JP2006216345A - 干渉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２段電子線バイプリズム干渉計は１段での電子線干渉計に、飛躍的な自由度の増加を与える光学系であるが、フィラメント電極によって作られる電子線ホログラムの形状の１次元性、さらに干渉領域幅の方向と干渉縞の方位に関しては、１段電子線バイプリズム光学系と同じであった。すなわち、干渉領域幅はフィラメント電極の方向に一致してその長方向が定まり、干渉縞の方位は、干渉領域幅の長方向に一致かつ平行するのみであった。
【解決手段】上下２段電子線バイプリズムを持った構造とするとともに、これら上下２段電子線バイプリズムのフィラメント電極間のアジムス角Φを操作することにより、干渉領域とその中に形成される干渉縞の方位角θを任意にコントロール可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子もしくはイオン等の荷電粒子線を光源とする干渉装置あるいは光を光源とし、２段のバイプリズムを使用する干渉装置に関する。

本願の発明者らは、２段電子線バイプリズム干渉計を開発し、紹介した(特許文献１，２、非特許文献１，２)。この発明は、２つの電子線バイプリズムを光軸上、電子線の進行方向順に、上段を観察試料の像面、下段を上段の陰の部分に配置し、その各々のフィラメント電極に印加する電位を変化させることにより、２つの電子波（例えば物体波と参照波）のオーバーラップ領域（干渉領域幅Ｗに対応）とオーバーラップ角度（干渉縞間隔ｓに対応）を任意に変化させることが可能となった。さらに、上段電子線バイプリズムを試料の像面に配することにより、電子線バイプリズムを１段で用いた電子線干渉計（例えば、特許文献３）では原理的に除去できなかったホログラムに重畳されるフレネル縞の発生を回避することも可能となった。

なお、干渉装置には、電子もしくはイオン等の荷電粒子線を光源とする干渉装置あるいは光を光源とする干渉装置があるが、本発明の説明では、電子を光源とする干渉装置に主体を置いて説明する。

特願２００４−００４１５６ 特願２００４−１０２５３０ 特開２００２−１１７８００ "Double-Biprism Electron Interferometory"，Ken Harada, Tetsuya Akashi, Yoshihiko Togawa, Tsuyoshi Matsuda and Akira. Tonomura，Applied Physics Letter: Vol. 84, No. 17, (2004) pp. 3229 3231. "High-Resolution Observation by Double-Biprism Electron Holography"，Ken Harada, Tsuyoshi Matsuda, Tetsuya Akashi, Yoshihiko Togawa and Akira. Tonomura，Journal of Applied Physics: Vol. 96, No. 11, (2004) pp. 6097 6102.

本願の発明者らによる、この２段電子線バイプリズム干渉計は１段での電子線干渉計に、飛躍的な自由度の増加を与える光学系であるが、フィラメント電極によって作られる電子線ホログラムの形状の１次元性、さらに干渉領域幅の方向と干渉縞の方位に関しては、１段電子線バイプリズム光学系と同じであった。すなわち、干渉領域幅Ｗはフィラメント電極の方向に一致してその長方向が定まり、干渉縞の方位は、干渉領域幅の長方向に一致かつ平行するのみであった。

したがって、例えば、カーボンナノチューブのような、１方向に伸びた形状の試料を観察する際には、試料（チューブ）と干渉縞とに角度を持たせなければならず、試料の長方向の観察は出来なかった。すなわち、細長い形状のごく一部のみのホログラフィー観察となっていた（例えば、J. Cumings et al., PRL 88, (2002) 056804））。そのため、試料の長方向を観察するためには、いくつかのホログラムに分けて記録・再生を行い、後から合成するか、電子線の干渉性を犠牲にして広干渉領域のホログラムを記録し、干渉性の劣化に伴うノイズについては画像処理を施して補うなどの対策が採られているのが現状である。

このため、簡便な操作で、干渉領域幅Ｗと干渉縞間隔ｓの２つのパラメータの独立コントロールに加えて、試料の長方向の観察をすることが可能な干渉計が望まれる。

上記課題を解決するため、本発明では、上下２段電子線バイプリズムを持った構造とするとともに、これら上下２段電子線バイプリズムのフィラメント電極間の像面への投影アジムス角Φ（以下簡単にアジムス角Φと記載する）を操作することにより、干渉領域とその中に形成される干渉縞の方位角θを任意にコントロール可能とする。

本発明によれば、干渉領域幅Ｗと干渉縞間隔ｓの２つのパラメータの独立コントロールに加えて、干渉縞の方位角θをコントロールして試料の長方向の観察をすることが可能となる。

本発明は、上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極間のアジムス角Φを操作することにより、干渉領域とその中に形成される干渉縞の方位角θを任意にコントロール可能とするものであるが、本発明の前提となる上下２段電子線バイプリズムを持つ干渉計について、まず、説明する。

図１は、特許文献１の図３で説明された電子線バイプリズムを用いた干渉光学系を示す図である。

図１において、１は電子源、２は光軸、３は試料、５は１つもしくは複数のレンズからなる対物レンズ系（図では簡単のため等価な１つのレンズで代表して表している。したがってレンズ上下の距離ａ_１，ｂ_１もこれに対応する距離であり、装置の実際の大きさとは異なる。図１以降の図においても同様である）、７は上段電子線バイプリズム直上の第１電子源像面、１１は観察面、１２は観察面上の試料の像、１３はフイルムあるいはカメラ等の撮像手段である。２１および２３は物体波および参照波を示す。３１は対物レンズ系５による試料の像面、３２は対物レンズ系５による試料の像、３３は拡大レンズ、３５は拡大レンズ３３による電子源の像面、９_ｕは対物レンズ系による試料の像面３１上に設けられた上段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径はｄ_ｕである。９_ｂは拡大レンズ３３による電子源の像面３５と観察面１１との間に設けられた下段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径はｄ_ｂである。また、観察面１１上に現れる干渉縞の間隔ｓと干渉領域幅Ｗを撮像手段１３の下に模式的に表示した。ここで、電子源１は、図では、単一のブロックで示しているが、光源、加速管さらには照射光学系を含むものである。ここで示した電子線バイプリズムは、電界型のものの模式図であり、中央に極細線のフィラメント電極とその電子線が通る遥か外側左右に接地電極を備えた構造をしており、中央のフィラメント電極に電圧を印加して電子線を偏向させる。図１および以後の図では、中央のフィラメント電極の断面または端面は小円で示すものとする。また、電子線バイプリズムの機能に着目した説明では、電子線バイプリズムとのみ表記し、中央のフィラメント電極に着目した説明では電子線バイプリズムのフィラメント電極と表記する。また電子光学系では、電子レンズは通常磁界型の電磁レンズが用いられるため、電子線の経路には光軸に平行な軸を回転中心とした回転が含まれるが、図１では電磁レンズによる電子線の回転を無視し、電子光学系として同一の平面を記載している。以降の光学系を示す図においても同様である。

電子源１で発生された電子線は光軸２の一方側に配置された試料３を透過する物体波２１と試料３の無い側を透過する参照波２３とに分かれる。物体波２１と参照波２３とを識別しやすいように、物体波２１のみにパターン表示を付した。物体波２１および参照波２３は対物レンズ系５で屈折されて上段電子線バイプリズム直上の電子源像面７で交叉して拡大レンズ３３の方に進む。物体波２１および参照波２３は対物レンズ系５による試料の像面３１上で試料像３２を形成するとともに、像面３１上で上段電子線バイプリズムの位置を通過する。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕに印加される電圧Ｖ_uによる偏向で物体波２１および参照波２３の両電子線は互いに光軸２に向かわせられる。その結果、拡大レンズ３３の下流側において、分離（スプリット）した２つの実電子源像２６および２８を形成する。さらに物体波２１および参照波２３の両電子線は、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂに印加される電圧Ｖ_ｂより偏向され、仮想的な電子源像２５および２７を構成するに至る。Ｙ_ｒは上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕによる電子源像の光軸からのスプリット距離、Ｙ_ｖは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂによる仮想的な電子源像の実電子源像２６からのスプリット距離であり、式（１）、（２）の様に表される。

観察面１１は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの像面であるため、上段電子線バイプリズムでの偏向作用は像形成に関係なく、波面のオーバーラップは生じない。しかし、電子線への偏向は実として行なわれているため、実電子源像のスプリット２６，２８が生じている。これは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂによる仮想的な電子源像のスプリット２５，２７と本質的に同じものである。

図１に示す構成で、両電子線バイプリズム９_ｕ、９_ｂを同時に作用させた場合の試料面へ逆投影した干渉縞は式（３）、（４）の様に表される。なお、Ｍ_Ｏｂｊは対物レンズ系５による試料３に対する倍率、Ｍ_Ｍは拡大レンズ３３による試料像３２に対する倍率である。また、試料面へ逆投影した干渉縞の干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗは下付きの添え字Ｏｂｊを付して表すものとする。

式（３）、（４）は干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊが上段電子線バイプリズムによる偏向角度α_ｕに依存しないことを意味しており、このことが、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊの独立したコントロールを可能にする。すなわち、
（１）下段電子線バイプリズム→干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊを定める。
（２）上段電子線バイプリズム→干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊを調整する。
という手順で独立操作が可能となる。

さらに、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂが拡大レンズ３３による電子源の像面３５の位置に置かれている（Ｄ_ｂ−Ｌ_ｂ＝０）場合を考えてみると、この場合には式（３）により干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊは下段電子線バイプリズムによる偏向角度α_ｂに依存しない。すなわちこの光学条件では、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊに関して両バイプリズムを用いることにより完全に独立なコントロールが可能となる。

特願２００４−００４１５６の発明により、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊを独立にコントロールできる電子線干渉装置は実現できた。しかしながら、発明が解決しようとする課題で述べたように、フィラメント電極によって作られる電子線ホログラムの形状の１次元性、さらに干渉領域幅Ｗの方向と干渉縞の方位に関しては、１段電子線バイプリズム光学系と同じであるため、干渉領域幅Ｗはフィラメント電極の方向に一致してその長方向が定まり、干渉縞の方位は、干渉領域幅Ｗの長方向に一致かつ平行するのみであった。

（実施例）
本発明では、上下２段の電子線バイプリズムを持った構造とするとともに、これら上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極間のアジムス角Φを操作することにより、干渉領域とその中に形成される干渉縞の方位角θを任意にコントロール可能とする。以下、具体的に説明する。

図２は、本発明による上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極間のアジムス角Φを操作して得られる干渉縞の形成を説明する概念図である。図２は、図１に対応する光学系を模式的に示すものであるが、上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極間のアジムス角Φを分かりやすく示すために立体構造として表示したものである。図３は、図２で説明した本発明による上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕ、９_ｂ間のアジムス角Φを操作する構成の光学系を図１に対応する表示形式で示す模式図である。下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂを横長に描くことによって、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕとの間にアジムス角Φがあることを示している。また、２つの実電子源像２６、２８、および仮想電子源像２５、２７も同一平面（紙面上）に投影して描画し、奥行きについては省略している。

図２では上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕをＸ軸と一致させている。また、図２および図３で、図１に示す構成要素と対応するものには、同じ参照符号を付した。なお、図２において破線で示す楕円は、それぞれの位置における一つの波面の位置を模視的に示すものである。また、破線で示す四角は像面３５を模視的に示すものである。

上下２段の電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕ、９_ｂの間のアジムス角Φと、得られる干渉縞の方位角θとの関係は、光学系の配置によって変化すること、上段フィラメント電極への印加電位によっても変化することが幾何光学より導かれる。実施例による光学系の諸関係式を式（５）、式（６）、式（７）に示す。いずれも試料面上へ投影した関係を示している。各式中の文字は、図１−図３および前述までに記載されているとおりである。

これらの式より、前述した干渉領域幅Ｗと干渉縞間隔ｓに関する完全独立光学系の場合、すなわち、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂが光源の像面３５に存在する場合（Ｄ_ｂ−Ｌ_ｂ＝０）の場合、ホログラムに記録される干渉縞の方位角θは、下段電子線バイプリズムフィラメント電極のアジムス角Φによらずゼロとなることが導かれる。このことは、逆に言えば、この条件の場合には、２段電子線バイプリズムのフィラメント電極間のアジムス角度調整に精度はあまり重要ではないということを意味している。

図４（Ａ）−（Ｊ）は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕ（Ｘ軸）を基準として、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂのアジムス角Φを様々に変化させた場合の干渉縞形成の実験結果を示す図である。ただし、実験は試料の位置に何も置かず、物体波および参照波を干渉させて干渉縞のみを形成させたものであり、干渉領域幅Ｗを一定の条件のもとに行なったものである。回転は電子線の進行方向に向かって（図の上部から見て）マイナスは左回り（反時計回転）、プラスは右回り（時計回転）である。（Ａ）はΦ＝−３０°、（Ｂ）はΦ＝−１５°、（Ｃ）はΦ＝±０°、（Ｄ）はΦ＝１０°、（Ｅ）はΦ＝２０°、（Ｆ）はΦ＝３０°、（Ｇ）はΦ＝４０°、（Ｈ）はΦ＝５０°、（Ｉ）はΦ＝６０°、（Ｊ）はΦ＝７０°のアジムス角Φである。

図４（Ｃ）から分かるように、アジムス角Φがゼロ（特願２００４−００４１５６の２段電子線バイプリズム干渉計に一致）では、干渉縞は試料の長さ方向に平行したものとなるから、長さ方向に変化している試料の特性を示すホログラムは作成が困難である。図４（Ｃ）と、図４（Ｂ），図４（Ｄ）を対比して分かるように、アジムス角Φがマイナス方向、すなわち、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂを左回し（反時計）方向に回転させると、干渉縞は右上がりの角度を持ったものとなり、逆に、アジムス角Φがプラス方向、すなわち、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９ｂを右回し（時計）方向に回転させると、干渉縞は右下がりの角度を持ったものとなる。アジムス角Φを大きくすると、干渉縞の角度はそれにともなって大きくなることが分かる。

一方、図４（Ａ）、図４（Ｅ）−（Ｊ）から分かるように、アジムス角Φが大きくなると、観察領域の両端より斜めのフレネル縞が観察されるようになる。これは、本光学系では下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂにアジムス回転を与えたため、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂの端部が、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの陰に入らない結果、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂにより発生したフレネル縞が干渉領域の端部に重畳したものである。

しかしながら、この干渉領域の端部に表れるフレネル縞のコントラストに関しては、両電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕ，９_ｂへ与える電位、アジムス角Φなどの観察条件を適切に選ぶことにより、十分に影響の小さなホログラムの形成が可能である。図５（Ａ），（Ｂ）は観察条件を適切に選んだ結果のホログラムの一例を示す図である。これらは、試料支持膜上に金微粒子を細長い試料を模擬する形で作成したホログラムであり、微粒子の分布により試料上の同一部分を観察していること、上段フィラメント電極９_ｕへの付着物に起因する干渉領域の窪み（図の中央下部）により、上段フィラメント電極９_ｕの同一部分を用いた実験であることがわかる。図５（Ａ）は上下段の電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕ，９_ｂへの印加電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｂがそれぞれＶ_ｕ＝１００Ｖ，Ｖ_ｂ＝５９Ｖ、相対的なアジムス角Φが１４°のときのホログラムであり、得られた各々のパラメータの値は、干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊが４０ｎｍ、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊが０．５５ｎｍ、干渉縞の方位角θ_Ｏｂｊが８°である。干渉領域に対して十分に大きな干渉縞の方位角θ_Ｏｂｊが得られていることがわかる。さらに、図５（Ｂ）は上段の電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕへの印加電圧Ｖ_ｕをＶ_ｕ＝０Ｖとしたときのホログラムである。下段のフィラメント電極９_ｕへの印加電圧Ｖ_ｂ、および、相対的なアジムス角Φは図５（Ａ）と同じである。この場合に得られた各々のパラメータの値は、干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊが４０ｎｍ、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊが０．９１ｎｍ、干渉縞の方位角θ_Ｏｂｊが１４°であり、アジムス角Φと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊを一定に保った場合においても、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊ、干渉縞の方位角θ_Ｏｂｊのそれぞれを変化させることが可能であることがわかる。

本発明によれば、干渉を取り扱うパラメータとして、従来の干渉領域幅Ｗと干渉縞間隔ｓに加えて、干渉縞の方位角θが加わったことになる。これらパラメータのコントロールは、電子線バイプリズムの光学系上の位置関係が定まった場合、上下段の電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕ，９_ｂへの印加電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｂと両電子線バイプリズムのフィラメント電極間の相対的なアジムス角Φによって行なう。

図４、図５に示す実験結果と上述の式（１）−（７）との一致を確認するため、干渉領域幅Ｗを一定値Ｗ_０に固定した条件の下に、式（８）、（９）を導出した。

図６は図４および他の同等の条件下で行なった実験により得られた干渉縞間隔ｓとアジムス角Φの関係を示す図であり、図７は干渉縞の方位角θとアジムス角Φの関係を示す図である。それぞれ横軸にアジムス角Φをとり、縦軸に干渉縞間隔ｓ、干渉縞の方位角θをとったものである。また、図中四角で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝−７５Ｖ、丸で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝０Ｖ、そして、三角で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝１５０Ｖの場合の実験結果である。各々の場合の下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｄへの印加電圧Ｖ_ｂは、干渉領域幅Ｗがネガフィルム上で８ｍｍとなるような電圧を選択している。

図６、図７中の曲線は、式（８）、式（９）に基づくものである。実験結果と良い一致を示していることがわかる。

図６は、アジムス角Φがゼロの場合に、干渉縞間隔ｓが最も大きく、プラス、マイナス、いずれの方向の回転でも、アジムス角Φに対しては対称に干渉縞間隔ｓは小さくなることを示している。しかし、その干渉縞間隔ｓの減少の割合は、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がプラスかマイナスかで異なっている。さらに、図７では、アジムス角Φがゼロの場合に、干渉縞の方位角θはゼロであり、プラス、マイナス、いずれの方向の回転でも、干渉縞の方位角θは回転方向に対応して大きくなることがわかる。但し、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がゼロの場合（丸で示す実験結果）を除いて、アジムス角Φと方位角θの関係は線形（リニア）ではない。以上の様に、干渉縞間隔ｓとアジムス角Φの非線形性（図６）、および方位角θとアジムス角Φの非線形性（図７）を用いることにより、干渉縞間隔ｓと方位角θの間の自由なコントロールが可能となる。

さらに干渉縞間隔ｓと方位角θの関係はより簡単な形にまとめることが可能である。式（１０）にその関係を示す。

式（１０）によれば、干渉縞間隔ｓの逆数と方位角θの余弦値は、実電子源像２６および２８の光軸からの距離Y_ｒの１次の関数で記述されることがわかる。すなわち式（１０）の左辺の関係は、上段電子線バイプリズムへの印加電圧Ｖ_uが一定ならば定数となる。

図８は、式（１０）に基づき、図６、図７を改めてポーラーネットダイアグラムに表示した図である。図６、図７と同様に、四角で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝−７５Ｖ、丸で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝０Ｖ、そして、三角で示す実験結果は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧がＶ_ｕ＝１５０Ｖである。実験結果は、ポーラーネット上で垂直の直線状に配列している。これは上述のとおり上段電子線バイプリズムへの印加電圧がＶ_ｕ電が一定の場合、式（１０）の左辺が定数であることを示している。このように干渉縞間隔ｓと方位角θが簡単な関係で結び付けられることにより相互に自由なコントロールが可能となる。

なお、上述までの数式では、特願２００４−００４１５６との関係を分かりやすくするために、下段電子線バイプリズム９_ｂの後段の像面１１の像を検出するものとして導出を行なったが、実用的な電子顕微鏡では、像面１１の後段にさらに拡大レンズおよび投射レンズが設けられるのが普通である。しかし、この場合でも、数式中の倍率の項が拡大に対応して変化するのみで式自体は変わらない。

図９は、図２、図３で説明した実施例の干渉装置の構成に第２拡大レンズ４１、第３拡大レンズ４２および投射レンズ４３を設けた構成の概要を示す図であり、新たに拡大レンズ３３による試料の像面１１’を加えている。上述の実施例（図６，７，８）は、図９に示すような光学系にて行なわれたもので、そのため干渉縞間隔ｓについては最終拡大されたネガフィルム上での値を用いて示している。

本発明では、試料形状または観察したい部分の形状、格子像の方位など、被観察対象に応じて最も適切な干渉領域を策定するとともに、それとは独立に最適な方位の干渉縞を重畳させることによって、空間分解能、位相分解能において最適な状態でのホログラムの作成、記録が可能となる。

図１０（Ａ）−（Ｅ）は、本発明によって観察されたカーボンナノチューブの例を説明する図である。（Ａ）はカーボンナノチューブの透過電子線ホログラムである。中央に観察されているものは、カーボンナノチューブ作成に触媒として用いられた鉄の微粒子である。図の右側に示すのは、四角形で囲まれた部分のカーボンナノチューブがほぼ円形の筒状であることを模視的に示す断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示した四角形で囲まれた部分の拡大図である。表示の便宜上９０度回転して、横長に表示している。カーボンナノチューブを構成しているグラファイト層をａ，ｂで示し、この部分の格子像の格子間隔が０．３４ｎｍであること（グラファイト層でない部分は、チューブ外の真空部分か、またはチューブ内部の中空部分である）、電子線干渉縞が０．５８ｎｍ間隔であることを示すとともに、グラファイト層の格子像と電子線干渉縞とが２０°の角度をもって記録されていることがわかる。（Ｃ）は（Ａ）より再生された位相像である。カーボンナノチューブ、鉄微粒子の双方が明瞭に再生されている。（Ｄ），（Ｅ）は、（Ｃ）に示す再生位相像（位相分布）のＤ−Ｄ位置（鉄微粒子の存在する位置）、Ｅ−Ｅ位置（カーボンナノチューブのみの位置）で矢印方向に見た位相分布図である。ここで、実線で示すのは、実験結果であり、破線で示すのは計算結果である。（Ｄ）では、カーボンナノチューブ内部に鉄微粒子が内包されているために位相変化が突出して大きくなる様子、また（Ｅ）では、微粒子を含まないカーボンナノチューブのみであるため、チューブ中央部の投影膜厚が減少することに対応して、中央部に窪みのある位相分布をなしていることがわかる。（Ａ）より、チューブの内外径がわかるのでそれに基づき、ナノチューブを透過する電子波の位相分布を計算することができる。上述の（Ｄ）、（Ｅ）に示す計算結果は、この計算によるものである。図示のごとく、実験と計算は良い一致をしている。この計算には、物質の平均内部電位をパラメータとして用いることが必要であり、実験結果とフィッティングさせることにより、カーボングラファイト、鉄の平均内部電位を求めることができる。その各々の値は、カーボングラファイトが１０．８Ｖ、鉄が２５．０Ｖであった。この平均内部電位の測定値は、他の実験結果、および理論計算結果と良い一致をしている。

本発明によれば、従来の電子線ホログラフィーに方位角θという新しいパラメータをコントロール可能な形で導入でき、さらには電子線ホログラフィーの干渉に関する概念を２次元平面に拡張するものである。したがって、本発明によれば以下の作用・効果が期待される。
（１）得られた干渉領域内への任意の方位角をもつ干渉縞の形成
試料形状または観察したい部分の形状、格子像の方位など、被観察対象に応じて最も適切な干渉領域を策定すると共に、それとは独立に最適な方位の干渉縞を重畳させることによって、空間分解能、位相分解能において最適な状態でのホログラムの作成、記録を可能とする。
（２）電子線ホログラフィーの概念の２次元への拡張
従来の電子線ホログラフィーでは、１次元的な形状をしたフィラメント電極を用いるため、フィラメント電極に垂直方向のみの干渉現象を取り扱ってきた。本発明によれば、原理的には、２次元平面内のどの部分の電子波でも互いに重ね合わせ干渉させることが可能となる。すなわち、概念的には従来の電子線ホログラフィーの２次元への拡張であり、具体的効果としては、（ｉ）電子波の可干渉性の２次元分布測定、（ｉｉ）最適領域を参照波とすることによるホログラムのＳ／Ｎ比の改善、（ｉｉｉ）試料形状への負荷の軽減、などホログラフィーの実験効率の向上が期待される。

（光を光源とする干渉装置への適用）
上述の説明は、電子を光源とする干渉装置に主体を置いて説明したが、特願２００４−００４１５６でも説明したように、本発明は光を光源とする干渉装置に於いても実施できる。図１１は、本発明を、光を光源とする干渉装置に適用したときの光学系を、図２に対応して表示したものである。図２と図１１とを対比して容易に分かるように、単純には、上下段の電子線バイプリズム９_ｕ，９_ｂに代えて、光学バイプリズム５１、５３で置換し、光学バイプリズム５１の中心位置に光を遮蔽するための遮蔽板５２を設けたものである。これらの光学バイプリズム５１、５３の稜線の相対的なアジムス角が変わるように、例えば、光学バイプリズム５３を回転させれば、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂを回転させたと同様の制御となる。

なお、特願２００４−００４１５６でも説明したように、一般的には光学バイプリズムは、電子線バイプリズムのように、電圧を制御して偏向角αを変えると言うことができない。したがって、目標とする干渉縞間隔ｓおよび干渉領域幅Ｗに応じてこれを交換する必要があるので、使用にあたっての煩雑さがある。しかし、これについては、光学バイプリズムの形状を成した容器を作り、内部に、例えば、気体を封入しその圧力を可変とすることによって、すなわち密度を可変とすることによって、光学バイプリズムの屈折率を変化させ任意の角度偏向を行なったり、バイプリズムに変わって２枚の鏡の反射角度をコントロールしたりすることによって電子線バイプリズムと同等の効果を期待することができる（例えば、K. Harada, K. Ogai and R. Shimizu: Technology Reports of The Osaka University 39, 117 （1989））。

特許文献１の図３で説明された電子線バイプリズムを用いた干渉光学系を示す図である。 本発明による上下２段の電子線バイプリズムのフィラメント電極間のアジムス角Φを操作して得られる干渉縞の形成を説明する概念図である。 図２で説明した本発明による上下２段の電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕ、９_ｂ間のアジムス角Φを操作する構成の光学系を図１に対応する表示形式で示す模式図である。 （Ａ）−（Ｊ）は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕ（Ｘ軸）を基準として、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂのアジムス角Φを様々に変化させた場合の干渉縞の形成の実験結果を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は観察条件を適切に選んだ結果のホログラムの一例を示す図である。 干渉縞間隔ｓとアジムス角Φの関係を示す図である。 干渉縞の方位角θとアジムス角Φの関係を示す図である。 式（１０）関係に基づき、図６、図７を改めてポーラーネットダイアグラムに表示した図である。 図２、図３で説明した実施例の干渉装置の構成に第２拡大レンズ４１、第３拡大レンズ４２および投射レンズ４３を設けた構成の概要を示す図である。 （Ａ）−（Ｅ）は、本発明によって観察されたカーボンナノチューブの例を説明する図である。 本発明を、光を光源とする干渉装置に適用したときの光学系を、図２に対応して表示した図である。

符号の説明

１…電子源、２…光軸、３…試料、５…対物レンズ系（単数または複数からなるレンズ系を等価な１つのレンズで表記している）、７…第１電子源像面、９…電子線バイプリズムのフィラメント電極、９_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極、９_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極、１１…観察面、１１’…拡大レンズ３３による試料の像面、１２…観察面１１上の試料の像、１３…フイルムあるいはカメラ等の撮像手段、２１…物体波、２３…参照波、２５，２７…第２の電子源像面３５上の仮想的な電子源位置（電子源の虚像）、２６，２８…第２の電子源像面３５上の電子源の実像、２９…フレネル回折波、３０…電子線バイプリズム電極９による影、３１…対物レンズ系５直下の第１像面、３２…第１像面３１上の試料像、３３…拡大レンズ、３５…第２の電子源像面、４１…第２拡大レンズ、４２…第３拡大レンズ、４３…投射レンズ、５１，５３…光学バイプリズム、５２…遮蔽板、ａ_Ｏｂｊ…対物レンズ系５と試料３との距離（等価距離）、ｂ_Ｏｂｊ…対物レンズ５と第１像面３１との距離（等価距離）、ａ_Ｍ…拡大レンズ３３と第１像面３１との距離、ｂ_Ｍ…拡大レンズ３３と観察面１１との距離、ａ_１…対物レンズ系５と電子源１との距離（等価距離）、ｂ_１…対物レンズ系５と第１電子源像面７との距離（等価距離）、ａ_２…拡大レンズ３３と第１電子源像面７との距離、ｂ_２…拡大レンズ３３と第２の電子源像面３５との距離、λ…電子源１の電子線の波長、α_ｕ…上段電子線バイプリズム９_ｕによる電子線の偏向角度、α_ｂ…下段電子線バイプリズム９_ｂによる電子線の偏向角度、Ｍ_Ｏｂｊ…対物レンズ系５の倍率、Ｍ_Ｍ…拡大レンズ３３の倍率、Ｄ_ｕ…第１電子源像面７と第１像面３１との距離、Ｄ_ｂ…第２の電子源像面３５と観察面１１との距離、Ｌ_ｂ…下段電子線バイプリズム９_ｂと観察面１１との距離、ｄ_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの直径、ｄ_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂの直径、Ｖ_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕへの印加電圧、Ｖ_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂへの印加電圧。

Claims (5)

1. 電子もしくはイオン等の荷電粒子線の光源と、前記光源から放出される荷電粒子線を試料に照射するための照射光学系と、前記荷電粒子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を形成するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、荷電粒子線の光軸上で前記試料の配置される位置より荷電粒子線の進行方向の下流側に位置する前記結像レンズ系の対物レンズが１つもしくは各々独立して焦点距離が制御できる複数のレンズにより形成される対物レンズ系で構成され、該対物レンズ系の下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置された上段バイプリズムと前記結像レンズ系の１つもしくは複数のレンズを介して前記上段バイプリズムの下流側で前記上段バイプリズムと平行な平面内に配置される下段バイプリズムとを備え、該両バイプリズムがそれぞれ独立にその位置の移動、電極の回転を行なうことができるとともに、それら前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加できることにより、任意の方向に荷電粒子線を偏向させることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記光軸に直交し、前記上段バイプリズムが位置する平面に、前記複数のレンズにより構成される対物レンズ系の各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
3. 前記下段バイプリズムが、前記荷電粒子線の光軸上上段バイプリズムの下流側に位置するレンズの下流側で、該レンズの形成する光源の像の下流側に位置する請求項１に記載の荷電粒子線装置。
4. 前記下段バイプリズムが、前記荷電粒子線の光軸上、上段バイプリズムの下流側に位置するレンズの下流側で、該レンズと該レンズの形成する光源の像の間に位置する請求項１に記載の荷電粒子線装置。
5. 光の光源と、前記光源から放出される光線を試料に照射するための照射光学系と、前記光線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を形成するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、光線の光軸上で前記試料の配置される位置より光線の進行方向の下流側に位置する対物レンズの下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置され、中央稜線部、あるいは稜線裏側に光線の遮蔽板を配置した上段の光学バイプリズムと前記結像レンズ系の１つもしくは複数のレンズを介して前記上段の光学バイプリズムの前記光軸上の光線の下流側で前記上段の光学バイプリズムと平行な平面内に配置される下段の光学バイプリズムとを備え、該両光学バイプリズムがそれぞれ独立にその位置の移動、回転を行なうことにより任意の方向に偏向が可能であるとともに、それら前記上段の光学バイプリズムと前記下段の光学バイプリズムとが、それぞれ独立に光線に対する偏向角度の異なるものと交換することにより偏向角度が制御できることを特徴とする干渉装置。
   

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