JP2007263594A - 可干渉な波動による観察技術 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象に波動を作用させることで観察を行う際に、観察対象に作用する波動の影響を低減する技術を提供する。
【解決手段】可干渉性を有する複数の波動を発生し、この複数の波動の干渉させることにより観察対象に作用する波動の強度を観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とする。この観察対象から焦点をはずすことによって、観察対象と相互作用した波動から観察対象のホログラムを含む焦点はずし像を観察面に形成する。そして、観察面に形成された焦点はずし像から、観察対象の位置における波動を再生する。
【選択図】図３

Description

この発明は、観察対象に可干渉な波動を作用させて観察対象を観察する技術に関する。

光学顕微鏡や電子顕微鏡等で試料を観察する場合、試料に光線や電子線等を照射し、試料と相互作用した光線や電子線等を観測することにより試料の観察が行われる。

しかしながら、観察対象となる試料は、照射された光線や電子線等との相互作用により損傷を受ける。特に、ゼオライト等のメソポーラス材料や病原菌、ウイルス等の生物関係試料を電子顕微鏡で観察する場合、試料の損傷は大きくなり観察中に試料が破壊されてしまう場合がある（例えば、非特許文献１参照。）。

そこで、このような観察中の試料の損傷を低減させるため、試料を冷却し低温とすることにより損傷の度合いを減少させる方法が行われている。また、写真撮影に必要最小限の電子線だけを照射することにより試料の損傷を抑える、ロードーズ法またはミニマムドーズ法（例えば、非特許文献２参照。）と呼ばれる方法も開発されている。

図１は、従来の透過電子顕微鏡１０の構成図である。この透過電子顕微鏡１０は、観察対象である試料ＳＰＣ１に電子線を照射する電子線照射装置１００と、試料ＳＰＣ１と相互作用した電子線から観察面に試料ＳＰＣ１の像を形成する結像部２００と、観察面に形成された試料ＳＰＣ１の像を取得する撮像装置３１０とを備えている。電子線照射装置１００は、電子源１１０と集束レンズ１２０とを備えている。結像部２００は、対物レンズ２１０と、投影レンズ２２０と、を備えている。なお、実際の透過電子顕微鏡の結像部２００は、一次像面と投影レンズ２２０との間に中間レンズを備えているがここではその図示を省略している。これらの対物レンズ２１０、投影レンズ２２０および中間レンズは、試料面を透過した電子線を観察面に結像させるので「結像レンズ」であるとも言える。

所定の加速電圧で加速され電子源１１０から射出された電子線は、集束レンズ１２０によってほぼ平行な電子線となる。この電子線と試料面に配置された試料ＳＰＣ１との相互作用により、電子線の波動としての振幅と位相とが変化する。試料ＳＰＣ１と相互作用した電子線は、対物レンズ２１０により拡大結像され、一次像面に試料ＳＰＣ１の像ＩＭＦ１を形成する。一次像面に形成された像ＩＭＦ１は、さらに投影レンズ２２０によって拡大され、観察面に像ＩＭＰ１が形成される。

観察面に形成された試料の像ＩＭＰ１は、観察面に設けられた撮像装置３１０により取得される。撮像装置３１０としてフィルムよりも高感度な電荷結合素子（ＣＣＤ）を用い、電子線強度を像ＩＭＰ１の取得に必要最小限とすることにより、試料ＳＰＣ１に照射される電子線量はフィルムを用いた通常の電子顕微鏡観察よりも小さくなる。このように、高感度の撮像装置を用いれば、試料ＳＰＣ１に照射される電子線量が低減され、試料に与える損傷を小さくすることができる。

しかしながら、このような従来の観察技術では、一定量以上の光線や電子線等を照射する必要がある。そのため、照射損傷の深刻な試料では、照射損傷の影響はこれらの方法によっても無視できない場合がある。

L.A. Bursill, E.A. Lodge and J.M. Thomas, Nature, Volume 286 (1980) p.111-113 M. Pan, Micron, Volume 27, No.3-4 (1996) p.219-238 特開２００５−１０６４７２号公報

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、観察対象に作用する波動の影響を低減する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の観察装置は、観察対象である物体もしくは場に波動を作用させて前記観察対象を観察する観察装置であって、可干渉性を有する複数の波動を発生し、この際、前記複数の波動の干渉により前記観察対象に作用する波動の強度を前記観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とするように前記複数の波動を発生する波動源と、前記観察対象と相互作用した波動から、観察面に画像を形成する結像部と、前記観察対象から焦点をはずすことにより前記観察面に形成される前記観察対象のホログラムを含む焦点はずし像から、前記観察対象の位置における波動を再生する演算部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、観察対象に作用する波動の強度が観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とできるので、観察対象に作用する波動の影響を低減することができる。そして、焦点はずし像から観察対象位置での波動を再生することにより、波動の平均強度が小さい領域に配置された観察対象を観察することが可能となる。

前記演算部は、前記焦点はずし像に含まれ前記複数の波動の干渉により形成される干渉縞であるサイドバンドを前記焦点はずし像から除去して、サイドバンド除去像を生成するサイドバンド除去部を有するものとしても良い。

この構成によれば、焦点はずし像からサイドバンドを除去することにより再生される波動に対するサイドバンドの影響が低減されるので、より正確に観察対象位置での波動を再生することが可能となる。

前記サイドバンド除去部は、前記焦点はずし像をフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換処理部と、前記フーリエ変換処理部により生成されたフーリエ変換像から、前記サイドバンドに相当するスペクトル成分を含む領域をマスキングして除去するマスキング処理部と、マスキングされたフーリエ変換像をフーリエ逆変換することにより、前記サイドバンド除去像を生成するフーリエ逆変換処理部と、を有するものとしても良い。

一般に、サイドバンドは周期性が高いので、サイドバンドに相当するスペクトル成分はフーリエ変換像のうちの狭い範囲に集中する。そのため、サイドバンドに相当するスペクトル成分をマスキングして除去することにより、観察対象のホログラムへの影響を抑制しつつサイドバンドの除去を行うことができる。

前記サイドバンド除去部は、前記焦点はずし像と、前記観察対象に焦点を合わせることにより前記観察面に形成される正焦点像と、の差分を取ることにより前記サイドバンド除去像を生成するものとしても良い。

この構成によれば、焦点ずらし像と正焦点像との両方の像に共通して現れるノイズが波動の再生に与える影響を低減することができるので、より正確に観察対象位置の波動を再生することが可能となる。

前記演算部は、再生された前記試料面における波動の振幅と位相との少なくとも一方に基づいて前記観察対象を表す画像を生成するものとしても良い。

この構成によれば、観察対象が画像として表されるので、観察結果の評価がより容易となる。

前記波動源は、可干渉性の１つの電子線を発生する電子源と、前記電子線の経路に設置され前記電子線を進行方向の異なる複数の電子線に分割する電子線プリズムとを備え、前記結像部は、前記観察対象を透過した電子線を前記観察面に結像させ得る結像レンズを備えるものとしても良い。

この構成によれば、電子顕微鏡による観察において電子線の照射量を低減できるので、試料に対する電子線照射の影響を抑えることができる。

前記波動源は、可干渉性の１つの光線を発生するレーザと、前記光線の経路に設置され前記光線を進行方向の異なる複数の光線に分割する光線分割部とを備え、前記結像部は、前記観察対象を透過した光線を前記観察面に結像させ得る結像レンズを備えるものとしても良い。

この構成によれば、光学顕微鏡による観察において光線の照射量を低減できるので、試料に対する光線照射の影響を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、観察装置と観察方法、それらの観察装置および観察方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図２は、第１実施例における透過電子顕微鏡１０ａの構成図である。この透過電子顕微鏡１０ａは、図１に示す従来の透過電子顕微鏡１０と同様に、観察対象である試料ＳＰＣ２に電子線を照射する電子線照射装置１００ａと、試料ＳＰＣ２と相互作用した電子線から試料ＳＰＣ２の像を観察面に形成する結像部２００と、観察面に形成された像を取得する撮像装置３１０と、を備えている。電子線照射装置１００ａは、電子源１１０と集束レンズ１２０とを備え、結像部２００は、対物レンズ２１０と投影レンズ２２０とを備えている。

第１実施例の透過電子顕微鏡１０ａは、電子線照射装置１００ａの集束レンズ１２０と試料面との間に電子線プリズム１３０が設けられている点で図１に示す従来の透過電子顕微鏡１０と異なっている。他の点は、図１に示す従来の透過電子顕微鏡１０と同じである。ここで、電子線プリズムとは、電子線の経路に設置された一対の接地された平行平板と、平行平板の間に設けられた細い導電性のワイヤーとからなる装置である。なお、本実施例の電子線プリズム（一般に、「電子線バイプリズム」と呼ばれる）については、平山司，「電子波干渉による電場・磁場の直視と材料科学への応用」（まてりあ，社団法人日本金属学会，１９９８年，第３７巻，ｐ．４５４−４６０）等に記載がある。

電子線プリズム１３０のワイヤーに正の電圧を印加すると負の電荷を持つ電子の波はワイヤーに引き寄せられるので、電子線は進行方向の異なる２つの電子線に分割される。電子源１１０で発生する電子線が可干渉であれば、電子線プリズム１３０により分割された２つの電子線は可干渉となる。なお、可干渉な電子源としては、電界放出型の電子銃などを使用することができる。

可干渉な２つの電子線の干渉により、試料面での電子線強度（電子波の振幅の２乗）は電子線の屈曲方向にサインカーブ状に変化する。このように電子線強度分布がサインカーブ状となることにより、試料面には電子の干渉縞が形成される。試料面で形成された干渉縞の暗部は、このサインカーブの底部に相当する。そのため、観察対象である試料ＳＰＣ２を干渉縞の暗部に配置すると試料ＳＰＣ２に照射される電子線強度は、試料面における電子線の平均強度の２分の１以下（以下、「ほぼゼロ」という）となるので、試料ＳＰＣ２の電子線照射による損傷を抑えることができる。

試料ＳＰＣ２に照射される電子線強度をほぼゼロとし試料ＳＰＣ２の照射損傷を抑えるためには、試料面での干渉縞の間隔を試料ＳＰＣ２の大きさの３倍以上とすればよい。より好ましくは、試料ＳＰＣ２に照射される電子線の最大強度が試料面での電子線の平均強度の１０分の１以下とされる。この観察条件は、試料面での干渉縞の間隔を試料ＳＰＣ２の大きさの７倍以上とすることにより実現することができる。さらに好ましくは、試料ＳＰＣ２に照射される電子線の最大強度は、試料面での電子線の平均強度の２０分の１以下とされる。この平均強度の２０分の１以下の照射電子線強度は、試料面での干渉縞の間隔を試料の大きさの１０倍以上とすることで実現される。

なお、試料面に形成される干渉縞の間隔は、電子線プリズム１３０により分割された２つの電子線の進行方向と電子線の波長によって決定される。そのため、電子線プリズム１３０のワイヤーに印加する電圧と電子線の加速電圧とを適宜調整することにより、干渉縞の間隔を所望の値とすることができる。

図３は、図２に示す透過電子顕微鏡１０ａを用いた試料の観察装置１０００の機能的な構成を示す機能ブロック図である。この観察装置１０００は、透過電子顕微鏡１０ａと、解析表示部４００と、を備えている。透過電子顕微鏡１０ａの試料台１２には、観察対象の試料が取り付けられる。撮像装置３１０は、透過電子顕微鏡１０ａの観察面（図２）に形成された像（観察面投影像）ＩＶを取得する。

解析表示部４００は、再生演算部４１０と、表示部４２０と、を備えている。再生演算部４１０は、撮像装置３１０により取得された観察面投影像ＩＶに所定の演算処理を施すことにより、試料面（図２）における電子線の状態を表す試料画像ＩＳを生成する。再生演算部４１０により生成された試料画像ＩＳは、表示部４２０により表示される。なお、再生演算部４１０が実行する所定の演算処理については、後述する。

図４は、透過電子顕微鏡１０ａにより試料ＳＰＣ２の正焦点条件での観察を行う様子を示す説明図である。ここで、正焦点条件とは、試料面からの電子線が対物レンズ２１０により一次像面で結像する条件を言い、このとき試料面と一次像面とは、光学的に共役な位置関係となる。なお、図４は、図２と同一の図面である。

図４に示す正焦点条件では、一次像面には、試料面の電子線強度の強弱を表す干渉縞ＩＢＦ２が形成される。試料ＳＰＣ２の像ＩＭＦ２は、試料ＳＰＣ２が電子線強度が弱い位置に設けられているため、一次像面では干渉縞ＩＢＦ２の暗部とが重なっている。観察面には、一次像面に形成された像の拡大像が形成される。そのため、図４に示す正焦点条件では、試料ＳＰＣ２の像ＩＭＰ２と、干渉縞ＩＢＰ２の暗部とが重なり、試料ＳＰＣ２の像ＩＭＰ２は観察することができない。

図５は、透過電子顕微鏡１０ａを用いて取得した試料の正焦点条件での観察像（正焦点像）の一例を示す図である。観察対象の試料は、電子線が透過する程度に薄いカーボン膜上に付着した直径１０ｎｍの金の微粒子である。図５の例では、電子線プリズム１３０のワイヤへの印加電圧を調整することにより、試料面での干渉縞の間隔を約１２０ｎｍとしている。図５に示すように、正焦点条件では、観察面には干渉縞の像が形成され、図５中の白い点線で示される領域にある金の微粒子は、電子線強度が弱い干渉縞の暗部にあるため観察されない。

第１実施例では、電子線強度の弱い位置に設けられた試料の観察を行うため、一次像面（図４）および観察面（図４）に試料から焦点がはずれた像（焦点はずし像）が形成される。焦点はずし像は、例えば、図４に示す正焦点条件から試料面および一次像面の位置関係を変更することなく、対物レンズ２１０の焦点距離を正焦点条件での焦点距離から変化させることにより一次像面に形成される。観察面には一次像面に形成された像が拡大投影されるので、一次像面に焦点はずし像を形成することにより、観察面にも焦点はずし像が形成される。観察面に形成された焦点はずし像は、撮像装置３１０により取得される。

図６は、透過電子顕微鏡１０ａにより試料ＳＰＣ２の焦点はずし像を取得する様子を示す説明図である。図６の例では、対物レンズ２１０の焦点距離を長くすることにより、試料ＳＰＣ２の焦点はずし像を一次像面および観察面に形成している。このとき、対物レンズ２１０に関して一次像面と光学的に共役な面（以下、「共役面」とも呼ぶ）は、試料面よりも電子線照射装置１００ａ寄りに位置している。この共役面は、結像部２００に関して観察面と光学的に共役な面でもある。

図６に示すように共役面が試料面よりも電子線照射装置１００ａ側にある観察条件は、「不足焦点条件」と呼ばれる。不足焦点条件では、図６に示すように、試料面からの電子線は一次像面よりも投影レンズ２２０寄りに結像する。図６は、観察条件を不足焦点条件に設定している他は、図４と同じである。

一次像面に形成される焦点はずし像は、共役面における電子線強度を表している。共役面では、試料面に入射する２つの電子線が干渉するとともに、試料ＳＰＣ２と相互作用した電子線と試料面に入射する電子線とが干渉する。そのため、一次像面には、試料面に入射する２つの電子線の干渉で生じる干渉縞ＩＢＦ２と、試料ＳＰＣ２と相互作用した電子線と試料面に入射する電子線との干渉で生じるホログラムＩＨＦ２とが形成される。観察面には、干渉縞ＩＢＦ２が拡大された干渉縞ＩＢＰ２と、ホログラムＩＨＦ２とが拡大されたホログラムＩＨＰ２とが形成される。なお、図６に示すように、一次像面のホログラムＩＨＦ２と観察面のホログラムＩＨＰ２とは、試料面に入射する２つの電子線のそれぞれに対応して２つずつ形成される。

なお、図６の例では、不足焦点条件とすることにより、試料ＳＰＣ２のホログラムＩＨＰ２を形成しているが、試料ＳＰＣ２のホログラムは、共役面が試料面よりも対物レンズ２１０寄りに位置する過焦点条件においても形成することが可能である。過焦点条件は、試料面と一次像面と対物レンズ２１０との位置関係を維持したまま、対物レンズ２１０の焦点距離を正焦点条件よりも短くすることにより得ることができる。また、試料面と一次像面と対物レンズ２１０との位置関係を変更することにより、対物レンズ２１０の焦点距離を変化させることなく観察条件を不足焦点条件あるいは過焦点条件とすることも可能である。

第１実施例では、図３に示すように、撮像装置３１０で取得された干渉縞ＩＢＰ２とホログラムＩＨＰ２と含む観察面投影像ＩＶは、再生演算部４１０に供給される。再生演算部４１０は、干渉縞ＩＢＰ２とホログラムＩＨＰ２とを含む観察面投影像ＩＶから試料面の各点における電子波の振幅および位相を算出する（このような特定の位置での波動の振幅と位相との算出は、「波動の再生」と呼ばれる）。なお、ホログラムからの波動の再生は、例えば、「電子波で見る世界」（外村彰著、１９８５年１１月、丸善発行）等に記載された方法が利用できる。そして、再生された波動の振幅と位相との少なくとも一方に基づいて画像を生成することにより、試料画像ＩＳが生成される。

図７（ａ）は、透過電子顕微鏡１０ａ（図６）を用いて取得した試料の焦点はずし像を示している。図７（ａ）に示す焦点はずし像の観察条件は、対物レンズ２１０の焦点距離を長くして不足焦点条件で観察している点の他は、図５に示す正焦点条件の像を取得した際の観察条件と同一である。図７（ａ）に示すように、焦点はずし像には、図７（ａ）の矢印に示す位置に試料に対応する２つのホログラムが形成されている。図７（ａ）に示す焦点はずし像は、透過電子顕微鏡１０ａ（図６）の共役面を試料面の位置から電子線照射装置１００ａ側に２１ｍｍ移動させたときに観察面に形成される像である。

この共役面と試料面と距離は、焦点ずらし量とも呼ばれ、不足焦点条件では負の値で表され、過焦点条件では正の値で表される。なお、焦点ずらし量は、ホログラムが観察可能であれば任意の量に設定することが可能である。但し、焦点ずらし量は、ホログラム中の干渉縞の間隔が電子線プリズム１３０（図６）により分割された２つの電子線の干渉で生じる干渉縞の間隔よりも長くなるように設定されるのがより好ましい。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の焦点はずし像から再生した試料の像を示している。図７（ｂ）は、具体的には、図７（ａ）の焦点はずし像から再生した試料面での波動の位相成分を画像にしたものである（このような画像は、「位相再生像」と呼ばれる）。図７（ｂ）に示すように、位相再生像には、矢印に示す位置に２つの試料の像が観察される。

このように、第１実施例の観察装置１０００によれば、可干渉な２つの電子線を試料面で干渉させ、干渉で生じた干渉縞の暗部に試料を配置することにより試料に照射される電子線強度をほぼゼロとすることができる。試料に照射される電子線の強度をほぼゼロにすることにより、試料の電子線照射による損傷を抑えることができる。そして、試料の焦点はずし像を取得し、焦点はずし像から試料面位置での電子波の波動を再生することにより、試料の像を取得することが可能となる。

Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例における試料の観察装置１０００ｂの機能的な構成を示す機能ブロック図である。第２実施例は、解析表示部４００ｂがサイドバンド除去部４３０を有している点で、第１実施例と異なっている。他の点は、第１実施例と同じであるので、ここではその説明を省略する。なお、解析表示部４００ｂの再生演算部４１０とサイドバンド除去部４３０とは、併せて、一連の演算を行い試料面での電子線の波動を再生する「演算部」とも呼ぶことができる。

サイドバンド除去部４３０は、観察面投影像ＩＶから電子線プリズム１３０（図６）によって分割された２つ電子線の干渉で生じる干渉縞ＩＢＰ２（以下、「サイドバンドＩＢＰ２」と呼ぶ）を除去する機能を有している。サイドバンド除去部４３０により観察面投影像ＩＶからサイドバンドＩＢＰ２が除去された画像（サイドバンド除去像）ＩＸは、再生演算部４１０に供給される。再生演算部４１０は、第１実施例と同様に、試料面での電子線の波動を再生し、試料画像ＩＳを生成する。そして、生成された試料画像ＩＳは、表示部４２０により表示される。

サイドバンド除去部４３０は、フーリエ変換処理部４３２と、マスキング処理部４３４と、フーリエ逆変換処理部４３６と、を有している。フーリエ変換処理部４３２は、観察面投影像ＩＶにフーリエ変換を施すことにより、観察面投影像ＩＶのパワースペクトルであるフーリエ変換像ＩＦを生成する。

図９（ａ）は、図７（ａ）に示す観察面投影像ＩＶをフーリエ変換したフーリエ変換像ＩＦを示している。フーリエ変換像ＩＦには、矢印で示す位置に、高輝度の１対のスポットが現れている。この１対のスポットの中心は、フーリエ変換像ＩＦの中心と一致する。なお、スポット間の距離は、サイドバンドＩＢＰ２（図６）の間隔に対応している。すなわち、フーリエ変換像ＩＦに現れる高輝度のスポットは、サイドバンドＩＢＰ２に対応するスペクトルのピークである。

図８のマスキング処理部４３４は、フーリエ変換像ＩＦのうち、サイドバンドＩＢＰ２に対応するスポットをマスキングする。そして、マスキングされたフーリエ変換像ＩＦ’を生成する。マスキング処理部４３４は、具体的には、フーリエ変換像ＩＦのうち、高輝度の１対のスポットとその周辺の所定の領域の輝度を０にする。なお、輝度を０にする所定の領域は、フーリエ変換像ＩＦの状況に応じて適宜設定される。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すフーリエ変換像ＩＦにマスキング処理を行った結果を示している。図９の例では、高輝度のスポットとその周辺の円形の領域にマスキング処理を行っている。図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）に示すフーリエ変換像ＩＦに現れていた高輝度の１対のスポットは、マスキング処理後のフーリエ変換像ＩＦ’において除去されている。

図８のフーリエ逆変換処理部４３６は、マスキング処理後のフーリエ変換像ＩＦ’にフーリエ逆変換を行うことにより、観察面投影像ＩＶからサイドバンドＩＢＰ２（図６）が除去されたサイドバンド除去像ＩＸを生成する。

図１０（ａ）は、図９（ｂ）に示すマスキング処理後のフーリエ変換像ＩＦ’に逆フーリエ変換を行った結果を示している。図１０（ａ）に示すように、サイドバンド除去像ＩＸでは、図７（ａ）に示すサイドバンドの除去を行う前の観察面投影像ＩＶよりも、試料のホログラム（矢印で示す）が明瞭になる。

図８のフーリエ逆変換処理部４３６で生成されたサイドバンド除去像ＩＸは、再生演算部４１０に供給される。再生演算部４１０は、サイドバンド除去像ＩＸから試料面位置での電子波の波動を再生し、試料画像ＩＳを生成する。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサイドバンド除去像ＩＸから生成された位相再生像を示している。図１０（ｂ）に示すように、サイドバンド除去像ＩＸから生成された位相再生像では、サイドバンドを除去しない観察面投影像ＩＶから生成された位相再生像（図７（ｂ））よりも、試料の像をより明瞭に観察することができる。

第２実施例では、第１実施例と同様に、試料に照射される電子線の強度をほぼゼロにすることにより、試料の電子線照射による損傷を抑えることができる。なお、第２実施例は、サイドバンドを除去することにより、より明瞭な試料の像を取得することが可能となる点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、試料画像ＩＳの取得のための画像処理量が低減可能な点で、第２実施例よりも好ましい。

なお、図９の例では、高輝度のスポットとその周辺の円形の領域にマスキング処理を行っているが、マスキング処理を行う領域は、サイドバンドに相当する高輝度のスポットを含む領域であればよい。

図１１（ａ）は、図９（ａ）に示すフーリエ変換像ＩＦの高輝度のスポットとその周辺の楕円形の領域にマスキング処理を行った例を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すマスキング処理後のフーリエ変換像ＩＦ’にフーリエ逆変換を行った結果を示している。マスキング処理を楕円形の領域に対して行うことにより、図１１（ｂ）に示すサイドバンド除去像ＩＸでは、図１０（ａ）のサイドバンド除去像ＩＸに残存する電子線プリズム１３０（図６）のワイヤによって生じる周期の長い干渉縞が除去される。

図１２は、２つの異なるマスキング処理によって得られたサイドバンド除去像から生成された位相再生像を示している。図１２（ａ）は、図９（ｂ）に示す第１のマスキング処理により得られたサイドバンド除去像（図１０（ａ））から生成された位相再生像を示している。図１２（ａ）は、図１０（ｂ）と同じである。図１２（ｂ）は、図１１（ａ）に示す第２のマスキング処理により得られたサイドバンド除去像（図１１（ｂ））から生成された位相再生像を示している。図１２に示すように、第２のマスキング処理によって周期の長い干渉縞を除去することにより、より明瞭な試料の像を取得することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１３は、第３実施例における観察装置１０００ｃの機能的構成を示す機能ブロック図である。第３実施例は、透過電子顕微鏡１０ａに換えて光学顕微鏡１０ｃを観察装置１０００ｃに使用している点で、第１実施例と異なっている。他の点は、第１実施例と同じである。

図１４は、観察装置１０００ｃで使用される光学顕微鏡１０ｃの構成図である。第１実施例の透過電子顕微鏡１０ａでは観察対象に作用させる波動として電子線を用いているが、第３実施例の光学顕微鏡では光線を用いている。第３実施例の光線源１００ｃは、可干渉な平行光線の発生源であるレーザ１１０ｃとマッハ・ツェンダー型の干渉装置１４０とを備えている。対物レンズ２１０ｃには、電子レンズに換えて光学レンズが用いられている。また、撮像装置３１０ｃも光線による観察に適当なものが使用されている。なお、第３実施例の光学顕微鏡１０ｃでは、対物レンズ２１０ｃにより試料ＳＰＣ３の像が観察面に形成されるので、対物レンズ２１０ｃは結像部２００ｃ（図１３）に相当する。また、これらの対物レンズ２１０ｃは、正焦点条件において試料面を透過した光線を観察面に結像させるので「結像レンズ」であるとも言える。

干渉装置１４０は、２つの半透鏡１４２，１４８と２つの鏡１４４，１４６とを備えている。干渉装置１４０に入射した光線は、第１の半透鏡１４２により２つの光線に分割され、第２の半透鏡１４８と２つの鏡１４４，１４６とによって光路が転換される。このように干渉装置１４０によって、レーザ１１０ｃからの光線は、進行方向の異なる可干渉な２つの光線に分割される。

第１実施例と同様に、可干渉な２つの光線の干渉により試料面での光の強度分布がサインカーブ状になり、試料面に干渉縞ＩＢＳ３が形成される。そして、試料面の干渉縞ＩＢＳ３の暗部に配置された試料ＳＰＣ３に照射される光量はほぼゼロとなり、試料ＳＰＣ３への光の影響を抑えることができる。なお、試料面に形成される干渉縞ＩＢＳ３の間隔は、干渉装置１４０に設けられた第１の半透鏡１４２または反射鏡１４６の角度を調整することにより調整できる。

なお、第３実施例では、干渉装置としてマッハ・ツェンダー型の干渉装置１４０を用いているが、干渉装置としてはレーザ１１０ｃからの光線を２つに分割し、分割された２つの光線の光路をそれぞれ試料ＳＰＣ３の方向に転換できればよい。また、光線を２つに分割するビームスプリッタとしては、上記の半透鏡１４２のほか、回折格子や偏光ビームスプリッタ等を使用することも可能である。

第３実施例の光学顕微鏡１０ｃでは、対物レンズ２１０ｃあるいは観察面の位置を正焦点条件での位置から変えることにより、焦点はずし像を取得することができる。図１４の例では、対物レンズ２１０ｃからの観察面の距離を正焦点条件での距離よりも小さくすることにより観察条件を不足焦点条件とし、観察面に焦点はずし像を形成している。

観察条件を不足焦点条件とすることにより、観察面には、干渉装置によって分割された２つの光線の干渉で生じる干渉縞ＩＢＰ３と、試料ＳＰＣのホログラムＩＨＰ３とが形成される。干渉縞ＩＢＰとホログラムＩＨＰ３とを含む観察面に形成された像は、撮像装置３１０ｃにより取得される。撮像装置３１０ｃが取得した像は、解析表示部４００（図１３）により第１実施例と同様に解析され、試料ＳＰＣ３の像が生成・表示される。

このように、第３実施例の観察装置１０００ｃによれば、試料に照射される光線の強度をほぼゼロにすることにより、試料に対する光線照射の影響を低減することができる。そして、試料の焦点はずし像を取得し、焦点はずし像から試料面位置での光線の波動を再生することにより、試料の像を取得することが可能となる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記第２実施例では、フーリエ変換・逆変換とフーリエ像のマスキング処理によりサイドバンドの除去を行っているが、サイドバンドの除去は、他の方法により実行することも可能である。具体的には、焦点ずらし像と正焦点像との２つの像の差分を取ることにより、焦点ずらし像からサイドバンドを除去することも可能である。このようにすることにより、撮像装置３１０（図２）の感度ムラや観察対象以外の夾雑物等、焦点ずらし像と正焦点像との両方の像に共通して現れるノイズが再生される試料の画像に対する影響をより少なくすることができる。

Ｄ２．変形例２：
上記第３実施例では、観察面に形成された焦点はずし像から試料の像の生成・表示を行っているが、第２実施例と同様に焦点はずし像からサイドバンド除去像を生成し、サイドバンド除去像から試料の像の生成・表示を行うものとしても良い。このようにすれば、第２実施例と同様に、試料の像をより明瞭に観察することが可能となる。

Ｄ３．変形例３：
上記各実施例では、試料面における波動を再生し、再生した波動から試料面での波動の状態を表す試料画像を生成しているが、試料画像の生成を省略することも可能である。この場合、試料の観察は、試料の拡大像が形成可能なホログラムを生成し、生成されたホログラムに可干渉光を照射することにより行うことができる。

Ｄ４．変形例４：
上記各実施例では、観察対象に作用させる波動を２つとしているが、観察対象に作用させる波動を２以上の任意の数とすることができる。このようにしても、複数の波動の干渉により、観察対象に作用する波動の強度が観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とできるので、観察対象に作用する波動の影響を低減することができる。

Ｄ５．変形例５：
上記各実施例では、観察対象に作用させる波動として、電子線および光線を用いているが、結像可能で干渉性を有する波動であれば本発明の観察装置および観察方法に適用できる。例えば、陽子線やイオン線等を使用することも可能である。また、上記各実施例では電磁波として光線とを用いているが、結像可能な波長であれば本発明の観察装置および観察方法に適用できる。例えば、紫外線、可視光線、赤外線のいずれもが本発明の観察装置および観察方法に使用可能である。

従来の透過電子顕微鏡１０の構成図。 第１実施例における透過電子顕微鏡１０ａの構成図。 第１実施例における試料の観察装置１０００の機能的な構成を示す機能ブロック図。 透過電子顕微鏡１０ａにより試料ＳＰＣ２の正焦点条件での観察を行う様子を示す説明図。 透過電子顕微鏡１０ａを用いて取得した試料の正焦点像の一例を示す図。 透過電子顕微鏡１０ａにより試料ＳＰＣ２の焦点はずし像を取得する様子を示す説明図。 透過電子顕微鏡１０ａを用いて取得した試料の焦点はずし像と、焦点はずし像から再生された試料の像を示す図。 第２実施例における試料の観察装置１０００ｂの機能的な構成を示す機能ブロック図。 焦点はずし像をフーリエ変換したフーリエ変換像と、フーリエ変換像にマスキング処理を行った結果を示す図。 サイドバンド除去像と、サイドバンド除去像から再生された試料の像を示す図。 異なるマスキング処理結果と、マスキング処理から得られるサイドバンド除去像を示す図。 ２つの異なるマスキング処理によって得られたサイドバンド除去像から生成された位相再生像を示す図。 第３実施例における試料の観察装置１０００ｃの機能的な構成を示す機能ブロック図。 観察装置１０００ｃで使用される光学顕微鏡の構成図。

符号の説明

１０，１０ａ…透過電子顕微鏡
１０ｃ…光学顕微鏡
１２，１２ｃ…試料台
１００，１００ａ…電子線照射装置
１００ｃ…光線源
１１０…電子源
１１０ｃ…レーザ
１２０…集束レンズ
１３０…電子線プリズム
１４０…干渉装置
１４２，１４８…半透鏡
１４４，１４６…鏡
１４６…反射鏡
２００，２００ｃ…結像部
２１０，２１０ｃ…対物レンズ
２２０…投影レンズ
３１０，３１０ｃ…撮像装置
４００，４００ｂ…解析表示部
４１０…再生演算部
４２０…表示部
４３０…サイドバンド除去部
４３２…フーリエ変換処理部
４３４…マスキング処理部
４３６…フーリエ逆変換処理部
１０００，１０００ｂ，１０００ｃ…観察装置

Claims (8)

1. 観察対象である物体もしくは場に波動を作用させて前記観察対象を観察する観察装置であって、
   可干渉性を有する複数の波動を発生し、この際、前記複数の波動の干渉により前記観察対象に作用する波動の強度を前記観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とするように前記複数の波動を発生する波動源と、
   前記観察対象と相互作用した波動から、観察面に画像を形成する結像部と、
   前記観察対象から焦点をはずすことにより前記観察面に形成される前記観察対象のホログラムを含む焦点はずし像から、前記観察対象の位置における波動を再生する演算部と、
   を備える、観察装置。
2. 請求項１記載の観察装置であって、
   前記演算部は、前記焦点はずし像に含まれ前記複数の波動の干渉により形成される干渉縞であるサイドバンドを前記焦点はずし像から除去して、サイドバンド除去像を生成するサイドバンド除去部を有する、観察装置。
3. 請求項２記載の観察装置であって、
   前記サイドバンド除去部は、
   前記焦点はずし像をフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換処理部と、
   前記フーリエ変換処理部により生成されたフーリエ変換像から、前記サイドバンドに相当するスペクトル成分を含む領域をマスキングして除去するマスキング処理部と、
   マスキングされたフーリエ変換像をフーリエ逆変換することにより、前記サイドバンド除去像を生成するフーリエ逆変換処理部と、
   を有する、観察装置。
4. 請求項２記載の観察装置であって、
   前記サイドバンド除去部は、前記焦点はずし像と、前記観察対象に焦点を合わせることにより前記観察面に形成される正焦点像と、の差分を取ることにより前記サイドバンド除去像を生成する、観察装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の観察装置であって、
   前記演算部は、再生された前記観察対象の位置における波動の振幅と位相との少なくとも一方に基づいて前記観察対象を表す画像を生成する、観察装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか記載の観察装置であって、
   前記波動源は、可干渉性の１つの電子線を発生する電子源と、前記電子線の経路に設置され前記電子線を進行方向の異なる複数の電子線に分割する電子線プリズムとを備え、
   前記結像部は、前記観察対象を透過した電子線を前記観察面に結像させ得る結像レンズを備える、観察装置。
7. 請求項１ないし５のいずれか記載の観察装置であって、
   前記波動源は、可干渉性の１つの光線を発生するレーザと、前記光線の経路に設置され前記光線を進行方向の異なる複数の光線に分割する光線分割部とを備え、
   前記結像部は、前記観察対象を透過した光線を前記観察面に結像させ得る結像レンズを備える、観察装置。
8. 観察対象である物体もしくは場に波動を作用させて前記観察対象を観察する観察方法であって、
   可干渉性を有する複数の波動を発生し、前記複数の波動の干渉させて前記観察対象に作用する波動の強度を前記観察対象の位置における波動の平均強度の２分の１以下とする工程と、
   前記観察対象と相互作用した波動から、観察面に画像を形成する工程と、
   前記観察対象から焦点をはずすことにより前記観察面に形成される前記観察対象のホログラムを含む焦点はずし像から、前記観察対象の位置における波動を再生する工程と、
   を備える、観察方法。

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