DE2742264B2 - Verfahren zur Abbildung eines Objektes mit geringer Vergrößerung mittels eines Korpuskularstrahlgeräts, insbesondere eines Elektronen-Mikroskops und Korpuskularstrahlgerät zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

die Gesamt-Objektbelastung stark an, so daß selbst bei niedrigstem Strahlstrom empfindliche Objekte thermisch zerstört weiden können.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, daß infolge der schwachen Erregung der Zwischenlinse Verzeichnung und Bildfeldwölbung merklich vorhanden und speziell bei kleinsten Vergrößerungen sehr störend sind. Außerdem ist bei Abschalten der Objektivlinse eine Nachjustierung der Beleuchtungsrichtung in die Achse der ersten Projektivlinse erforderlich.

Es ist auch bekannt (DE-AS 16 14 269) bei einem Elektronenmikroskop zur Erzielung von Übersichtsbildern kleiner Vergrööerung die Objektivlinse schwach so zu erregen, daß ihre bildseitige Brennfläche in die Ebene der Objektbegrenzungsblende zu liegen kommt Dabei entsteht ein schwach vergrößertes virtuelles Zwischenbild des Objektes, das von der nachfolgenden Zwischenlinse reell in die Gegenstandsebene des Projektivs abgebildet wird. Die Beleuchtung des Objektes erfolgt bei diesem bekannten Gerät so, daß auch der Überkreuzungspunkt des Elektronenstrahls in die Objektbegrenzungsblende abgebildet wird. Dabei verläuft der Beleuchtungsstrahlengang zwischen Kondensorsystem und Objekt parallel, so daß also die Objekt-Ausleuchtung durch die (nicht dargestellte) Kondensorblende begrenzt wird. Objekt-Ausleuchtungen mit einem größeren Durchmesser können nur mit einer speziellen Kondensorblende oder bei völlig entfernter Blende erzeugt werden, so daß auch hier die Gesamt-Objektbelastung sehr groß ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde das Verfahren zur Abbildung eines Objektes mit geringer Vergrößerung mittels eines Korpuskularstrahlgerät, insbesondere eines Elektronen-Mikroskops r. der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei Verwendung der bei hohen Vergrößerungen benutzten Kondensorblende ein großes Objektfeld bei minimaler Objektbelastung mit sehr guter Bildqualität und hohem Bildkontrast abgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher, durch die Erfindung erreichter Vorteil liegt darin, daß durch die gewählte Erregung des Kondensorsystems das Objekt mit einem divergenten Beleuchtungskegel beleuchtet wird, so daß auch bei einer sehr kleinen Kondensorblende kein störender Beschnitt des Objektfeldes auftritt. Es ist möglich eine vom Durchmesser der Kondensorblenden-Öffnung unabhängige divergente Objektausleuchtung bis 2 mm w Durchmesser mit sehr geringer Beleuchtungsapertur von 10 ~⁵ bis 10~⁶rad zu erreichen. Die Objektbelastung ist dabei bis zu 100 χ geringer als bei einer konvergenten oder parallelen Objektbeleuchtung. Dies macht bei dem neuen Verfahren das Durchmustern von Präparaten bei geringen Vergrößerungen unter bestmöglicher Objektschonung möglich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung liegt darin, daß ohne Einschränkung Gebrauch von der bekannten Lehre (J. Hillier in Journal feo of Applied Physics, Vol. 17, Nr. 6, June 1946, S. 411 -419) gemacht werden kann wonach die kissenförmige Radialverzeichnung einer Abbildungslinse durch Vorschalten einer zweiten, virtuell abbildeten Linse für einen bestimmten Arbeitspunkt auf ein praktisch b5 vernachlässigbares Minimum kompensierbar ist. Bei der gewählten schwachen Erregung der Objektivlinse erzeugt diese ein virtuellec Objektbild, das von der Zwischenlinse reell abgebildet wird. Man kann durch die Wahl der Erregung des Kondensorsystems den von diesem erzeugten Überkreuzungspunkt der Strahlen so legen, daß genügend Freiheit besteht durch entspre chende Erregung von Objektiv- und Zwischenlinse ein optimal verzeichnungskorrigiertes Bild des Objektes in der Gegenstandsebene des nachfolgenden Projekiivsystems zu erzeugen. Diese Freiheit besteht nicht, wenn die bei dem aus der DE-AS 16 i4 269 bekannten Gerät die bildseitige Brennfläche in eine bestimmte Ebene gelegt wird.

Die Abbildungs-Apertur kann bei dem neuen Verfahren mittels kleiner Bereichsblenden auf etwa 1 · 10 —♦ rad gebracht werden. Zusammen mit der beschriebenen Erregung der Abbildungslinsen ist damit ein<i kontrastreiche, hochwertige Abbildung von Objektfeldern bis 2 mm Durchmesser möglich.

Es ist möglich ein nach dem neuen Verfahren arbeitendes Elektronen-Mikroskop so zu betreiben, daß eine Aufnahmetechnik nach der Fix-Fokus-Methode möglich ist. Darunter versteht man, daß im ganzen, hier angesprochenen Vergrößerungsbereich (z. B. 100 χ bis 1000 x) ein Objektwechsel erfolgen kann, ohne daß eine Nachfokussierung durch die Zwischenlinse erforderlich wird. Ein solches Elektronen-Mikroskop zeichnet sich dadurch aus, daß die Abbildungs-Apertur < ΙΟ-⁴ rad gewählt ist und die Objektlage beim Wechseln des Objektes auf etwa < 0,2 mm genau reproduzierbar erhalten bleibt. Zum Verständnis soll die folgende beispielsweise Überlegung dienen.

Errechnet sich die Bildauflösung bei einer Abbildungs-Apertur von 1 χ ΙΟ"⁴ _ra<j 20 nm,, so beträgt die objektseitige Schärfentiefe ca. 0,2 mm. Die Filmauflösung bei normalem Kleinbildfilm beträgt etwa 20 μίτι, das erfordert bei 20 nm Objektauflösung eine Endbildvergrößerung von M— 1000 x. Für M= 100 χ ist dann der zulässige objektseitige Zerstreuungskreis 10 χ größer, d. h. bei gleicher Abbildungs-Aperiur und Filmauflösung darf die Objektlage sogar um 2 mm schwanken, ohne daß merkbare Unscharfe auftritt. Wenn man also dafür sorgt, daß die Lage des Objektes mit etwa 0,2 mm Toleranz reproduzierbar ist, so ist im gesamten Vergrößerungsbereich (z. B. zwischen 1000 χ und 100 χ) eine richtig fokussierte Abbildung des Objektes ohne Nachstellung der Zwischenlinsen-Fokussierung möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der F i g. 1 —4 der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines zur Ausübung des Verfahrens dienenden Elektronen-Mikroskops;

Fig.2 den Strahlengang im Elektronen-Mikroskop bei Abbildung eines Objektes mit geringer Vergrößerung;

F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung des Strahlenganges zwischen Objekt und Projektivsystem;

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel des Beleuchtungs-Strahlenganges zwischen Strahlquelle und Kondensorblende.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Elektronen-Mikroskop bezeichnet, dessen Strahlerzeugungssystem aus einer Kathode 2 und einer Beschleunigungs-Elektrode 3 besteht. Die mit 4 und 5 bezeichneten Kondensorlinsen bilden das Kondensorsystem. Mit 6 ist eine Kondensor-Aperturblende bezeichnet. Das abzubildende Objekt 8 ist auswechselbar innerhalb der Objektivlinse 7 angeordnet. In Strahlrichtung gesehen schließt sich an die Objektivlinse 7 eine bei hohen Vergrößerungen als

Bereichsblende wirkende Abbildungs-Aperturblende 9 an. Mit 10 ist die Zwischenlinse und mit 11 das nachfolgende Projektivsystem bezeichnet, das hier einlinsig dargestellt ist. Diese Linsen erzeugen ein Bild des Objektes 8 auf dem Leuchtschirm 12, welcher durch ein Fenster 13 im Gehäuse 1 beobachtbar ist. Unterhalb des Endbild-Leuchtschirms 12 ist eine schematisch angedeutete Kamera 14 zur photographischen Fixierung des Objektbildes angeordnet.

Bei der in Fig.2 dargestellten Betriebsart des Elektronen-Mikroskops wird ein Bild des Objektes 8 mit geringer Vergrößerung auf dem Leuchtschirm 12 erzeugt.

Die Objektivlinse 7 und die Zwischenlinse 10 sind dabei so erregt, daß sie gemeinsam ein optimal verzeichnungskorrigiertes Bild 8" des Objektes 8 in der Gegenstandsebene des Projektivsystems 11 erzeugen. Die Erregung der Objektivlinse 7 ist fest, die Erregung der Zwischenlinse 10 ist zur Scharfstellung des Objektbildes in einem engen Bereich variabel. Das Projektivsystem 11 ist variabel erregbar und erzeugt damit ein Bild 8'" des Objektes 8 mit gewünschter Vergrößerung auf dem Endbildleuchtschirm 12.

Das Kondensorsystem 4, 5 ist so erregt, daß es ;in Bild 2' der Strahlquelle 2 in unmittelbarer Nähe der Ebene der Kondensor-Aperturblende 6 erzeugt. Diese Blende ist gegenüber dem Betrieb des Elektronen-Mikroskops bei hohen Vergrößerungen weder in ihrer Lage noch in ihrer Öffnung geändert. Das Objekt 8 wird mit einem divergenten Beleuchtungskegel beleuchtet, so daß die Blende 6 keinen störenden Beschnitt des beleuchteten Objektfeldes hervorruft.

Die Kondensorblende 6 wird von der im Verzeichnungsminimum erregten Objektivlinse 7 in die Bereichsblende 9 abgebildet. Mit den aus F i g. 2 ersichtlichen Bezeichnungen a und b für die Abstände dieser Blenden der Objektivlinse 7 gilt dabei: l/a + Mb = Mfo, wobei fo die Brennweite der Objektivlinse 7 bezeichnet. Die Brennebene der Objektivlinse 7 liegt also etwa in der Mitte zwischen dem Objekt 8 und der Abbildungs-Aperturbiende 9.

Die Erzeugung eines optimal verzeichnungskorrigierten Objektbildes durch zusammenwirkende Abbildung mittels der Objektivlinse 7 und der Zwischenlinse 10 ist ir. Fig.2 ve.größen dargestellt. Die Abbildungs-Apertür hängt vom Durchmesser der Abbildungs-Aperturblende 9 und deren Abstand vom virtuellen Objektbild 8' ab. Bei einem Abstand von etwa 100 mm und einem Durchmesser der Blendenöffnung 9 von 0,02 mm ergibt sich die Beleuchtungs-Apertur zu 1 χ 10-⁴ rad. Die

ίο Linsenberrationen sind bei solch geringen Aperturwinkeln sehr klein, so daß sich großflächige Objektabbildungen geringer Vergrößerungen mit sehr guter Qualität erzeugen lassen.

Von ganz besonderem Vorteil ist es das Kondensor-

!5 system 4, 5 so zu erregen, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. In diesem Fall erzeugt das System ein Bild 2' der Strahlquelle 2 in der Ebene der Kondensor-Aperturblende 6. Wie man erkennt, erfolgt sowohl im Fall der F i g. 2 als auch der F i g. 4 die Beleuchtung des Objektes 8 mit einem divergenten Beleuchtungskegel, d. h. das Objekt 8 wird großflächig beleuchtet, ohne daß eine Ausleuchtungsbegrenzung durch die Kondensorblende 6 auftritt. Im Ausführungsbeispiel der Fig.4 ist überhaupt keine Ausleuchtungsbegrenzung durch die

Blende 6 möglich, da der Überkreuzungspunkt der Beleuchtungsstrahlen exakt in der Ebene dieser Blende liegt.

Schon im Einfach-Kondensorbetrieb, d. h. bei abgeschalteter erster Kondensorlinse 4 lassen sich zum

jo Beispiel Beleuchtungsaperturen von 10 ~⁵ rad erzeugen, während bei Erregung beider Kondensoren 4 und 5 sogar Beleuchtungsaperturen < 10 ~⁶ rad möglich sind. Dies ermöglicht das Durchmustern von Präparaten bei geringen Vergrößerungen mit geringstmöglicher ther-

y, mischer Belastung des Objektes 8.

Durch die dargestellte Betriebsart des Elektronen-Mikroskops lassen sich geringe Vergrößerungen bis 100 χ erzeugen, wobei das Objekt 8 großflächig und mit minimaler Belastung beleuchtet wird und die erzeugten Abbildungen eine sehr gute Qualität und hohen Kontrast aufweisen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abbildung eines Objekts mit geringer Vergrößerung mittels eines Korpuskularstrahlgeräts, insbesondere eines Elektronen-Mikroskops, bei dem durch von einer Strahlquelle ausgehende Korpuskularstrahlen über ein Kondensorsystem und eine hinter diesem angeordnete Kondensor-Aperturblende das Objekt beleuchtet wird, dessen Lage unabhängig von der gewählten Vergrößerung gleichbleibt, und bei dem mittels einer Objektivlinse, einer Zwischenlinse und einem Projektivsystem, sowie einer zwischen Objektiv- und Zwischenlinse angeordneten Abbildungs-Aperturblende (Bereichsblende) ein Objektbild in der Endbildebene erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensorsystem (4, 5) so erregt wird, daß der von ihm erzeugte Überkreuzungspunkt (2') der von der StrahJqueJJe (2) ausgehenden Strahlen zwischen Objekt (8) und letzter Kondensorlinse (5) in oder in der Nähe der Ebene der in ihrer Lage und öffnung gegenüber dem Betrieb des Korpuskularstrahlgeräts bei hohen Vergrößerungen nicht geänderten Kondensor-Aperturblende (6) liegt, daß die Objektivlinse (7) schwach so erregt wird, daß sie diesen Überkreuzungspunkt (2') reell in die Abbildungs-Aperturblende (9) abbildet, und daß zur Erzeugung eines optimal verzeichnungskorrigierten Bildes (8") des Objekts (8) die Objektivlinse 4 und die Zwischenlinse (10) so erregt werden, daß die Objektivlinse (7) ein schwach vergrößerte virtuelle Objektbild (8') erzeugt, das von der Zwischenünse (10) reell in die Gegenstandsebene des nachfolgenden Projektivsystems (11) abgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Vergrößerung des Objektbildes die Erregung des Projektivsystems (11) geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Kondensorsyslem (4, 5) der Überkreuzungspunkt der Beleuchtungsstrahlen in der Ebene der Kondensor-Aperturblende (6) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der öffnung der Kondensor-Aperturblende (6) kleiner als 500 μιη gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsapertur kleiner als 10 -^s rad gewählt wird.

6. Korpuskularstrahlgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage von Kondensor-Aperturblende (6) und Abbildungs-Aperturblende (9) so gewählt ist, daß sie von der im Verzeichnungsminimum erregten Objektivlinse (7) konjugiert ineinander abgebildet werden.

7. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Nachfokussierung der Zwischenlinse (10) beim Wechsel des Objektes (8) die Abbildungsapertur < 10-* rad rad gewählt und die Lage des Objektes (8) bei Objektwechsel auf < 0,2 mm genau reproduzierbar ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines Objektes mit geringer Vergrößerung mittels eines Korpuskularsirahlgeräts, insbesondere eines Elektronen-Mikroskops, bei dem durch von einer Strahlquelle ausgehende Korpuskularstrahlen über ein Kondensorsystem und eine hinter diesem angeordnete Kondensor-Aperturblende das Objekt beleuchtet wird, dessen Lage unabhängig von der gewählten Vergrößerung gleichbleibt, und bei dem mittels einer Objektivlinse, einer Zwischenlinse und einem Projektivsystem sowie einer zwischen Objektiv- und Zwischenünse angeordneten Abbildungs-Aperturblende (Bereichsblende) ein Objektbild in der Endbildebene erzeugt wird.

Neben der hochauflösenden Abbildung von Objektdetails bei hohen Vergrößerungen besteht in der angewandten Elektronen-Mikroskopie oft auch der Wunsch, großflächige Objekte mit geringer Vergrößerung (bis < 100 x) wahrheitsgetreu mit einem Optimum an Informationsgehalt und geringsmöglicher Objektschädigung auf einem photographischen Film abzubilden.

Eine solche hochwertige Abbildung großer Objektbereiche mit geringer Vergrößerung ist beispielsweise wichtig für die zusammenhängende, naturgetreue Darstellung großer Zellen oder ausgedehnter Gewebebereiche. Diese Darstellung ist sonst nur durch aufwendige und zeitraubende Montage aus vielen Einzelbildern mittlerer oder hoher Vergrößerung möglich, wobei Bildverzeichnung, Vergrößerungsschwankungen und Schwärzungsunterschiede Probleme aufwerfen. Diese Probleme sind insbesondere bei der dreidimensionalen Objektrekonstruktion aus mehreren nebeneinanderliegenden Serienschnitten des gleichen Objekts gravierend.

Es besteht der Wunsch, die Abbildung großer Objektbereiche mit geringer Vergrößerung so vorzunehmen, daß die Bildauflösung besser ist als die Filmauflösung, damit bei der Nachvergrößerung aus dem Filmnegativ keine Detailverluste gegenüber elektionenmikroskopischen Aufnahmen mit entsprechend hoher Vergrößerung auftreten.

Bekannt ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Abbildung eines Objektes mit gutem Kontrast und geringer Vergrößerung, bei dem die Objektlage beim Übergang von hoher auf geringe Vergrößerung nicht verändert werden muß (DE-FS 23 26 042). Bei diesem Verfahren wird bei der Herstellung von Aufnahmen mit geringer Vergrößerung die Objeklivlinse abgeschaltet und die Objektabbildung durch die schwach erregte Zwischenünse bewirkt. Zugleich wird das Kondensorsystem so eingestellt, daß der Überkreuzungspunkt des Elektronenstrahls in die, vor der Zwischenünse liegende Bereichsblende abgebildet wird.

Um einen größeren Objektbereich abbilden zu können, ist zugleich die Kondensorblende durch eine Blende mit einem Mindestdurchmesser von 0,5 mm zu ersetzen.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß infolge des konvergierenden Beleuchtungskegels bei den üblichen Abständen der Linsen der Durchmesser des ausgeleuchteten Objektbereichs etwa nur dem halben Durchmesser der verwendeten Kondensorblende entspricht. So ist zum Beispiel bei einer Kondensorblende von 0,5 mm Durchmesser nur eine Objektaus-

b5 leuchtung von etwa 250 μιη Durchmeser möglich. Objektausleuchtungen mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm können nur mit ganz entfernter Kondensorblende erzeugt werden. Dadurch steigt aber