CN111656482B - 进行了空间相位调制的电子波的发生装置 - Google Patents

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Abstract

产生进行了空间相位调制的电子波。具备激光输出装置、空间光相位调制器以及光阴极。光阴极在表面具有形成有NEA膜的半导体膜，半导体膜的厚度比半导体膜中的电子的相干弛豫时间乘以半导体膜中的电子的移动速度得到的值薄。根据该结构，进行了空间相位调制的光的相位的空间分布和强度的空间分布传写到电子波，从NEA膜放出的电子波被调制成光的相位的空间分布和强度的空间分布。通过光的空间相位调制技术，能够对光的相位的空间分布如所预期地进行调制，因此能够产生对相位的空间分布如所预期地进行了调制的电子波。

Description

进行了空间相位调制的电子波的发生装置
技术领域
本说明书涉及对相位的空间分布如所预期地进行了调制的电子波、或者对相位的空间分布和强度的空间分布双方如所预期地进行了调制的电子波(以下，统称为进行了空间相位调制的电子波)的发生技术。另外，本说明书中公开了进行了空间相位调制的电子波的利用技术。
背景技术
对光使用进行空间相位调制的技术(专利文献1)，可以得到对相位的空间分布进行了如所预期地进行了调制的光、或者对相位的空间分布和强度的空间分布双方如所预期地进行了调制的光。若对光进行空间相位调制，则可以做各种事情，能够对光束的强度分布(照射面的强度分布)如所预期地进行调制(称为光束成型)、将聚焦光学***的像差极小化、产生超短脉冲光(称为光脉冲整形)等。另外，也能够将光学显微镜的解析度精细化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平06－051340号公报
专利文献2：日本特表2004－506296号公报
非专利文献
非专利文献1：T.Kondoh et al.,Proc.PASJ4/LAM32,pp185-187,8月1-3,2007
非专利文献2：H.Kashima et al.,Proc.PASJ4/LAM32,pp721-723,8月1-3,2007
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献2、非专利文献1、非专利文献2公开了产生对强度的空间分布进行了调制的电子波的技术。但是，上述的现有技术对电子波的强度的空间分布进行调制，无法对电子波的相位的空间分布进行调制。
若能够得到对相位的空间分布如所预期地进行了调制的电子波、或者对相位的空间分布和强度的空间分布双方如所预期地进行了调制的电子波，则与进行了空间相位调制的光的情况同样地，各种利用方法成为可能，但当前不知道得到进行了空间相位调制的电子波的合适的方法。仅知道将对透射的电子波的相位产生影响的相位板***电子波的行进路径的方法。
***相位板的方法存在各种问题。例如，根据相位板的不同，导致可利用的探针电流减少。由于难以分离强度调制和相位调制，因此难以将相位和强度双方调制成所预期的分布状态。由于相位板充电而调制能力变动、或者相位板损伤，需要频繁更换相位板。或者，相位板的边缘引起的衍射现象、相位板的原子构造引起的衍射图形的产生等也成为问题。
本说明书中公开不利用相位板产生进行了空间相位调制的电子波的技术。
用于解决课题的方案
本说明书公开的电子波发生装置具备激光输出装置、空间光相位调制器以及光阴极。光阴极具有在表面形成有NEA膜的半导体膜，该半导体膜的厚度比半导体膜中的电子的相干弛豫时间乘以半导体膜中的电子的移动速度得到的值薄。
空间光相位调制器输入激光输出装置输出的激光并进行空间相位调制，且向半导体膜输出进行了空间相位调制的激光。当通过空间光相位调制器进行了空间相位调制的激光输入至半导体膜(照射半导体膜)时，进行了空间相位调制的激光的相位的空间分布传写到电子波，从半导体膜输出的电子波调制成激光的相位的空间分布。根据已经研发出的光的空间相位调制技术，能够将激光的相位的空间分布如所预期地进行调制，因此，根据上述，能够产生将相位的空间分布如所预期地进行了调制的电子波。
在向半导体膜输入的激光的相位的空间分布和强度的空间分布双方被进行了调制的情况下，半导体膜输出的电子波的相位的空间分布和强度的空间分布双方对应。
空间光相位调制器例如能够如滨松光子学株式会社的LCOS-SLM(Liquid Crystalon Silicon-Spatial Light Modulator：硅基液晶-空间光调制器)的X10468系列地使用利用液晶面板及其控制器的空间光相位调制装置。该装置的技术解说能够通过https：//www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/12_handbook.pdf阅览。也能够通过光透射的电介质实现空间光相位调制器。通过选择电介质的位置、厚度以及材质等，能够对光的相位的空间分布如所预期地进行调制。若与向电子波的行进路径***相位板的情况相比，则因向激光的行进路径***透明电介质而产生的问题小。
对于空间光相位调制器，能够利用进行了调制的分布状态相对于经过时间恒定的形式和进行了调制的分布状态随着经过时间变化的形式双方。
NEA膜通常是指实现负的电子亲合力(negative electron affinity)的膜。即，在观察半导体表面的电子时，实现真空基准比导带底更低的关系的膜。该情况下，从价带向导带激励的电子能够直接无任何障碍地向真空基准跃迁。也就是，通过室温或更低的温度激励到导带的电子从半导体中向真空中放出。将此称为负的电子亲合力。
实际上，只要向真空中放出具有比导带底高36meV(毫电子伏特)左右的能量的电子，就能够得到可实用的强度的电子波。只要是产生比相距导带底高36meV的能量级别低的真空级别的膜，则能够用于NEA膜。本说明书中所谓的NEA膜不仅是指真空级别比导带底低的膜，还指真空级别比相距导带底高36meV的能量级别低的膜。
本装置不利用相位板产生进行了空间相位调制的电子波，但并非不能与相位板并用，不排除与相位板并用。
对相位的空间分布进行了调制的电子波包括：相位的空间分布不均且强度的空间分布均匀的电子波(仅对相位的空间分布进行了调制的电子波)；以及相位的空间分布和强度的空间分布双方不一样的电子波(对相位的空间分布和强度的空间分布双方进行了调制的电子波)。
发明效果
根据本说明书记载的装置和方法，可以产生进行了空间相位调制的电子波，可扩展以下示例的各种可能性。
·能够得到对相位的空间分布如所预期地进行了调制的电子波。
·若利用该电子波，则能够用电子显微镜观察与电子波的相互作用弱的试样(例如生物体细胞)或者容易被电子波损伤的试样等。能够实现新的相位差电子显微镜。
·若可得到进行了相位调制的电子波，则由此能够高效地得到对强度的空间分布进行了调整的电子波束。例如，能够使用调整成条纹状的强度分布的电子波束，向电子显微镜导入构造化照明技术。
·若利用该电子波，则能够拍摄能够应用相位恢复法等图像解析技术的电子显微镜图像。
·若利用该电子波，则能够向压缩感测法等图像解析技术导入相位条件，能够缩短图像解析时间。
·若利用该电子波，则通过与微波发生装置或太赫兹波发生装置组合，能够产生对相位的空间分布进行了调制的微波或太赫兹波。由此，可以进行微波、太赫兹波的高密度化，提高基于导波路的传输效率。
·能够得到相位的空间分布随着经过时间变化的电子波(Electronic Wave)。
·若利用该电子波，则可以进行使用了具有角动量的涡旋(Vortex)电子波的观察。
·能够实现可将粒子旋转的电子波镊。
·若利用该电子波，则可以进行量子信息的读取和存储。
附图说明
图1表示实施例1的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图2表示实施例2的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图3表示实施例3的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图4表示实施例4的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图5表示实施例5的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图6表示实施例6的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图7表示实施例7的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图8表示实施例8的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图9表示实施例9的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图10表示实施例10的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图11表示实施例11的进行了空间相位调制的电子波的发生装置。
图12表示确认得到进行了空间相位调制的电子波的实验装置。
图13表示由图12的装置得到的结果。
图14表示实施例，该实施例表示当利用进行了空间相位调制的电子波时，球面像差缩小。
具体实施方式
列举以下说明的实施例的技术特征。
(特征1)在光阴极使用具备GaAs和GaAsP的应变超晶格结构的半导体膜。
(特征2)在半导体膜的表面形成在将该半导体的导带底作为能级的基准时向真空环境放出具有36meV(毫电子伏特)的能量的电子的NEA表面。
(特征3)具备将NEA表面附近的电子朝向试样加速的电极。
(特征4)利用能够将相位的空间分布、或者相位的空间分布和强度的空间分布双方调制成任意的(所预期的)分布状态的空间光相位调制器。
(特征5)利用能够使相位的空间分布、或者相位的空间分布和强度的空间分布双方随经过时间而变化的空间光相位调制器。
实施例
图1表示实施例1的电子波发生装置。符号2表示激光输出装置，符号4表示光纤，符号6表示准直透镜，符号8和符号10表示偏光用光学元件，符号12表示空间光相位调制器，符号16表示聚焦透镜，符号26表示支撑上述光学装置的壳体。符号14表示通过空间光相位调制器12对相位的空间分布如所预期地进行了调制的激光。
符号28表示电子枪部分的箱体。符号30表示电子显微镜的镜筒，符号18表示光阴极，符号20和符号22表示加速电子的电极对。当将壳体26固定于电子枪部分的箱体28时，调整为，使进行了空间相位调制的激光14照射光阴极18的背面的位置关系。在电极对20、22之间施加有电位差，一方的电极20兼具支撑光阴极18的功能。
当激光14照射光阴极18的背面时，从光阴极18的前表面放出电子波24，并被电极对20、22朝向未图示的试样加速。从光阴极18放出的电子波24的相位的空间分布与被空间光相位调制器12进行了空间相位调制的激光14的相位的空间分布相等。电子波24的相位的空间分布为传写激光14的相位的空间分布的关系。
光阴极18由具备通过GaAs和GaAsP构成的应变超晶格构造的半导体的膜形成，在其前表面(图1的左侧的面)涂敷有NEA膜，在背面(右侧的面)未涂敷NEA膜。当向半导体膜照射激光时，从该半导体膜的NEA膜侧放出电子波。该详情记载于日本特开2007－258119号公报，省略重复说明。另外，当向具备应变超晶格构造的半导体膜照射进行了圆偏振光的激光时，可得到特定的自旋方向优异的极化电子波。放出的电子的自旋方向由圆偏振光的方向决定，若将圆偏振光的方向反转，则极化电子波的自旋方向反转。该详情记载于国际公开WO2011/122171号公报，省略重复说明。NEA膜的材质、制膜方法等的详情也记载与上述两个公报，省略重复说明。已经确认了，通过激光照射而从半导体膜放出的电子波相干，且生成干涉条纹(APPLIED PHYSICS LETTERS 105,193101(2014),Coherence of a spin-polarized electron beam emitted from a semiconductor photocathode in atransmission electron microscope,Makoto Kuwahara et.al：应用物理学刊105，193101(2014)，透射电子显微镜中从半导体光电阴极发射的自旋极化电子束的相干性，MakatoKuwahara等)。
在本实施例中，利用上述技术，将具备应变超晶格构造的半导体膜设为光阴极18。在电子的自旋不重要的情况下，无需超晶格构造，能够使用GaAs膜、AlGaAs膜、InGaAs膜等。
为了实现上述的传写性，采用了以下的条件。
半导体膜的厚度设为比半导体膜内的电子的相干弛豫时间(在半导体中保持电子的相干的时间)乘以半导体膜中的电子的移动速度得到值薄的关系。即，设为在相干弛豫时间内电子穿过半导体膜的关系。满足上述的关系的半导体膜薄至100nm左右，激光14穿过半导体膜。当向半导体膜照射激光时，不管从半导体膜的背面照射还是从前表面照射，电子均从半导体膜的厚度内的各部分移动，且从NEA表面放出。从NEA表面放出前所需的移动时间最大的电子为从半导体膜的背面移动的电子。若半导体膜比半导体膜内的电子的相干弛豫时间乘以半导体膜中的电子的移动速度得到的值薄，则即使移动耗费最大时间的电子也能够在相干弛豫时间内穿过半导体膜，从NEA表面放出。若在电子的相干弛豫时间内从NEA表面放出电子，则可得到电子波24的相位的空间分布传写激光14的相位的空间分布的关系。
另外，LO声子散射对半导体膜中的电子的弛豫时间影响较大，能量超过36meV(以该半导体的导带底为能级的基准)的电子的弛豫时间因LO声子散射而缩短。反言之，能量不超过36meV的电子难以受到LO声子散射的影响，弛豫时间较长。本实施例中，通过在半导体膜中利用向真空中放出具有36meV的能量的电子的NEA表面，得到了电子在相干弛豫时间内穿过半导体膜的关系。
若使用实现负的电子亲合力(negative electron affinity)的膜，则由于向真空中放出处于相距传导体的底36meV的能量范围内的电子，因此不存在问题。在不利用降低真空度的膜的情况下，不向真空中放出处于相距传导体的底36meV的能量的半导体中的电子。NEA膜使该电子向真空中放出，因此，不必限定于具有负的电子亲合力，只要是得到比相距传导体的底高出36meV的能级低的真空度的膜即可。
若不利用NEA表面，则不能从光阴极18放出相干弛豫时间较长的36meV以下的电子。若将半导体膜减薄，并组合NEA膜而使用，则可得到相位的空间分布的传写性。
图1的空间光相位调制器12具备二维地配置多个液晶单元的构造，可以对施加至液晶单元的电压的大小按照每个单元独立地进行控制，可以对激光穿过液晶单元的期间产生的相位的延迟的大小按照每个单元独立地进行控制。即，若观察穿过了空间光相位调制器12的激光的横截面，则相位根据横截面的位置不同而变化。穿过了空间光相位调制器12的激光的相位的空间分布不均匀，根据其空间的位置关系的不同而相位不同。通过穿过激光的液晶面板与控制对液晶面板的各单元施加的电压的控制器的组合，能够形成空间光相位调制器12。
当向光阴极18的背面照射激光14时，从光阴极18的前表面放出电子波24。在此，若激光14的相位的空间分布不均匀，则该空间分布被传写到电子波。即，放出相位的空间分布与激光14的相位的空间分布一致的电子波24。放出的电子波通过电极对20、22朝向试样加速。
上述中示出了通过相位被进行空间调制的激光14照射的情况，但若通过相位的空间分布和强度的空间分布双方被进行了空间调制的激光照射，则放出相位的强度分布和强度的空间分布双方与激光一致的电子波。通过使透射的激光的相位延迟并且可以对该延迟量按照单元进行控制的液晶面板与可以对透射率按照单元进行控制的液晶面板的组合，能够得到相位的空间分布和强度的空间分布双方被进行了空间调制的激光。
根据空间光相位调制器，可以得到相位的空间分布随着时间变动的光、相位的空间分布和强度的空间分布双方随着时间变动的光，通过利用该光，可以得到相位的空间分布随着时间变动的电子波、相位的空间分布和强度的空间分布双方随着时间变动的电子波。
此外，若半导体膜具有应变超晶格结构，且激光进行了圆偏振，则根据该圆偏振光的方向来控制从半导体膜放出的电子的自旋方向。能够得到右向自旋优异的电子波，也能够得到左向自旋优异的电子波。也可以对自旋方向极化的极化电子波进行空间相位调制。
根据本实施例的装置，能够得到相位进行了空间调制的电子波和相位及强度双方进行了空间调制的电子波。进一步地，若有需要，也能够得到除了上述性质外，其空间分布随经过时间变化的电子波、或者特定的自旋方向优异的且其相位的空间分布、甚至时间分布被进行了调制的电子波。
空间光相位调制器存在反射型的。该情况下，如图2所示，将在空间光相位调制器12A反射出的激光(进行了空间相位调制)在反射镜13反射而朝向光阴极18。例如，能够将滨松光子学的LCOS-SLM的X10468系列作为反射型的空间光相位调制器12A。
图12表示验证通过空间光相位调制器42与光阴极44的组合产生进行了空间相位控制的电子波的实验装置。
图12(A)中，符号40表示激光输出装置，符号42表示空间光相位调制器，符号44表示光阴极，符号46表示聚光镜，符号48表示形成有开口的光圈，符号50表示载置试样的面，符号52表示投影透镜、符号54表示双棱柱，符号56表示投影面。
激光输出装置40输出相位一致的激光(称为以与行进方向正交的横截面观察时的相位不依赖于场所而处于恒定的相位，称为平面波激光)。如图13(A1)(A2)所示，空间光相位调制装置42处于以下关系：从光束中心沿半径方向延伸的轴上的相位恒定，相对于处于预定的旋转角的上述半径上的相位，距其处于90度的角度的半径上的相位延迟1/2·π，处于180度的角度的半径上的相位延迟π，处于270度的角度的半径上的相位延迟3/2·π。半径彼此所成的角和相位的延迟量处于比例关系。相位未延迟的半径的方位相对于空间旋转。(A2)表示从(A1)的状态经过预定时间后的相位，示出了在此期间旋转了θ。这样进行了空间相位调制的激光称为涡旋光。
光阴极(半导体膜)44的下表面由NEA膜被覆，当向光阴极44的上表面输入激光时，从NEA膜输出电子波。电子波通过加速装置向下方输送。
空间光相位调制器42被置于光轴的中心附近，激光的周边部不通过空间光相位调制器42。因此，在光轴的中心附近，涡旋光输入至光阴极44的上表面，在从光轴分离的位置，平面波激光输入至光阴极44的上表面。
光阴极44向放出的电子波传写激光的相位。该结果，在光轴的中心附近输出具有图13(A1)(A2)所示的旋转的相位的涡旋电子波，在周边部输出平面波电子波。图12的B－B表示在电子波束的横截面中，涡旋电子波58在光轴的中心附近行进，平面波电子波60在周边行进。
双棱柱56使在比光轴靠右侧行进的电子波的行进方向向左侧位移，且使在比光轴靠左侧行进的电子波的行进方向向右侧位移。当具有图12的B－B的横截面的电子波穿过双棱柱54时，例如，使在光轴的右侧行进的涡旋电子波58的行进方向向左侧位移，使在光轴的左侧行进的平面波电子波60的行进方向向右侧位移，其结果，如图12的C－C所示，在投影面56上的特定的位置62，涡旋电子波58和平面波电子波60双方输入，产生干涉条纹。图12的C－C的64表示干涉条纹的拍摄范围。
图13(B)表示观察到的干涉条纹。与之相对，图13(C)表示对由涡旋电子波58和平面波电子波60得到的干涉条纹进行计算而求出的图案。(B)和(C)良好地对应，确认了，若将通过空间光相位调制器42进行了空间光相位调制的涡旋激光输入至光阴极44，则从光阴极44输出涡旋电子波。涡旋激光的相位的空间分布和时间分布传写到涡旋电子波的相位的空间分布和时间分布，两者一致。
图1和图2中，向光阴极(形成有NEA表面的半导体膜)18的背面照射激光14，但也可以如图3～图11所示地向光阴极18的前表面照射激光。在图3～图11中，省略了激光输出装置2、光纤4、准直透镜6的图示。另外，对已经说明的部件标注相同的符号，省略重复说明。
图3中，在激光穿过的光学***与电子枪部分的箱体28之间追加了静电型的偏转器32。在偏转器32设有供激光14穿过的贯通孔32A。电子波24的行进方向因偏转器32而向下方弯曲，向电子显微镜的镜筒30(朝向下方延伸)输送。
如图4所示，在镜筒30沿左右方向延伸的情况下，追加偏转器33。
如图5所示，也可以取代静电型偏转器而使用偏向用电磁铁34。在偏向用电磁铁34形成有供激光24穿过的狭缝。
图6对应于图4，追加了偏向用电磁铁35。
如图7所示，也可以在激光的路径***反射器13A。若反射器13A使用凹面镜，则能够得到使激光聚焦于光阴极18的前表面的特定部位的关系，能够不需要聚焦透镜。
如图8所示，也可以使用反射型的空间光相位调制器12A。
如图9所示，也可以并用凹面镜反射器13A和反射型的空间光相位调制器12A。
如图10所示，也可以将激光14相对于光阴极18从倾斜方向照射。
如图11所示，也可以利用在中心设有供电子波穿过的贯通孔17的凹面反射镜13A。符号15为光学双棱柱，转换成若观察横截面，则强度分布于环状的范围的激光14A。通过凹面反射镜13A，能够得到使环状激光聚焦于光阴极18的前表面的特定部位的关系。
关于将光学***配置于真空中还是大气中，没有特别限制，也可以将一部分光学元件配置于真空中，将其它光学元件配置于大气中。
若可得到上述的电子波，则可以进行下记的各种操作。
(基于构造化照明法的电子显微镜的高解析度化)
在光学显微镜中，已知通过利用对强度的空间分布进行了调制的光，能够高解析度化至超过光的衍射极限的级别(例如，及川义朗、超解析显微镜的技术及应用显微镜pp238-240,Vol.47,No.4,2012)。电子显微镜也可以实现相同的效果，若可以利用对强度的空间分布进行了调制的电子波，则能够将电子显微镜高解析度化至超过电子波的衍射极限的级别。
可以利用通过STEM的扫描线和晶格得到的莫尔条纹实施构造化照明法(近藤、利用了基于STEM的扫描线和晶格的莫尔条纹的高解析度应变解析法、显微镜、Vol.49,No.3,2014)。原理上，并非不能够通过利用扫描模式的电子波而在透射电子显微镜实施构造化照明法。但是，实际上，需要进行复杂的扫描信号处理和检测器同步，并不简单。根据本技术，能够得到具有条纹状的强度的空间分布的电子波、即扫描模式的电子波，因此能够向透射电子显微镜导入构造化照明法。照射试样的电子波的相位的空间分布能够从莫尔模式选择将再构筑精细构造的傅里叶运算简单化或高速化的模式。或者，也可以调整成通过干涉生成具有条纹状的强度的空间分布的电子波的相位的空间分布。
若比较基于TEM的构造化照明法和基于STEM的构造化证明法，则若基于前者，则由于通过一次拍摄即可，因此可利用的试样的种类、拍摄条件宽松。另外，已知通过改变照射试样的电子波的条纹方向进行多次拍摄，从而进一步提高解析度的技术，但是根据本技术，能够通过空间光相位调制器容易地变更条纹方向。也能够使空间光相位调制器本身旋转。
(基于球面像差的改善的电子显微镜的高解析度化)
若将电子波通过电子波透镜聚焦，则产生球面像差，这成为电子显微镜的较大的问题(例如，田中信夫、像差补正TEM/STEM的现状和今后的展望显微镜pp175-180,Vol.46,No.3,2011、田中信夫、基于球面像差补正的高分辨率电子显微镜法的分辨率提高日本结晶学会志pp 20-25,第47卷,第1号,2005)。若基于对相位的空间分布进行了调制的电子波，则能够补偿透镜像差，将像差极少化。能够在透镜像差极少化的状态下观察试样，推进高解析度化。
图14表示基于电子透镜的聚焦点的良否的伦奇图。(A)表示将平面波电子波聚焦的情况的伦奇图。可知，通过电子透镜，使相位的空间分布不均匀。(B)表示以下情况的伦奇图：预先求出电子透镜引起的相位的空间分布(即，预先求出(A)的相位分布)，通过空间光相位调制器制作被该相位分布抵消(消除)的相位分布，利用电子透镜将通过来自该空间光相位调制器的激光得到的电子波聚焦。可知，(B)所示的伦奇图的倍率比(A)所示的伦奇图的倍率高，确认了，通过在空间相位调制后进行聚焦，像差减少。
(球面像差的补正装置的取消化)
若利用对相位的空间分布进行了调制的电子波，则无需补正透镜像差的透镜，能够将电子显微镜小型化，低价地提供高解析电子显微镜。当前，球面像差补正装置价格极高，妨碍了高解析度电子显微镜的普及。
(对比度的提高)
在由高分子、生物体试样等轻元素构成的物质中，透射电子显微镜存在图像的对比度低的问题。为了提高对比度，已知在电子波的行进路径的一部分配置相位板的技术。例如，通过对相位板使用具有中心开孔的环状的碳膜，可以进行病毒观察(山口正视et.al.,基于相位差电子显微镜的病毒观察显微镜pp.115-120,Vol.43,No.2,2008)。相对于穿过中心开孔的电子波不产生相位的延迟，穿过碳膜的电子波的相位延迟90度。即，在观察电子波的横截面的情况下，利用在中央部与周边部之间具有90度的相位差的电子波。通过利用两者的干涉，能够提高对比度。
相位板存在被照射电子波损伤、产生充电的问题，不能长时间使用。通常，在电子显微镜的真空内安装多张相位板，每当损坏时，一边更换，一边使用。当用完预先安装的相位板时，需要破坏真空，更换为新的相位板。进一步地，由于产生充电、损伤，因此能够稳定地进行计测的时间非常有限。通过本技术，消除了该问题。
(相位恢复法的改良)
已知从透射电子显微镜图像在数值解析上抽出强度信息和相位信息的相位恢复法。根据相位恢复法，无需生成电子波全息用的干涉条纹，能够从通常的显微镜图像抽出相位信息。在相位恢复法中，通过在电子波照射时使用圆孔掩膜等限定照射区域，从而将电子波照射区域的空间信息作为已知信息赋予数值计算时的约束条件(例如，日本特开2006－331901号公报)、通过傅里叶迭代相位恢复法求出满足约束条件的解(高桥et.al.,用于相位恢复的傅里叶迭代法的改善,pp.39-45,光学,第32卷,1号,2003)。在该方法中，需要精细且高精度的掩膜。另外，在利用傅里叶迭代相位恢复法得到满足约束条件的解前，需要大量的计算量。
根据本技术，可以在电子波产生时产生具有已知的空间构造的电子波。另外，能够使空间上的相位信息重叠，因此，相对于现有的仅将强度的空间分布信息作为约束条件使用，可以将相位的空间信息也添加到约束条件，使数值计算的收敛提前，也可以期待计算速度的提高。
(基于压缩感测的图像恢复技术的改良)
已知有基于根据稀疏的图像复原原图像的压缩感测的图像恢复法。该技术中，需要随机抽样法(三村和史，压缩感测－稀疎信息的再构成及其算法,数理解析研究所研究录,第1803卷,pp.26－56,2012、小崎大介et.al.,基于适应压缩感测算法的磁共振图像的复原,pp.1－4,计测自动控制学会东北支部第306回研究集会(2016.12.10)资料编号306-9、日本特表2016－538681号公报)。
根据本发明，能够对电子波添加随机的空间相位调制和空间强度调制，因此，能够容易地得到可以进行图像恢复的电子显微镜图像。进一步地，除了随机抽样法，还限定照射区域，由此具有可缩短图像恢复需要的计算时间的优点。进一步地，通过组合实施神经网络、深度学习、机械学习，可以进一步期待图像恢复的计算速度及其精度的提高。
由此，可以进行低剂量(少的电子波的照射量)观察，容易进行生体分子、高分子等易于破坏的试样观察的无损观察。而且，因为能够避免充电等问题，所以可以无导电性物质且稳定的观察。
(量子信息的处理)
为了生成具有角动量的涡旋电子波(Vortex束)，以往，必须在电子波行进路上设置叉型掩膜、相位板等(齐藤晃et.al.,具有螺旋状的波面的电子波的生成,传输,干涉pp.39-46,显微镜Vol.48,No.1,2013)。该技术存在以下问题：电子波的强度降低的问题；需要高精度地制作极精细的掩膜的问题；掩膜充电而相位紊乱的问题；以及具有不同的角动量的多个Vortex束同时产生等各种问题。
本发明中，能够产生时间性地变化的进行了空间相位调制的电子波，因此能够从光阴极直接产生Vortex束，不会产生上述问题。
进一步地，通过空间光相位调制器，能够生成具有单一的角动量的LG光束，因此能够抑制因高次的LG光束而引起的高次的Vortex束产生。
若将生成右旋Vortex和左旋Vortex的LG光束形成为量子的纠缠态(纠缠状态)，则能够生成保持纠缠状态的电子波Vortex束。在量子信息领域中正在推进使用了纠缠的LG光束的量子通信的研发，可以将其传写到电子波，通过取出到真空中，可以在真空管保存信息。由此，能够作为临时保存功能使用。也可以存储量子光具有的信息。通过一边向试样照射从处于纠缠状态的LG光束的一方的光产生的Vortex束，一边观察另一方的光，也可以观察试样的状态。该情况下，不通过电子波，而是通过光计测技术，能够利用电子射线观察试样的情况的样子。可以进行试样的状态观察。
(电子波的曝光图案的控制)
如https：//www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/12_handbook.pdf的“光束成型”的项目记载地，通过利用空间相位调制光和干涉现象，可以得到对强度的空间分布进行了调制的光(进行了光束成型的光)。根据本技术，通过向半导体膜照射进行了光束成型的光，能够得到进行了光束成型的电子波、即对强度的空间分布进行了调制的电子波。
若将对强度的空间分布进行了调制的电子波应用于电子波描绘装置，则可以通过一次放射对期望的图案区域进行曝光，或者通过一次放射对多点进行曝光，无需进行电子波的扫描。能够简单地实施利用电子波描绘的3D打印这样的构造体加工方法。另外，也可以用于对照射样品的数据写入、数据读出。
(对焊接、熔断等的利用)
可以使用具有期望的强度的空间分布的电子波进行焊接、熔断。
(粒子的移动)
若使电子波的聚焦点与粒子一致，且使该聚焦点的位置移动，则能够使粒子移动。即使电子波，也能够产生与光镊相同的现象。特别是当利用涡旋电子波时，能够使处于聚焦点的粒子旋转。可以得到不仅使粒子移动，而且能够使粒子旋转的电子波镊。
(对电磁波的应用)
另外，通过装入微波、太赫兹波发生装置，可以产生进行了空间相位调制的电磁波，提供超过微阵列型(Spindt型)电子源的任意空间构造、简便性。
以上对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只是示例，不限定权利要求书。权利要求书记载的技术包括将以上示例的具体例各种变形、变更而得到的方案。
另外，本说明书或附图中说明的技术要素单独或通过各种组合发挥技术上的有用性，并不限定于申请时的权利要求项记载的组合。另外，本说明书或附图示例的技术同时实现多个目的，实现其中的一个目的本身具有技术上的有用性。
符号说明
2—激光输出装置，4—光纤，6—准直透镜，8、10—偏向用光学元件，12、12A—空间相位调制器，14—进行了空间相位调制的激光，16—聚焦透镜，18—光阴极，20、22—电极对，24—进行了空间相位调制的电子波(电子波)，26—壳体，28—电子枪部分的箱体，30—镜筒，32、33—电子波偏转装置(静电型)，34、35—电子波偏转装置(电磁铁型)，40—激光输出装置，42—空间光相位调制器，44—光阴极，46—聚光镜，48—形成有开口的光圈，50—载置试样的面，52—投影透镜，54—双棱柱，56—投影面，58—涡旋电子波，60—平面波电子波。

Claims (10)

1.一种电子显微镜，其特征在于，具备：
激光输出装置，其输出激光；
空间光相位调制器，其输入上述激光输出装置输出的激光，并输出对输入的激光进行了空间相位调制的激光；
半导体膜，其输入上述空间光相位调制器输出的激光，并输出电子波；以及
电子波透镜，其输入上述半导体膜输出的电子波并进行聚焦，
上述半导体膜的表面由NEA膜被覆，
上述半导体膜的厚度比上述半导体膜中的电子的相干弛豫时间乘以上述半导体膜中的电子的移动速度得到的值薄，
向上述半导体膜输入的激光的相位的空间分布和上述半导体膜输出的电子波的相位的空间分布一致，
向上述电子波透镜输入的电子波中存在的相位的空间分布被由上述电子波透镜产生的相位的空间分布抵消。
2.一种电子波聚焦方法，其特征在于，具备：
向空间光相位调制器输入激光输出装置输出的激光，并输出进行了空间相位调制的激光的工序；
向由NEA膜被覆的半导体膜输入进行了空间相位调制的上述激光，并从上述半导体膜输出电子波的工序；以及
将上述半导体膜输出的电子波输入至电子波透镜并进行聚焦的工序，
上述半导体膜的厚度比上述半导体膜中的电子的相干弛豫时间乘以上述半导体膜中的电子的移动速度得到的值薄，
上述半导体膜输出电子波，该电子波具有与向上述半导体膜输入的上述激光的相位的空间分布一致的相位的空间分布，
向上述电子波透镜输入的电子波中存在的相位的空间分布被由上述电子波透镜产生的相位的空间分布抵消。
3.一种电子显微镜，其特征在于，具备：
激光输出装置；
空间光相位调制器，其对从该激光输出装置输出的激光进行空间相位调制并输出；
光阴极，其输入从该空间光相位调制器输出的激光，从而放出调制了相位的空间分布的电子波；以及
电子波透镜，其将从该光阴极放出的电子波聚焦，
上述空间光相位调制器被控制为，对上述激光制作将上述电子波透镜引起的第二相位的空间分布抵消的第一相位的空间分布，
通过调制了上述相位的空间分布的电子波来减少该电子波透镜引起的球面像差。
4.根据权利要求3所述的电子显微镜，其特征在于，
上述光阴极具备：
半导体膜，其膜厚比100nm薄；以及
NEA膜，其被覆于该半导体膜的电子波放出面。
5.根据权利要求3所述的电子显微镜，其特征在于，
上述光阴极具备：
半导体膜；以及
NEA膜，其被覆于该半导体膜的电子波放出面，
上述半导体膜的厚度比上述半导体膜中的电子的相干弛豫时间乘以上述半导体膜中的电子的移动速度的得到值薄。
6.根据权利要求3所述的电子显微镜，其特征在于，
上述空间光相位调制器是针对输入的上述激光，对相位和强度的空间分布双方进行空间调制的空间光相位调制器。
7.根据权利要求3～6中任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
上述半导体膜放出电子波，该电子波具有能够通过相位恢复法处理的相位的空间分布。
8.根据权利要求3～6中任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
上述半导体膜放出电子波，该电子波具有能够通过压缩感测法处理的相位和强度的空间分布。
9.根据权利要求3～6中任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
上述半导体膜由GaAs膜、AlGaAs膜、InGaAs膜中的任一个构成。
10.根据权利要求3～6中任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
上述半导体膜由具备应变超晶格构造的半导体膜构成。
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