JP6954704B1

JP6954704B1 - 光電子顕微鏡

Info

Publication number: JP6954704B1
Application number: JP2021077090A
Authority: JP
Inventors: 正雄武藤; 津野　勝重; 勝重津野
Original assignee: 株式会社北海光電子
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: JP2022170848A

Abstract

【課題】永久磁石のレンズを用いつつ、焦点位置及び倍率を適切に調整可能である。【解決手段】光源部５からの光がサンプルＳに照射されると、サンプルＳから光電子が放出される。かかる光電子は、電圧印加部３０が印加する加速電圧によって加速され、電子レンズ系１０を通じ、ＭＣＰ４１を介して蛍光スクリーン４２を蛍光させる。これによってサンプルＳの拡大像が形成される。電子レンズ系１０は、結像系のレンズに対応する電子レンズユニット１１及び１２と、対物レンズに対応する電子レンズユニット１３とを有している。これらのレンズユニットはラックピニオン部２０の操作によって上下に移動可能である。像の倍率は、電子レンズユニット１１及び１２間の距離を変更することで調整される。焦点合わせは、電圧印加部３０による加速電圧の調整によって調整される。【選択図】図１

Description

本発明は、光電子顕微鏡に関する。

従来、電子顕微鏡における像を拡大するレンズの作用を実現する手段として電磁石が主に用いられている。これに対し、永久磁石を電磁石の代わりに用いる電子顕微鏡に係る文献として特許文献１〜７がある。

特開昭５０−０１１７５９特開昭５２−０８９４５６特開２００３−３４６６９７特開昭５２−２３２５５特公昭６３−２９７８３特開昭５１−１０７７５９特開２００６−１９６１９５

特許文献１〜７のいずれにも、永久磁石のレンズを用いた場合における焦点位置の調整に関する具体的な記載がない。また、特許文献１〜３の文献では、永久磁石のレンズ作用による像の拡大を電磁石のレンズ作用による像の拡大の補助として使用するものであり、いずれの文献も倍率の変更は電磁石に発生させる電流の調整等によって行っている。特許文献４は、永久磁石によるレンズの数を２個と３個の間で変更することで倍率を変更するものであり、２つの倍率を切り替えるものに過ぎない。特許文献５〜７には倍率の変更についての記載がない。

本発明の目的は、永久磁石のレンズを用いつつ、焦点位置及び倍率を適切に調整可能な光電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の光電子顕微鏡は、物体に光を照射する光照射手段と、前記物体と対向するスクリーンと、前記光照射手段によって光が照射された前記物体から発生する電子を加速させる電圧を発生させる電子加速手段と、前記電子加速手段が加速させた電子によって前記スクリーン上に前記物体の拡大像を形成するように電子を移動させる磁場の発生源をそれぞれ有し、当該発生源が全て永久磁石である複数のレンズユニットと、前記複数のレンズユニット間の距離を変更することによって、前記スクリーン上に形成される拡大像の倍率を変更するレンズ駆動機構と、前記電子加速手段が発生させる電圧の大きさを変更することによって、前記拡大像の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、を備えている。

本発明の光電子顕微鏡によると、レンズユニット間の距離を変更するためのレンズ駆動機構が設けられている。これにより、レンズユニット間の距離を変更して拡大像における倍率を変更することが可能である。また、電子を加速させる電圧を変更することにより、拡大像の焦点合わせを行うことが可能である。

また、本発明においては、前記複数のレンズユニットのそれぞれが、２個の永久磁石と、前記２個の永久磁石を支持したヨークとを有しており、前記２個の永久磁石同士のＮ極及びＳ極が、前記ヨークに発生する磁場が小さくなるように互いに逆に配置されていることが好ましい。これによると、２個の永久磁石のＮ極及びＳ極が反転しており、もって、ヨークに発生する磁場が小さくなっている。したがって、レンズユニット同士の距離を変更する際に、レンズユニット同士で発生する磁力による吸引力や反発力が小さくなる。よって、レンズユニット同士の距離の変更がかかる磁力によって影響されにくい。

本発明の一実施形態に係る光電子顕微鏡の構造を示す概略構成図である。図１の光電子顕微鏡に用いられている永久磁石レンズの対称軸に沿った切断面における概略的な端面図及びこの永久磁石が発生させる磁場による磁力線密度の分布図である。図２の永久磁石レンズとは異なる永久磁石レンズの対称軸に沿った切断面における概略的な端面図及びこの永久磁石が発生させる磁場による磁力線密度の分布図である。

本発明の一実施形態に係る光電子顕微鏡１について図１を参照しつつ説明する。光電子顕微鏡１は、光源部５（本発明における光照射手段）、サンプル保持部６、電子レンズ系１０、電圧印加部３０（本発明における電子加速手段）、ＭＣＰ（ＭｉｃｒｏＣｈａｎｎｅｌＰｌａｔｅ）４１及び蛍光スクリーン４２を備えている。光源部５は、サンプル保持部６に保持されたサンプルＳ（本発明における物体）に向けて励起光を照射する。励起光が照射されたサンプルＳからは光電子が放出される。サンプルＳから図１中の上方に離隔した位置にはＭＣＰ４１が配置されている。電圧印加部３０は、ＭＣＰ４１とサンプル保持部６の間に、サンプルＳから放出された光電子を加速する加速電圧を印加する。電圧印加部３０は、印加電圧の大きさを微細な変化量で変更可能な電子回路を有している。例えば、電圧印加部３０には上記電子回路と接続されたダイヤル（不図示）が設けられている。このダイヤルを手動で操作すると印加電圧の大きさを調整可能となるように電子回路が構成されている。加速電圧によって加速された光電子は図１の飛翔領域Ｐ内を飛翔し、ＭＣＰ４１に到達する。飛翔領域Ｐは、図示しない管内に形成されている。管内は真空状態に保持されている。ＭＣＰ４１は、到達した光電子を増倍し、その背後の蛍光スクリーン４２に向けて放出する。蛍光スクリーン４２はサンプルＳと対向している。ＭＣＰ４１から放出された電子が蛍光スクリーン４２に到達すると、蛍光スクリーン４２における電子の到達箇所に蛍光が発生する。この蛍光がサンプルＳの拡大像を形成する。この拡大像は、図示しないイメージセンサ（ＣＣＤカメラ等）を用いて検出される。

電子レンズ系１０は、電子レンズユニット１１〜１３と、電子レンズユニット１１〜１３の位置を調整するためのラックピニオン部２０とを有している。電子レンズユニット１１〜１３は、永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃを有している。永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃは、光学顕微鏡における光に対するレンズの作用と同様の作用を、飛翔領域Ｐ中を飛翔する光電子に及ぼすような磁場を飛翔領域Ｐ中に発生させる。かかる磁場により、上記の通り蛍光スクリーン４２にサンプルＳの拡大像を形成させる。電子レンズユニット１１及び１２は結像系のレンズに対応する。電子レンズユニット１３は対物レンズに対応する。本実施形態では、結像系のレンズが２つ設けられているが、３つ以上設けられていてもよい。永久磁石ユニット１００ａ〜１００ｃの詳細については後述する。

電子レンズユニット１１〜１３は、永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃを収容したケース１１ａ〜１１ｃを有している。ケース１１ａ〜１１ｃは金属製又は合成樹脂製の容器である。ケース１１ａ〜１１ｃのそれぞれには、上下方向にこれらを貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔内に飛翔領域Ｐが位置している。ケース１１ａ〜１１ｃは、図１中の上下方向に沿った往復移動が可能となるように光電子顕微鏡１の筐体に支持されていると共にラックピニオン部２０に支持されている。ラックピニオン部２０は、ピニオン部２１とラック部２２を有している。ラック部２２はケース１１ａ〜１１ｃのそれぞれの側面に固定されている。ピニオン部２１の歯はラック部２２の歯と噛み合っている。ピニオン部２１は水平方向に沿った中心軸周りに回転可能となるように光電子顕微鏡１の筐体に支持されている。各ピニオン部２１には手動操作用のダイヤル（不図示）が固定されている。ユーザは、このダイヤルを操作することで各ピニオン部２１を回転させることができる。ピニオン部２１が回転すると、これに連動してラック部２２が上下方向に移動する。ラック部２２はケース１１ａ〜１１ｃに固定されているので、これによって電子レンズユニット１１〜１３のそれぞれを上下方向に移動させることができる。

以下、電子レンズユニット１１〜１３に収容された永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃについて図２を参照しつつ説明する。永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃは基本構造が互いに共通している。このため、以下の説明に当たっては、これらを代表して永久磁石レンズ１００ａについて記載し、永久磁石レンズ１００ｂ及び１００ｃについては説明を適宜省略する。図２の上下方向は図１の上下方向に対応する。また、上下方向と直交する方向を外内方向とし、外内方向に沿って軸Ｃ１に近づく方向を内側、軸Ｃ１から離れる方向を外側とする。軸Ｃ１は、光電子の飛翔領域Ｐ（図１参照）に沿った軸である。

永久磁石レンズ１００ａは軸Ｃ１に関して軸対称な形状を有している。永久磁石レンズ１００ａは、リング状の永久磁石１１１及び１１２（本発明における磁場の発生源）と、永久磁石１１１及び１１２を支持したヨーク部１０１とを有している。永久磁石１１１及び１１２に用いられる材料はどのようなものでもよいが、ネオジウム等、性能の高い希土類磁石が用いられていることが好ましい。永久磁石１１１及び１１２は互いに同じ形状且つ同じ大きさを有している。ヨーク部１０１には、純鉄又は炭素含有量が比較的低い鉄が用いられている。ヨーク部１０１は、外筒部１０５及び内筒部１０６並びに磁極１０２〜１０４を有している。外筒部１０５は、内筒部１０６、磁極１０２〜１０４並びに永久磁石１１１及び１１２を内部に収容した円筒状の部材である。磁極１０２は外筒部１０５の上端部に設けられている。磁極１０２は、外筒部１０５の内周面から内側に向かって外内方向に延びた桁部１０２ａと、桁部１０２ａの先端から内側に向かって斜め下方に延びた傾斜部１０２ｂとを有している。傾斜部１０２ｂの先端部は先細りになっている。なお、磁場による電子に対するレンズ作用が適切に確保されるのであれば、磁極１０２の形状は本実施形態に限らない。例えば、先細りに形成されていなくてもよい。桁部１０２ａの先端部の直下には永久磁石１１１が配置されている。永久磁石１１１は、その上部がＳ極、その下部がＮ極となるように配置されている。永久磁石１１１は外筒部１０５の内周面から内側に離隔している。

磁極１０３は外筒部１０５の下端部に設けられている。磁極１０３は、外筒部１０５の内周面から内側に向かって外内方向に延びた桁部１０３ａと、桁部１０３ａの先端から内側に向かって斜め上方に延びた傾斜部１０３ｂとを有している。傾斜部１０３ｂの先端部は先細りになっている。なお、磁場による電子に対するレンズ作用が適切に確保されるのであれば、磁極１０３の形状は本実施形態に限らない。例えば、先細りに形成されていなくてもよい。桁部１０３ａの先端部の直上には永久磁石１１２が配置されている。永久磁石１１２は、永久磁石１１１と外内方向に同じ位置に、その上部がＮ極、その下部がＳ極となるように配置されている。つまり、永久磁石１１２は、上下方向に関してＮ極及びＳ極の位置が永久磁石１１１と反対になるように配置されている。永久磁石１１２は外筒部１０５の内周面から内側に離隔している。内筒部１０６は、永久磁石１１１と永久磁石１１２の間に上下に挟まれるように配置されている。内筒部１０６の外周面は外筒部１０５の内周面から内側に離隔している。上下方向に関して内筒部１０６の中央付近からは内側に向かって磁極１０４が突出している。

永久磁石レンズ１００ａには、上記の通り、Ｎ極及びＳ極の位置が上下方向に関して互いに反対方向となる永久磁石１１１及び１１２が設けられている。これにより、磁極１０２〜１０４からなる３つの磁極においては交互に極性が逆転する。それにより構成される２つのレンズから発生するヨーク部１０１への拡散磁場は正負で打ち消しあう。このことを確かめるために、永久磁石レンズ１００ａが発生させる電磁場を以下の通りに数値解析した。アプリケーションソフトウェア（Ｍｕｎｒｏ’ｓＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＳｏｆｔｗａｒｅ社）を用いて、図２に示す永久磁石レンズ１００ａを格子状に小領域に分割し、各小領域に発生する磁場をマクスウェルの方程式に基づいて演算した。図２の永久磁石１００ａ内に記載した白黒の濃淡はかかる数値解析で得られた磁力線密度を概略的に示したものである。黒に近いほど磁力線密度が大きく、白に近いほど磁力線密度が小さい。図２に示す通り、ヨーク部１０１、特に、外筒部１０５に発生する磁場が抑えられている。

これに対し、図３に示すように、１個の永久磁石２１１と２個の磁極２０２及び２０３を有する永久磁石レンズ２００によると、ヨーク部２０１に発生する磁場を十分に抑えられない。永久磁石レンズ２００は軸Ｃ２に関して軸対称な形状を有している。永久磁石２１１は永久磁石１１１と同じものである。ヨーク部２０１は、円筒状の外筒部２０５及び内筒部２０６並びに磁極２０２及び２０３を有している。外筒部２０５及び内筒部２０６は、外筒部１０５及び内筒部１０６と対応している。磁極２０２は外筒部２０５の上端部に設けられている。磁極２０２は、外筒部２０５の内周面から内側に向かって外内方向に延びた桁部２０２ａと、桁部２０２ａの先端から内側に向かって斜め下方に延びた傾斜部２０２ｂとを有している。傾斜部２０２ｂの先端部は先細りになっている。磁極２０３は外筒部２０５の下端部に設けられている。磁極２０３は、外筒部２０５の内周面から内側に向かって外内方向に延びた桁部２０３ａと、桁部２０３ａの先端から内側に向かって斜め上方に延びた傾斜部２０３ｂとを有している。傾斜部２０３ｂの先端部は先細りになっている。永久磁石２１１は、上下方向に関して内筒部２０６の中央部に挿入されている。図３には、永久磁石レンズ２００における磁力線密度が白黒の濃淡によって示されている。黒に近いほど磁力線密度が大きく、白に近いほど磁力線密度が小さい。図３に示す通り、ヨーク部２０１全体に強い磁場が発生している。

以上の構成において、サンプルＳの拡大像の取得に当たり、像の倍率及び焦点合わせの調整は以下のように実施される。第１に、倍率の調整は、ラックピニオン部２０に設けられたダイヤルを手動操作し、結像系のレンズに対応する電子レンズユニット１１と電子レンズユニット１２の距離を調整することによって実施される。このとき、上記の通り、電子レンズユニット１１〜１３に設けられた永久磁石ユニット１００ａ〜１００ｃにおいて、ヨーク部１０１に発生する磁場が小さく抑えられている。したがって、永久磁石ユニット１００ａ〜１００ｃ同士で発生する磁力による吸引力や反発力が抑えられるので、電子レンズユニット１１〜１３のそれぞれの移動が互いの間に発生する磁力に影響されにくい。

第２に、焦点合わせの調整は、電圧印加部３０によって印加される加速電圧の大きさを調整することによって実施される。電圧を上げると光電子の波長が短くなり、これによって永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃのそれぞれにおいて、電圧の変化量に応じた大きさだけ焦点距離が短くなる。一方、電圧を下げると反対に、永久磁石レンズ１００ａ〜１００ｃのそれぞれにおいて、電圧の変化量に応じた大きさだけ焦点距離が長くなる。電圧印加部３０による印加電圧は、電子回路の制御により微細な変化量で調整可能である。このため、焦点距離を微細に変更することができ、もって、焦点合わせに求められる高精密な焦点距離の調整が可能となる。

（本実施形態の応用上の特徴）
本実施形態に係る光電子顕微鏡１の応用上の特徴について説明する。なお、以下の説明は、上述の実施形態の構成や用途等を限定する意図でするものではない。本実施形態に係る光電子顕微鏡１は、上述の通り、倍率や焦点合わせの手動調整を簡易に実施できる。よって、電子顕微鏡の煩雑な操作に比べ、光学顕微鏡並みに容易に扱え、専門のオペレーターを必要としない。また、フィラメントなどの維持費も不要である。また、部品点数が走査電子顕微鏡に比べ半減し、原価が低減する。加えて、性能は走査電子顕微鏡と同等であり、走査方式を採用した走査電子顕微鏡に比べ、直接写像を採用しているため、リアルタイムでサンプルを観察できる。価格的には、光学顕微鏡と走査電子顕微鏡の中間での供給を可能にする。さらに、技術革新に伴い、光学顕微鏡では観察不能な高倍率領域での検査機器が要望されており、これらのニーズにも応じたものである。例えば、教育現場において、集積回路のパターンの観察やバイオ試料の直視が可能となる。顕微鏡としての原理が簡単なため、大学や高等専門学校等での電子顕微鏡製作の実習にも使用可能である。

＜変形例＞
以上は、本発明の好適な実施形態についての説明であるが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、課題を解決するための手段に記載された範囲の限りにおいて様々な変更が可能なものである。

例えば、上述の実施形態では、ピニオン部２１のダイヤルを手動操作することで電子レンズユニット１１〜１３を移動させている。しかし、ピニオン部２１を移動させる駆動力を発生させる駆動手段が設けられてもよい。この場合、例えば、かかる駆動手段を制御するコントローラが設けられてもよい。このコントローラにピニオン部２１の移動方向と移動距離を入力すると、入力された内容に応じた方向及び距離でピニオン部２１を移動させるような駆動力を駆動手段が発生させる。また、電子レンズユニット１１〜１３を移動させる機構が、ラックピニオン部２０とは異なる機構であってもよい。例えば、リニアアクチュエータ方式で電子レンズユニット１１〜１３を移動させる機構であってもよい。なお、上述の実施形態に加えて、物体とスクリーンの間の距離を変更することにより焦点合わせを行う手段が採用されてもよい。

また、上述の実施形態においては、電圧印加部３０による印加電圧の変更によって蛍光スクリーン４２に形成される拡大像の焦点合わせを行っている。しかし、かかる手段による焦点合わせに代えて、又は、加えて、ラックピニオン部２０を用いて電子レンズユニット１１〜１３を移動させ、これらのレンズユニットと蛍光スクリーン４２の間の距離を変更することにより、焦点合わせを行ってもよい。

１光電子顕微鏡
１０電子レンズ系
１１電子レンズユニット
２０ラックピニオン部
３０電圧印加部
４２蛍光スクリーン
１００ａ〜１００ｃ永久磁石レンズ
１０１ヨーク部
１０２〜１０４磁極
１１１、１１２永久磁石

Claims

物体に光を照射する光照射手段と、
前記物体と対向するスクリーンと、
前記光照射手段によって光が照射された前記物体から発生する電子を加速させる電圧を発生させる電子加速手段と、
前記電子加速手段が加速させた電子によって前記スクリーン上に前記物体の拡大像を形成するように電子を移動させる磁場の発生源をそれぞれ有し、当該発生源が全て永久磁石である複数のレンズユニットと、
前記複数のレンズユニット間の距離を変更することによって、前記スクリーン上に形成される拡大像の倍率を変更するレンズ駆動機構と、
前記電子加速手段が発生させる電圧の大きさを変更することによって、前記拡大像の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、を備えていることを特徴とする光電子顕微鏡。
前記複数のレンズユニットのそれぞれが、
２個の永久磁石と、前記２個の永久磁石を支持したヨークとを有しており、前記２個の永久磁石同士のＮ極及びＳ極が、前記ヨークに発生する磁場が小さくなるように互いに逆に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電子顕微鏡。