und 2 (C) positiv bzw. negativ sind. Gleichzeitig werden aus der Objektoberfläche abgelöste Elektronen 19 von einem Detektor 20 aufgefangen. Das entstehende Signal wird von einem Verstärker 21 verstärkt und an die Signaleingänge der Kathodenstrahlröhren angelegt, wobei nur auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 17a ein Bild entsteht. Obwohl das Signal auch an dem Signaleingang der Kathodenstrahlröhre 17£> anliegt, erscheint auf dem Bildschirm dieser Röhre kein Bild, da die Polarität der anliegenden Vorspannung negativ ist und daher keine Ablenkung erfolgt. Sobald das erste Bildfeld abgetastet ist, wird die Polarität des von der Schaltung 14 gelieferten Signals umgekehrt. Für die Abtastung eines zweiten Bildfeldes (von t\ bis /2), wird die Spannung von F i g. 2 (A) und 2 (B) negativ und die von 2 (C) positiv. Dies führt dazu, daß sich der Einfallswinkel des Elektronenstrahles ändert und den durch 12/5 dargestellten Strahlengang annimmt, wobei gleichzeitig die Wiedergabe von der Kathodenstrahlröhre 17a auf die Kathodenstrahlröhre 176 übergeht, so daß das Bild jetzt auf der letzt °ren erscheint.

Das Bild, das jeweils dem Strahlengang 12a zugeordnet ist, wird auf der Kathodenstrahlröhre 17a wiedergegeben und das Bild, das dem Strahlengang 126 zugeordnet ist, wird jeweils auf der Kathodenstrahlröhre 176 wiedergegeben. Die oben angegebene Aufeinanderfolge wiederholt sich. Die auf den entsprechenden Kathodenstrahlröhren wiedergegebenen Bilder können über ein optisches System mit Spiegeln 22a, b und 23a, b für beide Augen getrennt und unabhängig voneinander betrachtet werden. Sie liefern ein Bild, das dem entspricht, das man erhalten würde, wenn man das rechte und das linke Auge in einer Linie mit den Strahlenachsen 12a und 126 bringen würde. Man sieht also ein stereoskopisches Bild des jeweiligen Objektes.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man jeder Zeilen-Abtastung eine Umschaltung des Einfallswinkels statifindet.

Der Einfallswinkel beim jeweiligen Strahlengang 12a und 126, der in Fig. 1 mit β bezeichnet ist, hängt im wesentlichen von der Amplitude der an die Umschaltablenkeinheit 10 übei den Verstärker 15 angelegten Impulsfolgen ab.

Man kann daher mit dem Verstärker 15 durch eine Änderung des Verstärkungsgrades denjenigen Einfallswinkel wählen, der den jeweils günstigsten stcreoskopischen Effekt liefert.

F i g. 5 zeigt eine veränderte Ausführungsform des in ι Fig. I dargestellten stereoskopischen Abtastelektronenmikroskops, wobei nur eine einzige Kathodenstrahlröhre verwendet wird. In diesem Fall muß jedoch der Bildschirm mit einer Schicht von geringer Nachleuchtdauer überzogen sein. Ein Schieber 24 ist zwischen der m Kathodenstrahlröhre 17 und dem Betrachter angebracht. Er besteht gemäß Fi g. 6 aus einer Grundplatte 25, in der zwei öffnungen 26a und 26b angebracht sind, sowie einer Verschlußplatte 27, die über ein Verbindungsstück 29 mit einer Eisenplatte 28 verbunden ist. i> Das Verbindungsstück ist auf der Grundplatte 25 derart befestigt, daß es frei um eine Achse 30 gedreht werden kann. Des weiteren sind zwei Spulen 31a und 316 so angebracht, daß von ihnen bei jeweiliger Erregung die Verschlußplatte 27 von einer öffnung zur anderen .>ü bewegt werden kann.

Die elektrische Versorgung erfolgt über einen Verstärker 16 von der Schaltung 14 aus in der Weise, daß der Schieber synchron mit der Umschaltung der Strahlenachse hin- und herschwingt. Wenn sich die :, Verschlußplatte 29 in der in Fig.6 gezeigten Stellung befindet und der Strahlengang so verläuft wie in F i g. 1 bei 12a dargestellt ist, wird das Bild auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 17 nur für das linke Auge des Betrachters sichtbar. (Die Darstellung des Schiebers in m F i g. 6 zeigt eine Ansicht der Seite, die der Kathodenstrahlröhre zugekehrt ist.) Das Bild, das dem Strahlengang 12a entspricht, wird also von dem linken Auge gesehen. Sobald jedoch das Bild, welches dem Strahlengang 12b entspricht, auf dem Bildschirm erscheint, schwingt die Verschlußplatte 27 in ihre andere Stellung, so daß die öffnung 26a freigegeben wird und das Bild vom rechten Auge des Betrachters gesehen werden kann.

Wenn man einen derartigen Bildwechsel mit einer größeren Frequenz als vom menschlichen Auge wahrnehmbar durchführt, sieht man auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre ein stereoskopisches Bild. Anstelle des beschriebenen Schiebers 24 können jedoch auch andere Vorrichtungen verwendet werden, die eine mit der Umschaltung des Strahlengangs synchrone Unterbrechung in den optischen Strahlengängen zwischen dem Bildschirm und den beiden Betrachteraugen ermöglichen. Hierzu können Anordnungen, die au: Polarisationsfiltern und Kerrzellen bestehen, odei umlaufende Sektorscheiben verwendet werden.

Mit der oben beschriebenen Anordnung ist e· möglich, ein stereoskopisches Bild auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre oder von anderen geeigneten Wiedergabevorrichtungen von dem Augenblick ar zu sehen, an dem das Objekt in seine Halterung eingesetzt ist Es ist auch möglich, ein stereoskopisches Bild des Objektes zu betrachten, wenn dieses beliebig während der Beobachtung verschoben wird. Weiterhir kann der Konvergenzwinkel rasch eingestellt werden um den günstigsten stereoskopischen Effekt bei dei dreidimensionalen Betrachtung zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stereoskopisches Abtastelektronenmikroskop mit einem Kondensorlinsensystem, das einen Elektronenstrahl auf ein Objekt fokussiert, einer Rasterablenkvorrichtung, die das Objekt mit dem fokussieren Elektronenstrahl rasterförmig abtastet, einer Spannungsquelle, welche an die Rasterablenkvorricfiiung eine entsprechende Ablenkspannung legt, einem Detektor, welcher die von der Objektoberfläche kommenden Elektronen registriert, und einer Wiedergabevorrichtung, die ein von dem Detektor empfangenes Signal mittels Kathodenstrahien in Form eines Bildes auf einem Bildschirm darstellt und deren Ablenksystem mit der Rasterablenkvorrichtung synchronisiert ist, bei dem für den Stereobetrieb des weiteren benachbart zum Kcndensorlinsensystem eine Umschaltablenkeinheit vorgesehen ist, mit der die Einfallswinkel des Elektronenstrahles auf das Objekt zwischen zwei Werten alternierend veränderbar sind und die mit der Rasterablenkvorrichtung so gekoppelt ist, daß auf dem Bildschirm zwei den beiden Einfallswinkeln des Elektronenstrahls entsprechende Bilder beobachtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daB eine Unterbrechungseinrichtung (14,24) vorgesehen ist, die synchron zur Umschaltablenkeinheit (10) auf der Wiedergabevorrichtung (17, 17a, 176,} jeweils ein Bild für ein Auge eines Beobachters freigibt, das einem der beiden Einfallswinkel des fokussicrten Elektronenstrahles (12a, i2b) entspricht

2. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungseinrichtung zwischen der Wiedergabevorrichtung (17) und den Augen des Beobachters einen Schieber (24) aufweist (F ig. 5).

3. Abtastelektronenmikioskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicdergabevorrichtung(17a, 17tyzwei getrennte Wiedergabegeräte aufweist (F ig. 1).

4. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (15) mit veränderlichem Verstärkungsgrad für das an die Umschaltablenkeinheit (10) angelegte Signal vorgesehen ist.