JP4299208B2 - ３次元像構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の３次元像を得るための３次元像構築方法および透過電子顕微鏡に関する。

現在、試料の３次元像を得られる装置として透過電子顕微鏡が注目されている。この３次元像を構築する機能を備えた透過電子顕微鏡においては、試料を傾斜させて各試料傾斜角度において透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を取得し、取得したＴＥＭ像にＣＴ法（Computerized Tomography Method）を適用して試料の３次元像を構築するようにしている。

さて、コントラストの良いＴＥＭ像を得るには、対物レンズの焦点位置を正焦点位置（すなわち試料上）から少しずらした方がよいことが知られている。そこで、従来の３次元像構築機能を備えた透過電子顕微鏡においては、各試料傾斜角度においてコントラストの良いＴＥＭ像を撮影するため、各試料傾斜角度において以下の（ｉ），（ｉｉ）の処理が行われている。
（ｉ）対物レンズの正焦点位置を検出する。
（ｉｉ）対物レンズの焦点位置を、前記正焦点位置からデフォーカス量Δｆ（固定値）ずれた位置に設定し、その設定された焦点位置のもとで透過電子顕微鏡像を撮影する。
なお、上記（ｉ），（ｉｉ）の処理について記載した特許文献として、たとえば特開平４−１０４４５号公報（特許文献１）が知られている。また、３次元像を得る透過電子顕微鏡に関する特許文献として、たとえば特開平４−３３７２３６号公報（特許文献２）が知られている。

特開平４− １０４４５号公報 特開平４−３３７２３６号公報

上述した像撮影時のデフォーカス量Δｆ（正焦点位置からのフォーカスのずれ量）は、得られるＴＥＭ像の像質に大きな影響を与えると考えられる。特に、試料傾斜を行った場合には、試料の見かけの厚さが変化するために最適なデフォーカス量が傾斜角度によって変化すると考えられる。また、試料の材質によっても最適なデフォーカス量が変化すると考えられる。
しかしながら従来においては、そのデフォーカス量Δｆは固定値とされており、試料を傾斜させても常に同じデフォーカス量Δｆが用いられていた。
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的は、従来よりも像質の良い３次元像像を得ることができる３次元像構築方法および透過電子顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の３次元像構築方法は、
試料を複数段階に傾斜させて各試料傾斜角度において透過電子顕微鏡像を取得し、
取得した透過電子顕微鏡像に基づいて試料の３次元像を構築するようにした３次元像構築方法において、
各試料傾斜角度において以下の（ａ），（ｂ）の処理を行い、
（ａ）透過電子顕微鏡の対物レンズの正焦点位置を検出する
（ｂ）対物レンズの焦点位置を、前記正点点位置からデフォーカス量Δｆ_１，…，Δｆ_ｎずれた複数の位置に設定すると共に、その設定された各焦点位置のもとで透過電子顕微鏡像を取得する
上記（ａ），（ｂ）の処理によって取得された複数の透過電子顕微鏡像の中から、各試料傾斜角度につき１枚の最適な透過電子顕微鏡像を選択し、
その選択した透過電子顕微鏡像に基づいて試料の３次元像を構築するようにした
ことを特徴とする３次元像構築方法であり、
前記デフォーカス量Δｆ _１ は、これから観察が行われる前記試料に対して以下の（ｃ）〜（ｅ）の処理によって予め求められた値であり、Δｆ _１ 以外のデフォーカス量もΔｆ _１ と同様にして予め求められた値であり、それらのデフォーカス量Δｆ _１ ，…，Δｆ _ｎ は、それぞれ異なる試料傾斜角度θ _１ ，…，θ _ｎ において求められた値であることを特徴とする３次元像構築方法
（ｃ）試料傾斜角度を任意の角度θ _１ に設定する
（ｄ）設定された試料傾斜角度θ _１ において対物レンズの正焦点位置ｆ _１ を検出する
（ｅ）最適な透過電子顕微鏡像が得られるように対物レンズ励磁電流を変化させ、その時の対物レンズの焦点位置と前記正焦点位置ｆ _１ との差からΔｆ _１ を求める。

したがって本発明によれば、従来よりも像質の良い３次元像像を得ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の３次元像構築機能を備えた透過電子顕微鏡の一例を示した図である。まず、図１の装置構成について説明する。

図１において、１は真空チャンバであり、真空チャンバ１の内部は排気装置によって高真空に排気されている。真空チャンバ１の内部には、電子銃２側から順に、集束レンズ３、傾斜ステージ４、対物レンズ５、中間レンズ６、投影レンズ７、ＴＶカメラ８が配置されている。前記傾斜ステージ４は、光軸Ｏにほぼ直交する傾斜軸Ｔを中心として左右に傾斜可能に構成されており、その傾斜ステージ４上には試料Ｓが配置されている。

このように真空チャンバ１の内部には種々の電子光学的要素が配置されており、電子銃２から放出された電子線は集束レンズ３で集束されて試料Ｓを照射する。そして、試料Ｓを透過した電子線は対物レンズ５の結像作用を受け、試料Ｓの初段像が対物レンズ５と中間レンズ６間に形成される。その後、中間レンズ６と投影レンズ７により試料拡大像が形成されて行き、最終的に、試料拡大像すなわち透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）がＴＶカメラ８上に結像される。ＴＶカメラ８はＴＥＭ像を撮影し、そのＴＥＭ像に関する像信号ＩはＴＶカメラ８から中央制御装置９に送られるように構成されている。

この中央制御装置９は、その内部に、正焦点位置検出回路１０，焦点位置設定回路１１，デフォーカス量記憶回路１２，デフォーカス量可変回路１３，傾斜ステージ制御回路１４，画像メモリ１５および３次元像構築回路１６を備えている。また、中央制御装置９は、前記対物レンズ５のコイルに励磁電流ｉを流すための対物レンズ電源１７と、前記傾斜ステージ４を傾斜させる傾斜ステージ駆動部１８と、キーボードやマウスなどの入力手段（像選択手段）１９と、ＣＲＴ（表示手段）２０にそれぞれ電気的に接続されている。

以上、図１の透過電子顕微鏡の構成を説明した。
以下、図１の透過電子顕微鏡の動作を、（１）「複数のデフォーカス量Δｆ_１，…，Δｆ_ｎの事前検出」、（２）「ＴＥＭ像の自動取り込み」、（３）「３次元像構築にあたってのＴＥＭ像の選択」の３つの項目に分けて順に説明する。
（１）複数のデフォーカス量Δｆ_１，…，Δｆ_ｎの事前検出
まずオペレーターは、入力手段１９上において、傾斜ステージ４の傾斜角度θ_１を任意に入力する。オペレーターはたとえば−５０度を入力する。すると、入力手段１９からの傾斜角度信号を受けた傾斜ステージ制御回路１４は、傾斜ステージ４の傾斜角度θ_１を−５０度に設定するための傾斜信号θ_１（−５０）を傾斜ステージ駆動部１８に送る。この傾斜信号θ_１（−５０）を受けた傾斜ステージ駆動部１８は、傾斜ステージ４を−５０度傾斜させる。

こうして試料Ｓが−５０度傾斜されると、次にオペレーターは、入力手段１９上において「正焦点位置検出」の指示を行う。すると、入力手段１９からの正焦点位置検出指示信号を受けた正焦点位置検出回路１０は、対物レンズ励磁電流ｉをステップ状に変化させるための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流ｉをステップ状に変化させる。

この対物レンズ励磁電流ｉの変化に伴って、前記ＴＶカメラ８で撮影されるＴＥＭ像の像質は変化するが、そのＴＥＭ像の像質の変化は正焦点位置検出回路１０に記録される。すなわち、ＴＶカメラ８からの像信号Ｉは正焦点位置検出回路１０に供給されており、各対物レンズ励磁電流値のもとで撮影されたＴＥＭ像は、正焦点位置検出回路１０の画像メモリに対物レンズ励磁電流値と対応して記憶される。
ところで、対物レンズ５の焦点位置が正焦点位置に一致したとき、ＴＥＭ像のコントラスト値は最小となる。そこで正焦点位置検出回路１０は、記憶した各ＴＥＭ像に対して画像処理を行ってコントラスト値を求め、コントラスト値が最小のＴＥＭ像を抽出する。そして正焦点位置検出回路１０は、その抽出したＴＥＭ像が撮影されたときの対物レンズ励磁電流値ｉ（ｆ_１）を検出する。なお、前記コントラスト値は、たとえば特許文献１に記載されているような画像処理により求められる。
こうして対物レンズ励磁電流値ｉ（ｆ_１）が検出されると、すなわち試料傾斜角度−５０度における正焦点位置ｆ_１が検出されると、正焦点位置検出回路１０はその検出した対物レンズ励磁電流値ｉ（ｆ_１）の情報を焦点位置設定回路１１に送る。すると焦点位置設定回路１１は、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_１）にするための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_１）に設定する。
さて、現在、中央制御装置９はＴＶカメラ８からの像信号ＩをＣＲＴ２０に供給している状態にある。このため、ＣＲＴ２０上には、−５０度傾斜した試料Ｓの正焦点のＴＥＭ像が表示されている。正焦点のＴＥＭ像なので、コントラストのない像質のわるいＴＥＭ像がＣＲＴ２０上に表示されている。
そこでオペレーターは、ＣＲＴ２０上に表示されるＴＥＭ像の像質が良くなるように、入力手段１９上の「デフォーカス量つまみ」を操作する。この操作が行われると、デフォーカス量可変回路１３は、その操作量に応じて対物レンズ励磁電流をΔｉ変化させるための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流を現在のｉ（ｆ_１）からｉ（ｆ_１）＋Δｉに設定する。そして、コントラストの良い最高の像質のＴＥＭ像がＣＲＴ２０上に最終的に表示されるようになったときには、対物レンズ励磁電流はｉ（ｆ_１）＋Δｉ（ｆ_１）に設定される。
このように対物レンズ励磁電流がｉ（ｆ_１）＋Δｉ（ｆ_１）に設定されたということは、対物レンズ５の焦点位置が、前記正焦点位置ｆ_１からデフォーカス量Δｆ_１ずれた位置に設定されたということである。こうして試料傾斜角度がθ_１＝−５０度のときの最適なデフォーカス量Δｆ_１が求まると、すなわちそのデフォーカス量Δｆ_１に対応する対物レンズ励磁電流Δｉ（ｆ_１）が求まると、その電流値Δｉ（ｆ_１）はデフォーカス量Δｆ_１としてデフォーカス量記憶回路１２に記憶される。
以上、試料傾斜角度がθ_１＝−５０度のときのデフォーカス量Δｆ_１の事前検出について説明した。以後同様にして、任意の試料傾斜角度において最適なデフォーカス量の事前検出が行われる。本実施例ではあと２つの試料傾斜角度において最適なデフォーカス量が求められる。たとえば、試料傾斜角度がθ_２＝０度に設定されて最適なデフォーカス量Δｆ_２（実際に求められるのは、Δｆ_２に対応する対物レンズ励磁電流値Δｉ（ｆ_２））が事前検出され、その後、試料傾斜角度がθ_３＝５０度に設定されて最適なデフォーカス量Δｆ_３（実際に求められるのは、Δｆ_３に対応する対物レンズ励磁電流値Δｉ（ｆ_３））が事前検出される。
（２）ＴＥＭ像の自動取り込み
オペレーターは、入力手段１９上において、ＴＥＭ像の自動取り込みにあたってのデータ入力を行う。たとえばオペレーターは、試料が−６０度から１度ずつ６０度まで傾斜されて、各試料傾斜角度（−６０度，−５９度，…，０度，…，５９度，６０度）においてＴＥＭ像が撮影されるように、データを入力手段１９に入力する。すると、傾斜ステージ制御回路１４は、傾斜ステージ４の傾斜角度を−６０度に設定するための傾斜信号を傾斜ステージ駆動部１８に送る。このため、傾斜ステージ駆動部１８は傾斜ステージ４を−６０度傾斜させる。

こうして試料Ｓが−６０度傾斜されると、正焦点位置検出回路１０は前記同様にして正焦点位置ｆ_−６０を検出する。すなわち正焦点位置検出回路１０は、正焦点位置ｆ_−６０に対応する対物レンズ励磁電流値ｉ（ｆ_−６０）を検出して、その対物レンズ励磁電流値ｉ（ｆ_−６０）の情報を焦点位置設定回路１１に送る。

すると焦点位置設定回路１１は、前記デフォーカス量記憶回路１２に記憶されている電流値Δｉ（ｆ_１），Δｉ（ｆ_２），Δｉ（ｆ_３）を参照し、対物レンズ励磁電流を先ずはｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_１）にするための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_１）に設定する。このときのＴＥＭ像はＴＶカメラ８で撮影され、ＴＶカメラ８からの像信号Ｉは画像メモリ１５に送られる。そして、この対物レンズ励磁電流がｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_１）のときのＴＥＭ像、すなわち、対物レンズ５の焦点位置が正焦点位置ｆ_−６０からデフォーカス量Δｆ_１ずらされたときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１）は、画像メモリ１５に試料傾斜角度−６０度と対応して記憶される。

続いて焦点位置設定回路１１は、前記デフォーカス量記憶回路１２に記憶されている電流値Δｉ（ｆ_２）を用い、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_２）にするための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_２）に設定する。そして、この対物レンズ励磁電流がｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_２）のときのＴＥＭ像、すなわち、対物レンズ５の焦点位置が正焦点位置ｆ_−６０からデフォーカス量Δｆ_２ずらされたときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_２）は、画像メモリ１５に試料傾斜角度−６０度と対応して記憶される。

さらに焦点位置設定回路１１は、前記デフォーカス量記憶回路１２に記憶されている電流値Δｉ（ｆ_３）を用い、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_３）にするための励磁信号を対物レンズ電源１７に送る。この励磁信号を受けた対物レンズ電源１７は、対物レンズ励磁電流をｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_３）に設定する。そして、この対物レンズ励磁電流がｉ（ｆ_−６０）＋Δｉ（ｆ_３）のときのＴＥＭ像、すなわち、対物レンズ５の焦点位置が正焦点位置ｆ_−６０からデフォーカス量Δｆ_３ずらされたときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_３）は、画像メモリ１５に試料傾斜角度−６０度と対応して記憶される。

以上、試料傾斜角度が−６０度のときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１），Ｉ（Δｆ_２），Ｉ（Δｆ_３）の自動取り込みについて説明した。以後同様にして、各試料傾斜角度−５９度〜６０度において、デフォーカス量がΔｆ_１，Δｆ_２，Δｆ_３のときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１），Ｉ（Δｆ_２），Ｉ（Δｆ_３）が画像メモリ１５に各試料傾斜角度と対応して記憶される。
（３）３次元像構築にあたってのＴＥＭ像の選択
オペレーターは、入力手段１９上において「ＴＥＭ像選択」の指示を行う。すると、入力手段１９からのＴＥＭ像選択指示信号を受けた中央制御装置９は、前記画像メモリ１５に記憶されているＴＥＭ像の画像データを読み出してＣＲＴ２０に送る。その際、まず、試料傾斜角度が−６０度のときに得られたＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１），Ｉ（Δｆ_２），Ｉ（Δｆ_３）の画像データがＣＲＴ２０に送られる。その結果、ＣＲＴ２０上には、−６０度傾斜した試料ＳのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１），Ｉ（Δｆ_２），Ｉ（Δｆ_３）が並べて表示される。そこでオペレーターは、入力手段１９上において、３枚のＴＥＭ像の中で最も像質の良いＴＥＭ像を１枚選択する。たとえばＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１）が選択されると、中央制御装置９は、試料傾斜角度が−６０度のときのＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１）の画像データを３次元像構築回路１６に送る。

以後同様にして、試料傾斜角度が−５９度〜６０度のときに得られたＴＥＭ像Ｉ（Δｆ_１），Ｉ（Δｆ_２），Ｉ（Δｆ_３）に対してオペレーターによる像選択が行われ、各試料傾斜角度につき１枚の最適なＴＥＭ像が３次元像構築回路１６に記憶される。そして、３次元像構築回路１６は、オペレーターによって選択された各試料傾斜角度のＴＥＭ像にＣＴ法を適用して、試料Ｓの３次元像Ｉ（Ｔ）を構築する。その構築された３次元像Ｉ（Ｔ）の画像データは、中央制御装置９によって読み出されてＣＲＴ２０に送られる。この結果、３次元像Ｉ（Ｔ）がＣＲＴ２０上に表示される。

以上、図１の透過電子顕微鏡の動作を説明した。

本発明の図１に示した透過電子顕微鏡においては、各試料傾斜角度においてＴＥＭ像を撮影する際、従来のようにデフォーカス量Δｆを固定値とするのではなく、デフォーカス量Δｆが複数のデフォーカス量Δｆ_１，Δｆ_２，Δｆ_３に変えられて像撮影が行われる。そのデフォーカス量Δｆ_１，Δｆ_２，Δｆ_３は、これから観察が行われる試料に対して事前に求められたものであり、観察試料固有のデフォーカス量である。さらに、本発明の３次元像構築にあたっては、各試料傾斜角度につき１枚の最適なＴＥＭ像がオペレーターの目視判断によって選択され、その選択されたＴＥＭ像に基づいて３次元像が構築される。このような本発明により、従来よりも像質の良い３次元像を得ることができる。

なお、本発明は上記例に限定されるものではない。たとえば、上記例では３つのデフォーカス量Δｆ_１，Δｆ_２，Δｆ_３を求めるようにしたが、更に多く求めるようにしてもよい。

また、そのデフォーカス量を予め求めるにあたっては、複数求めたデフォーカス量のうち、最大と最小のデフォーカス量を採用すると共に、それらの間に等間隔でデフォーカス量を複数設定するようにしてもよい。

また、上記例では、ＴＶカメラで撮影されたＴＥＭ像を観察しながらデフォーカス量を設定するようにしたが、蛍光板上に投影されたＴＥＭ像を観察しながらデフォーカス量を設定するようにしてもよい。

本発明の透過電子顕微鏡の一例を示した図である。

符号の説明

１…真空チャンバ、２…電子銃、３…集束レンズ、４…傾斜ステージ、５…対物レンズ、６…中間レンズ、７…投影レンズ、８…ＴＶカメラ、９…中央制御装置、１０…正焦点位置検出回路、１１…焦点位置設定回路、１２…デフォーカス量記憶回路、１３…デフォーカス量可変回路、１４…傾斜ステージ制御回路、１５…画像メモリ、１６…３次元像構築回路、１７…対物レンズ電源、１８…傾斜ステージ駆動部、１９…入力手段、２０…ＣＲＴ、Ｓ…試料

Claims (1)

1. 試料を複数段階に傾斜させて各試料傾斜角度において透過電子顕微鏡像を取得し、
   取得した透過電子顕微鏡像に基づいて試料の３次元像を構築するようにした３次元像構築方法において、
   各試料傾斜角度において以下の（ａ），（ｂ）の処理を行い、
   （ａ）透過電子顕微鏡の対物レンズの正焦点位置を検出する
   （ｂ）対物レンズの焦点位置を、前記正点点位置からデフォーカス量Δｆ_１，…，Δｆ_ｎずれた複数の位置に設定すると共に、その設定された各焦点位置のもとで透過電子顕微鏡像を取得する
   上記（ａ），（ｂ）の処理によって取得された複数の透過電子顕微鏡像の中から、各試料傾斜角度につき１枚の最適な透過電子顕微鏡像を選択し、
   その選択した透過電子顕微鏡像に基づいて試料の３次元像を構築するようにした
   ことを特徴とする３次元像構築方法であり、
   前記デフォーカス量Δｆ _１ は、これから観察が行われる前記試料に対して以下の（ｃ）〜（ｅ）の処理によって予め求められた値であり、Δｆ _１ 以外のデフォーカス量もΔｆ _１ と同様にして予め求められた値であり、それらのデフォーカス量Δｆ _１ ，…，Δｆ _ｎ は、それぞれ異なる試料傾斜角度θ _１ ，…，θ _ｎ において求められた値であることを特徴とする３次元像構築方法
   （ｃ）試料傾斜角度を任意の角度θ _１ に設定する
   （ｄ）設定された試料傾斜角度θ _１ において対物レンズの正焦点位置ｆ _１ を検出する
   （ｅ）最適な透過電子顕微鏡像が得られるように対物レンズ励磁電流を変化させ、その時の対物レンズの焦点位置と前記正焦点位置ｆ _１ との差からΔｆ _１ を求める。

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