JP5690086B2 - 拡大観察装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＳＥＭ等の電子顕微鏡に、光学顕微鏡等の光学系の観察手段で光学画像を取得可能な光学系撮像手段を付加した拡大観察装置に関する。
荷電粒子線で観察対象の試料を照射して得られる信号を検出して観察像を得る荷電粒子線装置として、例えば電子線を用いた透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡がある。例えば電子顕微鏡は、電子の進行方向を自由に屈折させ、光学顕微鏡のような結像システムを電子光学的に設計したものである。電子顕微鏡には、試料や標本を透過した電子を電子レンズを用いて結像する透過型の他、試料表面で反射した電子を結像する反射型、集束電子線を試料表面上に走査して各走査点からの二次電子を用いて結像する走査型電子顕微鏡、加熱あるいはイオン照射によって試料から放出される電子を結像する表面放出型（電界イオン顕微鏡）等がある（例えば特許文献１）。
電子顕微鏡（ＳＥＭ）の例として、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）は、観察対象となる試料に細い電子線（電子プローブ）を照射した際に発生する二次電子や反射電子を、二次電子検出器、反射電子検出器等それぞれの検出器を用いて取り出し、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示画面上に表示して、主として試料の表面形態を観察する装置である。一方、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）は、薄膜試料に電子線を透過させ、その際に試料中で原子により散乱、回折された電子を電子回折パターン又は透過電子顕微鏡画像として得ることによって主に物質の内部構造を観察できる。
電子線が固体試料に照射されたとき、電子のエネルギーによって固体中を透過するが、その際に試料を構成する原子核や電子との相互作用によって弾性的な衝突、弾性散乱やエネルギー損失を伴う非弾性散乱を生じる。非弾性散乱によって試料元素の殻内電子を励起したり、Ｘ線等を励起したり、また二次電子を放出し、それに相当するエネルギーを損失する。二次電子は衝突する角度によって放出される量が異なる。一方、弾性散乱によって後方に散乱し、試料から再び放出される反射電子は、原子番号に固有の量が放出される。ＳＥＭはこの二次電子や反射電子を利用する。ＳＥＭは電子を試料に照射し、放出される二次電子や反射電子を検出して観察像を結像している。また走査型電子顕微鏡の一種として、試料透過光を検出器に受ける走査−透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）等もある。
ＳＥＭやＴＥＭ、ＳＴＥＭ等の電子顕微鏡は、高い倍率での観察に有効であるものの、逆に低い倍率での表示を不得手とする。一般的には電子顕微鏡の倍率は、最大で数万倍〜数十万倍あるいは数百万倍程度の表示が可能であるが、一方で最低倍率は、数倍〜数十倍程度となる。例えばＳＥＭで観察可能な最も低い倍率は一般的に５倍〜５０倍程度である。このように、電子顕微鏡等での観察は開始時からいきなり高倍率での表示となるため、観察視野は非常に狭い範囲となってしまう。このため、試料サンプル上の最終的に観察したい場所を見つける作業である視野探しは困難となる。視野探しは、視野を広くした状態、すなわち低倍率にて表示させた状態から、徐々に高倍率に移行して視野を絞り込んで特定する手順が望ましい。
このような電子顕微鏡の視野探しを容易にするため、可視波長や赤外波長の光を利用する光学顕微鏡や光学カメラ等の光学観察装置（光学系撮像手段）を利用する方法が知られている（例えば特許文献１）。光学系撮像手段での観察は一般に１倍以下の倍率といった低倍率での表示が可能である。そこで、試料サンプルを光学系撮像手段を用いて低倍率で観察し、大体の視野探しを行った上で、電子顕微鏡での観察に移行することが行われている。これを実現するため、電子顕微鏡に、より低倍率での表示が可能な観察光学系を併用する。Ｃ−ＭＯＳカメラ等の観察光学系での低倍率表示に基づいて視野探しを行い、その後ＳＥＭ等の電子線撮像手段に切り替えて、高倍率での観察を行う。
特開平９−９７５８５号公報 特開平５−４１１９４号公報 特開平１０−２１４５８３号公報
このように光学系撮像手段を備えた従来の電子顕微鏡においては、各撮像手段で得られた光学画像及び電子顕微鏡画像を対比して観察することが行われている。この際、画像の倍率は、光学画像及び電子顕微鏡画像で各々表示される試料のサイズが同一となるように、各々の撮像手段から試料台（試料ステージ）上に載置された試料に対して、同一の視野、同一の倍率にて画像を取得することが望まれる。
しかしながら、電子顕微鏡と光学顕微鏡では、各々の倍率の考え方が相違しているため、倍率の数値としては同じであっても、表示されるサイズが異なってしまうという問題があった。すなわち倍率とは、最終的に出力される画像のサイズを基準とするため、電子顕微鏡では伝統的に電子顕微鏡写真が基準となり、一方光学顕微鏡では光学画像をモニタ画面で表示する構成から、モニタサイズが基準となる。またモニタがＣＲＴかＬＣＤかによってもサイズが異なる。
このように、電子顕微鏡画像と光学画像とは倍率の算出方法が異なるため、数値上は同じ倍率であっても、実際に出力される画像のサイズが異なってしまう。これでは比較観察に不適であることから、同じサイズで表示させることが望ましい。このため、例えば光学画像の倍率を、電子顕微鏡画像の倍率を換算した上で、該換算倍率に電子線撮像手段を調整して電子顕微鏡画像を取得するという手順が必要となる。この結果、ユーザであるオペレータが、同一表示サイズの光学画像と電子顕微鏡画像とを取得しようとすれば、各観察手段での倍率の決定方法の相違等を理解する必要があり、容易に設定することは困難であった。
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、同一の表示サイズで光学画像と電子顕微鏡画像を容易に取得可能な拡大観察装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る拡大観察装置によれば、複数の観察手段を備える拡大観察装置であって、内部空間で減圧可能な試料室を構成する胴部と、第一の観察手段として、前記試料室内の電子顕微鏡画像を取得するための電子線撮像手段と、前記電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率を調整するための電子顕微鏡倍率調整手段と、第二の観察手段として、前記試料室内の光学画像を取得可能な光学系撮像手段と、前記光学系撮像手段で取得される光学画像の倍率であって、電子顕微鏡倍率と異なる基準で決定される光学倍率を調整するための光学倍率調整手段と、一方の観察手段の光軸の方向を、他方の観察手段の光軸の方向と略一致させるように各観察手段を移動可能な移動手段と、前記電子線撮像手段で取得された電子顕微鏡画像と、前記光学系撮像手段で取得された光学画像を、切り替えて、又は同時に表示するための表示手段と、前記電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率を認識し、該一方で取得された画像の倍率に基づき、該画像と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための倍率を、他方の観察手段の基準に基づく倍率に換算するための倍率換算手段と、前記電子線撮像手段で取得された電子顕微鏡画像と、前記光学系撮像手段で取得された光学画像とを合成する画像合成手段とを備え、 前記移動手段が、前記電子線撮像手段及び光学系撮像手段の光軸を共通の回転軸に向かう姿勢に維持しつつ、該回転軸までの距離を一定に維持するように、前記共通の回転軸を中心として、前記電子線撮像手段及び光学系撮像手段を前記胴部の円筒状側面に沿って回転させるための回動手段であり、前記画像合成手段による電子顕微鏡画像と光学画像との合成は、前記電子線撮像手段と光学系撮像手段とを同一の傾斜角度として、前記倍率換算手段で換算された換算後の倍率が同じ画像同士が合成され、観察対象の試料を載置するため前記試料室内に設置される試料台は、水平姿勢で非傾動状態に維持され、水平面内で移動させるための水平面移動機構及び高さ調整のための高さ調整機構を備えており、前記試料台に載置された試料の観察面の高さを、前記共通の回転軸と略一致する位置に調整可能とできる。これにより、異なる観察手段の倍率表示を統一でき、ユーザによる倍率調整等の作業に際して利便性を向上できる。また、光学画像の色情報を電子顕微鏡画像に付加してカラー化した高精細な画像を得られる等の利点が得られる。さらに、傾斜観察に際して、試料台側を水平姿勢に維持しつつ観察手段側を傾斜させることで、各観察手段の光軸を一致させた、同一視野、同一角度での観察像を容易に取得できる。
また、第２の側面に係る拡大観察装置によれば、一方の観察手段で取得され前記表示手段上に表示される画像の倍率を、前記倍率換算手段で他方の観察手段の倍率に換算した換算倍率、又は該換算倍率への設定が他方の観察手段では不可能な場合は、該換算倍率に近接した設定可能な倍率を、前記表示手段上に表示可能に構成できる。これにより、同一の試料を複数の観察手段で比較観察するに際し、一方の観察手段で取得した画像と同一表示サイズの画像を、他方の観察手段で取得する際、ユーザは表示手段上に表示された倍率に設定するのみで足りるので、観察手段の種別に応じた倍率の換算作業を不要とでき便利に使用できる。
さらに、第３の側面に係る拡大観察装置によれば、一方の観察手段で取得された画像の倍率を、前記倍率換算手段で他方の観察手段の倍率に換算した換算倍率、又は該換算倍率への設定が他方の観察手段では不可能な場合は、該換算倍率に近接した設定可能な倍率に、該他方の観察手段の倍率調整手段で自動的に設定可能とできる。これにより、同一の試料を複数の観察手段で比較観察するに際し、一方の観察手段で取得した画像と同一表示サイズの画像を、他方の観察手段で取得する際、ユーザが観察手段の種別に応じた倍率の換算を意識することなく、倍率の設定を自動で行うことができる。
さらにまた、第４の側面に係る拡大観察装置によれば、前記電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の、前記電子顕微鏡倍率調整手段で調整可能な電子顕微鏡倍率範囲と、前記光学系撮像手段で取得される光学画像の、前記光学倍率調整手段で調整可能な光学倍率範囲とが、前記倍率換算手段で換算された換算倍率において、少なくとも部分的に重複するよう構成できる。これにより、電子顕微鏡画像と光学画像とを同一のサイズで取得でき、比較観察に有利となる。
さらにまた、第５の側面に係る拡大観察装置によれば、前記光学系撮像手段は、光学画像を拡大するズーム機構と、該ズーム機構により拡大された拡大倍率を認識する拡大倍率認識手段と、を有し、前記電子顕微鏡倍率調整手段は、前記電子線撮像手段で取得する電子顕微鏡画像の倍率に関するパラメータを設定するパラメータ設定手段と、前記パラメータ設定手段で設定されたパラメータを認識し、該パラメータにて得られる電子顕微鏡倍率を算出するための電子顕微鏡倍率算出手段と、を有することができる。これにより、各撮像手段で設定された倍率を各々正確に検知できる。
さらにまた、第６の側面に係る拡大観察装置によれば、前記表示手段が、電子顕微鏡画像と光学画像を、いずれかの倍率を基準とする換算倍率で同倍率として同時に表示可能とできる。これにより、同一表示サイズの電子顕微鏡画像と光学画像を一画面で同時に表示でき、比較観察に好適に利用できる。
さらにまた、第７の側面に係る拡大観察装置によれば、観察モードとして、前記表示手段で電子顕微鏡画像と光学画像とを比較観察可能な比較モードと、電子顕微鏡画像と光学画像とを合成した合成画像を表示可能な合成モードを選択可能に構成できる。これにより、同一表示サイズの画像を比較する比較観察や、画像を合成した合成画像を得る合成モードに際して、使用する観察手段に依らず統一的な倍率で表示できるので有利となる。
さらにまた、第８の側面に係る拡大観察装置によれば、さらに前記電子線撮像手段で取得可能な電子顕微鏡倍率範囲と、前記光学系撮像手段で取得可能な光学倍率範囲とを、同じ基準の倍率に換算して前記表示手段上に一次元状に表示可能な倍率範囲表示手段を備えることができる。
さらにまた、第９の側面に係る拡大観察装置によれば、さらに、前記倍率換算手段が、前記電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための換算倍率が、該他方の観察手段で設定不可能な倍率である場合、該他方の観察手段で設定可能な倍率の内で、該換算倍率に最も近い倍率を、換算倍率として出力するよう構成できる。
さらにまた、第１０の側面に係る拡大観察装置によれば、前記高さ調整機構で調整可能な高さ可動範囲に、前記回動手段の回転軸が含まれるよう構成できる。これにより、各観察手段による試料の観察位置を、回転軸と一致させることができ、観察手段の位置によらず観察手段から観察位置までのワーキングディスタンスを一定に維持できるので、一旦焦点を調整すれば、傾斜角度によらず合焦状態を維持できるという利点が得られる。
さらにまた、第１１の側面に係る拡大観察装置によれば、前記電子線撮像手段で取得された画像、及び前記光学系撮像手段で取得された画像の倍率を、前記表示手段上の表示範囲を、観察視野範囲で除算した値に定義できる。これにより、各観察手段で、同一の観察視野範囲に対しては同じ倍率となるように倍率が定義されるので、ユーザは統一された倍率に基づいて異なる観察画像を対比することができる。
さらにまた、第１２の側面に係る拡大観察装置によれば、前記光学系撮像手段が、設定された倍率を読み取るための光学倍率読取手段を備えることができる。これにより、例えばユーザの手動により設定された光学ズームレンズの倍率を拡大観察装置側で認識でき、これに応じた倍率換算等の処理をスムーズに行うことができる。
さらにまた、第１３の側面に係る拡大観察装置によれば、前記光学倍率読取手段で、光学画像の倍率を読み取り、該読み取った光学倍率に対応する電子顕微鏡画像の倍率を前記倍率換算手段で換算し、該換算倍率の電子顕微鏡画像を前記表示手段に表示可能に構成できる。これにより、光学画像に対応する倍率の電子顕微鏡画像を、自動的に撮像、若しくは撮像済み電子顕微鏡画像を拡大／縮小して、表示手段に自動的に表示させることが可能となり、ユーザは同一倍率の画像を、光学画像と電子顕微鏡画像で確認でき、比較観察が容易となる。
さらにまた、第１４の側面に係る拡大観察装置によれば、前記倍率換算手段で換算された換算倍率を、前記表示手段上に表示させる状態と、非表示とする状態とを切り替え可能に構成できる。これにより、観察の用途や目的等に応じて換算倍率の表示／非表示を切り換えることができ、観察の自由度が向上する。
さらにまた、実施の形態に係る拡大観察装置によれば、複数の観察手段を備える拡大観察装置であって、内部空間で減圧可能な試料室と、観察対象の第一の試料を載置するための第一の試料台と、第一の観察手段として、前記試料室内の電子顕微鏡画像を取得するための電子線撮像手段と、前記電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率を調整するための電子顕微鏡倍率調整手段と、観察対象の第二の試料を載置するための第二の試料台と、第二の観察手段として、前記第二の試料の光学画像を取得可能な光学系撮像手段と、前記光学系撮像手段で取得される光学画像の倍率であって、電子顕微鏡倍率と異なる基準で決定される光学倍率を調整するための光学倍率調整手段と、前記電子線撮像手段で取得された第一の試料の電子顕微鏡画像と、前記光学系撮像手段で取得された第二の試料の光学画像を、切り替えて、又は同時に表示するための表示手段と、前記電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率を認識し、該画像と略同一倍率の画像を他方の観察手段で取得するための倍率を、他方の観察手段の基準に基づく倍率に換算するための倍率換算手段と、を備えることができる。これにより、２つの試料の画像を同一のサイズで取得して対比する観察において、異なる観察手段の倍率表示を統一でき、ユーザによる倍率調整等の作業に際して利便性を向上できる。
さらにまた、実施の形態に係る拡大観察装置によれば、前記電子線撮像手段を制御するコントローラと、前記光学系撮像手段を制御するコントローラとを、共通とすることができる。これにより、一のコントローラに電子線撮像手段と光学系撮像手段を接続し、さらに本来的に異なる基準の倍率を統一して便利に制御できる利点が得られる。
拡大観察システムの概要を示す概略図である。 拡大観察装置を示す外観斜視図である。 変形例に係る拡大観察装置を左側から見た外観斜視図である。 図２Ｂの拡大観察装置を右側から見た外観斜視図である。 拡大観察装置の試料室内を示す正面断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線から見た側面断面図である。 図４のＶ−Ｖ線における断面図である。 試料台の水平面移動機構を説明するための右斜め前方から見た一部断面斜視図である。 図６を上から見た一部断面平面図である。 図６を右斜め後方から見た一部断面斜視図である。 光学系撮像手段をＳＥＭ又はスタンドに切り替えて接続する様子を示す模式図である。 各観察手段と試料台との距離を示す模式正面図である。 回転部分と固定部分の区分けを示す模式側面図である。 固定部分に蓋部を設けた試料室の模式側面断面図である。 蓋部を試料台と一体とした試料室の蓋部を閉塞した状態を示す模式側面断面図である。 図１３Ａの試料室の蓋部を開放した状態示す模式側面断面図である。 胴部の片側のみを回転させる試料室の例を示す模式斜視図である。 胴部の中間部分のみを回転させる試料室の例を示す模式斜視図である。 胴部を半円状に構成した試料室の模式側面断面図である。 光学系撮像手段と電子線撮像手段が各々回動可能な範囲を概念的に示した模式図であり、図１７（ａ）は電子線撮像手段と光学系撮像手段の重複回動範囲を、図１７（ｂ）は電子線撮像手段の回動可能範囲を、図１７（ｃ）は光学系撮像手段の回動可能範囲を、それぞれ示している。 電子線撮像手段の構成を示すブロック図である。 静電レンズの電子レンズ系の構成を示すブロック図である。 電磁レンズの電子レンズ系の構成を示すブロック図である。 光学系撮像手段の光学レンズ系の構成を示すブロック図である。 情報処理手段で光学系撮像手段を制御する光学撮像システムを示すブロック図である。 試料室内における試料台と観察手段の相対移動を示す模式断面図である。 図２２Ａの試料室において観察手段を回転移動させた状態を示す模式断面図である。 従来のユーセントリック構造による試料台の移動を示す模式断面図である。 図２３Ａの試料室内で試料台を傾斜させた状態を示す模式断面図である。 試料台を降下させて試料載置面もしくは観察面を回転軸と一致させる様子を示す試料室の模式断面図である。 電子レンズの焦点位置と回転軸の位置関係を示す模式側面図である。 光学レンズの焦点位置と回転軸の位置関係を示す模式側面図である。 電子線撮像手段の視野範囲と表示範囲を示す模式図である。 光学系撮像手段の視野範囲と表示範囲を示す模式図である。 倍率換算機能を備える拡大観察装置のブロック図である。 光学倍率読取手段を示す断面図である。 倍率範囲表示手段の表示例を示すイメージ図である。 画像合成の元となる電子顕微鏡画像の例を示すイメージ図である。 画像合成の元となる光学画像の例を示すイメージ図である。 図３２と図３４の各画素の情報を合成した合成画像の例を示すイメージ図である。 電子顕微鏡画像表示領域と光学画像表示領域を設けた表示手段の表示例を示すイメージ図である。 予定倍率表示手段を設けた表示手段の表示例を示すイメージ図である。 表示切替手段を備える拡大観察装置のブロック図である。 回動式の移動機構を備える試料室の構成を示す模式断面図である。 観察手段の旋回式に切り替え可能とした試料室を示す模式断面図である。 観察手段の平行移動式に切り替え可能とした試料室を示す模式断面図である。 試料台を平行移動させて観察手段を切り替え可能とした試料室を示す模式断面図である。 試料台を傾斜させて観察手段を切り替え可能とした試料室を示す模式断面図である。 ハーフミラーで観察手段の光軸を選択して切り替え可能とした試料室を示す模式断面図である。 別個の光学顕微鏡と電子顕微鏡を共通のコントローラで制御する拡大観察装置を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための拡大観察装置を例示するものであって、本発明は拡大観察装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
本明細書において拡大観察装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに観察像のデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。
なお本明細書において、電子顕微鏡画像とは、電子顕微鏡等の電子線撮像手段で撮像された主に観察対象の輝度情報を含む、濃淡で表示されるモノクロ画像を指す。また光学画像とは、可視光や紫外光等を利用した光学系撮像手段で撮像された、主に色情報を含むカラー画像を指す。また光学画像には、可視光カメラによる可視光観察像の他、赤外線カメラによる赤外線観察像も利用できる。また、後述するように光学画像の色情報に基づいて電子顕微鏡画像を着色することも可能である。さらに、電子線撮像手段や光学系撮像手段が画像を取得するとは、一般にはこれらの部材で撮像する意味であるが、他の部材で撮像された画像を電子顕微鏡に取り込むことも包含する概念であり、このような概念を包括する意味で画像の取得という。
以下の実施例では、本発明を具現化した拡大観察装置の一例として、電子顕微鏡の一であるＳＥＭを採用した例を説明する。但し、本発明はＴＥＭやＳＴＥＭ、その他の荷電粒子線装置においても利用できる。この場合、電子線系撮像手段は荷電粒子線系撮像手段に置換できる。また近視野顕微鏡、原子間力顕微鏡、静電気力顕微鏡等に適用することもできる。さらに光学系撮像手段としては、光学顕微鏡、レーザ顕微鏡、デジタルマイクロスコープ等に適用することもできる。
図１〜図８は、本発明の実施の形態に係る拡大観察装置である。これらの図において、図１は拡大観察システムの概要を示す概略図、図２Ａは拡大観察装置の外観斜視図、図２Ｂは変形例に係る拡大観察装置の外観斜視図、図２Ｃは図２Ｂの拡大観察装置を右側から見た外観斜視図、図３は拡大観察装置の試料室内を示す正面断面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線から見た側面断面図、図５は図４のＶ−Ｖ線における断面図、図６は試料台の水平面移動機構を説明するための右斜め前方から見た一部断面斜視図、図７は図６を上から見た一部断面平面図、図８は図６を右斜め後方から見た一部断面斜視図を、それぞれ示す。
（拡大観察システム）
図１に示す拡大観察システム１０００は、拡大観察装置１００と、減圧ポンプＶＰと、電源ユニットＰＵと、表示手段２とを備える。拡大観察装置１００は、試料を気密に保持するチャンバユニット１４と、試料室２１内を減圧する減圧ユニット１５とで構成される。チャンバユニット１４には観察手段１０として、電子線撮像手段１１及び光学系撮像手段１２の２本が装着されている。減圧ユニット１５は、外部の減圧ポンプＶＰに接続されて、試料室２１内を高真空、低真空等所定の真空度に減圧する排気系ポンプ７０を構成する。また各観察手段１０は表示手段２に接続されており、取得した画像データを表示手段２に送出する。表示手段２はディスプレイを備えており、電子線撮像手段１１で撮像された電子顕微鏡画像や光学系撮像手段１２で撮像された光学画像を、ディスプレイ上に表示できる。
（電源ユニットＰＵ）
コントローラ１や拡大観察装置１００、減圧ポンプＶＰは、電源ユニットＰＵに接続されている。電源ユニットＰＵは、図示しない外部の商用電源に接続されて拡大観察装置１００等に電力を供給する。この例では、電源ユニットＰＵはコントローラ１からの指示に基づいて拡大観察装置１００に所定の電圧を供給し、拡大観察装置１００の動作をコントローラ１で制御し、取得した画像を表示手段２に表示する。
（コントローラ１）
コントローラ１は、専用の機器の他、汎用のコンピュータに拡大観察装置操作プログラムをインストールしたものも利用できる。また必要に応じて、コントローラ１や表示手段２を操作するための外付けのコンソールＣＳや、電子線撮像手段１１の電子銃４７に高加速電圧を印加するための高加速電圧ユニットＨＵ等を付加することもできる。さらに図１の例では、コントローラ１が電源ユニットＰＵを介して拡大観察装置１００等の制御を行っているが、電源ユニットをコントローラに統合して直接制御することもできる。
（表示手段２）
図１の例では、コントローラ１に表示手段２を備えている。表示手段２は、電子顕微鏡画像や光学画像を表示するディスプレイ部１０２を備える。これらの画像は、同時に一画面に表示させたり、切り替えて表示させることができる。表示の切り替えは、コンソールＣＳから手動で行う。表示手段２にはＣＲＴやＬＣＤ、有機ＥＬ等のモニタが利用できる。なお図１の例では、表示手段２とコントローラ１を一体に統合しているが、これらを別部材で構成することも可能である。またコンソールＣＳも、コントローラ１や表示手段２に組み込んでもよい。例えばタッチパネル式の表示手段を利用できる。さらに図１に示す各部材の接続例は一例であって、異なる接続形態や配線を利用することも可能である。また、必要に応じてワイヤレス接続も可能であることはいうまでもない。
図１に示す拡大観察システム１０００は、デジタルマイクロスコープ等の光学式レンズを用いた拡大観察と、ＳＥＭ等の電子顕微鏡を用いた電子顕微鏡観察を組み合わせたものである。すなわち、電子顕微鏡の試料室２１内に光学系撮像手段１２を付加している。光学系撮像手段１２は第一の観察手段として、可視光や赤外光等により光学画像を撮像する。例えば可視波長や赤外波長の光を利用する光学顕微鏡や光学カメラ等が利用できる。撮像した光学画像はユーザが任意に利用でき、例えばＳＥＭ画像等の電子顕微鏡画像の観察中において視野探しのための広域画像として利用したり、観察対象の試料の確認といった電子線観察の補助的な目的で利用される。これら電子線等の荷電粒子を用いて撮像する電子線撮像手段１１と、可視光等を用いて撮像する光学系撮像手段１２を含む複数の撮像系すなわち観察手段１０を、切換可能に構成している。
なお観察手段１０の内、光学系撮像手段１２は、図９に示すように、ＳＥＭを構成する拡大観察装置１００から外して、デジタルマイクロスコープ用のスタンドＳＴに接続し、このスタンドＳＴのステージに載置された試料の観察を行うこともできる。この構成は、光学式レンズを用いたデジタルマイクロスコープ等の拡大観察システムから見れば、交換可能なヘッド部の一として、ＳＥＭ等の電子線撮像手段１１を接続可能にしたと捉えることもできる。すなわち、従来のデジタルマイクロスコープは、図９に示すスタンド式のカメラユニットのように、主に光学式の観察手段のみをカメラユニット又はレンズユニットとして接続可能としていたところ、本実施の形態ではＳＥＭのような電子線撮像手段１１も接続可能とし、さらに電子線撮像手段１１を設けた試料室２１内での光学画像を撮像するためのカメラユニットとして、光学系撮像手段１２を利用することができる。この場合は、図９における電子線撮像手段１１を備える拡大観察装置１００自体が、拡大観察システムの交換式ヘッド部の一となる。これにより、拡大観察システムで使用する交換可能なカメラ乃至レンズの一として、ＳＥＭや光学レンズ等のヘッド部分を選択的に装着し、所望の用途に応じた適切な観察手段を接続して観察を行うことが可能となり、拡大観察の利用範囲が光学系のみならず、電子顕微鏡系等に拡張でき、様々な拡大観察が実現可能となる。
一方、電子線撮像手段１１を備える拡大観察装置を主としてみれば、これにデジタルマイクロスコープを付加したものと捉えることもできる。いずれにしても、同一の試料に対して、光学画像と電子顕微鏡画像とを撮像できるという利点が得られる。特に、同一の視野で同一の倍率にて、異なる観察手段で取得されたこれらの画像を対比できることは、各観察像の利点を生かした種々の観点からの観察を可能とでき、拡大観察で得られる情報量を飛躍的に増大できる。
（観察手段１０）
この拡大観察装置は、試料室２１内の試料を観察する観察手段１０を複数備えている。図２Ａに示す拡大観察装置１００では、第一の観察手段として電子顕微鏡画像を撮像可能な電子線撮像手段１１を、第二の観察手段として光学画像を撮像可能な光学系撮像手段１２を、各々胴部２４から突出させる姿勢に固定している。各撮像手段は、使用／非使用を後述する表示切替手段３６で切り替え可能に構成されている。図２Ａの例では、胴部２４の円筒状側面に表示切替手段３６として押しボタンを設けている。また各撮像手段は、交互に使用する他、同時に使用するよう構成してもよい。さらに図２Ａの例では、電子線撮像手段１１の右側に光学系撮像手段１２を配置しているが、これらの配置を入れ換えても同様の効果が得られることはいうまでもない。
（倍率調整手段）
また各観察手段１０は、拡大倍率を各々調整するための倍率調整手段を備える。具体的には、電子線撮像手段１１は、電子顕微鏡倍率を調整するための電子顕微鏡倍率調整手段６８を備え、一方光学系撮像手段１２は、光学倍率を調整するための光学倍率調整手段９５を備える。各倍率調整手段は、例えば図２Ａに示すように各々の鏡筒の外周に回転自在に設けられたリングを回転させることで、倍率を調整する。特に電子顕微鏡倍率調整手段６８を、光学倍率調整手段９５と同様、鏡筒周囲で回転するリング状に構成することで、各観察手段の倍率調整の操作感を統一し、優れたユーザインターフェースが提供される。また各リングの表面には滑り止め加工を設けることが好ましい。電子顕微鏡倍率調整手段６８で調整可能な倍率範囲としては、例えば２０倍〜１００００倍とする。また、光学倍率調整手段９５で調整可能な倍率範囲としては、例えば５０倍〜５００倍とする。さらに光学ズームにデジタルズームを併用することで、より高倍率の画像を得ることもできる。
（焦点調整手段）
さらに各観察手段１０は、各々の光軸に沿って焦点距離を調整するための焦点調整手段を備えてもよい。例えば電子線撮像手段１１は、その光軸に沿って焦点距離を調整するための顕微鏡焦点調整手段３７を、光学系撮像手段１２は、その光軸に沿って焦点距離を調整するための光学焦点調整手段３８を、各々備えることができる。光学焦点調整手段３８は、光学レンズ自体を機械的に光軸方向に上下させて焦点位置を調整する。図２Ａの例では、焦点調整手段として、各観察手段の近傍に、ダイヤル式の摘みを各々設けており、摘みの回転量で焦点位置を調整できる。なお電子線撮像手段１１で、電子顕微鏡画像を撮像する際の、電子銃から電子線を照射する軸を、本明細書においては「光軸」と呼ぶ。
なお電子線撮像手段１１に光学系撮像手段１２を併用することで、色情報のないモノクロ画像が中心となる電子顕微鏡画像に対し、色情報を含むカラー画像の光学画像を取得できる。光学系撮像手段１２には、可視光や紫外光等を利用した可視光観察像の他、赤外線カメラによる赤外線観察像も利用できる。また、光学画像の色情報に基づいて電子顕微鏡画像を着色することも可能である。例えば電子顕微鏡画像に光学画像を合成して、高倍率、高精度のカラー画像を得ることができる。
（拡大観察装置１００）
次に、拡大観察装置１００の概要を説明する。拡大観察装置１００の外観は、図２Ａ〜図４等に示すように、円筒状のチャンバユニット１４に、箱形の減圧ユニット１５を連結した形状となる。チャンバユニット１４は、図４に示すように平板状のベース部２２に載置される。ベース部２２の上面には、固定板２３を垂直姿勢に突出させるよう固定している。この固定板２３は、胴部２４の一方の開口端を閉塞する端面板として機能する。また固定板２３の背面には減圧ユニット１５に固定されている。さらに固定板２３の前面には、胴部２４を回転させるための回動手段３０を備えている。図４の構成においては、固定板２３は、回動手段３０を介して胴部２４の片側端面を気密に閉塞して、試料室２１の減圧状態を維持しつつ、同時に胴部２４を回転自在としている。胴部２４の回転を許容するため、固定板２３は、胴部２４をベース部２２上に片持ちで保持しつつ、ベース部２２上に浮かせるよう離間しており、ベース部２２との胴部２４との間には隙間が設けられる。さらに胴部２４の開口端縁も、固定板２３と非接触として、胴部２４の回転を阻害しないように隙間を設けている。
チャンバユニット１４は胴部２４と一対の端面板で構成され、拡大観察装置１００の本体部となる。胴部２４は、その外形を略円筒状としている。胴部２４の内部空間は２枚の端面板で気密に閉塞され、減圧可能な試料室２１を構成する。端面板の一方は開閉式の蓋部２７とし、他方は胴部２４に固定される固定板２３となって試料室２１を気密に閉塞する。固定板２３には図５の断面図に示すように、減圧ユニット１５に試料室２１内の空気を吸引するための吸引口２５が開口されている。さらに固定板２３には、後述する二次電子検出器６１、試料室内観察手段１３等が設けられている。
（減圧ユニット１５）
試料室２１は、吸引口２５を介して減圧ユニット１５と接続される。減圧ユニット１５は排気系を構成し、加速電子の電子線が気体成分通過中に極力エネルギーを失うことなく試料に到達するよう、減圧環境を実現する。減圧ユニット１５には、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ（Turbo-Molecular Pump：ＴＰＭ）等が利用でき、高真空から低真空排気まで所望の真空度に調整できる。真空度の調整可能範囲としては、例えば１０−6Ｔｏｒｒ〜１０−１０Ｔｏｒｒとする。この減圧ユニット１５はチャンバユニット１４の背面に気密に連結されている。なお吸引口２５は、固定部分である固定板２３に設けることが好ましいが、後述する回転部分側に形成しても良いことはいうまでもない。
（減圧ユニット操作パネル１６）
また減圧ユニット１５は、減圧ユニットの動作を操作するための減圧ユニット操作パネル１６を設ける。図２Ａの例では、胴部２４の脇に減圧ユニット操作パネル１６を設けており、ボタン操作で真空引きや大気導入の開始を操作する。また減圧ユニット操作パネル１６は、真空引きの動作中や動作完了を示すためのインジケータを設けている。この例ではインジケータとして２つのＬＥＤを設けており、点灯パターンの組み合わせで試料室２１の状態を、大気状態、真空引き中、真空状態、大気導入中の４つに区分して表示する。
（脚部２６）
またこの拡大観察装置１００は、ベース部２２の底面の四隅から脚部２６を突出させている。脚部２６を介して、拡大観察装置１００は接地面に水平に載置される。このため脚部２６は、各々の高さを調整できる調整手段を設けることが好ましい。これにより、接地面の傾斜によらず水平姿勢に試料台３３を維持して、安定して拡大観察を行える利点が得られる。調整手段は、例えばネジの進行によってその突出量を調整できる機構等、既知の構成が適宜利用できる。図４の側面図に示す例では、脚部２６はチャンバユニット１４側のベース部２２に設けられている。ただ、減圧ユニット１５に脚部を設けてもよい。
（胴部２４）
胴部２４は中空の円筒状で、その両端面を端面板で封止して気密な試料室２１を構成する。また端面板の少なくともいずれか一方は、開閉自在な蓋部２７とする。胴部２４の円筒状側面には、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１が装着される。具体的には、第一の位置４１に電子線撮像手段１１が、第一の位置４１と離間した第二の位置４２に光学系撮像手段１２が、各々装着されている。
光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１は、各々内部にレンズを内蔵する筒状に構成されている。光学系撮像手段１２は、筒状とした光学レンズ鏡筒の内部に光学レンズが複数枚組み込まれている。同様に電子線撮像手段１１も、電子レンズ鏡筒の内部に電子レンズが組み込まれている。光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１は、図３の断面図に示すように、内部を円筒状とした試料室２１の中心軸から半径方向に突出する姿勢で、胴部２４の外面に固定されている。言い換えると各観察手段１０の電子レンズ鏡筒及び光学レンズ鏡筒は、各々回転中心に向かう姿勢に固定されており、電子線撮像手段１１の電子銃４７の光軸と光学系撮像手段１２の光軸は、回動手段３０の回転軸を中心として径方向に放射状に延長されている。
（蓋部２７）
端面板の一方は、開閉自在な蓋部２７とする。蓋部２７は、図４の側面図の例では、胴部２４端面を閉塞する円盤部分２８と、円盤部分２８の回転を支承するアーム２９で構成される。図４においては左側が正面側であり、この図に示すように、アーム２９の下端がベース部２２先端にヒンジ等によりピボット式に軸支されており、アーム２９を倒すことで円盤部分２８が下方向に開放され、アーム２９を直立させて円盤部分２８を胴部２４端面に位置させて閉塞する。蓋部２７を開放した状態で、ユーザは試料室２１内に備えられた試料台３３上に試料を載置できる。図６に示す例では、蓋部２７の中心を軸支するアーム２９を、ベース部２２の先端に折曲自在に固定している。これにより、アーム２９を手前に倒して蓋部２７を開放位置とできる。この構造によれば、蓋部２７を胴部２４に密着させて回転させつつ、蓋部２７の開閉方向は胴部２４の回転位置に依らず常に下方向となるように一定とできる。
さらに胴部２４の端面を蓋部２７で開閉式とすることで、試料室２１内部を大きく開放でき、サイズの大きな試料でも容易にセットできる利点も得られる。特に試料台３３を傾斜させない構成と相俟って、試料を単に試料台３３上に載置するだけで済み、試料を試料台３３上で滑らないように固定する必要がないため、試料の出し入れ、設置作業を極めて簡単にできるという優れた利点が得られる。
なお、試料台３３への載置を容易にするために、蓋部２７を開放した状態で試料台３３を手前に引き出すスライド式に構成することもできる（例えば、後述する図１３Ａ、図１３Ｂ参照）。これによって試料台３３へのユーザのアクセスが容易となる。蓋部２７を含め端面板や胴部２４は、高真空を維持できる十分な耐性を備える部材で構成される。
（固定部分）
胴部２４は、円筒状側面の少なくとも一部を回動手段３０で回転可能としている。このため、胴部２４及び端面板は、胴部２４の回転運動に伴って回転する回転部分と、回転せず静止状態のままの固定部分とに分けられる。いいかえると、回動手段３０によって固定部分と回転部分とに区分される。例えば、試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４である水平面移動機構７４及び高さ調整機構８０や、蓋部２７、試料室内観察手段１３、ベース部２２及び固定板２３等は、固定部分となる。一方、各観察手段１０や、これに付随あるいは協働させる照明部の光源ポート９７等は、回転部分側に設けられる。
（回動手段３０）
さらに胴部２４は、一方の観察手段の光軸の方向を、他方の観察手段の光軸の方向と略一致させるように各観察手段を移動可能な移動手段として、回動手段３０を備える。回動手段３０は、円筒状胴部２４の中心軸を回転軸として、観察手段１０を固定した側面を円周に沿って回転させる。このような回動手段３０は、例えばベアリングや、胴部２４の回転軸方向に設けたギアを、固定側であるベース部２２又は減圧ユニット１５側に設けたギアとの噛合によって回転させる方式が利用できる。また、回動手段３０を回転させるために必要な外力すなわち回転の抵抗力は、ユーザが手動で回転できる程度としつつ、観察手段１０が所望の位置となるように胴部２４を回転させた状態で手を離すと、該姿勢を維持できる程度の抵抗力を備えることが好ましい。このような回転の抵抗力乃至摩擦力に維持できるよう、ベアリングの油量やギアのウェイト等を調整する。この構成により、複数の観察手段１０を容易に同一の位置に切り替え可能であり、視野の変更等も生じない。また、回動によって観察手段１０を傾斜できるので、マルチアングル機構で簡単に高倍率での傾斜観察が可能なるという利点も得られる。
また上述の通り、電子線撮像手段１１を回動させる回動面と、光学系撮像手段１２を回動させる回動面とは略一致させている。これにより、各撮像手段の光軸が交差する位置となるため、一方の撮像手段を他方の撮像手段の位置まで回動させるだけで、同じ視野の観察画像を取得でき、位置の切り替えによる視野合わせや焦点の調整といった、同じ視野での撮像を行うべく異なる撮像手段に切り替えるためのユーザの操作を極めて容易にできる利点が得られる。
また、回動手段３０によって観察手段１０を回転させつつ、試料は固定姿勢とするために、試料台３３は固定部分側に固定される。図４の例では、この試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４である水平面移動機構７４及び高さ調整機構８０は、胴部２４背面の端面板を通じて固定されている。
従来は、試料台３３側を回転あるいは傾動させる方式であったため、視点を変更する際、カメラと試料の位置関係の把握がユーザに容易でなく、移動方向等に混乱を生じる場合が少なからずあった。これに対して本実施の形態では、あくまでも観察対象を固定し、見る側の視点を変更するという自然な形での観察方式としているため、物理的に位置関係の把握が容易であり、視点の移動や変更に際しての調整作業に誤解や混乱がを生じ難い、初心者でも理解しやすい、といった利点が得られる。
このように観察手段１０である光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とは、胴部２４側面の回転によって同時に移動できる。光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１との移動機構を一の回動手段３０で共通化することで、２つの観察手段１０の移動のための機構を簡素化できる利点が得られる。また回転によって、各観察手段１０を同一の位置に容易に切り替え可能であり、試料を回転軸の位置に静止させることで、視野の変更等も生じない。さらに図１０の各観察手段１０と試料台３３との距離を示す模式正面図に示すように、光学系撮像手段１２及び電子線撮像手段１１の各観察手段１０は、回転移動によって、その回転軸に位置する試料までの距離をほぼ一定に維持できるため、一旦焦点距離を調整しておけば、位置を変更しても常にフォーカスを合わせた状態となるため、回転角度すなわち視点のみを変化できるという合焦状態での傾斜観察に好適な環境が実現される。
好ましくは、蓋部２７は固定部分側に開閉自在に固定する。例えば、図４の側面図に示すように、蓋部２７の円盤部分２８を胴部２４の開放端に着脱自在に装着しつつ、円盤部分２８の回転軸をアーム２９で支承して、アーム２９の下端をベース部２２の先端に折曲自在に固定している。これによって、上述の通り胴部２４の回転位置によらず蓋部２７を開閉する方向を一定に維持できる。この場合、蓋部２７は胴部２４端面の正面側を閉塞し、背面の端面板は胴部２４と一体に固定しつつ、その一部を貫通するように試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４を固定部分である減圧ユニット１５に固定している。すなわちこの例では、蓋部２７の円盤部分２８は、胴部２４を閉塞する状態では回転部分と一体となり、アーム２９は固定部分に固定されている。
蓋部２７を回転部分側に固定すると、胴部２４の回転位置によって蓋部２７の開閉方向が変化してしまい、ユーザはその都度開閉方向を確認しなければならないという弊害が生じる。また蓋部２７が剛性の高い重い金属製の場合は、蓋部２７の方向によってはユーザが手動で開閉し難くなったり、開閉を支承するヒンジへの負荷が大きくなることも考えられる。よって、このような開閉姿勢の変化を回避するために、蓋部２７の固定位置を固定部分側とすることが有効となる。また、蓋部２７を開閉する向きを常に一定方向とすることで、蓋部２７の開閉構造を簡素化できる利点も得られる。
ただ、本実施の形態は蓋部２７の開閉方向を限定せず、蓋部２７を側方に開閉させたり、十分な強度が維持される場合は蓋部２７を上方向に開閉させる方式を採用することも妨げない。あるいは、蓋部２７を回転軸方向で装置の外方に移動させるスライド式とすることもできる。この場合は、蓋部２７は胴部２４の底面と平行状態を維持したまま、手前に引き出される。またこの構成では、蓋部２７と同時に試料台３３を引き出すこともでき、上述のように試料台３３へのアクセスを容易にできる利点が得られる。また蓋部２７の開閉方式に依らず、試料台３３を単独で試料室２１の外部に引き出し自在としてもよい。試料台３３を引き出す構成は、例えば試料台３３及びこれを駆動する試料台駆動手段３４のアームを手前側に突出自在とすることで実現できる。
なお、後述するように試料台３３は傾動や揺動をしないように水平姿勢を維持しつつ、平面内の移動や回転を可能としているが、本明細書においてこのような試料台３３を水平姿勢に「固定」するとは、試料台３３を回転軸回りに胴部２４に対して揺動、傾斜させないという意味で使用する。すなわち、回転軸の軸方向に試料台３３をスライドさせることは「固定」の概念に含まれる。
（回動手段の変形例）
上述した図４の構成を、主に回転部分と固定部分の区分けで示した模式側面図を図１１に示す。この構成では、胴部２４全体が一方の端面板（図１１において右側に位置する背面側）に対して回動し、端面板と胴部２４との間に胴部２４の回動を行わせるための回動手段３０が構成されている。ただ、蓋部や胴部等の回転部分、固定部分の構成例は、このような構成に限られず、種々の形態が利用できる。図１２〜図１３Ｂに、変形例に係る回動手段の例を示す。これらの図において、図１２は固定部分に蓋部２７Ｂを設けた試料室２１Ｂの模式側面断面図、図１３Ａは蓋部２７Ｃを試料台３３Ｃと一体とした試料室２１Ｃで蓋部２７Ｃを閉塞した状態を、図１３Ｂは蓋部２７Ｃを開放した状態を、それぞれ示している。なおこれらの図では、説明のため減圧ユニット等の図示を省略している。
図１２の例では、胴部２４の正面側（図において左側）を端面板で閉塞し、背面側（図において右側）に開閉式の蓋部２７Ｂを設けている。この構成では、蓋部２７Ｂは胴部２４の回転によって回転しない、固定部分となっている。さらに図１３Ａ、図１３Ｂの例では、固定部分に設けた蓋部２７Ｃに、試料台３３Ｃを一体的に固定している。この構成においては、好ましくは図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、蓋部２７Ｃに試料台３３Ｃを固定し、蓋部２７Ｃを装置背面から引き出すことで、蓋部２７Ｃを開放すると共に、蓋部２７Ｃに固定された試料台３３Ｃも試料室２１Ｃ外に引き出される。この構成であれば、試料台３３Ｃへのアクセスが容易となり、試料の載置や取り出し、交換作業が容易となる。
また図１１及び図１２の例では、胴部の全体を回転させているが、胴部の一部のみを回転させるような構造とすることもできる。例えば図１４の斜視図に示すように胴部２４Ｄを２つに分け、端面板の一方側（図において右側の背面側）を固定部分（図中斜線で示す）とし、他方（正面側）側を回転部分とすることで、円筒状側面の一部（正面側）を回転させている。また図１５の斜視図の例では、胴部２４Ｅを３分割し、両端面を固定部分（図中斜線で示す）とし、側面の中間部分である、観察手段１０を固定した一部のみを摺動させる構成としている。これによって、端面板や蓋部２７Ｅを固定部分側とでき、特に蓋部２７Ｅの開閉構造を容易にできる利点が得られる。
なおこのような構成において、端面板や胴部２４の一部に固定部分を設ける場合、この固定部分に、試料台３３を駆動させる試料台駆動手段３４を支持させる。具体的には、図４等に示すように、端面板に開口を設け、開口の内側であって固定板２３上に試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４を設けている。すなわち固定部分である開口内から試料台駆動手段３４のアームを試料室２１内に挿入し、アームの先端に試料台３３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動させる状態に支持する。また図１５の例では、他の固定部分である正面側の端面板に試料台駆動手段３４を設けてもよい。あるいは、胴部２４及び両端面板を、これらを支持するベース部２２上にて回転軸回りに回転自在に支承させてもよい。この場合は、端面板の一部のみに試料台３３を支持させることができる。
なお、いずれの構成においても回動手段が回転しても試料室２１内の減圧状態が維持できるよう、気密を維持したまま回動できる構造が求められる。特に胴部２４は複数の観察手段１０を備え相当の重量がある上、固定板２３で片持ち姿勢にて回転させるため、十分な機械的強度も求められる。そこで図４に示す例では、端面板を構成する固定板２３と胴部２４との間の回転面において、ベアリングとして回転精度が高くかつ荷重負荷耐性に優れたクロスローラベアリング３１を使用している。さらに回転面での気密性を維持するため、Ｏリング３２を介在させている。これにより、胴部２４内部の試料室２１の気密性を維持しつつ、安定的な回転機構が実現できる。
さらに本明細書において回転乃至回動とは、必ずしも完全な円運動である必要はなく、円弧状の移動軌跡を含む。例えば図１６の模式側面断面図に示すように、胴部２４Ｆを半円状に構成して、湾曲側面に沿って電子線撮像手段１１及び光学系撮像手段１２を移動させて試料室２１Ｆ内を傾斜観察を可能とする例も包含する。同様に、胴部の円筒状側面には、完全な円筒のみならず、部分的な円筒、例えば断面が半円や円弧となるものも含む意味で使用する。
（取っ手３５）
また胴部２４は、手動で回転し易いように取っ手３５を設けることもできる。図２Ａに示す取っ手３５は、観察手段１０と同様、胴部２４の円筒状側面から突出する姿勢に固定されたチャンバチルトノブである。取っ手３５の先端には、ユーザが手で把持し易いようグリップ部分を設けている。ユーザは取っ手３５のグリップ部分を把持して胴部２４を所望の方向に回転できる。取っ手３５は、両手で把持できるように、離間させて２つ設けている。好ましくは、胴部２４の側面から突出する２つの観察手段である電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２を設けた位置の外側に、２つの取っ手３５を設け、２つの観察手段の両側から挟み込むようにして配置する。このようにして、取っ手３５同士の間に２つの観察手段を位置させることで、円周方向に突出した観察手段の端部が回動時に外部の部材と接触して破損したりする事態を、これら観察手段よりも外部に配置された取っ手３５によって保護する効果も得られる。また、取っ手３５の突出長さを、電子線撮像手段１１や光学系撮像手段１２よりも長く突出させることで、これら観察手段の保護効果をさらに高めることができる。加えて、図２Ｂ、図２Ｃに示す変形例のように、取っ手３５Ｂの先端に設けたグリップ部分を外側に折曲させることで、ユーザがより把持し易くできる。また、取っ手３５の形状は棒状とする他、Ｌ字状やコ字状、半円状等に形成してもよい。あるいは、取っ手を１本のみ設けてもよい。あるいはまた、観察手段が十分な強度で胴部に固定されている場合は、観察手段を取っ手に兼用することもできる。
（表示切替手段３６）
また拡大観察装置は、使用する撮像手段を切り替える表示切替手段３６を備える。表示切替手段３６の例としては、ハードウエア的な切替スイッチが利用できる。図２Ａの例では、表示切替手段３６として胴部２４の円筒状側面で、電子線撮像手段１１及び光学系撮像手段１２の手前に、各々押しボタンを設けている。また各ボタンの前面にはＬＥＤランプ等の表示灯１７が設けられている。この表示切替手段３６は、いずれか押しボタンを押下すると、該押しボタンの背面の観察手段が選択されて、表示手段でリアルタイム表示される動画表示が、該観察手段で取得した画像に自動的に切り替わると共に、該当する表示灯１７が点灯して、該観察手段が選択中であることを示す。このように、押しボタンの押下というメカニカルな切り替え操作によりユーザに対し切り替え操作を感覚的に知覚させ、さらに押しボタンの押し込み位置と表示灯１７の点灯／消灯とで、現在の選択状態を視覚的に把握させることができる。なお図２Ａの例では、いずれかの押しボタンを択一的に選択でき、非選択の押しボタンは自動的にＯＦＦに切り替わる。言い換えると、表示切替手段３６によりいずれか一方の観察手段を選択して、選択された観察手段のみ操作するよう構成されており、２つの観察手段を同時に使用することはできない。ただ、このように観察手段を交互に使用する構成の他、同時に使用可能に構成してもよい。
また、表示切替手段３６による観察手段の切り替えには、各観察手段に設けられた切替スイッチを操作するハードウエア的な操作の他、ソフトウエア的な切り替えを採用することも可能である。例えば表示手段の画面上で、選択したい観察手段の観察上を表示しているウィンドウを選択してアクティブにすると、自動的に観察手段の選択状態が切り替わるように構成してもよい。
また表示切替手段３６は、このようなハードウエア的な構成の他、拡大観察装置１００の操作プログラムを操作する等、電子的あるいはソフトウエア的に切り替え指示を送る構成としてもよい。あるいは、ハードウエアによる切替スイッチと、操作プログラム等のソフトウエアによる切替スイッチとを兼用してもよい。例えば胴部２４を回動手段３０で回動時させると、自動的に観察手段１０を切り替えるように促すこともできる。また回動操作のための取っ手３５に、切替スイッチを設けることもできる。特に、観察手段１０の切り替え操作は、観察手段１０を物理的に移動させる、すなわち回動手段３０を操作させるタイミングで行うことが多いため、回動時に把持する取っ手３５に、観察手段１０の表示切替手段３６を設けることで、この切り替え操作も回動操作とほぼ同時に実行することができ、操作性を向上できる。例えば、取っ手３５のハンドル部３５ｂの端面や側面に、ユーザがハンドル部３５ｂを把持した状態で親指や人差し指で押し易い位置に、表示切替手段３６として押しボタンスイッチを設ける。また、押しボタンスイッチはトグル式に電子線撮像手段と光学系撮像手段とを切り替える他、各観察手段に切り替えるための専用のボタンを設けてもよい。例えば右側の取っ手３５には観察手段の内、右側に配置されたもの、例えば光学系撮像手段には光学系撮像手段への切替スイッチを、左側の取っ手３５には左側に配置されたもの、例えば電子線撮像手段には電子線撮像手段への切替スイッチを、それぞれ設けることができる。
（試料室２１）
試料室２１内は、減圧状態を維持できるような封止構造としている。試料室２１の内壁には、各種の部材を配置、或いは接続するためのポートを開口している。各ポートは、試料室２１内を減圧状態に維持できるよう、気密に封止される。このような気密封止を実現するために、接合箇所にはＯリング等のパッキンが利用される。
（第一の位置４１及び第二の位置４２）
観察手段１０の内、第一の観察手段を構成する電子線撮像手段１１は胴部２４の円筒状側面の第一の位置４１に固定されており、また第二の観察手段を構成する光学系撮像手段１２は同じく胴部２４の円筒状側面で、第一の位置４１と近接した第二の位置４２に固定されている。図３の例では、電子線撮像手段１１を固定している第一の位置４１と、光学系撮像手段１２を固定している第二の位置４２との距離は、固定値である。すなわち、円筒状胴部２４を回転させると、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とが一緒に回動されることになる。これにより、各観察手段１０の移動機構を共通にして簡素化できる。
第二の位置４２は、光学系撮像手段１２の先端が電子線撮像手段１１の電子銃４７の光軸と干渉しない位置とする。好ましくは、非干渉としつつ極力接近させた位置とする。これにより、図３に示すように光学系撮像手段１２を電子線撮像手段１１と近付けることができ、この結果、双方の観察手段１０の位置まで回動させるための回転量を最低限に抑え、撮像位置の切り替え作業をスムーズにかつ迅速に行える。また、観察手段１０の位置を近付けることで、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、両者の回動移動可能な範囲の重複範囲（後述する重複回動範囲）を大きくできる利点も得られる。
このため第一の位置４１と第二の位置４２とが回動中心と成すオフセット角度は、小さい程好ましく、具体的には３０°〜５０°の範囲とすることが好ましい。図３の例では、光学系撮像手段１２の光軸と電子線撮像手段１１の光軸が、４０°の角度差となるように、各々が胴部２４に固定されている。また回動手段３０は、オフセット角度以上の範囲で回転させることが可能であり、これによって一方の観察手段を他方の観察手段の位置まで回転させることができる。回動手段３０で回動可能な範囲は、回動規制手段で規制される最大回動範囲である。また回動規制手段を解除することで、さらに広範囲の回動範囲規制値まで回動させることも可能である。
なおこの例では、電子線撮像手段１１は胴部２４に交換不能な状態で固定されている一方、光学系撮像手段１２は着脱式に固定している。これにより、光学系撮像手段１２を図９に示すように拡大観察装置１００から外して、デジタルマイクロスコープ用のスタンドＳＴに付け替えることが可能となる。この着脱構造を実現するため、第二の位置４２には光学系撮像手段装着部が設けられる。
（光学系撮像手段装着部）
胴部２４の円筒状側面には、第二の位置４２に光学系撮像手段１２を着脱自在に装着するための光学系撮像手段装着部を設けている。光学系撮像手段装着部は、光学系撮像手段１２の光学レンズ鏡筒を差し込み可能に開口されたポートを有しており、ポート部分には光学系撮像手段１２を装着するためのマウント３９が設けられる。マウント３９は、図３に示すように有底筒状で、その内径は光学系撮像手段１２を装着できるよう、光学系撮像手段１２の外形よりも若干大きく設計される。またマウント３９の筒状内面には、ネジ溝等、光学系撮像手段１２を挿入し固定するための構造を設ける。
さらにマウント３９の底面には開口窓が設けられ、装着された光学系撮像手段１２の光学レンズを阻害しないよう、透光性ウィンドウが嵌め込まれている。さらにマウント３９は、試料室２１内の気密性を維持しつつ装着できるよう、Ｏリングを介して封止される。Ｏリングはマウント３９と胴部２４との接合面及びマウント３９と透光性ウィンドウとの接合面に、各々設けられる。図３の例では、光学系撮像手段装着部は、第一Ｏリング、ポート、第二Ｏリング、透光性ウィンドウの４部品により、真空封止している。
このように胴部２４の筒状側面に気密に設けられたマウント３９に光学系撮像手段１２を装着自在とすることで、気密性を維持しつつ光学観察を行うことができる。さらに、マウント３９に装着される光学系撮像手段１２を交換することも容易に行えるため、光学観察の自由度が飛躍的に増す。特に従来のＳＥＭ等の電子顕微鏡においては、光学観察が可能な光学レンズを備えるものは存在したが、あくまでも電子顕微鏡の視野探し等に利用することを想定した補助的な意味合いが強く、本格的な光学レンズを備えるものは殆ど利用されていなかった。これに対し本実施の形態では、光学レンズを交換可能としたことで、電子顕微鏡と併用する光学観察においてもその選択肢を広げ、観察の自由度を大きく拡大できる利点が得られる。
すなわち従来は、視野探しを光学系撮像手段１２で行い、その後の詳細な観察は電子線撮像手段１１で行うという位置付けに過ぎなかった。また、同じ視野の光学画像と電子顕微鏡画像とを同倍率で表示し、これらを併用して対比、切り替えを行おうとすれば、両者が同じ視野となるように位置合わせする作業が非常に面倒であった。これに対して本実施の形態では、光学系撮像手段１２と電子顕微鏡の拡大倍率を重複させ、かつ回転式に移動させつつ、その回転軸に試料を配置することで、同じ視野範囲で光学画像と電子顕微鏡画像との取得が飛躍的に容易となった。
第一の位置４１と第二の位置４２は、図３に示すように、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とが相互に干渉しない程度に近接させて固定されている。具体的には観察手段１０の先端部分が試料室２１内部で物理的に干渉する虞があり、また一方の光軸が他方の鏡筒で遮られる虞もある。特に図３に示すように、電子線撮像手段１１は試料室２１内部まで突出している一方、光学系撮像手段１２はマウント３９に固定される都合上、試料室２１内部への侵入量が相対的に少なく、その光軸が電子線撮像手段１１の先端に阻害される虞がある。このため、このような物理的、光学的な干渉が生じないように、これらを離間させる必要がある。
一方でこれらを離間させすぎると、今度は胴部２４を回転させて互いの位置まで移動させる際の移動距離が長くなる上、相互の観察手段１０が共に位置することのできる軌跡の重複すなわち重複回動範囲が狭くなる不都合がある。そこで、これらが干渉しない程度に近接して配置することで、一方の観察位置に他方の観察手段１０を移動させる際の移動量を必要最小限に抑えて無駄な移動量を無くし、切り替えを速やかに行う利点が享受できる。
光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１との固定位置は、円筒状胴部２４の回転軸と略直交する略同一平面上としている。これにより、回転移動された光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とは、常に同じ円周上で移動するため、両者の軌跡が一致し、同一視野の観察画像を得ることが可能となる。特に電子線撮像手段１１を回動させる回動面と、光学系撮像手段１２を回動させる回動面とを略一致させることで、各観察手段１０の光軸の移動範囲が一致するため、一方の観察手段１０を他方の観察手段１０の位置まで回動させるだけで、同じ視野の観察画像を取得でき、位置の切り替えによる視野合わせや焦点の調整といった、同じ視野での撮像を行うべく異なる観察手段１０に切り替えるためのユーザの操作を極めて容易にできる利点が得られる。
また、同一平面上に光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とを固定することで、胴部２４の長さを短くでき、回転軸方向における装置のコンパクト化を図り、拡大観察装置の外形を小型化できる利点も得られる。このような試料台３３側を固定して観察手段１０側を傾斜させる構造によって、異なる傾斜角度（観察角度）での傾斜観察を容易に行え、マルチアングルでの高倍率傾斜観察が可能となる。
また電子線撮像手段１１を固定する第一の位置４１と、光学系撮像手段１２を固定する第二の位置４２とは、異なる位置であるため、各観察手段１０で試料を撮像する傾斜角度も、第一の位置４１と第二の位置４２とで異なる。この結果、同時に撮像できる電子顕微鏡画像と光学画像とは、異なる傾斜角度で得られたものとなるが、胴部２４を回転させることでお互いの位置まで容易に移動させることができる。すなわち、光学系撮像手段１２があった位置まで電子線撮像手段１１を移動させたり、逆に電子線撮像手段１１の位置に光学系撮像手段１２を移動させることが、胴部２４を回動させるという極めて簡単な操作により速やかに、かつ正確に行える。このことは、特に従来の電子顕微鏡と比べて大きな利点となる。
本実施の形態によれば、同じ傾斜角度での観察画像を、電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２とで得ようとすれば、一旦一方の観察手段（例えば光学系撮像手段１２）で観察画像（例えば光学画像）を撮像した上で、円筒状胴部２４を回転させ、他方の観察手段（例えば電子線撮像手段１１）を、先ほど一方の観察手段で撮像した位置まで回動させる。回動は、回転運動の中心軸すなわち回転軸に沿った円弧状の軌跡となるため、どの位置であっても常に観察手段の光軸は回転軸に向かう姿勢で維持される。よって、一旦焦点距離を調整しておけば、回動によっても本質的にはその焦点距離が維持されるため、合焦のための操作は極めて容易である。
言い換えると、最初に一方の観察手段で観察画像を撮像する際、他方の観察手段でも合焦位置に調整しておけば、回動の前後で合焦状態が維持されるため、回動後速やかに観察画像を取得できる。このように本実施の形態によれば、２つの異なる観察手段１０を用いて、同じ位置での観察画像を速やかに、かつ容易に取得できるという極めて優れた特長が得られるのである。
このように図３や図１７の構成においては、同一の視野を同一の方向（傾斜角度）から観察するために、胴部２４を回転する。なお、一方の観察手段が元あった位置に、他方の観察手段が位置していることを認識する手段としては、胴部に回転エンコーダや角度センサ等の回動位置検出手段を設置して、回転角度を電気的に知る方法、または胴部と固定側に、それぞれ目盛と目印を付けておき、目視で回転角度を知る方法等が利用できる。
なお、二つの観察手段は、いずれも回動手段３０によって提供可能ないかなる回動位置においても、回動手段３０の回動中心を通る光軸を持つように、胴部２４に固定されている。そして、回動手段３０を用いて、一方の観察手段（例えば電子線撮像手段１１）の位置を、観察者の望む位置に回動させて固定することにより、特定の視野方向から、試料台に載置された試料の特定の箇所の拡大観察が可能となる。
ここで、本実施例でいう「略同一の観察位置」とは、上述したような手法にて位置決めされた一方の観察手段にて、試料台に載置された試料の特定の箇所の画像を取得した後、他方の観察手段（例えば光学系撮像手段１２）を一方の観察手段が位置していた回動位置に回動させて固定することにより、略同一の特定の視野方向から、試料台に載置された試料の特定の箇所の拡大観察を行う場合における、一方と他方の観察手段が位置決めされた位置のことを意味する。
また、このように二つの観察手段に対して略同一の観察位置を提供し、且つ二つの観察手段が略同一の倍率にて画像を取得する場合、その前提として、試料台の位置ならびに試料台上に載置された、試料台に対する試料の位置が略同一であることにより、各々の観察手段にて取得する画像の倍率ならびに試料の特定の箇所の画像が可能となり、その後の二つの画像の比較観察がより良いものとなることはいうまでもない。
言い換えれば、一方の観察手段によって試料を特定の視野方向から特定の倍率で観察したときの試料の観察視野範囲と、他方の観察手段によって試料を特定の視野方向と同一方向から観察可能となるように、回動手段３０によって胴部２４を回転させた後、他方の観察手段によって試料を特定の視野方向と同一方向から特定倍率と同倍率で観察したときの試料の観察視野範囲とが、ほぼ同一であることを意味する。なお、回動手段３０の機械誤差により、ここでいう略同一の観察位置が、完全に同一の観察位置にならない場合があることは言うまでもない。
（回動可能範囲）
光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１が各々回動できる範囲は、少なくとも一部が重複するよう、すなわち互いの観察手段１０がお互いの位置に移動できるように構成する。図１７（ａ）〜（ｃ）は、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１がそれぞれ回動できる範囲を概念的に示した模式図であり、図１７（ａ）は電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２の重複回動範囲を、図１７（ｂ）は電子線撮像手段１１の回動可能範囲を、図１７（ｃ）は光学系撮像手段１２の回動可能範囲を、それぞれ示している。また各図において実線は電子線撮像手段１１の回動可能範囲を、破線は光学系撮像手段１２の回動可能範囲を、それぞれ示している。上述の通り光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とは、胴部２４の回転により一緒に回動されるため、各々の観察手段１０が回動できる回動可能範囲は、胴部２４の回転可能範囲に依存する。
（重複回動範囲）
より正確には、胴部２４の回転可能範囲から、第一の位置４１と第二の位置４２との角度差すなわちオフセット角度を引いた角度が、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とが重複する重複回動範囲である。例えば、胴部２４の回転可能範囲が１５０°で、オフセット角度が４０°の場合は、１５０°−４０°＝１１０°が、重複回動範囲となる。重複回動範囲が広い程、様々な傾斜角度で電子顕微鏡画像、光学画像を共に撮像することができ、好ましい。理想的には、重複回動範囲を試料台３３の上面をすべてカバーできる０°〜１８０°とする。この場合は、ほぼすべての傾斜角度で電子顕微鏡画像、光学画像を取得できる。ただ、胴部２４から突出する各観察手段１０が拡大観察装置の載置面と抵触すると回動が阻止されるため、各観察手段１０が胴部２４から突出する長さや、拡大観察装置を床面に載置するための脚部２６の高さ等により物理的な制約を受けることになる。このため重複回動範囲は、６０°〜１８０°程度となる。好ましくは、１８０°もしくはこれに近い重複回動範囲を実現できるよう、各観察手段１０の突出長さや脚部２６の長さを設定する。なお本明細書において傾斜角度は、電子線撮像手段１１が垂直姿勢にある状態を０°として計算している。例えば図１７（ｂ）の例では、電子線撮像手段１１の回動可能範囲が、垂直姿勢から左に９０°、右に６０°で、合わせて１５０°である。また光学系撮像手段１２の回動可能範囲は、電子線撮像手段１１から右に４０°傾斜して固定されているため、その回動可能範囲は、図１７（ｃ）に示すように、垂直姿勢から左に５０°、右に１００°で、合わせて１５０°である。
以上のように、各観察手段１０（光学系撮像手段１２及び電子線撮像手段１１）は、回転移動（回動）によって、その回転軸に位置する試料までの距離をほぼ一定に維持できるため、一旦焦点距離を調整しておけば、位置を変更しても常にフォーカスを合わせた状態で、回転角度すなわち視点のみを変化させることができるという優れた利点が得られる。
（電子線撮像手段１１の概要）
次に、電子線撮像手段１１の概要について、図１８に基づいて説明する。図１８は、電子線撮像手段１１のシステム構成を示すブロック図であり、ここでは静電型の静電レンズを用いたＳＥＭを利用している。このＳＥＭは、一般に加速電子の電子線を発生させ試料ＳＡに到達させるまでの電子レンズ系と、試料ＳＡを配置する試料室２１（チャンバ）と、試料室２１内を真空にするための排気系と、像観察のための操作系で構成される。また図１８の電子線撮像手段１１は、荷電粒子線による電子線観察像である電子顕微鏡画像の観察を行うため、電子顕微鏡制御部４０で各部材を制御する。さらに図１８のコントローラ１で実行される電子顕微鏡の操作プログラムで、電子顕微鏡の像観察条件の設定や各種操作を行い、観察像の表示を行う表示手段２に表示する。
（電子レンズ系）
電子レンズ系は、加速電子の電子線ＥＢを発生させる電子銃４７、加速電子の束を絞り込んで細束化する電子レンズ系、試料ＳＡから発生する二次電子や反射電子を検出する検出器を備える。図１８に示す電子線撮像手段１１は、電子レンズ系として電子線ＥＢを照射する電子銃４７と、電子銃４７から照射される電子線ＥＢが電子レンズ系の中心を通過するように補正する光軸調整器としてガンアライナ４９と、電子線ＥＢのスポットの大きさを細く絞る集束レンズ５２であるコンデンサレンズと、集束レンズ５２で集束された電子線ＥＢを試料ＳＡ上で走査させる電子線偏向走査手段５８と、走査に伴い試料ＳＡから放出される二次電子を検出する二次電子検出器６１と、反射電子を検出する反射電子検出器６２を備える。
（排気系）
試料室２１には、試料台３３、試料導入装置、Ｘ線検出用分光器等が備えられる。試料台３３（ステージ）は試料台制御部３４で制御され、試料台３３のＸ、Ｙ、Ｚ（高さ）方向への移動、回転（Ｒ）機能を備える。これら４軸は電動駆動される他、一部もしくは全部を手動での駆動とすることもできる。排気系は、上述した減圧ユニット１５で構成される。
（操作系）
操作系は二次電子像、反射電子像、Ｘ線像等を表示、観察しながら照射電流の調整、焦点合わせ等を行う。二次電子像等の出力は、アナログ信号であれば写真機によるフィルム撮影が一般的であったが、近年は画像をデジタル信号に変換した出力が可能となり、データの保存や画像処理、印刷等の多種多様な処理が可能である。図１８のＳＥＭは、二次電子像や反射電子像等の観察像を表示する表示手段２と印刷のためのプリンタ６９を備える。また操作系は、像観察条件として少なくとも加速電圧又はスポットサイズ（入射電子線束の直径）を設定するために必要な設定項目の設定手順を誘導（ガイダンス）する設定誘導手段を備える。
（電子線撮像手段１１の詳細）
次に、電子線撮像手段１１の詳細について、図１８に基づき説明する。図１８のＳＥＭは、コントローラ１及び表示手段と接続され、コントローラ１で電子線撮像手段１１の操作を行い、結果を表示手段に表示し、また必要に応じて像観察条件や画像データを保存したり、画像処理や演算を行う。図１８に示すＣＰＵやＬＳＩ等で構成される中央演算処理部６０は、電子線撮像手段１１を構成する各ブロックを制御する。電子銃高圧電源４３を制御することにより、フィラメント４４、ウェーネルト４５、アノード４６からなる電子銃４７より電子線ＥＢを発生させる。電子銃４７から発生された電子線ＥＢは、必ずしも電子レンズ系の中心を通過するとは限らず、ガンアライナ４９を光軸調整器５０によって制御することで、電子レンズ系の中心を通過するように補正を行う。次に、電子線ＥＢは集束レンズ制御部５１によって制御される集束レンズ５２であるコンデンサレンズによって細く絞られる。集束された電子線ＥＢは、電子線ＥＢを偏向する非点収差補正器５７、電子線偏向走査手段５８、対物レンズ５９、及び電子線ＥＢのビーム開き角を決定する対物絞り５３を通過し、試料ＳＡに至る。非点収差補正器５７は非点収差補正器制御部５４によって制御され、走査速度等を制御する。同様に電子線偏向走査手段５８は電子線偏向走査手段制御部５５によって、対物レンズ５９は対物レンズ制御部５６によって、それぞれ制御され、これらの作用によって試料ＳＡ上を走査する。試料ＳＡ上を電子線ＥＢが走査することにより、試料ＳＡから二次電子、反射電子等の情報信号が発生され、この情報信号は二次電子検出器６１、反射電子検出器６２によりそれぞれ検出される。検出された二次電子の情報信号は二次電子検出増幅部６３を経て、また反射電子の情報信号は反射電子検出器６２で検出されて反射電子検出増幅部６４を経て、それぞれＡ／Ｄ変換器６５、６６によりＡ／Ｄ変換され、画像データ生成部６７に送られ、画像データとして構成されて第一記憶手段１３１に保持される。第一記憶手段１３１に保持された画像データはコントローラ１に送られ、コントローラ１に接続されたモニタ等の表示手段２にて表示され、必要に応じてプリンタ６９にて印刷される。排気系ポンプ７０は、試料室２１内部を真空状態にする。排気系ポンプ７０に接続された排気制御部７２が真空度を調整し、試料ＳＡや観察目的に応じて高真空から低真空まで制御する。
（電子銃４７）
電子銃４７はあるエネルギーをもった加速電子を発生させるソースとなる部分で、Ｗ（タングステン）フィラメントやＬａＢ６フィラメントを加熱して電子を放出させる熱電子銃の他、尖状に構成したＷの先端に強電界を印加して電子を放出させる電界放射電子銃がある。一方電子レンズ系は、電子顕微鏡倍率調整手段６８で制御されて電子顕微鏡倍率を調整する。電子レンズ系には、集束レンズ５２、対物レンズ５９、対物絞り５３、電子線偏向走査手段５８、非点収差補正器５７等が装着されている。集束レンズは電子銃４７で発生した電子線ＥＢをさらに収斂して細くする。対物レンズ５９は最終的に電子プローブを試料ＳＡに焦点合わせするためのレンズである。対物絞り５３は収差を小さくするために用いられる。検出器には、二次電子を検出する二次電子検出器６１と反射電子を検出する反射電子検出器６２がある。二次電子はエネルギーが低いのでコレクタにより捕獲され、シンチレータにより光電子に変換されて、光電子倍増管で信号増幅される。一方、反射電子の検出にはシンチレータあるいは半導体型が用いられる。なお、本発明では二次電子や反射電子の信号検出に限定されず、オージェ電子、透過電子、内部起電力、カソードルミネッセンス、Ｘ線、吸収電子等の信号検出器を適用することもできる。あるいは、反射電子検出器を省略してもよい。
（電子レンズ系）
（静電レンズ）
以上の電子線撮像手段１１であるＳＥＭは、電子レンズとして静電型の電子レンズである静電レンズを採用している。静電型のＳＥＭは軽量であるため、本実施の形態のように傾斜させる構造に適している。静電レンズの概要を、図１９のブロック図に示す。この図に示すように静電レンズは、電子レンズ鏡筒内の各電子レンズを、静電レンズ制御部４０Ａで電気的に制御する構造となっている。電子レンズ鏡筒内には、電子銃４７Ａと、第一コンデンサレンズ５２Ａと、第二コンデンサレンズ５７Ａと、電子線偏向走査手段５８として、電子線ＥＢ１を走査させるための走査電極５８Ａと、対物レンズ５９Ａとが備えられる。電子銃４７Ａは、電子線源であるフィラメント４４Ａと、電子線集束用の円筒電極であるウェーネルト４５Ａと、アノード４６Ａとで構成される。また静電レンズ制御部４０Ａは、フィラメント４４Ａ及びウェーネルト４５Ａを制御して電子銃４７Ａより電子線ＥＢ１を発生させる電子銃高圧電源４３Ａと、第一コンデンサレンズ５２Ａを制御する第一レンズ制御部５１Ａと、第二コンデンサレンズ５７Ａを制御する第二レンズ制御部５４Ａと、走査電極５８Ａを制御する走査電極制御部５５Ａと、対物レンズ５９Ａを制御する対物レンズ制御部５６Ａとを備える。このように静電レンズは、複数の電極を組み合わせて、正電場の電子線ＥＢ１に対する集束作用を利用して電子線ＥＢ１を試料ＳＡに向けて照射し、試料ＳＡから放出される二次電子ＳＥ１を二次電子検出器６１Ａで検出している。この構造の静電レンズは収差が大きいものの、構造を簡素化して電子線撮像手段１１の軽量化を図ることができ、これにより観察手段１０の回動を安定的に行え、信頼性を向上できる利点が得られる。なお図１９の例では、電子線偏向走査手段５８を１段の走査電極５８Ａで構成しているが、複数段の電極で構成することもできる。
（電磁レンズ）
ただ、本発明は電子線撮像手段１１を静電レンズに限定するものでなく、他の電子レンズも適宜採用できる。例えば、十分な機械的強度を維持できるのであれば、電子レンズとして磁界型の電子レンズである電磁レンズを利用してもよい。電磁レンズは高倍率化に有利であるという利点が得られる。電磁レンズの概要を、図２０に示す。この図に示す電磁レンズも、電子レンズ鏡筒内の各電子レンズを、電磁レンズ制御部４０Ｂで電気的に制御する構造である。電子レンズ鏡筒内には、電子銃４７Ｂと、第一コンデンサレンズ５２Ｂと、第二コンデンサレンズ５７Ｂと、電子線ＥＢ２を走査させるための走査コイル５８Ｂと、対物レンズ５９Ｂとが備えられる。電子銃４７Ｂは、電子線源であるフィラメント４４Ｂと、電子線集束用の円筒電極であるウェーネルト４５Ｂと、アノード４６Ｂとで構成される。また電磁レンズ制御部４０Ｂは、フィラメント４４Ｂ及びウェーネルト４５Ｂを制御して電子銃４７Ｂより電子線ＥＢ２を発生させる電子銃高圧電源４３Ｂと、第一コンデンサレンズ５２Ｂを制御する第一レンズ制御部５１Ｂと、第二コンデンサレンズ５７Ｂを制御する第二レンズ制御部５４Ｂと、走査コイル５８Ｂを制御する走査コイル制御部５５Ｂと、対物レンズ５９Ｂを制御する対物レンズ制御部５６Ｂとを備える。このように電磁レンズは、電子線ＥＢ２を試料ＳＡ２に向けて照射し、試料ＳＡ２から放出される二次電子ＳＥ２を二次電子検出器６１Ｂで検出している。上述した静電レンズが電場を利用するのに対し、電磁レンズでは電磁石による磁場を利用して電子線ＥＢ２を照射している。
また磁界型電子レンズは一般に電磁石を用いた電磁レンズが利用されるが、磁界発生手段として、電磁石でなく永久磁石を用いることで、レンズ構造の簡素化、小型化、軽量化等を図ることもできる。ただし、この場合は電磁石のように磁力の調整ができないため、焦点距離が固定値となる。本明細書では便宜上、このようなレンズも電磁レンズと呼ぶ。
（検出器）
図３に示す例では、検出器として、二次電子検出器（ＳＥＤ）６１を使用している。ただ、これに代えて、あるいはこれに加えて他の検出器を利用することもできるのは上述の通りである。なお二次電子検出器６１は、図３の例では固定部分に設けている。好ましくは、背面側に位置する端面板に設ける。これにより、試料台３３と二次電子検出器６１はいずれも固定部分にあるため、その位置関係が不変で、安定した二次電子の検出が可能となる。特に試料台を傾斜させる傾斜観察においては、二次電子が試料台の影とならずに確実に捕捉できる利点が得られる。すなわち、従来の試料台側を傾斜させて電子銃及び二次電子検出器を固定する構成では、試料表面が二次電子検出器から見たときに試料台の影になってしまうことがあり、この結果二次電子の検出感度が低下するという問題があった。これに対して上述のように試料台側を固定して電子銃側を傾斜させる構成では、傾斜観察においても試料台が傾斜しないため、このような影になる問題が生じず、この結果傾斜観察においても安定した観察結果を得ることができる利点が得られる。ただ、この構成に限らず、検出器を回転部分側に設けてもよい。
（試料台３３）
さらに図６〜図８に示すように、試料室２１内には、観察対象の試料を載置するための試料台３３を配置している。試料台３３は、上面を平坦な円形状のテーブルとしている。なお図６〜図８の一部断面斜視図の例では、説明のため試料台３３を半円状に切り欠いた状態を示している。試料台３３は、円筒状の試料室２１の中心軸とほぼ一致させる位置に配置する。厳密には、試料台３３は水平姿勢を維持したまま上下に昇降可能であることから、試料台３３の試料載置面が２つの観察手段１０の光軸の交点に一致させることができるように、移動機構を調整している。
これによって、回転軸のほぼ中心に試料を配置して、各観察手段１０が中心軸に向かう姿勢に保持されて試料を観察するため、回転軸に沿って各観察手段１０を回動させても、常にその光軸の向かう先を試料として、試料を視野に捉えやすくできる上、その焦点距離（ワーキングディスタンス：ＷＤ）も一度調整すれば、観察手段１０を回動させても常に一定のワーキングディスタンスにて維持されるため、合焦点状態をほぼ維持しつつ、異なる角度からの観察を可能とすることができる。すなわち、観察手段１０を移動させたことによる視野のロストを極減することができるので、特に操作に不慣れな初心者ユーザであっても容易に操作できるという優れた利点が得られる。
（試料台駆動手段３４）
観察位置の位置決めは、試料ＳＡを載置した試料台３３を物理的に移動させて行う。試料ＳＡの移動は、試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４を構成する水平面移動機構７４及び高さ調整機構８０で行う。これらの試料台駆動手段３４は、試料台制御部３４によって制御される。試料台３３は試料ＳＡの観察位置を調整可能なように様々な方向への移動、調整が可能である。具体的には、試料台３３を水平面内で移動させるための水平面移動機構７４を備える。水平面移動機構７４は、試料台３３の平面方向であるＸ軸及びＹ軸方向への移動及び微調整が可能である。また水平面移動機構７４に、Ｒ軸（回転）方向を付加してもよい。この試料台駆動手段３４は、試料に対して観察位置の位置決めを行う観察位置決め手段として機能する。
（水平面移動機構７４）
また図６〜図７に示すように、水平面移動機構７４は、試料台３３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｒ方向に移動させる移動量を手動で調整するためのＸ軸操作摘み７４Ｘ、Ｙ軸操作摘み７４Ｙ、Ｒ軸操作摘み７４Ｒを、胴部２４の右側で手前側に突出するように設けている。これらの図に示すように、試料台３３のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＲ軸方向への移動は、各々操作摘みの後端に張設された無限軌道のベルト駆動及びギア駆動により、各操作摘みの回転量に応じて回転力が伝達され、試料台３３が所定量移動する。
（操作摘み）
さらに高さ調整機構８０は、試料台３３をＺ軸方向に移動させる移動量を調整するためのＺ軸操作摘み８０Ｚを、固定板２３の背面から上方に突出するように設けている。このように、各操作摘みを回転式に統一することで、ユーザは試料台３３の移動を統一された操作感によって調整できる。なお、図６〜図７等の例では、Ｘ軸操作摘み７４Ｘ、Ｙ軸操作摘み７４Ｙ、Ｒ軸操作摘み７４Ｒを、いずれも胴部２４の右側で鉛直面から突出する姿勢に設けられている。ただ、このような配置や位置に限られるものでなく、拡大観察装置の任意の位置に、任意の配置で設けることも可能であることはいうまでもない。例えば、図２Ｂ、図２Ｃに示す変形例に係る拡大観察装置では、Ｘ軸操作摘み７４Ｘ、Ｙ軸操作摘み７４Ｙ、Ｒ軸操作摘み７４Ｒを水平面に並べて配置している。また各摘みには、回転時に指で摘んで連続回転を容易にする突起を設けてもよい。さらにＺ軸操作摘み８０Ｚは、その回転軸が側面から突出する姿勢に、摘み部分が垂直姿勢となるように固定することで、ユーザは感覚的に高さ方向の調整であることを摘みの姿勢から把握でき、他の摘みと区別し易くできる。
（非傾動）
この試料台３３は水平面内での移動のみを可能としており、従来の試料台では可能であった傾斜角度（Ｔ軸方向）の調整を排除している。いいかえると、試料台駆動手段３４は試料台３３を傾斜させるための傾動手段を有しない。このように試料台３３の傾動動作を禁止した非傾動状態にて、試料台３３を水平姿勢に固定することで、試料台３３上面に載置した試料が傾斜により移動したり滑り落ちる事態を回避できる。また、従来必要であった、両面テープ等で試料を試料台に固定する作業を無くすと共に、このような粘着材の貼付、剥離によって試料が破損する事態も回避できるという優れた利点が得られる。
また、試料台３３の傾動に代えて、観察手段側を傾斜させる、すなわち回動させることにより、傾斜観察における視野の変化をユーザが把握しやすいといった利点も得られる。すなわち、従来は電子銃等の観察手段側を固定し、試料側を傾斜させていたたため、視野の変化が観察対象の変化となって現れ、試料がどのような姿勢であり、どの方向から見ているのか、また所望の視野を得るためにはどの軸をどの方向に調整すればいいのか等を把握することが容易でなく、微調整の操作には熟練を要していた。これに対し、試料を固定して観察手段側を移動（回動）させる構成では、ユーザ自身の手で観察手段を物理的に傾斜し、さらに試料の位置が固定されているため、両者の位置関係を容易に把握できるのである。換言すると、一般の観察と同様、固定された試料に対してユーザ自身の視点を移動させるという動作に近い構成のため、ユーザ自身が観察手段を手動で調整することと相俟って、相対的な位置関係が極めて明確となる。また、視野の変更に際しても、試料と観察手段の相対位置が把握できることから、どの軸をどの方向に移動させれば所望の視野に調整できるかの理解も容易となり、操作に熟練していないユーザであっても直感的に把握できるメリットがある。
（高さ調整機構８０）
また試料台３３は、その水平位置を調整するための高さ調整機構８０として、対物レンズ５９と試料との距離（ワーキングディスタンス）を調整するために、鉛直方向であるＺ軸方向の調整を可能としている。また高さ調整機構８０の移動軌跡に、電子線撮像手段１１及び光学系撮像手段１２の焦点可変範囲を含めることで、電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２の焦点調整が可能となる。この場合、高さ調整機構８０は、電子線撮像手段１１の焦点距離を調整するための顕微鏡焦点調整手段３７と、光学系撮像手段１２の焦点距離を調整するための光学焦点調整手段３８に兼用、あるいは各観察手段１０が各々焦点調整手段を有している場合は、これらと併用することができる。また、いずれか一方の観察手段１０が焦点調整手段を有しない焦点固定式の場合は、その焦点調整手段として機能することは言うまでもない。例えば、電子線撮像手段１１が顕微鏡焦点調整手段３７を備えており、光学系撮像手段１２が焦点固定式の場合に、高さ調整機構８０を光学焦点調整手段３８として利用できる。
なお観察像の位置決めや観察視野の移動には、試料台を物理的に移動させる方法に限られず、例えば電子銃から照射される電子線の走査位置をシフトさせる方法（イメージシフト）も利用できる。あるいは、このような仮想的な移動を物理的な移動と併用してもよい。あるいはまた、広い範囲で一旦画像データを取り込み、データをソフトウエア的に処理する方法も利用できる。この方法では、一旦データが取り込まれてデータ内で処理されるため、ソフトウエア的に観察位置を移動させることが可能で、試料台の移動や電子線の走査といったハードウエア的な移動を伴わないメリットがある。予め大きな画像データを取り込む方法としては、例えば様々な位置の画像データを複数取得し、これらの画像データをつなぎ合わせることで広い面積の画像データを取得する方法がある。あるいは、低倍率で画像データを取得することによって、取得面積を広く取ることができる。
（光学系撮像手段１２）
次に、光学系撮像手段１２について説明する。まず、光学系撮像手段１２の光学レンズ系の構成例を、図２１Ａに示す。この光学レンズは、光学レンズ鏡筒内に配置された光学撮像素子９２と、光学レンズ群９８を構成する光学ズームレンズ９３及び対物レンズ９４とを備える。各レンズは、複数枚の光学レンズで構成できる。倍率の調整は、光学ズームレンズ９３を手動または電動で駆動してレンズ間の間隔を調整することで行われる。電動駆動の場合は、光学ズームレンズ９３の位置を移動させるモータを備えており、モータの回転によって光学ズーム倍率を調整する。このような光学倍率を調整するため、光学系撮像手段１２は光学倍率調整手段９５を備える。また焦点位置を可変とする場合は、これを調整するための光学焦点調整手段３８を備えてもよい。焦点位置を固定式とする場合は、光学焦点調整手段を省略できる。さらに、試料台３３に載置された試料ＳＡ３を照明するための照明部９６を配置している。
光学撮像素子９２には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等が利用できる。光学撮像素子９２は、試料ＳＡ３に光学系を介して入射される光の反射光または透過光を、２次元状に配置された画素毎に撮像信号を電気的に読み取って光学画像を結像する。光学撮像素子９２によって電気的に読み取られた画像データは、情報処理手段１０１に送出されて処理される。
（光学撮像システム）
図１に示す拡大観察システム１０００の構成では、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１を制御するコントローラが、各々別個に設けられている。ここでは、電子顕微鏡画像手段はコントローラ１で制御され、光学系撮像手段１２は表示手段に組み込まれた情報処理手段１０１で制御される。本実施の形態においては、コントローラ１で画像合成等の画像処理を行うよう構成している。ただ、各観察手段を制御する別個のコントローラを設ける構成の他、一のコントローラで複数の観察手段を制御するよう構成してもよい。共通のコントローラを使用することで、必要な部材を低減できる上、ユーザも一のコントローラのみを操作することで複数の観察手段を制御できる。さらに各観察手段の操作についても、統一された環境やユーザインターフェースを提供することで、より操作性が向上される。
図２１Ｂに、表示手段２の情報処理手段１０１で光学系撮像手段１２を制御する光学撮像システムのブロック図を示す。この図に示す光学系撮像手段１２は、試料ＳＡ３を撮像する光学撮像素子としてＣＣＤ等の受光素子と、ＣＣＤを駆動制御するＣＣＤ制御回路９１と、照明部９６から試料台３３上に載置された試料ＳＡ３に対して照射された光の透過光や反射光をＣＣＤ上に結像させる光学レンズ群９８とを備える。光学レンズ群９８は、図２１Ａに示す構成が利用できる。また試料ＳＡ３を載置する試料台３３を駆動する試料台駆動手段３４として、水平面移動機構７４及び高さ調整機構８０を備えることも、図４等で説明した通りである。また光学焦点調整手段として、光学レンズ群９８を光軸方向に移動させる機構を設けたり、あるいは高さ調整機構を、光軸方向における相対距離を変化させ焦点を調整する光学焦点調整手段として兼用してもよい。
一方表示手段２は、撮像素子によって電気的に読み取られた画像データを記憶するメモリ等の第二記憶手段１０３（図３７の第二記憶手段１３２に相当）と、撮像素子によって電気的に読み取られた画像データに基づいて画像を表示するディスプレイ部１０２と、ディスプレイ部１０２上に表示される画面に基づいて入力その他の操作を行う操作手段１０５（図３７等の操作手段１０５ｃに相当）と、操作手段１０５によって入力された情報に基づいて画像処理その他各種の処理を行う情報処理手段１０１と、情報処理手段１０１が光学系撮像手段１２からの情報を授受するためのインターフェイス１０４とを備える。ディスプレイ部１０２は、高解像度表示が可能なモニタであり、ＣＲＴや液晶パネル等が利用される。
第二記憶手段１０３は、例えば光学焦点調整手段によって焦点を調整したときの試料台３３と光学レンズ群９８の光軸方向における相対距離に関する焦点距離情報を、光軸方向とほぼ垂直な面内における試料ＳＡ３の２次元位置情報と共に記憶する。またディスプレイ部１０２によって表示された画像上で任意の点、領域を操作手段１０５で設定すると、設定された領域に対応する試料ＳＡ３の一部または全部に関する第二記憶手段１０３に記憶された焦点距離情報に基づいて、該領域に対応する試料ＳＡ３の光軸方向における平均高さを情報処理手段１０１で演算する。このようにして拡大観察装置は、光学レンズ群９８を介して入射する試料台３３上に載置された試料ＳＡ３からの反射光または透過光を撮像素子で電気的に読み取り、指定された領域に対応する試料ＳＡ３の光軸方向における平均高さ又は深さを演算できる。さらに情報処理手段１０１は、後述する電子顕微鏡画像と光学画像とを合成する画像合成手段１１６として機能させることもできる。
操作手段１０５はコンピュータと有線もしくは無線で接続され、あるいはコンピュータに固定されている。一般的な操作手段１０５としては、例えばマウスやキーボード、スライドパッド、トラックポイント、タブレット、ジョイスティック、コンソール、ジョグダイヤル、デジタイザ、ライトペン、テンキー、タッチパッド、アキュポイント等の各種ポインティングデバイスが挙げられる。またこれらの操作手段１０５は、拡大観察用操作プログラムの操作の他、拡大観察装置自体やその周辺機器の操作にも利用できる。さらに、インターフェース画面を表示するディスプレイ自体にタッチスクリーンやタッチパネルを利用して、画面上をユーザが手で直接触れることにより入力や操作を可能としたり、または音声入力その他の既存の入力手段を利用、あるいはこれらを併用することもできる。図２１Ｂの例では、操作手段１０５はマウス等のポインティングデバイスで構成される。
また、表示手段２にはコンピュータ７０を接続可能であり、コンピュータ７０に別途拡大観察用操作プログラムをインストールして、コンピュータ７０側からも拡大観察装置を操作することもできる。あるいは表示手段そのものをコンピュータで実現することもできる。この場合、コンピュータに接続したモニタが、表示手段のディスプレイ部として機能する。
（画素ずらし手段９９）
さらに光学系撮像手段１２は、画素ずらしによってＣＣＤの持つ解像度以上の高解像度を得るための画素ずらし手段９９を備えることができる。画素ずらしとは、例えば画素ピッチの半分だけ被写体をずらして撮影した画像と、ずらす前の画像とを合成することにより高解像度化を図るものである。代表的な画像ずらしの機構としては、撮像素子を移動させるＣＣＤ駆動方式、ＬＰＦを傾斜させるＬＰＦ傾斜方式、レンズを移動させるレンズ移動方式等がある。図２１Ｂにおいては、試料台３３に固定された試料ＳＡ３から光学レンズ群９８を介してＣＣＤに入射される反射光または透過光の入射光路を、少なくとも一の方向に、その方向におけるＣＣＤの一画素の間隔よりも小さい距離で光学的にシフトさせる光路シフト部１４を備える。画素ずらしを実現するための機構や手法は、上記の構成に限られず、既知の方法や将来開発される方法が適宜利用できる。
ＣＣＤは、ｘ方向およびｙ方向に２次元状に配置された画素毎に受光量を電気的に読み取ることができる。ＣＣＤ上に結像された試料ＳＡ３の像は、ＣＣＤの各画素において受光量に応じて電気信号に変換され、ＣＣＤ制御回路９１においてさらにデジタルデータに変換される。情報処理手段１０１は、ＣＣＤ制御回路９１において変換されたデジタルデータを受光データとして、光軸方向（図２１Ｂ中のｚ方向）とほぼ垂直な面内（図２１Ｂ中のｘ、ｙ方向）における試料ＳＡ３の２次元位置情報としての画素の配置情報（ｘ、ｙ）と共に第二記憶手段１０３に記憶する。ここで、光軸方向とほぼ垂直な面内とは、厳密に光軸に対して９０°をなす面である必要はなく、その光学系および撮像素子における解像度において試料の形状を認識できる程度の傾きの範囲内にある観察面であればよい。
以上のように図１の拡大観察システム１０００の構成では、光学系撮像手段１２を表示手段２に組み込まれた情報処理手段１０１で制御する一方、電子線撮像手段１１はコントローラで制御する。すなわち観察手段毎に別個にコントローラを設けているが、この構成に限られず、一のコントローラで複数の観察手段を制御する構成とすることもできる。
（照明部９６）
図２１Ｂに示す照明部９６は、試料ＳＡ３に落射光を照射するための落射照明を例示している。ただ、これに限らず、透過光を照射するための透過照明を利用することもできる。照明部９６は、光ファイバ１０６を介して表示手段２と接続される。表示手段２は、光ファイバ１０６を接続するコネクタを備えると共に、コネクタを介して光ファイバ１０６に光を送出するための光源１０７を内蔵する。光源１０７にはハロゲンランプやキセノンランプ、ＬＥＤ等が用いられる。
照明部９６は、図４、図７等に示すように、試料室２１内の光源ポート９７に設置される。光源ポート９７に接続される照明部９６は、その照明光が試料台３３に向けられるように照明光の光軸が設定される。好ましくは、照明部９６は図４に示すように、各観察手段１０を設けた回転面とは異なる面上に位置させ、かつ光軸が該回転面と交差する角度に設定される。このように照明光を傾斜させることで、照明光により試料に影が生じる方向が回転面と平行とならず、交差するため、傾斜観察において影の暗い部分を少なくできる効果が期待できる。
さらに試料室２１の内面は、反射性とすることが好ましい。これにより、照明光を試料室２１内部で可能な限り反射させ、乱反射により照明の陰影を少なくできる効果が得られる。例えば試料室２１の内面をＡｇコート等反射率の高い金属で被覆する。
光源ポート９７は、回転部分側に設けられる。これにより、胴部２４の回動に沿って照明部９６も回転するため、光学系撮像手段１２と照明部９６の位置関係を一定に維持でき、光学系撮像手段１２の位置によらず半径方向に同じ角度で照明を照射し続ける結果、光学系撮像手段１２の回動によって照明状態が変化しないという利点が得られる。
（試料室内観察手段１３）
さらに本実施の形態では、第三の観察手段として、試料室２１内の環境を観察するための試料室内観察手段１３を設けている。試料室内観察手段１３は、追加の光学系撮像手段として、少なくとも試料台３３と、試料台３３に載置された試料及び電子線撮像手段１１の先端部を視野に含む光学画像を試料室内画像として取得可能である。これにより、試料室２１内での試料や光学系撮像手段１２、電子線撮像手段１１の位置関係を容易に把握できる。特に、試料の載置位置の確認に有利となる。例えば試料台３３を試料室２１から手前に引き出す構成では、載置作業自体は容易であるものの、載置する位置によって観察手段でどのように見えるかを事前に確認できない。これに対して、試料室内観察手段１３を設けることで、ユーザは試料室内観察手段１３の光学画像である試料室内画像をリアルタイムで確認しながら、真空引きの前に試料を試料台３３上の所望の位置に置くことができる。すなわち、載置場所を確認しながら試料を載置できるという利点が得られる。このような試料室内観察手段１３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で構成でき、チャンバビューカメラ（ＣＶＣ）等とも称呼される。
試料室内観察手段１３は、その光軸を好ましくは回転軸と略平行とする。これにより、胴部２４の回転移動を上方から把握でき、円弧状の軌跡として回転状態を把握しやすくできる。また光軸を回転軸と平行となるように偏芯させたオフセット配置により、光学画像内に回転軸を含めることができ、回転を一層容易に把握し易くできる。試料室内観察手段１３の光軸の偏芯量は、好ましくは胴部２４の回転軸を基準として、円筒状半径の±１０％程度とする。なお本明細書において、試料台３３が回転軸と略一致するとは、このようなオフセット位置を包含する意味で使用する。またここでの平行とは、回転軸に対して約２０°までの角度差を有するものを含む意味で使用する。また試料室内観察手段１３を偏芯配置する場合、より好ましくはその光軸を、回転軸よりも上方に位置させる。これにより、回転軸と一致させた試料の観察面も試料室内画像の下方に含めることができ、試料と電子銃との位置関係を確実に把握できる。
試料室内観察手段１３の固定位置は、電子線撮像手段１１を胴部２４と共に回動させる場合、試料台３３や試料台３３上の試料との干渉の有無や干渉のおそれを確認しながら回動させるために、回動しない固定部分側とすることが望ましい。
ただ、回転部分側に試料室内観察手段１３を設けることも可能である。この場合は、胴部２４の回転角度情報を角度センサ等で取得し、画像の回転を補正する制御を行うことで、回転運動を相殺した静止画を得ることができる。例えばコントローラ１によって回動部の回転量と視野の移動量を計算し、視野の移動分だけ観察視野の表示部分を逆方向に移動させるよう、画像処理する。これにより、試料室内画像を、胴部の回転による傾きを相殺するように補正した回転補正画像として表示できるので、回転位置によらず表示手段２に表示される画像の視野を一定に保持できる。
図２２Ａ及び図２２Ｂは、試料室２１内における試料台３３と観察手段１０の相対移動を示す模式断面図である。上述の通り、試料台３３は水平姿勢を維持しつつ高さ調整機構８０により上下動するのみで、試料台３３の載置面を傾斜させる傾動や揺動を禁止している。この構造で傾斜観察を実現するために、観察手段１０側を傾斜させるよう構成している。このように、試料側を固定して観察手段１０側を傾斜させることで、ユーザは観察手段１０で撮像されて表示手段２に表示される観察像において、傾斜姿勢の位置関係を容易に把握できる利点が得られる。逆に言えば、従来のようにカメラ側を固定して試料台３３を傾斜させる構造、すなわち図２３Ａ及び図２３Ｂに示すようなユーセントリック構造では、現在観察中の画像において、傾斜観察の傾斜角度を変更する際、どの方向に傾斜を調整すれば、所望の画像が得られるか、その位置関係を把握することが容易でなかった。これに対し、観察対象である試料側を固定し、観察の視点となる観察手段１０側、すなわち目線そのものを移動させる構成とすることで、実際にユーザが対象物を観察する際と同様の目線を動かすという感覚で位置関係を把握でき、この結果角度調整すべき方向も速やかに把握できるという利点が得られる。
また、試料台３３を傾斜させないことで、試料が試料台３３から滑り落ちる虞もなくなり、試料を試料台３３に固定するための構造、例えば粘着テープによる固定作業も不要にでき、さらに粘着テープを剥離する際に試料を破損する虞も無くすことができるといった、作業性や安全性の向上が図られる。
さらに従来のユーセントリック構造では、試料台３３を傾斜させたまま試料台３３の高さ（Ｚ軸）を変更すると、図２３Ｂに示す黒塗りの位置から斜線ハッチングに示す位置に試料台３３が移動する結果、傾斜姿勢で固定された光学系撮像手段１２の光軸が相対的に試料台３３上を移動することとなって、観察視野が意図せず移動してしまうという問題があった。特に光学系撮像手段１２に焦点位置を調整するための光学焦点調整手段を備えない焦点固定式の場合は、試料台３３の高さ調整のみでワーキングディスタンスを変化させる必要があり、合焦位置によっては観察視野が電子顕微鏡と一致しなくなる虞がある。
また、観察手段１０と試料との間の角度を変更した場合、角度を変更する度に、観察手段１０と試料との間の焦点距離が変わるため、焦点位置の補正を行わなければならない。加えて、二つの観察手段１０で、同一の試料に対して同一の傾斜角度で、傾斜観察の画像を取得したい場合、一方の観察手段１０で用いた角度を記憶すると共に、他方の観察手段１０側に試料台３３を移動させた上で、先の角度を再現し、焦点位置を合わせる必要があった。
これに対して本実施の形態では、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、観察手段１０を鉛直位置に回転移動させることで、試料台３３の高さによらず観察視野を一定に保持できるという利点が得られる。なお、本実施の形態においては使用したい観察手段１０を鉛直姿勢とすることで、いいかえると選択した観察手段１０の光軸を、高さ調整手段の移動方向（Ｚ軸）と略一致させることで、高さ調整による観察視野の移動を回避できる。この結果、ユーセントリックなワーキングディスタンスは１箇所のみとなる。このように、観察手段１０を鉛直姿勢にして観察すると、観察手段１０の光軸と試料台３３の上下移動の軸が一致し、ワーキングディスタンスを調整しても視野が移動しないので、ユーセントリック位置の調整がし易いという利点が得られる。
ただ、観察手段１０を傾斜姿勢としても試料の観察が可能であることはいうまでもない。また、この場合には試料台３３の高さ調整による観察視野の移動が生じるが、画像処理によってこの移動分を相殺することも可能である。例えばコントローラ１によって、高さの変化と視野の移動量を計算し、視野の移動分だけ観察視野（表示中の光学画像乃至電子顕微鏡画像）の表示部分を逆方向に移動させるよう、コントローラ１で画像処理する。これにより、高さの移動によらず表示手段２に表示される画像の視野を一定に保持できる。この結果、試料台３３の角度や観察位置によらず、観察手段１０を切り替えても観察視野が変化しない拡大観察装置が実現できる。
特に従来は、電子顕微鏡観察を優先するため、光学系撮像手段１２による観察を犠牲にし、さらに電子顕微鏡の分解能（最高倍率）を優先する結果、傾斜観察を制限する設計思想が採用されていた。この結果、折角電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２とを共に備えていても、両者を最大限に活用し、光学画像や傾斜観察を制限無くユーザが利用できる環境が実現されているとは言い難い状況であった。
具体的には、電子顕微鏡の分解能は、電子線撮像手段１１の対物レンズ先端から試料までの距離であるワーキングディスタンスが短いほど良くなる。しかしながら、傾斜させた角度から試料を観察する場合は、ワーキングディスタンスが短すぎると電子線撮像手段１１の対物レンズに試料が接触してしまうという問題があった。したがって、従来はワーキングディスタンスを、試料の大きさと希望する傾斜角度で決定される、対物レンズに衝突しない最短距離に設定して観察していた。この結果、従来の電子顕微鏡では、試料の大きさと希望する傾斜角度によって決定されるワーキングディスタンスで観察することになる。このように種々のワーキングディスタンスで快適に観察するためには、どのワーキングディスタンスであっても、試料台３３の傾斜角度を変化させた際に観察視野が変化しないことが望まれる。このような背景から、従来の電子顕微鏡では、どのワーキングディスタンスであっても、試料台３３を傾斜させても視野が動かないような構成、すなわち図２３Ｂに示すように、電子顕微鏡の光軸上で、試料台３３のＺ軸の位置によらず視野ずれしないユーセントリック式とした試料台３３の傾斜機構が採用されていた。
この構造によれば、図２３Ａ、図２３Ｂの黒塗りした位置に試料表面が位置するように予め調整することで、試料台３３を傾斜回転させる１動作のみで、光学系撮像手段１２及び電子線撮像手段１１で同一視野、同一傾斜角度での観察が可能となる。しかしながら、視野探しや位置調整は被写界深度の浅い光学系撮像手段１２で行う必要があるものの、位置調整をする際に視野が電子線撮像手段１１との間でずれる結果、調整し難いという問題があった。
このような状況に鑑み、本実施の形態では上述の通り、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように試料台３３側を固定し、観察手段１０側を傾斜させる構造を採用している。この結果、傾斜させるのは試料台３３でなく観察手段１０側となるため、試料台３３の高さによらず、容易に同じ観察位置、傾斜角度での画像に切り替えることが可能となる。これにより、電子顕微鏡観察と、光学顕微鏡観察の双方を重視し、かつ傾斜観察も重視した、従来よりも使い勝手のよい拡大観察が実現できる。
さらに従来の電子顕微鏡では、電子レンズ、光学レンズが取り付けられている部材に、高さ調整機構８０としてＺステージが構成され、そのＺステージ上に、試料台３３を傾斜、回転させる機構が構成されていた。さらに電子レンズ、光学レンズは、固定側に取り付けられていた。
これに対して本実施の形態に係る拡大観察装置では、電子レンズ、光学レンズが取り付けられている部材に、試料台３３を回転させる機構が構成され、さらにその上に、高さ調整機構８０が構成されている。すなわち、回転軸の機構と、Ｚ軸の移動機構が従来とは逆に構成されている。また、電子レンズ、光学レンズは、回転側に取り付けられている。
（光軸と試料台３３の移動方向の一致）
本実施の形態に係る拡大観察装置においては、回動手段３０により電子線撮像手段１１及び光学系撮像手段１２を回転移動させることで一の観察位置に双方の観察手段１０を切り替えて配置できる。すなわち、このような切り替えによって、双方の観察手段１０の光軸を一致させた撮像が可能となる。一方、試料台３３は水平姿勢を維持したまま上下に、すなわち鉛直方向に高さ調整機構８０で移動可能としている。この結果、観察手段１０を鉛直姿勢に位置させることで、光軸を試料台３３の移動方向と一致させることが可能となる。
これにより、円筒状側面に沿って回転させた電子線撮像手段１１や光学系撮像手段１２で傾斜観察を可能としつつ、回転軸と試料台３３の高さ方向、すなわち試料台３３上に載置された試料の観察面の高さとを一致させて、視野変化のない観察が可能となる。また各観察手段１０の光軸を一致させた、略同一の視野、略同一の傾斜角度、略同一の倍率での観察像を取得でき、取得された２つの観察像を比較観察できる。
（焦点の可変範囲の中に回転軸）
高さ調整手段は、その高さを調整可能な高さ可動範囲に、回動手段３０の回転軸が含まれるように設定している。これにより、回転軸の中心に試料台３３を位置させて、観察手段１０を回転軸に沿って回転させても、各位置における観察手段１０から試料台３３までの距離を一定に維持できるので、焦点距離を一旦調整した後は、観察手段１０を移動させても合焦距離を維持しまままとでき、常に合焦状態で視野角を変更でき、傾斜観察に際して極めて有利となる。
より正確には、このようなセットバックを示す図２４の模式断面図に示すように、試料の表面の観察位置すなわち試料の上面である観察面が、回転軸と一致するように、試料の高さ分だけ試料台３３を回転軸から降下させることで、上記ワーキングディスタンスの保持状態を達成できる。このため高さ調整機構８０は、試料台３３を回転軸と一致させた位置から所望の範囲下方に降下可能としている。これにより、観察面の高さに応じて試料台３３を降下させて、観察面を正確に回転軸に一致させることが可能となる。
このため、試料台３３のＺ軸方向の移動においては、試料台３３の上端ストローク位置は、少なくとも回転軸を含む位置までは上昇可能とし、さらに少なくともその回転軸から下方位置に移動可能に設定する。
（セットバックの調整）
試料表面を回転軸に合わせるには、電子レンズより被写界深度の浅い光学レンズを使用する。光学レンズの取り付け位置は、予めその焦点位置が回転軸と一致するように調整される。光学レンズの光軸と試料台３３の試料載置面が垂直となるように、胴部２４を回転させて、光学レンズの画像の焦点が合うように、試料台３３のＺ軸位置を調整する。この際、光学レンズと試料の距離のみ変化して、視野は移動しないので、調整は容易となる。次に、電子レンズの焦点調整を上記と同様の手順で行う。これにより、胴部２４をどのように回転、傾斜させても、電子顕微鏡と光学顕微鏡の視野がずれることはない。
（焦点調整手段の有無 固定焦点式）
また、観察手段１０の焦点距離が固定式の場合は、この構成によって試料台３３の高さを調整することで、焦点位置にワーキングディスタンスを正確に調整できる。あるいは、観察手段１０が焦点調整手段を備える場合は、これで調整可能な焦点距離範囲に、回動手段３０の回転軸が含まれるように設定する。例えば電子線撮像手段１１は、その光軸に沿って焦点距離を調整可能な顕微鏡焦点調整手段３７を備えている場合が多く、この場合は図２５に示すように予め焦点位置の可変範囲に回転軸を含むように設定しておき、顕微鏡焦点調整手段３７で焦点距離を調整して、電子レンズの焦点位置を回転軸の位置に一致させる。また光学系撮像手段１２が、その光軸に沿って焦点距離を調整可能な光学焦点調整手段３８を備えている場合も同様に、図２６に示すように焦点位置の可変範囲に回転軸を含むように予め設定しておき、焦点位置が回転軸と一致するように光学焦点調整手段３８を調整する。
（実施の形態２）
上述の例では、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とを組み合わせた例を説明したが、常にこれらを併用する構成のみならず、必要に応じて付加する構成とすることもできることはいうまでもない。例えば上述の通り、光学系撮像手段１２をマウント３９を介して着脱した構成とすることで、図１８のブロック図に示したような拡大観察システムを構成できる。このように電子顕微鏡撮像として使用しつつ、必要に応じて光学系撮像手段１２を付加できる構成とすることで、観察用途に応じたオプションを追加、除去可能な、柔軟性、拡張性に富む利便性に優れた拡大観察システムを構築できる利点が得られる。
（倍率換算機能）
さらに拡大観察装置は、異なる観察手段において倍率の決定基準が異なる場合に、これらを統一した倍率で表示したり、該倍率に自動調整する倍率換算機能を備える。一般に、拡大観察装置で観察する際に、どの程度拡大して観察するかは、倍率でその度合いを示すことが多い。しかしながら倍率は、表示範囲の大きさによってその定義が変わるので、観察手段毎に異なることが多い。一般に倍率は、次式で定義乃至算出される。
倍率＝観察像の表示範囲／観察している視野範囲
上式において、表示範囲は観察手段の設計者が決定するパラメータであり、ユーザが決定するものではない。一方で観察視野範囲とは、観察手段の能力で決まる設定可能な視野範囲の中から、ユーザが所望する視野範囲を任意に選択するものである。以下、電子線撮像手段１１の視野範囲と表示範囲を示す図２７、及び光学系撮像手段１２の視野範囲と表示範囲を示す図２８に基づいて、倍率決定方法を説明する。
（電子顕微鏡倍率）
例えば、走査型電子顕微鏡を構成する電子線撮像手段１１において表示範囲とは、図２７に示すように、一般的には写真ＰＨのサイズ（例えば１２４ｍｍ×９４ｍｍ）である。また観察視野範囲とは、電子銃や電子レンズから試料に照射される電子線が試料上を走査する範囲の実寸法である。
（光学倍率）
これに対してデジタルマイクロスコープ等の光学系撮像手段１２では、図２８に示すように、照明光によって照明された試料ＳＡからの反射光が、光学レンズを通って、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光学撮像素子に結像する構造となる。その表示範囲は一般的にはディスプレイ部１０２のモニタサイズ（例えば１５インチモニタ画面サイズ）となる。またモニタサイズも、ディスプレイ部１０２がＬＣＤかＣＲＴか等によって変化する。さらに観察視野範囲は、（光学撮像素子の有効撮像範囲）／（光学レンズの光学倍率）となる。このように光学倍率は、物体の大きさに対する拡大率となる。
なお倍率決定の方法は上記に限られない。特殊な例として、例えば観察視野範囲から取得した画像データのすべてを表示範囲に表示するのではなく、ある一部分を表示することが考えられる。このような方法は、例えば画像周囲にピンぼけや歪み等が見られる場合、これらの部分をカットして表示することが考えられる。あるいは、解像度は粗くなるものの、いわゆるデジタルズームによって見かけ上の倍率を上げることもある。このような場合は、倍率が上昇することになる。
一方、観察視野範囲を縦横またはＸＹ方向に移動して、複数の画像データを取得し、それらを連結して広い視野範囲を表示範囲に表示することもある。例えば、観察可能な最低倍率よりも更に低い画像を得たり、あるいは後でデジタルズームしたい場合等のために高解像度画像を得ることもある。このような場合は倍率が低下する。
以上のように、２種類以上の観察手段で、同じ観察視野範囲の観察画像を取得したい場合に、それぞれの観察手段の倍率の定義が異なっている場合は、同じ「倍率」で画像取得しても、希望通りの同じ観察視野範囲の観察画像の取得ができずに不便であった。すなわち、同じ視野範囲を拡大観察したとしても、大きな画面に表示する拡大観察装置は倍率が高くなり、小さな表示画面上に表示する拡大観察装置では倍率は低くなる。この結果、倍率のみを基準とした場合、観察手段によって実際に表示されるサイズが一定しないことになり、比較観察等を行うに際しては好ましくない。
このような状況のため、従来は対応策として、予め寸法の判明している試料を観察して、各観察手段の倍率定義を確認するキャリブレーション作業を事前に行う方法や、倍率定義の相違を考慮し、同じ観察視野範囲が観察できるような倍率を、ユーザが手動で計算する方法や、さらには同一の拡大観察装置内でなく、別個の電子顕微鏡と光学式デジタルマイクロスコープを使用する方法等、が採られてきたが、いずれも手間がかかるという問題があった。
これに対して本実施の形態では、双方の観察手段で、同一の観察視野範囲に対して同じ表示サイズとなるように、統一的な倍率を定義する。換言すると、同じ表示範囲を、観察視野範囲で除算した値を倍率として定義する。このように、異なる観察手段であっても、設計者が同一の表示範囲を定義して、倍率換算機能を持たせることで、ユーザは異なる観察手段であっても同じように定義された倍率を利用できる。これにより、いずれか一方の観察手段で倍率が設定されたら、該倍率と共に他方の観察手段の倍率に換算した値が表示される。あるいは、他方の観察手段の倍率表示を変更し、一方の観察手段の倍率に換算して表示あるいは併記してもよい。
なお倍率の基準は、いずれか一方の観察手段に換算した換算倍率を倍率換算手段で換算する他、いずれの観察手段の倍率とも異なる第三の基準の倍率に変換することも可能である。この場合は、第三の基準の倍率で統一して光学画像と電子顕微鏡画像を表示する。
（倍率換算機能）
図２９に、倍率換算機能を備える拡大観察装置のブロック図を示す。この図に示す拡大観察装置は、光学系撮像手段１２と、電子線撮像手段１１と、コントローラ１と、表示手段２と、操作手段１０５Ｂとを備える。コントローラ１はＭＰＵ等の演算部を備えており、一方の観察手段で規定された基準に従って他の観察手段の倍率を換算する倍率換算手段１１１、及び観察モードを選択するモード選択手段１１０として機能する。この例では、観察モードとして、表示手段２で電子顕微鏡画像と光学画像とを比較観察可能な比較モードと、電子顕微鏡画像と光学画像とを合成した合成画像を表示可能な合成モードを備えており、モード選択手段１１０で選択する。なお合成モードは必ずしも必須でなく、比較モードのみを実装することも可能である。この場合は、モードを選択するためのモード選択手段も必須でない。
操作手段１０５Ｂは入力デバイスで構成され、ユーザはこれを操作することで電子顕微鏡倍率を設定する。これにより、電子顕微鏡倍率を設定、調整する電子顕微鏡倍率調整手段６８の操作を行うことができる。なお操作手段１０５Ｂは、図２９の例ではコントローラ１に接続されているが、表示手段２に接続された操作手段１０５やコンソールＣＳと共通化することもできる。
（倍率換算手段１１１）
また表示手段２のディスプレイ部１０２は、後述するように換算倍率表示手段１２３と、倍率範囲表示手段１２６と、予定倍率表示手段１２４と、判定告知手段１２５と、状態表示手段１２１と、非選択表示手段１２２として機能する。換算倍率表示手段１２３は、一方の観察手段で取得され表示手段に表示された画像の倍率を取得した上で、倍率換算手段で換算した換算倍率に他方の観察手段を設定可能かどうかを判定し、設定可能な場合は該換算倍率を、設定不可能な場合は設定可能な倍率の内で該換算倍率と最も近い倍率を、各々表示手段に表示する。倍率範囲表示手段１２６は、電子顕微鏡画像の調整可能な電子顕微鏡倍率範囲と、光学画像の調整可能な光学倍率範囲とを、同じ基準の倍率に換算して表示手段上に一次元状に表示する。また倍率範囲表示手段１２６は、光学顕微鏡倍率範囲と電子顕微鏡倍率範囲との重複範囲を示すことができる。予定倍率表示手段１２４は、一方の観察手段で取得された画像と同一表示サイズで、他方の観察手段により画像を取得するための換算倍率を表示する。判定告知手段１２５は、倍率換算手段で換算した換算倍率に他方の観察手段の倍率を設定することが不可能と判定された場合に、設定不可能な旨を表示する。状態表示手段１２１は、動画表示と静止画表示のいずれの状態であるかを区別する状態表示を行う。
（光学倍率調整手段９５）
図２９に示す光学系撮像手段１２は、光学倍率調整手段９５と、光学倍率読取手段１１２を備えている。また光学倍率調整手段９５は、光学レンズ鏡筒の側面で回転自在なリング状に設けられており、リングの回転量で倍率を調整する。なお図２９の例では、光学ズームレンズを内蔵した光学レンズ鏡筒のイメージを示しており、光学レンズ鏡筒の外周に設けられた光学倍率調整手段９５と、設定された倍率を読み取る光学倍率読取手段１１２を設けている。光学倍率読取手段１１２は演算部と電気的に接続され、その出力を演算部の倍率換算手段１１１に送出する。
この構成により、ユーザは電子線撮像手段１１の倍率調整を操作手段１０５Ｂから行い、一方で光学顕微鏡の光学倍率を光学倍率調整手段９５で調整する。ユーザが光学倍率調整手段９５を操作して光学倍率を調整すると、その光学倍率を光学倍率読取手段１１２で読み取り、倍率換算手段１１１に送出される。倍率換算手段１１１は光学倍率と対応する電子顕微鏡倍率に光学倍率を換算して、表示手段２に表示させる。ユーザは、換算倍率に従って操作手段１０５Ｂを操作し、換算倍率での電子顕微鏡画像が得られるよう電子線偏光走査器５８等の条件を設定する。なお、倍率換算手段１１１で換算された換算倍率の表示は、表示手段２上に常に表示させる他、表示と非表示とを切り換えるよう構成してもよい。
また一方で、倍率換算手段１１１が換算倍率を電子線撮像手段１１に送出して、電子顕微鏡倍率を自動的に調整するよう電子線走査や偏向器等を設定してもよい。この場合は、ユーザが電子顕微鏡倍率調整手段６８を手動で調整する作業が不要となり、利便性が高まる。例えば、ユーザが表示手段２に表示させる画像を光学画像から電子顕微鏡画像に切り替えると、自動的に表示中の光学画像の光学倍率を光学倍率読取手段１１２が読み取り、倍率換算手段１１１で、対応する電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率に換算する。そしてこの電子顕微鏡倍率の電子顕微鏡画像を取得して、表示手段２に自動的に表示させる。例えば、撮像済みの電子顕微鏡画像を拡大／縮小して、該電子顕微鏡倍率の電子顕微鏡画像を生成したり、あるいは新たにこの電子顕微鏡倍率の電子顕微鏡画像を撮像するために、電子線撮像手段１１に必要な設定情報を送出することもできる。このようにして、光学画像に対応する、同じ大きさでの電子顕微鏡画像を、表示手段２上に表示させることが可能となる。また、このような観察手段の切り替えによる倍率の自動連動機能は、ＯＮ／ＯＦＦを選択式にすることもできる。例えば、倍率連動機能をＯＦＦした場合には、光学画像から電子顕微鏡画像に切り替えた際、前回、電子線撮像手段での観察で用いた倍率で表示させ、一方倍率連動機能をＯＮした場合には、光学画像から電子顕微鏡画像に切り替えた際、自動的に対応する倍率での電子顕微鏡画像を表示させることができる。
なお図２９の例では、電子顕微鏡倍率調整手段６８を操作手段１０５Ｂで実現しているが、図２等で示したように、電子レンズ鏡筒の側面で回転自在としたリング状に構成することもできる。このように光学倍率調整手段９５と同様の倍率調整手段を電子線撮像手段１１にも設けることで、操作感の統一性が得られユーザの使い勝手を向上できる。
光学ズームレンズの倍率は、光学レンズ鏡筒内の光学レンズ系の内、光学倍率を決定するレンズ群の位置によって変化する。レンズ群を移動させるため、光学レンズ鏡筒には光学倍率調整手段９５として、光学レンズ鏡筒の側面に沿って回転自在なズームリングが設けられる。ユーザは光学レンズ鏡筒の側面に沿ってズームリングを回転させることで、光学レンズを光学レンズ鏡筒内部で移動させ、光学倍率を調整できる。このためズームリングには、回転位置によって決まる倍率を把握できるよう、倍率を数値や目盛りで表示することが好ましい。例えば光学ズームレンズ側に矢印を、光学レンズ鏡筒側に倍率を、各々刻印や印刷により表示して、ユーザは矢印を所望の倍率に一致させるように回転位置を調整する。なお、矢印と数値の配置は、光学ズームレンズと光学レンズ鏡筒を逆にしてもよいことはいうまでもない。
また光学倍率調整手段９５は、ユーザが手動で回転して操作する他、電動により回転させる機構を採用してもよい。調整された倍率は、光学倍率読取手段１１２によって検出される。なお電動等によって光学倍率調整手段を手動によらず自動調整する機構を設けた場合は、上記構成と逆に、電子顕微鏡画像の倍率を電子顕微鏡倍率読取手段等によって取得して、対応する光学画像の倍率に倍率換算手段で換算し、この換算倍率となるように光学倍率調整手段に情報を送出して、光学系撮像手段の撮像倍率を自動調整することも可能となる。
（光学倍率読取手段１１２）
光学倍率読取手段１１２は、光学レンズ鏡筒に設置された光学ズーム倍率読み出し器等で構成できる。光学倍率読取手段１１２は、ズームリング１１３の回転位置を電気的に検知し、それによって倍率を認識する。これにより、例えばユーザの手動により設定された光学ズームレンズの倍率を拡大観察装置側で認識でき、これに応じた倍率換算等の処理をスムーズに行うことができる。
このような光学倍率読取手段１１２の一例を、図３０の断面図に示す。この図は光学系撮像手段１２の光学レンズ鏡筒の横断面図であり、光学レンズ鏡筒の外周にズームリング１１３が回転自在に装着されている。光学レンズ鏡筒の外周には、球状の突出電極１１４を弾性的に突出させるよう設けている。またズームリング１１３の内周側には、ズームリング１１３の位置に応じた光学倍率を出力するための倍率出力電極１１５を、円周に沿って複数、離間して設けている。各倍率出力電極１１５は、突出電極１１４と接触することで、対応する光学倍率の情報を、例えば抵抗に発生する電圧信号として出力する。このように、各倍率出力電極１１５をスイッチとして作用させることで、倍率出力電極１１５の位置に該当する倍率が選択されたことが検知される。すなわち光学倍率読取手段１１２はスイッチのＯＮ／ＯＦＦによって、現在の光学倍率を認識し、これを演算部に送出する。またズームリング１１３の内面に、突出電極１１４を受ける凹面を形成することで、所定倍率にズームリング１１３を保持する位置決めの機能を奏することもできる。さらに、各電極の位置に、倍率の数値や目盛りを表示することで、ユーザによる倍率調整作業を容易に行える。ただ、表示手段２上に倍率表示を行う場合は、このような物理的な倍率表示は必ずしも必要でない。
また、光学倍率読取手段１１２はこのような電極の接触による位置検出に限られない。例えばズームリングと光学レンズ鏡筒との界面にフォトインタラプタを設ける等して、非接触で行うこともできる。あるいは、定位置での離散的な倍率検出の他、ロータリーエンコーダ等を利用して連続的に倍率を読み取るよう構成してもよいことはいうまでもない。
なお、図２９の例では、光学系撮像手段１２に光学倍率調整手段９５を光学倍率読取手段１１２を備えているが、光学倍率読取手段を設けないこともできる。この場合は、ユーザがズームリング等に表示された目盛りを読み取ることで、ユーザは大まかな光学倍率を知ることができる。また、光学倍率調整手段を設けず、固定倍率とすることもできる。この場合は、光学系撮像手段を着脱式とすることで、倍率の異なる光学系撮像手段に交換して光学倍率を変化できる。
なおディスプレイ部１０２上に倍率を数値で表示させるのに変えて、あるいはこれに加えて、視野範囲を示すこともできる。例えば「倍率１００倍」といった表示でなく、「表示視野範囲４ｍｍ×３ｍｍ」といった表示形態も利用できる。
（換算倍率の表示）
倍率換算手段１１１は、以上のようにして電子線撮像手段１１又は光学系撮像手段１２のいずれか一方で取得された画像の倍率を認識し、該画像と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための倍率を、他方の観察手段の基準に基づく倍率に換算する。
一般的な電子顕微鏡観察では、先に光学系撮像手段１２を用いて低倍率にて試料の視野を決定した上で、電子線撮像手段１１で高倍率の画像を取得する。このため、まず光学系撮像手段１２で取得した光学画像を表示手段２上で表示する際に、この光学画像の光学倍率を表示すると共に、これを電子顕微鏡倍率に換算した換算倍率を併記する。よってユーザは、電子線撮像手段１１を操作して換算倍率の電子顕微鏡画像を取得すれば、同一の表示サイズで電子顕微鏡画像を撮像できる。この結果、同一の表示サイズで光学画像と電子顕微鏡画像を表示手段２で表示させて比較観察を容易に行える。特に、上述した回動式の移動機構を備える試料室２１の構成（図１７）を併用することで、同一視野での光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１との切り替えを容易にできることと相俟って、比較観察を一層容易に行える利点が得られる。
また換算倍率は、光学倍率を電子顕微鏡倍率に換算する場合のみならず、逆に電子顕微鏡倍率を光学倍率に換算した換算倍率を使用してもよい。特に、先に電子顕微鏡画像を取得した後に光学画像を取得する場合には好適となる。あるいは、異なる基準の倍率を併用するのでなく、一の基準で統一した倍率にしたがって、光学画像及び電子顕微鏡画像の倍率表示を行うよう構成してもよい。
また、単に換算倍率を表示手段２に表示させるのみならず、上述の通り換算倍率に従って観察手段１０の倍率設定まで自動化することも可能である。例えば、取得した光学画像の光学倍率に基づいて倍率換算した電子顕微鏡倍率を、電子線撮像手段１１の電子顕微鏡倍率調整手段６８に自動的に設定するよう構成してもよい。または、該電子顕微鏡倍率の画像を取得できるよう、撮像条件のパラメータを自動設定する。これによれば、光学系撮像手段１２で取得した画像と同じ表示サイズの電子顕微鏡画像を、ほぼ自動的に取得できる。また取得の実施まで行わずとも、撮像条件のパラメータ設定画面を表示手段２に表示させ、ユーザが微調整可能としてもよい。
（近接倍率への自動変更）
また、換算倍率での画像取得が困難あるいは不可能な場合は、この換算倍率に近い倍率を選択して表示手段２に倍率を表示させたり、画像取得、画像表示等を行うこともできる。すなわち、電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２とでは、設定可能な倍率の範囲が異なるため、一方の観察手段では設定できても、他方の観察手段では設定できない倍率が存在する。このような場合でも、設定可能な範囲の中から、できるだけ近い倍率を選択して、倍率の表示、画像の取得、あるいは画像の表示等を行うこともできる。
（倍率範囲表示手段１２６）
図３１に、倍率範囲表示手段１２６で光学顕微鏡倍率範囲と電子顕微鏡倍率範囲との重複範囲を示す表示例を示す。表示手段２上にこのような倍率範囲表示手段１２６を表示させることで、各観察手段の倍率範囲を視覚的に把握でき、また現在の倍率が重複範囲外にある場合は、どの方向にどれだけ拡大、縮小すればよいかを確認できる。特に電子顕微鏡倍率範囲は、加速電圧やワーキングディスタンス等の条件によって変化するので、現在の観察条件における重複範囲を視覚的に把握できるようにすることで、ユーザは速やかに必要な倍率設定の指標を得ることができる。
この例では、電子顕微鏡倍率調整手段６８で調整可能な電子線撮像手段１１の倍率の範囲と、光学倍率調整手段９５で調整可能な光学系撮像手段１２の倍率の範囲とが、倍率換算手段１１１で換算された換算倍率において、少なくとも部分的に重複している。これにより、電子顕微鏡画像と光学画像とを同一のサイズで取得でき、比較観察に有利となる。
また図３１の例においては、光学顕微鏡倍率範囲と電子顕微鏡倍率範囲とを、同一基準の換算倍率の軸上に並べ、一次元状に重ねたゲージ式に表示している。ただ、重複する倍率範囲は、各観察手段の観察可能倍率の値のみで決定する必要はなく、目的とする比較観察や、合成処理が可能な倍率範囲を、重複倍率として捉えることもできる。
例えば画像の合成に際しては、同じサイズの画像同士を合成することが好ましいが、必ずしもこれに限定するものでない。例えば、電子顕微鏡画像に光学画像の色情報を付加してカラー化する例を考えると、倍率換算して電子顕微鏡画像の倍率と同じ倍率の光学画像を取得できない場合は、光学系撮像手段１２で取得可能な最も近い倍率の光学画像を取得し、該光学画像から色情報を取得することができる。このように、各観察手段の観察可能倍率は、各観察手段の像観察条件によっても変化するので、それに対応して重複倍率の有無も捉えることができる。例えば、ＳＥＭでは加速電圧が低いほど、より低倍率まで観察可能となる。またＳＥＭではレンズと試料の距離であるワーキングディスタンスが長いと、より低倍率まで観察可能となる。
なお、倍率が重複しない場合に、最も近接する倍率とは、必然的に設定可能な最大倍率もしくは最小倍率となるが、必ずしも最大、最小倍率のみに限定するものでなく、最大倍率や最小倍率に近い倍率でも同様の効果が得られることは言うまでもない。したがって本発明において最も近接する倍率とは、一点の倍率のみを意味するのでなく、該倍率と実質的に等しい倍率（例えば誤差の範囲）も含む。
さらに、各観察手段の観察可能倍率は各観察手段の像観察条件等により変化するので、それに対応して倍率範囲の重複も変化させることがさらに好ましい。例えば電子線撮像手段１１では、加速電圧が低いほどより低倍率での観察が可能となる。また電子線撮像手段１１では電子レンズと試料とのワーキングディスタンスが長いと、より低倍率まで観察可能となる。一方で光学系撮像手段１２は交換式とすることで、光学倍率の設定可能な範囲を変化できる。
また倍率範囲が重複しない条件で観察手段を切替える場合は、倍率換算手段１１１で、最も近接する他方の倍率を算出して、切替後の倍率とする。あるいは、観察手段の切替前に、観察していた最後の倍率を記憶しておき、その倍率を切替後の倍率とすることもできる。
（モード選択手段１１０）
この拡大観察装置は、複数の観察モードをモード選択手段１１０で選択可能としている。観察モードとしては、比較モードや合成モード等が挙げられる。電子線撮像手段１１で取得した電子顕微鏡画像と、光学系撮像手段１２で取得した光学画像を、比較観察したり、合成処理する際には、２つの観察手段１０で取得する画像は、同じ観察視野範囲の画像であることが望ましい。また表示倍率も近似させることが望ましい。
（合成モード）
合成モードでは、電子顕微鏡画像と光学画像とを合成した合成画像を生成し、ディスプレイ部１０２上に表示する。例えば、図３２に示すような電子顕微鏡画像ＥＩと、図３３に示すような光学画像ＯＩの２枚の画像を重ねて、図３４に示すような、各画素の情報を演算した１枚の合成画像データに合成する。特に、電子顕微鏡画像ＥＩの輝度情報と、光学画像ＯＩの色情報を合成してカラー合成画像ＧＩにすることで、高精細なカラー画像が得られる。なお合成前の各画像に、歪み等のレンズ収差や、２画像間に位置ズレがある場合は、合成処理前に、歪み補正、位置ズレ補正等を行うことが好ましい。
（画像合成手段１１６）
このような画像合成は、後述する図３７に示す画像合成手段１１６により行われる。画像合成手段１１６でカラー画像を合成し、表示手段２上に表示させることで、試料表面の形態と色の関係が明確となり、画像の認識が格段に向上する。また、表示手段２に表示された画像に対し、種々の計測を行うに際しても、このようなカラー画像を利用することでその利便性が向上される。
合成画像の生成方法としては、例えば光学画像から得た色情報と、電子顕微鏡画像から得た輝度情報を、各座標のピクセルごとに合成する方法が挙げられる。あるいは、電子顕微鏡画像から画像の輪郭情報を抽出し、光学画像を重ねて、上記輪郭内の代表色を光学画像から抽出し、輪郭内の範囲を代表色で塗り潰す方法が利用できる。この方法では、微視的には忠実な色再現はできないが、元画像２枚の誤差で、観察対象物が完全に合致しない場合は、観察対象物の輪郭から色がはみ出ることなく合成できる。
また、濃淡画像である電子顕微鏡画像を基準とし、この上に光学画像に基づいてユーザが手動で、あるいは自動で着色する方法でもカラー画像を合成できる。この場合は、電子顕微鏡画像状の着色すべき部位と対応する、光学画像上の部位の色情報を取得して、この色に着色する。また、ユーザが手動で指定する場合は、例えば光学画像上でスポイト状に色を含む位置を指定して、色情報を取得することができる。
画像合成の手法はこのように既存の、あるいは将来開発される種々の方法が利用できる。例えば特許文献３に記載されるように、コントローラ１の画像合成手段１１６で、電子顕微鏡画像をコントラスト情報像とブライトネス情報像に分離して、コントラスト情報像のみを抽出し、更にカラーの光学画像をコントラスト情報像と色彩情報像に分離して、色彩情報像のみを抽出し、抽出されたコントラスト情報像からなる電子顕微鏡画像と色彩情報像からなる光学画像とを合成できる。あるいは、日本電子顕微鏡学会第５２回学術講演会予稿集第１５３頁に掲載される方法が利用できる。
なお画像合成に際しては、電子顕微鏡画像の倍率と光学画像の２枚（又はそれ以上）の倍率は、同じに設定することが望ましい。この場合は、一般に光学系撮像手段１２の最大倍率が電子線撮像手段１１の最大倍率よりも低いことから、合成画像を得られる倍率範囲が光学倍率範囲に制限されることとなる。ただ、必ずしも同じ倍率でなくとも画像合成を利用できる。例えば光学画像をデジタルズーム等により仮想的に高倍率に拡大したり、電子顕微鏡画像を光学画像の倍率に縮小すること等により、双方の倍率を略一致させることができる。このように電子顕微鏡画像に色情報を付加するという観点からは、電子顕微鏡画像上の対応する部位の色情報が取得できる程度の鮮明さを持った光学画像であれば利用できる。もちろん、表示サイズが近い程、より鮮明で高精細な合成画像の作成に有利となるので好ましい。
ここで、光学画像は顕微鏡画像と同時に撮像されたものに限られず、異なるタイミングで予め取得した光学画像の画像ファイルを読み込んで着色処理に利用することもできる。
なお比較モードと合成モードのファイル形式は、光学系撮像手段１２で取得した光学画像ファイル、電子線撮像手段で取得した電子顕微鏡画像ファイル、及び合成後の画像ファイル共に、ビットマップ形式やｊｐｇ等、汎用的な画像ファイル形式が好適に利用できる。
（比較モード）
一方、比較モードは比較観察のための観察モードであり、表示手段２で電子顕微鏡画像と光学画像とを同時に、あるいは切り替えて表示する。このため表示手段２のディスプレイ部１０２を二画面に分割して、電子顕微鏡画像表示領域１１７と光学画像表示領域１１８を設けてもよい。図３５に、表示手段２の表示例を示す。この図では、表示手段２を左右に二分割し、左側に光学画像を、右側に電子顕微鏡画像を表示している。各画像の左上には、各々の基準に従った固有の倍率が表示されている。
本実施の形態においては、ＳＥＭ等の電子線撮像手段１１とデジタルマイクロスコープ等の光学系撮像手段１２の２つの観察手段を備えた装置で、両方の観察手段で同一視野範囲の観察が容易にできるように、両方の観察手段で同じ倍率、同じ視野範囲となるように、倍率を定義する。例えば一方の観察手段での観察像を撮像又は保存したときの倍率を、ユーザが他方の観察手段でも設定できるように、他方の観察手段の倍率に換算した換算倍率を表示手段２上に表示する。あるいは、観察手段が自動的に他方の観察手段の倍率を同一基準の倍率に設定するように制御させてもよい。なお倍率の統一は、いずれか一方の観察手段に合わせる他、これらと異なる基準で新たに定義された倍率を用いてもよい。
次に、電子線撮像手段１１と光学系撮像手段１２で、同一の位置、同一の傾斜角度から、同一の視野範囲の画像を取得する動作の流れを説明する。まず光学系撮像手段１２において、光学ズームレンズで観察視野範囲を設定する。具体的にはユーザが、光学ズームレンズに搭載されている光学ズーム倍率調整機構であるズームリング１１３を回転させて光学倍率を調整する。次に光学系撮像手段１２で光学画像を撮像する。
一方で光学倍率読取手段１１２で、光学ズームレンズのズームリング１１３の回転位置を読み出す。読み出した回転位置を倍率換算手段１１１に送出することで、対応する光学倍率を倍率換算手段１１１により算出する。
ここで撮像手段を、光学系撮像手段１２から電子線撮像手段１１に切り替える。具体的には、光学系撮像手段１２の光学ズームレンズ鏡筒の位置に、電子線撮像手段１１の電子レンズ鏡筒を回動手段３０で移動させる。また必要に応じて表示切替手段３６を操作し、表示内容や操作系を切り替える。
次に、一方の観察手段の倍率を拡大観察装置が内部的に認識して、自動的に他方の観察手段の倍率を制御する例では、電子顕微鏡倍率調整手段６８は電子線偏向走査手段制御部５５に送る偏向量を自動的に計算する。さらに電子レンズ鏡筒で、光学系撮像手段１２と同じ視野範囲を自動的に観察する。
一方、光学倍率読取手段を備えない等、表示手段２上に表示された一方の観察手段の倍率を見て、ユーザ自身が他方の観察手段の倍率を設定する場合についても説明する。まず表示手段２上に表示された光学系撮像手段１２の倍率を確認する。そして表示された倍率を見て、電子顕微鏡倍率調整手段６８にて、電子顕微鏡倍率を設定する。電子顕微鏡倍率調整手段６８は、電子線偏向走査手段制御部５５に送出すべき偏向量を計算する。これにより、電子線撮像手段１１で光学系撮像手段１２と同じ視野範囲を観察できる。
以上のようにして、同一表示サイズの光学画像及び電子顕微鏡画像を取得できる。なお上記の例では、先に光学画像を撮像した上で電子顕微鏡画像を撮像している。これは光学系撮像手段１２ではカラー画像が取得できる反面、電子線撮像手段１１よりも最大倍率が一般に低いため、まず低倍率で観察視野を決定した後、より高倍率の電子線撮像手段１１に切り替えて拡大画像を取得するためである。ただ、観察手段の使用順序はこれに限定されるものでなく、逆に電子顕微鏡画像を先に取得した上で、光学画像を後から取得する手順においても本発明を利用できることは言うまでもない。次に、このような手順の例を説明する。
まず、電子レンズ鏡筒で観察視野範囲を設定する。具体的には、電子顕微鏡倍率調整手段６８で倍率を設定して、電子顕微鏡画像を撮像する。一方で電子顕微鏡倍率読み取り手段により、撮像した電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率を算出する。
次に、観察像を電子線撮像手段１１から光学系撮像手段１２に切り替える。具体的には、電子レンズ鏡筒の位置に光学ズームレンズを回動手段３０で移動させる。
ここで、一方の観察手段の倍率を拡大観察装置が内部的に認識して、自動的に他方の観察手段の倍率を制御する場合は、コントローラ１の倍率換算手段１１１は同一表示サイズとなるよう光学画像の換算倍率を演算する。例えば光学系撮像手段１２が電動式の光学倍率読取手段１１２を備えている場合は、該光学倍率調整手段９５に送出する回転信号を計算する。これに従い、光学系撮像手段１２で電子線撮像手段１１と同じ視野範囲を観察できる。
また一方で、表示手段２上に表示された一方の観察手段の倍率を見て、ユーザ自身が他方の観察手段の倍率を設定する例では、表示手段２上に表示された電子顕微鏡倍率を確認する。次に表示された倍率とるように、ズームリング１１３にて、光学ズームレンズの倍率を設定する。さらに電子レンズ鏡筒で光学系撮像手段１２と同じ視野範囲を観察する。
なお表示手段上に表示される、光学倍率と電子顕微鏡倍率は、いずれか一方のみを表示させてもいいし、両方の倍率を表示させてもよい。またこれらの倍率を常時表示させる他、画像撮像時や倍率変更時等必要なタイミングでのみ表示させてもよい。
（リアルタイム観察）
さらにこの拡大観察装置は、観察手段でリアルタイムに画像を簡易的に取得し、表示手段２に表示される画像を逐次更新するリアルタイム観察（ライブ画像又は動画ともいう）と、所望の視野にて高精細な画像を撮像し、得られた高精細画像を表示する撮像（静止画ともいう）を切り替え可能としている。
拡大観察装置は、観察手段でリアルタイムに画像を簡易的に取得し、表示手段２に表示される画像を逐次更新する。この状態では、視野や像観察条件の変更に応じて表示手段２の表示内容が変化するため、便宜的に動画表示と呼ぶ。そしてユーザが所望の視野、像観察条件に調整して高精細な画像を撮像すると、得られた高精細画像が表示手段２上に表示される。この状態では、表示手段２の表示内容は更新されない静止画表示となる。動画表示と静止画表示は、適宜切り替えることが可能である。
（簡易画像）
なお、リアルタイム観察において表示手段で表示される画像を逐次更新する場合は、画像取得に要する時間を短縮化するため、撮像を簡易的に行う簡易画像を取得、表示する。簡易画像を得るには、例えば撮像時のフレームレートを上げることが挙げられる。通常、電子線撮像手段１１で高精細な画像を描画するには、一画像あたり３０秒〜１分間必要になる。さらに一枚の画像ではＳ／Ｎ比が悪いため、通常の撮像時には一画像１／４秒程度のフレームレートで１０画像以上取得して、平均をかけて表示している。したがって、一画像を得るには２秒以上かかることになる。印刷用の詳細な観察像に至っては３０秒以上かかることもある。そこで本実施の形態では、平均をかける枚数を８枚や４枚に少なくしたり、試料に対する電子線の走査範囲を狭くする等の制限をかけたり、走査を間引く等の処理によってフレームレートを上げて、画像を取得するまでの時間を短縮している。
（状態表示手段１２１）
また表示手段２上に、動画表示と静止画表示のいずれの状態であるかを区別するための状態表示手段１２１を設けてもよい。例えば動画表示から静止画表示に切り替わると、倍率を点滅表示させることで、ユーザは現在の状態が動画表示か静止画表示のいずれであるかを視覚的に容易に区別できる。また図３６に示すように、テキスト表示で「動画」、「静止画」等と表示させてもよい。この方法であれば拡大観察装置の操作に詳しくない初心者ユーザでも混乱無く状態を判別できる。
また、高精細画像の撮像有無に拘わらず、現在選択中の観察手段で取得した画像を動画表示とし、非選択の観察手段に関しては静止画表示とすることもできる。静止画表示される画像は、観察手段をＯＦＦ又は切り替える時点で取得した画像、すなわち該観察手段で最後に取得した画像等をメモリで保持して表示させることができる。この構成は、複数の観察手段を同時に使用できない、いずれか選択した観察手段のみを操作可能な場合には好適となる。特に、複数の観察手段で取得した画像を一画面で同時に表示する場合は、動画表示されている画像が現在選択されていること、及び静止画表示されている画像が現在非選択であること、を把握できる。例えば図３５の例では、表示手段２の左側に表示される光学画像が動画表示されており、右側に表示される電子顕微鏡画像が静止画表示されている。このため、現在操作可能な観察手段がいずれであるかを、速やかに把握できる。
なお光学系撮像手段と電子線撮像手段の両方の画像を、同時に動画として表示させてもよい。この場合、光学系撮像手段又は電子線撮像手段のいずれか一方の拡大倍率を変化させたとき、その倍率変化に連動させて、他方の電子線撮像手段又は光学系撮像手段の倍率を変更させることもできる。
（非選択表示手段１２２）
また非選択の観察手段については、表示手段２上で表示されている画像を選択できないことを示す非選択表示手段１２２を設けてもよい。例えば、非選択の観察手段に関する画像を、表示手段２上でグレーアウトさせたり、網掛けで表示させたり、鍵等のアイコンやマークを表示させる等により、現在は該画像を操作できないことをユーザに視覚的に示すことができる。またこのようなロック表示は、観察手段を切り替えて選択状態とすることで自動的に解除される。これにより、いずれか一の観察手段のみを操作可能な態様においては、非選択の観察手段に関する画像の操作ができないことでユーザが混乱しないよう、告知することができるので、操作性が向上する。
また一方の観察手段で画像を撮影した後、他方の観察手段に切り替える際、元の観察手段で撮影した画像は静止画として表示し続けても良いし、表示をＯＦＦとすることもできる。本実施の形態では、表示手段２の画面を２分割して、一方が観察中（動画）の際は、他方の画像は観察手段を切り替えた時点での静止画を表示するように構成している。これにより、観察手段を切り替えて、画像のデータ処理等の負荷を軽減し効率よく操作できる。ただ、両方の画像を常時動画として表示し続けるよう構成してもよいことはいうまでもない。
（換算倍率表示手段１２３）
表示手段２上には、現在表示されている画像の倍率が表示される。動画表示においては、その時点で表示中の画像のリアルタイムの倍率を、また静止画表示においては表示中の静止画像の倍率を、各々表示する。さらに換算倍率表示手段１２３として、表示中の画像の倍率決定基準に従って、該画像を取得した観察手段と異なる観察手段で画像を取得する場合の倍率に換算した倍率を表示することもできる。また、他方の観察手段での倍率決定基準に従って倍率を換算したり、別の基準を用いて倍率を決定してもよい。すなわち、異なる観察手段で取得した画像を統一的な倍率で表示させるものである。また換算倍率表示手段１２３は、固有の倍率と換算倍率を併記して表示させることもできる。さらに換算倍率表示手段１２３は、換算倍率に一方の観察手段を設定不可能な場合は、設定可能な倍率の内で該換算倍率と最も近い倍率を表示することもできる。
（予定倍率表示手段１２４）
さらに、現在表示中の画像の倍率表示に加え、将来適用される倍率を表示する予定倍率表示手段１２４を設けてもよい。例えば、比較観察においては異なる観察手段で同一表示サイズの画像を取得する必要がある。このため、一方の画像で設定された倍率と同一の換算倍率で、他方の観察手段の画像を手動で、あるいは自動的に取得するための、目標となる倍率を予定倍率として、表示手段２上に表示させる。この例を図３６に基づいて説明する。
この図では、図３５と同様、表示手段２を左右に二分割し、左側の光学画像表示領域１１８に動画表示で光学画像を、右側の電子顕微鏡画像表示領域１１７に静止画表示で電子顕微鏡画像を、各々固有の倍率と共に表示している。図３６の例では、さらに静止画像である電子顕微鏡画像に、予定倍率表示手段１２４を付加している。すなわち、動画表示された光学画像の倍率（図３６では８００倍）と、同一の換算倍率（８００倍）を予定倍率として、電子顕微鏡画像表示領域１１７の右上に設けた予定倍率表示手段１２４に表示している。ユーザは、観察手段１０を光学系撮像手段１２から電子線撮像手段１１に切り替えた後、この予定倍率となるよう、電子顕微鏡画像の撮像条件を設定、撮像を行う。あるいは、後述するように自動で撮像条件を設定したり、さらには撮像や表示、保存等も適宜自動化することもできる。
（倍率判定手段１１９）
さらに拡大観察装置は、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１とを同一の換算倍率に設定できるかどうかを判定する倍率判定手段１１９を備えることができる。倍率判定手段１１９は、例えば倍率換算手段１１１に実現させる。本実施の形態では、倍率換算手段１１１を構成するＭＰＵが倍率判定手段１１９の機能も果たす。例えば、光学倍率調整手段９５で調整可能な光学倍率範囲と電子顕微鏡倍率調整手段６８で調整可能な電子顕微鏡倍率範囲とが、換算倍率において重複している場合は、同一表示サイズで表示させることができ、比較観察に有利となる。この場合に倍率判定手段１１９が、現在動画表示で観察中の画像に設定された倍率に、他方の観察手段を換算倍率で設定可能かどうかを判定し、その判定結果を判定告知手段１２５で告知する。
（判定告知手段１２５）
例えば他方の観察手段で設定可能な場合に、該他方の観察手段の表示領域において、「ＯＫ」や「○」といった文字、記号等を表示したり、図３６に示すように予定倍率表示手段１２４の枠を太線で表示したり、二重枠やハイライト、点滅表示等を単独、組み合わせて使用したり、あるいは一方の動画表示された表示領域において倍率を青色で表示、あるいは倍率の背景を青色に着色することができる。これによりユーザは、同一表示サイズでの観察が可能であることを容易に把握できるので、観察手段を切り替えた後、該倍率での観察を行えるように設定作業等を進めることができる。
さらに判定告知手段１２５は、一方の観察手段で観察中に、同じ表示サイズとなる換算倍率に他方の観察手段の倍率を設定することが不可能と判定された場合に、設定不可能な旨を表示する警告機能を備えることもできる。具体的には、倍率判定手段１１９による判定結果が、倍率設定不可能であった場合に、該他方の観察手段の表示領域において、換算倍率表示手段１２３を赤色で表示したり、「×」や「−」、「倍率設定不可」等の文字や記号を表示したり、警告音を発したり、表示領域自体をグレーアウトや網掛けで表示したり、選択不可能とする。このようにしてユーザは、倍率を変更している内に、光学顕微鏡倍率範囲と電子顕微鏡倍率範囲との重複範囲を外れてしまっても、同一表示サイズでの観察が不可能となったことを認識できるので、設定可能な判定結果が得られるよう他の倍率に変更する等の対応を採ることができる。このように判定告知手段１２５は、倍率判定手段１１９の判定結果に応じて他の表示と区別できる各種の装飾方法が適宜利用できる。また、上述した図３１に示すゲージ状の倍率範囲表示手段１２６と併用することで、現在の倍率が重複範囲に対してどの位置にあるかを視覚的に把握できるので、一層好ましい。
（誘導手段１２０）
さらに他方の観察手段を換算倍率に設定することが不可能と判定された場合に、設定可能な倍率に変更するよう促す誘導手段１２０を備えることもできる。例えば、メッセージ表示や音声ガイダンスを用いて、ユーザに対して双方の観察手段で設定可能な倍率に変更するように、倍率変更操作を促す。また誘導すべき内容は、単に倍率を表示する他、該倍率に設定するために必要な操作やパラメータ設定まで指示することもできる。この方法は、特に倍率設定のための操作に不慣れな初心者ユーザに対して有効となる。
また倍率判定手段１１９で倍率設定不可能と判定された場合に、設定可能な倍率の内で該換算倍率と最も近い倍率を換算倍率表示手段１２３に表示させることもできる。この場合、換算倍率表示手段１２３は、設定可能と判定した場合はそのまま換算倍率を表示し、設定不可能と判定した場合は、設定可能な近い倍率を、各々表示する。さらに、単に倍率を表示するのみに止まらず、換算倍率表示手段１２３で表示する換算倍率に、観察手段の倍率調整手段を設定したり、画像の取得、保存等を自動的に行うよう構成してもよい。例えば、観察手段を切り替えるタイミングで、これをトリガとして倍率設定を実行する。このような自動化によって、比較観察や画像合成に際してユーザの設定作業を省力化した使い易い拡大観察装置が実現できる。
なお、上記の例では換算倍率表示手段が、換算倍率を表示手段上に表示させているが、換算倍率の表示は、ＯＮ／ＯＦＦすなわち表示状態と非表示状態とを切り換えることも可能である。また換算倍率の表示をしない場合でも、表示倍率を設定可能な一番近い倍率として自動的に表示させることが可能である。
また予定倍率表示手段１２４には、観察手段を切り替えた際に適用される、あるいは適用すべき倍率が常に表示されている。なお図３６の例では、静止画表示される表示領域のみに予定倍率表示手段１２４を設けているが、これに限らず、例えば動画表示される表示領域にも予定倍率表示手段を設けてもよい。この場合は、換算倍率表示手段と同じ倍率が予定倍率表示手段に表示されることになる。
いずれの倍率基準に合致させるかは、先に使用した観察手段の基準を用いることが好ましい。一般には上述の通り、まず光学画像を用いて広視野範囲の中から目標を定め、電子顕微鏡画像で精細な情報を得ることが多い。このため光学画像の基準に合わせて、倍率を統一的に表示することで、ユーザは混乱無く同一表示サイズの画像を統一された倍率表示にて取得できる。勿論、ユーザが指定した観察手段の基準を利用したり、他の基準を利用することも可能であることは言うまでもない。
（判定告知手段１２５が警告を発するタイミング）
また、判定告知手段１２５がユーザに対して警告や確認を発するタイミングは、観察中常時、すなわち画像の倍率が重複範囲を外れた時点で速やかに行う他、必要なタイミングで発することもできる。
例えば観察中の倍率を変更した結果、重複範囲外となった場合に、直ちに告知するのみならず、画像の取得時や保存時といった重要な局面でのみ、確認の意味を込めて警告を発するよう構成することができる。または観察手段を切り替える際や、倍率調整手段で倍率を設定した際、等のタイミングで行ってもよい。また、いずれか一のタイミングに限られず、複数のタイミングで判定告知手段１２５は通知を発するように構成してもよい。
（判定告知手段１２５による警告の内容）
また、判定告知手段１２５が発する警告の例としては、例えば倍率が重複範囲を外れているため、他方の観察手段で同一の換算倍率での観察ができないことを通知したり、又は現在の倍率では重複倍率を外れているものの、このまま処理を続行するか中止するかの判断を促すダイヤログを表示すること、等が挙げられる。あるいは、現在設定されている倍率は重複範囲を外れているが、他方の観察手段に切り替えた際の倍率を、（Ａ）設定可能な倍率の内最も近い倍率に設定するか、（Ｂ）前回の観察で設定した倍率を使用するか、（Ｃ）処理を中止するか、の選択を促すダイヤログを表示させてもよい。あるいはまた、現在の倍率では重複範囲を外れているが、他方の観察手段に切り替えた際の倍率を、（Ａ）設定可能な最も近い倍率に設定するか、（Ｂ）処理を中止するか、を選択させるダイヤログを表示させてもよい。さらには、現在の倍率では重複範囲を外れているが、他方の観察手段に切り替えた際の倍率を、（Ａ）前回の観察倍率に設定するか、（Ｂ）処理を中止するか、を確認選択させるダイヤログを表示させることもできる。
一方、このような警告を行う方法としては、例えば図１８のコンピュータにインストールされ、表示手段２に表示されて操作される拡大観察装置操作プログラム上に、ダイヤログ画面を表示して確認や選択を促す方法や、同じく表示手段２に表示されているプログラム上に、判定告知手段１２５として予め専用のメッセージ領域やコメント領域を設けておき、この部分に該当するメッセージ等を表示して告知する方法等が利用できる。
また、上記の告知に従い、ユーザが倍率を変更した結果、観察中の倍率が重複範囲内となった場合にも、その旨の判定告知手段１２５で告知を行うことができる。その告知のタイミングとしては、例えば倍率が重複範囲外から範囲内に切り替わった時点で速やかに告知する。また上述のように、一方の画像の撮影時、保存時や観察手段の切り替え時等のタイミングで告知してもよい。告知の方法としては、例えば重複範囲内の倍率になった時点で、換算倍率表示手段１２３の書式を変更する。具体的には、倍率の表示色や背景色を赤色から青色に変更したり、網掛けやグレーアウトを解除する。または、プログラム上で撮影ボタンや保存ボタンを、選択禁止状態やグレーアウトを解除して選択や押下等の操作が可能なアクティブ状態に復帰させる。あるいは、重複範囲内で同倍率での撮像画可能になったことを示すメッセージを、ダイヤログや専用のコメント領域で表示する。このようにして、同一表示サイズでの撮像が可能な状態に切り替わったことを、判定告知手段１２５により必要なタイミングでユーザに告知できるので、ユーザは比較観察の可否を速やかに把握することができる優れた操作環境が得られる。
このように拡大観察装置は、内部空間で減圧可能な試料室と、第一の観察手段として、試料室内の電子顕微鏡画像を取得するための電子線撮像手段と、電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率を調整するための電子顕微鏡倍率調整手段と、第二の観察手段として、試料室内の光学画像を取得可能な光学系撮像手段と、光学系撮像手段で取得される光学画像の倍率であって、電子顕微鏡倍率と異なる基準で決定される光学倍率を調整するための光学倍率調整手段と、電子線撮像手段で取得された電子顕微鏡画像と、光学系撮像手段で取得された光学画像を、切り替えて、又は同時に表示するための表示手段と、観察モードとして、表示手段で電子顕微鏡画像と光学画像とを比較観察可能な比較モードと、電子顕微鏡画像と光学画像とを合成した合成画像を表示可能な合成モードを選択可能なモード選択手段１１０と、電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率を認識し、該画像と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための倍率を、他方の観察手段の基準に基づく倍率に換算するための倍率換算手段１１１とを備え、比較モード又は合成モードにおいて、電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像を表示手段に表示すると共に、該画像と略同一のサイズで他方の観察手段で画像を取得するための倍率を、倍率換算手段１１１で換算し、該換算倍率、又は該換算倍率に設定不可能な場合は、設定可能な倍率の内で該換算倍率と最も近い倍率を表示手段に表示可能に構成している。これにより、使用する観察手段に依らず統一的な倍率で表示できるので、同一表示サイズの画像を比較する比較観察や、画像を合成した合成画像を得る合成モードに際して、同一表示サイズの画像を取得し易くできる。
なお、比較モードにおいては、電子顕微鏡画像と光学画像の倍率を同一に合わせることが好ましく、このため倍率換算手段で、電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率を、他方の観察手段で取得した場合の倍率に換算している。ただ、対比観察は必ずしも完全に同一の倍率や視野に合わせる必要はなく、観察の用途や目的に応じてユーザが適宜選択する。同様に、合成モードにおいても、電子顕微鏡画像と光学画像の倍率を同一に合わせることは必ずしも必須でなく、異なる倍率であっても画像合成は可能である。特に電子顕微鏡画像が高倍率で、光学画像が低倍率の場合は、視野の狭い電子顕微鏡画像の輝度情報や輪郭情報に、視野の広い光学画像中から対応する領域の色情報を抽出して、拡大或いは引き延ばして合成すると、色情報が若干ぼけるものの、実用上は問題なく利用できる。このように、合成する画像の倍率が一致しないことで多少の画質低下が生じるとしても、問題なく使用できるレベルで画像合成を行うことは可能である。このため、倍率換算手段で換算された電子顕微鏡画像の倍率と対応する換算倍率に、光学系撮像手段を設定可能かどうかを判定するのみならず、倍率判定手段はこの換算倍率を基準とする合成可能な所定範囲の倍率に、光学系撮像手段を設定可能かどうかを判定することもできる。ここで合成可能な所定範囲の倍率とは、求められる合成画像の精度に依存するが、例えば倍率差が２０倍以下であれば、実用上は問題のない合成画像が得られる。また、上記と逆に、高倍率の光学画像と、低倍率の電子顕微鏡画像とを合成することも理論的には可能であるが、この場合は合成画像の品質が低下するので、上述の通り、倍率の一致しない画像同士の画像合成は、電子顕微鏡画像が光学画像よりも高倍率の場合に適用することが好ましい。
（計測機能）
さらに拡大観察装置は、表示手段２上に表示される画像上で、指定した２点間の距離や指定した領域内の面積等を計測可能な計測機能を備えている。計測機能においては、電子顕微鏡画像、光学画像、あるいは合成画像のいずれかを表示手段２上に表示させて、マウス等のポインティングデバイスで画像上の任意の点を指示して、計測を実行させる。点の指定は、ユーザが指定した位置をそのまま計測点として利用する他、指定位置に近接するエッジ情報を画像中から検出して、そのエッジ位置を計測点とする、スナップ機能が好適に利用できる。
計測機能で利用する画像には任意のものが利用できるが、電子顕微鏡画像又は合成画像を用いることが好ましい。光学画像は色情報と輝度情報を各画素ごとに有しているが、その色情報、輝度情報の境界線は不明瞭となる傾向がある。特に高倍率での計測は、光学画像では分解能が不足する傾向にあり、計測対象である試料の輪郭やエッジがぼやけてしまい、特にスナップ機能を利用する場合は、計測時に正しい計測点の指定が困難になるためである。一方、電子顕微鏡画像は、輝度情報を各画素毎に有しているが、色情報は有していない。反面、輝度情報の境界線は明瞭であり、高倍率でも構造物のエッジが比較的、明瞭に観察できる。しかしながら、色情報を持った自然な見え方ではなく、試料の電子発生効率に依存した白黒のコントラスト画像であるため、求める計測対象物を直感的に認識し難いという問題がある。そこで、高精細でかつ色情報も有する合成画像が最も利用し易い。
合成画像は例えば、光学画像の色情報と、電子顕微鏡画像の輝度情報を合成する。しかしながら、合成前の２枚の元画像は、各々が独自の座標系を有しているため、図３３に示すような基準位置や基準長が、厳密に一致しない。これらを何らかの方法で補正をしても、その誤差を完全に無くすことはできない。このため、２枚の元画像は正確に同一の倍率、観察位置とならず、倍率、観察位置共に多少の誤差を含んでいる。このような合成画像を用いて計測を行うと、座標位置や倍率の誤差によって、計測の精度が低下するという問題があった。例えば２点間の距離を測定する場合、各位置の指定に際して誤差が生じるため、２点を指定する測定では誤差が累積されることになる。
これに対して本実施の形態では、合成画像から計測を行うに際して、元画像である電子顕微鏡画像の位置情報を利用して計測を行う。すなわち、元画像である光学画像の位置情報や、画像合成の際に生じる倍率、観察位置の誤差の累積といった合成に起因する誤差を排除して、計測対象物の境界線を正確に指定することが可能となる。
図３７に、このような合成画像における計測機能を備えた拡大観察装置のブロック図を示す。この図に示す拡大観察装置は、電子顕微鏡画像を取得するための電子線撮像手段１１と、光学画像を取得するための光学系撮像手段１２と、操作手段１０５Ｃと、コントローラ１と、表示手段２とを備える。
操作手段１０５Ｃは、電子顕微鏡画像の表示倍率を設定するための電子顕微鏡倍率調整手段６８、光学画像の表示倍率を設定するための光学倍率調整手段９５、表示手段上に表示される合成画像に対して、表示手段の画面上にて計測点を指定する計測点指定手段１３０として機能する。
またコントローラ１は、電子顕微鏡画像を保持する第一記憶手段１３１、光学画像を保持する第二記憶手段１３２、合成画像に関する位置情報を記憶する第三記憶手段１３３、画像表示を切り替える表示切替手段３６、画像合成手段１１６、倍率換算手段１１１、モード選択手段１１０、倍率判定手段１１９、誘導手段１２０、計測手段１３４を備える。表示切替手段３６は、表示手段２における画像表示を光学系撮像手段１２による表示から電子線撮像手段１１による表示に切り替える。このようなコントローラ１は、コンピュータやＣＰＵ、ＬＳＩ等で構成できる。ただ、各機能を個別の部材で実現するように構成してもよい。例えば、観察条件設定手段や光学倍率読取手段を操作手段と別に設けることができる。さらに表示手段が、換算倍率表示手段１２３、倍率範囲表示手段１２６、予定倍率表示手段１２４、判定告知手段１２５、状態表示手段１２１として機能することは上述の通りである。
操作手段１０５Ｃは、電子線撮像手段１１の像観察条件を設定するための観察条件設定手段として機能する。ユーザは観察条件設定手段を操作して、電子線撮像手段１１で電子顕微鏡画像を撮像する際の像観察条件を設定する。像観察条件には、電子顕微鏡の場合は加速電圧やスポットサイズ（入射電子線束の直径）、検出器の種類、真空度等が挙げられ、使用する電子線撮像手段１１に応じた条件を観察条件設定手段で設定する。観察条件設定手段で設定された像観察条件は、コントローラ１を介して電子線撮像手段に送出される。同様に光学系撮像手段の撮像条件も設定される。コントローラ１は、電子線撮像手段１１から電子顕微鏡画像を、光学系撮像手段１２から光学画像を取得し、各々第一記憶手段１３１、第二記憶手段１３２に保持する。モード選択手段１１０で合成モードが選択されると、画像合成手段１１６は、これら第一記憶手段１３１及び第二記憶手段１３２に記憶された情報に基づき、電子顕微鏡画像の位置情報と、光学画像の色情報とを合成して合成画像を生成し、表示手段に表示する。さらに合成画像の位置情報、又は該合成画像の位置情報と、合成前の電子顕微鏡画像の位置情報との対応関係を示す対応情報を、第三記憶手段１３３に保持する。
この状態で、合成画像に基づく計測を行うには、まずユーザは計測点指定手段１３０を操作して、表示手段上に表示される合成画像に対して、画面上にて計測点を指定する。その上で、計測手段１３４は指定された計測を行う。例えば２点間の距離や高度差、傾斜角度、あるいは指定された閉領域の面積演算等である。ここで計測に際しては、合成画像の元となった電子顕微鏡画像の位置情報を利用する。このため、第一記憶手段１３１には、予め電子顕微鏡画像を保持する際に、電子顕微鏡画像の位置情報を記憶しておく。位置情報は、観察対象の試料の構造を示す情報であり、座標位置や形状の輪郭等である。この情報を利用することで、画像上で指定された計測点に対応する正確な位置を取得できる。
合成画像の形状が元の電子顕微鏡画像と正確に一致する場合は、合成画像上の位置情報をそのまま計測に利用できる。一方、合成画像の形状が元の電子顕微鏡画像と正確に一致しない場合は、合成画像上の座標位置に対応する電子顕微鏡画像上の座標位置を、第三記憶手段１３３を参照して取得した上で、該電子顕微鏡画像座標を用いた計測を行う。これにより、光学画像との画像合成によって形状や座標位置にずれが生じた場合でも、より正確な座標位置情報を有する電子顕微鏡画像上での座標位置に変換することで、高精度な計測を行うことが可能となる。
（操作手段１０５Ｃ）
また、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１の両方を共通の操作手段１０５Ｃで制御し、かつ両方の観察手段で得た画像の計測時に必要な情報、例えば倍率、観察手段の光軸と試料の位置関係等の情報を、制御手段で一括処理することで、カラー合成画像の計測作業は格段に利便性を向上できる。共通の操作手段１０５Ｃは、例えば外付けのコントローラ１を共通化して一のコントローラ１で光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１を切り替えて操作可能とする。また、コンピュータにインストールした拡大観察装置の操作プログラムで、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１を切り替えて操作可能とする構成も好ましい。加えて、上述の通り観察手段の切り替えを回動式とすることで、試料の同一位置を観察できるよう両方の観察手段を容易に切り替え、移動可能としたことで、カラー合成画像の合成作業を一層簡単に行える利点も得られる。
また図１７や図３８の構成においては、同一の視野を同一の方向（傾斜角度）から観察するために、胴部２４を回転する。なお、一方の観察手段が元あった位置に、他方の観察手段が位置していることを認識する手段としては、胴部にさらに回転エンコーダ等の回動位置検出手段２６４を設置して、回転角度を電気的に知る方法、または胴部と固定側に、それぞれ目盛と目印を付けておき、目視で回転角度を知る方法等が利用できる。
なお、以上の例では図１７や図３８に示すような回動式の移動機構を備える試料室の形態について説明したが、本発明は上記構成に限られず、一の試料室に複数の観察手段を備える様々な構成が利用できる。光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１を有する試料室２１構成の変形例を図３９〜図４２に示す。各例において、光学系撮像手段１２及び電子線撮像手段１１は、それぞれが同一の試料ＳＡを撮像できるように配置される。
図３９の例では、観察手段１０の切り替えを旋回式のリボルバで行っている。また図４０の例では、観察手段１０を平行移動によって切り替えている。また上記は試料台３３を固定して観察手段１０側を移動させる構成であるが、これに限らず観察手段１０側を移動させる構成としてもよい。例えば図４１では、試料台３３を平行移動させる構成、図４２では試料台３３を傾斜させる構成を、それぞれ示している。さらに図４３の例では、ハーフミラーによって観察手段１０の光軸を選択する構成としている。このように、本実施の形態は、複数の観察手段１０を備える様々な形態において適宜利用できる。
図４３の例では光学系撮像手段１２及び電子線撮像手段１１の光軸をそれぞれ同軸に配置しており、図４１は平行に、図４２はＶ字状にそれぞれ配置している。特に図４３の構成では、光学系撮像手段１２の光軸と電子線撮像手段１１の光軸が一致するように配置されているため、同一視野の画像を取得することができ、好ましい。またこの構成では、光学系撮像手段１２の画像信号と電子線撮像手段１１の画像信号を切り替える際に試料台３３を移動させる必要がないため、速やかに切り替えを行うことができる。またリアルタイムでの観察や動画像の観察も実現できる。また光学系撮像手段１２は、試料室２１内に設置することで、試料室２１内の減圧若しくは真空状態が維持されるので、表示切替手段３６等により撮像系を切り替える際の減圧工程を不要にでき、スムーズな切り替えが実現できる。このような撮像系のスムーズな切り替えは、シームレスな表示切り替えが実現され、極めて使い勝手のよい電子顕微鏡とできる。ただ、図４３の構成では、光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１のそれぞれの光軸を同軸にするために、電子線撮像手段１１の光軸上に光学系撮像手段１２の光軸を折り返すためのミラー等を配置する必要があり、構成が複雑になり高価になるという問題がある。また、同軸構成にすることによる装置の複雑化によって、光学系撮像手段１２、電子線撮像手段１１の光学設計の自由度が少なくなり、画像性能に影響を及ぼす可能性もある。
これに対して、図４０、図４１、図４２の構成では、このようなミラーが不要であり比較的安価に実現できる。ただ、図４１の構成では、切り替え時に試料台３３を平行移動させる、光学系撮像手段１２を設置する等の必要があり、手間がかかる上位置合わせ等の調整が必要でリアルタイムでの観察が阻害される。さらに光学系撮像手段１２が大気中に設置されている場合は、電子線撮像手段１１が配置された試料室２１を真空に減圧する必要があるため、このための時間と手間がかかる。一方、図４２の構成では、一方の光軸が傾斜しているため、同一の視野を得るためには試料台３３を水平面から傾斜させる必要がある。この場合も、位置合わせ等の調整が必要でリアルタイムでの観察ができない。このように、図４１、図４２いずれの構成でもリアルタイムでの光学系撮像手段１２と電子線撮像手段１１との切り替えが困難となる。これを解消するには、予め光学系撮像手段１２で光学画像をデータとして取得した上で、試料ＳＡを電子線撮像手段１１で観察可能な位置に移動させ、電子顕微鏡画像を表示可能な状態としておくことが考えられる。この状態で表示手段２に光学画像を表示させて視野探し等を行うと、表示切替手段３６で速やかに電子線撮像手段１１に切り替えできるので、ハードウエア構成を変更することなくリアルタイムに光学画像から電子顕微鏡画像への切り替えが実現できる。このため、該構成においては光学系撮像手段１２で取得された光学画像を保持するためのメモリ部を利用する。メモリ部はＲＡＭ等の半導体メモリが利用できる。
（１コントローラに２ヘッドを装着する構成例）
さらにまた、上記の例では同一の試料室２１や試料台３３に複数の観察手段を設ける例を説明したが、異なる試料を観察する拡大観察装置に対しても本実施の形態を適用できる。例えば図４４の例では、それぞれ別個に構成された光学顕微鏡１１Ｂと電子顕微鏡１２Ｂに対し、これらを制御するコントローラ１Ｂを共通としている。これにより、コントローラ１Ｂ側で、表示手段に表示される光学画像、電子顕微鏡画像の倍率表示を、統一的な倍率に換算して表示したり、一方の画像の倍率を換算倍率に直して他方の観察手段に設定したり、あるいは換算倍率に設定できない場合は、設定可能な倍率の内で換算倍率に最も近い倍率に設定するといったことが可能となる。この場合は、電子顕微鏡１２Ｂの試料台３３Ｄに載置される試料ＳＡ４と、光学顕微鏡１１Ｂの試料台３３Ｅに載置される試料ＳＡ５という、異なる試料を観察することになる。また以上の例では観察手段として光学系撮像手段と電子線撮像手段の２つを用いたが、３以上の観察手段を切り替え自在に設けることも可能であることはいうまでもない。
本発明の拡大観察装置は、例えば荷電粒子である電子線あるいはイオンビーム等を利用し、半導体素子の特性評価、計測工程において利用される電子線外観検査装置、電子線測長装置、粒子ビーム検査装置等において、撮像された観察像の拡大／縮小表示を行う機能に好適に適用できる。また電子線撮像手段１１のレンズとして、ＳＥＭの他、ＴＥＭや走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、レーザー顕微鏡やＸ線顕微鏡にも利用可能である。
１０００…拡大観察システム
１００…拡大観察装置
１、１Ｂ…コントローラ
２…表示手段
１０…観察手段
１１…電子線撮像手段
１２…光学系撮像手段
１１Ｂ…電子顕微鏡
１２Ｂ…光学顕微鏡
１３…試料室内観察手段
１４…チャンバユニット
１５…減圧ユニット
１６…減圧ユニット操作パネル
１７…表示灯
２１、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｆ…試料室
２２…ベース部
２３…固定板
２４、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆ…胴部
２５…吸引口
２６…脚部
２７、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｅ…蓋部
２８…円盤部分
２９…アーム
３０…回動手段
３１…クロスローラベアリング
３２…Ｏリング
３３、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅ…試料台
３４…試料台駆動手段
３５、３５Ｂ…取っ手
３５ｂ…ハンドル部
３６…表示切替手段
３７…顕微鏡焦点調整手段
３８…光学焦点調整手段
３９…マウント
４０…電子顕微鏡制御部
４０Ａ…静電レンズ制御部
４０Ｂ…電磁レンズ制御部
４１…第一の位置
４２…第二の位置
４３、４３Ａ、４３Ｂ…電子銃高圧電源
４４、４４Ａ、４４Ｂ…フィラメント
４５、４５Ａ、４５Ｂ…ウェーネルト
４６、４６Ａ、４６Ｂ…アノード
４７、４７Ａ、４７Ｂ…電子銃
４９…ガンアライナ
５０…光軸調整器
５１…集束レンズ制御部
５２…集束レンズ
５１Ａ、５１Ｂ…第一レンズ制御部
５２Ａ、５２Ｂ…第一コンデンサレンズ
５３…対物絞り
５４…非点収差補正器制御部
５４Ａ、５４Ｂ…第二レンズ制御部
５５…電子線偏向走査手段制御部
５５Ａ…走査電極制御部
５５Ｂ…走査コイル制御部
５６、５６Ａ、５６Ｂ…対物レンズ制御部
５７…非点収差補正器
５７Ａ、５７Ｂ…第二コンデンサレンズ
５８…電子線偏向走査手段
５８Ａ…走査電極
５８Ｂ…走査コイル
５９、５９Ａ、５９Ｂ…対物レンズ
６０…中央演算処理部
６１、６１Ａ、６１Ｂ…二次電子検出器
６２…反射電子検出器
６３…二次電子検出増幅部
６４…反射電子検出増幅部
６５…Ａ／Ｄ変換器
６６…Ａ／Ｄ変換器
６７…画像データ生成部
６８…電子顕微鏡倍率調整手段
６９…プリンタ
７０…排気系ポンプ
７２…排気制御部
７４…水平面移動機構
７４Ｘ、７４Ｘ２…Ｘ軸操作摘み；７４Ｙ、７４Ｙ２…Ｙ軸操作摘み；７４Ｒ、７４Ｒ２…Ｒ軸操作摘み
８０…高さ調整機構
８０Ｚ、８０Ｚ２…Ｚ軸操作摘み
９１…ＣＣＤ制御回路
９２…光学撮像素子
９３…光学ズームレンズ
９４…対物レンズ
９５…光学倍率調整手段
９６…照明部
９７…光源ポート
９８…光学レンズ群
９９…画素ずらし手段
１０１…情報処理手段
１０２…ディスプレイ部
１０３…メモリ
１０４…インターフェイス
１０５、１０５Ｂ、１０５Ｃ…操作手段
１０６…光ファイバ
１０７…光源
１１０…モード選択手段
１１１…倍率換算手段
１１２…光学倍率読取手段
１１３…ズームリング
１１４…突出電極
１１５…倍率出力電極
１１６…画像合成手段
１１７…電子顕微鏡画像表示領域
１１８…光学画像表示領域
１１９…倍率判定手段
１２０…誘導手段
１２１…状態表示手段
１２２…非選択表示手段
１２３…換算倍率表示手段
１２４…予定倍率表示手段
１２５…判定告知手段
１２６…倍率範囲表示手段
１３０…計測点指定手段
１３１…第一記憶手段
１３２…第二記憶手段
１３３…第三記憶手段
１３４…計測手段
２２０…チルトレバー
２３８…傾斜ストッパ
２３９…ストッパハンドル
ＰＵ…電源ユニット
ＶＰ…減圧ポンプ
ＣＳ…コンソール
ＨＵ…高加速電圧ユニット
ＳＴ…デジタルマイクロスコープ用のスタンド
ＳＡ、ＳＡ１〜５…試料
ＳＥ１、ＳＥ２…二次電子
ＥＢ、ＥＢ１、ＥＢ２…電子線
ＰＨ…写真
ＥＩ…電子顕微鏡画像
ＯＩ…光学画像
ＧＩ…カラー合成画像

Claims (14)

  1. 複数の観察手段を備える拡大観察装置であって、
    内部空間で減圧可能な試料室を構成する胴部と、
    第一の観察手段として、前記試料室内の電子顕微鏡画像を取得するための電子線撮像手段と、
    前記電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の電子顕微鏡倍率を調整するための電子顕微鏡倍率調整手段と、
    第二の観察手段として、前記試料室内の光学画像を取得可能な光学系撮像手段と、
    前記光学系撮像手段で取得される光学画像の倍率であって、電子顕微鏡倍率と異なる基準で決定される光学倍率を調整するための光学倍率調整手段と、
    一方の観察手段の光軸の方向を、他方の観察手段の光軸の方向と略一致させるように各観察手段を移動可能な移動手段と、
    前記電子線撮像手段で取得された電子顕微鏡画像と、前記光学系撮像手段で取得された光学画像を、切り替えて、又は同時に表示するための表示手段と、
    前記電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率を認識し、該一方で取得された画像の倍率に基づき、該画像と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための倍率を、他方の観察手段の基準に基づく倍率に換算するための倍率換算手段と、
    前記電子線撮像手段で取得された電子顕微鏡画像と、前記光学系撮像手段で取得された光学画像とを合成する画像合成手段と
    を備え、
    前記移動手段が、前記電子線撮像手段及び光学系撮像手段の光軸を共通の回転軸に向かう姿勢に維持しつつ、該回転軸までの距離を一定に維持するように、前記共通の回転軸を中心として、前記電子線撮像手段及び光学系撮像手段を前記胴部の円筒状側面に沿って回転させるための回動手段であり、
    前記画像合成手段による電子顕微鏡画像と光学画像との合成は、前記電子線撮像手段と光学系撮像手段とを同一の傾斜角度として、前記倍率換算手段で換算された換算後の倍率が同じ画像同士が合成され、
    観察対象の試料を載置するため前記試料室内に設置される試料台は、水平姿勢で非傾動状態に維持され、水平面内で移動させるための水平面移動機構及び高さ調整のための高さ調整機構を備えており、前記試料台に載置された試料の観察面の高さを、前記共通の回転軸と略一致する位置に調整可能であることを特徴とする拡大観察装置。
  2. 請求項１に記載の拡大観察装置であって、
    一方の観察手段で取得され前記表示手段上に表示される画像の倍率を、前記倍率換算手段で他方の観察手段の倍率に換算した換算倍率、又は該換算倍率への設定が他方の観察手段では不可能な場合は、該換算倍率に近接した設定可能な倍率を、前記表示手段上に表示可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
  3. 請求項１または２に記載の拡大観察装置であって、
    一方の観察手段で取得された画像の倍率を、前記倍率換算手段で他方の観察手段の倍率に換算した換算倍率、又は該換算倍率への設定が他方の観察手段では不可能な場合は、該換算倍率に近接した設定可能な倍率に、該他方の観察手段の倍率調整手段で自動的に設定可能としてなることを特徴とする拡大観察装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記電子線撮像手段で取得される電子顕微鏡画像の、前記電子顕微鏡倍率調整手段で調整可能な電子顕微鏡倍率範囲と、
    前記光学系撮像手段で取得される光学画像の、前記光学倍率調整手段で調整可能な光学倍率範囲とが、
    前記倍率換算手段で換算された換算倍率において、少なくとも部分的に重複してなることを特徴とする拡大観察装置。
  5. 請求項１から４のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記光学系撮像手段は、
    光学画像を拡大するズーム機構と、
    該ズーム機構により拡大された拡大倍率を認識する拡大倍率認識手段と、
    を有し、
    前記電子顕微鏡倍率調整手段は、
    前記電子線撮像手段で取得する電子顕微鏡画像の倍率に関するパラメータを設定するパラメータ設定手段と、
    前記パラメータ設定手段で設定されたパラメータを認識し、該パラメータにて得られる電子顕微鏡倍率を算出するための電子顕微鏡倍率算出手段と、
    を有することを特徴とする拡大観察装置。
  6. 請求項１から５のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記表示手段が、電子顕微鏡画像と光学画像を、いずれかの倍率を基準とする換算倍率で同倍率として同時に表示可能であることを特徴とする拡大観察装置。
  7. 請求項１から６のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    観察モードとして、前記表示手段で電子顕微鏡画像と光学画像とを比較観察可能な比較モードと、電子顕微鏡画像と光学画像とを合成した合成画像を表示可能な合成モードを選択可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
  8. 請求項１から７のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、さらに、
    前記電子線撮像手段で取得可能な電子顕微鏡倍率範囲と、前記光学系撮像手段で取得可能な光学倍率範囲とを、同じ基準の倍率に換算して前記表示手段上に一次元状に表示可能な倍率範囲表示手段を備えることを特徴とする拡大観察装置。
  9. 請求項１から８のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、さらに、
    前記倍率換算手段が、前記電子線撮像手段又は光学系撮像手段のいずれか一方で取得された画像の倍率と略同一の表示サイズの画像を他方の観察手段で取得するための換算倍率が、該他方の観察手段で設定不可能な倍率である場合、該他方の観察手段で設定可能な倍率の内で、該換算倍率に最も近い倍率を、換算倍率として出力するよう構成されてなることを特徴とする拡大観察装置。
  10. 請求項９に記載の拡大観察装置であって、
    前記高さ調整機構で調整可能な高さ可動範囲に、前記回動手段の回転軸が含まれるよう構成されてなることを特徴とする拡大観察装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記電子線撮像手段で取得された画像、及び前記光学系撮像手段で取得された画像の倍率が、前記表示手段上の表示範囲を、観察視野範囲で除算した値で定義されてなることを特徴とする拡大観察装置。
  12. 請求項１から１１のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記光学系撮像手段が、設定された倍率を読み取るための光学倍率読取手段を備えることを特徴とする拡大観察装置。
  13. 請求項１２に記載の拡大観察装置であって、
    前記光学倍率読取手段で、光学画像の倍率を読み取り、該読み取った光学倍率に対応する電子顕微鏡画像の倍率を前記倍率換算手段で換算し、該換算倍率の電子顕微鏡画像を前記表示手段に表示可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
  14. 請求項１から１３のいずれか一に記載の拡大観察装置であって、
    前記倍率換算手段で換算された換算倍率を、前記表示手段上に表示させる状態と、非表示とする状態とを切り替え可能に構成してなることを特徴とする拡大観察装置。
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