JP2015046228A - 微小信号検出システム及びこれを搭載した電子顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】信号検出精度を向上する微小信号検出システム及びこれを搭載した電子顕微鏡を提供することを目的とする。【解決手段】所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して前記所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得た算出データを出力する統計データ取得部と、入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答した信号を出力する非線形特性部と、前記非線形特性部の出力信号が前記所望信号であるか判定して、前記所望信号である場合の検出率を算出して検出率データを出力する信号検出率評価部と、前記信号検出率評価部で得られた検出率データと前記統計データ取得部で得られた算出データに基づき、前記非線形特性部の応答性に関する制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、前記非線形特性部の出力信号を演算処理してディジタルデータまたは画像データに変換する信号処理部と、を有することを特徴とする微小信号検出システム。【選択図】図１
Description
本発明は、微小信号を検出するシステム及びこれを搭載した電子顕微鏡に関するものである。
近年、半導体検査装置や医療診断・計測装置などでは、検査対象物の微細化に伴い、対象物を検査・計測するための検出信号において信号対雑音比(Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ)が低下しており、このような低ＳＮＲの検出信号から検査対象物の形状や物性などを反映した所望信号を精度よく検出することが要求されている。例えば、半導体検査・計測装置は、検査・計測対象のウェハに、レーザや光、電子ビーム等を照射し、ウェハからの散乱光や二次電子をフォトマルやシンチレータなどの検出器で電気信号に変換して、前置増幅器、演算処理回路、ディスプレイを通して、ウェハ上の異物やパターン形状を検査・計測する装置である。
半導体検査・計測装置では、半導体の微細化に伴いレーザや光、電子ビームの照射量を絞ることで測定分解能を向上しているが、一方で、照射量を絞ることにより、所望信号の強度が、検出器や増幅器などで発生するノイズに比べて相対的に小さくなるため、所望信号を高精度に検出することが困難となる。
そのため、例えばノイズのランダム性を利用して、複数の検出信号を平均化して所望信号を精度良く検出する方法がある。例えば、特開２００８−２８６７３６号公報（特許文献１）では「ある入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して応答する信号を検出対象とし、特に時間的に変化する複数の応答信号を検出する多チャンネルの微弱信号検出系において、入力信号を時分割多重すると共に、多重化の条件を最適化し、応答信号に対して２段階の平均化処理を施すことにより、微弱信号を高いＳＮ比で検出する。」と記載されている。
また、ノイズ強度が小さい入力信号おける信号検出率の低下を改善する方法として、特開２００２−２２１５４６号公報（特許文献２）に記載の技術があり、特許文献２には、「入力信号を非線形回路１１へ入力し、その出力時系列を記憶し（１３）、そのパワースペクトルを計算し（１５）、またノイズを生成し（１６）、その強度を徐々に上げて入力信号と合成して非線形回路１１へ供給し、各ノイズ強度ごとにパワースペクトルを計算し、各パワースペクトルのピークを検出し（１８）、そのピーク値を求め、これらピーク値の最大のものを求め、その最大ピークの周期を求める微弱信号の周期とする（２０）。」と記載されている。
半導体検査・計測装置では、半導体の微細化に伴いレーザや光、電子ビームの照射量を絞ることで測定分解能を向上しているが、一方で、照射量を絞ることにより、所望信号の強度が、検出器や増幅器などで発生するノイズに比べて相対的に小さくなるため、所望信号を高精度に検出することが困難となる。
そのため、例えばノイズのランダム性を利用して、複数の検出信号を平均化して所望信号を精度良く検出する方法がある。例えば、特開２００８−２８６７３６号公報（特許文献１）では「ある入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して応答する信号を検出対象とし、特に時間的に変化する複数の応答信号を検出する多チャンネルの微弱信号検出系において、入力信号を時分割多重すると共に、多重化の条件を最適化し、応答信号に対して２段階の平均化処理を施すことにより、微弱信号を高いＳＮ比で検出する。」と記載されている。
また、ノイズ強度が小さい入力信号おける信号検出率の低下を改善する方法として、特開２００２−２２１５４６号公報（特許文献２）に記載の技術があり、特許文献２には、「入力信号を非線形回路１１へ入力し、その出力時系列を記憶し（１３）、そのパワースペクトルを計算し（１５）、またノイズを生成し（１６）、その強度を徐々に上げて入力信号と合成して非線形回路１１へ供給し、各ノイズ強度ごとにパワースペクトルを計算し、各パワースペクトルのピークを検出し（１８）、そのピーク値を求め、これらピーク値の最大のものを求め、その最大ピークの周期を求める微弱信号の周期とする（２０）。」と記載されている。
特許文献１の方法によれば、半導体のさらなる微細化に伴い、平均化回数を更に増やす必要があり、検出器のチャネル数増加に伴う装置の大型化や高コスト化、また、演算処理回路の高速化により消費電力の増大を招く恐れがある。
また、特許文献２の方法によれば、ノイズ強度が小さく線形システムよりも信号検出率が低下する場合、ノイズ生成回路でノイズを重畳して、ノイズ強度を最適化することにより、信号検出率を改善することができる。しかしながら、この方法では、ノイズ強度の小さい入力信号に対してノイズを重畳するため、線形システムで得られる信号検出率よりも低下する場合がある。例えば、入力信号にノイズが全く存在しない場合、線形システムでは所望信号を完全に再現した出力信号が得られるにもかかわらず、ノイズを重畳して状態遷移を起こすために信号検出率が低下する。
また、ノイズを生成するためのノイズ生成回路や、入力信号に生成ノイズを重畳するための加算回路などが必要であり、回路規模が大きくなると共に消費電力が増加するという課題がある。さらに、ノイズを非線形信号検出システム内で生成するため、ノイズが周辺回路に回り込み、システムの動作が不安定になる可能性がある。
本発明は上記課題を考慮し、信号検出精度を向上する微小信号検出システムおよび及びこれを搭載した電子顕微鏡を提供することを目的とするものである。
また、ノイズを生成するためのノイズ生成回路や、入力信号に生成ノイズを重畳するための加算回路などが必要であり、回路規模が大きくなると共に消費電力が増加するという課題がある。さらに、ノイズを非線形信号検出システム内で生成するため、ノイズが周辺回路に回り込み、システムの動作が不安定になる可能性がある。
本発明は上記課題を考慮し、信号検出精度を向上する微小信号検出システムおよび及びこれを搭載した電子顕微鏡を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、微小信号検出システムであって、所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して前記所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得た算出データを出力する統計データ取得部と、入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答した信号を出力する非線形特性部と、前記非線形特性部の出力信号が前記所望信号であるか判定して、前記所望信号である場合の検出率を算出して検出率データを出力する信号検出率評価部と、前記信号検出率評価部で得られた検出率データと前記統計データ取得部で得られた算出データに基づき、前記非線形特性部の応答性に関する制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、前記非線形特性部の出力信号を演算処理してディジタルデータまたは画像データに変換する信号処理部と、を有することを特徴とする。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、微小信号検出システムであって、所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して前記所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得た算出データを出力する統計データ取得部と、入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答した信号を出力する非線形特性部と、前記非線形特性部の出力信号が前記所望信号であるか判定して、前記所望信号である場合の検出率を算出して検出率データを出力する信号検出率評価部と、前記信号検出率評価部で得られた検出率データと前記統計データ取得部で得られた算出データに基づき、前記非線形特性部の応答性に関する制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、前記非線形特性部の出力信号を演算処理してディジタルデータまたは画像データに変換する信号処理部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、信号検出精度を向上する微小信号検出システムおよび及びこれを搭載した電子顕微鏡を提供することができる。
以下、図面を用いて発明の実施形態について説明する。図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能である。
図１は、本発明の第１の実施形態による非線形信号検出システムの構成を示す図である。本発明の非線形信号検出システムは、所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得られた算出データを出力する統計データ取得部１０４と、入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答して信号を出力する非線形特性部１０１と、非線形特性部１０１の出力信号において所望信号の検出率を評価し検出率データを出力する信号検出率評価部１０３と、信号検出率評価部１０３から出力された検出率データと統計データ取得部１０４で得た算出データに基づき、非線形特性部１０１の制御パラメータを調整するパラメータ調整部１０５と、非線形特性部１０１の出力信号を演算処理しディジタルデータや画像データに変換する信号処理部１０２とで構成される。
非線形特性部１０１は、入力された信号を線形増幅する１つ以上の線形増幅回路と入力された信号に対して非線形に応答する１つ以上の非線形応答回路とからなり、線形増幅回路と非線形応答回路の増幅率は、非線形特性部において入力信号電圧に応答する状態遷移レベルを調整するパラメータであることを特徴とする。
統計データ取得部１０４では、入力信号における所望信号の振幅・ノイズの分散を測定する。統計データ取得部１０４において、所望信号がＬｏとＨｉの２値のディジタルデータで、ノイズが白色ガウス分布雑音とするとした場合の所望信号振幅およびノイズの分散を算出する方法の一例を示す。
白色ガウス分布ノイズの累計分布は、シグモイド関数で近似されることから、２値の所望信号に白色ガウス分布雑音を重畳した場合の電圧値累積データは次の［数１］の関数で表される。
ここで、ＦＬは所望信号のＬｏの出現頻度、ＦＨは所望信号のＨｉの出現頻度、ＶＬはＬｏの信号電圧の値、ＶＨはＨｉの信号電圧の値、σの自乗はノイズの分散を表す。［数１］で表される関数と取得した累積データとの二乗誤差が最小になるように、各パラメータをフィッティングすることで、信号振幅およびノイズの分散を求めることができる。
信号検出率評価部１０３では、非線形特性部１０１の出力信号における所望信号の検出率を評価し検出率データを出力する。所望信号の検出率を評価する方法の一例として、予め既知のデータ列を入力信号とし、既知のデータ列と非線形特性部１０１の出力信号とを比較することにより、信号検出率を評価する方法が有用である。
パラメータ調整部１０５では、統計データ取得部１０４で算出した信号振幅やノイズの算出データと、信号検出率評価部１０３で取得した検出率データをもとに、非線形特性部１０１が有する線形増幅回路と非線形応答回路の増幅率を調整する。増幅率の最適化調整方法の一例として、各増幅率を挿引して信号検出率評価部１０３で信号検出率を評価し、信号検出率が最大となる増幅率に設定する方法がある。
そのほかに、予め信号振幅およびノイズの分散に対して信号検出率が最大となる各増幅率をメモリに保持しておき、統計データ取得部１０４で得た信号振幅およびノイズの分散の値に応じて、メモリから最適な増幅率を読み出し、非線形特性部１０１を調整する方法でもよい。非線形特性部１０１が上記方法により最適化して得られた出力信号は信号処理部１０２で演算処理してディジタルデータや画像データに変換する。
図３に、非線形特性部の構成の一例を示す。まず、はじめに非線形特性部１０１は、ノイズの確率的変動を利用して、低ＳＮＲの微弱な検出信号において所望信号のみの強度が増加する確率共鳴現象を利用した非線形信号検出システムとして、［数２］および［数３］で表される双安定系非線形信号検出システムに基づくものである。
ここで、ｘは粒子の位置、Ｕ（ｔ、ｘ）は系のポテンシャル、ｓ（ｔ）はポテンシャルを傾動する信号、ｔは時間、ａ、ｂは定数を表す。
この双安定系非線形信号検出システムを例に、確率共鳴現象の物理的イメージを説明する。
図１４に、［数３］の双安定系非線形信号検出システムのポテンシャル図を示す。まず図１４（ａ）に示すように、このポテンシャルは二つの安定状態をもち、信号ｓ（ｔ）がゼロのとき、２つのポテンシャルの間には高さａ２／４ｂ３の障壁が存在する。ここで、一つのポテンシャルの井戸に粒子が存在すると仮定すると、図１４（ｂ）に示すように、微弱な信号によりポテンシャルが傾動し、粒子はポテンシャルの井戸の底を左右に移動する。この粒子が隣の井戸に遷移したとき初めてこの粒子の位置の変化を検知できるものとすると、このような微弱な傾動では位置の変化は検知できない。この系にさらにポテンシャルを大きく傾動させる信号が加わると、図１４（ｃ）に示すように、２つの井戸の間に存在する障壁が無くなり粒子が他方の井戸に急激に遷移し、このとき位置の変化が検知される。
図１４に、［数３］の双安定系非線形信号検出システムのポテンシャル図を示す。まず図１４（ａ）に示すように、このポテンシャルは二つの安定状態をもち、信号ｓ（ｔ）がゼロのとき、２つのポテンシャルの間には高さａ２／４ｂ３の障壁が存在する。ここで、一つのポテンシャルの井戸に粒子が存在すると仮定すると、図１４（ｂ）に示すように、微弱な信号によりポテンシャルが傾動し、粒子はポテンシャルの井戸の底を左右に移動する。この粒子が隣の井戸に遷移したとき初めてこの粒子の位置の変化を検知できるものとすると、このような微弱な傾動では位置の変化は検知できない。この系にさらにポテンシャルを大きく傾動させる信号が加わると、図１４（ｃ）に示すように、２つの井戸の間に存在する障壁が無くなり粒子が他方の井戸に急激に遷移し、このとき位置の変化が検知される。
微弱な信号を所望信号、大きな信号をノイズ、粒子の位置を出力信号とすると、所望信号とノイズを重ねあわせた入力信号が、［数４］で現される状態遷移レベルより大きくになったときに、出力信号の遷移が起こる。
状態遷移が適切に起こる所望信号とノイズが印加されると、所望信号と相関性の高い出力信号が検知される。図９に、所望信号の強度を一定としノイズ強度をパラメータとしたときの、線形システムおよび非線形信号検出システムによる信号検出率を示す。線形システムでは、ノイズ強度が強くなるに従い信号検出率が減少する。一方、非線形信号検出システムでは、特定のノイズ強度において線形システムよりも高い信号検出率が得られる。しかしながら、最適値よりもノイズ強度が弱い場合には、信号検出率が急激に低下し、線形システムよりも信号検出率が大きく低下する。これは、ポテンシャル障壁を無くすだけの入力信号が印加されず、状態遷移が起こりにくくなるためである。
図３に示すように、非線形特性部１０１は、線形増幅回路３０６と非線形応答回路３０７から構成される。非線形応答回路は３０７は、入力信号と正帰還増幅回路３０３および三次自乗回路３０５からの２つの帰還信号を加算する加算回路３０１と、加算した信号を積分する積分回路３０２と、積分した信号を線形増幅して加算回路３０１に出力する正帰還増幅回路３０３と、積分した信号を線形増幅して三次自乗回路３０５に出力する負帰還増幅回路３０４と、線形増幅した信号を三次自乗した信号を加算回路３０１に出力する三次自乗回路３０５で構成される。
状態遷移レベルは、［数４］に示したように、正帰還増幅回路３０３の正帰還増幅率ａの三次自乗の平方根に比例し、負帰還増幅回路３０４の負帰還増幅率ｂの三次自乗の平方根に反比例する。このことから、状態遷移レベルを下げるには、正帰還増幅率ａを下げるか、負帰還増幅率ｂを上げればよく、状態遷移レベルを上げるには、正帰還増幅率ａを上げるか、負帰還増幅率ｂを下げればよい。
上記構成によれば、例えば、入力信号のノイズ強度が弱く、非線形特性部において状態遷移が発生せず信号検出率が低下する場合、線形増幅回路と非線形応答回路の増幅率を調整して、状態遷移レベルを低くして状態遷移が最適に起こる状態にすることで、信号検出率を改善することができる。また、入力信号のノイズ強度が強く、非線形特性部において状態遷移が過度に発生し信号検出率が低くなった場合、線形増幅回路と非線形応答回路の増幅率を調整して、状態遷移レベルを高くして状態遷移が最適に起こる状態にすることで、信号検出率を改善することができる。
一方で、このような構成の非線形特性部は、正帰還増幅率ａと負帰還増幅率ｂによって、状態遷移レベルだけでなく、応答速度、出力信号振幅にも影響を与える。
図８に、状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅に対する正帰還増幅率ａと負帰還増幅率ｂの感度を示す。状態遷移レベルについては、先に述べたように、正帰還増幅率の三次自乗の平方根に比例し、負帰還増幅率の三次自乗の平方根に反比例して変化する。応答速度については、正帰還増幅率の平方根に反比例して変化し、負帰還増幅率に対する感度はゼロである。出力信号振幅については、正帰還増幅率の平方根に比例し、負帰還増幅率の３次自乗の平方根に反比例して変化する。
図８に、状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅に対する正帰還増幅率ａと負帰還増幅率ｂの感度を示す。状態遷移レベルについては、先に述べたように、正帰還増幅率の三次自乗の平方根に比例し、負帰還増幅率の三次自乗の平方根に反比例して変化する。応答速度については、正帰還増幅率の平方根に反比例して変化し、負帰還増幅率に対する感度はゼロである。出力信号振幅については、正帰還増幅率の平方根に比例し、負帰還増幅率の３次自乗の平方根に反比例して変化する。
つまり、正帰還増幅率ａは全ての特性に影響があり、負帰還増幅率ｂについては状態遷移レベルと出力信号振幅に影響があるため、状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を独立に設定することは不可能である。そのため、いずれの特性を最適化するかの優先順位を決めて、正帰還増幅率、負帰還増幅率を調整する必要がある。
優先度の高い状態遷移レベルと応答速度を最適化するための調整シーケンスを図６に示す。調整シーケンスを開始すると、まず、正帰還増幅率を０ｄＢに設定し（Ｓ６０１）、負帰還増幅率を最大値に設定（Ｓ６０２）する。これは、正帰還増幅率が高い場合、非線形特性部全体が正帰還動作となり動作が不安定になる可能性があるためである。もし、安定動作が保証されているのであれば、初期値は上記値には限定されない。
次に統計データ取得部１０４で所望信号の信号帯域を測定する（Ｓ６０３）。次に、非線形特性部１０１の帯域を所望信号の帯域より高くするために、正帰還増幅率を増加させて非線形特性部１０１の帯域を評価し（Ｓ６０４）、非線形特性部１０１の帯域が所望信号の帯域よりも高ければ、次のステップへ、低ければ再度正帰還増幅率を増加し帯域を評価する（Ｓ６０５）。
次に、負帰還増幅率を減少させる（Ｓ６０６）。これは、状態遷移レベルを上げることと等価である。次に、信号検出率を評価し（Ｓ６０７）、一つ前の負帰還増幅率より信号検出率が増加しているかを確認し（Ｓ６０８）、増加していなければ一つ前の負帰還増幅率を設定して（Ｓ６０９）調整を終了し、増加していれば、負帰還増幅率を更に減少させる。以上の調整方法により、非線形特性部の帯域および信号検出率を最適化することが可能となる。
次に、非線形特性部の具体的な回路構成の一例を示し、正帰還増幅率ａ、負帰還増幅率ｂの調整方法について述べる。図３に示した非線形特性部の具体的な回路構成を図４に示す。オペアンプ４０１と抵抗４０８は、入力信号を受信するための前置線形増幅回路（プリアンプ回路）である。加算回路はオペアンプ４０２と抵抗４０９、４１０、４１０、４１２で構成され、積分回路はオペアンプ４０３と抵抗４１３、４１４と容量４１７で構成され、正帰還増幅回路はオペアンプ４０４、抵抗４１５、可変抵抗４１８で構成され、負帰還増幅回路はオペアンプ４０５と抵抗４１６と可変抵抗４１９で構成され、三次自乗回路は２入力の乗算回路４０６、４０７で構成されている。
正帰還増幅回路の正帰還増幅率ａは可変抵抗４１８で調整でき、その増幅率は、可変抵抗４１８の抵抗値をＲｆａ、抵抗４１５の抵抗値をＲｓａとすると、（１＋Ｒｓａ／Ｒｆａ）で表される。また、負帰還増幅回路の負帰還増幅率ｂは可変抵抗４１９で調整でき、その増幅率は、可変抵抗４１９の抵抗値をＲｆｂ、抵抗４１６の抵抗値をＲｓｂとすると、−Ｒｓｂ／Ｒｆｂで表される。ここでは、可変抵抗４１８、４１９を可変抵抗にして、増幅率を調整する構成としているが、加算回路の抵抗４１０、４１１を可変抵抗にすることでも、乗算回路４０６、４０７のゲインを可変にすることでも、同様の効果を得ることができる。
以上の構成により、非線形特性部の正帰還増幅率および負帰還増幅率を調整して、状態遷移レベルを最適値に調整することで、非線形信号検出システムで、広いノイズ強度範囲の入力信号のＳＮＲを改善することが可能となる。また、ノイズ生成回路が必要ないため、システムの小型化、低コスト化、省電力化、小型化を可能にする。さらには、ノイズ生成回路が不要であるため、システムの安定化が見込まれる。
図５は、非線形信号検出システムを適用した装置の一例を示す図である。電子ビームを放出する電子銃５０１と、電子ビーム径を絞るためのレンズ５０２−１、５０２−２と、電子ビームの照射位置を調整する偏向電極５０３と、サンプル５０５を設置するステージ５０４と、サンプル５０５から放出された２次電子を検出する検出器５０６と、検出信号を増幅し、ディジタル信号に変換して信号処理を行う信号処理基板５０７と、信号処理したデータを画像表示するモニタ５０８とで構成される電子顕微鏡である。この電子顕微鏡には、信号処理基板５０７に非線形信号検出システムを搭載し、検出器５０６から出力される検出信号のＳＮＲを改善する。
本発明の非線形信号検出システムによれば、広いノイズ強度範囲の入力信号のＳＮＲを改善することが可能となるため、例えば、検出器５０６の機差により、検出信号のＳＮＲが大きくばらついた場合でも、安定してＳＮＲを改善した信号を取得することができる。また、ノイズ生成回路や加算回路を必要としないことから、装置の小型化、低コスト化、省電力化、小型化を可能にする。
第１の実施形態では、正帰還増幅率と負帰還増幅率の調整により、状態遷移レベルと、応答速度または出力信号振幅を任意に調整でき、その有用性を示した。しかしながら、正帰還増幅率と負帰還増幅率のみでは、状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を独立に調整することができない。そこで、第２の実施例では、非線形特性部の状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅の全ての特性を調整可能な非線形信号検出システムを提供するものである。
図２は、第２の実施形態による非線形信号検出システムの構成を示す図である。本発明の非線形信号検出システムは、所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得た算出データを出力する統計データ取得部１０４と、入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答して信号を出力する非線形特性部１０１と、非線形特性部１０１の出力信号において所望信号の検出率を評価し検出率データを出力する信号検出率評価部１０３と、検出率データと統計データ取得部１０４で得た算出データに基づき、非線形特性部１０１の制御パラメータを調整するパラメータ調整部１０５と、非線形特性部１０１の出力信号を演算処理しディジタルデータや画像データに変換する信号処理部１０２とで構成されている。
そして、非線形特性部１０１は、入力信号を線形増幅し、増幅率を調整可能な可変線形増幅回路２０１と線形増幅された入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答する非線形応答回路２０２とで構成されており、パラメータ調整部１０５では、可変線形増幅回路２０１の増幅率と非線形応答回路２０２の増幅率を調整することを特徴とする。
ここで、可変線形増幅回路２０１の効果を図１０、図１１、図１２を用いて説明する。図１０は、ノイズ強度が弱く、入力信号（ｂ）が状態遷移レベル１００１を超えず、出力信号（ｃ）において所望信号（ａ）が検出できていない状態を示す。図１１は、非線形応答回路２０２のパラメータを調整して状態遷移レベルを低くして、入力信号（ｂ）が状態遷移レベル１１０１を超える状態にした場合の波形を表しており、出力信号（ｃ）において所望信号（ａ）を高い精度で検出できている。図１２は、図１０に示した値と同じ状態遷移レベルであるが、可変線形増幅回路２０１の線形増幅率を高くした場合の波形を示しており、状態遷移レベルを低くした場合と同様に出力信号（ｃ）において所望信号（ａ）を高い精度で検出できる。
つまり、可変線形増幅回路２０１は、状態遷移レベルを調整するのと同等の効果を持つ一方で、応答速度、出力信号振幅には影響を与えない。可変線形増幅回路２０１の線形増幅率ｃ、正帰還増幅率ａ、負帰還増幅率ｂ、と、応答速度、出力信号振幅、状態遷移レベルは、［数５］に示す関係が有ることから、正帰還増幅率ａによって応答速度を調整し、その後、負帰還増幅率ｂによって出力信号振幅を調整し、さらに、線形増幅率ｃによって状態遷移電圧を調整することで、状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を任意の値に調整することが可能となる。
なお、非線形特性部１０１の状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を調整するための詳細な調整方法については後述する。
なお、非線形特性部１０１の状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を調整するための詳細な調整方法については後述する。
本実施例で述べた非線形信号検出システムにおける非線形特性部の構成の一例を図１３に示す。非線形特性部１０１は、入力信号を線形増幅する可変線形増幅回路１３０６と、線形増幅された信号と正帰還増幅回路３０３および三次自乗回路３０５からの２つの帰還信号を加算する加算回路３０１と、加算した信号を積分する積分回路３０２と、積分した信号を線形増幅して加算回路３０１に出力する正帰還増幅回路３０３と、積分した信号を線形増幅して三次自乗回路３０５に出力する負帰還増幅回路３０４と、線形増幅した信号を三次自乗した信号を加算回路３０１に出力する三次自乗回路３０５で構成される。
本実施例において、非線形特性部１０１の状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を調整するための調整シーケンスを図７に示す。調整シーケンスを開始すると、まず、正帰還増幅率を０ｄＢに設定（Ｓ７０１）し、負帰還増幅率を最大値に設定（Ｓ７０２）し、線形増幅率を０ｄＢに設定（Ｓ７０３）する。これは、先にも述べたように、正帰還増幅率が高い場合、非線形特性部１０１全体が正帰還動作となり動作が不安定になる可能性があるためであり、安定動作が保証されているのであれば、初期値は上記値には限定されない。
次に統計データ取得部１０４で所望信号の信号帯域を測定する（Ｓ７０４）。次に、非線形特性部１０１の帯域を所望信号の帯域より高くするために、正帰還増幅率を増加させて非線形特性部の帯域を評価し（Ｓ７０５）、非線形特性部の帯域が所望信号の帯域よりも高ければ、次のステップへ、低ければ再度正帰還増幅率を増加し帯域を評価する（Ｓ７０６）。
次に、負帰還増幅率を減少し（Ｓ７０７）、出力信号振幅を測定（Ｓ７０８）する。出力信号振幅が所定の範囲であれば、次のステップに行き、所定の範囲を外れていれば、再度負帰還増幅率を減少する（Ｓ７０９）。
次に、可変線形増幅回路２０１の線形増幅率を増加（Ｓ７１０）、信号検出率を測定（Ｓ７１１）し、一つ前の線形増幅率と比べて信号検出率が高いかを評価して、高ければ再度線形増幅率を増加して測定し（Ｓ７１２）、低ければ一つ前の線形増幅率を設定して（Ｓ７１３）、調整を完了する。
以上の構成により、非線形特性部の正帰還増幅率、負帰還増幅率、線形増幅率を調整することで、実施例１の構成では不可能であった状態遷移レベル、応答速度、出力信号振幅を任意に調整することが可能になる。
１０１…非線形特性部
１０２…信号処理部
１０３…信号検出率評価部
１０４…統計データ取得部
１０５…パラメータ調整部
２０１…可変線形増幅回路
２０２…非線形応答回路
３０１…加算回路
３０２…積分回路
３０３…正帰還増幅回路
３０４…負帰還増幅回路
３０５…三次自乗回路
３０６…線形増幅回路
３０７…非線形応答回路
４０１〜４０５…オペアンプ
４０６、４０７…乗算回路
４０８〜４１６…抵抗
４１７…容量
４１８、４１９…可変抵抗
５０１…電子銃
５０２−１、５０２−２…レンズ
５０３…偏向電極
５０４…ステージ
５０５…サンプル
５０６…検出器
５０７…信号処理基板
５０８…モニタ
１００１、１１０１…状態遷移レベル
１３０６…線形増幅回路
１０２…信号処理部
１０３…信号検出率評価部
１０４…統計データ取得部
１０５…パラメータ調整部
２０１…可変線形増幅回路
２０２…非線形応答回路
３０１…加算回路
３０２…積分回路
３０３…正帰還増幅回路
３０４…負帰還増幅回路
３０５…三次自乗回路
３０６…線形増幅回路
３０７…非線形応答回路
４０１〜４０５…オペアンプ
４０６、４０７…乗算回路
４０８〜４１６…抵抗
４１７…容量
４１８、４１９…可変抵抗
５０１…電子銃
５０２−１、５０２−２…レンズ
５０３…偏向電極
５０４…ステージ
５０５…サンプル
５０６…検出器
５０７…信号処理基板
５０８…モニタ
１００１、１１０１…状態遷移レベル
１３０６…線形増幅回路
Claims (5)
- 所望信号にノイズが重畳した入力信号の平均値や分布を測定して前記所望信号の振幅、ノイズの分散などを算出し、得た算出データを出力する統計データ取得部と、
入力信号の電圧あるいは電流の大きさに対して非線形に応答した信号を出力する非線形特性部と、
前記非線形特性部の出力信号が前記所望信号であるか判定して、前記所望信号である場合の検出率を算出して検出率データを出力する信号検出率評価部と、
前記信号検出率評価部で得られた検出率データと前記統計データ取得部で得られた算出データに基づき、前記非線形特性部の応答性に関する制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、
前記非線形特性部の出力信号を演算処理してディジタルデータまたは画像データに変換する信号処理部と、を有することを特徴とする微小信号検出システム。 - 請求項１に記載の微小信号検出システムであって、
前記非線形特性部は、
入力された信号を線形増幅する線形増幅回路と、入力された信号に対して非線形に応答する非線形応答回路とを有し、前記非線形応答回路の増幅率を前記パラメータ調整部で調整して、前記非線形特性部において入力信号電圧に応答する状態遷移レベルと応答速度と出力信号振幅とを調整することを特徴とする微小信号検出システム。 - 請求項２に記載の微小信号検出システムであって、
前記非線形特性部の前記非線形応答回路は、
複数の入力信号を加算して出力する加算回路と、
前記加算回路の出力信号を積分する積分回路と、
前記積分回路で積分した信号を線形増幅して前記加算回路に出力する正帰還増幅回路と、
前記積分回路で積分した信号を線形増幅して出力する負帰還増幅回路と、
前記負帰還増幅回路からの出力信号を三次自乗した信号を前記加算回路に出力する三次自乗回路と、を有し、前記正帰還増幅回路と前記負帰還増幅回路の増幅率を前記パラメータ調整部で調整することを特徴とする微小信号検出システム。 - 請求項２に記載の微小信号検出システムであって、
前記非線形特性部は、入力信号を線形増幅し増幅率を調整可能な可変線形増幅回路を有し、前記可変線形増幅回路の増幅率と前記非線形応答回路の増幅率を前記パラメータ調整部で調整して、前記非線形特性部において入力信号電圧に応答する状態遷移レベルを調整することを特徴とする微小信号検出システム。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の微小信号検出システムを搭載したことを特徴とする電子顕微鏡。
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