JP2005116365A - 位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い像質を安定して得ることができる位相板と位相板用レンズシステムを備えた透過電子顕微鏡を提供すること。
【解決手段】 対物レンズより像側の結像系において、対物レンズの後焦点面よりも後方に位相板を配置し、対物レンズと位相板との間に対物レンズの後焦点面の共役面を位相板上に結像する位相板用レンズ系を配置すると共に、位相板を通る電子線通路の周囲に、高透磁率材からなる磁気シールド構造を有する防磁筒を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡を用いて試料観察を行う場合、結像コントラストの成因を、散乱コントラストと位相コントラストの２つに大別することができる。通常、両者とも弾性散乱電子に対して議論される場合が大半であり、以下においてもただ散乱と記述すれば弾性散乱を示すものとし、非弾性散乱を示す場合は、その旨記述するものとする。

散乱コントラストとは、試料の各部位により散乱される電子線の量的な異なりを像のコントラストに反映させる方法である。重い（原子番号が大きい）元素で構成される試料部分は電子線の散乱がより多くなり、軽い（原子番号の小さい）元素で構成される試料部分は電子線の散乱がより小さくなり、この散乱電子量の違いが観察像のコントラストの差となって現れるものである。試料の構成元素が重いほど、また、試料が電子の進行方向に厚いほど散乱コントラストは強くなる。しかしながら、試料が厚くなると電子の非弾性散乱が強くなり、色収差による像のボケを引き起こす。

透過電子顕微鏡の観察においては、電子の非弾性散乱を低減させる目的で試料が十分薄く加工されており、よって、試料による弾性散乱もまた弱い。この傾向は特に、生物切片試料において顕著である。そこで、生物切片試料の場合は、十分な散乱コントラストを得るために、試料の特定部位に重金属を化学結合させて（染色）その部分の散乱コントラストを増加させ利用している。

一方の位相コントラストとは、試料を通過した電子の波が受ける位相変化を像のコントラストに反映させる方法で、試料で散乱を受けずに（試料から何ら影響を受けずに）素通りした電子(透過電子)と散乱電子の像面での干渉の際に、それらが位相差を持つことによりコントラストが与えられるものである。散乱コントラストの場合とは異なり、位相コントラストの場合は、試料が実用上加工可能な範囲で薄い方がむしろ試料構造を反映し易くなる。従って、生物切片等の観察に位相コントラストを利用することができれば、染色等の人為操作なしに容易に試料像をえることができる。

このような位相コントラストを用いた電子顕微鏡では、通常、対物レンズの後焦点面位置に位相板を配置するようにしているが、対物レンズの磁極片の空間的制限により後焦点面位置に位相板を配置することが困難な場合がある。そこで、本出願人は、特開２００２−２３７２７２号において、対物レンズより像側の結像レンズ系において、対物レンズの後焦点面よりも後方に位相板を配置すると共に、対物レンズの後焦点面と等価な面(共役面)を位相板面に結像する２段のレンズ系を配置した透過電子顕微鏡の位相板用レンズシステムを提案している。

特開２００２−２３７２７２号公報

しかしながら、上述した特開２００２−２３７２７２号の位相板用レンズシステムを組み込んだ透過電子顕微鏡を実際に製作して、位相コントラストによる像を観察したところ、像に外乱が混入するなどして高い像質を安定して得ることが困難であった。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、高い像質を安定して得ることができる位相板と位相板用レンズシステムを備えた透過電子顕微鏡を提供することを目的としている。

この目的を達成するため、本発明の位相板と位相板用レンズシステムを備えた透過電子顕微鏡は、対物レンズより像側の結像系において、対物レンズの後焦点面よりも後方に位相板を配置し、対物レンズと位相板との間に対物レンズの後焦点面の共役面を位相板上に結像するレンズ系を配置すると共に、位相板を通る電子線通路の周囲に、高透磁率材からなる磁気シールド構造を有する防磁筒を備えたことを特徴としている。

特開２００２−２３７２７２号の位相板用レンズシステムを組み込んだ透過電子顕微鏡を実際に試作したケースでは、対物レンズのポールピースのすぐ後方に配置された２段の位相板用レンズ系を用いて、対物レンズのポールピースから数十mm以上離れたところに、対物レンズの後焦点面と等価な面(共役面)を形成し、その面の位置に位相板が交換可能に配置された。本発明者の検討によれば、この場合、外部の変動磁場にもっとも影響を受け易い後焦点面が、対物レンズのポールピース外にも形成されることになる。すなわち、通常、後焦点面は高透磁率材料で作成されている対物レンズのポールピース内に形成されるため、ポールピースにより外乱磁場から遮蔽されている。これに対し、試作のケースでは後焦点面と共役な面が対物レンズのポールピース外に作成されるため、この位置に外乱磁場が到達しその影響を受ければ、像の質は劣化する。しかしながら、上記の試作したケースでは、この対物レンズの後焦点面と等価な光学面内に挿入される位相板の周囲に対する外部磁場の遮蔽は十分に行われていなかった。

そこで、本発明は、上記のような対物レンズの後焦点面と共役な面内に挿入される位相板を通る電子線通路の周囲に、高透磁率材からなる磁気シールド構造を有する防磁筒を設けたものである。この防磁筒を設けることにより、位相板位置における外部磁場の影響を取り除くことができ、高い像質を安定して得ることができる位相板と位相板用レンズシステムを備えた透過電子顕微鏡を実現することができた。

図１は位相コントラストを用いた透過電子顕微鏡の実施例の基本構成を示したものである。図１において、１は試料、２は試料の直後に配置された対物レンズ、３は対物レンズの後焦点面である。４，５は対物レンズの後方に配置された２段構成の位相レンズであり、さらに後方に前記後焦点面３の共役面９を形成する。７は光軸位置に数ミクロンの円形の穴を設けた位相板であり、前記共役面９の位置に配置される。１０は位相板７を取り巻くように配置される防磁筒である。６，８は位相板７を挟んで上下に配置された偏向コイルである。位相レンズ４，５とも、ここではそれぞれ同じ焦点距離ｆを持つものとし、また、偏向コイル６，８は、各々二段偏向コイルで構成されているとする。

なお、実際には、試料１に電子線を照射するための電子銃、及び集束レンズ系が試料１の上方に配置され、また、試料像を形成するための結像レンズ系として中間レンズ、投影レンズ及び形成された像を観察するための蛍光板あるいは撮像装置が偏向コイル８の下方に配置されているが、図１では省略されている。

電子銃から出た電子線は集束レンズ系を通して試料１に入射する。図１では、試料１を透過後、入射電子と同じ振幅、同じ位相をもつ電子線Ｅｂ１は対物レンズ２を通過後、後焦点面３に収束する。一方、試料１によって散乱を受け、入射電子と異なる位相を持つ電子線Ｅｂ２は対物レンズ２を通過後、後焦点面３において光軸に対して平行ビームとなる。ここまでの軌道の様子は、実線で記してあり、本発明にかかわらない通常の透過電子顕微鏡と同じである。

後焦点面３から位相板７までの各電子線Ｅｂ１、Ｅｂ２の軌道は破線で記してあり、後焦点面３から光軸に沿って、距離ｆ下方の位置に位相レンズ４が配置され、位相レンズ４から距離２ｆ下方の位置に位相レンズ５が配置され、更に位相レンズ５から距離ｆ下方の位置に位相板７が配置される。

このような位相レンズ４，５からなる位相板用レンズシステムによって、対物レンズ２の後焦点面３の共役面９が位相板７の面上に作成される。具体的な一実施例としてｆの距離を４０ｍｍと設定することによって、位相板７（後焦点面の共役面９）は、位相レンズ５より４０ｍｍ離れた位置に配置される。ちなみに、後焦点面３は、透過電子顕微鏡に通常用いられる対物レンズでは、対物レンズ２のポールピース直下約２ｍｍの位置に形成される。このように、後焦点面３への位相板の配置が不可能な透過電子顕微鏡の場合でも、位相板レンズシステムを挿入することにより位相板が使用可能となる。

また、図示した電子軌道の様子の重要な点は、後焦点面３における各電子線Ｅｂ１，Ｅｂ２の軌道が、位相板７上で再現されていることに加えて、後焦点面３における各電子線軌道の光軸に対する傾きまでもが、位相板面上（後焦点面３の共役面９）で再現されていることである。従って、位相板７より下方の電子軌道は、通常の透過電子顕微鏡における対物レンズの後焦点面以降の軌道と同一となるため、位相板以下に通常の透過電子顕微鏡の結像系を接続することで、位相板レンズシステムを用いた場合でも位相板以降において通常と同じ結像が得られる。これによって、位相板７を電子軌道外に置いたときは通常の(弾性散乱コントラストを用いた)透過電子顕微鏡として使用でき、図示したように、位相板７を電子軌道のほぼ光軸位置に置いたときは位相コントラストを用いた透過電子顕微鏡として使用できる。

既に述べたように、このような位相レンズシステムを用いた透過電子顕微鏡では、外部の変動磁場による影響を受け易い後焦点面(共役面９)が、対物レンズ２のポールピース外すなわち位相レンズ５より距離４０ｍｍ離れた位置に形成されるため、この共役面において外部からの変動磁場の影響を受け易くなり、像の質の低下は避けられなかった。

そこで、本発明では、位相板７を取り囲むように防磁筒１０を配置することで、位相板位置に形成される後焦点面の共役面９に対する外部の変動磁場の影響を防止する。図２にこの防磁筒１０及び位相板の一例の斜視図を示す。防磁筒１０は高透磁率材料で所定の厚みを持った筒状に加工された構造を有し、筒の中心が電子線光軸と一致するように配置固定される。防磁筒１０の側面には位相板７を挿入するための挿入穴１０ａが開けられている。更に、この挿入穴１０ａに対して光軸を挟んで反対側に同じ形状のダミー穴１０ｂが開けられており、円筒状の高透磁率材料に挿入穴を設けることによる、周囲の磁場の光軸に関する回転対称性を保つ構造を備えている。

また、位相板７は、位相板ホルダ１１の先端部に取り付けられ、図示しない位相板移動機構を操作することにより、防磁筒１０の挿入穴１０ａを通して光軸上に挿脱される。この移動機構によって、位相板１０を光軸上に置いたときは位相コントラストを用いた透過電子顕微鏡として使用でき、図示したように、位相板１０を光軸外に置いたときは通常の透過電子顕微鏡として使用される。

このような高透磁率材料の防磁筒１０を配置した場合には、使用する材料の比透磁率は通常数千から数万であるため、外部変動磁場の磁束は磁気抵抗の小さい防磁筒１０を流れ、防磁筒１０に囲まれた内部空間には殆ど入ってこない。この結果、防磁筒１０によって囲まれた後焦点面の共役面９は外部変動磁場の影響を受けることなく、位相板を用いて位相コントラストによる像を得る場合にも、位相板を用いずに散乱コントラストによる像を得る場合にも、安定して良質な像を得ることができる。

以上、本発明の実施例の形態を説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば、位相板用レンズシステムを２段の位相レンズに限らず、複数段のレンズ系を用いてよい。また、ダミー穴は光軸を中心として挿入穴に対し１８０度回転対称な位置に１つ設けたが、９０度回転対称な位置に３つ設けるようにしても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、外部の変動磁場に影響を受け易い後焦点面の共役面９の周囲を、高透磁率材料でできた防磁筒１０を用いて外部変動磁場をシールドすることによって、後焦点面の共役面９は外部変動磁場の影響を受けることなく、位相コントラストによる像も、散乱コントラストによる像も、安定して良質な像を得ることができる。

位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡に利用することができ、生物試料の観察に用いて特に好適である。

本発明の位相コントラストを用いた透過電子顕微鏡の一実施例の基本構成を示す図である。 本発明の実施例にかかわる防磁筒及び位相板を示す斜視図である。

符号の説明

１…試料、２…対物レンズ、３…後焦点面、４、５…位相レンズ、６、８…偏向コイル、７…位相板、９…後焦点面の共役面、１０…防磁筒、１１…位相板ホルダ

Claims (3)

1. 対物レンズより像側の結像系において、対物レンズの後焦点面よりも後方に位相板を配置し、対物レンズと位相板との間に対物レンズの後焦点面の共役面を位相板上に結像する位相板用レンズ系を配置すると共に、位相板を通る電子線通路の周囲に、高透磁率材からなる磁気シールド構造を有する防磁筒を備えたことを特徴とする位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡。
2. 防磁筒の側面には挿入穴が開けられ、該挿入穴を介して防磁筒内に位相板が挿入されることを特徴とする請求項１記載の位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡。
3. 防磁筒の側面の、光軸を中心として前記挿入穴に対して回転対称な位置にダミー穴を設けたことを特徴とする請求項２記載の位相板と位相板用レンズ系を備えた透過電子顕微鏡。

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