JP6487556B2 - 電子線干渉装置および電子線干渉方法 - Google Patents

Description

電磁場等の計測を行う電子線干渉装置および電子線干渉方法に関する。

＜電子線バイプリズム＞
電子線バイプリズムは、電子線におけるビームスプリッターとして干渉光学系には不可欠の電子光学装置で、光学におけるフレネルの複プリズムと同じ作用をする。電子線を偏向させるために電界を用いるものを電界型電子線バイプリズム、磁界を用いるものを磁界型電子線バイプリズムと呼ぶ。
電界型電子線バイプリズムの構造は図１に示すように、中央部のフィラメント電極９とその電極を挟む形で保持される平行平板型接地電極９９とから構成されている。例えば、フィラメント電極９に正電圧を印加すると、図１に示したごとく、フィラメント電極９の両側を通過する電子線２７は、フィラメント電極の電位により互いに向き合う方向に同じ角度αだけ偏向され、電子線バイプリズムを通過し二波に分離された電子線は、電子線バイプリズムの後方で重畳され干渉縞８を生じさせる。逆にフィラメント電極９に負の電圧を印加すると、２つの電子線は互いに離れる方向に同じ角度だけ偏向される。

このような電子光学系を総称して、電子線干渉光学系と呼ぶ。フィラメント電極９から離れるほど電子線に作用する電位は小さくなるが、作用している空間範囲が長くなるため、結果的に電子線の偏向角度は入射位置に依らずフィラメント電極９への印加電圧に比例する。すなわち、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αは、フィラメント電極への印加電圧V_fと偏向係数kを用いてα = kV_fで表わされる簡単な関係を持つ。電子線の偏向角度αが入射位置に依らないことは電子光学装置としては重要な特徴で、平面波は平面波のまま伝播方向のみが偏向されて、電子線バイプリズムを射出することになる。これは光学ではちょうど２つのプリズムを合わせた複プリズムの効果に対応することから、電子線バイプリズムと呼ばれている。図１では波面２５が位置によらず同じ角度２αで重畳され、干渉縞８が発生する様子を描いている。
＜干渉顕微鏡像の作成＞
最も一般的な電子線干渉法として電子線ホログラフィーで用いられる光学系は、図２に示すごとく１段の電子線バイプリズム（フィラメント電極９と平行平板型接地電極９９）を対物レンズ５と対物レンズ５による試料３の像面７１との間に配置する電子線干渉光学系（１段電子線バイプリズム干渉計）である。フィラメント電極９に正の電圧を印加することによって、試料３を透過した電子線（物体波２１：図２ではフィラメント電極９の右側を通過する電子線）と試料の無い側を透過した電子線（参照波２３：図２ではフィラメント電極９の左側を通過する電子線）を重畳させて干渉顕微鏡像（８８：試料像３１に干渉縞８の重畳された画像（ホログラム））を得ている。すなわち、試料３が物体波２１の波面に与える位相変化が、干渉縞８の変調として記録される。

電子線の波面に変調を与えるものは、すべからく物体として干渉顕微鏡像中の干渉縞の変調として記録することができる。すなわち、干渉顕微鏡法では物質だけでなく電磁場、電位なども観察対象とすることができる。さらに、干渉縞の変調の様子を定量化することにより、電磁場や電位を定量的に計測することが可能となる。
＜可干渉距離＞
フェルミ粒子である電子の波動は、ボーズ粒子である光子の波動と異なり、１つの状態に縮退させることができない。そのため、厳密な意味でレーザーのような完全に可干渉（コヒーレント）な状態を作り出すことはできず、加速電圧の安定性を高めてエネルギー分布幅を小さくするとともに光源サイズをできるだけ小さくして電子の運動の角度分布（電子線の開き角）を小さくし、実効的に電子波の波面を広げる工夫をしている。この電子波が干渉可能な範囲を可干渉距離と呼ぶ。この距離は光源サイズと電子光学系にも依存するが、電磁場観察光学系の場合には、試料面上では２〜３μm程度が一般的な値である。
＜磁場観察例＞
一方、電磁場は遠距離場として、無限遠までその影響が伝達する場として知られている。例えば超伝導状態の鉛薄膜に発生した磁束量子の場合には、磁束量子の空間サイズは約0.2 μm径、磁束量は2.07×10^-15 Wbと、いずれも大変小さいものであるが、干渉顕微鏡像で観察された磁力線は、真空中では5 μm四方にまで広がっている。さらに、位相差増幅（×１６倍）によってこの磁力線分布を詳細に可視化すると、磁束量子の左右の磁力線が大きく曲がり、超伝導体中に回帰しているように見える。超伝導体は完全反磁性状態であるため、物理的にこのような磁力線分布は考え難く、参照波に漏洩した磁束量子自身の磁場によるアーティファクトと考えられた。そして、その観察結果は、シミュレーションにより、参照波に含まれた磁場が影響していることが明らかにされている。この様に参照波中に含まれる観察対象からの漏洩磁場は計測結果に影響を与え、高精度計測には対策を要するものであることがわかる。
＜対策例＞
上記のごとく、観察対象の電磁場が参照波へ混入あるいは漏洩する影響と、その結果による計測結果への歪の発生に対しては、以下の２つの手法が提案されている。
（１）照射光学系に備えられた電子線バイプリズムによって電子波を試料照射前に２つに分離し、参照波を物体からの漏洩電磁場の影響が無視できるくらいに遠方（40 μm程度）を透過させた後、結像系の電子線バイプリズムによって重畳・干渉させ、ホログラムとして記録する方法。（特許文献１や特許文献２）
（２）二波干渉の原理に基づき、参照波と物体波を交互に繰り返し干渉・記録させた複数枚のホログラムから、再生・積算処理を行うことにより、（１）と同様に、試料（物体）から十分に遠方（電磁場の影響が無視できる）を透過した電子線を参照波として利用する方法。（特許文献３）

特開２０１３−２２９１９０号公報 特開２０１３−２４６９１１号公報 ＷＯ２０１３／１１４４６４

観察対象の大きさが電子線の可干渉距離を超えて広範囲に分布する電磁場等の干渉計測においては、参照波中への対象電磁場の漏洩が観察結果に影響をもたらし、再生位相分布像には歪等のアーティファクトを与え、定量計測へも精度の低下を招く。そのため、高精度の電磁場等の測定には参照波への観察対象からの漏洩電磁場の影響の除去や影響を軽減する手法が求められている。
具体的には、電界型の位相板など広範囲に電界が分布している場合の電界検出法および評価手法が求められている。

上記の（１）（２）の方法も、試料（物体）から十分に離れた位置に参照波のための必須な空間が試料への制約を必要とする方法である。実現できた場合には漏洩電磁場の影響が軽減できることは間違いないが、（１）の方法では照射光学系に電子線バイプリズムの設置が必要な方法であり、電子顕微鏡としてはかなり特殊な光学系を持つ装置となり、装置の運用に熟練の技量を要求される。

また、（２）の方法では複数枚のホログラム全部が均一な状態で記録されねばならず、物体波領域（試料位置）から十分に遠方の参照波として利用する領域まで連続的に均一な状態の試料を準備する必要がある。すなわち、（１）の方法以上に試料作製条件が厳しい。以上の要件から、上記２つの例ともに、一般化するには至っていないのが現状である。

上記課題を解決するため、本出願の電子線干渉装置は、電子源から放出される電子線を試料に照射する照射光学系と、前記電子線が照射される試料を保持するための試料保持装置と、前記電子線が前記試料に照射されたことに起因する電子線を検出する検出光学系と、前記電子線の光軸と垂直な面上において前記試料を含む物体波領域を透過した電子線、および第１の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第１のホログラムを生じさせる電子線バイプリズムと、前記第１のホログラムを記録する画像記録部と、前記画像記録部に記憶された画像を演算する画像演算部と、を有する電子線干渉装置であって、前記電子線バイプリズムは、前記物体波領域、および前記第１の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第２の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第２のホログラムを生じさせ、前記画像記録部は、前記第２のホログラムを記録し、前記画像演算部は、前記第１のホログラムおよび前記第２のホログラムに基づき、前記物体波領域の位相値を求めることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本出願の電子線干渉方法は、電子線バイプリズムを用いた電子線干渉法において、前記光軸と垂直な試料の存する面上で試料を含む物体波領域と第１の参照波領域を定める第１設定ステップと、前記第１の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第２の参照波領域を定める第２設定ステップと、前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第１の参照波領域を透過した電子線とを干渉させた第１のホログラムと、前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第２の参照波領域を透過した電子線を干渉させた第２のホログラムと、を記録する記録ステップと、前記第１のホログラムと前記第２のホログラムとに基づき、前記物体波の位相分布像または位相値を演算する演算ステップとを有することを特徴とする。

本願発明を適用することにより、電子線干渉計測法にて、精度の高い測定が可能となる。

電子線バイプリズムの構成と、電子線の偏向および偏向された波面を示す模式図(従来技術)である。 電子線干渉計の光学系の一例（１段電子線バイプリズム干渉計）を示す模式図(従来技術)である。 軸対称な形状をした波面と電子線バイプリズムの位置を示す模式図である。 軸対称な形状をした波面と電子線バイプリズムの位置を示す模式図である。 参照波の領域が十分に遠方の場合において再生された軸対称な波面の断面摸式図である。 参照波の領域が近接している場合において再生された軸対称な波面の断面摸式図である。 本発明の第１の実施例になる２つの再生物体波の波面のうち片方を示す模式図である。 本発明の第１の実施例になる２つの再生物体波の波面のうち片方を示す模式図である。 本発明の第１の実施例になる２つの再生物体波の波面の加算平均をとった波面を示す模式図である。 本発明の第１の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第１の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第１の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第２の実施例になる試料を移動させて物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置を入れ替えることを示す模式図である。 本発明の第２の実施例になる試料を移動させて物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置を入れ替えることを示す模式図である。 本発明の第２、および第３の実施例における、試料位置を移動させる場合の電子線干渉計の光学系の模式図である。 本発明の第２、および第３の実施例における、電子線の照射角度を偏向させる場合の電子線干渉計の光学系の模式図である。 本発明の第５の実施例になる位相分布像の再生手順を示す模式図である。 本発明の第５の実施例になる位相分布像のシミュレーション像を示す模式図である。 本発明の第６の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１と第２の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第６の実施例になる位相分布像のシミュレーション像を示す模式図である。 本発明の第７の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１、第２、第３、第４の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第７の実施例になる位相分布像のシミュレーション像を示す模式図である。 本発明の第８の実施例になる位相分布像のシミュレーション像を示す模式図である。 本発明の第９の実施例になる電子線バイプリズムと物体波領域と第１、第２、第３の参照波領域の位置関係を示す模式図である。 本発明の第９の実施例になる位相分布像のシミュレーション像を示す模式図である。 本発明の電子線干渉顕微鏡のシステム全容の一例を示す模式図である。

１段電子線バイプリズム干渉計では、干渉顕微鏡像中の左右にフィラメント電極の端で発生した回折波によるフレネル縞が含まれている。これは一般にコントラストが強く、縞間隔は広いものから狭いものまで幅広い空間周波数帯域に分布するため、干渉顕微鏡像にとっては最も問題となるアーティファクトの源である。

その対策として２つの電子線バイプリズムを用いる２段電子線バイプリズム干渉計が主流となりつつある。本願では簡単のため図２に示した１段電子線バイプリズム干渉光学系を用いて説明を行うが、１段電子線バイプリズム干渉計に限定するものではない。むしろ後述するが、加算平均による演算処理では、フレネル縞等のアーティファクトもその影響が加算されるので、光学系としては２段バイプリズム干渉計の採用が望ましい。

本発明は電磁場の軸対称性を利用し、物体波領域に置かれた軸対称電磁場の対称中心から相対する複数の領域を参照波領域とする。該物体波領域と各々の参照波領域を透過した電子線との干渉を各々ホログラムとして記録し、各々の再生位相分布像を再生した後、各々の該再生位相分布像を該電磁場の対称中心と方位が一致するように位置合わせを行う。その上で加算平均などの演算処理を実施し、該各々の参照波領域への該電磁場の影響が相殺された計測結果、すなわち、観察対象電磁場の参照波中への漏洩の影響が軽減された計測結果を実現できる。

本願発明の実施例を説明するのに先立ち、対象となる軸対称電磁場を干渉顕微鏡法（電子線ホログラフィー）にて観察する際の原理を説明する。

図３は軸対称な形状をした波面２５（点状電荷を透過した場合など）と電子線バイプリズム（フィラメント電極９、と平行平板型接地電極９９）の位置を示す図である。図３aはビーム光軸に沿った断面図、図３bは軸対称な波面を等位相線８５表示したもので、波面の位相分布は、例えば点状電荷を透過した位置を中心に同心円状に広がっている。この様な位相分布を持つ波面は、無限遠方でようやく平面波に戻る形状であるので、この分布の図中右上の位置に電子線バイプリズム９を配置し（図３a）、電子線バイプリズム９の左右で物体波２１と参照波２３に分けたとすると、参照波は平面波ではなく軸対称な球面波の一部を切り取った波面形状となる。

ホログラフィーにおける再生とは、『参照波を基準にして物体波の位相分布を求めること』であるから、基準となる参照波が歪んでいる場合、記録・再生される物体波には参照波の歪が反映されたものとなる。例えば、参照波に横軸方向の傾斜が入っているとすると、物体波が正しく記録・再生されるのは、無限遠の傾斜が無い状態の波面を参照波として用いた場合（図４a）である。物体波と近接した領域の、傾斜した参照波を用いてホログラムを記録し、そのホログラムを再生した場合には、図４bに示すごとく傾斜した物体が再生される。従って、電位分布などの物理情報に対しては、誤差のある結果を得ることになる。

図４a、図４bのそれぞれの波面断面図の下部に、再生波面を等位相線表示した結果を示す。図４aでは同心円状に等位相線８５を描いて、正しく物体波が再生されていることを示している。一方、図４bでは、等位相線８５の左右の線密度の差と、等位相線８５を真円ではなく横長の楕円で描くことで歪を示している。等位相線が横長の楕円となるか縦長の楕円となるかは、波面の軸対称分布の形状と波面のどの部分を参照波として用いるかに依存して変化する。したがって、図４bは一例に過ぎないことを注意しておく。
＜実施例１＞
軸対称電磁場の参照波中への漏洩の影響を軽減させた計測結果を得るための、本願における最も基本となる考え方を説明する。本願では軸対称な電磁場分布の対称性に着目した。図５aが図４bに示した位置関係で記録されたホログラムからの再生された波面２５の断面模式図である。一方、図５bは、軸対象電磁場の対称中心を挟んだ図５aとは反対側の空間（図３では中央フィラメント9の左側）に、電子線バイプリズムを配置して記録・再生された波面２５の断面摸式図である。図５aと図５bは、同じ物体波を記録・再生しているが、用いた参照波に含まれる漏洩電磁場による歪（図５a、図５bでは簡単のため傾斜のみを考えている）が対称な形状を成しているため、再生された波面（再生位相分布像）に反映された歪も対称形に表れている。

そこで、図５aと図５bの再生位相分布の加算平均を取れば、参照波に混入した漏洩電磁場による歪だけが相殺されて、図５cに示すごとく物体波の位相分布が求められる。すなわち、点状電荷から有限な距離しか離れていない領域を透過した電子波を参照波としても、十分に遠方の領域を透過した電子波を参照波とした場合とほぼ同様な計測結果を得ることができる。

図６を用いて、物体波の領域２１Ｒと該物体波を挟んだ両側の参照波の領域２３Ｒの位置関係を示し、本願ｖの実施例１における２枚のホログラム８８の記録手順を説明する。
（１）観察領域の中央部に、例えば、点状電荷からなる軸対象電磁場が位置するように、光学系および試料位置を調整する。
（２）試料の観察領域（物体波の領域２１Ｒ）を定め、その両側に参照波の領域２３Ｒを見つける。物体波の領域を挟む対称な位置に参照波の領域２３Ｒが得られるように、光学系および試料位置を調整する。(図６a)
（３）電子線バイプリズム９を物体波の領域２１Ｒと第１の参照波の領域２３Ｒ（図６aでは図中右側）の間に配置する。
（４）第１のホログラム８８を記録する。(図６b)
（５）電子線バイプリズム９を物体波の領域２１Ｒと第２の参照波の領域２３Ｒ（図６aでは図中左側）の間に配置する。
（６）第２のホログラム８８を記録する。(図６c)
上記から得られた、第１のホログラムと第２のホログラムからの再生位相分布像の取得に関する説明は後述する。なお上記説明では、電子線バイプリズムへ印加する電圧や、光学系での位置関係などは省略したが、ホログラムが記録できれば、電子線バイプリズムへの印加電圧や、光学系での位置関係などに依存するものではない。また、電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整（上記手順の（２））は、電子線バイプリズムを移動させてもよいし、試料を移動させてもよい。さらに、光学系の調整によって電子線バイプリズムと試料との相対位置を調整してもよい。
＜実施例２＞
干渉光学系とその設定条件から考察すると、電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整（基準となる参照波の交換）は、試料を移動させるのが最も合理的である。すなわち、光学系に全く変更を伴わずに、上記２枚のホログラムを記録できる方法が、最も高精度で本願手法を実施可能と考えられる。

図７aおよび図７bに電子線バイプリズム９と物体波の領域２１Ｒと参照波の領域２３Ｒの位置関係と２枚のホログラム８８を記録する際の関係を模式的に示す。一連の観察実験中に、光学系に変更を与えないため、電子線バイプリズムのフィラメント電極９と光学系の光軸２とは１点（図７aおよび図７bの光軸２で図示した箇所）で直交させている。図７aのように第１のホログラムを記録したのち、試料を移動させて図７aのように第２のホログラムを記録する。他の手順は、実施例１の図６にて用いた説明と同じである。

上記のホログラム記録時の光学系を図８aに示す。試料３は光軸２の左側に配置されている。図8aの左図の状態で、第１のホログラム８８を記録し、その後に、図8aの右図のように光軸２を挟んで相対する位置に試料３を移動させる。これにより、試料３は光軸２の右側に配置される。この状態で、試料の位置ドリフト等が安定に収まった後、第２のホログラム８８を記録する。

第１のホログラムと第２のホログラムとでは、物体波と参照波の重畳・干渉時の角度関係が対称に入れ替わっているため、図８a下側に示したホログラム像のように干渉縞のシフト方向が逆転している。図８aでは、この干渉縞のシフト方向の逆転を明確に描くため、四角錐型の物体を試料とした例を示している。広範囲に分布する電磁場とは異なるが、実験手順において本願と矛盾するものではない。
＜実施例３＞
電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整（基準となる参照波の交換）は、試料を照射する照射電子線を偏向することによっても実現可能である。図８bは、試料３上側の光源の像１（クロスオーバー）の位置において第１の偏向器１５により照射電子線に偏向を加え、試料３下側の光源の像１１（クロスオーバー）の位置において第２の偏向器１６により照射電子線に偏向を加えて（＝すなわち、振り戻して）、電子線が光軸２上を伝搬する様子を描いた１段バイプリズム干渉系の光学系である。図８aには偏向器を描いていないが、図８a(ａ)と図８bとは、対を成す光学系である。

光源の像１の位置で偏向を加えることによって、対物レンズ５による光源の像１１の位置は、光軸２上を移動しない。しかし、試料３に照射される電子線は偏向角度とともに位置も移動し、図８bに示したごとく、物体波２１と参照波２３が入れ替わる。図８bでは、試料の直上、直下の光源の像面にて偏向を加えているが、偏向を与える位置は、この位置に限定するものではない。さらに、試料像の位置シフトに対する補正機能がある電子顕微鏡であるならば、偏向位置は光源の像である必要はなく、自由に光学系を設計、利用可能である。

図８aと図８bとでは、厳密には、試料と照射電子線の角度関係に違いがあるが、試料照射位置での電子線の照射領域の位置変更がマイクロメートル桁であるのに対して、試料上側の光源の像１と試料との伝搬距離は100mmの桁であり、概ね10^-4 rad以下の高精度位相解析でなければ問題とはならない。また、この例では、試料は移動を全く伴わないので、実施例２で配慮した、試料ドリフトの影響は小さい。

偏向器を用いる場合の実験手順は、まず第１のホログラム８８（図８a下側）を記録した後に、第１の偏向器１５と第２の偏向器１６を電子線が所定の角度だけ偏向されるように調整し（図８b）、第２のホログラム８８（図８b下側）を記録する。

なお、第１の偏向器、第２の偏向器ともに、平行平板から構成された電界型偏向器として描画したが、偏向器としては磁界型でも良い。また、図８aおよび図８bでは紙面上左右の方向への偏向のみを描画しているが、紙面表裏の方向への偏向も実施可能であり、そのために図示した方向と垂直方向への偏向器を設置することも可能である。
＜実施例４＞
２枚のホログラム中の試料位置に関しては、できるだけホログラム記録時にその位置合わせが完了していることが望ましい。その主な理由は、再生位相分布像に残留するアーティファクトを減少させることができるためである。また、他の利点としては、再生時の試料の位置合わせの手順・操作が簡略化できること、が挙げられる。

そのため、ホログラムとして記録したい試料中に目印を決める、あるいは試料が図８に示したごとく粒形状の場合には試料形状自体を目印として、第１と第２のホログラム中の試料位置が観察記録系の同じ位置に来るようにする。具体的には、視野の中央部に試料を位置させるだけでよい。これには、ＣＣＤカメラなどを用いて実験中に簡単に記録済画像データが確認できれば、２枚のホログラムの位置合わせ操作は容易である。

さらに、２枚目のホログラムに関しては、ホログラム内の試料像の位置合わせを自動化することも可能である。以下、その手順を簡単に示し、（８）以後の再生手順は後述する。
（１）１枚目のホログラムを撮影する。
（２）このとき、試料の観察倍率Ｍと記録される視野サイズｌとバイプリズムフィラメント電極径ｄを、演算システム５１に入力する。
（３）記録された１枚目のホログラムから、主たる干渉縞の方位（フィラメント電極の試料面状への投影方位）を求める。例えば、図９に示すように、ホログラムのフーリエ変換により、干渉縞の作るサイドスポットから方位を求められる。
（４）主たる干渉縞の方位と垂直方向に、距離（ｌ＋ｄ）だけ試料をバイプリズムの方向に移動させる。
（５）第２のホログラムを撮影する。この時点においては、暫定的な扱いであり、（８）にて後述する条件をクリアすることで第２のホログラムとして確定する。
（６）第１のホログラムと暫定的な第２のホログラムの自己相関を求める。
（７）上記、自己相関において、２枚のホログラムが最も合致するように、位置の調整⇔自己相関の計測、を繰り返し行う。自己相関においては、例えば、フーリエ変換後のセンタースポットを利用すれば、干渉縞（サイドスポットに付随）の影響を受けずに演算が可能となる。
（８）上記２枚のホログラム画像が合致すれば、暫定的な第２のホログラムを正式に第２のホログラムとして確定させる。
＜実施例５＞
実施例１に記載した手順により記録された第１と第２のホログラムを再生し、参照波に漏洩した電磁場の影響を軽減する方法とその手順について図９を用いて説明する。試料には、例えばラテックス球などの帯電した球体を想定する。ホログラムからの物体波の再生には、最も汎用されているフーリエ変換法を用いた説明を行うが、フーリエ変換法に限定するものではなく、他の手法（例えば位相シフト法）でも、同様に実施可能なものである。

図９の最上部は第１と第２のホログラムの模式図である。ホログラム中央の球体がラテックス球でラテックス自身の内部電位と帯電による電位が合算されてホログラム中の干渉縞のシフトとして記録されている。干渉縞がそれぞれ、図中左側の第１のホログラムでは左側にシフトし、図中右側の第２のホログラムでは右側にシフトしている様子を描いている。この干渉縞のシフト方向の逆転は、前述の試料とバイプリズムとの位置の相対変化による物体波と参照波の交換によるものである。

演算装置を用いた再生方法の手順を以下に述べる。
（１）第１と第２のホログラムを演算装置７７に入力する。
（２）第１と第２のホログラムをそれぞれフーリエ変換する。フーリエ変換によりホログラムの自己相関としてのセンタースポットとホログラムの干渉縞からの回折に該当する２つのサイドスポットが得られる。
（３）左右どちらのサイドスポットを再生に用いるかを実験目的に応じて決定する。
（４）該当するサイドスポットをそれぞれ選択してフィルタリングし、フーリエ空間でセンタリングする。ここで注意しなければならない点は、サイドスポット選択の際に、第１と第２のホログラムで、左右反対のスポットを選択する点である。これはホログラムから物体波の再生時に同時に再生される共役な２つの再生波のうち、揃った位相分布を持つ再生波を選択することを意味している。
（５）逆フーリエ変換により各々の再生波の位相分布を求める。
（６）各々の再生波の位相分布の加算平均を取り、目的の位相分布とする。

そして、上記手順（４）に関連して少し説明を加える。ホログラフィーでは、物体波の再生時に位相変化の方向が逆転した共役な再生波が得られることが知られている。ここで言う共役な再生波とは、例えば位相分布が上に凸の分布を持つ再生波と、下に凸の分布を持つ再生波のことである。本願では参照波に含まれる漏洩電磁場による位相変化を相殺する必要があるため、第１と第２のホログラムからの再生波の位相変化の方向は揃っている必要がある。共役な再生波の発生はホログラフィーの原理に基づくもので、再生手法には依存しない。したがって、フーリエ変換法以外の再生手法を用いた場合においても、共役な再生波のうちのどちらの再生波を用いるかを操作者は決定し、また、２つの再生波において位相変化の方向を揃えなければならない。

図１０に再生位相分布像のシミュレーション結果を示す。図１０の上段図は、帯電した球体の投影電場分布を等電位線で描いたものに該当する。中央部の球体を含む領域が物体波の領域２１Ｒ、物体波の左右の領域が、それぞれ第１と第２の参照波の領域２３Ｒである。電子波はこの電位分布を持つ空間を透過すると、この電位分布を反映した位相分布を得る。そのため、この再生位相分布像は、電子波の位相分布の等位相線表示とみなすことができる。

図１０の中段図は、それぞれ第１と第２の参照波を用いて記録・再生された再生波の位相分布像（８７１、８７２）（等位相線表示）である。それぞれの再生位相分布像（８７１、８７２）で左右の等位相線の密度が異なっている。すなわち、図５aから図５cで説明したごとく、歪んだ（傾いた）波面が再生されていることがわかる。図１０の中段図のそれぞれの再生波の波面は、図１０の上段図の中央部の、元となった物体波の波面とは異なっている。

図１０の下段図は、本願手法により求めた、再生位相分布像８６（加算平均後）である。図１０の中段図に見られた、左右の等位相線の密度差は解消している。すなわち、参照波領域への漏洩電磁場の影響が軽減された再生位相分布像が得られていることがわかる。

しかしながら、図１０の下段図を図１０の上段図の中央部の元物体波の位相分布像と比較すると、やや縦長の分布像となっており、漏洩電磁場の影響の完全除去はできていないことがわかる。この差異は原理的なものであり、完全な除去は不可能であるが、軽減することは可能である。この差異を軽減する方法については後述する。
＜実施例６＞
図１１は、物体波の領域２１Ｒと第１と第２の参照波の領域２３Ｒと電子線バイプリズム９の位置関係が、９０°だけ方位角回転した状態を示す模式図である。実施例１の図６aと同様の表示である。本願では、軸対称な電磁場を観察対象としているため、電磁場の漏洩の影響は方位角には依存しない。したがって、図６aにおける左右の関係が、図１１では上下に変更されるだけで、手順、方法、および得られる結果に変化はない。但し、電子線バイプリズムは、方位角が回転されなければならない。第１と第２のホログラムの記録に際して、試料、または電子線バイプリズム、あるいは、光学系の調整により、物体波の領域と第１と第２の参照波の領域の位置が調整されなければならないのは、実施例１、実施例２もしくは実施例３と同じである。

図１２に図１０と同様のシミュレーション結果を示す。帯電した球体の電場分布を透過した電子波の再生位相分布像（等位相線表示）である。第１と第２の参照波の領域を、物体波領域の上下の位置としているため、再生された再生波の位相分布像（８７１、８７２）は、図１２の左図のように上下に歪んで再生されている。そして、本願手法により歪が軽減された再生波の位相分布像８６は、図１２の右図である。本実施例の場合、図１２の右図は、図１０の下段図とは異なりやや横長の分布像となっている。すなわち、参照波の領域を、どの方位角から選ぶかによって、再生位相分布像に残存する歪の形状が変化することがわかる。
＜実施例７＞
前述の実施例１から実施例６までに記載した本願手法を用いても、なお位相分布像に残存する歪を軽減する方法について説明する。すなわち、参照波の領域を、どの方位角から選ぶかによって、再生位相分布像に残存する歪を軽減する方法について説明する。

図１３は電子線バイプリズム９と物体波の領域２１Ｒと、加えて参照波の領域２３Ｒが物体波の領域の上、下、左、右の領域の位置関係を示す模式図である。実施例１の図６a、および実施例６の図１１を合わせた位置関係である。すなわち、図中横方向の対称性を利用した参照波への漏洩電磁場の軽減手法によってやや縦長に歪んだ再生位相分布像と、縦方向の対称性を利用した参照波への漏洩電磁場の軽減手法によってやや横長に歪んだ再生位相分布像の加算平均を取ることによって、特定方位に残存した歪を解消する方法である。言い換えるならば、実施例１で説明した第１と第２のホログラムと、実施例６で説明した第１と第２のホログラムを撮る方法・手順を、同じ物体波について実施すればよい。

電子線バイプリズムと物体波の領域と各々の参照波の領域の位置の調整は、バイプリズムを移動させてもよいし、試料を移動させてもよい。さらに、偏向器等を用いた光学系の調整によってバイプリズムと試料との相対位置を調整してもよい。しかし、方位角の方向が縦横に直交する状態で一連の観察を実施しなければならないため、電子線バイプリズムの方位角回転は必須である。横方向の対称性に基づくホログラム記録手順（実施例５）と縦方向の対称性に基づくホログラム記録手順（実施例６）は、直交関係により互いに独立であり、実施の順はどちらが先でもかまわない。

図１４に、図１０および図１２と同様の、本実施例のシミュレーション結果を示す。直交２方向の２組の第１と第２のホログラムペアからそれぞれ再生された位相分布像８６には、若干の歪が残存しているが、それぞれの歪の方向が直交していることから、再度加算平均を取ることによって、残存歪をさらに軽減することが可能である。矩形に表示されていることもあるが、最終的に得られた位相分布像８６９の歪は、目視の範囲ではほとんど解消されている。すなわち、縦横の２方向の対称性を用いることによって、再生位相分布に残存する歪が目視の範囲ではほとんど見出せない程度に減少させることができる。

以上、軸対称電磁場に対して直交２方向での２組のホログラムペアから、参照波に漏洩する電磁場の影響を２段階で相殺する方法を説明した。
＜実施例８＞
実施例７と似た効果を奏するが、少し異なる概念に基づく説明をする。すなわち、実施例７の方法は、実施例１、もしくは実施例６で説明した第１と第２のホログラムのいずれかを第３と第４のホログラムとして、都合４枚のホログラムを記録・再生し、各々の再生位相分布の加算平均を取る方法、と言うこともできる。

図１５に、上記考え方に基づくシミュレーション結果を示す。参照波を選択した方位に応じて、図１５上部で示したようにそれぞれのホログラムからの再生位相分布像８６には歪みが生じている。この４枚の位相分布像８６の加算平均が、図１５下部の位相分布像８６９である。最終的に得られた位相分布像８６９の残存歪は、目視の範囲ではほとんど見出せない程度に減少したことがわかる。直交２方向の計４枚のホログラムにより、軸対称電磁場がさらに高い精度で検出可能となった。
＜実施例９＞
実施例８の考え方は、４回回転対称にホログラムを記録・再生し、総４枚の再生位相分布の相加平均を取ることによって、再生位相分布像に含まれる漏洩電磁場によるアーティファクトを除去する手法、と言い換えることができる。

この観点を一般化することにより、光軸を挟んで相対する２枚のホログラムだけで漏洩電磁場によるアーティファクトを除去する必要が無いことが分かった。すなわち、回転Ｎ回対称性を利用して方位角（360／Ｎ）度ごとに記録された、Ｎ枚のホログラムからの再生位相分布像の総Ｎ枚の加算平均によって漏洩電磁場によるアーティファクトが除去されればよい。よって、Ｎは奇数でもよく、光軸を挟んで相対する必要もなくなる。この場合、実施例で述べた試料を移動させて光軸を挟んで相対する２枚のホログラムを記録する手法ではなくなる。すなわち、電子線バイプリズムを方位角（360／Ｎ）°ずつ回転させて、各々のホログラムを記録・再生することが必要となるが、この操作に特段の困難性はない。また、試料の移動によっても当然可能である。

回転対称性をＮ通りに分割するこの方式は、分割の角度精度が十分な場合、分割数Ｎが多いほど再生位相分布像の精度が向上する。最も少ない場合が、実施例１で説明したＮ＝２の場合で、Ｎ＝４の場合も実施例６で既に説明した。Ｎが奇数で、最も分割数の少ない場合が、Ｎ＝３である。これについてシミュレーション結果を含めて説明する。

図１６に電子線バイプリズム９と物体波の領域２１Ｒと、加えて参照波の領域２３Ｒが物体波の領域の上、左下、右下の領域の位置関係を示す模式図である。３つの参照波領域２３Ｒは、物体波領域２１Ｒの中央部を回転対称中心として（360／3）度＝120度ずつ、方位角回転した状態となっている。すなわち、上述のＮ＝３に該当する。実施に当たっては、電子線バイプリズムを120度ずつ方位角回転させ、同じ物体波領域に対して、３枚のホログラムの記録・再生が必要となる。その各々について、試料の位置合わせが必要である。その方法は、試料を動かしてもよいし、光学系の偏向など調整によってもよい。そして、３枚の再生位相分布の加算平均を取ることによって、特定方位に残存した歪を解消することができる。

この任意の回転対称にて実現できる本発明の方法は、電子顕微鏡の位相板など光学素子の評価に有効である。特に幹構造の保持部を持つ素子においては、その影響を避けて素子部の評価ができる点において適している。例えば、電界変調型位相板や磁性リング型位相板、さらに静電型ミニレンズなどは、機構上３軸の幹構造にて保持される場合が多いが、その素子部を電子線干渉法などにて評価する際には、幹構造の電磁場だけでなく、幹構造の存在自体が評価に影響を与えていた。本手法では、幹構造を避けた評価が可能であり、上記光学素子の評価手法として利点を有している。

図１７にシミュレーション結果を示す。参照波を選択した方位に応じて、それぞれのホログラムからの再生位相分布像８６には、図１７上図のように歪みが生じている。この３枚の位相分布像８６の加算平均が、最下部の位相分布像８６９である。加算平均を取った位相分布像８６９に、わずかな３回回転対称性が見られるが、図１０、図１２のＮ＝２の場合と比較すると歪は減少している。しかし、図１５のＮ＝４の場合の方が、図１７のＮ＝３の場合よりも最終的に得られた位相分布像８６９の歪がさらに小さく見えることから、Ｎ回回転対称性の総枚数Ｎが多いほど、再生位相分布像の歪の残存について改善が見られることがわかる。すなわち、実施において方位角の分割精度が十分な場合、分割数Ｎが多いほど再生位相分布像の精度は向上する。すなわち、分割数Ｎを計測するための手順数と精度とは、トレードオフの関係がある。計測時間を短くしたい場合分割数Ｎを小さくし、精度を高めたい場合は分割数Ｎを大きくすることが有効である。
＜実施例１０＞
本願を実施可能な電子線干渉装置の例を図１８に示す。すなわち、対物レンズ５の下部に第１の電子線バイプリズム９１が配置され、対物レンズ５の像面に得られた干渉像を、対物レンズ後段の４段からなる拡大レンズ系（６１、６２、６３、６４）で、拡大して観察する電子線干渉装置である。第１の拡大レンズ６１と第２の拡大レンズ６２の間に第２の電子線バイプリズム９２を配置した２段電子線バイプリズム干渉計の構成をとっている。観察記録面８９に結像された干渉像８８を画像観察・記録媒体７９（例えばＴＶカメラやＣＣＤカメラ）で記録し、位相分布像の再生処理や位相分布像の積算処理などは、例えば画像処理装置７７などで行い、演算結果（再生された位相分布像８７や加算平均された位相分布像８６など）は表示装置７６などを用いて表示されることを示している。
図１８は、従来型の100kVから300kVタイプの電子顕微鏡を想定して、電子線バイプリズム（９１、９２）や、拡大結像系のレンズ（６１、６２、６３、６４）を描いているが、これらの電子顕微鏡光学系の構成要素は、この図に限られるものではない。また、干渉光学系としては２段バイプリズム干渉計を採用した構成（電子線バイプリズム９１、９２を含む）を描いているが、先述のとおり、２段バイプリズム干渉計は必須ではないが、本願においてはフレネル縞等のアーティファクトの軽減のためには採用することが望ましいものである。さらに、実際の装置ではこの図１８に示した構成要素以外にも、電子線の進行方向を変化させる偏向系、電子線の透過領域を制限する絞り機構などが存在する。しかし、描画した以外の装置は、本発明には直接的な関係が無いので、この図では省略している。
電子光学系は真空容器１８中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に排気されているが、真空排気系についても、本発明とは直接の関係が無いため省略する。他の図においても、このような省略は同様である。

なお本願では、電界型電子線バイプリズムを用いて説明を行った。しかし、本発明は電子線バイプリズムとして電子線が干渉させられる装置であれば電界型／磁界型に依らず構成可能であり、説明で用いる電界型電子線バイプリズムに限定するものではない。

１…電子源もしくは電子銃、１１…対物レンズ下側の電子源の実像、１５…第１の偏向器、１６…第２の偏向器、１８…真空容器、１９…電子源の制御ユニット、２…光軸、２１…物体波、２１Ｒ…物体波の領域、２３…参照波、２３Ｒ…参照波の領域、２５…波面、２７…電子線の軌道、３…試料、３１…対物レンズにより結像された試料の像、３９…試料の制御ユニット、４０…加速管、４１…第１照射レンズ、４２…第２照射レンズ、４７…第２照射レンズの制御ユニット、４８…第１照射レンズの制御ユニット、４９…加速管の制御ユニット、５…対物レンズ、５１…制御系コンピュータ、５２…制御系コンピュータのモニタ、５３…制御系コンピュータのインターフェース、５９…対物レンズの制御ユニット、６１…第１結像レンズ、６２…第２結像レンズ、６３…第３結像レンズ、６４…第４結像レンズ、６６…第４結像レンズの制御ユニット、６７…第３結像レンズの制御ユニット、６８…第２結像レンズの制御ユニット、６９…第１結像レンズの制御ユニット、７１…対物レンズによる試料の像面、７６…画像表示装置、７７…画像記録・演算処理装置、７８…画像観察・記録媒体の制御ユニット、７９…画像観察・記録媒体、８…干渉縞、８５…等位相線、８６…加算平均された再生位相分布像、８６１…第１の加算平均された再生位相分布像、８６２…第２の加算平均された再生位相分布像、８６９…演算処理終了後の再生位相分布像、８７…再生位相分布像、８８…干渉顕微鏡像（ホログラム）、８９…観察・記録面、９…電子線バイプリズムのフィラメント電極、９１…第１の電子線バイプリズム、９２…第２の電子線バイプリズム、９６…第２の電子線バイプリズムの制御ユニット、９７…第１の電子線バイプリズムの制御ユニット、９９…平行平板接地電極

Claims (10)

1. 電子源から放出される電子線を試料に照射する照射光学系と、
   前記電子線が照射される試料を保持するための試料保持装置と、
   前記電子線が前記試料に照射されたことに起因する電子線を検出する検出光学系と、
   前記電子線の光軸と垂直な面上において前記試料を含む物体波領域を透過した電子線、および第１の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第１のホログラムを生じさせる電子線バイプリズムと、
   前記第１のホログラムを記録する画像記録部と、
   前記画像記録部に記憶された画像を演算する画像演算部と、を有する電子線干渉装置であって、
   前記電子線バイプリズムは、前記物体波領域、および前記第１の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第２の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第２のホログラムを生じさせ、
   前記画像記録部は、前記第２のホログラムを記録し、
   前記画像演算部は、前記第１のホログラムおよび前記第２のホログラムに基づき、
   前記物体波領域の位相値を求めることを特徴とする電子線干渉装置。
2. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記試料保持装置が前記面上を移動させることによって、前記電子線バイプリズムに前記第１および第２のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。
3. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記照射光学系が前記電子線の伝搬する方向に関して前記試料の上流側と下流側において前記電子線を偏向させることによって、前記電子線バイプリズムに前記第１および第２のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。
4. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記画像演算部は、前記第１のホログラムから求めた第１の位相分布像と前記第２のホログラムから求めた第２の位相分布像との対応する位置での位相値の相加平均を求めることで、前記位相値を演算することを特徴とする電子線干渉装置。
5. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記第１のホログラムと前記第２のホログラムに記録される前記物体波領域は同じ領域であることを特徴とする電子線干渉装置。
6. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記照射光学系は、前記電子線バイプリズムを方位回転させることによって前記物体波領域、および第３の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第３のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。
7. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記試料を前記光軸に垂直な平面内、かつ前記光軸を回転の中心とし前記第１の参照波領域および前記第２の参照波領域の回転対称となる位置へ移動させることによって、前記物体波領域、および第３の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第３のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。
8. 請求項１に記載の電子線干渉装置であって、
   前記画像演算部は、前記第１のホログラムと、前記第２のホログラムと、第３の参照波領域にて得られる第３のホログラムと、に基づき、前記物体波領域の位相値を求めることを特徴とする電子線干渉装置。
9. 電子線バイプリズムを用いた電子線干渉法において、
   電子線の光軸と垂直な試料の存する面上で試料を含む物体波領域と第１の参照波領域を定める第１設定ステップと、
   前記第１の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第２の参照波領域を定める第２設定ステップと、
   前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第１の参照波領域を透過した電子線とを干渉させた第１のホログラムと、前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第２の参照波領域を透過した電子線を干渉させた第２のホログラムと、を記録する記録ステップと、
   前記第１のホログラムと前記第２のホログラムとに基づき、物体波の位相分布像または位相値を演算する演算ステップとを有することを特徴とする電子線干渉方法。
10. 請求項９に記載の電子線干渉方法であって、
    前記演算ステップは、前記第１のホログラムと、前記第２のホログラムと、第３の参照波領域にて得られる第３のホログラムと、に基づき、前記物体波の位相分布像または位相値を求めることを特徴とする電子線干渉方法。

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