DE887685C

DE887685C - Elektronenmikroskop mit magnetischer Fokussierung

Info

Publication number: DE887685C
Application number: DEP20767A
Authority: DE
Inventors: Jan Bart Le Poole
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1946-01-05
Filing date: 1948-11-05
Publication date: 1953-08-27
Also published as: FR939544A; GB646019A; US2494442A

Description

Bei Elektronenmikroskopen wird das Bild in den meisten Fällen von zwei Linsen erzeugt, einer Objektivlinse, von der im wesentlichen das Auflösungsvermögen abhängig ist, und einer Projektionslinse, welche das von der Objektivlinse entworfene Bild vergrößert auf einen Leuchtschirm projiziert.

Es ist, mit Rücksicht auf die beschränkten Abmessungen des Gesichtsfeldes, bei Mikroskopen im allgemeinen und bei Elektronenmikroskopen im besonderen erwünscht, daß die Vergrößerung verschieden gewählt werden kann. Man kann dann zunächst mittels einer verhältnismäßig schwachen Vergrößerung eine Übersicht des ganzen Objektes oder eines großen Teiles des letzteren erhalten und eine bestimmte Partie auswählen, von der zur Vervollständigung der Untersuchung nachher eine stärkere Vergrößerung gemacht wird.

Bei Lichtmikroskopen erfolgt die Änderung der Vergrößerung in den meisten Fällen durch Aus- ao wechselung der Objektivlinse. Ein ähnliches Verfahren ist auch für Elektronenmikroskope bekannt, aber dabei wird nicht die Objektivlinse, sondern die Projektionslinse ausgewechselt. Zu diesem Zweck besteht die Linse aus zwei Teilen mit ver- as schiedener Brennweite, die je eine Vergrößerungswirkung ausüben. Sie sind wahlweise einschaltbar, so daß verschiedene Vergrößerungen gewählt werden können. Ob zwar eine praktische Durchführung dieser Vergrößerungsregelung nur für ein Mikroskop mit elektrostatischer Abbildung bekanntgeworden ist, ist der Gedanke nicht neu, eine

solche Doppellinse, die im nachfolgenden als Regellinse bezeichnet wird, auch bei Mikroskopen .mit. magnetischer Abbildung zu verwenden.

Nach der Erfindung, die ein Elektronenmikroskop mit einer Regellinse betrifft, liegen die Gabiete der einstellbaren Brennweiten der beiden Teile der Regellinse derart, daß der eine Teil ein von der Objektivlinse hinter ihm erzeugtes Zwischenbild verkleinert fokussieren kann und der

ίο andere Teil ein von der Objektivlinse vor ihm erzeugtes Zwischenbild umgekehrt und vergrößert in der gleichen Bildfläche fokussieren kann. Die zu diesem Zweck erforderliche Verschiebung des Zwischenbildes kann in bekannter Weise durch eine geringe Änderung der Brennweite der Objektivlinse erfolgen. Die Änderung der Brennweiten ist sehr leicht durchführbar-und erfolgt· bei magnetischen Linsen durch Änderung der Stärke des Erregungsstroms und bei elektrostatischen Linsen durch Änderung der ■ Spannung zwischen den Elektroden der Linsen.

Die Regelgebiete der Brennweiten der beiden Linsenteile werden vorzugsweise derart gewählt, daß bei der Auswechselung eine ununterbrochene Änderung der Vergrößerung erhalten werden kann, und zwar derart, daß das umgekehrte Bild, das bei einem bestimmten niedrigen Wert der Erregungsstromstärke bzw. Linsenspannung des Vergrößerungsteils entsteht, ebenso groß ist wie das Bild, das bei unendlich großer Brennweite der Regellinse, also ohne eine Nachfokussierung, mittels der Objektivlinse in der Bildfläche entworfen wird.

Wenn von einer strom- oder spannungslosen Regellinse ausgegangen wird, kann entweder durch eine allmähliche Steigerung der Erregung im Verkleinerungsteil von Null bis auf einen bestimmten Höchstwert die Vergrößerung allmählich auf einen Mindestwert herabgesetzt werden, oder durch Einschaltung der Erregung im Vergrößerungsteil (wodurch die Bildgröße unveränderlich bleibt und das Bild nur umgekehrt wird) und darauffolgende allmähliche Steigerung der Erregungsstärke, die Vergrößerung allmählich gesteigert werden.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Mikroskop kann ein dritte Linsenstufe besitzen, mit der das in der Bildfläche fokussierte Bild auf einen Leuchtschirm projiziert wird. Die Möglichkeit, drei Linsenstufen für die Bilderzeugung zu verwenden, ist an sich allerdings bekannt, aber bei den bisher ausgebildeten Geräten wurden nicht mehr als zwei Stufen verwendet, da die mit ihnen erhaltene Vergrößerung hinreichend ist und das Auflösungsvermögen des Mikroskops bei einer guten Objektivlinse durch eine Zunahme der Stufenzahl doch nicht verstärkt werden kann.

Beim erfindungsgemäß ausgebildeten Mikroskop aber ist die Verwendung von mehr als zwei Stufen vorteilhaft, da in einem großen Teil des Regelgebietes der Regellinse die Vergrößerung sehr

öo klein ist und weniger als 1 beträgt, so daß ohne eine zusätzliche Projektionslinse eine sehr starke Vergrößerung mittels der Objektivlinse allein erforderlich wäre. Dieses große Objektivbild müßte von der Regellinse bestrichen werden können, Avozu letztere von einer entsprechend guten Qualität sein müßte. Dies ist ein durch die Verwendung einer -getrennten Projektionslinse vermeidbarer Nachteil.

Die Regellinse beim Mikroskop nach der Erfm-.' düng läßt sich noch für einen anderen Zweck verwenden, und zwar kann sie dazu dienen, das Mikroskop gleichzeitig für die Erzeugung von Beugungsbildern geeignet zu machen. Zu diesem Zweck werden von einem Teil, der Regellinse und der Objektivlinse, die Brennweiten derart eingestellt, daß die Ebene senkrecht zur Achse an der Stelle des.kleinsten Querschnitts des durchgelassenen Strahlenbündels (bei parallelen Strahlen der Brennpunkt der Objektivlinse) vom betreffenden Teil der Regellinse in- der Bildfläche abgebildet wird. Wenn hierfür gesorgt ist, entsteht in der Projektionsfläche ein Beugungsbild des exponierten Gegenstandes.

Es ist vorteilhaft, die Brennweiten zueinander derart zu wählen, daß das von der Objektivlinse erzeugte reelle Bild nahe vor dem wirksamen Teil der Regellinse liegt, und an dieser Stelle eine vorzugsweise regelbare und bewegliche Blende anzubringen. Man kann dann mittels dieser Blende beliebige Punkte des Objektes auswählen und die von einer äußerst kleinen Fläche und ausschließlich von ihr ausgehenden Strahlen auffangen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der schematisch und ohne Berücksichtigung der maßstäblichen Verhältnisse der Strahlengang und die Lage der verschiedenen Linsen und Bilder bei einem Ausführungsbeispiel des neuen Mikroskops dargestellt ist.

Die Linie 1 stellt die Mikroskopachse dar. Die Elektronenquelle und die Kondensorlinse und auch einige Blenden, die vorhanden sein können, sind nicht dargestellt, da dies für die Erklärung der Erfindung nicht erforderlich ist. Links ist das Objekt 2, das in dazu üblicher Weise durch eine Schleuse in die entlüftete Entladungsröhre eingebracht werden kann. In Wirklichkeit erstreckt es sich naturgemäß zu beiden Seiten der Achse. Die durch das Objekt fallenden Kathodenstrahlen treten durch die Objektivlinse 3 hindurch und werden von ihr in der Bildfläche 4 fokussiert, wo ein vergrößertes Bild 5 entsteht. Der zweite Brennpunkt der Objektivlinse liegt dann in 6.

Das Bild 5 dient seinerseits als Gegenstand „für die Projektionslinse 7, die wieder ein vergrößertes BiIdS auf einen Projektionsleuchtschirm 9 wirft.

Um das Bild 8 innerhalb weiter Grenzen verkleinern und vergrößern zu können, ersteres ohne* Einschränkung des Gesichtsfeldes, ist eine Regellinse vorgesehen,' die aus zwei Teilen 10 und 11 besteht. Der erstere Teil dient für die Abnahme und der letztere Teil für die Zunahme der Vergrößerung.

Sämtliche Linsen können die übliche Gestalt, z. B. die einer Magnetspule mit Polschuhen haben.

Wenn die Linsenstufe 10 durch Einschaltung des Stroms in der Magnetspule dieser Linsenstufe

wirksam gemacht ist, wird das Bild in der Projaktionsfläche4, z.B. bis 12, verkleinert. Da durch die Einschaltung der Linsenstufe 10 das Bild unscharf werden würde, muß gleichzeitig die Brennweite der Objektivlinse 3 einigermaßen, wenn auch nur sehr wenig vergrößert werden. Der zweite Brennpunkt kommt dann in 13 zu liegen und das von der Objektivlinse entworfene Bild verstellt sich nach 14. Die Linsenstufe 10 bricht die Strahlen, die von der Objektivlinse in 14 fokussiert werden würden, und verlegt das Bild 14 nach 12. Von der Linse 7 werden die Strahlen wieder in der Projektionsfläche 9 fokussiert, wo sodann das verkleinerte Bild 15 entsteht. Durch Regelung der Stromstärke in der Spule der Linsenstufe 10 zwischen Null und einem Höchstwert, ist die Größe des Bildes 15 zwischen der des Bildes 8 und einem Mindestwert veränderlich. Diese Änderung geht bei einer praktischen Ausbildung z. B. von ι bis Y₆. Wenn die Vergrößerung, die mittels der Objektivlinse 3 und der Projektionslinse 7 erhalten werden kann, daher 6000 beträgt, kann mittels der Linsenstufe 10 allein eine ununterbrochene Änderung der Vergrößerung zwischen 1000 und 6000 erzielt werden. Der zweite Brennpunkt der Objektivlinse muß während dieser Änderung allmählich von 13 nach 6 verschoben werden, aber kritisch ist diese Einstellung nicht, so daß die Schärfe des Bildes leicht aufrechterhalten werden kann. Wird die Linsenstufe 11 eingeschaltet, so entsteht bei einer bestimmten Stromstärke und einer geeigneten Wahl der Brennweite der Ob j ekti v-Iinse3 in der Bildfläche 4 ein umgekehrtes Bild 16, das von gleicher Größe ist wie das Bild 5, so daß das auf dem Projektionsschirm von der Linse 7 entworfene Bild 17 von gleicher Größe bleibt, aber nur umgekehrt zu liegen kommt. Das von der Linse 3 entworfene Zwischenbild muß dabei von 5 nach 18 verstellt werden, was durch Verkleinerung der Brennweite der Linse 3 erfolgt. Der zweite Brennpunkt kommt dann in 19 zu liegen.

Durch allmähliche Verkleinerung der Brennweite der Linsenstufe 11 und mit Rücksicht auf die Bildschärfe, gleichzeitige Vergrößerung der Brennweite der Linse 3 kann das Endbild auf dem Projektionsschirm 9 bis auf die für die deutlich sichtbare Abbildung der kleinst wahrnehmbaren Einzelheiten erforderlichen Abmessungen vergrößert werden. Mittels der Linsenstufe 11 kann die Vergrößerung z. B. von ein- bis fünfzehnmal verstärkt werden, so daß das gesamte Regelgebiet zwischen den Grenzen 1000 und 90 000 liegt.

Die Brennweite der Linsenstufe 10 ist auch derart einstellbar, daß in der Bildfläche 4 eine Abbildung der Fläche 20 senkrecht zur Achse an der Stelle erhalten wird, an der die vom Objekt ausgehenden direkten und gebeugten Strahlenbündel ihren kleinsten Querschnitt haben. Bei Bündeln paralleler Strahlen ist dies der Brennpunkt der Linse 3. Ist diese Einstellung erfolgt, so erscheint auf dem Projektionsschirm ein Beugungsbild. Das

reelle Bild des Objektes 2 liegt dabei in der Fläche 21. An dieser Stelle, also in kurzem Abstand von der Linsenstufe 10, ist eine Blende 22 vorgesehen, die beweglich ist und eine regelbare Öffnung hat, 65 deren Durchmesser z. B. bis auf 0,04 mm herabgesetzt werden kann. Die Brennweite der Linsenstufe 10 muß derart geregelt werden, daß die Fläche 20 zu der Fläche 4 gehört wie die Gegenstandsfläche zur Bildfläche der Linsenstufe 10. Ist 70 diese Bedingung erfüllt, so entstehen die bekannten Interferenzbilder, die für die Struktur des das Objekt zusammensetzenden Stoffs charakteristisch sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronenmikroskop, das zur Änderung der Vergrößerung eine aus zwei Teilen bestehende Linse (Regellinse) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete der einstellbaren Brennweiten der beiden Teile der Regellinse derart liegen, daß der eine Teil ein von der Objektivlinse hinter ihm entworfenes Zwischenbild verkleinert fokussieren kann und der andere Teil ein von der Objektivlinse vor ihm entworfenes Zwischenbild umgekehrt und vergrößert in der gleichen Bildfläche fokussieren kann.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es nebst der Objektivlinse und der Regellinse noch eine Projektionslinse besitzt.

3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete der einstellbaren Brennweiten derart gewählt sind, daß das umgekehrte Bild, das bei einem bestimmten niedrigen Wert der Stärke des Erregungsstromes bzw. der Spannung im Vergrößerungsteil entsteht, von gleicher Größe ist wie das Bild, das ohne eine Nachfokussierung von der Objektivlinse in der Bildfläche entworfen wird.

4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet der einstellbaren Brennweiten eines der Teile der Regellinse diejenige Brennweite umfaßt, bei der die Ebene senkrecht zur Achse an der Stelle des kleinsten Querschnitts des von der Objektivlinse durchgelassenen Strahlenbündels in der Bildfläche fokussiert wird.

5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle des von der Objektivlinse vor dem wirksamen Linsenteil entworfenen reellen Bildes eine vorzugsweise verstellbare und regelbare Blende angebracht ist.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 680284, 713740; schweizerische Patentschrift Nr. 165 549;
Zeitschr. f. Physik 1934, Bd. 87, S. 590, 591;

Philips' Techn. Rdschau, 9. Jg. Nr. 2/1947, S. 33 bis 46.

Hierzu τ Blatt Zeichnungen

I 5361 8.