JPH02197051A - 透過型位相差電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電子顕微鏡に係り、特に、透過電子顕微鏡を
用いて位相差情報を得る透過型位相差電子顕微鏡に関す
る。

［従来の技術］ 電子顕微鏡では、電子ビームは試料により押々の方向に
散乱される。この散乱の様子から、試料の材質が−様か
否か、厚みの変化の有無等を知ることができるので、電
子顕微鏡においては重要な要素となっており、また、電
子顕微鏡に多くの可能性を与えるものである。

しかし、実際には、位相情報は電子顕微鏡像を記録する
過程で失われるので、位相情報を記録するためには特別
な方法が必要であり、電子線ホログラフィ法と、走査透
過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を使用する位相差ＳＴＥＭ法
が知られている。

電子線ホログラフィ法は、電子線パイプリズムを用いた
もので、電子顕微鏡の位相情報を得るための最も優れた
方法であり、多くの優れた結果をもたらし、電子顕微鏡
像の発展に大きく寄与してきたが、装置の作製上に多く
の困難を伴うこともあって、広く普及するに至っていな
い。

位相差ＳＴＥＭ法は、位相差情報を像にする筒便法であ
り、２つ以上の検出器を用いて透過電子線を検出し、各
検出器の信号の差を走査透過像（ＳＴＥＭ像）としてブ
ラウン管上に表示するもので、位相コントラスト、例え
ば凹凸や磁区像に対して、他の方法では得がたい優れた
像を得ることができるものであり、その光学系の概略を
第５図に示す。

第５図において、図示しない電子銃から放出された電子
ビームは対物前方レンズ２により集束されて、矢印で示
す試料３に照射されると共に、走査コイル１により試料
３の興味ある部分を走査するようになされている。電子
は試料３を透過する過程において種々の方向に散乱され
、その回折像は対物結像レンズ４により、図中５で示す
対物レンズの後焦点面上に形成される。この回折像は、
第６図に示すように、試料３上の位置に関係なく、試料
３によりどの方向に散乱されたかによって結像される位
置が決定される。つまり、第６図においては、試料３に
よりθ０だけ散乱された電子は、試料３のどの位置で散
乱されたかによらずＡの位置に結像し、試料３によりφ
°だけ散乱された電子はＢの位置に結像し、試料３によ
り散乱されず直進した電子はＯの位置に結像している。

つまり、後焦点面５においては、試料３の位相情報を有
していることが分かる。

そこで、後焦点面５に形成されている回折像を、第５図
のように、後段の中間レンズ６、投影レンズ７の励磁を
調整することによって拡大し、二つの検出器８．９上に
結像させる。なお、このとき、試料３の電子顕微鏡像は
投影レンズ７の下部に縮小されて結像されている。

これらの検出器８．９の代わりにフィルムを置けば回折
像を撮影することはできるが、これだけでは電子がどの
ような方向に散乱されているかは分かるが、試料の拡大
像は得ることができない。

そこで、第５図のように二つの検出器８．９を配置し、
更に各検出器８．９で得られた像の差をとり、当該差の
像を表示するようにする。つまり、位相差情報は、対物
レンズ後焦点面５上での電子回折像のシフトとして生ず
るので、当該シフト量を後段のレンズで拡大し、シフト
した分のみの情報を像にするのである。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のようにして位相差像を得ることはできるのである
が、従来の位相差ＳＴＥＭ法では本質的に電子ビームの
走査が必要不可欠であり、従って、透過電子顕微鏡（Ｔ
ＥＭ）では実現できないためにＳＴＥＭがＴＥＭに対し
て持っている全ての欠点を有しているものである。

そこで、ＴＥＭを用いて位相差像を得ることのできる装
置の開発が望まれていたが、有効な方法は提案されてい
なかった。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、ＴＥＭ
を用いて位相差像を得ることができる透過型位相差電子
顕微鏡を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の透過型位相差電
子顕微鏡は、透過電子顕微鏡の対物レンズ後焦点面にお
ける回折像を形成する電子の一部を後方に通し、透過電
子による拡大像を得る手段と、互いに異なる回折像の一
部を用いた透過像の差を得る手段とを備えることを特徴
とする。

［作用および発明の効果コ 本発明によれば、従来はＳＴＥＭモードでしか得ること
のできなかった位相差像を、画像をフレームメモリに蓄
えて、演算処理をフレームメモリ上で行うことによって
、１８Ｍモードで実現できるものである。

また、特に偏向コイルによって電子ビームを傾斜させる
ようにした場合には、投影像を格納するフレームメモリ
の選択と電子ビームの傾斜の方向を連動させることがで
きると共に、表示装置には常時位相差像を表示すること
ができるものである。

［実施例］ 実施例を説明する前に、まず、位相差像を得るための条
件を考えてみる。ＳＴＥＭにおいては、電子ビームは走
査されるから、ある−瞬には電子ビームはある位置にあ
り、検出器には、その位置において散乱された電子の像
が得られる。また別の瞬間には電子ビームは前述の位置
とは異なる位置にあり、検出器にはその位置において散
乱された電子の像が得られる。つまり、検出器にはその
時々の電子ビーム位置における回折像が結像されること
になる。従って、電子ビームが試料の全面を走査すると
、それらの回折像が二つの検出器上で積算され、それら
の検出器の出力の差をとることで位相差像を得ることが
できるのである。

これに対して、ＴＥＭにおいては、−度に試料の全面に
電子ビームが照射されるので、第５図に示すように二つ
の検出器に回折像を結像させたとしても全体として回折
像が得られるだけであり、試料の拡大像を得ることはで
きないのである。

しかし、位相差ＳＴＥＭ法の原理から理解できるように
、ある時には回折像の一部の情報を得、次には回折像の
他の一部の情報を得るようにして、それらの回折像の差
をとれば位相差像を得ることができることが分かる。

本発明は上記の原理に基づいてＴＥＭで位相差像を得る
ものである。

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る透過型位相差電子顕微鏡の１実施
例の光学系の構成を示す図であり、図中、１１は電子ビ
ーム、１２は試料、１３は対物レンズ、１４は絞り、１
５は中間レンズ、１６は投影レンズ、１７は投影面、１
８は光軸を示す。

第１図において、電子ビーム１１は試料１２の全面に照
射され、試料１２を透過する過程で散乱された電子は、
その散乱角に応じて、対物レンズ１３の後焦点面の所定
の位置に結像される。つまり、後焦点面上には回折像が
形成されるのである。

そして、電子顕微鏡像は後段に配置された中間レンズ１
５および投影レンズ１６により拡大され、投影面１７上
に結像される。第５図に示す位相差ＳＴＥＭ法において
は最終的に結像されるのは回折像であるのに対して、本
発明の透過型位相差電子顕微鏡では電子顕微鏡像が結像
される点で異なっている。

絞り１４は、第１図に示すように、後焦点面の位置に配
置され、光軸１８を中心としてその略半分の領域に形成
された回折像を遮るように配置される。これによれば、
図の１９で示す回折像は遮られ、２０で示す回折像のみ
による電子顕微鏡像を得ることができる。つまり、１９
の方向に散乱される原因となった試料１２の場所の情報
は失われ、２０の方向に散乱される原因となった場所の
情報のみが得られることになる。

このようにして、光軸１８の一方の側だけの回折像に基
づいた電子顕微鏡像を得た後、次には、反対側、図では
２０で示す回折像の側を絞り１４で遮り、１９で示す回
折像のみによる電子顕微鏡像を得る。これにより、ある
時には光軸の左側（または右側）にシフトした位相情報
に基づく像のみが得られ、次には光軸の右側（または左
側）にソフトした位相情報に基づく像のみが得られる。

従って、これらの二つの像の差をとれば位相差像を得る
ことができることは明かであろう。

第２図に示す光学系は、本発明の透過型位相差電子顕微
鏡の他の実施例を示すものであり、第１図においては光
軸の一方にシフトした位相情報を得るのに絞りを用いた
が、第２図では偏向コイルにより試料に照射する電子ビ
ームを偏向させて一方にシフトした位相情報を得るよう
にしている。

即ち、電子ビームは二つの偏向コイル２１．２２により
偏向を受け、所定の小さい角度だけ傾斜されて試料２３
に照射される。なお、この実施例の光学系においては、
対物レンズ絞り２５は、対物レンズ２４の後焦点面上に
固定されており１．その径は２０μｍ程度となされる。

このようにすると、ある方向、第２図においては光軸よ
り右側に回折された電子が対物レンズ絞り２５をより多
く通過し、当該透過電子による投影像は、中間レンズ、
投影レンズなどからなる図中２６で示す後段の光学系に
より投影面２７上に形成されることになる。

従って、まず第２図に示すように電子ビームを偏向させ
て投影像を得、次に電子ビームを反対側に偏向させて投
影像を得て、これら二つの投影像の差をとれば位相差像
を得ることができるものである。

以上のようにして得た二つの投影像から位相差像を得る
には、上述したように、一方の像はネガで、もう一方の
像はポジでフィルムに記録し、これらのフィルムを密着
させて焼き付けてもよいが、絞りをどの程度移動させた
らよいか等もよく分からす、投影像の撮影段階では全く
のめくら撮りをしなければならないので、困難が大きい
。

そこで、電気的な画像処理により位相差像を得るように
するのがよく、例えば、第３図に示すような構成とする
ことができる。

第３図において、３１はＴＶカメラ、３２は制御装置、
３３．３４．３５はフレームメモリ、３６は表示装置を
示す。

ＴＶ左カメラ１は第１図の投影面１７、または第２図の
投影面２７を撮影するものであり、撮影された二つの投
影像は、制御装置３２によりフレームメモリ３３．３４
にそれぞれ格納される。いま、最初に撮影した投影像を
Ａ、次に撮影した投影像をＢとすると、投影像Ａはフレ
ームメモリＡ３３に、投影像ＢはフレームメモリＢ３４
にそれぞれＡ／Ｄ変換されて格納される。なお、このと
き投影面は蛍光板で形成されることは言うまでもない。

二つの投影像の格納が終了すると、制御装置３２は投影
像Ａと投影像Ｂの差を対応する画素毎に演算する。即ち
、投影像Ａの画素の値をａｌ　投影像Ｂの画素の値をす
、とする払 ＣＩ＝ａ＋−ｂ を演算し、その結果をフレームメモリ０３５に格納して
、例えばＣＲＴなどからなる表示装置３６に表示する。

このことにより位相差像を得ることができる。

また、演算を行う際に任意の定数ｎ＋　　ｍを用いて画
素値に重み付けをし、 Ｃｌ　＝ｎａ＋　　−ｍｂ を演算してもよい。これによれば、第１図の構成におい
ては絞り１４の挿入位置の微調整、第２図においては偏
向角の微調整を電気的に行えるものである。

また、特に第２図の構成と第３図の構成を組み合わせた
場合には、投影像の格納と偏向角度の切り替えを連動さ
せることができる。つまり、第４図に示すように偏向コ
イル２Ｌ２２に与える電流を制御装置４０から指示する
ようにし、例えば、電子ビームを第４図に示すように偏
向させる場合には、ＴＶ左カメラ１で得た投影像は自動
的にフレームメモリ３３に格納するようにし、図と反対
側に偏向させる場合には投影像を自動的にフレームメモ
リ３４に格納させるようにすることができる。この構成
によれば、まず偏向コイル２１．２２に所定の電流を供
給して電子ビームを所定の方向に偏向させ、得られた投
影像をＴＶ左カメラ１で取り込んでフレームメモリＡ３
３に蓄える。このときフレームメモリの選択は制御ａｆ
ｉｌｆｆｉ４０に＝、Ｊ：り自動的に行われる。次に、
電子ビームを反対方向に傾斜させて、同じくこのときに
対物レンズ絞り２５を通過した電子ビームだけで像を作
り、これをフレームメモリに蓄える。このとき、フレー
ムメモリとしてはフレームメモリＢ３４が自動的に選択
される。そして、制御装置４０は上記の式により二つの
投影像の差を演算し、その結果を表示装置３６に表示す
る。

次には再び元の方向に電子ビームを偏向して得られた投
影像をフレームメモリＡに加算し１、その後反対方向に
偏向して、得られた投影像をフレームメモＵ　Ｂに加算
し、差を演算して位相差像を表示するという操作を繰り
返す。このことにより表示装置３６上には常時位相差に
基づ＜ＴＥＭ像が得られることになる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上
記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能
である。

例えば、上記実施例では、電子ビームの偏向は試料より
上方において行ったが、対物レンズ後焦点面の後方に偏
向コイルとレンズを配置し、この偏向コイルとレンズの
後方に再び形成された回折像面に絞りを挿入して電子ビ
ームの一部を選択するように構成することもできるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る透過型位相差電子顕微鏡の１実施
例の光学系を示す図、第２図は他の実施例の光学系を示
す図、第３図は電気的に位相差像を得るための槽成例を
示す図、第４図は更に他の実施例を示す図、第５図は従
来の位相差ＳＴＥＭ法を説明する図、第６図は位相差情
報を説明する図である。 １１・・・電子ビーム、　１２・・・試料、　１３・・
・対物レンズ、１４・・・絞り、１５・・・中間レンズ
、１６・・・投影レンズ、１７・・・投影面、１８・・
・光軸、３１・・・ＴＶカメラ、３２・・・制御装置、
３３．３４．３５・・・フレームメモリ、３６・・・表
示装置。 出　　願　　人　日本電子株式会社 代理人　弁理士　菅　井　英　雄（外５名）第２図 第３図 第４図 第６図 〒ノ〔５ 光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）透過電子顕微鏡の対物レンズ後焦点面における回
   折像を形成する電子の一部を後方に通し、透過電子によ
   る拡大像を得る手段と、互いに異なる回折像の一部を用
   いた透過像の差を得る手段とを備えることを特徴とする
   透過型位相差電子顕微鏡。