JP3705760B2 - 最適電子光学設計による高性能ｘ線像観察装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線像観察装置に関し、特に試料を透過するＸ線に応じて光電変換面から放出される光電子を電子光学的に結像・拡大して撮像素子で可視化して観察するために使用するＸ線像観察装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸ線像拡大観察装置は、Ｘ線透過性を有する支持基板上に形成された光電変換面を備え、試料を透過したＸ線をこの光電変換面に当てて光電変換面からＸ線の強度に対応して放出される光電子を加速し、磁界レンズを用いてマイクロチャンネルプレート上に結像させ、電子増倍して蛍光面に入射させて可視像化して、目視もしくはテレビカメラでリアルタイムに観察するようになっている。
【０００３】
従来のＸ線像拡大観察装置では、光電子を加速して結像・拡大するために複数の磁界レンズが用いられているが、レンズの収差が大きいばかりでなく、視野の所望部分を偏向コイルにより選出しているために、光軸外の像を観察することが多く、またレンズに絞り板を入れることができないため分解能がそれ程良くなく約０．５μｍに制限されていた。さらに、倍率の変化に伴って像の回転が起こり、視野中の所望部分の抽出や特定部位の同定に困難があった。
【０００４】
また、光電変換面で変換された光電子を加速する方向にマイクロチャンネルプレートが設けられているため、光電変換面を透過したＸ線が蛍光面もしくはチャンネルプレート上に到達して発光させるので、画像におけるバックグランドノイズとなって像質を劣化させ、さらにはチャンネルプレート自体が損傷を受けることが避けられなかった。
【０００５】
特開平３−１３４９４３には、Ｘ線像拡大観察装置における透過Ｘ線による上記障害を削減するため、図２に示すように、光電子像の結像系の後方に偏向コイルを設置して電子ビーム軌道を軸から逸らせて蛍光面に導くようにした技術が開示されている。
この文献に開示された技術は、Ｘ線が直進する性質を利用して、光電子像を軸から外れた蛍光面上に結像させることにより、軸に沿って進行するＸ線が蛍光面に入射しないようにして、蛍光像のバックグランドノイズを減少させるもので、上記の欠点を除き良質な観察画像を得ることができる。
【０００６】
Ｘ線像拡大観察装置の内部の電子軌道は偏向コイルによって簡単に変更することができるが、照射Ｘ線が目に見えない上、電子軌道を偏向させた場合には、透過Ｘ線光軸と電子レンズ系光軸を正確に整合させることができなかった。
また、エネルギー水準や波長により物体の部分ごとにＸ線の吸収特性が変化するためＸ線像には対象物体について多くの情報が含まれているが、開示された装置では可視化できる画像は１種類に限られるので別の特性を利用するときは測定条件を変更して改めて観察する必要があった。
このように、Ｘ線像には多岐にわたる情報が含まれているのにも拘わらず、これら情報をうまく引き出して活用することについて配慮されていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、球面収差および色収差の小さい磁界レンズの最適な組合せによって高分解能を実現し、かつ、倍率の変更によっても像が回転しないようなＸ線像観察装置を提供することであり、また、検出特性の異なる複数の検出器もしくは可視化ユニットを設けて、光軸調整が容易で、実時間で観察でき、かつ視野内から所望の部分を抽出でき、しかも高品質画像として記録が可能な高性能Ｘ線像観察装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＸ線像観察装置は、光電変換面、複数の磁界レンズからなる電子像拡大レンズ系および電子像可視化装置を備え、光電変換面からの光電子を加速して電子像として結像し、拡大レンズで拡大して電子像可視化装置に投影し、拡大像として可視化するものであって、電子像可視化装置が複数の可視化ユニットを有し、さらに電子像拡大レンズ系の下流に偏向コイルを設けることにより電子流を偏向させて光電子像を投影する可視化ユニットを選択できるようにしたことを特徴とする。
また、電子像拡大レンズ系は第１磁界レンズと第２磁界レンズで構成されるが、これら磁界レンズの間に第２の偏向コイルを設けることにより、両磁界レンズ相互の光軸調整を行うことができるようになっている。さらに、この偏向コイルで高倍率像をわずかな量だけ電気的にシフトすることもできる。
【０００９】
なお、光電変換面はＸ線が入射すると線量に対応する電子を放出するものであって、このような光電変換面は、Ｘ線透過性の膜の上に光電変換機能を有する薄膜を形成することにより構成することができる。この光電変換面では、Ｘ線透過膜側からＸ線が入射すると線量に対応する光電子が光電変換機能薄膜上に生成するので、これを正電界で加速し結像することにより、Ｘ線像を光電子像に変換することができる。
【００１０】
また、複数の可視化ユニットのうちの１個を光電変換面に照射するＸ線の軸上に配置することが好ましい。
何故なら、Ｘ線は磁界レンズなどの存在にかかわらず装置内を直進するため、Ｘ線軸上に中央可視化ユニットを配置することによりＸ線照射軸の位置を中央可視化ユニット上に目視できる形で確認することができるからである。
したがって、中央可視化ユニットを用いれば、容易に電子レンズ系の光軸とＸ線軸が一致するように調整することができる。その後に、Ｘ線軸から外れるところに設置された他の可視化ユニットに偏向コイルを用いて光電子像を投影させる。
【００１１】
なお、光電子像の結像位置に設けられる複数の可視化ユニットは感度、ダイナミックレンジなど特性が異なるものを含むようにすることが好ましい。
一般に、光電子に変換されずに透過するＸ線は相当の強度を有し、また電子光学的な軸合わせも強い電子ビームで行う方が容易であるので、これらのＸ線や電子線の軸合わせに用いる中央可視化ユニットには最も丈夫で安価な蛍光塗料を用いることが最適である。
蛍光塗料は弱い入射信号に対しては出力光量が不足で極めて長時間の露出を要するので、他の電子的増幅をしたユニットとの併用が必要となる。しかし、中央部に蛍光塗料による蛍光面を用いることは極めて有効であり、現状では不可欠である。
【００１２】
電子増幅をした可視化ユニットの感度などの検出特性は種類により異なり、たとえばマイクロチャンネルプレートは、像の忠実度、分解能はそれ程良くないが、明るい像になるので実時間の像観察および記録に適する。一方、ＣＣＤなどの半導体素子はマイクロチャンネルプレートよりは長時間の積算を必要とするがダイナミックレンジは極めて広く、量子効率も高いので良質の像が期待できる。
電子像可視化装置が特性差を有する複数の可視化ユニットから構成されていれば、Ｘ線像に含まれる多岐にわたる情報をそれぞれ引き出して利用することができる。
【００１３】
また、偏向量を変化させれば可視化ユニットの投影画像の中心位置と中央可視化ユニットにおける光軸位置をずらすことができるので、元のＸ線像の適当な位置における拡大画像を表示することができる。さらに、複数の可視化ユニットについて異なる偏向量を設定することにより、異なる位置の拡大像を簡単に切り替えて観察することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本実施例のＸ線像観察装置を示す概念構成図である。
本実施例のＸ線像観察装置は、真空容器１と電子像拡大レンズ系２と電磁偏向コイル３１、３３を備える。
真空容器１は、直管の一端に拡幅された可視化装置１１が形成されたもので、可視化装置１１には電子像可視化ユニット４が収納され、可視化装置１１の反対側端部１２には光電変換面５が形成されている。
【００１５】
光電変換面５は、ベリリウム膜などのＸ線透過性がある膜で形成された窓の内側に光電変換機能を有する金などの薄膜を形成したもので、容器外部からＸ線を照射すると真空容器１の内側に面する表面にＸ線像に応じた光電子像を生成する。
本装置を密着型Ｘ線顕微鏡方式で用いる場合には、光電変換面５に試料を密着させてその上からＸ線を照射する。照射されたＸ線は、試料中の材質や透過厚さに従って吸収されるので、光電変換面５に形成される光電子像は試料形状や試料を構成する材料に関する情報が含まれ、このＸ線像を解析することにより試料の性質を解明することができる。
また、試料を離してセットして可干渉性の大きいＸ線を照射し、物体を透過したＸ線を光電変換面５に投影してＸ線ホログラムを作る方式の場合においても、同様の情報を含む光電子による拡大Ｘ線ホログラム像を得ることができる。得られたホログラム像は再生処理によって普通のＸ線像に戻される。
【００１６】
光電変換面５の内側に隣接して加速電極となる電子線用アパーチャー５１が設けられている。光電変換面５は陰極になっているので、光電変換面５から放出された光電子は電子線用アパーチャー５１との間に生成する電位差によって真空容器１の内部に向かって加速される。電子線用アパーチャー５１にはピンホールが設けられていて、加速された光電子のうち適当な開き角を有するものだけを選り分けて、結像される光電子像の像質を向上させる。
【００１７】
電子像可視化ユニット４は、光電子像を可視像化する機能素子で、たとえばマイクロチャンネルプレートなどの電子増幅素子４１と蛍光面などの可視化素子４２から構成され、肉眼で観察できる可視像にしたり、さらに、図には表示しないが、蛍光面の後方に設けられたリレーレンズを内蔵する光学系とＣＣＤカメラにより電気信号化して画像処理してからモニターに表示する機能を付帯しても良い。電子像可視化ユニット４は、拡幅部に複数配置されている。
可視化ユニットのうち１個を光電変換面５に照射するＸ線の軸上に配置して中央可視化ユニット４３とし、他の可視化ユニット４を中央可視化ユニット４３の周囲に配置する。
【００１８】
なお、可視化ユニット４は、それぞれエネルギー感度や検出波長など電子像検出機能に差のある素子を用いて構成しても良い。
可視化ユニット４は拡幅部の可視化装置１１の端面に互いに特性の違う電子像変換部を形成することにより構成するが、それぞれ筒で仕切って、互いに干渉しないようにしてもよい。特に中央可視化ユニット４３は反射したＸ線が散乱して他の可視化ユニット４に侵入しないように周囲を囲む仕切り４４を設けることが好ましい。
【００１９】
電子像拡大レンズ系２は、光電変換面５の位置付近に配置される第１磁界レンズ２１と、真空容器１の直管部１３の中間に配置される第２磁界レンズ２２で構成される。
第１磁界レンズ２１は、光電変換面５からの光電子を結像する対物レンズとして作用し、第２磁界レンズ２２は、第１磁界レンズ２１で結像した光電子像を拡大して可視化ユニット４の受像面に結像させる投射レンズとして作用する。投射レンズは、１組の同じ構造を持つレンズが逆向きに励磁されるようにしてあり、倍率を変化させても像の回転が生じないようになっている。
第１磁界レンズ２１と第２磁界レンズ２２の励磁電流を調整することにより、可視化ユニット４に形成する電子拡大像の倍率が変化しても対物レンズのピント合わせにより鮮明な状態を維持することができる。
【００２０】
第２電磁偏向コイル３３は、直管部１３と拡幅部の可視化装置１１の境付近に配置され、これに供給する電流を制御する偏向コイル制御装置３４を付属させて、コイル電流を調整することにより、電子拡大像を投射するために選択した任意の可視化ユニット４に向けて電子ビームを偏向させる。なお、第２電磁偏向コイル３３に代えて、静電偏向板を用いることもできる。
【００２１】
本実施例のＸ線像観察装置によれば、光電変換面５にＸ線が入射すると光電変換面５の真空容器１側にＸ線強度に対応して光電子が放出される。電子線用アパーチャー５１と光電変換面５との間に印加された電位差により光電変換面５に強い電界が作用しているため、表面に発生した光電子は真空容器１の内側に引き出されて拡幅部の可視化装置１１に向かって加速される。
【００２２】
電子線用アパーチャー５１にはピンホールが設けられているため、電子線のうち直管部１３の軸に対して大きな角度を有するものは除去されて適当な開き角以内の成分のみが通過して電子像拡大レンズ系２の領域に進入する。
電子像拡大レンズ系２の対物レンズとして作用する第１磁界レンズ２１は光電変換面５上に生成された光電子を投射レンズとして作用する第２磁界レンズ２２の手前に結像する。第２磁界レンズ２２は結像した光電子像を拡大して可視化ユニット４の受像面に結像する。
【００２３】
なお、第１磁界レンズ２１と第２磁界レンズ２２の間には、第１の電磁偏向コイル３１が介装されており第１の偏向コイル制御装置３２により調整できるようになっていて、両レンズの間の軸合わせと、高倍率像の僅かな電気的シフトに利用されている。
このようにして、光電変換面５から放出された光電子像は第１磁界レンズ２１と第２磁界レンズ２２の働きにより所定の距離だけ離れた位置に像を結ぶ。
【００２４】
また、複数設けられた可視化ユニット４には、それぞれ異なる特性を有する撮像素子を配置できるので、第２電磁偏向コイル３３で可視化ユニット４を切り替えて光電子像を投影することによって、それぞれの検出器の特性に応じたＸ線像を取得することができる。
したがって、たとえば可視化ユニット４としてダイナミックレンジ、量子効率あるいはノイズ特性が異なるものを選択しておくと、第２電磁偏向コイル３３を切り替えることにより異なる特性の可視化ユニットを選べるので、ひとつのＸ線像から試料に関するいろいろな特性を引き出して観察することができるようになる。
【００２５】
【発明の効果】
Ｘ線像観察装置は、本来分解能が良くダイナミックレンジの広い像を得ることを目的とするが、本発明のＸ線像観察装置は、それに加えて、異なる特性を持つ複数の可視化ユニットを設けることで同じ試料について検出方式の異なるＸ線像を簡単に切り替えて観測することができ、目的に応じた多岐の観察が可能となる。また、透過Ｘ線光軸と電子レンズ系光軸のずれを簡単に評価することができて調整が容易なため、熟練者がいないところでも十分に実用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る１実施例のＸ線像観察装置を示す概念構成図である。
【図２】従来のＸ線像観察装置の概念図である。
【符号の説明】
１…真空容器、１１…可視化装置、１２…真空容器端部、１３…真空容器直管部、２…電子像拡大レンズ系、２１…第１磁界レンズ、２２…第２磁界レンズ、３１…第１電磁偏向コイル、３２…第１電磁偏向コイル制御装置、３３…第２電磁偏向コイル、３４…第２電磁偏向コイル制御装置、４…電子像可視化ユニット、４１…電子増幅素子、４２…可視化素子、４３…中央可視化ユニット、４４…仕切り、５…光電変換面、５１…対物レンズアパーチャー

Claims (6)

1. Ｘ線が入射すると線量に対応する光電子を放出する光電変換面と、複数の磁界レンズからなる電子像拡大レンズ系と、電子像可視化装置を備え、光電変換面からの光電子像を電子光学的に結像・拡大して電子像可視化装置に投影し拡大像として可視化するＸ線像観察装置であって、前記電子像可視化装置が前記光電変換面に照射するＸ線の軸上に配置された１個の可視化ユニットを含む複数の可視化ユニットを有し、前記電子像拡大レンズ系の下流に電子流偏向素子を設けて、該電子流偏向素子により電子流を偏向させて可視化ユニットを選択するようにしたことを特徴とするＸ線像観察装置。
2. 前記電子像拡大レンズ系は、対物レンズとしての第１の磁界レンズと投射レンズとしての第２の磁界レンズを直列に配置したものであって、該第１磁界レンズと第２磁界レンズの間に電磁偏向コイルを配置したことを特徴とする請求項１記載のＸ線像観察装置。
3. 前記対物レンズは、１組の同じ構造を持つレンズが逆向きに励磁されたもので、前記電子像拡大レンズ系で倍率を変化させても像が回転しないことを特徴とする請求項２記載のＸ線像観察装置。
4. 前記複数の可視化ユニットは検出特性が異なる撮像素子を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＸ線像観察装置。
5. 前記電子流偏向素子は光電子像を投影する可視化ユニットを予め決められた順で、もしくは任意に選択して、該可視化ユニットごとに異なる特性に基づく画像を形成させることを特徴とする請求項４記載のＸ線像観察装置。
6. 前記電子流偏向素子は電磁偏向コイルであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線像観察装置。

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