JP2001291486A - エネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡
において像や回折図形の回転を防止する。 【解決手段】対物レンズ群２０、第一中間レンズ群２
５、第二中間レンズ群２６、第三中間レンズ群２７、第
四中間レンズ群２８、及び投影レンズ群３４の６つのレ
ンズ群を備え、これらの各レンズ群は一つ以上のレンズ
によって構成されている。像観察モードから回折図形観
察モードへ変更された場合、あるいはその逆に変更され
た場合、像観察モード時に倍率が変更された場合、回折
図形観察モード時にカメラ長が変更された場合のいずれ
の場合にも、対物レンズ群２０、第一中間レンズ群２
５、第二中間レンズ群２６、第三中間レンズ群２７、第
四中間レンズ群２８及び投影レンズ群３４の各レンズ群
のコイル巻数と励磁電流の積の総和が一定となるように
なされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透過型電子顕微鏡
（以下、ＴＥＭと称す）にエネルギーフィルタを装着し
た、エネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＴＥＭにエネルギーフィルタを装
着した、エネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡
が知られている。エネルギーフィルタは試料を透過した
電子に対してエネルギー分散を生じせしめる機能を有す
るものである。エネルギーフィルタを備えた透過型電子
顕微鏡は試料を透過した電子の中の特定のエネルギーを
有する電子のみを選択して結像させることができ、像の
コントラストや解像度を向上させることができる、エネ
ルギーロススペクトルを取得できる、試料の構成元素の
２次元分布を取得できる、等の機能を有している。

【０００３】図２にエネルギーフィルタを備えた透過型
電子顕微鏡の構成例を示す。図２において、１は電子
銃、２は集束レンズ、３は試料ホルダを含む試料ステー
ジ、４は対物レンズ、５は中間レンズ、６はエネルギー
フィルタ、７はエネルギー選択スリット（以下、単にス
リットと称す）、８は投影レンズ、９は観察／記録装置
を示す。

【０００４】なお、本明細書では、投影レンズとは、エ
ネルギーフィルタ６と観察／記録装置９の間に配置され
ているレンズをいい、中間レンズとは対物レンズ５とエ
ネルギーフィルタ６の間に配置されているレンズをいう
ものとする。

【０００５】観察／記録装置９は、蛍光スクリーンや、
写真撮影を行うための装置、あるいはＴＶカメラで構成
される。

【０００６】エネルギーフィルタ６は、入射した電子に
対してエネルギー分散を生じさせる機能を有するもので
あり、種々の構成のものが知られている。例えば、２つ
以上の電磁石で構成されるものとしては、エネルギーフ
ィルタ６内の電子の軌道の形状から、Ω形フィルタ、α
形フィルタ、γ形フィルタ、マンドリン形フィルタ等と
称される種々のものが知られている。また、電界と磁界
の重畳場を用いるものとしてウィーンフィルタが知られ
ている。図２のエネルギーフィルタ６としてどのような
ものを用いてもよいが、ここでは便宜的にΩ形フィルタ
を用いるものとして説明する。

【０００７】中間レンズ５は、１段のレンズ構成のも
の、２段のレンズ構成のもの、３段のレンズ構成のもの
が知られているが、ここでは３段のレンズ構成のものと
して図示する。そして、各段のレンズは１つ、あるいは
それ以上のレンズで構成されている。投影レンズ８は１
段、あるいはそれ以上の段数のレンズで構成されてお
り、各段のレンズは１つ、あるいはそれ以上のレンズで
構成されている。

【０００８】ここで、以下の説明のために、まず、エネ
ルギーフィルタ６に定義されている４つの位置について
図３を参照して説明しておく。Ω形フィルタは、図３に
示すように、１０、１１、１２、１３の４つの電磁石で
構成されている。電磁石１０と電磁石１３、及び電磁石
１１と電磁石１２は、それぞれ図の一点鎖線で示す位置
に関して上下方向に対称に配置されている。なお、図３
において、Ｏで示す破線はΩ形フィルタにおける電子ビ
ームの中心軌道を示している。

【０００９】そして、図３においてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示
す４つの位置が定義されている。Ａは入射クロスオーバ
ー位置、Ｂは入射像面、Ｃは出射像面、Ｄは出射クロス
オーバー位置である。

【００１０】出射像面Ｃの位置はエネルギーが異なる電
子も同じ位置に結像するように設計されており、アクロ
マティック像面とも称される。一方、出射クロスオーバ
ー位置Ｄはエネルギー分散面とも称される。そして、こ
の出射クロスオーバー位置Ｄにスリット７が配置され
る。

【００１１】この４つの位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはエネルギ
ーフィルタの設計によって厳密に定められ、エネルギー
フィルタを備えた透過型電子顕微鏡の構成要素として利
用する場合に重要な光学的位置であり、エネルギーフィ
ルタの結像歪みを最小とし、通常のＴＥＭと同様の像観
察機能を確保するためには厳守しなければならない事項
である。これらＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つの位置はΩ形フィ
ルタに限らず、どのような構成のものにおいても定義さ
れているものである。

【００１２】以下、エネルギーフィルタを備えた透過型
電子顕微鏡における各部の働きについて説明する。 （１）エネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡で
の中間レンズ５の働き 中間レンズ５は、一つには、試料の拡大像である電子顕
微鏡像（以下、単に像と称す）の倍率、あるいは回折図
形のカメラ長を可変させる働きを行う。もう一つとして
は、対物レンズ４によって形成される像及び回折図形
を、それぞれエネルギーフィルタ６に定義される位置に
一致させる働きを行う。具体的には、スリット７により
所望のエネルギーを持つ電子を選択して、像を観察する
場合には、対物レンズ４の後焦点面に形成されている回
折図形を入射クロスオーバー位置Ａに一致させると共
に、対物レンズ４で形成される像を入射像面Ｂに一致さ
せる働きを行う。また、スリット７により所望のエネル
ギーを持つ電子を選択して、回折図形を観察する場合に
は、対物レンズ４で形成される像を入射クロスオーバー
位置Ａに一致させると共に、対物レンズ４の後焦点面に
形成されている回折図形を入射像面Ｂに一致させる働き
を行う。

【００１３】従って、中間レンズ５の働きをまとめると
次の３項目になる。 像、または像の共役である回折図形を、エネルギーフ
ィルタ６に定義された位置である入射クロスオーバー位
置Ａに一致させる。 回折図形、または回折図形の共役である像を、エネル
ギーフィルタ６に定義された位置である入射像面Ｂに一
致させる。 像を観察する場合には倍率を、回折図形を観察する場
合にはカメラ長を、広範囲に、細かなステップで可変さ
せる。

【００１４】このような３項目の働きを行わせるために
は、中間レンズ５としては３段のレンズが必要である。
ただし、３段のレンズが上記項目の一つずつを単独で満
たすことは不可能であり、３段のレンズが互いに補いあ
いながら上記の３項目が満たされるように調整される。

【００１５】（２）エネルギーフィルタを備えた透過型
電子顕微鏡でのエネルギーフィルタ６の働き 電子銃１で発生された電子は集束レンズ２によって試料
に照射される。試料が数μｍ以下の厚みしか持たないよ
うな薄いものである場合、電子は試料を透過し、その試
料を透過する過程で、電子は試料を構成する原子や電子
と相互作用を起こし、そのエネルギーを失う。これがエ
ネルギーロスである。エネルギーロスは、全ての電子に
対して一律に生じるわけではなく、ある確率分布を持っ
ており、試料によって特徴付けられる。

【００１６】そして、エネルギーフィルタを備えた透過
型電子顕微鏡では、エネルギーフィルタ６によって電子
のエネルギーの違いを振り分け、エネルギーロス分布を
解析することによって試料内の電子（自由電子、束縛電
子）の状態を知ることができる。また、エネルギーフィ
ルタ６の出射クロスオーバー位置Ｄにスリット７を配置
し、当該スリット７によってある特定のエネルギーロス
を受けた電子のみを選択して結像させれば、試料におけ
るエネルギーロスの２次元分布像を得ることができ、試
料を構成する元素の分布解析に応用したり、像のコント
ラストを向上させたりすることができる。

【００１７】上述したように、像観察を行う場合には、
中間レンズ５により、入射クロスオーバー位置Ａには回
折図形が形成され、入射像面Ｂには像が形成されるが、
エネルギーフィルタ６の電子屈折作用によって、入射ク
ロスオーバー位置Ａの回折図形は出射クロスオーバー位
置Ｄに結像され、入射像面Ｂの位置の像は出射像面Ｃの
位置に結像される。

【００１８】また、回折図形を観察する場合には、中間
レンズ５によって、入射クロスオーバー位置Ａには像が
形成され、入射像面Ｂには回折図形が形成され、エネル
ギーフィルタ６の電子結像作用によって、入射クロスオ
ーバー位置Ａの像は出射クロスオーバー位置Ｄに結像さ
れ、入射像面Ｂの位置の回折図形は出射像面Ｃの位置に
結像される。

【００１９】（３）エネルギーフィルタを備えた透過型
電子顕微鏡での投影レンズ８の働き エネルギーフィルタ６の出射像面Ｃの位置には像または
回折図形が結像されており、出射クロスオーバー位置Ｄ
にはエネルギーロススペクトルが結像されている。その
どちらを観察／記録装置９の受像面に投影するかは、投
影レンズ８のフォーカスが出射像面Ｃ、出射クロスオー
バー位置Ｄのどちらに合わされるかによって定まる。投
影レンズ８のフォーカスが出射像面Ｃの位置に合わせら
れれば像または回折図形が観察／記録装置９によって観
察／記録されることになり、投影レンズ８のフォーカス
が出射クロスオーバー位置Ｄに合わせられればエネルギ
ーロススペクトルが観察／記録装置９によって観察／記
録されることになる。このように、投影レンズ８は、エ
ネルギーフィルタ６によって結像される像／回折図形、
またはエネルギーロススペクトルのどちらを最終結像す
るかの結像モードを選択する働きをするのである。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、集束レンズ
２、対物レンズ４、中間レンズ５、投影レンズ８は全て
磁界型レンズであり、磁界型レンズでは、その結像作用
には光軸に関しての電子の回転を伴う。いま、光軸に沿
った中心軸をＺ軸とし、磁界型レンズ中で電子がＺ＝ｚ
1の位置からＺ＝ｚ2 の位置まで運動する間の回転角度
φは次式で表される。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質
量、Ｕ* は相対論的補正を加えた加速電圧の値、Ｂ
（ｚ）はあるＺ位置Ｚ＝ｚでの磁場の強さである。な
お、加速電圧をＥ、電気素量をｅ、電子の静止質量をｍ
_０、光速をｃとすると、Ｕ* ＝Ｅ(１＋ｅＥ／(２ｍ_０ｃ
^２））である。

【００２３】そこで、いま、中間レンズ５の結像作用に
おける回転を考えると、中間レンズ５の位置は試料から
の距離が十分大きいので、中間レンズ５のレンズ作用が
試料まで及ぶことはない。従って、中間レンズ５に関し
ては、上式のｚ1 、ｚ2 はそれぞれ−∞、＋∞とみなす
ことができ、この場合に上式は一般に次のように簡単に
表すことができる。

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、Ｎ及びＩは、レンズに磁界を発生
させるためのコイルの巻数及びそれに流す励磁電流であ
る。従って、回転角度φはコイルの巻数及びそれに流す
励磁電流の積に比例していることが分かる。なお、励磁
電流については極性も考えるものとする。即ち、ある方
向の励磁電流をプラスの極性とするとき、逆方向に流れ
る励磁電流はマイナスの極性となる。この点については
以下同様である。

【００２６】このように、レンズに流す励磁電流によっ
て回転角度が変わる、即ちレンズ条件を変えると像や回
折図形に回転が生じるのであるが、エネルギーフィルタ
を備えた透過型電子顕微鏡では中間レンズ５は３段しか
有していないので、上記の、、の３項目の働きを
行えるだけで、回転角度の制御を行うことはできないも
のであった。

【００２７】そして、そのために、像の倍率や回折図形
のカメラ長を変えた場合、最終的に像を観察するモード
（以下、像観察モードという）から回折図形を観察する
モード（以下、回折図形観察モードという）に変更した
場合、その逆に回折図形観察モードから像観察モードに
変更した場合には、回転によって、最終的に得られる像
または回折図形と、試料との方位関係がばらばらになっ
てしまうという問題が生じていた。

【００２８】この問題に対して、従来では、像観察モー
ドから回折図形観察モードへの変更、あるいはその逆の
変更の際にどれだけの角度回転するか測定したり、倍率
やカメラ長を変更する場合には予めステップ毎の回転角
度を測定していたが、倍率の違う複数の像や回折図形の
解析が非常に煩雑となり、間違いを起こし易いものであ
った。

【００２９】そこで、本発明は、レンズ条件を変更した
場合に、像や回折図形の回転角度を制御することができ
るエネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡を提供
することを目的とするものである。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のエネルギーフィルタを備えた透過型電子
顕微鏡は、一つ以上のレンズで構成される対物レンズ群
と、一つ以上のレンズで構成される第一中間レンズ群
と、一つ以上のレンズで構成される第二中間レンズ群
と、一つ以上のレンズで構成される第三中間レンズ群
と、一つ以上のレンズで構成される第四中間レンズ群
と、エネルギーフィルタと、一つ以上のレンズで構成さ
れる投影レンズ群とを備え、前記各レンズの励磁電流を
調節して像の回転を防止するように成したことを特徴と
する。あるいは、像観察モードから回折図形観察モード
へ変更された場合、あるいはその逆に変更された場合、
像観察モード時に倍率が変更された場合、回折図形観察
モード時にカメラ長が変更された場合のいずれの場合に
も、対物レンズ群、第一中間レンズ群、第二中間レンズ
群、第三中間レンズ群、第四中間レンズ群及び投影レン
ズ群の各レンズ群の各レンズのコイル巻数と励磁電流の
積の総和が一定となるようになされることを特徴とす
る。更に、前記対物レンズ群の各レンズのコイル巻数と
励磁電流の積の値には、係数kを掛けるように成したこ
とを特徴とする。また更に、観察モードの変更、倍率の
変更、カメラ長の変更に対する各レンズ群の各レンズの
励磁電流値のルックアップテーブルを設けたことを特徴
とする。更に加えて、前記総和に実像倒立結像の補正を
行うように成したことを特徴とする。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係るエネル
ギーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡の一実施形態を
示す図であり、図中、１９は試料、２０は対物レンズ
群、２１は対物主レンズ、２２は対物補助レンズ、２５
は第一中間レンズ群、２６は第二中間レンズ群、２７は
第三中間レンズ群、２８は第四中間レンズ群、２９はエ
ネルギーフィルタ、３４は投影レンズ群、３５は最終的
に観察／記録装置（図示せず）に結像される像または回
折図形、３７は設定装置、３８は電源装置、ａは対物主
レンズ２１の後焦点面、ｂは対物レンズ群２０の像面を
示す。なお、対物主レンズ２１の後焦点面ａ及び対物レ
ンズ群２０の像面ｂは、ここでは説明の都合上図１に示
すように定義しているのであって、これらが常に図１に
示すような特定な位置に存在するとは限らない。図１中
のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは何れもエネルギーフィルタ２９に定
義されている位置であり、上述したと同じく、Ａは入射
クロスオーバー位置、Ｂは入射像面、Ｃは出射像面、Ｄ
は出射クロスオーバー位置である。なお、図１では、図
２に示すスリット７に相当するものは図示を省略してい
る。また、図１では試料１９から上流側に配置される電
子銃や集束レンズについては省略している。更に、図１
ではエネルギーフィルタ２９の構造については記載して
いないが、上述したと同じくΩ形フィルタでもよく、そ
の他のフィルタであってもよい。

【００３２】設定装置３７は、像観察モードか、回折図
形観察モードかという観察モードの設定、及び像観察モ
ード時の倍率、回折図形観察モード時のカメラ長の設定
を行うものである。

【００３３】電源装置３８は、設定装置３７で設定され
た観察モード、及び倍率またはカメラ長に基づいて、対
物レンズ群２０、第一中間レンズ群２５、第二中間レン
ズ群２６、第三中間レンズ群２７、第四中間レンズ群２
８、及び投影レンズ群３４に供給する励磁電流を定め
て、各レンズ群に供給するものである。

【００３４】このエネルギーフィルタを備えた透過型電
子顕微鏡では、対物レンズ群２０、第一中間レンズ群２
５、第二中間レンズ群２６、第三中間レンズ群２７、第
四中間レンズ群２８、及び投影レンズ群３４の６つのレ
ンズ群を備えている。

【００３５】これらの各レンズ群は一つ以上のレンズに
よって構成されており、それら一つ以上のレンズによっ
て、一つのレンズ群としての光学的役割を果たすように
なされている。例えば、対物レンズ群２０についていえ
ば、対物主レンズ２１と、対物補助レンズ２２の二つの
レンズで構成されている。像観察モード時の倍率が概ね
5000倍より大きい、いわゆる中／高倍の場合には高い解
像度を確保するために、対物補助レンズ２２は使用せず
に対物主レンズ２１のみを使用して、強励磁となされて
焦点距離は短くなされる。倍率が5000倍程度までの、い
わゆる低倍の場合には、長い焦点距離とするために対物
主レンズ２１のレンズ電流を少なくするか、あるいは対
物補助レンズ２２のみを使用したり、または両者を併用
する。

【００３６】このエネルギーフィルタを備えた透過型電
子顕微鏡では、第一中間レンズ群２５、第二中間レンズ
群２６、第三中間レンズ群２７、第四中間レンズ群２８
という４つの中間レンズ群を備えているので、これらの
４つの中間レンズ群に供給する励磁電流を調整すること
により、上記の、、の働きと共に、回転角度の制
御を行うことができる。

【００３７】特に、回転角度の制御については、像観察
モードから回折図形観察モードへ変更された場合、ある
いはその逆に変更された場合、像観察モード時に倍率が
変更された場合、回折図形観察モード時にカメラ長が変
更された場合のいずれの場合にも、４つの中間レンズ群
に供給する励磁電流の大きさと極性に加えて、対物レン
ズ群２０及び投影レンズ群３４に供給する励磁電流の大
きさと極性の組み合わせを変えることにより、常に、 (ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６＝一定 … (3) とすることによって、観察する像または回折図形の回転
を防ぐことができる。ここで、(ＮＩ)_１ は、対物レン
ズ群２０を構成する全てのレンズについてのコイル巻数
Ｎと励磁電流Ｉ（極性を含む）の積の総和であり、(Ｎ
Ｉ)_２ は、第一中間レンズ群２５を構成する全てのレン
ズについてのコイル巻数Ｎと励磁電流Ｉ（極性を含む）
の積の総和であり、(ＮＩ)_３ は第二中間レンズ群２６
を構成する全てのレンズについてのコイル巻数Ｎと励磁
電流Ｉ（極性を含む）の積の総和であり、(ＮＩ)_４ は
第三中間レンズ群２７を構成する全てのレンズについて
のコイル巻数Ｎと励磁電流Ｉ（極性を含む）の積の総和
であり、(ＮＩ)_５ は第四中間レンズ群２８を構成する
全てのレンズについてのコイル巻数Ｎと励磁電流Ｉ（極
性を含む）の積の総和であり、(ＮＩ)_６ は投影レンズ
群３４を構成する全てのレンズについてのコイル巻数Ｎ
と励磁電流Ｉ（極性を含む）の積の総和である。

【００３８】ところで、先に(1) 式から(2) 式を求める
過程において、図２の中間レンズ５を例にして、「中間
レンズ５の結像作用における回転を考えると、中間レン
ズ５の位置は試料からの距離が十分大きいので、中間レ
ンズ５のレンズ作用が試料まで及ぶことはない。従っ
て、中間レンズ５に関しては、上式のｚ1 、ｚ2 はそれ
ぞれ−∞、＋∞とみなすことができる」と説明した。こ
のことは、図１における第一中間レンズ群２５、第二中
間レンズ群２６、第三中間レンズ群２７、第四中間レン
ズ群２８、及び投影レンズ群３４の５つのレンズ群の各
レンズにもそのまま当てはまるが、試料に近い対物レン
ズ群２０には、厳密には当てはまらない。そこで、厳密
には、式３の対物レンズ群２０のコイル巻数Ｎと励磁電
流Ｉ（極性を含む）の積の総和(ＮＩ)_１の代わりに、
(ＮＩ)_１にある係数kを掛けたk(ＮＩ) _１を用いるように
する。この係数kは実験的に求めればよい。係数kは装置
の設計によって異なるが、一般には１＞k≧０．５の値
をとる。従って、厳密には、(3)式は次のようになる。 k(ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６＝一定 …( 4)

【００３９】このような構成の具体的な動作は次のよう
である。いま、設定装置３７によって、像観察モードが
設定され、倍率が設定されたとすると、電源装置３８
は、像観察モードで、設定された倍率を実現するための
各レンズ群の各レンズの励磁電流を決定して、その決定
した励磁電流を、対物レンズ群２０、第一中間レンズ群
２５、第二中間レンズ群２６、第三中間レンズ群２７、
第四中間レンズ群２８、及び投影レンズ群３４の６つの
レンズ群の各レンズに供給する。このとき、各レンズ群
の各レンズに供給される励磁電流は、極性を含めて上記
の(3) 式を満足するものであることは当然である。そし
て、これによって、対物主レンズ２１の後焦点面ａに形
成されている回折図形はエネルギーフィルタ２９の入射
クロスオーバー位置Ａに一致されると共に、対物レンズ
群２０の像面ｂに形成されている像はエネルギーフィル
タ２９の入射像面Ｂに一致され、また、投影レンズ群３
４のフォーカスはスペクトロメータ２９の出射像面Ｃの
位置に合わせられることになるので、最終的に像は図１
の３５で示す位置に設定された倍率で結像されることに
なる。

【００４０】なお、各レンズ群の励磁電流を(3) 式（あ
るいは(4) 式）を満足するように決定するようにするに
は、例えば、各レンズ群の各レンズのコイル巻数は既知
であるから、計算や実験によって、各レンズ群の各レン
ズ毎に、倍率毎、あるいは一つの倍率ステップ毎の励磁
電流を求めてＬＵＴ（ルックアップテーブル）に書き込
んでおき、設定装置３７で設定された倍率をＬＵＴの入
力アドレスとして、ＬＵＴから当該倍率に対応する各レ
ンズ群の各レンズの励磁電流を求めるようにすればよ
い。

【００４１】設定装置３７によって回折図形観察モード
が設定され、そのカメラ長が設定された場合にも同様で
ある。即ち、電源装置３８は、回折図形観察モードで、
設定されたカメラ長を実現するための各レンズ群の各レ
ンズの励磁電流を決定して、その決定した励磁電流を、
対物レンズ群２０、第一中間レンズ群２５、第二中間レ
ンズ群２６、第三中間レンズ群２７、第四中間レンズ群
２８、及び投影レンズ群３４の６つのレンズ群の各レン
ズに供給する。このとき、各レンズ群の各レンズに供給
される励磁電流は、極性を含めて上記の(3) 式（あるい
は(4) 式）を満足するものであることは当然である。そ
して、これによって、対物主レンズ２１の後焦点面ａに
形成されている回折図形はエネルギーフィルタ２９の入
射像面Ｂに一致されると共に、対物レンズ群２０の像面
ｂに形成されている像はエネルギーフィルタ２９の入射
クロスオーバー位置Ａに一致され、また、投影レンズ群
３４のフォーカスはエネルギーフィルタ２９の出射像面
Ｃの位置に合わせられることになるので、最終的に回折
図形は図１の３５で示す位置に設定されたカメラ長で結
像されることになる。

【００４２】なお、各レンズ群の励磁電流を(3) 式（あ
るいは(4) 式）を満足するように決定するようにするに
は、例えば、各レンズ群の各レンズのコイル巻数は既知
であるから、計算や実験によって、各レンズ群の各レン
ズ毎に、カメラ長毎、あるいは一つのカメラ長ステップ
毎の励磁電流を求めてＬＵＴに書き込んでおき、設定装
置３７で設定されたカメラ長をＬＵＴの入力アドレスと
して、ＬＵＴから当該カメラ長に対応する各レンズ群の
各レンズの励磁電流を求めるようにすればよい。

【００４３】ところで上述においては、レンズの結像作
用において実像結像と虚像結像の別については記述しな
いできた。このため、図１の対物レンズ群２０から投影
レンズ群３４までの結像に関わるレンズ系において、実
像結像の回数および虚像結像の回数の組合せによって
は、実は上述の内容だけでは、不都合が生じてしまうの
である。以下、これについて説明した上で、不都合の回
避策を述べる。

【００４４】物面と像面がレンズを挟んで反対側に位置
する場合（図４（ａ））、これを実像結像と呼び、レン
ズ作用によって像は倒立像となる。即ち、実像結像の場
合は像は反転する。一方、物面と像面がレンズの片側に
のみ位置する場合（図４（ｂ）、（ｃ））、これを虚像
結像と呼ぶ。虚像結像の場合、実像結像とは異なり像は
正立像となる。即ち、虚像結像の場合は像は反転しな
い。なお、虚像結像には、物面と像面がレンズ前方に位
置する場合（図４（ｂ））とレンズ後方に位置する場合
（図４（ｃ））の２通りがある。このように、実像結像
が１回起こる度に像が反転する。即ち、実像結像の場合
の倒立像は（２）式で表した磁界による回転以外に、さ
らに180度（πラジアン）の回転が付加すると考えてよ
い。従って、結像に関わるレンズ系全体の実像結像の回
数を数えてそれが偶数回であれば倒立は無視できるが、
奇数回であれば一回の倒立を考慮する必要がある。

【００４５】以上の如くであるから、(3)式および(4)式
の場合は、結像に関わるレンズ系全体の実像結像の回数
が偶数回か奇数回かによって、像の回転に180度（πラ
ジアン）の違いが生じてしまうことになる。

【００４６】結像に関わるレンズ系のうちのあるレンズ
の結像が実像結像になるか虚像結像になるかは像観察モ
ードや倍率、カメラ長に依存するものであって固定され
たものではないが、光学系設計およびレンズ設定を行う
時に容易に知り得る事柄である。従って、像観察モード
や倍率、カメラ長に応じて、光学系設計およびレンズ設
定を行えば、その結果として各レンズの結像が実像結像
になるか虚像結像が決まり、引いては結像に関わるレン
ズ系全体における実像結像の回数および虚像結像の回数
も決まってくる。

【００４７】上記を基に(3)式を修正すると以下のよう
になる。 実像結像の回数が偶数の時： (ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６ ＝一定＋２ｎＰ …(5-1) 実像結像の回数が奇数の時： (ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６ ＝一定＋（２ｎ−１）Ｐ …(5-2) ここでＰは180度（πラジアン）だけ像を回転させるに
要するレンズ励磁、即ち、

【数３】 であり、ｎは任意の整数である。なお、360度（２πラ
ジアン）の整数倍の回転は無視できるから、ｎ＝０のと
き、(5-1)式は(3)式にもどる。

【００４８】同様に、(4)式を修正すると以下のように
なる。 実像結像の回数が偶数の時： k(ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６ ＝一定＋２ｎＰ …(7-1) 実像結像の回数が奇数の時： k(ＮＩ)_１＋(ＮＩ)_２＋(ＮＩ)_３＋(ＮＩ)_４＋(ＮＩ)_５＋(ＮＩ)_６ ＝一定＋（２ｎ−１）Ｐ …(7-2) となる。

【００４９】実像結像の回数が偶数か奇数かは、上述の
如く光学系設計およびレンズ設定を行えば必然的に定ま
るから、その結果を用いて、実像結像の回数が偶数か奇
数かに応じて補正項として２ｎＰあるいは（２ｎ−１）
Ｐを加味してＬＵＴを作成すればよい。

【００５０】なお、虚像結像の回数の偶奇によって一回
の倒立の有無の区分けを行っても良い。なぜならば、あ
る透過型電子顕微鏡の結像に関わるレンズ系全体を構成
するレンズの数は一定であり、使用しない磁界レンズす
なわち励磁電流を絶った磁界レンズの場合を虚像結像と
見なせば、全レンズ数から虚像結像の回数を減じれば実
像結像の回数に等しくなるからである。

【００５１】以上のように、このエネルギーフィルタを
備えた透過型電子顕微鏡では、第一、第二、第三、及び
第四の４つの中間レンズ群を設けたので、電子線に対す
る制御の自由度が増し、以て像や回折図形の回転角度を
制御することが可能である。

【００５２】また、像観察モードから回折図形観察モー
ドへ変更された場合、あるいはその逆に変更された場
合、像観察モード時に倍率が変更された場合、回折図形
観察モード時にカメラ長が変更された場合のいずれの場
合にも、対物レンズ群、４つの中間レンズ群、及び投影
レンズ群の各レンズ群の各レンズのコイル巻数と励磁電
流の積の総和を常に一定とし、更に実像倒立結像の補正
も行っているので、試料から最終像までの像や回折図形
の回転角を一定に保つことが可能となり、以て像や回折
図形の解釈、解析を容易化することができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るエネルギーフィルタを備えた透
過型電子顕微鏡の一実施形態を示す図である。

【図２】 従来のエネルギーフィルタを備えた透過型電
子顕微鏡の構成例を示す図である。

【図３】 Ω形フィルタの構成例を示すと共に、エネル
ギーフィルタに定義される４つの位置を説明するための
図である。

【図４】 実像結像と虚像結像とを説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…電子銃、２…集束レンズ、３…試料ホルダを含む試
料ステージ、４…対物レンズ、５…中間レンズ、６…エ
ネルギーフィルタ、７…エネルギー選択スリット、８…
投影レンズ、９…観察／記録装置、１９…試料、２０…
対物レンズ群、２１…対物主レンズ、２２…対物補助レ
ンズ、２５…第一中間レンズ群、２６…第二中間レンズ
群、２７…第三中間レンズ群、２８…第四中間レンズ
群、２９…エネルギーフィルタ、３４…投影レンズ群、
３５…最終的に観察／記録装置に結像される像または回
折図形、３７…設定装置、３８…電源装置、ａ…対物主
レンズ２１の後焦点面、ｂ…対物レンズ群２０の像面。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つ以上のレンズで構成される対物レンズ
   群と、 一つ以上のレンズで構成される第一中間レンズ群と、 一つ以上のレンズで構成される第二中間レンズ群と、 一つ以上のレンズで構成される第三中間レンズ群と、 一つ以上のレンズで構成される第四中間レンズ群と、 エネルギーフィルタと、 一つ以上のレンズで構成される投影レンズ群とを備え、
   前記各レンズの励磁電流を調節して像の回転を防止する
   ように成したことを特徴とするエネルギーフィルタを備
   えた透過型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】像観察モードから回折図形観察モードへ変
   更された場合、あるいはその逆に変更された場合、像観
   察モード時に倍率が変更された場合、回折図形観察モー
   ド時にカメラ長が変更された場合のいずれの場合にも、
   対物レンズ群、第一中間レンズ群、第二中間レンズ群、
   第三中間レンズ群、第四中間レンズ群及び投影レンズ群
   の各レンズ群の各レンズのコイル巻数と励磁電流の積の
   総和が一定となるようになされることを特徴とする請求
   項１記載のエネルギーフィルタを備えた透過型電子顕微
   鏡。
3. 【請求項３】前記対物レンズ群の各レンズのコイル巻数
   と励磁電流の積の値には、係数kを掛けるように成した
   ことを特徴とする請求項２記載のエネルギーフィルタを
   備えた透過型電子顕微鏡。
4. 【請求項４】観察モードの変更、倍率の変更、カメラ長
   の変更に対する各レンズ群の各レンズの励磁電流値のル
   ックアップテーブルを設けたことを特徴とする請求項２
   または３記載のエネルギーフィルタを備えた透過型電子
   顕微鏡。
5. 【請求項５】前記総和に前記レンズ群の実像倒立結像の
   補正を加えたことを特徴とする請求項４記載のエネルギ
   ーフィルタを備えた透過型電子顕微鏡。