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Vorrichtung zur Verarbeitung von Video-Signalen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Video-Signalen, insbesondere für die Verwendung
in einem Abtastelektronenmikroskop o.dgl.
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In einem Abtastelektronenmikroskop wird eine Probe von einem Elektronenstrahl
bestrahlt und abgetastet. Aus der Probe werden infolge
dieser Abtastung
Sekundärelektronen und andere Elektronen emittiert, welche dann empfangen bzw. erfaßt
und verstärkt werden. Das hierbei gewonnene Signal wird an eine Kathodenstrahlröhre
als Helligkeitsmodulationssignal geliefert, damit auf dem Oszilloskopschirm ein
Abtastbild der Probe abgebildet wird.
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Die auf diese Weise erzeugten Video-Signale umfassen ein breites Frequenzband,
das von einer hochfrequenten Komponente bis zu einer Niederfrequenzkomponente reicht
und das auch eine Punktfrequenzkomponente enthält. Von diesen Signalkomponenten
ist die niederfrequente Komponente geeignet, ein relativ großes Bild bzw. relativ
große Bilder sichtbar zu machen und die hochfrequenten Komponenten relativ kleine
Bilder innerhalb des großen Bildes bzw. der großen Bilder sichtbar zu machen. Da
jedoch die Intensität der niederfrequenten Komponente häufig höher ist als die der
hochfrequenten Komponente, ist der Kontrast zwischen den großen oszillographischen
Bildern häufig zu ausgeprägt, wodurch eine Helligkeitssättigung sich ergeben kann.
Dies kann man natürlich dadurch vermeiden, daß man die Stromintensität des Elektronenstrahles
verringert oder den Video-Signalverstärkungsfaktor verkleinert, d. h. die Amplitude
des Video-Signales verringert. Hierbei wird jedoch ebenfalls die Intensität der
hochfrequenten Komponente verringert, so daß es schwierig oder unmöglich ist, kleine
oszillographische Bilder, welche feinstrukturelle Einzelheiten der Proben zeigen,
zu beobachten.
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Der Einbau eines Gammareglers in den Video-Signalverstärker kann die
im vorstehenden erwähnte Helligkeitssättigung verhindern. Demzufolge wird diese
Maßnahme in großem Umfang bei Elektronenstrahlabtasteinrichtungen, welche derzeit
gebräuchlich sind, verwendet. Der Gammaregler arbeitet in der Weise, daß, wenn die
Höhe des Verstärkereingangssignales relativ niedrig ist, die Beziehung zwischen
dem Verstärkereingang
und den Ausgangssignalen linear ist. Wenn
die Höhe des Eingangssignales jedoch relativ hoch ist, wird die im vorstehenden
genannte Beziehung teilweise nicht linear und die Abweichung im Ausgangssignal,
welche den nichtlinearen Teil darstellt, ist gegenüber dem Eingangssignal unterdrückt.
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Auf diese Weise wird verhindert, daß die niederfrequente Komponente
des Signales die Bildschirmhelligkeit sättigt, unabhängig von der Intensität.
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Wenn jedoch das Signal der im vorstehenden erwähnten Gammaregelung
unterworfen wird, wird die Amplitude einer Hochfrequenzkomponenten, welche einem
niederfrequenten Signal mit hoher Intensität überlagert ist, unvermeidlich verschlechtert,
wodurch die Beobachtung von superfeinen Strukturen in aller Regel unmöglich wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur
Verarbeitung von Video-Signalen zu zeigen, welche die Beobachtung von superfeinen
Strukturen möglich macht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch Trenneinrichtungen zum Trennen der Video-Signale,
so daß sie in mehrere verschiedene Kanäle fließen und durch Steuereinrichtungen,
welche in einem Kanal für normale Gammaregelung oder umgekehrte bzw. Gegengammaregelung
der niederfrequenten Komponente der Signale vorgesehen sind.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Video-Signal, das man
beim Abtasten der Probe mittels eines Elektronenstrahles in einem Abtastelektronenmikrdskop
erhält, in einen Schaltkreis geliefert, wo es gegabelt wird. Die niederfrequente
Komponente des Video-Signales gelangt durch ein Tiefbandpaßfilter und einen Gammaregler
und die hochfrequente Komponente des Signales gelangt durch ein Hochbandpaßfilter,
wobei die beiden Komponenten an den Ausgangsklemmen dieser
Schaltkreise
wieder vereinigt werden und an eine Kathodenstrahlröhre als Helligkeitsmodulationssignal
geliefert werden.
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Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll an Ausführungsbeispielen
der Erfindung die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine
schematische Darstellung eines Abtastelektronenmikroskopes; Fig. 2 eine graphische
Darstellung der Eingangs-Ausgangs spannung zur Erläuterung eines Gammareglers, der
in der Vorrichtung der Fig. 1 zur Anwendung kommt; Fig. 3a Wellenformen für die
Signale, welche zum Gammaregler, und 3b der 3b der in Fig. 1 verwendet wird, gehören;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5a Wellenformen der erzeugten Signale bei Verwendung der bis 5e bevorzugten
Ausführungsform in Fig. 4; Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche
gegenüber der Ausführungsform in Fig 4 abgeändert ist; Fig. 7a Wellenformen für
Signale, welche zur Ausführungsform in bis 7f Fig. 6 gehören Fig. 8 in schematischer
Darstellung eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig.
9 eine graphische Darstellung der Eingangs-Ausgangs-Spannung zur Erläuterung des
umgekehrten Gammareglers, der in Fig. 8 verwendet wird; Fig. 10a Wellenformen der
erzeugten Video-Signale bei Verwendung bis 10d einer Vorrichtung gemäß Fig. 8; Fig.
11 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung in
Abänderung der Vorrichtung in Fig. 8 und Fig. 12a Wellenformen der erzeugten Video-Signale
unter Verwendung bis 12g einer Ausführungsform in Fig. 11.
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In Fig. 1 ist ein typisches Abtastmikroskop dargestellt. Mittels einer
Elektronenstrahlquelle 2 wird ein Elektronenstrahl 1 erzeugt, der mittels Kondensorlinsen
3 und 4 fokussiert wird und der eine Probe 5 bestrahlt.
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Der Strahl tastet über eine festgelegte Fläche hin die Probe ab, indem
Ablenkspulen 6x und 6y betätigt werden. Diese Spulen werden von einem Abtastsignalgenerator
7 gespeist und gesteuert. Aus der Probe werden Sekundärelektronen und andere Elektronen
ausgesendet als Ergebnis der Bestrahlung. Diese Elektronen werden mittels eines
Detektors 8 erfaßt und mittels eines Video-Signalverstärkers 9 verstärkt und dann
an eine Kathodenstrahlröhre 10 gelegt. Da der Abtastsignalgenerator auch die Ablenkspulen
10x und lOy, welche einen Teil der Kathodenstrahlröhre 10 bilden, speist und steuert,
wird auf dem Abbildschirm der Kathodenstrahlröhre ein Elektronenstrahlbild abgebildet,
das der Probe entspricht und dessen Helligkeit vom empfangenen Signal moduliert
wird.
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Die Fig. 2 zeigt die Amplidutencharakteristik des herkömmlichen Gammareglers,
der im Video-Signalverstärker des Abtastelektronenmikroskopes
in
Fig. 1 verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß der Figur bei einer
Eingangssignalhöhe des Schaltkreises, welche relativ niedrig ist, die Beziehung
zwischen dem Schaltkreiseingang und den Ausgangssignalen linear ist und daß bei
einer Eingangssignalhöhe, welche relativ hoch ist, die obengenannte Beziehung einen
nicht linearen Verlauf aufweist. In diesem Fall ist die Abweichung des Ausgangssignales
relativ zum Eingangssignal unterdrückt.
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Die Fig. 3a und 3b zeigen Signalwellenformen vor und nach der Gammaregelung
bei Verwendung des herkömmlichen Gammareglers. Wie aus Fig. 3b zu entnehmen ist,
zeigt die Hochfrequenzkomponente A, welche einem Niederfrequenzsignal großer Höhe
überlagert ist, eine merkliche Verschlechterung bezüglich der Amplitude, so daß
es äußerst schwierig ist, superfeine Strukturen zu erkennen und zu unterscheiden.
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Die Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,
bei dem der herkömmliche Gammaregler verbessert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist es möglich, superfeine Probenstrukturen klar zu zeichnen. In der Figur wird
das Video-Signal bzw. Bildsignal, das vom Detektor kommt, an eine Klemme B gelegt.
Am Punkt C wird das Signal gegabelt. Die niederfrequente Komponente des gegabelten
Signales, welche die Punktfrequenzkomponente aufweist, gelangt durch ein Tiefbandpaßfilter
11 und einen Gammaregler 12. Die hochfrequente Komponente dieses Signales gelangt
durch ein Hochbandpaßfilter 13. Die demgemäß hergestellten beiden Hauptsignalkomponenten
werden am Punkt D wieder zusammengeführt und in die Kathodenstrahlröhre als Helligkeitsmodulationssignal
eingespeist.
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Die Fig. 5a bis 5e zeigen Wellenformen, welche zu dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 4 gehören. Die Fig. 5a ist die Wellenform des Video-Signales
vor
der Gabelung. Fig. 5b ist die Wellenform der niederfrequenten Komponente des Signales,
nachdem dieses durch das Tiefbandpaßfilter 11 gelangt ist. Fig. 5c ist die Wellenform
der niederfrequenten Komponente nach dem Hindurchgehen durch den Schaltkreis bzw.
durch den Gammaregler 12.
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Fig. 5d ist die Wellenform der hochfrequenten Komponente des Signales
nach dem Hindurchgehen durch das Hochbandpaßfilter 13 und Fig. sie ist die Wellenform
der erzeugten kombinierten hoch- und niederfrequenten Komponenten, welche als Helligkeitsmodulationssignal
verwendet wird.
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Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Höhe der niederfrequenten
Signalkomponenten hoch ist, wird diese verringert, ohne daß hierbei die überlagerte
Hochfrequenzkomponente beeinträchtigt wird. Demgemäß ergibt sich eine Verschlechterung
der Amplitude der Hochfrequenzkomponente und das oszillographische Bild kann entweder
groß oder klein im richtigen Kontrast beobachtet werden.
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Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie es in Fig.4 schon dargestellt
worden ist, jedoch ist ein zusätzlicher Gammaregler 14 im Hochfrequenzbandpaßkreis
vorgesehen. Diese Maßnahme ist nicht unbedingt notwendig, da der nachteilige Effekt
der Hochfrequenzkomponenten hoher Intensität in Verbindung mit der Bildbeobachtung
im allgemeinen bedeutend geringer ist als der bei einer niedrigfrequenten Signalkomponenten
mit hoher Intensität. Sollte jedoch bei der Beobachtung der Hochfrequenzkomponente
auf jeden Fall die Sättigung der Helligkeit der Kathodenstrahlröhre ausreichend
sein, ist es notwendig, den zusätzlichen Gammaregler vorzusehen.
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Die Fig. 7a bis 7f zeigen Wellenformen, welche zu dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 6 gehören. In Fig. 7a ist die Wellenform des Video-Signales gezeigt, bevor
es gegabelt wird. Fig. 7b und 7c zeigen Wellenformen der Signalkomponenten,
welche
durch das Tief- und Hochbandpaßfilter 11 bzw. 13 hindurchgelangt sind. Fig. 7d und
7e zeigen Wellenformen der Signalkomponenten nach dem Hindurchgelangen durch die
Gammaregler 12 und 14.
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Fig. 7f zeigt die Wellenform der kombinierten erzeuten hoch- und niederfrequenten
Signalkomponenten, die an die Kathodenstrahlröhre geliefert werden.
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Die Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem ein umgekehrter Gammaregler 15 und ein Differenzialverstärker 16 anstelle des
herkömmlichen Gammareglers 12 und des Tiefbandpaßfilters 11, welche bei der Ausführungsform
in Fig. 4 zur Anwendung kommen, verwendet werden.
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Die Amplitudencharakteristiken des umgekehrten Gammareglers 15 sind
in Fig. 9 dargestellt. Aus der Figur ist ersichtlich, daß bei einer Eingangssignalhöhe,
welche relativ niedrig ist, die Beziehung zwischen dem Schaltungseingang und den
Ausgangssignalen nicht linear ist (d.h. das Ausgangssignal weicht allmählich bezüglich
des Eingangssignales ab) und daß bei einer Eingangssignalhöhe, welche relativ hoch
ist, die im vorstehenden genannte Beziehung linear bezüglich des Eingangssignales
ist.
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Bei der Ausführungsform in Fig. 8 wird das vom Detektor kommende Video-Signal
an die Klemme B gelegt und wird von dort direkt an den nichtinvertierenden Eingang
des Differentialverstärkers 16 gelegt. Die niederfrequente Komponente des Signales,
welche die Punktfrequenzkomponente enthält, gelangt jedoch durch das Tiefbandpaßfilter
11 und den umgekehrten Gammaregler 15, bevor sie an den invertierenden Eingang des
Differentialverstärkers 16 gelegt wird. Im Verstärker findet eine Subtraktion statt
und der hieraus resultierende Ausgang wird an die Kathodenstrahlröhre über eine
Klemme e als Helligkeitsmodulationssignal geliefert.
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Die Fig. 10a bis 10e zeigen Wellenformen, welche zur Ausführungsform
in Fig. 8 gehören. Die Fig. 10a ist die Wellenform des Video-Signales vor der Verarbeitung,
Fig. 10b ist die Wellenform der niederfrequenten Komponenten des Signales, nachdem
diese durch den Tiefbandpaßfilter 11 gelangt ist. Fig. 10c ist die Wellenform der
niederfrequenten Komponenten, nachdem diese durch den umgekehrten Gammaregler 15
gelangt ist.
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Fig. 10d ist die Wellenform des Ausgangssignales des Differentialverstärkers
16.
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Die Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 8 beschrieben
worden ist, jedoch weist dieses Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Hochbandpaßfilter
13 und einen zusätzlichen umgekehrten Gammaregler 17 auf.
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Diese sind zu der Niederfrequenzbandpaßschaltung parallel geschaltet.
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Das verarbeitete Signal des invertierenden Ausganges des Differentialverstärkers
ist das gleiche, wie das am Ausgang D bei der Ausführungsform in Fig. 6.
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Die Fig. 12a bis 12g zeigen Wellenformen, welche zum Ausführungsbeispiel
in Fig. 11 gehören. Die Fig. 12a ist die Wellenform des Video-Signales vor der Gabelung.
Fig. 12b und 12c zeigen Wellenformen der Signalkomponenten, welche durch die Tief-
bzw. Hochbandpaßfilter 11 bzw. 13 hindurchgelangt sind. Fig. 12d und 12e sind Wellenformen
der Signalkomponenten, welche durch die Gammaregler 15 bzw. 17 hindurchgegangen
sind. Fig. 12f ist die Wellenform der kombinierten Wellenformen d und e und g ist
die Wellenform des Ausgangssignales des Diffe rentialve rstärke rs 16. Dieses Ausgangssignal
wird an die Kathodenstrahlröhre als Helligkeitsmodulationssignal gelegt.