JP2015082380A - 画像取得方法および透過電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い周波数帯の情報を得ることができる画像取得方法を提供する。【解決手段】 本発明に係る画像取得方法は、透過電子顕微鏡の画像取得方法であって、透過電子顕微鏡の結像系の球面収差係数および色収差係数の少なくとも一方を設定して、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する工程と、デフォーカス条件の前記結像系によって、画像の取得を行う工程と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、画像取得方法および透過電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）では、一般的に、点分解能向上のために小さな球面収差係数Ｃ_Ｓ、および格子分解能向上のために小さな色収差係数Ｃ_Ｃを有する結像系が要求される（例えば特許文献１参照）。

対物レンズの点分解能は、シェルツァー・フォーカス（Ｓｃｈｅｒｚｅｒ ｆｏｃｕｓ）におけるコントラスト伝達関数（ＣＴＦ，ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）のファーストゼロにより定義され、球面収差係数Ｃ_Ｓが小さいほど点分解能は向上する。ここで、ファーストゼロとは、シェルツァー・フォーカスでの位相コントラスト伝達関数が、最初に位相ゼロの軸と交わる波数をいい、この波数の逆数が点分解能である。

シェルツァー・フォーカスにおけるコントラスト伝達関数は、点分解能の向上には有利であり、１ｎｍ未満の小さな構造や、１Å以下の原子分解能が要求される材料科学分野における透過電子顕微鏡の利用方法として重要である。

これに対して、生命科学分野においては、観察対象となる構造は数十ｎｍ程度の大きな構造から、０．２ｎｍ程度の小さな構造まで、幅広い大きさの構造の情報が必要とされる。しかしながら、従来の透過電子顕微鏡の光学系では、低空間周波数の情報と高空間周波数の情報を同時に伝達することができず、幅広い大きさの構造の情報を得ることはできなかった。以下、その理由について説明する。

図１０は、シェルツァー・フォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフである。図１０に示すコントラスト伝達関数は、Ｃ_Ｓ＝１．０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、加速電圧Ｖ＝２００ｋＶ、照射角α＝０．１ｍｒａｄ、エネルギー幅ΔＥ＝０．８ｅＶにおける計算結果である。

図１１は、−２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフである。図１１に示すコントラスト伝達関数は、Ｃ_Ｓ＝１．０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、加速電圧Ｖ＝２００ｋＶ、照射角α＝０．１ｍｒａｄ、エネルギー幅ΔＥ＝０．８ｅＶにおける計算結果である。ここで、「−２μｍデフォーカス」の「−」は、アンダーフォーカスを意味している。

図１０に示すように、シェルツァー・フォーカスでは、低空間周波数の情報がほとんど伝達されない。そのため、１ｎｍ以上の大きな構造を透過電子顕微鏡による位相コントラストで観察する場合、シェルツァー・フォーカスでは必要な情報が伝達されない。

したがって、大きな構造を観察する場合には、例えば図１１に示すように、シェルツァー・フォーカスよりもデフォーカス量を大きくしてコントラスト伝達関数を圧縮し、低空間周波数の情報を得る手法が用いられている。

しかしながら、デフォーカス量を大きくすると、図１１に示すように、空間エンベローブ包絡関数（ｓｐａｔｉａｌ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の減衰により、高
空間周波数の情報は損なわれてしまう。このように、従来の透過電子顕微鏡の光学系では、低空間周波数の情報と高空間周波数の情報を同時に得ることはできなかった。

特開平１１−１３５０４７号公報

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、幅広い周波数帯の情報を得ることができる画像取得方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を有する透過電子顕微鏡を提供することにある。

（１）本発明に係る画像取得方法は、
透過電子顕微鏡における画像取得方法であって、
前記透過電子顕微鏡の結像系の球面収差係数および色収差係数の少なくとも一方を設定して、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する工程と、
デフォーカス条件の前記結像系によって、画像の取得を行う工程と、
を含む。

このような画像取得方法によれば、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を得ることができる。

（２）本発明に係る画像取得方法において、
前記結像系の球面収差係数は、球面収差補正器を用いて設定されてもよい。

このような画像取得方法によれば、容易に結像系の球面収差係数を設定することができる。したがって、観察対象の構造の大きさに適した結像系となるようにコントラスト伝達関数を容易に変更することができる。

（３）本発明に係る画像取得方法において、
前記結像系の色収差係数は、色収差補正器を用いて設定されてもよい。

このような画像取得方法によれば、容易に結像系の色収差係数を設定することができる。したがって、観察対象の構造の大きさに適した結像系となるようにコントラスト伝達関数を容易に変更することができる。

（４）本発明に係る画像取得方法において、
前記結像系の球面収差係数は１０ｍｍ以上に設定され、前記結像系の色収差係数は２ｍｍ以下に設定されてもよい。

このような画像取得方法によれば、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を得ることができる。

（５）本発明に係る透過電子顕微鏡は、
電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線源から放出された電子線を試料に照射するための照射系と、
前記試料を透過した電子線で結像するための結像系と、
前記結像系の球面収差係数を変更するための球面収差補正器と、
前記結像系および前記球面収差補正器を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記球面収差補正器を制御して前記結像系の球面収差係数を設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、
前記結像系を制御して、前記結像系をデフォーカス条件にする処理と、
を行う。

このような透過電子顕微鏡によれば、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現することができる。

（６）本発明に係る透過電子顕微鏡は、
電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線源から放出された電子線を試料に照射するための照射系と、
前記試料を透過した電子線で結像するための結像系と、
前記結像系の色収差係数を変更するための色収差補正器と、
前記結像系および前記色収差補正器を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記色収差補正器を制御して前記結像系の色収差係数を設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、
前記結像系を制御して、前記結像系をデフォーカス条件にする処理と、
を行う。

このような透過電子顕微鏡によれば、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現することができる。

第１実施形態に係る透過電子顕微鏡の構成を示す図。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝１５ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝１５ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝１０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝２０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝３０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 第１実施形態に係る透過電子顕微鏡の処理部の処理の一例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る透過電子顕微鏡の構成を示す図。 第２実施形態に係る透過電子顕微鏡の処理部の処理の一例を示すフローチャート。 シェルツァー・フォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝１．０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。 −２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数を示すグラフ（Ｃ_Ｓ＝１．０ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、Ｖ＝２００ｋＶ、α＝０．１ｍｒａｄ、ΔＥ＝０．８ｅＶ）。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 透過電子顕微鏡
まず、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

透過電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、照射系（照射レンズ系、照射部）２と、試料ステージ３０と、結像系（結像レンズ系、結像部）４と、球面収差補正器５０と、撮像装置６０と、処理部７０と、表示部８０と、操作部８２と、記憶部８４と、を含んで構成されている。なお、図１では、試料ホルダー３２が試料室１に挿入されている状態を図示している。

照射系２および結像系４を含む透過電子顕微鏡１００の光学系は、鏡筒６の内部に収容されている。鏡筒６の内部は、排気装置（図示せず）によって真空排気されている。

電子線源１０は、電子線ＥＢを発生させる。電子線源１０は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線ＥＢを放出する。電子線源１０として、公知の電子銃を用いることができる。電子線源１０として用いられる電子銃は特に限定されず、例えば熱電子放出型や、熱電界放出型、冷陰極電界放出型などの電子銃を用いることができる。

透過電子顕微鏡１００の照射系２は、電子線源１０から放出された電子線ＥＢを試料Ｓに照射するためのレンズ系である。照射系２は、図示の例では、照射レンズ（コンデンサーレンズ）２０を含んで構成されている。照射系２は、さらに、コンデンサーミニレンズ（図示しない）を含んで構成されていてもよい。

照射レンズ２０は、電子線源１０の後段（電子線ＥＢの下流側）に配置されている。照射レンズ２０は、電子線源１０で発生した電子線ＥＢを試料Ｓに照射するためのレンズである。照射レンズ２０は、図示はしないが、多段に構成されていてもよい。

試料ステージ３０は、試料室１における試料Ｓの位置決めを行う。試料ステージ３０は、試料室１において、試料ホルダー３２に保持された試料Ｓを移動させることができる。試料ホルダー３２に保持された試料Ｓには、試料室１において、電子線ＥＢが照射される。

試料ステージ３０は、例えば、試料Ｓの水平移動、上下移動、回転、傾斜などの動作を行うことができる。試料ステージ３０は、図示の例では、対物レンズ４０の横から試料ホルダー３２を挿入するサイドエントリーステージを構成している。

透過電子顕微鏡１００の結像系４は、試料Ｓを透過した電子線ＥＢで結像するためのレンズ系である。結像系４は、対物レンズ４０と、中間レンズ４２と、投影レンズ４４と、を含んで構成されている。

対物レンズ４０は、照射レンズ２０の後段に配置されている。対物レンズ４０は、試料Ｓを透過した電子線ＥＢで結像するための初段のレンズである。透過電子顕微鏡１００において、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓは、例えば１．０ｍｍ程度である。また、透過電子顕微鏡１００において、対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃは、例えば２．０ｍｍ程度である。なお、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓの値は特に限定されない。また、対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃの値も特に限定されないが、色収差係数Ｃ_Ｃは、０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の小さな値であることが望ましい。その理由については後述する。

中間レンズ４２は、対物レンズ４０の後段に配置されている。投影レンズ４４は、中間レンズ４２の後段に配置されている。中間レンズ４２および投影レンズ４４は、対物レンズ４０によって結像された像（電子顕微鏡像）をさらに拡大し、撮像装置６０上に結像させる。

球面収差補正器（Ｃ_Ｓコレクター）５０は、対物レンズ４０の後段に配置されている。球面収差補正器５０は、図示の例では、対物レンズ４０と中間レンズ４２との間に配置されている。球面収差補正器５０は、透過電子顕微鏡１００の結像系４に組み込まれている。

球面収差補正器５０は、透過電子顕微鏡１００の結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを変更する。球面収差補正器５０は、図示の例では、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを変更する。球面収差補正器５０は、例えば多極子レンズを含んで構成されている。球面収差補正器５０は、この多極子レンズによって球面収差を発生させ、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを減少、または増大させることができる。具体的には、球面収差補正器５０は、負の球面収差を発生させて、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを減少させる。また、球面収差補正器５０は、正の球面収差を発生させて、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを増大させる。

撮像装置６０は、結像系４によって結像された透過電子顕微鏡像を撮像する。撮像装置６０は、電子線ＥＢを検出するための検出器を有している。検出器は、例えば、２次元的に配置された固体撮像素子を有するＣＣＤカメラである。撮像装置６０は、撮像した透過電子顕微鏡像の情報を処理部７０に出力する。

表示部８０は、処理部７０から入力される表示信号に基づいて、処理部７０の処理結果等を画像やグラフその他の情報として表示する。表示部８０は、例えば、画像取得部７４で取得された画像（透過電子顕微鏡像）を表示する。表示部８０は、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、タッチパネル型ディスプレイなどである。

操作部８２は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部７０に送る処理を行う。操作部８２は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどである。

記憶部８４は、処理部７０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部８４は、処理部７０の作業領域として用いられ、操作部８２から入力された操作信号、処理部７０が各種プログラムに従って実行した算出結果等を一時的に記憶するためにも使用される。記憶部８４の機能はＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などのハードウェアにより実現できる。

処理部（ＣＰＵ）７０は、記憶部８４に記憶されているプログラムに従って、各種の計算処理を行う。処理部７０は、記憶部８４に記憶されているプログラムを実行することで、以下に説明する、制御部７２、画像取得部７４としてとして機能する。ただし、処理部７０の少なくとも一部をハードウェア（専用回路）で実現してもよい。

制御部７２は、透過電子顕微鏡１００の結像系４（対物レンズ４０）および球面収差補正器５０を制御する。具体的には、制御部７２は、球面収差補正器５０を制御して結像系４（対物レンズ４０）の球面収差係数Ｃ_Ｓを設定し、エンベローブ包絡関数（ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理を行う。また、制御部７２は、透過電子顕微鏡１００の結像系４（対物レンズ４０）をデフォーカス条件に設定する処理を行う。これらの処理の詳細については、後述する。

制御部７２は、さらに、照射レンズ２０、試料ステージ３０、中間レンズ４２、投影レンズ４４、撮像装置６０等を制御してもよい。

画像取得部７４は、透過電子顕微鏡像の情報を取得する。透過電子顕微鏡像の情報は、撮像装置６０から出力される。画像取得部７４は、取得した透過電子顕微鏡像の情報に基づいて、画像（透過電子顕微鏡像）を生成する。画像取得部７４は、生成した画像から表示信号を生成し、表示部８０に透過電子顕微鏡像を表示させる。

透過電子顕微鏡１００は、図示の例では、除振機９０を介して架台９２上に設置されている。

１．２． 画像取得方法
次に、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡における画像取得方法について説明する。まず、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡における画像取得方法の原理について説明する。

透過電子顕微鏡において、弱位相物体のコントラスト伝達関数ＣＴＦは、以下のように記述される。

・・・（１）

・・・（２）
・・・（３）
・・・（４）

ここで、γ（ｋ）は収差関数、Ｅ_Ｓ（ｋ）は空間エンベローブ包絡関数（ｓｐａｔｉａｌ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、Ｅ_ｃ（ｋ）は時間エンベローブ包絡関数（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。また、式（１）〜（４）に含まれる変数はそれぞれ以下の物理量に対応する。

完全に過干渉な光学系であれば、コントラスト伝達関数ＣＴＦは下記式のようになり、無限大の空間周波数の情報が伝達される。

しかしながら、コントラスト伝達関数ＣＴＦは、空間的な非干渉性を表わすＥ_Ｓ（ｋ）および時間的な非干渉性を表わすＥ_ｃ（ｋ）により、有限の空間周波数の情報しか伝達できない。

デフォーカス量をアンダーフォーカス側に大きくすることは、式（３）において空間エンベローブ包絡関数Ｅ_Ｓ（ｋ）に含まれるデフォーカス量Δｆを負の方向に大きくすることに相当する。ここで、一般的な透過電子顕微鏡では、球面収差係数Ｃ_Ｓは１．０ｍｍ程度であり、色収差係数Ｃ_Ｃは２．０ｍｍ程度である。そのため、デフォーカス量が大きくなると、図１１に示すように、空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰のため、高空間周波数の情報が損なわれる。

本実施形態では、球面収差補正器５０を用いて、球面収差係数Ｃ_Ｓのみが大きな結像系４、すなわち、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）を作ることにより、例えばデフォーカス量をシェルツァー・フォーカスよりも大きくしても、高空間周波数の情報が損なわれずに、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで伝達可能な結像系４を実現する。

上述したように、式（３）おいてデフォーカス量Δｆが負の方向に大きくなると、図１１に示すように空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの高空間周波数における減衰が大きくなる。しかしながら、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４の場合、デフォーカス量とのバランスがとれ、高空間周波数においても情報の損失が生じない。

図２は、−２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数ＣＴＦを示すグラフである。図２に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦは、Ｃ_Ｓ＝１５ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、加速電圧Ｖ＝２００ｋＶ、照射角α＝０．１ｍｒａｄ、エネルギー幅ΔＥ＝０．８ｅＶにおける計算結果である。

図２に示すように、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４の場合、図１１にみられる空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰がなく、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで伝達できることがわかる。

このように、結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓのみを大きくすれば、大きなデフォーカス量において空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰を抑制できる。しかしながら、例えば透過電子顕微鏡の対物レンズを設計する場合、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ）色収差係数Ｃ_Ｃが小さい（例えばＣ_Ｃ≦２．０ｍｍ）対物レンズを設計することは困難である。対物レンズでは、通常、球面収差係数Ｃ_Ｓを大きくすれば、色収差係数Ｃ_Ｃの値も同程度の大きさになるためである。

ここで、例えば球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃの両方が大きくなると、大きなデフォーカス量において、時間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰により、高空間周波数の情報が損なわれる。

図３は、−２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数ＣＴＦを示すグラフである。図３に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦは、Ｃ_Ｓ＝１５ｍｍ、Ｃ_Ｃ＝１０ｍｍ、加速電圧Ｖ＝２００ｋＶ、照射角α＝０．１ｍｒａｄ、エネルギー幅ΔＥ＝０．８ｅＶにおける計算結果である。

図３に示すように、球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃの両方を大きくすると、空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰は生じないが時間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰が生じてしまうことがわかる。これにより、高空間周波数の情報が損なわれてしまう。

また、時間エンベローブ包絡関数は、式（４）から分かるように、色収差係数Ｃ_Ｃが大きくなると単調に減少する関数のため、色収差係数Ｃ_Ｃはできる限り小さい値であることが望ましい。具体的には、色収差係数Ｃ_Ｃは、０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが望ましい。これにより、高空間周波数において、時間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰を抑制することができる。したがって、高空間周波数の情報が損なわれることを防ぐことができる。

このように、高空間周波数の情報が損なわれることを防ぐためには、球面収差係数Ｃ_Ｓ
が大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４が要求される。しかしながら、上述したように、透過電子顕微鏡の対物レンズを設計では、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい対物レンズを設計することは困難である。そこで、本実施形態では、球面収差補正器５０を用いることにより、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを大きくして、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現している。

球面収差補正器５０は、通常、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを小さくすることがその使用の目的である。しかしながら、透過電子顕微鏡１００では、球面収差補正器５０は、結像系４（対物レンズ４０）の球面収差係数Ｃ_Ｓを大きくするために用いられている。

図４〜図６は、−２μｍデフォーカスにおけるコントラスト伝達関数ＣＴＦを示すグラフである。図４に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦは、Ｃ_Ｓ＝１０ｍｍにおける計算結果である。図５に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦは、Ｃ_Ｓ＝２０ｍｍにおける計算結果である。図６に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦは、Ｃ_Ｓ＝３０ｍｍにおける計算結果である。なお、図４〜図６に示すコントラスト伝達関数ＣＴＦのその他の計算条件は同じであり、Ｃ_Ｃ＝２．０ｍｍ、加速電圧Ｖ＝２００ｋＶ、照射角α＝０．１ｍｒａｄ、エネルギー幅ΔＥ＝０．８ｅＶである。

図４〜図６に示すように、球面収差係数Ｃ_Ｓが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲では、大きなデフォーカス量において空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰が抑制されていることがわかる。

また、図４〜図６に示すように、球面収差係数Ｃ_Ｓの値が変わると空間エンベローブ包絡関数が描く形状も変わってくる。すなわち、同じ空間周波数であっても、球面収差係数Ｃ_Ｓの値が変わると、空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数ＣＴＦの減衰の程度が異なってくる。したがって、観察対象の構造の大きさに適した結像系４となるように、球面収差係数Ｃ_Ｓの値を変更できることが望ましい。

本実施形態では、球面収差補正器５０によって容易に対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを変更（調整）できる。そのため、本実施形態意では、観察対象の構造の大きさに適した結像系となるようにコントラスト伝達関数ＣＴＦを容易に変更することができる。

次に、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡１００の画像取得方法について図面を参照しながら説明する。図７は、第１実施形態に係る透過電子顕微鏡１００の処理部７０の処理（画像取得処理）の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部７２は、球面収差補正器５０を制御して対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓを設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する（Ｓ１０）。具体的には、制御部７２は、球面収差補正器５０に正の球面収差を発生させて、対物レンズ４０の元（球面収差補正器５０で補正前）の球面収差係数Ｃ_Ｓ（例えばＣ_Ｓ＝１．０ｍｍ）を増大させて所定の値（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ）とする。これにより、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現できる。

次に、制御部７２は、対物レンズ４０を制御して、透過電子顕微鏡１００の結像系４（対物レンズ４０）をデフォーカス条件にする（Ｓ１２）。制御部７２は、例えば、対物レンズ４０のデフォーカス量をシェルツァー・フォーカスよりも大きくする。これにより、図２に示すように、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで伝達可能な結像系４を実現することができる。デフォーカス量は観察対象となる構造の大きさ等によって、適宜設定することができる。

なお、ステップＳ１０における球面収差係数Ｃ_Ｓの値およびステップＳ１２におけるデフォーカス量は、例えば予め記憶部８４に記憶されていてもよい。また、ステップＳ１０における球面収差係数Ｃ_Ｓの値およびステップＳ１２におけるデフォーカス量は、例えばユーザーによって任意に設定されてもよい。ユーザーは、例えば操作部８２を介して、球面収差係数Ｃ_Ｓの値およびデフォーカス量の値を設定してもよい。

また、ここではステップＳ１０の後にステップＳ１２の処理を行う場合について説明したが、その順序は限定されず、ステップＳ１２の処理を行った後に、ステップＳ１０の処理を行ってもよい。

次に、画像取得部７４は、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さく、かつ、デフォーカス条件の結像系４で結像された透過電子顕微鏡像の情報を取得する（Ｓ１４）。この透過電子顕微鏡像の情報は、撮像装置６０から出力される。画像取得部７４は、取得した透過電子顕微鏡像の情報に基づいて、画像（透過電子顕微鏡像）を生成する。画像取得部７４は、例えば生成した画像から表示信号を生成し、表示部８０に透過電子顕微鏡像を表示させる。そして、処理部７０は処理を終了する。

本実施形態に係る画像取得方法および透過電子顕微鏡は、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る画像取得方法では、透過電子顕微鏡１００の結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを設定して、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する工程と、デフォーカス条件の結像系４によって、画像を取得する工程と、を含む。これにより、上述したように、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）を作ることができ、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を得ることができる。

本実施形態に係る画像取得方法では、球面収差係数Ｃ_Ｓは、球面収差補正器５０を用いて設定される。これにより、容易に結像系４（対物レンズ４０）の球面収差係数Ｃ_Ｓを設定することができる。したがって、観察対象の構造の大きさに適した結像系となるようにコントラスト伝達関数を容易に変更することができる。

本実施形態に係る画像取得方法では、球面収差係数Ｃ_Ｓは１０ｍｍ以上に設定され、色収差係数Ｃ_Ｃは２ｍｍ以下に設定される。これにより、図４〜図６に示すように、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を得ることができる。

本実施形態に係る透過電子顕微鏡１００では、制御部７２は、球面収差補正器５０を制御して結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、結像系４を制御して、結像系４をデフォーカス条件にする処理と、を行う。これにより、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現することができる。

このように、本実施形態に係る透過電子顕微鏡１００の結像系４は、大きなデフォーカス量にした際の高空間周波数の情報の損失を解消することができるため、大きなデフォーカス量および位相コントラストによる観察が要求される試料に有効である。すなわち、例えば、氷包埋の生物試料観察、特に単粒子解析による生体試料の三次元再構成の分解能向上において極めて有効である。

２． 第２実施形態
２．１． 透過電子顕微鏡
次に、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡２００において、上述した第１実施形態に係る透過電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

上述した透過電子顕微鏡１００は、図１に示すように、球面収差補正器５０を有しており、結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを球面収差補正器５０を用いて設定することにより、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を作り、幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現していた。

これに対して、透過電子顕微鏡２００は、図８に示すように、色収差補正器２１０を有しており、結像系４の色収差係数Ｃ_Ｃを色収差補正器２１０を用いて設定することにより、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を作り、幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現している。

透過電子顕微鏡２００の対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃは、いずれも大きな値を有している。具体的には、透過電子顕微鏡２００において対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃは、例えば、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の値である。

色収差補正器（Ｃ_Ｃコレクター）２１０は、対物レンズ４０の後段に配置されている。色収差補正器２１０は、図示の例では、対物レンズ４０と中間レンズ４２との間に配置されている。色収差補正器２１０は、透過電子顕微鏡１００の結像系４に組み込まれている。

色収差補正器２１０は、透過電子顕微鏡２００の結像系４の色収差係数Ｃ_Ｃを変更する。色収差補正器２１０は、例えば、対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃを変更する。色収差補正器２１０は、例えば多極子レンズを含んで構成されている。色収差補正器２１０は、この多極子レンズによって色収差を発生させて、対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃを減少させることができる。具体的には、色収差補正器２１０は、負の球面収差を発生させて、対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃを減少させる。

２．２． 画像取得方法
次に、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡の画像取得方法について説明する。なお、上述した第１実施形態に係る透過電子顕微鏡の画像取得方法の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

まず、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡における画像取得方法の原理について説明する。

本実施形態では、色収差補正器２１０を用いて、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数
Ｃ_Ｃが小さい結像系４（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）を作ることにより、例えばデフォーカス量をシェルツァー・フォーカスよりも大きくしても高空間周波数の情報が損なわれずに、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで伝達可能な結像系を実現する。

透過電子顕微鏡の対物レンズを設計では、第１実施形態で述べたように、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい対物レンズを設計することは困難である。しかし、本実施形態では、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃをあらかじめ大きな値にし（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ≧１０ｍｍ）、色収差補正器２１０を用いて色収差係数Ｃ_Ｃを小さな値（例えば０≦Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）にすることにより、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現している。

次に、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡２００の画像取得方法について図面を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態に係る透過電子顕微鏡２００の処理部７０の処理（画像取得処理）の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部７２は、色収差補正器２１０を制御して対物レンズ４０の色収差係数Ｃ_Ｃを設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する（Ｓ２０）。具体的には、制御部７２は、色収差補正器２１０に負の色収差を発生させて対物レンズ４０の元（色収差補正器２１０で補正前）の色収差係数Ｃ_Ｃ（例えばＣ_Ｃ≧１０ｍｍ）を減少させて、所定の値（例えば０≦Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）とする。これにより、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現できる。

次に、制御部７２は、対物レンズ４０を制御して、透過電子顕微鏡２００の結像系４（対物レンズ４０）をデフォーカス条件にする（Ｓ２２）。制御部７２は、例えば、対物レンズ４０のデフォーカス量をシェルツァー・フォーカスよりも大きくする。これにより、図２に示すように、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで伝達可能な結像系４を実現することができる。デフォーカス量は観察対象となる構造の大きさ等によって、適宜設定することができる。

なお、ステップＳ２０における色収差係数Ｃ_Ｃの値およびステップＳ２２におけるデフォーカス量は、例えば予め記憶部８４に記憶されていてもよい。また、ステップＳ２０における色収差係数Ｃ_Ｃの値およびステップＳ２２におけるデフォーカス量は、例えばユーザーによって設定されてもよい。ユーザーは、例えば操作部８２を介して、色収差係数Ｃ_Ｃの値およびデフォーカス量の値を設定してもよい。

また、ここではステップＳ２０の後にステップＳ２２の処理を行う場合について説明したが、その順序は限定されず、ステップＳ２２の処理を行った後に、ステップＳ２０の処理を行ってもよい。

次に、画像取得部７４は、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さく、かつ、デフォーカス条件の結像系４で結像された透過電子顕微鏡像の情報を取得する（Ｓ２４）。この透過電子顕微鏡像の情報は、撮像装置６０から出力される。画像取得部７４は、取得した透過電子顕微鏡像の情報に基づいて、画像（透過電子顕微鏡像）を生成する。画像取得部７４は、例えば生成した画像から表示信号を生成し、表示部８０に透過電子顕微鏡像を表示させる。そして、処理部７０は処理を終了する。

本実施形態に係る画像取得方法および透過電子顕微鏡は、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る画像取得方法では、透過電子顕微鏡２００の結像系４の色収差係数Ｃ_Ｃを設定して、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する工程と、デフォーカス条件の結像系４によって、画像を取得する工程と、を含む。これにより、上述したように、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｃ≦２．０ｍｍ）を作ることができ、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を得ることができる。

本実施形態に係る画像取得方法では、色収差係数Ｃ_Ｃは、色収差係数Ｃ_Ｃを変更するための色収差補正器２１０を用いて設定される。これにより、容易に結像系４（対物レンズ４０）の色収差係数Ｃ_Ｃを設定することができる。したがって、観察対象の構造の大きさに適した結像系となるようにコントラスト伝達関数を容易に変更することができる。

本実施形態に係る透過電子顕微鏡２００では、制御部７２は、色収差補正器２１０を制御して結像系の色収差係数Ｃ_Ｃを設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、結像系４を制御して、結像系４をデフォーカス条件にする処理と、を行う。これにより、デフォーカス量を大きくしても空間エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制することができる。したがって、デフォーカス量を大きくしても高空間周波数の情報が損なわれず、低空間周波数の情報から高空間周波数の情報まで幅広い周波数帯の情報を伝達可能な光学系を実現することができる。

また、本実施形態に係る透過電子顕微鏡２００では、対物レンズ４０の球面収差係数Ｃ_Ｓおよび対物レンズ４０の元の色収差係数Ｃ_Ｃ（色収差補正器２１０で補正前の色収差係数Ｃ_Ｃ）の値を大きくすることができるため（例えばＣ_Ｓ≧１０ｍｍ、Ｃ_Ｓ≧１０ｍｍ）、例えば対物レンズ４０のポールピースギャップを大きくすることができる。これにより、試料Ｓ周辺に空間的な余裕が生じ、ＥＤＳ（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）検出器等の検出器や光学系等を装着することが容易になる。

なお、本発明は上述した実施形態や変形例に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した図１に示す透過電子顕微鏡１００は球面収差補正器５０を用いて、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現し、上述した図８に示す透過電子顕微鏡２００は色収差補正器２１０を用いて、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現していた。これに対して、透過電子顕微鏡が球面収差補正器５０および球面収差補正器２１０の両方を含んで構成されていてもよい。これにより、透過電子顕微鏡の結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓおよび色収差係数Ｃ_Ｃの両方を設定して、球面収差係数Ｃ_Ｓが大きく色収差係数Ｃ_Ｃが小さい結像系４を実現してもよい。

また、例えば、上述した図１に示す透過電子顕微鏡において、球面収差係数Ｃ_Ｓの異なる透過電子顕微鏡の光学系で、シェルツァー・フォーカス条件で複数の画像（透過電子顕微鏡像）を取得し、各画像を重ね合わせて１枚の画像とする。

具体的には、例えば、球面収差補正器５０を用いて結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを小さくした状態（例えばＣ_Ｓ＝０．５ｍｍ）、球面収差補正器５０を用いて結像系４の球面収差係数Ｃ_Ｓを大きくした状態（例えばＣ_Ｓ＝３０ｍｍ）、対物レンズ４０をオフにして対物ミニレンズ（図示せず）のみを用いた状態（例えばＣ_Ｓ＝３０００ｍｍ）、の３条件でそれぞれシェルツァー・フォーカス条件で電子顕微鏡像を取得する。そして、これらの電
子顕微鏡像を重ね合わせる。これにより、低空間周波数から高空間周波数まで幅広い周波数帯で振動しないコントラスト伝達関数で得られた像を実現することができる。これは、球面収差係数Ｃ_Ｓを大きくすると、シェルツァー・フォーカス条件において、低空間周波数領域で振動しないコントラスト伝達関数が得られるためである。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…試料室、２…照射系、４…結像系、６…鏡筒、１０…電子線源、２０…照射レンズ、３０…試料ステージ、３２…試料ホルダー、４０…対物レンズ、４２…中間レンズ、４４…投影レンズ、５０…球面収差補正器、６０…撮像装置、７０…処理部、７２…制御部、７４…画像取得部、８０…表示部、８２…操作部、８４…記憶部、９０…除振機、９２…架台、１００…透過電子顕微鏡、２００…透過電子顕微鏡、２１０…色収差補正器

Claims (6)

1. 透過電子顕微鏡における画像取得方法であって、
   前記透過電子顕微鏡の結像系の球面収差係数および色収差係数の少なくとも一方を設定して、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する工程と、
   デフォーカス条件の前記結像系によって、画像の取得を行う工程と、
   を含む、画像取得方法。
2. 請求項１において、
   前記結像系の球面収差係数は、球面収差補正器を用いて設定される、画像取得方法。
3. 請求項１または２において、
   前記結像系の色収差係数は、色収差補正器を用いて設定される、画像取得方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記結像系の球面収差係数は１０ｍｍ以上に設定され、前記結像系の色収差係数は２ｍｍ以下に設定される、画像取得方法。
5. 電子線を発生させる電子線源と、
   前記電子線源から放出された電子線を試料に照射するための照射系と、
   前記試料を透過した電子線で結像するための結像系と、
   前記結像系の球面収差係数を変更するための球面収差補正器と、
   前記結像系および前記球面収差補正器を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記球面収差補正器を制御して前記結像系の球面収差係数を設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、
   前記結像系を制御して、前記結像系をデフォーカス条件にする処理と、
   を行う、透過電子顕微鏡。
6. 電子線を発生させる電子線源と、
   前記電子線源から放出された電子線を試料に照射するための照射系と、
   前記試料を透過した電子線で結像するための結像系と、
   前記結像系の色収差係数を変更するための色収差補正器と、
   前記結像系および前記色収差補正器を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記色収差補正器を制御して前記結像系の色収差係数を設定し、エンベローブ包絡関数によるコントラスト伝達関数の減衰を抑制する処理と、
   前記結像系を制御して、前記結像系をデフォーカス条件にする処理と、
   を行う、透過電子顕微鏡。