JP6937392B2 - 空間位相変調した電子波の発生装置 - Google Patents

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Description

本明細書は、位相の空間分布を意図したように変調した電子波、あるいは、位相の空間分布と強度の空間分布の双方を意図したように変調した電子波（以下では、空間位相変調した電子波と総称する）の発生技術を開示する。また本明細書では、空間位相変調した電子波の利用技術を開示する。
光に関しては、空間位相変調する技術が実用化され（特許文献１）、位相の空間分布を意図したように変調した光、あるいは位相の空間分布と強度の空間分布の双方を意図したように変調した光を得ることが可能となっている。光を空間位相変調すると様々なことが可能となり、光ビームの強度分布（照射面における強度分布）を意図したように変調すること（ビーム成型と称される）、収束光学系による収差を極少化すること、超短パルス光を発生すること（光パルス整形と称される）などが可能となる。また光学顕微鏡の解像度を微細化することもできる。
特開平０６-０５１３４０号公報 特表２００４−５０６２９６号公報
T.Kondoh et al., Proc.PASJ4/LAM32, pp185-187, August 1-3,2007 H.Kashima et al., Proc.PASJ4/LAM32, pp721-723, August 1-3,2007
特許文献２、非特許文献１、非特許文献２に、強度の空間分布を変調した電子波を発生する技術が開示されている。しかしながら、上記の従来技術は、電子波の強度の空間分布を変調するものであり、電子波の位相の空間分布を変調することはできない。
位相の空間分布を意図したように変調した電子波、あるいは、位相の空間分布と強度の空間分布の双方を意図したように変調した電子波を得ることができれば、空間位相変調した光の場合と同様に、様々な利用方法が可能となるが、現時点では、空間位相変調した電子波を得る好適な方法が知られていない。わずかに、透過する電子波の位相に影響を与える位相板を電子波の進行経路に挿入する手法しか知られていない。
位相板を挿入する方法は様々な問題を持っている。例えば、位相板によって、利用可能なプローブ電流が減少してしまう。強度変調と位相変調を分離することが難しいために、位相と強度の双方を意図した分布状態に変調することが難しい。位相板がチャージアップして変調能力が変動したり、位相板が損傷したりするために、位相板を頻繁に交換する必要がある。あるいは位相板のエッジによる回折現象、位相板の原子構造による回折図形の発生なども問題となる。
本明細書では、位相板を利用しないで空間位相変調した電子波を発生する技術を開示する。
本明細書で開示する電子波発生装置は、レーザー光出力装置と、空間光位相変調器と、光陰極を備えている。光陰極は、表面にＮＥＡ膜が形成された半導体膜を有し、その半導体膜の厚みは、半導体膜中での電子のコヒーレント緩和時間に半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値より薄い。
空間光位相変調器は、レーザー光出力装置が出力したレーザー光を入力して空間位相変調し、空間位相変調したレーザー光を半導体膜に向けて出力する。空間光位相変調器で空間位相変調されたレーザー光が半導体膜に入力する（半導体膜を照射する)と、空間位相変調されたレーザー光の位相の空間分布が電子波に転写され、半導体膜から出力される電子波はレーザー光の位相の空間分布に変調されている。すでに開発されている光の空間位相変調技術によって、レーザー光の位相の空間分布を意図したように変調することができることから、上記によると、位相の空間分布を意図したように変調した電子波を発生することができる。
半導体膜に入力するレーザー光の位相の空間分布と強度の空間分布の双方が変調されている場合は、半導体膜が出力する電子波の位相の空間分布と強度の空間分布の双方が対応することになる。
空間光位相変調器には、例えば浜松ホトニクス株式会社のＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator）のＸ１０４６８シリーズのように、液晶パネルとそのコントローラを利用する空間光位相変調装置を利用できる。その装置の技術解説は、https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/12_handbook.pdfで閲覧することができる。光が透過する誘電体によって空間光位相変調器を実現することもできる。誘電体の位置と厚みと材質等を選択することによって、光の位相の空間分布を意図したように変調することができる。電子波の進行経路に位相板を挿入する場合に比較すると、レーザー光の進行経路に透明誘電体を挿入することによって生じる問題は小さい。
空間光位相変調器には、変調した分布状態が経過時間に対して一定のものと、変調した分布状態が経過時間とともに変化するものの双方が利用可能である。
ＮＥＡ膜とは、通常、負の電子親和力（negative electron affinity）を実現する膜を言う。即ち、半導体表面の電子を観察したときに、真空準位が伝導帯の底より低い関係を実現する膜をいう。この場合、価電子帯から伝導帯へ励起された電子は、そのまま何の障害もなく真空準位へ遷移することができる。つまり、室温或いはそれより低い温度によって伝導帯に励起された電子が、半導体中から真空中へと放出されていく。これを負の電子親和力と言う。
実際的には、伝導帯の底より36meV（ミリエレクトロンボルト）程度高いエネルギーを持つ電子が真空中に放出されるものであれば、実用可能な強度の電子波を得ることができる。伝導帯の底から36meVだけ高いエネルギー準位より低い真空準位をもたらす膜であれば、ＮＥＡ膜に利用することができる。本明細書でいうＮＥＡ膜には、真空準位が伝導帯の底より低いもののみならず、真空準位が伝導帯の底から36meVだけ高いエネルギー準位より低いものの双方をいう。
本装置は、位相板を利用しないで空間位相変調した電子波を発生するものであるが、位相板と併用できないものでなく、位相板と併用することを排除しない。
位相の空間分布を変調した電子波には、位相の空間分布が一様でなく強度の空間分布が一様な電子波（位相の空間分布のみを変調した電子波）と、位相の空間分布と強度の空間分布の双方が一様でない電子波（位相の空間分布と強度の空間分布の双方を変調した電子波）が含まれる。
本明細書に記載の装置と方法によって空間位相変調された電子波の発生が可能となり、下記に例示する種々の可能性が広がる。
・位相の空間分布を意図したように変調した電子波を得ることができる。
・その電子波を利用すると、電子波との相互作用が弱い試料（例えば生体細胞）あるいは電子波によって損傷しやすい試料などを、電子顕微鏡で観察することが可能となる。新たな位相差電子顕微鏡を実現できる。
・位相変調された電子波が得られると、それから強度の空間分布が調整された電子波ビームを高効率に得ることができる。例えば、ストライプ状の強度分布に調整された電子波ビームを用いて、電子顕微鏡に構造化照明技術を導入することができる。
・その電子波を利用すると、位相回復法などの画像解析技術が適用できる電子顕微鏡画像を撮影することができる。
・その電子波を利用すると、圧縮センシング法などの画像解析技術に位相条件を導入することが可能となり、画像解析時間を短縮できる。
・その電子波を利用すると、マイクロ波発生装置またはテラヘルツ波発生装置と組み合わせることで、位相の空間分布を変調したマイクロ波またはテラヘルツ波の発生が可能となる。これによって、マイクロ波やテラヘルツ波の高密度化が可能となり、導波路による輸送効率が向上する。
・位相の空間分布が経過時間とともに変化する電子波（電子波）を得ることができる。
・その電子波を利用すると、角運動量を有するボルテックス（Vortex）電子波を用いた観察が可能となる。
・粒子を回転可能な電子波ピンセットを実現できる。
・その電子波を利用すると、量子情報の読取と記憶が可能となる。
実施例１の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例２の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例３の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例４の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例５の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例６の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例７の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例８の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例９の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例１０の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 実施例１１の空間位相変調した電子波の発生装置を示す。 空間位相変調された電子波が得られたことを確認した実験装置を示す。 図１２の装置によって得られた結果を示す。 空間位相変調された電子波を利用すると球面収差が縮小することを示す実験例を示す。
以下に説明する実施例の技術的特徴を列記する。
（特徴１）光陰極に、GaAsとGaAsPの歪超格子構造を備えた半導体膜を用いる。
（特徴２）半導体膜の表面に、その半導体の伝導帯の底をエネルギーレベルの基準としたときに、36meV（ミリエレクトロンボルト）のエネルギーを持つ電子を真空環境に放出するＮＥＡ表面を形成する。
（特徴３）ＮＥＡ表面近傍の電子を試料に向けて加速する電極を備えている。
（特徴４）位相の空間分布、または位相の空間分布と強度の空間分布の双方を、任意の（意図した）分布状態に変調できる空間光位相変調器を利用する。
（特徴５）位相の空間分布、または位相の空間分布と強度の空間分布の双方を、経過時間とともに変化させることができる空間光位相変調器を利用する。
図１は、実施例１の電子波発生装置を示している。参照番号２はレーザー光出力装置、４は光ファイバ、６はコリメータレンズ、８と１０は偏光用光学素子、１２は空間光位相変調器、１６はフォーカシングレンズ、２６は上記光学装置を支持するハウジングを示している。１４は、空間光位相変調器１２によって位相の空間分布が意図したように変調されたレーザー光を示している。
２８は電子銃部分の筐体、３０は電子顕微鏡の鏡筒、１８は光陰極、２０と２２は電子を加速する電極対を示している。ハウジング２６を電子銃部分の筐体２８に固定すると、空間位相変調されたレーザー光１４が光陰極１８の背面を照射する位置関係に調整されている。電極対２０，２２の間には電位差が加えられ、一方の電極２０は光陰極１８を支持する機能を合わせ持っている。
レーザー光１４が光陰極１８の背面を照射すると、光陰極１８の前面から電子波２４が放出され、電極対２０，２２によって図示しない試料に向けて加速される。光陰極１８から放出された電子波２４の位相の空間分布は、空間光位相変調器１２によって空間位相変調されたレーザー光１４の位相の空間分布に等しい。電子波２４の位相の空間分布は、レーザー光１４の位相の空間分布を転写した関係になっている。
光陰極１８は、GaAsとGaAsPで構成された歪み超格子構造を備えた半導体の膜で形成されており、その前面（図１の左側の面）にはＮＥＡ膜がコートされており、背面（右側の面）にはＮＥＡ膜がコートされていない。半導体膜にレーザー光を照射すると、その半導体膜のＮＥＡ膜側から電子波が放出される。その詳細は、特開２００７−２５８１１９号公報に記載されており、重複説明を省略する。また、歪み超格子構造を備えた半導体膜に円偏光したレーザー光を照射すると、特定のスピン方向が優越する偏極電子波が得られる。円偏光の方向によって放出される電子のスピン方向が決まり、円偏光の方向を反転させると、偏極電子波のスピン方向が反転する。その詳細は、国際公開ＷＯ２０１１／１２２１７１号公報に記載されており、重複説明を省略する。ＮＥＡ膜の材質・製膜方法等の詳細も、上記２公報に記載されており、重複説明を省略する。レーザー光で照射した半導体膜から放出される電子波はコヒーレントであり、干渉縞を生成することが確認されている（APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 193101(2014), Coherence of a spin-polarized electron beam emitted from a semiconductor photocathode in a transmission electron microscope, Makoto Kuwahara et. al）。
本実施例では、上記技術を利用し、歪み超格子構造を備えた半導体膜を光陰極１８とした。電子のスピンが重要でない場合は超格子構造が必要とされず、GaAs膜、AlGaAs膜、InGaAs膜等を使用することができる。
前記した転写性を実現するために、下記の条件を採用した。
半導体膜の厚みは、半導体膜内における電子のコヒーレント緩和時間（半導体中で電子のコヒーレンスを保つ時間）に半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値よりも薄い関係とした。即ち、コヒーレント緩和時間内に電子が半導体膜を通過する関係とした。上記の関係を満たす半導体膜は、100nm程度と薄く、レーザー光１４が半導体膜を通過する。半導体膜にレーザー光を照射すると、半導体膜の背面から照射しても前面から照射しても、半導体膜の厚み内の各所から電子が移動し、ＮＥＡ表面から放出される。ＮＥＡ表面から放出される前に必要とされる移動時間が最大のものは、半導体膜の背面から移動した電子である。半導体膜が、半導体膜内における電子のコヒーレント緩和時間に半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値よりも薄ければ、移動に最大時間を要する電子でもコヒーレント緩和時間内に半導体膜を通過してＮＥＡ表面から放出される。電子のコヒーレント緩和時間内にＮＥＡ表面から電子が放出されると、電子波２４の位相の空間分布が、レーザー光１４の位相の空間分布を転写した関係が得られる。
また半導体膜中での電子の緩和時間には、LOフォノン散乱が大きく影響し、エネルギーが36meV（その半導体の伝導帯の底をエネルギーレベルの基準とする）を超える電子の緩和時間は、LOフォノン散乱によって短くなる。逆に言うとエネルギーが36meVを超えない電子は、LOフォノン散乱の影響を受けにくく、緩和時間が長い。本実施例では、半導体膜中で36meVのエネルギーを持つ電子を真空中に放出するＮＥＡ表面を利用することによって、コヒーレント緩和時間内に電子が半導体膜を通過する関係を得た。
負の電子親和力（negative electron affinity）を実現する膜を用いれば、伝導体の底から36meVのエネルギー範囲内にある電子が真空中に放出されるので問題はない。真空準備を下げる膜を利用しない場合、伝導体の底から36meVのエネルギーにある半導体中の電子は真空中に放出されない。ＮＥＡ膜は、その電子を真空中に放出させるものであることから、必ずしも負の電子親和力を持つものに限られず、伝導体の底から36meVだけ高いエネルギー準位より低い真空準位をもたらす膜であればよい。
ＮＥＡ表面を利用しないと、コヒーレント緩和時間が長い36meV以下の電子を光陰極１８から放出させることができない。半導体膜を薄くしてＮＥＡ膜と組み合わせて用いると、位相の空間分布の転写性が得られる。
図１の空間光位相変調器１２は、多数の液晶セルを２次元に配置した構造を備えており、液晶セルに印加する電圧の大きさをセル毎に独立して制御可能となっており、レーザー光が液晶セルを通過する間に生じる位相の遅れの大きさをセル毎に独立して制御可能となっている。即ち、空間光位相変調器１２を通過したレーザー光の横断面を観察すると、横断面内の位置によって位相が変化している。空間光位相変調器１２を通過したレーザー光の位相の空間分布は一様でなく、その空間的位置関係によって位相が異なっている。レーザー光を透過する液晶パネルと、液晶パネルの各セルに印可する電圧を制御するコントローラの組合わせによって、空間光位相変調器１２とすることができる。
光陰極１８の背面にレーザー光１４を照射すると、光陰極１８の前面から電子波２４が放出される。ここで、レーザー光１４の位相の空間分布が一様でないと、その空間分布が電子波に転写される。即ち、位相の空間分布がレーザー光１４のそれに一致する電子波２４が放出される。放出された電子波は、電極対２０，２２によって試料に向けて加速される。
上記では位相が空間変調されたレーザー光１４で照射した場合を示したが、位相の空間分布と強度の空間分布の双方が空間変調されたレーザー光で照射すると、位相の強度分布と強度の空間分布の双方がレーザー光のそれらに一致する電子波が放出される。透過するレーザー光の位相を遅らせるとともにその遅れ量をセルごとに制御可能な液晶パネルと、
透過率をセルごとに制御可能な液晶パネルの組合わせによって、位相の空間分布と強度の空間分布の双方が空間変調されたレーザー光を得ることができる。
空間光位相変調器によると、位相の空間分布が時間とともに変動する光、位相の空間分布と強度の空間分布の双方が時間とともに変動する光を得ることが可能であり、これを利用することによって、位相の空間分布が時間とともに変動する電子波、位相の空間分布と強度の空間分布の双方が時間とともに変動する電子波を得ることが可能である。
なお、半導体膜が歪超格子構造を持ち、レーザー光が円偏向していると、その円偏光の方向によって、半導体膜から放出される電子のスピン方向が制御される。右向きスピンが優越的な電子波を得ることもできれば、左向きスピンが優越的な電子波を得ることもできる。スピン方向が偏極した偏極電子波を空間位相変調することも可能である。
本実施例の装置によって、位相が空間変調された電子波と、位相と強度の双方が空間変調された電子波を得ることができる。さらに必要があれば、上記性質に加えて、その空間分布が経過時間とともに変化する電子波、あるいは特定のスピン方向が優越的であってその位相の空間分布、さらには時間分布までが変調された電子波を得ることもできる。
空間光位相変調器には、反射型のものが存在する。この場合は、図２のように、空間光位相変調器１２Ａで反射されたレーザー光（空間位相変調されている）を反射鏡１３で反射して光陰極１８に向ける。例えば、浜松ホトニクスのＬＣＯＳ-ＳＬＭのＸ１０４６８シリーズを、反射型の空間光位相変調器１２Ａとすることができる。
図１２は、空間光位相変調器４２と光陰極４４の組合わせによって空間位相制御された電子波が発生することを検証した実験装置を示している。
図１２（Ａ）において、４０はレーザー光出力装置、４２は空間光位相変調器、４４は光陰極、４６はコンデンサーレンズ、４８は開口が形成されている絞り、５０は試料を置く面、５２はプロジェクションレンズ、５４はバイプリズム、５６は投影面を示す。
レーザー光出力装置４０は、位相が揃ったレーザー光（進行方向に直交する横断面で観察したときの位相が場所によらないで一定の位相にあることをいい、平面波レーザー光という）を出力する。空間光位相変調装置４２は、図１３（Ａ１）（Ａ２）に示すように、ビーム中心から半径方向に延びる軸上の位相が一定であり、所定の回転角にある前記半径上の位相に対して、それから９０度の角度にある半径上の位相が１／２・πだけ遅れ、１８０度の角度にある半径上の位相がπだけ遅れ、２７０度の角度にある半径上の位相が３／２・πだけ遅れる関係にある。半径同士のなす角と、位相の遅れ量が比例関係にある。位相遅れのない半径の方位は、空間に対して回転する。（Ａ２）は（Ａ１）の状態から所定時間が経過した後の位相を示し、その間にθだけ回転したことを示している。このように空間位相変調されたレーザー光は、ボルテックス光と称される。
光陰極（半導体膜）４４の下面はＮＥＡ膜で被覆されており、光陰極４４の上面にレーザー光が入力すると、ＮＥＡ膜から電子波が出力される。電子波は加速装置によって下方に送られる。
空間光位相変調器４２は光軸の中心近傍に置かれており、レーザー光の周辺部は空間光位相変調器４２を通過しない。このために、光軸の中心近傍では、ボルテックス光が光陰極４４の上面に入力し、光軸から離れた位置では、平面波レーザー光が光陰極４４の上面に入力する。
光陰極４４は、放出する電子波にレーザー光の位相を転写する。この結果、光軸の中心近傍では、図１３（Ａ１）（Ａ２）に示した回転する位相を有するボルテックス電子波が出力され、周辺部では平面波電子波が出力される。図１２のＢ−Ｂは、電子波ビームの横断面において、光軸の中心近傍をボルテックス電子波５８が進行し、周辺では平面波電子波６０が進行することを示している。
バイプリズム５６は、光軸よりも右側を進行する電子波の進行方向を左側に変位させ、光軸よりも左側を進行する電子波の進行方向を右側に変位させる。図１２のＢ−Ｂの横断面を持つ電子波がバイプリズム５４を通過すると、例えば、光軸の右側を進行するボルテックス電子波５８の進行方向を左側に変位させ、光軸の左側を進行する平面波電子波６０の進行方向を右側に変位させ、その結果、図１２のＣ−Ｃに示すように、投影面５６上の特定の位置６２では、ボルテックス電子波５８と平面波電子波６０の双方が入力し、干渉縞を作り出す。図１２のＣ―Ｃの６４は、干渉縞の撮影範囲を示している。
図１３（Ｂ）は、観察された干渉縞を示している。これに対して、図１３（Ｃ）は、ボルテックス電子波５８と平面波電子波６０によって得られる干渉縞を計算して求めたパターンを示している。（Ｂ）と（Ｃ）はよく対応しており、空間光位相変調器４２によって空間光位相変調されたボルテックスレーザー光を光陰極４４に入力すると、光陰極４４からボルテックス電子波が出力されることが確認される。ボルテックス電子波の位相の空間分布と時間分布には、ボルテックスレーザー光の位相の空間分布と時間分布が転写され、両者は一致する。
図１と図２では、光陰極（ＮＥＡ表面が形成された半導体膜）１８の背面にレーザー光１４を照射するが、図３〜図１１に示すように、光陰極１８の前面にレーザー光を照射してもよい。図３〜図１１では、レーザー光出力装置２、光ファイバ４、コリメータレンズ６の図示を省略している。また、既説明の部材には、同じ参照番号を付して、重複説明を省略する。
図３では、レーザー光が通過する光学系と、電子銃部分の筐体２８との間に、静電型の偏向器３２を追加している。偏向器３２には、レーザー光１４が通過する貫通孔３２Ａが設けられている。電子波２４の進行方向は偏向器３２によって下方に曲げられ、電子顕微鏡の鏡筒３０（下方に向かって延びている）に送られる。
図４に示すように、鏡筒３０が左右方向に延びている場合は、偏向器３３を追加する。
図５に示すように、静電型偏向器に代えて、偏向用電磁石３４を利用してもよい。偏向用電磁石３４には、レーザー光２４が通過するギャップを形成しておく。
図６は、図４に対応するものであり、偏向用電磁石３５を追加したものである。
図７に示すように、レーザー光の経路に反射器１３Ａを挿入してもよい。反射器１３Ａに凹面鏡を利用するとレーザー光が光陰極１８の前面の特定個所に集束する関係を得ることができ、フォーカシングレンズを不要化できる。
図８に示すように、反射型の空間光位相変調器１２Ａを利用してもよい。
図９に示すように、凹面鏡反射器１３Ａと、反射型の空間光位相変調器１２Ａを併用してもよい。
図１０に示すように、レーザー光１４を光陰極１８に対して斜め方向から照射してもよい。
図１１に示すように、中心に電子波が通過する貫通孔１７を設けた凹面反射鏡１３Ａを利用してもよい。参照番号１５は光学バイプリズムであり、横断面を観察すると強度がリング状の範囲に分布するレーザー光１４Ａに変換する。凹面反射鏡１３Ａによって、リング状レーザー光が光陰極１８の前面の特定個所に集束する関係を得ることができる。
光学系を真空中に配置するか大気中に配置するかに関しては特に制約がなく、一部の光学素子を真空中に配置し、他の光学素子を大気中に配置してもよい。
上記の電子波が得られると下記する様々なことが可能となる。
（構造化照明法による電子顕微鏡の高解像度化）
光学顕微鏡では、強度の空間分布を変調した光を利用することによって、光の回折限界を超えるレベルにまで高解像度化できることが知られている（例えば、 及川義朗、超解像顕微鏡の技術と応用 顕微鏡 pp238-240, Vol.47, No.4, 2012）。同じことが電子顕微鏡でも可能であり、強度の空間分布を変調した電子波が利用可能となると、電子波の回折限界を超えるレベルにまで電子顕微鏡を高解像度化できる。
ＳＴＥＭの走査線と結晶格子によって得られるモアレ縞を利用して構造化照明法を実施することが可能である（近藤、ＳＴＥＭの走査線と結晶格子によるモアレ縞を利用した高解像度歪解析法、顕微鏡、Vol.49, No.3, 2014）。原理的には、走査模様の電子波を利用することによって、透過電子顕微鏡で構造化照明法を実施することができなくはない。しかしながら実際には、複雑な走査信号処理と検出器同期を必要とし、簡単でない。本技術によると、ストライプ状の強度の空間分布を持つ電子波、すなわち走査模様の電子波を得ることができるために、透過電子顕微鏡に構造化照明法を導入することができる。試料を照射する電子波の位相の空間分布は、モアレ模様から微細構造を再構築するフーリエ演算を簡単化ないし高速化するものを選ぶことができる。あるいは、干渉によってストライプ状の強度の空間分布を持つ電子波を生成する位相の空間分布に調整してもよい。
ＴＥＭによる構造化照明法とＳＴＥＭによる構造化証明法を比較すると、前者によると1回の撮像で済むために、利用可能な試料の種類や撮影条件が緩和される。また、試料を照射する電子波のストライプ方向を変えて複数回撮影することで、解像度をさらに上げる技術が知られているが、本技術によると空間光位相変調器によってストライプ方向を容易に変更することができる。空間光位相変調器自体を回転させることもできる。
（球面収差の改善による電子顕微鏡の高解像度化）
電子波を電子波レンズで収束すると球面収差が発生し、それが電子顕微鏡の大きな問題となっている（例えば、田中信夫、収差補正ＴＥＭ／ＳＴＥＭの現状と今後の展望 顕微鏡 pp175-180, Vol.46, No.3, 2011、田中信夫、球面収差補正による高分解能電子顕微鏡法の分解能向上 日本結晶学会誌 pp 20-25, 第47巻, 第1号, 2005）。位相の空間分布を変調した電子波によると、レンズ収差を補償して収差を極少化することができる。レンズ収差が極少化された状態で試料を観察することが可能となり、高解像度化が進む。
図１４は、電子レンズによる収束点の良否を示すロンチグラムを示す。（Ａ）は、平面波電子波を収束した場合のロンチグラムを示す。電子レンズによって、位相の空間分布が不均一になることがわかる。（Ｂ）は、電子レンズがもたらす位相の空間分布をあらかじめ求め(すなわち（Ａ）の位相分布をあらかじめ求め)、その位相分布によって相殺(打ち消される)だけの位相分布を空間光位相変調器で作り出し、その空間光位相変調器からのレーザー光で得られる電子波を電子レンズで収束した場合のロンチグラムを示す。明らかに、（Ｂ）に示すロンチグラムの倍率は（Ａ）に示すロンチグラムの倍率よりも高く、空間位相変調してから収束することによって収差が減少することが確認される。
（球面収差の補正装置の不用化）
位相の空間分布を変調した電子波を利用すると、レンズ収差を補正するレンズが不要となり、電子顕微鏡を小型化し、高解像電子顕微鏡を安価に提供することが可能となる。現状では、球面収差補正装置が極めて高価であり、高解像度電子顕微鏡の普及を妨げている。
（コントラストの向上）
高分子や生体試料などの軽元素から構成される物質では、透過電子顕微鏡像のコントラストが低いという問題がある。コントラストを高めるために、電子波の進行経路の一部に位相板を配置する技術が知られている。例えば、中心開孔を持つリング状のカーボン膜を位相板に用いることによってウイルス観察が可能となる（山口正視 et. al., 位相差電子顕微鏡によるウイルス観察 顕微鏡 pp.115-120, Vol. 43, No.2, 2008）。中心開孔を通過する電子波には位相の遅れが生じないのに対し、カーボン膜を通過する電子波の位相は９０度遅れる。即ち、電子波の横断面を観察した場合に、中央部と周辺部の間に９０度の位相差を持つ電子波を利用する。両者の干渉を利用することによって、コントラストを高めることができる。
位相板には、照射電子波によって損傷したり、チャージアップが発生したりするといった問題があり、長時間の使用が不可能である。通常は電子顕微鏡の真空内に数枚の位相板をインストールしておき、壊れるたびに交換しながら使用する。インストールしておいた位相板を使い切ると、真空を破って新しい位相板に交換する必要がある。さらにチャージアップや損傷が発生することから、安定的に計測できる時間が非常に限られている。本技術によって、この問題が解消する。
（位相回復法の改良）
透過電子顕微鏡像から数値解析的に強度情報と位相情報を抽出する位相回復法が知られている。位相回復法によると、電子波ホログラフィー用の干渉縞を生成する必要がなく、通常の顕微鏡画像から位相情報を抽出することができる。位相回復法では、電子波照射時に円孔マスクなどを用いて照射領域を限定することにより、電子波照射領域の空間情報を既知情報として数値計算時の拘束条件に与え（例えば特開２００６−３３１９０１号公報）、フーリエ反復位相回復法によって拘束条件を満たす解を求める（高橋 et.al., 位相回復に用いるフーリエ反復法の改善, pp. 39-45, 光学, 第32巻, 1号, 2003）。この手法では、微細かつ高精度なマスクが必要となる。またフーリエ反復位相回復法で拘束条件を満たす解を得るまでに多くの計算量を必要とする。
本技術によると、電子波発生時に、既知の空間構造を持った電子波を発生させることが可能となる。また、空間的な位相情報を重畳させることができるために、従来は強度の空間分布情報のみを拘束条件として使用してきたのに対し、位相の空間情報をも拘束条件に加えることが可能となり、数値計算の収束を早くさせ、計算速度の向上も期待される。
（圧縮センシングによる画像回復技術の改良）
疎な画像から元画像を復元する圧縮センシングによる画像回復法が知られている。この技術では、ランダムサンプリングを必要とする（三村和史, 圧縮センシング−疎情報の再構成とそのアルゴリズム−, 数理解析研究所講究録,第1803巻, pp.26−56, 2012、小崎大介et. al., 適応圧縮センシングアルゴリズムによる磁気共鳴画像の復元, pp.1−4, 計測自動制御学会東北支部第306回研究集会（2016.12.10）資料番号306-9、特表２０１６−５３８６８１号公報）。
本発明によると、電子波にランダムな空間位相変調と空間強度変調を加えることができるために、画像回復が可能な電子顕微鏡像を容易に得ることができる。さらに、ランダムサンプリングに加えて照射領域を限定することにより、画像回復に要する計算時間が短縮される利点を持っている。さらにニューラルネットワークやディープラーニング、機械学習と組み合わせを実施することでさらに画像回復の計算速度とその精度の向上が期待される。
これにより、低ドーズ（少ない電子波の照射量）観察が可能となり、生体分子、高分子などの壊れやすい試料観察のダメージレス観察が容易になる。さらに、チャージアップなどの問題も回避できるため、導電性物質でなくとも安定した観察が可能となる。
（量子情報の処理）
角運動量を有するボルテックス電子波（Vortexビーム）を生成するために、従来は、フォークマスクや位相板などを電子波進行路上に設置しなければならなかった（斎藤晃 et. al., らせん状の波面を持つ電子波の生成, 伝搬, 干渉 pp.39-46, 顕微鏡 Vol. 48, No. 1, 2013）。この技術には、電子波の強度が低下する問題、極微細なマスクを高精度で作成する必要があるという問題、マスクがチャージアップして位相が乱れる問題、更には異なる角運動量を有する複数のVortexビームが同時に発生するなど種々の問題があった。
本発明では、時間的に変化する空間位相変調された電子波を発生することができることから、光陰極から直接にVortexビームを発生することができ、上記問題が発生しない。
さらに空間光位相変調器によって単一の角運動量を有するLG光ビームを生成できるため、高次のLG光ビームによる高次のVortexビーム発生を抑制することが可能となる。
右巻きVortexと左巻きVortexを生成するLG光ビームを量子のもつれ状態（エンタングルメント状態）にしておくと、エンタングルメント状態を保った電子波Vortexビームは生成することができる。量子情報分野ではエンタングルメントしたLG光ビームを用いた量子通信の開発が進んでいるが、これを電子波に転写し、真空中に取り出すことによって真空管に情報を溜め込むことが可能となる。これにより一時保存機能として使用が可能となる。量子光が持っている情報をストレージすることも可能となる。エンタングルメント状態にあるLG光ビームの一方の光から発生したVortexビームを試料に照射ながら、他方の光を観察することによって、試料の状態を観察することも可能である。この場合、電子波でなく、光計測技術によって試料を電子線で観察した場合の様子を知ることできる。試料の状態観察が可能となる。
（電子波の露光パターンの制御）
https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/12_handbook.pdf の「ビーム成型」の項目に記載されているように、空間位相変調光と干渉現象を利用することによって強度の空間分布が変調された光（ビーム成型された光）を得ることが可能である。本技術によると、ビーム成型された光を半導体膜に照射することによって、ビーム成型された電子波、すなわち強度の空間分布が変調された電子波を得ることができる。
強度の空間分布が変調された電子波を電子波描画装置に応用すると、１ショットで所望のパターン領域を露光すること、あるいは１ショットで多点を露光するといったことが可能となり、電子波の走査が不要化される。電子波で描画する３Ｄプリンターといった構造体加工方法を簡単に実施できるようになる。また、照射サンプルへのデータ書き込みやデータ読み出しへの利用も可能となる。
（溶接、溶断等への利用）
所望の強度の空間分布を持った電子波を用いて溶接・溶断することが可能となる。
（粒子の移動）
電子波の収束点を粒子に一致させ、その収束点の位置を移動させると粒子を移動させることができる。光ピンセットと同じ現象が電子波でも可能である。特に、ボルテックス電子波を利用すると、収束点にある粒子を回転させることもできる。粒子を移動させるのみならず粒子を回転させることが可能な電子波ピンセットが得られる。
（電磁波への応用）
また、マイクロ波、テラヘルツ波発生装置に組み込むことで、空間位相変調した電磁波発生が可能となり、マイクロアレイ型（スピント型）電子源を超える任意空間構造や簡便性を提供する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２：レーザー光出力装置
４：光ファイバ
６：コリメータレンズ
８，１０：偏向用光学素子
１２，１２Ａ：空間位相変調器
１４：空間位相変調されたレーザー光
１６：フォーカシングレンズ
１８：光陰極
２０，２２：電極対
２４：空間位相変調された電子波（電子波）
２６：ハウジング
２８：電子銃部分の筐体
３０：鏡筒
３２，３３：電子波偏向装置（静電型）
３４，３５：電子波偏向装置（電磁石型）
４０：レーザー光出力装置
４２：空間光位相変調器
４４：光陰極
４６：コンデンサーレンズ
４８：開口が形成されている絞り
５０：試料を置く面
５２：プロジェクションレンズ
５４：バイプリズム
５６：投影面
５８：ボルテックス電子波
６０：平面波電子波

Claims (11)

  1. 電子顕微鏡であり、
    レーザー光を出力するレーザー光出力装置と、
    前記レーザー光出力装置が出力したレーザー光を入力し、入力したレーザー光を空間位相変調したレーザー光を出力する空間光位相変調器と、
    前記空間光位相変調器が出力したレーザー光を入力し、電子波を出力する半導体膜と、
    前記半導体膜が出力した電子波を入力して収束する電子波レンズを備えており、
    前記半導体膜の表面が、ＮＥＡ膜で被覆されており、
    前記半導体膜の厚みが、前記半導体膜中での電子のコヒーレント緩和時間に前記半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値より薄く、
    前記半導体膜に入力するレーザー光の位相の空間分布と、前記半導体膜が出力する電子波の位相の空間分布が一致し、
    前記電子波レンズに入力する電子波に存在する位相の空間分布が、前記電子波レンズによって生じる位相の空間分布によって相殺される、電子顕微鏡。
  2. 電子波の収束方法であり、
    レーザー光出力装置が出力したレーザー光を空間光位相変調器に入力し、空間位相変調されたレーザー光を出力する工程と、
    空間位相変調された前記レーザー光をＮＥＡ膜で被覆された半導体膜に入力し、前記半導体膜から電子波を出力する工程と、
    前記半導体膜が出力した電子波を電子波レンズに入力して収束する工程と
    を備え、
    前記半導体膜の厚みが、前記半導体膜中での電子のコヒーレント緩和時間に前記半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値より薄く、
    前記半導体膜が、前記半導体膜に入力する前記レーザー光の位相の空間分布に一致する位相の空間分布を有する電子波を出力し、
    前記電子波レンズに入力する電子波に存在する位相の空間分布が、前記電子波レンズによって生じる位相の空間分布によって相殺される、電子波の収束方法。
  3. レーザー光出力装置と、
    当該レーザー光出力装置から出力されたレーザー光を空間位相変調して出力する空間光位相変調器と、
    当該空間光位相変調器から出力されたレーザー光が入力されることにより、位相の空間分布が変調された電子波を放出する光陰極と、
    当該光陰極から放出された電子波を収束する電子波レンズとを備え、
    当該電子波レンズがもたらすレンズ収差が、前記位相の空間分布を変調した電子波により補償されることを特徴とする電子顕微鏡。
  4. 請求項３に記載の電子顕微鏡において、
    前記光陰極は、
    膜厚が１００ｎｍ程度より薄い半導体膜と、
    当該半導体膜の電子波放出面に被覆されたＮＥＡ膜とを備えることを特徴とする電子顕微鏡。
  5. 請求項３に記載の電子顕微鏡において、
    前記光陰極は、
    半導体膜と、
    当該半導体膜の電子波放出面に被覆されたＮＥＡ膜とを備え、
    前記半導体膜の厚みが、前記半導体膜中での電子のコヒーレント緩和時間に前記半導体膜中での電子の移動速度を乗じた値より薄い、ことを特徴とする電子顕微鏡。
  6. 請求項３に記載の電子顕微鏡において、
    前記空間光位相変調器は、入力された前記レーザー光に対し、位相と強度の空間分布の双方を空間変調する空間光位相変調器であることを特徴とする電子顕微鏡。
  7. 請求項５に記載の電子顕微鏡において、
    前記半導体膜が、位相回復法で処理可能な位相の空間分布を持つ電子波を放出することを特徴とする電子顕微鏡。
  8. 請求項５に記載の電子顕微鏡において、
    前記半導体膜が、圧縮センシング法で処理可能な位相と強度の空間分布を持つ電子波を放出することを特徴とする電子顕微鏡。
  9. 請求項５に記載の電子顕微鏡において、
    前記半導体膜が、ＧａＡｓ膜、ＡｌＧａＡｓ膜、ＩｎＧａＡｓ膜のいずれかにより構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
  10. 請求項５、７、８のいずれか１項に記載の電子顕微鏡において、
    前記半導体膜が、歪み超格子構造を備えた半導体膜により構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
  11. 請求項３から１０のいずれか１項に記載の電子顕微鏡において、
    前記レンズ収差が球面収差であることを特徴とする電子顕微鏡。
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