JPS627659B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子線ビーム、イオンビーム、さら
に超音波ビーム、Ｘ線ビーム等の照射ビームによ
り試料を走査し、得られる二次電子、透過電子、
反射電子、試料電流などの映像信号によつて画像
を構成し観察する装置、たとえば走査形電子顕微
鏡、微小部Ｘ線アナライザ、イオン・マイクロプ
ローブ・アナライザ、超音波顕微鏡などに関し、
かかる観察装置の画像に位置を示す標識を加え、
標識で示された２個以上の点間の微小な三次元の
距離を自動的に測定する装置を提供するものであ
る。

すなわち本発明の目的は、これまで主に形態の
観察のみに使用されてきた粒子線装置、たとえば
走査形電子顕微鏡、微小部Ｘ線アナライザ、イオ
ン・マイクロプローブ・アナライザなどに新たな
機能を与え、極めて微小な三次元の距離または寸
法を、精度よく、自動的に計測することを可能に
することにある。

上記の目的を達するため、本発明では、照射ビ
ームで試料を走査して得られる映像信号により画
像を構成するとき、試料の同一部分（視野）を、
照射ビームの試料への入射角度を変えて走査して
２枚の画像を表示し、これによつて立体視を可能
にする。さらに、映像信号にパルスを重畳して位
置を示す標識に画像を加え、この標識を画像の任
意の位置に移動し、標識で示された２点間の距離
を、パルスの位置を決めるために外部から与えた
２つの基準信号の差から、あるいはパルスの間隔
から自動的に求めたものである。

パルスの位置を決めるには、外部から基準信号
として直流電圧を与え、この直流電圧と、照射ビ
ームを走査するための鋸歯状波とを比較し、両者
が等しいときにパルスを発生する。あるいは、水
平走査、垂直走査を開始させる同期信号から、外
部から与えた時間だけ遅延させてパルスを発生す
るなどの手段により実施することができる。

上記両者を比較すると、前者では鋸歯状波が多
少歪んでいても正しい位置の表示が得られるこ
と、および二点間の距離を、基準として与えた直
流電圧の差から比較的簡単に求められることの利
点があり、後者では、鋸歯状波に混入した雑音や
誘導電圧の影響を受けにくいことに特徴がある。

２点間の三次元の距離は、次に述べる関係によ
つて独立に求めることができる。すなわち試料を
正規の状態で観察して、水平走査方向、垂直走査
方向および光軸を、各々ｘ、ｙ、ｚの座標軸に選
ぶ。

ここで立体視するため、ｙ軸のまわりに、ｚ軸
方向からそれぞれ＋θ／２ラジアンおよび−θ／２ラジ
ア ン傾けた方向から照射ビームを加えることによ
り、２枚の画像を表示する。次いで、これら２枚
の画像について、試料上の同じ２点間の距離を測
定し、それぞれdx₁、dy₁、dx₂、dy₂を得たとす
る。

このとき正規の座標に関して、水平走査方向の
距離dxは、 dx＝ｄｘ_１＋ｄｘ_２／２ｃｏｓ〓ｄｘ_１＋ｄｘ
_２／２…………(1) 垂直走査方向の距離dyは、 dy＝dy₁＝dy₂ …………(2) 光軸方向の距離dzは、 dz＝ｄｘ_２＋ｄｘ_１／２ｓｉｎ〓ｄｘ_２−ｄｘ
_１／θ…………(3) で与えられる。（ただし、上の近似式は、θ≪１
の場合に成立する。） なお、dx、dyは、照射ビームを傾けない正規
の状態で計測すれば求められることはいうまでも
ない。

このようにして、三次元の距離dx、dy、dzを
それぞれ独立に求めることができ、これら画面上
での直線距離は、 √²＋² によつて、また空間での直線距離は、 √²＋²＋² によつてそれぞれ求められる。これらの演算は、
アナログ二乗器、加算器、開平器等の組合せで実
現できる。

以下、本発明を実施例によつて詳しく説明す
る。

第１図は、走査形電子顕微鏡に本発明を適用し
た実施例のブロツク図である。同図において、１
０１は鏡体で、内部は真空に保たれる。電子銃１
０２から放出された電子は、電子線の走査信号発
生回路１０９によつて駆動される偏向コイル１０
５，１０６によつて水平および垂直方向にそれぞ
れ偏向され、試料１０３の視野を走査する。この
とき発生する二次電子、反射電子等は検出器１０
４で検出され、映像巾器１０８で増巾されたブラ
ウン管に表示される。

ここで立体視するため、試料１０３への電子線
の入射角切換用コイル１０７を追加し、入射角の
異なる２枚の画像を２本のブラウン管１１５，１
１６に表示し、それぞれ左眼と右眼とで観察して
立体視を実現する。

このほかに、試料への電子線の入射角の異なる
２組の画像を得るには、試料を機械的に傾斜させ
て二つの傾斜角での画像を蓄積管、ビデオテープ
レコーダ、ビデオデイスクレコーダなどの画像記
憶装置に記憶させ、これを同時にあるいは交互に
読み出して１個又は２個のブラウン管に表示する
とか、２個の電子銃を設けて、互いに異つた角度
で電子線を試料に入射させるなどの方法が可能で
ある。

再び第１図において、１１０は位置を示す標識
の信号すなわち位置信号発生回路、１１１は基準
信号を与える入力である。位置信号発生回路１１
０は、走査信号発生回路１０９の出力波形と基準
信号１１１とを比較して、位置を示す標識の信号
すなわち位置信号を発生し、これと映像信号とを
合成回路１１３，１１４で合成し、画像に位置を
示す標識を加える。

なお切換スイツチ１１７は、試料１０３への電
子線入射角が切換わるごとに、これと連動して、
表示するブラウン管１１５，１１６を切換えるも
ので、肉眼およびブラウン管の残光時間以内に次
の画像を表示すれば、画像のちらつきを減少でき
る。さらに１１２は、標識で与えられた２点間の
距離を求める距離測定回路である。

また位置を示す標識の形状および寸法は種々の
ものが実施可能であり、形状では、一文字、円、
三角、四角などがある。さらに寸法は、小さすぎ
ると画像の雑音と識別しいくくなり、大きすぎる
と画像の観察の邪魔になるので適当な寸法があ
る。実測結果では、12インチのブラウン管を使用
した場合、一辺が１mmの正方形が標識として適当
であつた。また標識を表示するためのパルス幅
は、通常のテレビジヨンの走査速度で、0.26μｓ
となる。

第２図は、位置を示す標識信号発生回路の一例
を示し、第１図における位置信号発生回路１１０
および合成回路１１３，１１４の具体的な実施例
であり、第３図は各部の動作を示すタイムチヤー
トである。

第２図の端子２０１には第３図に示す波形３０
１の水平偏向信号、また端子２０３，２０４，２
０５には直流基準電圧３０３，３０４，３０５が
それぞれ与えられ、これらを比較器２３３，２３
４，２３５で比較し、両者の電圧値が一致する
と、パルス発生器２３８，２３９，２４０から、
例えば幅0.26μｓのパルスを発生する。

さらに端子２０２には波形３０２の垂直偏向信
号、２０６，２０７には直流基準電圧３０６，３
０７がそれぞれ与えられ、これらを比較器２３
６，２３７で比較し、両者の電圧値が一致する
と、パルス発生器２４１，２４２からそれぞれ波
形３４１，３４２の、例えば幅125μｓのパルス
を発生する。

パルス発生器２３８，２３９，２４０のパルス
出力はANDゲート２４３，２４４，２４５を経
て、波形３４３，３４４，３４５のパルスとな
る。これらのパルスは合成回路２１３，２１４に
加えられ、端子２０８，２０９に加えられた２個
の映像信号と合成され、その出力は端子２１０，
２１１に得られる。よつて、これらの出力を第１
図の２本のブラウン管１１５，１１６に加えれ
ば、位置を示す標識の加わつた画像の立体視が可
能となる。

なお第２図において、ANDゲート２４３の出
力は合成回路２１３，２１４双方への共通の入力
になつている。すなわち、位置を示す第１の標識
は、ブラウン管１１５，１１６の画面上で連動し
て動く。このことは、立体視のための２枚の画像
の相対的な位置を移動できることを仮定している
のであつて、このために第１のマークは両画像共
通にしているが、一般的には、２４３の出力は２
個の独立した信号であり、２４４，２４５の出力
と合わせて、４個の信号が必要である。このとき
は、第３図における基準信号３０３，３０４，３
０５も４個になる。また、ANDゲート２４４の
出力は合成回路２１３に、２４５の出力は２１４
にそれぞれ入力することからわかるように、第２
の標識は独立に動く。よつて立体視による視差は
端子２０４，２０５に加えられる直流基準電圧３
０４，３０５の差によつて与えられる。このよう
にして前記式(3)の演算が実施され、Ｚ軸方向の距
離が求められる。この場合、電子線の入射角の差
として５度44分、11度28分などの角度を選べば、
θ＝0.1、0.2となつて、式(3)の演算が簡単にな
る。

第４図は、標識で与えられた２点間の距離を求
める回路、すなわち第１図における距離測定回路
１１２の具体的な実施例である。なおここでは、
標識の位置を決めるために外部から与えた直流電
圧の基準信号から距離を求めている。

同図において、入力端子４０３〜４０７は、第
２図における入力端子２０３〜２０７に相当し、
基準信号となる直流電圧が加えられる。また４２
１ａ〜４２１ｄは減算器で、図示の符号に従つて
演算を行う。４２２は、二入力を平均する。すな
わち二入力を互いに加算し、２で割る演算を行
う。４２３は割算器で、式(3)に従いθで割る演算
を行う。

４２４ａ〜４２４ｃは係数乗算器で、入力に画
像の倍率から決まる係数を自動的に乗じ、これを
読みとれば距離が求められ、出力端子４２５には
水平走査方向、４２６には垂直走査方向、４２７
には高さ方向のそれぞれの距離が現れる。係数乗
算器４２４ａ〜４２４ｃはアナログの乗算器を使
用し、倍率によるスケールを直流電圧で与えてや
れば、出力には距離に比例したアナログ出力が得
られる。なおここで、係数乗算器４２４ａ〜４２
４ｃにアナログ−デジタル変換作用を行なわせ、
その量子化レベルを倍率によつて決まる尺度で与
えると、距離は自動的にデジタル値で表示され
る。

第５図は、位置信号発生回路の第２図とは異な
る実施例で、第１図における位置信号発生回路１
１０および合成回路１１３，１１４のさらに具体
的な構成例を示し、第６図は各部の動作を示すタ
イムチヤートである。ここで述べる実施例は、水
平走査および垂直走査の同期信号から、外部から
与えたクロツクパルス数だけ遅れてパルスを発生
するデイジタル方式のものである。

第５図の端子５０１，５０２にはそれぞれ第６
図の波形６０１，６０２に示す水平および垂直の
各同期信号が加えられる。また５２１はクロツク
パルス発生器で、クロツクパルス６２１を発生す
る。このクロツクパルスを、同期信号によつて開
かれるゲート５２２，５２３を通してカウンタ５
２４，５２５によつて数え、各計数値に対応した
出力６２４，６２５を発生する。

端子５０３〜５０７には遅延させるパルス数に
相当する入力信号６０３〜６０７が外部から与え
られ、これとカウンタ５２４，５２５の各出力６
２４，６２５が比較器５３３〜５３７で比較され
る。両者が一致したとき、パルス発生器５３８〜
５４２からパルスが発生し、ANDゲート５４
３，５４４，５４５を経て、パルス６４３，６４
４，６４５が得られる。これらのパルスは合成回
路５１３，５１４に加えられ、端子５０８，５０
９に加えられた２個の映像信号と合成される。パ
ルス発生器５４１，５４２からは、波形６４１，
６４２の出力が送出され、この出力信号がAND
ゲート５４３，５４４，５４５に加えられ、その
出力により標識の垂直走査方向の位置が決められ
る。

ここでも、立体視のための２枚の画像の相対的
な位置の移動を仮定しているので、第１のマーク
は両画像共通にしているが、一般的には、５４３
の出力は２個の独立した信号であり、５４４，５
４５の出力と合わせて４個の信号が必要である。
このときは、第６図における基準信号６０３，３
０４，３０５も４個になる。

上記実施例の回路により得られた標識で示され
る２点間の距離を求める回路は、第４図と同じ構
成になる。ただし、遅延させるクロツクパルス数
をデイジタル値たとえば２進数で与えると、減算
器４２１は２進数の減算器になり、４２２，４２
３も二進数の平均および割算を行う。また４２４
ａ〜４２４ｃは、尺度から決まる係数の乗算を行
なう２進数の乗算器になる。２進数の係数乗算器
としては、加算器を用いて繰返し加算を行う乗算
器、並列式、直列式乗算器など数種が公知であ
る。

第７図は、走査形電子顕微鏡に本発明を適用し
た他の実施例のブロツク図である。この実施例が
第１図の実施例と異なる点は、立体視を実現する
ために、電子線の入射角が異なる２枚の画像を１
本のブラウン管７１５に時分割で交互に表示し、
これと同期し、かつ表示された画像に対応して開
閉する２個の電気光学シヤツタ７２０，７２１を
通して立体像を観察する点にある。

ここで、７０１は鏡体、７０２は電子銃、７０
３は試料、７０４は映像信号の検出器で、その出
力は映像増巾器７０８で増巾される。７０５，７
０６，７０７は電子線を走査させ、かつ試料への
入射角を変える偏向コイルで、偏向回路７０９で
駆動される。７１０は位置信号発生回路、７１１
は基準信号を与える入力である。また、７１２は
標識で与えられた２点間の距離を求める回路で、
前記実施例の１１２と同じものである。位置を示
す標識の信号すなわち位置信号はスイツチ７１８
により、表示されている画像に応じて選択され、
合成画像７１３で映像信号に合成され、ブラウン
管７１５に表示される。この表示されている画像
が左眼で見るべき画像か、あるいは右眼の画像か
に応じて、電気光学シヤツタ７２０，７２１の一
方が光を通過すると共に、他方は光を遮断し、観
察者の眼に入る画像を分離する。なお電気光学シ
ヤツタは、駆動電源７１９によつて画像に同期
し、かつ上述したように駆動される。

ここで、電気光学シヤツタは、例えばPLZTと
呼ばれる透明なセラミツクを２枚の直交した偏光
板ではさみ、セラミツクに電界をかけて動作させ
るものである。

上記の実施例では、１本のブラウン管に両眼の
画像が表示されるため、２本のブラウン管を使用
した場合に生じる画像の歪あるいは輝度の差が生
じないので距離計側上の誤差が少なく、かつ両眼
の画像がほぼ同じ位置にあるので通常の対象物を
視る状態に近く、二画像をステレオ鏡あるいはハ
ーフミラーで合成した場合に比べて立体感得時間
が短く、長時間観察しても疲労することが少な
い。

第８図は、それぞれ独立に求めた３個の三次元
距離値dx、dy、dzから直線距離 √²＋²＋² を求める実施例のブロツク図である。同図におい
て、８０１，８０２，８０３はそれぞれdx、
dy、dzの入力、８０４，８０５，８０６は二乗
器、８０７は３入力の加算器、８０８は開閉器
で、出力端子に直線距離の出力が得られる。この
構成により、アナログ入力と、アナログ二乗器、
加算器、開閉器を用いてアナログ出力を得る装置
を簡単に構成できる。またデジタル素子を用いて
も、同じ構成で同様の装置が得られる。

以上説明したように本発明によれば、照射ビー
ムで試料を走査し、このとき得られる映像信号に
よつて画像を構成し、これを観察する装置におい
て、試料の同じ視野を照射ビームの入射角を変え
て走査し、２枚の画像を表示して立体視するとと
もに、さらに映像信号にパルスを重畳し、画像に
位置を示す標識を加え、標識で指定された２点間
の距離を電気的な方式により自動的に計測し、そ
れらの距離について演算を行うことによつて、二
点間の距離の三次元成分を分離して計測すること
が可能となる。このように、本発明は、従来主に
形態の観察に使用されてきた照射ビーム装置を、
その分解能に近い極めて微小な、三次元の寸法を
測定する計測器へ発展させる道を開くものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を走査形電子顕微鏡に適用した
実施例の構成を示すブロツク図、第２図は、第１
図に示した位置を示す標識信号発生回路の構成を
示すブロツク図、第３図は、第２図の回路の動作
を示すタイムチヤート、第４図は、第１図に示し
た実施例の標識で与えられた２点間の距離を求め
る回路の構成を示すブロツク図、第５図は第１図
に示した位置信号発生回路の他の実施例を示すブ
ロツク図、第６図は、第５図の回路の動作を示す
タイムチヤート、第７図は、本発明を走査形電子
顕微鏡に実施した他の例の構成を示すブロツク
図、第８図は、独立に求めた３個の三次元距離か
ら直線距離を求める実施例のブロツク図である。 １０５，１０６：偏向コイル、１０７：電子線
切換用コイル、１０９：走査信号発生回路、１１
０：位置信号発生回路、１１１：基準信号、１１
２：距離測定回路、１１３，１１４：合成回路、
１１５，１１６：ブラウン管、１１７：切換スイ
ツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 試料中の同一視野を照射ビームが上記試料に
   対して互いに異なる角度で入射し、これを走査す
   ることにより得られる２画像信号を表示手段に表
   示して立体視を行なう手段と、上記視野中の任意
   の２点の、上記２画像信号中におけるそれぞれの
   位置に標識を与える位置信号を発生する手段と、
   上記位置信号に上記画像の倍率および上記照射ビ
   ームの入射角度を入力せしめて上記視野中の任意
   の２点間の三次元距離を算出する手段とを具備し
   てなることを特徴とする計測装置。