JP2713562B2 - 電子顕微鏡における焦点合わせ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡、特に
透過型電子顕微鏡における自動焦点合わせ方法に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】最近、テレビで像を観察するテレビ電子
顕微鏡が広く使われるようになった。このテレビ電子顕
微鏡では、明るい陰極線管(ＣＲＴ)上での像を観なが
ら、電子顕微鏡の焦点合わせ作業が行なえる。通常の透
過型電子顕微鏡においては、従来から、ワブラーと称す
る装置(特開昭５３ー１５７３８号公報参照)が焦点合わ
せに使われてきたが、テレビ電子顕微鏡においても、こ
のワブラー装置を使用することができる。このワブラー
装置は、試料に照射する電子線の試料入射角を時間的に
変化させる装置で、もし、電子顕微鏡の焦点が合ってい
なければ、結像面に拡大結像されている試料像が割れて
観える。テレビ電子顕微鏡では、ＣＲＴ上の試料像が割
れて観える。従って、観察者は、ワブラー装置を動作さ
せながら、試料像の動きを観察し、その動きが認められ
なくなるように、対物レンズ電流値を変化させて焦点合
わせを行なっている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】テレビ電子顕微鏡にお
いては、明るいＣＲＴ像を観ながら、上記の焦点合わせ
作業を行なうことができるので、通常の電子顕微鏡でワ
ブラー装置を使って焦点合わせを行なう場合に比べて焦
点合わせ作業は楽になった。しかしながら、試料像の動
きの有無の判断はやはり観察者の肉視に頼るため、焦点
が合ってきて試料像の動きが少なくなると、この微小な
動きを明確に判定できず、その結果、十分な精度で焦点
合わせをすることができないと云う問題があった。 【０００４】従って、本発明に目的は、上記した試料へ
の電子線入射角の変化による試料像の変化を肉視に頼る
ことなく自動判定し、その結果高精度で焦点合わせので
きる電子顕微鏡用の焦点合わせ方法を提供することにあ
る。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の焦点合わせ方法においては、電子顕微鏡の
対物レンズ電流値をステップ状に変化させる手段と、試
料に入射する電子線の方向を変化させる手段と、上記試
料を透過した電子線を結像させる電子光学手段と、この
結像された像を撮像するテレビカメラ手段とを備えた電
子顕微鏡において、上記対物レンズ電流値をステップ状
に変化させながら、その各ステップ毎に前記試料入射電
子線の方向を変えて、この試料入射電子線の方向を変え
る前後に前記テレビカメラ手段で撮像された２個の像を
それぞれ別個に画像メモリーに記憶させて、該画像メモ
リーに記憶された上記両像の画像内容の一致度を演算し
て求め、該画像内容の一致度が良好となった時点で上記
対物レンズ電流値の変化を停止させるようにしている。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面を参照して詳細に説明する。 【０００７】図１は、本発明の一実施例を説明するため
の電子顕微鏡装置全体の概略構成図である。電子顕微鏡
の鏡体１内に設けられた電子銃２から出た電子線３は、
ワブラー(偏向コイル)４により偏向されて、試料５中に
入射する。 【０００８】ここで、電子線３は、上記ワブラーの駆動
により、図１の点線で示す状態から実線で示す状態に偏
向され、試料５への入射角が変えらているものとする。
試料５中を透過した電子線は、対物レンズ６，中間レン
ズ７，投射レンズ８によって蛍光面９上に結像される。
この蛍光像は、ガラス窓１０を通して、光学レンズ系１
１によって、テレビカメラ１２の撮像面上に結像され
て、試料像としてＣＲＴ１３に表示される。 【０００９】先に述べたように、ここで、もしこの電子
顕微鏡の焦点が合っていれば、ワブラー４により試料５
への電子線入射角を変えても、テレビカメラ１２より取
り込んだＣＲＴ１３上の試料像は変化しないが、焦点が
合っていなければ、蛍光面９上の蛍光像が動くため、Ｃ
ＲＴ１３上の試料像も変化する。従って、このワブラー
４による電子線入射角変化の前後における試料像の画像
内容としての一致度が検定できれば、この電子顕微鏡が
焦点正合状態にあるか否かが判る。 【００１０】そこで、本発明では、上記した試料像の画
像内容としての一致度を調べるために、電子線入射角の
変化前後、すなわちワブラー４による試料入射電子線の
偏向前後に得られる二つの試料像を、Ａ／Ｄ（アナログ
／ディジタル）変換器１４，切換スイッチ１５を通して
二つの画像メモリー１６，１７にそれぞれ別々に格納
し、演算器１８において両画像メモリー１６，１７の記
憶内容(画像内容)を同時に読み出して両画像内容の一致
度を演算して、両画像内容が同一であるか否かを示す信
号Ｆを発生する。この信号Ｆは、Ｄ／Ａ（ディジタル／
アナログ）変換器２４を通してメーター２５に送られ、
あるいは信号線２３を通してマイクロコンピュータ２６
に送られて、後述するように、この電子顕微鏡が焦点正
合状態にあるか否かを知らせる。 【００１１】図２に、本実施例において、電子顕微鏡が
焦点正合状態にあるか否かを演算・判定するための演算
器１８の一構成例を示す。Ａ／Ｄ変換器１４，切換スイ
ッチ１５を介して両画像メモリー１６，１７に格納され
る試料入射電子線の偏向前後の画像(試料像)の記憶方法
は以下のとおりである。すなわち、各画像メモリー中
の、試料像上での各画素の２次元配列番地に対応した
（ｉ，ｊ）番地の記憶場所に、その画素の輝度(明るさ)
が、例えば１画素当り８ビットの情報量で記憶されてい
る。ワブラー４による電子線偏向前にメモリー(Ａ)１６
に記憶された試料像の（ｉ，ｊ）番地における輝度(明
るさ)をＡ_i,j ，電子線偏向後にメモリー(Ｂ)１７に記
憶された試料像の同じく（ｉ，ｊ）番地における輝度
(明るさ)をＢ_i,jとする。演算器１８は、タイミング信
号線３３から入力されるタイミング信号に合わせて、次
々とこの（ｉ，ｊ）を変えて、Ａ_i,jとＢ_i,jとを読み込
んで、下記(１)式に基づいて演算して行く。 【数１】 【００１２】演算器１８内において、画像メモリーから
の輝度信号Ａ_i,j，Ｂ_i,jは、先ず、引算器１９によって
(Ａ_i,j−Ｂ_i,j)なる差分信号に変形され、次いで、この
差分信号が掛算器２０によって(Ａ_i,j−Ｂ_i,j)² なる２
乗化信号に変換される。さらに、この２乗化信号が、加
算器２１と加算メモリー２２によって全ての加算番地
（ｉ，ｊ）について加算されて、(１)式で示される加算
信号Ｆ₁ が信号線２３に出力される。 【００１３】上記の加算信号Ｆ₁は、全ての加算番地
（ｉ，ｊ）について、両輝度信号Ａ_i,jとＢ_i,j とが等
しい時にのみ零(ゼロ)となり、その他の場合には零にな
らない。すなわち、試料への電子線入射方向の切換前に
記憶された試料像と切換後に記憶された試料像とが完全
に一致すれば信号Ｆ₁ は零となり、焦点外れのために両
像が一致せずに少しでも変化していれば信号Ｆ₁ は零と
はならない。この信号Ｆ₁は、Ｄ／Ａ変換器２４を通っ
てメーター２５に送られて、Ｆ₁ 値がアナログ表示され
る。 【００１４】従って、対物レンズ６のレンズ電流を僅か
ずつステップ状に変えながら、その都度ワブラー４によ
って試料入射電子線の偏向(入射方向切換)を繰り返し、
メーター２５の指針が極めて小さな値を示すような対物
レンズ電流値に設定すれば、この電子顕微鏡は焦点正合
状態となる。 【００１５】本実施例では、制御用のマイクロコンピュ
ータ２６によって、対物レンズ電源２７を制御して、対
物レンズ電流を低い値から高い値に向けて順次ステップ
状に変化させている。この対物レンズ電流変化の各ステ
ップにおいて、マイクロコンピュータ２６からの制御信
号に基づいてタイミング信号発生器２８で発生されたタ
イミング信号を偏向コイル電源２９に送って、ワブラー
(偏向コイル)４を駆動させて、試料５への電子線入射角
を切り換えている。そして、この電子線入射角切換の前
後における二つの試料像の輝度情報をそれぞれ画像メモ
リー１６，１７に別々に記憶させ、この記憶情報を同時
に読み出して、演算器１８において上記したＦ₁ 値を演
算して求めている。このＦ₁ 値を表わす信号は信号線２
３を介してマイクロコンピュータ２６に入力されて、Ｆ
₁ 値が零、または極めて小さい値となった時に、以後の
対物レンズ電流変化を停止し、その時の対物レンズ電流
値を固定維持するように制御がなされる。すなわち、こ
の状態で電子顕微鏡は焦点正合状態となる。 【００１６】上述したように、本実施例によれば、電子
線入射角切換前後の両像間の一致度を演算器１８によっ
て自動的かつ精度良く判定できるので、従来のように両
像間での差異を観察者が肉視により判定する必要がな
く、簡便かつ迅速にして極めて精度の高い焦点合わせが
できる。 【００１７】図３に、演算器１８の他の一構成例を示
す。ここでは、演算器１８への入力信号は、図２の場合
と同様Ａ_i,jとＢ_i,jであるが、両試料像間での一致度を
演算判定するための演算方式が異なっている。すなわ
ち、ここでは、両試料像間での一致度の演算判定は、次
の(２)式に基づいて行なわれる。 【数２】 【００１８】つまり、ここでは、一方の入力信号Ｂ_i,j
は、先ず、補正掛算器３２を通して定数(Ｃ)倍される。
これは、試料５への電子線照射系の光軸合わせが完璧で
ない時に、試料５への電子線入射角を変えるとそれに伴
なって試料入射電子線の強度も変わってしまう場合があ
ることを考慮して、この試料入射電子線の強度変化によ
る試料像の輝度変化の影響を補正するためのものであ
る。 【００１９】信号Ａ_i,jとＣ・Ｂ_i,jは、割算器３０を通
して{Ａ_i,j／(Ｃ・Ｂ_i,j)}なる形に変換され、次いで、
対数演算器３１によって log{Ａ_i,j／(Ｃ・Ｂ_i,j)}なる
形に変換される。掛算器２０，加算器２１，加算メモリ
ー２２の機能は、図２の場合と全く同様であり、これら
を通して、信号線２３には、上記の(２)式で示される加
算信号Ｆ₂ が出力される。このＦ₂ 値も、また、全ての
加算番地（ｉ，ｊ）について、信号Ａ_i,jと信号Ｃ・Ｂ
_i,jとが等しい時にのみ零(ゼロ)となり、その他の場合
には零とならない。すなわち、このＦ₂ 値によっても、
両試料像の一致度を精度良く判定することができ、もっ
て電子顕微鏡が焦点正合状態にあるか否かを高精度で判
定できる。 【００２０】なお、前記の(１)式，(２)式において、加
算番地（ｉ，ｊ）についての加算・演算は、試料像を形
成する全画素番地（ｉ，ｊ）について行なう必要はな
く、例えば、電子線入射角変更前後の両試料像の相対応
する一部の矩形状領域あるいは線状領域内の画素番地の
ように、選択された一部の画素番地（ｉ，ｊ）について
のみ行なってもよい。 【００２１】また、上記実施例においては、各画素番地
毎に輝度(明るさ)を比較する方法を示したが、両試料像
をそれぞれ複数の画素を含む小ブロック毎に分けて、互
いに位置的に対応する小ブロック内の輝度を比較して、
両試料像の一致度を判定するようにしても良い。 【００２２】このように、上記実施例によれば、テレビ
電子顕微鏡におけるＣＲＴ画面上の試料像の変化を肉視
に頼らずに高精度で自動判定できるので、従来に比べ極
めて精度の良い焦点合わせができる。また、上記の焦点
合わせ操作中も、絶えず試料全体の像がＣＲＴ画面上に
表示されているので、試料の経時変化を忠実にフォロー
すると云うテレビ電子顕微鏡としての機能を損なうもの
ではない。また、コントラストの小さい試料を観察する
場合には、コントラストを高めるために、上記の焦点正
合状態よりも若干対物レンズ電流を小さくして観察する
ことがしばしばあるが、そのような場合にも、前もって
レンズ電流補正量をマイクロコンピュータに記憶させて
おくことにより、容易にその最適観察状態に電子顕微鏡
をセットすることができる。 【００２３】 【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
試料への電子線入射角の変化による試料像の変化を肉視
判定に頼ることなく自動判定できるので、従来に比べ簡
便かつ迅速で高精度の焦点合わせが実現できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例を説明するための電子顕微鏡
装置全体の概略構成図。 【図２】図１における焦点正合度判定用演算器の一構成
例を示すブロック図。 【図３】図１における焦点正合度判定用演算器の他の一
構成例を示すブロック図。 【符号の説明】 １…電子顕微鏡の鏡体， ２…電子銃，３…
電子線， ４…ワブラー(偏向コ
イル)，５…試料， ６…対物
レンズ，７…中間レンズ， ８…投射
レンズ，９…蛍光面， １０…ガラ
ス窓，１１…光学レンズ系， １２…テレ
ビカメラ，１３…ＣＲＴ， １４…
Ａ／Ｄ変換器，１５…切換スイッチ， １
６…画像メモリー(Ａ)，１７…画像メモリー(Ｂ)，
１８…演算器，１９…引算器，
２０…掛算器，２１…加算器，
２２…加算メモリー，２３…信号線，
２４…Ｄ／Ａ変換器，２５…メーター，
２６…マイクロコンピュータ，２７…対物レ
ンズ電源， ２８…タイミング信号発生器，
２９…偏向コイル電源， ３０…割算器，３
１…対数演算器， ３２…補正掛算器，
３３…タイミング信号線。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．電子顕微鏡の対物レンズ電流値をステップ状に変化
   させる手段と、試料に入射する電子線の方向を変化させ
   る手段と、上記試料を透過した電子線を結像させる電子
   光学手段と、この結像された像を撮像するテレビカメラ
   手段とを備えた電子顕微鏡において、上記対物レンズ電
   流値をステップ状に変化させながら、その各ステップ毎
   に前記試料入射電子線の方向を変えて、この試料入射電
   子線の方向を変える前後に前記テレビカメラ手段で撮像
   された２個の像をそれぞれ別個に画像メモリーに記憶さ
   せて、該画像メモリーに記憶された上記両像の画像内容
   の一致度を演算して求め、該画像内容の一致度が良好と
   なった時点で上記対物レンズ電流値の変化を停止させる
   ことを特徴とする電子顕微鏡における焦点合わせ方法。