JP4154939B2 - 透過電子顕微鏡および焦点合わせ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過電子顕微鏡に関し、自動焦点合わせ機能を備えた透過電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、試料に電子線を照射し、試料を透過した電子線を対物レンズで結像させて初段像を得、その初段像を中間レンズと投影レンズで拡大して、試料拡大像を蛍光板などを用いて観察する装置である。
【０００３】
さて、このようなＴＥＭの対物レンズによる結像において、正焦点からｄｆの焦点ずれの条件下で像が形成されている場合、試料に対する入射電子の角度をｔだけ変化（傾斜）させると、蛍光板上で像がその電子線傾斜方向にδだけ移動する。その像の移動量δは、１次軌道の近似内で、下記（１）式のように表わされる。
【０００４】
δ＝ｄｆ・ｔ …（１）
したがって、電子線を角度ｔ傾斜させる前の試料画像Ａと、電子線を角度ｔ傾斜させた後の試料画像Ｂとの位置ずれδを求めれば、（１）式から、焦点ずれ量ｄｆが得られる。この手法は、コンピュータを用いたＴＥＭの自動焦点合わせに用いられている。
【０００５】
前記画像Ａと画像Ｂとの位置ずれδは、これまで、それら２画像間の相互相関関数ＸＣＦ（ｒ）を計算して求められている。そして、その相互相関関数の計算にあたっては、相互相関関数を効率的に計算するためにフーリエ変換が利用されており、具体的には、下記（２）式によって相互相関関数ＸＣＦ（ｒ）が計算されている。
【０００６】
ＸＣＦ（ｒ）＝ＦＴ^−１［ＦＴ［Ａ］・（ＦＴ［Ｂ］）^※］ …（２）
ここで、Ａは画像Ａ、Ｂは画像Ｂ、ＦＴ［Ａ］は画像Ａのフーリエ変換、（ＦＴ［Ｂ］）^※は画像Ｂのフーリエ変換の複素共役、ＦＴ^−１はフーリエ逆変換を示している。
【０００７】
この（２）式の演算によれば、画像Ａと画像Ｂとの一致度の分布、すなわち位置ずれの分布が得られるので、画像Ｂが画像Ａから、どの方向にどれだけの量ずれているかを求めることができる。より具体的には、相互相関関数ＸＣＦ（ｒ）中に現れるピーク位置が、画像Ａと画像Ｂとの移動ベクトルｄｒを与えるものとなる。そして、この移動ベクトルｄｒは、その２画像間のずれ量δと方向を与えるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電子線傾斜法による焦点合わせを、結晶性の試料にも適用しようとした場合、以下の問題が発生する。
【０００９】
すなわち、結晶性の試料の透過電子像には、一般に回折コントラストと呼ばれる、電子が試料の結晶面でブラッグ反射されることに起因したコントラストが強く現れる。このブラッグ反射は、入射電子と結晶面が特定の角度関係を満たすときに起こる。
【００１０】
上記のように、焦点ずれｄｆを検出する目的で電子線をｔ傾斜させた場合、入射電子と結晶面の角度関係がその電子線傾斜前後で変化してしまう。このため、たとえ焦点がずれていなくても、その電子線傾斜に伴って、前記画像Ａと画像Ｂ間において、ブラッグ反射に起因したコントラストの消滅や生成や移動などの現象が起こる。
【００１１】
したがって、電子線傾斜の前後で、このような回折コントラストの変化が像上に発生すると、焦点ずれｄｆに起因した２画像間のずれ量δを、上記（２）式の演算では正確に得られない。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、結晶性の試料に対しても、電子線傾斜法による焦点合わせを正確に行える透過電子顕微鏡を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明は、前述のＸＣＦの計算にあたり、焦点ずれ量ｄｆに起因する像移動成分を主体にＸＣＦの計算を行い、回折コントラストの消滅、生成、移動に起因する像変化成分がＸＣＦに影響する度合いを低くするようにしたものである。
【００１４】
すなわち、回折コントラストは、前述のとおりブラッグ反射に起因するが、その回折コントラストの像上での見え方は、暗い領域、あるいは明るい領域、または、等傾角干渉縞（ベンドコンター）のような幅広い黒い帯状の領域などであって、これらは、画像の大雑把なコントラスト分布、すなわち、画像の低周波成分から構成されるものである。
【００１５】
一方、焦点ずれｄｆに起因する像移動成分は、試料の形状を表す画像成分であり、その試料形状を表す画像構成成分は低周波から高周波まで幅広く分布している。
【００１６】
したがって、画像の相関であるＸＣＦの周波数成分のうち、画像間の低周波成分の相関がＸＣＦに反映されないような工夫を行えば、回折コントラストに起因する画像の変化成分をＸＣＦから排除できる。これを実現するには、一般に知られる周波数フィルターと呼ばれるもので、低周波成分をカットするフィルターをＸＣＦのフーリエ変換に作用させれば良い。
【００１７】
本発明では、このような工夫を取り入れることで、焦点ずれｄｆに起因する像のずれを検出するものであり、本発明の透過電子顕微鏡は、試料への電子線の入射角度がθ_１のときの試料画像Ａと、試料への電子線の入射角度がθ_２のときの試料画像Ｂとを取得し、前記試料画像Ａと前記試料画像Ｂの相互相関関数を計算して、それら２画像間の位置ずれ量δを求め、その求めた位置ずれ量δに基づいて焦点合わせを行うようにした透過電子顕微鏡において、前記試料画像上に現れる回折コントラストの前記相互相関関数への影響が低減されるように、前記相互相関関数を計算するようにした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の透過電子顕微鏡の一例を示した図である。
【００２０】
図１において、１は鏡筒であり、鏡筒１の内部は排気装置（図示せず）によって排気されている。この鏡筒１の内部には、上から順に、電子銃２、加速管３、集束レンズ４、電子線傾斜用アライメントコイル（ＣＬアライメントコイル）５、結晶性の試料６、対物レンズ７、中間レンズ８、投影レンズ９、ＴＶカメラ１０が配置されている。
【００２１】
前記電子銃２から放出された電子は、加速管３によって数百ｋｅＶのエネルギーまで加速され、集束レンズ４によって集束された電子線は試料６を照射する。そして、試料６を透過した電子線は対物レンズ７により結像作用を受け、試料６の初段像が対物レンズ７と中間レンズ８間に形成される。
【００２２】
その後、中間レンズ８と投影レンズ９により試料拡大像が形成されて行き、最終的な観察／記録面ｈに、数百倍〜数百万倍の範囲で観察目的に沿った倍率で試料像が結像される。この観察／記録面ｈには、ＴＶカメラ１０の撮像素子１０ａが配置されており、観察／記録面ｈに結像された試料像は撮像素子１０ａで撮像される。
【００２３】
撮像素子１０ａからのＴＶ像信号ｉは、ＴＶ画像取り込みインターフェース１１を装備した制御装置（パーソナルコンピュータ）１２に入力される。制御装置１２は、本発明の目的に合わせて開発されたソフトウェア１３を搭載しており、ＰＣ上で動作するソフトウェア１３は、焦点ずれ検出部１４を備えている。
【００２４】
この焦点ずれ検出部１４には、前記インターフェース１１からのＴＶ像信号ｉが供給されるように構成されている。また、インターフェース１１からのＴＶ像信号ｉはディスプレイ１５にも供給されており、ディスプレイ１５上には、前記ＴＶカメラ１０で撮像された透過電子像が表示されている。
【００２５】
前記焦点ずれ検出部１４は、電子線傾斜信号ｔをＣＬアライメントコイル電源装置１６に、また、焦点ずれ補正信号ｆを対物レンズ電源装置１７に供給するように構成されている。ＣＬアライメントコイル電源装置１６は、電子ビーム傾斜信号ｔに基づき、ＣＬアライメントコイル５に供給する励磁電流を調節する。一方、対物レンズ電源装置１７は、焦点ずれ補正信号ｆに基づき、対物レンズ７に供給する励磁電流を調節する。
【００２６】
以上、図１のＴＥＭの装置構成を説明した。以下、動作説明を行う。
【００２７】
さて、操作者は、図１のＴＥＭに自動焦点合わせを行わせる場合、制御装置１２のソフトウェア１３に対して「自動焦点合わせ」の開始を指示する。この「自動焦点合わせ」の開始の指示は、ディスプレイ１５上に表示される「自動焦点合わせ」のボタンをマウスでクリックすることで行われる。
【００２８】
こうして、「自動焦点合わせ」の開始が指示されると、ＴＶカメラ１０からのＴＶ像信号ｉが供給されている焦点ずれ検出部１４は、まず、現在ＴＶカメラ１０で撮像されている試料像を電子線傾斜前画像（画像Ａ）としてその内部メモリＭ_Ａに取り込む。なお、このときの試料６への電子線の入射角度はθ_１である。
【００２９】
そして、電子線傾斜前画像（画像Ａ）の取り込み後即座に、焦点ずれ検出部１４は、試料６に対する入射電子の角度を前記θ_１からθ_ｔだけ変化させるための電子線傾斜信号ｔをＣＬアライメントコイル電源装置１６に供給する。ＣＬアライメントコイル電源装置１６は、焦点ずれ検出部１４からの傾斜信号ｔに基づき、ＣＬアライメントコイル５に供給する励磁電流を調節する。これによって、試料６への電子線の入射角度はθ_１からθ_ｔだけ変化してθ_２（＝θ_１＋θ_ｔ）なり、試料６は、それまでよりθ_ｔだけ傾斜した電子線の照射を受ける。
【００３０】
その電子線照射による試料像（θ_２）はＴＶカメラ１０で撮像され、焦点ずれ検出部１４は、現在ＴＶカメラ１０で撮像されている試料像（θ_２）を電子線傾斜後画像（画像Ｂ）としてその内部メモリＭ_Ｂに取り込む。そして、焦点ずれ検出部１４は、電子線傾斜前画像（画像Ａ）と電子線傾斜後画像（画像Ｂ）の位置ずれδを、下記（３）式の演算を行って求める。すなわち、焦点ずれ検出部１４は、画像Ａと画像Ｂ間の相互相関関数ＸＣＦ’（ｒ）を下記（３）式から計算して、画像の位置ずれδを求める。
【００３１】
ＸＣＦ’（ｒ）＝ＦＴ^−１［Ｌｃ［ＦＴ［Ａ］・（ＦＴ［Ｂ］）^※］］…（３）
ここで、Ａは画像Ａ、Ｂは画像Ｂ、ＦＴ［Ａ］は画像Ａのフーリエ変換、（ＦＴ［Ｂ］）^※は画像Ｂのフーリエ変換の複素共役、ＦＴ^−１はフーリエ逆変換を示している。
【００３２】
また、Ｌｃは低周波成分をカットするフィルターで、一般のフーリエ変換に適用される周波数フィルターと同等の機能を有する。すなわち、Ｌｃは、ＦＴ［Ａ］・（ＦＴ［Ｂ］）^※に含まれる低周波成分のうち、操作者が予め設定した０に近い周波数Ｈ（Ｈは０〜５程度）以下の周波数成分の振幅を、０または０に近い値に設定するものである。
【００３３】
このＬｃを相互相関関数の演算式中に加えたことが、図１の装置の特徴であり、ＸＣＦ’（ｒ）は低周波成分がカットされた２画像の相互相関関数である。このＸＣＦ’（ｒ）中に現れるピークの持つ移動ベクトルｄｒ’が、低周波成分の影響を除いた２画像間のずれ量δとずれの方向を表している。すなわち、ＸＣＦ’（ｒ）中に現れる移動ベクトルｄｒ’が、回折コントラストの影響を除いた２画像間のずれ量δとずれの方向を表している。
【００３４】
こうして、焦点ずれ検出部１４は位置ずれ量δを求めると、現状の焦点ずれ量ｄｆを、前記（２）式を用いてｄｆ＝δ／θ_ｔから求める。そして、焦点ずれ検出部１４は、その焦点ずれｄｆを補正する焦点ずれ補正信号ｆを生成して対物レンズ電源装置１７に供給する。対物レンズ電源装置１７は、焦点ずれ検出部１４からの焦点ずれ補正信号ｆに基づき、対物レンズ７に供給する励磁電流を調節する。これによって、焦点ずれが補正される。
【００３５】
なお、この焦点合わせにあたっては、対物レンズ７の焦点調整感度を予め測定しておくことで、焦点ずれ量ｄｆのキャンセルに必要な対物レンズ７の励磁の変化量（焦点ずれ補正信号ｆ）は容易に得られる。
【００３６】
以上説明したように、図１のＴＥＭにおいては、自動焦点合わせを実施するにあたって、電子線傾斜θ_ｔが誘発する像の位置ずれ量δを２画像間の相互相関関数を用いて計算する際、相互相関関数のフーリエ変換に低周波成分をカットする周波数フィルターを作用させることで、回折コントラストの相互相関関数への影響を低減させることができる。これにより、回折コントラストが強く現れる結晶性の試料に対しても、電子線傾斜法による焦点合わせによって焦点ずれ量ｄｆを正確に求めることができ、焦点合わせを正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の透過電子顕微鏡の一例を示した図である。
【符号の説明】
１…鏡筒、２…電子銃、３…加速管、４…集束レンズ、５…ＣＬアライメントコイル、６…試料、７…対物レンズ、８…中間レンズ、９…投影レンズ、１０…ＴＶカメラ、１０ａ…撮像素子、１１…ＴＶ像取り込みインターフェース、１２…制御装置、１３…ソフトウェア、１４…焦点ずれ検出部、１５…ディスプレイ、１６…ＣＬアライメントコイル電源装置、１７…対物レンズ電源装置

Claims (2)

1. 試料への電子線の入射角度がθ_１のときの試料画像Ａと、試料への電子線の入射角度がθ_２のときの試料画像Ｂとを取得させ、
   前記試料画像Ａと前記試料画像Ｂの相互相関関数を計算して、それら２画像間の位置ずれ量δを求めさせ、
   その求めた位置ずれ量δに基づいて焦点合わせを行わせる制御装置を備えた透過電子顕微鏡において、
   前記相互相関関数をフーリエ変換を用いて計算させ、前記２画像間の低周波成分の相関が前記相互相関関数に反映されないように、前記フーリエ変換に低周波フィルタを作用させる制御装置を備えたことを特徴とする透過電子顕微鏡。
2. 試料への電子線の入射角度がθ_１のときの試料画像Ａと、試料への電子線の入射角度がθ_２のときの試料画像Ｂとを取得し、
   前記試料画像Ａと前記試料画像Ｂの相互相関関数を計算して、それら２画像間の位置ずれ量δを求め、
   その求めた位置ずれ量δに基づいて焦点合わせを行うようにした透過電子顕微鏡における焦点合わせ方法において、
   前記相互相関関数はフーリエ変換を用いて計算され、前記２画像間の低周波成分の相関が前記相互相関関数に反映されないように、前記フーリエ変換に低周波フィルタを作用させることを特徴とする透過電子顕微鏡における焦点合わせ方法。

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