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Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop
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mit unterteiltem Detektor im Primärstrah1keel Die Erfindung betrifft
ein Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit unterteiltem Detektor
im Primärstrahlkegel, bei dem die Sondenfläche des Korpuskularstrahls in der Objektebene
größer als die gewünschte Auflösung ist und bei dem zur Erzeugung eines Bildpunktes
die Detektorelementsignale durch Filter modifiziert und anschließend verknüpft sind.
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Im Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop wird ein kleiner
Korpuskularfleck auf ein zu untersuchendes Objekt abgebildet. Dieser Korpuskularfleck
dient als Sonde, mit deren Hilfe das Objekt in zwei Koordinaten abgerastert werden
kann. Das erzeugte Bildsignal kann ähnlich wie das Bildsignal einer Fernsehaufnakmeröhre,
z. B. in einer Monitorröhre, wiedergegeben werden.
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In der üblichen Anordnung entspricht dabei jedem Bildpunkt ein einziges
Signal, welches z. B. als Dunkelfeldsignal auf einem ringförmig um den Primärstrahlkegel
angeordneten Detektor (Registrierung der Streustranlen) erzeugt werden kann. Bei
diesem Verfahren gehen die in den Primärstrahlkegel abgestreuten Streu strahlen
verloren, was insbesondere bei hohen Auflösungen (also bei sehr kleinem Sondendurchmesser)
it beträchtlichen Intensitätseinbußen verknüpft ist. Ein Durchstrahlungs-Raster-Elektlonenmikroskop
(STEM), mit dessen Hilfe man auch diese Information gewinnen kann, ist in einer
Arbeit von H. Rose, Phase Contrast in Scanning Transmission Elektron Microscopy,
in der Zeitschrift "Optik" 39, 1974, Seiten 416 - 436, beschrieben. Rose geht dabei
davon aus, daß bei einem STEM auf einer hinter dem Präparat liegenden Ebene in jedem
Zeitpunkt ein Hologramm des bestrahlten
Objektelements entsteht,
das sich durch Interferenz des vom Objektelement ausgehenden Strahlkegels mit dem
Primärstrahlkegel ergibt. Nach Rose ist im abbildenden Strahlkegel eine Detektoranordnung
vorgesehen, die aus einem aus Ringzonen zusammengesetzten Teildetektor und einem
in dessen Schatten liegenden Vollflächendetektor besteht. Diese Detektoranordnung
ist der Interferenzfigur des vom zentralen Punkt der Sondenfläche ausgehenden Strahlkegels
mit dem Primärstrahlkegel angepaßt. Bei entsprechender Bemessung nimmt daher der
eine dieser Teildetektoren die positiven (konstruktiven), der andere Teildetektor
die negativen (destruktiven) Interferenzbereiche auf. Durch diese spezielle Gestaltung
der Detektoren stellen diese gleichzeitig ein Filter dar, dessen reelle Funktion
von Teildetektor zu Teildetektor ihr Vorzeichen ändert. Durch Kombination der Ausgangssignale
der beiden Teildetektoren erhält Rose ein Bildsignal, das die Information über.den
zentralen Punkt der Sondenfläche enthält.
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Darüber hinaus ist es bekannt, Filter mit komplizierteren Funktionen
zu verwenden, welche nicht nur das Vorzeichen ändern, sondern auch eine Verstärkung
ohne Abschwächung der durchtretenden Strahlung und damit auch der registrierten
Detektorströme vorsehen (Veneklasen, On line holographic imaging in the Scanning
Transmission Electron Microscopy, Zeitschrift "Optik" 44,4, März 1976, Seiten 447
- 468).
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Hierbei ist ferner die Filterfunktion nicht durch die Teilung des
Detektors starr vorgegeben, sondern durch Verwendung eines Leuchtschirmes, der als
Vielkanaldetektor mit einer nur durch sein Auflösungsvermögen beschränkten Anzahl
von Detektorelementen aufgefaßt werden kann, beliebig einstellbar. Wie schon bei
Rose werden anschließend aber auch hier die einzelnen Detektorelemente nur derart
verknüpft, daß für einen einzigen Punkt sich der Phasenkontrast aufaddiert, hingegen
für alle anderen Punkte des Sondenfleckes sich kompensiert. Es wird also mit Hilfe
dieser Anordnung aus einer größeren Sondenfläche ein zentraler Punkt (bzw. besser
ausgedrückt, ein Flächenelement von der Größe der zu erzielenden Auflösung) herausgegriffen.
Es ist klar, daß nach
diesem Verfahren trotz eines relativ groben
Sondenfleckes ein Bild virtuell mit einem kleinen Sondenfleck abgetastet werden
kann. Allerdings ist mit diesem Verfahren der Nachteil einer geringeren Lichtstärke
verbunden, da außerhalb des virtuellen, durch Bildrekonstruktion definierten Sondenfleckes
trotz Bestrahlung des Objektes keine Information übertragen wird. Ist also die Fläche
der aktuellen Korpuskularstrahlsonde um den Faktor M grö-Ber, so wird - bei gleichmäßiger
Beleuchtung der Sondenfläche -die Strahlenausbeute auf 1/M reduziert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs erwähnten
Art anzugeben, das diese Lichtstärkenreduzierung dadurch vermeidet, daß alle Objektpunkte,
d. h. Flächenelemente von der Größe der zu erzielenden Auflösung, im beleuchteten
Sondenfleck gleichzeitig in ihrer Verteilung gemessen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur gleichzeitigen
Abbildung mehrerer Objektpunkte der Sondenfläche diesen eine Filteranordnung zugeordnet
ist, welche die Detektorelementsignale eines Vielkanaldetektors modifiziert, daß
Einrichtungen, die diese Signale zu den Objektpunkten entsprechenden Bildsignalen
verknüpfen, und Steuereinrichtungen zur sukzessiven mit der Abtastung synchronen
Entnahme dieser Bildsignale vorgesehen sind.
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Ausgehend von dem oben diskutierten Beispiel werden also zur Messucg
M Bildpunkte registriert, welche das Bild des Objektes innerhalb des beleuchteten
Sondenfleckes wiedergeben. Durch diese gleichzeitige Messung aller Punkte (statt
eines einzigen Punktes wie bisher) wird die Lichtstärke um den Faktor M erhöht.
Steuereinrichtungen sorgen dann dafür, daß diese gleichzeitig vorliegenden M Bildsignale
nacheinander in der richtigen Reihenfolge zu einem Bild zusammengesetzt werden.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird in Fig. 1 zunächst ein
STEM gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. In Fig. 2 wird die schematische
Abbildungsanordnung perspektivisch dargestellt. Anschließend wird die allen Überlegungen
zugrunde liegende Theorie skizziert.
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Im oberen Teil der Figur 1 ist ein übliches STEM dargestellt. Der
Elektronenstrahl 1 geht von einer ElektronenquelLe 21 vorzugweise mit Feldemissionskathode,
aus. Nach Beschleunigung durch die Anode 4 tritt er durch ein Ablenksystem 5 und
wird dann durch die Objektlinse .6 auf das Objekt 7 fokussiert. Das Ablenksystem
5 besteht aus elektrostatischen oder magnetischen Ablenkelementen, von denen zwei
Paare in der Figur dargestellt sind. Zwei weitere Paare sind senkrecht zur Zeichnungsebene
angeordnet. Der Elektronenstrahl 1 im abgelenkten Zustand ist in der Figur gestrichelt
dargestellt und mit 1a bezeichnet.
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L Elektronenstrahl 1 durchsetzt das Objekt 7 und trifft in Form eine
egls Ib auf eine Detektorelementanordnung 3. Der Elektronenstrah 1 ist so abgelenkt,
daß der Kegel 1b immer dieselbe Fläche der Detektorelementanordnung 3 bestrahlt.
Die Ausgangssignale der einzelnen Detektorelemente werden, wie durch eine Wirkungslinie
8 angedeutet, einer Anordnung 9 zugeführt, die aus diesen Signalen die Bildpunkte
rekonstruiert. Die so erhaltenen Bildsignale sind beispielsweise einem Monitor 10
zu dessen Helligkeitssteuerung zugeführt, dessen Ablenksystem 11 synchron mit dem
Ablenksystem 5 betrieben ist.
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Gemäß Fig. 2- erzeugt die Linse 6 auf dem Objekt 7 einen Sondenfleck
12, der wegen der Linsenfehler und wegen der Defokussierung größer ist als die beabsichtigte
Auflösung im Rastermikroskop.
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Das Bild des Objektes im Sondenfleck läßt sich durch die Bildamplituden
8 beschreiben, welche in einem quadratischen Raster angeordnet sein sollen und komplex
sind. Ihre Real- bzw. Imaginärteile sind als ap,q bzw. b bezeichnet. Aus strahlengeometrischen
Gründen ist der Sondenfleck rotationssymmetrisch, doch empfiehlt es sich, für die
theoretische Behandlung eine quadratische Rasterfläche anzunehmen, wie sie in Fig.
2 strichliniert um den Sondenfleck 12 gezeichnet ist, wobei sinngemäß die Bildamplituden
in den nichtbeleuchteten Zwickeln gleich Null gesetzt werden. Der Detektor 3 ist
als Vielkanaldetektor ausgebildet, wobei es für gewisse Ausführungsformen ebenfalls
praktisch ist, ihn bzw. die zugehörigen Detektorelementsignale in ein quadra-
tisches
Raster zu unterteilen. Die Detektorelementsignale sind mit 1m,n gekennzeichnet.
Die Form der Detektorfläche ist im allgemeinen ein Kreis, der einfacheren Verständlichkeit
wegen kann man sie aber auch als Quadrat (ebenfalls strichliniert gezeichnet) annehmen,
wobei die Detektorelemente in den Zwickeln als Nullelemente aufzufassen sind.
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Wegen der Linsenfehler und der Defokussierung der Linse 6 ist die
Sondenfläche 12 mit ungleichmäßiger Phase und zum Teil auch mit ungleichmäßiger
Amplitude beleuchtet. Es sei angenommen, daß-das geometrisch-optische Abbild der
Elektronenquelle in 12 so klein ist, daß es neben dem wellenoptischen Bild vernachlässigt
werden kann. Dann ist die Beleuchtungsamplitudenverteilung in 12 einfach gleich
der Abbildung eines leuchtenden Punktes durch die fehlerhafte Linse 6 mit dem Öffnungsfehler
C.. mit einer Strahlung der Wellenlänge # bei der entsprechenden Defokussierung
z0. Die Beleuchtungsamplitude L ergibt sich als Fouriertransformierte der Übertragungsfunktion
T des Objektivs 6:
In dieser Gleichung (1) ist mit 0 der Winkel zur Achse gekennzeichnet. Die Übertragungsfunktion
T kann auch als Phasenfilter aufgefaßt werden. Bei der Berechnung von T gemäß Gleichung
(1) wurde der chromatische Fehler vernachlässigt. Die zur Berechnung von T notwendigen
Größen sind bekannt oder leicht zu ermitteln.
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Nun werde in der Objektebene ein "unendlich" dünnes Präparat eingeschoben,
welches im Sondenbereich M Atome mit den Streuvermögen fj und den Ortsvektoren rj
(z.B. bezogen auf den Mittelpunkt der Sonde) enthält. Dann ist jedes der Atome verschieden
beleuchtet und man erhält für den Strukturfaktor dieser Atomanordnung die Gleichung:
Dabei entsprechen die h1, h2 den Koordinaten in der Detektorebene.
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Die L. sind die Beleuchtungsamplituden für die entsprechenden j Atome
fj. Man beachte, daß die Lj die Phase und die Amplitude der Atome (vergleichen mit
der Beleuchtung mit einer Planwelle) verändem. Berechnet man daher aus den Fh h
das Objekt zurück (durch eine weitere Fouriertransformation), so muß man berücksichtigen,
daß die Bildfunktion komplex ist. Allerdings ist diese Komplexität nicht - wie etwa
bei der anomalen Streuung - physikalisch bedingt. Da das L als bekannt vorausgesetzt
werden kann, kann man die komplexe Bildfunktion durch Division mit L. in die physikaj
lische Bildfunktion umwandeln. Einfacher ist es aber, den Absolutbetrag der Bildfunktion
zu berechnen. Dabei muß man jedoch eine gewisse Bildverfälschung wegen der verschiedenen
Amplituden von L; in Kauf nehmen, Die gestreuten Strahlen können mit dem Primärstrahl
interferieren, d. h. in der Detektorebene summiert sich die durch T beschriebene
Primäramplitude zu dem Strukturfaktor F:
Durch die Detektoren kann jedoch nur die Itensität .* und nicht die Amplitude selbst
gemessen werden:
Das erste Glied aus Gleichung (4) ist bei Vernachlässigung des
Farbfehlers und der partiellen Kohärenz gleich 1. Bei Berücksichtigung von Farbfehler
und partieller Kohärenz zeigt es einen Abfall gegen höhere Streuwinkel. Das letzte
Glied kann bei einem schwach streuenden Objekt als Glied höherer Ordnung vernachlässigt
werden. Durch Multiplikation von Gleichung (4) mit T erhält man:
Die Gleichung (5) zeigt auf der linken Seite Glieder, welche - wie aus der rechten
Seite dieser Gleichung zu sehen ist - dem Strukturfaktor nach Gleichung (2) und
einem Störglied entsprechen, welches den Strukturfaktor des Zwillingsbildes nach
Gabor beschreibt. Wie in Lehrbüchern der Holographie ausgeführt ist, ist dieses
Störglied unvermeidbar, wenn man mit in-line Holographie (d. h. der Primärstrahl
dient als Referenzstrahl) arbeitet. Allerdings hat hier das Störglied einen geringeren
Einfluß als in der ursprünglichen Gaborschen Anordnung. Es zeigt sich nämlich, daß
wegen der Modifizierung mit T² die Atome zu großen Kreisscheiben mit einer durch
T2 bestimmten inneren Struktur deformiert werden.
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Dadurch wird das verzerrte Bild sehr viel größer als das unverzerrte
Bild. Berechnet man nur die Punkte innerhalb der Sondenfläche, so wird der größte
Teil des Störbildes gar nicht berechnet und daher eliminiert. Bei der Verwendung
des Gaborschen Prinzips in der Rastermikroskopie beleuchtet man immer nur einen
kleinen Fleck gleichzeitig, so daß diese Elimination recht wirksam ist. Beleuchtet
man hingegen nach Gabor das ganze Bildfeld, so ist das Störbild nicht sehr viel
größer als das echte Bild und kann daher beträchtlich zur Verzerrung beitragen.
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Der weitere Vorgang besteht darin, daß aus den Strukturfaktoren gemäß
Gleichung (5) durch eine weitere Fouriertransformation das echte Bild gewonnen wird:
Aus Gleichung (6) erkennt man die Zusammensetzung der Bildfunktion als Summe aus
der ungestörten Struktur e und der Störstrukturyx?'y. Die Integrale sind dabei über
alle h1, h2 zu erstrecken, welche, wie Gleichung (2) sowie Fig. 2 zeigen, aus der
Position der Detektorelemente unmittelbar abzuleiten sind.
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Der Abstand zweier Detektorelemente ist, wie in Fig. 2 dargestellt,
gleich # #. D und die Koordinaten h1 bzw. h2 lassen sich damit schreiben als:
(m, n sind ganzzahlig).
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Wegen der gitterförmigen Anordnung der Detektorelemente und wegen
der Integration der Intensität # . #* innerhalb der Detektorelemente ergibt sich:
Damit läßt sich das Integral gemäß Gleichung (6) als Summe schreiben:
Die Tm,n sind die Werte der Übertragungsfunktion T in der Mitte der Detektorelemente.
Diese Näherung (und die Näherung in Gleichung [8]) ist erlaubt, wenn sowohl Streufunktion
# wie über tragungsfunktion T genügend langsam veränderlich innerhalb eines Detektorelementes
sind.
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Auch die Bildpunkte #x,y werden ähnlich wie die Strukturfaktoren Fh1h2
in einem Raster ap,q dargestellt:
(p,q sind ganzzahlig), so daß man schließlich Gleichung (9) schreiben kann als
wobei Um,n sowie # Im.n folgende Abkürzungen bedeuten:
In Gleichung (11) wurde die Störung #@@ durch das Zwillingsbild
vernachlässigt. Die Um,n, mit denen dieIm,n zu modifizieren p,q sind, sind komplexe
Größen. Sie stellen die Filter dar. Ebenso ist auch #p,q komplex. Es muß daher der
Realteil und der Imaginärteil von # mit Einsetzen des Realteils und des Imaginärteils
von U gesondert berechnet werden:
Aus Gleichung (1) und Gleichung (12) ergibt sich unmittelbar:
Um die Berechnung der # Im,n aus den Im,n zu vermeiden, welche nach Gleichung (12)
eine explizite Berücksichtigung der Tm,n . Tm*,n erfordern würde, werden die αp,qm,n
und die ßp,qm,n in ihre positiven und negativen Bestandteile unterteilt. Man bereichnet
also getrennt folgende Teilsummen:
Es gilt in guter Näherung:
Da nämlich T . T* eine um die Linsenachse rotationssymmetrische und nur wenig veränderliche
Funktion darstellt (sie beschreibt die Primärintensität auf den Detektorelementen)
und da das Integral über die positiven und negativen Beiträge der αp,qm,n
bzw.
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ßp,qm,n gleich groß ist, gilt:
und es kompensieren sich die entsprechenden Glieder der rechten Seite von Gleichung
(15) bei der Differenzbildung gemäß Gleichung (16).
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Nach dieser Theorie ist eine erfindungsgemäße Filteranordnung z. B.
dadurch gegeben, daß Jedem Objektpunkt mindestens vier Amplitudenfilter zugeordnet
sind, die den positiven und negativen Anteilen des Real- und des Imaginärteils der
Filterfunktion ent-
sprechen. Durch entsprechendes Zusammenfassen
der so entstandenen Signale gemäß Gleichung (16) erhält man schließlich Real- und
Imaginärteil der Bildamplitude §.
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Weitere für die Erfindung wesentliche Merkmale sind in den folgenden
Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 3 bis 15 beschrieben.
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In der Arbeit von Veneklasen wurde der den Vielkanaldetektor bildende
Leuchtschirm durch einen halbdurchlässigen Spiegel zwei fach abgebildet. Da im vorliegenden
Fall eine komplexe Bildfunktion registriert werden soll, was ganz entscheidend für
die dreidimensionale Bildanalyse ist, müssen, wie die Theorie gezeigt hat, vier
Kanäle Je Bildpunkt verwendet werden. Da gleichzeitig mehrere Objektpunkte abgebildet
werden sollen, erhöht sich dementsprechend die Zahl der notwendigen Vielfachabbildungen
des Vielkanaldetektors.
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Im Hinblick auf eine einfache Ausgestaltung empfiehlt es sich, daß
ein Bildwandler als Vielkanaldetektor vorgesehen ist sowie ein Linsenraster mit
ebenso vielen Linsen wie Filtern, welches diesen Bildwandler vielfach abbildet,
daß jeder Linse eines der Filter sowie ein den gesamten durch dieses Filter hindurchgelassenen
Lichtstrom messender Detektor nachgeordnet ist. Fig. 3 zeigt die entsprechende schematische
Anordnung. Im oberen Teil von Fig. 3 ist wiederum das STEM zu sehen, in dem der
Elektronenstrahl das Objekt 7 durchsetzt und in Form eines Kegels 1b auf den Bildwandler
20 trifft. Dadurch wird die Intensitätsverteilung 1m,n über eine Fluoreszenzschicht
als Lichtintensitätsverteilung wiedergegeben. Zur Erhöhung der Lichtintensität kann
ein hier nicht dargestellter Bildverstärker zusätzlich zwischengeschaltet werden.
Sollen beispielsweise 9 Objektpunkte gleichzeitig abgebildet werden, so ist wegen
der 4 Filter pro ObJektpunkt ein Linsenraster 21 notwendig, das in diesem Beispiel
aus einem quadratischen Raster mit 6 x 6 Linsen besteht und damit 36 Vielfachabbildungen
22 mit einer Lichtintensitätsverteilung erzeugt, die der Intensitätsverteilung 1m,n
entspricht. Die Filter bestehen aus verschieden lichtdurchlässigen Schablonen 23.
Diese Schablonen
23 sind entsprechend den Detektorelementen m,n
rasterförmig unterteilt. Die Durchlässigkeit Jedes dieser Rasterelemente ist durch
die Filterfunktion bestimmt, die zu dem zugehörigen Detektorelement m,n und dem
abzubildenden Objektpunkt p,q gehört. Zu einer Schablone gehört immer nur ein Objektpunkt,
jedoch alle Detektorelemente.
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In Fig. 3 sind für die linke und rechte Schablone 23 beispielhaft
Filterfunktionen angegeben. Für die linke Schablone 23, die dem Objektpunkt 1,1
zugeordnet ist und die zur Erzeugung des positiven Anteils des Realteiles des Bildsignals
dienen soll, sind die Filterfunktionen I m'n Das bedeutet, daß sich mit den Laufindizes
m und n die Filterfunktion und damit die Durchlässigkeit der Schablone ändert. Entsprechend
sind für die rechte Schablone 23 die Filterfunktionen durch bon gegeben.
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Diese Schablonen lassen sich z.B. herstellen, indem die von einem
Computer nach Gleichung 14 berechneten Filterfunktionen von einem Plotter gezeichnet
und die so entstandenen Schwärzungsverteilungen optisch verkleinert auf eine Fotoplatte
übertragen werden.
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Diese Fotoplatte stellt dann die Schablone dar.
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Der gesamte Lichtstrom, der durch jede der Schablonen 23 hindurchgelassen
wird, wird in einem nachfolgenden Fotoelement 24 gemessen.
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Dieser Fotostrom ist unmittelbar gleich einer der vier Teilsummen
für einen Bildpunkt. Für das linke Fotoelement 24 ergibt sich in diesem Beispiel
der positive Anteil des Realteils der Bildamplitude für den ObJektpunkt 1,1, also
E9 a1 1 und für das rechte Fotoelement ergibt sich entsprechend für den positiven
Anteil des Imaginärteils der Bildamplitude # b1,1.
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Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Detektorunterteilung
sehr fein ist - sie ist praktisch nur durch die Auflösungsgrenze des Bildwandlers
beschränkt -, und es wird daher unmittelbar das Fourierintegral gebildet, so daß
die außerhalb des Bildfeldes fallenden Teile des Zwillingsstörbildes völlig eliminiert
werden. Für dieses Linsenraster 21 genügen relativ
einfache nichtkorrigierte
tinsen, wenn man hochempillndlithe llo40 elemente 24 benutzt.
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Eine optisch besonders saubere Integration erhält man mit einer Anordnung,
wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Schematisch ist wieder der Bildwandler 20 dargestellt,
der hier der Ubersichtlichkeit halber nur von einer Linse des Linsenrasters 21 nach
22 abgebildet wird. Das anschließend durch die Schablone 23 hindurchgelassene Licht
wird bei dieser Anordnung durch eine zusätzliche Kollektorlinse 25 auf dem Fotoelement
24 fokussiert. Bei dieser Anordnung spielt eine verschiedene Ortsempfindlichkeit
des Fotoelementes 24 keine Rolle mehr.
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Weiterhin ist es auch möglich, die Bildsignale auf elektronischem
Wege aus den Detektorelementsignalen zu erzeugen. Dazu ist es notwendig, daß für
jedes Detektorelement des Vielkanaldetektors eine Anzahl von Kanälen vorgesehen
ist, die gleich dem Vierfachen der Zahl der Objektpunkte in der Sondenfläche ist
und auf die sich die Detektorelementsignale gleichmäßig aufteilen, und daß Einrichtungen
zur Modulation entsprechend der Filterfunktion und zur anschließenden Summation
dieser modulierten Signale vorhanden sind.
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Die Vielzahl der notwendigen Kanäle ergibt sich daraus, daß die positiven
bzw. negativen Anteile von Real- und Imaginärteil der Bildamplitude getrennt erzeugt
werden müssen. Die folgende Figur 5 zeigt eine entsprechende Verschaltung der Detektorelemente,
beschränkt auf den positiven Anteil des Realteils der Bildfunktion, also auf die
Erzeugung von #ap,q. Die Sondenfläche 30 ist wiederum in 9 getrennte Objektelemente
#p,q eingestellt. Die Indizes p und q laufen dabei Jeweils von 1 bis 3. Die Detektorfläche
31 ist rasterförmig mit den Detektorelementen belegt, deren Ort durch den Laufindex
m,n festgelegt ist. Die Detektorelementsignale 1m ,n werden auf M Kanäle - M ist
dabei die Zahl der Objektpunkte und in diesem Fall gleich 9 - aufgeteilt, d.h. die
Detektorfläche 31 muß neunmal reproduziert werden. In Fig. 5 sind nur zwei dieser
neun Blöcke 32 dargestellt. Jeder Block 32
gehört zu einem Objektpunkt.
In den Elementen eines solchen Blokkes 32 werden nun die Detektorelementsignale
Im,n entsprechend der zu diesem Objektpunkt gehörenden Filterfunktion in verschiedener
Weise modifiziert (verstärkt, geschwächt, eventuell im Vorzeichen umgetauscht).
Für einige Elemente der Blöcke 32 sind die entsprechenden Filterfunktionen angegeben.
Die Summe aller derart modifizierten Elemente eines Blockes 32 ergibt dann in diesem
speziellen Beispiel den positiven Anteil des Realteils der Bildamplitude für einen
Bildpunkt. In Fig. 5 ergibt der linke Block 32 den Anteil # a1,3 und der rechte
Block 32 den Anteil # a2,3. Entsprechende Anordnungen müssen auch für den negativen
Anteil von a sowie für den positiven und negativen Anteil von b vorgesehen sein.
Damit erhält man dann für jeden Bildpunkt die vier Teilsignale. Aus der Beschreibung
dieser Figur ist ersichtlich, daß jedes Teilsignal für ein Bildelement 9p,q durch
die Ströme aller Detektorelemente 1m,n charakterisiert wird, wobei allerdings die
Verschaltung dieser Ströme (mit Verstärkung, Abschwächung und eventuellem Vorzeichenwechsel)
für jedes der Teilsignale verschieden ist. Auf diese Weise ergibt sich aus den Blöcken
32 eine Signalmatrix 33, deren 9 Elemente den 9 Elementen o der Sondenflächen entsprechen.
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Die notwendige Modifizierung der Detektorlelementsignale 1m,n kann
dadurch erreicht werden, daß eine der Zahl der Kanäle entsprechende Anzahl Festwertspeicher
und Multiplikationsglieder vorgesehen ist. Die folgende Figur 6 zeigt die Verschaltung
für eine dieser Teilsummen in etwas detaillierterer Darstellung. Das Detektorelementsignal
Im n wird in einem Multiplikationsglied 35 mit einem einem Festwertspeicher 36 entnommenen
Anteil der Filterfunktion, in diesem Beispiel # αp,qm,n, multipliziert end
bildet so einen Teilbetrag für die Aufsummierung zu E9 ap q.
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In Analogietechnik läßt sich die Multiplikation mit einem Festwert
dadurch realisieren, daß für diese Multiplikation, wie Fig.
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7 zeigt, fest einstellbare Potentiometer 37 vorhanden sind.
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Selbstverständlich ist auch hier für jedes Detektorelementsignal ein
Potentiometer nötig, und erst die Summe aller so erhaltenen Signale gibt einen der
vier Anteile zum Bildsignal.
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Fig. 10 zeigt das Prinzip der Gesamtschaltung nach Fig. 5 mit Summation
über Parallelschaltungen von Strömen. Jedes Detektorelementsignal Im,n ist ebensovielen
Potentiometern wie Objektpunkten zugeführt. Durch unterschiedliche Abgriffe an diesen
Potentiometern wird die Modifikation mit den entsprechenden Filterfunktionen durchgeführt.
Alle so entstandenen und zu einem Objektpunkt gehörenden Signale werden einer Parallelschaltung
von Widerständen zugeführt, wodurch diese Signale zum Endwert + aufsummiert werden.
Sofern die Indizes in dieser Figur mit einem Strich versehen sind, bedeutet das
nur, daß es sich um einen anderen Objektpunkt oder ein anderes Detektorelementsignal
handelt.
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Auf diese Art und Weise karin man alle vier Teilbeträge für die Bildsignale
erhalten. Um aus diesen Teilbeträgen den Realteil bzw. den Imaginärteil der Bildamplitude
zu erhalten, müssen je zwei dieser Teilbeträge, wie Gleichung (16) zeigt, voneinander
subtrahiert werden. Die Figur 8 zeigt schematisch die Bildung des Realteils ap,q
des Bildsignals aus den TeilsummenD+ap,q undEap,q. zu ap,q. Diese beiden Teilbeträge
werden einem Differenzglied 38 zugeführt. Als Ausgangssignal ergibt sich damit der
gewünschte Realteil des Bildsignals. In analoger Weise kann man auch den Imaginärteil
bp,q des Bildsignal bilden. auf diese Art und Weise erhält man schließlich die zwei
Signale für diese komplexe Bildfunktion. Allerdings sind die entsprechenden, etwa
auf einem Monitor herausgegebenen Bilder von Realteil und Imaginärteil nicht sehr
charakteristisch für die Objektstruktur, da eine Phasenmodulation mit der beleuchteten
Wellenfunktion L (vgl.
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Gleichung (2)) vorliegt. Es gilt:
Es kann daher aus a und b der Wert YL t, also die Intensität im
Bildpunkt,
berechnet und ausgegeben werden. Diese Intensität ist von der beleuchtenden Wellenfunktion
unabhängig. Die Figur 9 zeigt die entsprechende schematische Schaltung. Durch die
Quadrierglieder 39 bzw. 40 werden die Werte a bzw. b quadriert und durch das Summenglied
41 zu #² vereinigt. Diese Schaltung muß nur ein einziges Mal vorliegen.
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Die hier aufgeführten Verschaltungen lassen sich mit bekannten Hilfsmitteln
der analogen Rechentechnik oder der digitalen Rechentechnik leicht realisieren.
Der Aufwand ist beträchtlich, aber nicht prohibitiv. In einem Beispiel sei angenommen,
daß ca. 30 Bildpunkte gleichzeitig berechnet werden sollen. Im Prinzip genügt für
die Durchführung dieser Rechnung eine Unterteilung des Detektors in 120 Elemente.
Um den Rauschanteil zu vermindern (Überlappung aus benachbarten Gebieten), empfiehlt
es sich allerdings, mindestens viermal so viele Detektorelemente, also 480 Detektorelemente,
vorzusehen. Für eine Teilsumme würden dann 14 400 Festlzertspeicher und Multiplikationsglieder
erforderlich sein. Um alle Teilsummen zu berechnen, benötigt man also ca.
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60 000 Elemente. Selbst in Digitaltechnik sind Speicherkapazitäten
dieser Größenordnung in kleinen Rechenmaschinen heute durchaus üblich. Hierbei ist
noch nicht berücksichtigt, daß etwa die Hälfte der Schaltelemente wegfällt wegen
der Aufteilung in Plusbeiträge und Minusbeiträge entsprechend Gleichung (15). Es
wird sich allerdings empfehlen, die Apparatur in Analogietechnik aufzubauen, da
sonst eine große Anzahl von Analog-Digital-Wandlern erforderlich wäre.
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Die Verknüpfung der Detektorelementsignale zu den Bildsignalen erfolgt
- wie Gleichung (6) besonders deutlich zeigt - durch Filterung in der Beugungsebene
und gleichzeitige Fouriertransformation. Diese Maßnahmen lassen sich konstruktiv
dadurch verwirklichen, daß ein Laserdiffraktometer vorgesehen ist, in dessen parallelem
Strahlenbündel sich die aus dem komplexen Phasenfilter T bestehende Filteranordnung
sowie ein durch die Detektorelementsignale angesteuertes Lichtrelais befindet. Die
prinzipielle Anordnung ist in der Figur 11 dargestellt. Ein paralleler Laserstrahl
50 trifft auf -das nach Gleichung (1) geformte kom-
plexe Phasenfilter
T und anschließend auf ein Lichtrelais 51, dessen Transparenz durch die Detektorelementsignale
gesteuert wird. Die Transparenzverteilung dieses Lichtrelais 51 entspricht damit
der Detektorelementsignalverteilung in der Detektorebene.
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Das STEM bis zur Detektorebene sowie die Ansteuerung des Lichtrelais
sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt. Durch eine nachgeschaltete Linse
52 entsteht in der Brennebene 53 dieser Linse 52 die Fouriertransformierte der gefilterten
Verteilung 1 n. Durch eine Detektormatrix 54 kann dann unmittelbar die Bildm,n punktverteilung
registriert werden. Das notwendige komplexe Phasenfilter T kann auch durch entsprechende
Ausbildung der Apparatur mit einer fehlerbehafteten Linse 52 und deren Defokussierung
simuliert werden.
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Mit dieser Anordnung wird die Fourierverteilung aus dem I und nicht
aus dem a I berechnet, wodurch ein Hellfelduntergrund entsteht, welcher der unscharfen
(Defokus = zO) und fehlerbehafteten Abbildung der Elektronensonde entspricht. Darüber
hinaus wird in der Brennebene 28 nicht die Amplitudenverteilung, sondern die Intensitätsverteilung
registriert. Die Phase der komplexen Bildfunktion geht also verloren.
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Mit weiteren holographischen Hilfsmitteln kann man aber auch die komplexe
Bildfunktion registrieren. Ein dazu geeignetes Verfahren ist die Einseitenband-Holographie
mit komplexen Halbebenen, in welchem man zwei Bilder erzeugt, welche nur mit jeder
Hälfte der Funktion Im,n - also z. B. aus Im,n mit m von - # bis + # und n von 0
bis + # und Im,n mit m von - # bis + # und n von 0 bis - oo - aufgebaut sind.
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Fig. 12 zeigt eine entsprechende Ausführungsform. Der parallele Laserstrahl
ist wiederum mit 50 bezeichnet. Die zugehörigen Streustrahlen werden durch einen
halbdurchlässigen Spiegel 55 und zwei undurchlässige Blenden 56 bzw. 57 in zwei
Hälften aufgeteilt, von denen die nichtabgelenkte Hälfte durch die Linse 58 auf
die Detektormatrix 59, die durch den Spiegel 55 abgelenkte Hälfte durch die Linse
60 auf die Detektormatrix 61 abgebildet wird.
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Die über die beiden Detektormatrizen 59 bzw. 61 ermittelten Bilder
entsprechen zwar nicht unmittelbar dem Realteil und dem Imaginärteil der gesuchten
Bildfunktion, doch enthalten sie die für deren Bestimmung erforderliche Information,
was für die weitere Auswertung, insbesondere für die dreidimensionale Bildrekonstruktion,
von entscheidender Bedeutung ist.
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Bei den Ausführungsformen nach Fig. 11 und Fig. 12 kann die nach Im
n modulierte lichtdurchlässige Schicht 51 (Lichtrelais) z. B.
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aus Flüssigkristallelementen aufgebaut sein. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß als Lichtrelais eine Eidophorröhre benutzt wird.
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Die Figur 13 zeigt eine entsprechende Anordnung in schematischer Form.
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Im oberen Teil der Figur 13 ist wiederum ein STEM dargestellt$ an
das sich über ein faseroptisches Bündel 65 eine Video-Aufnahmeröhre 66 anschließt.
Diese tastet zur Registrierung der Detektorelementsignalverteilung das auf einem
Fluoreszenzschirm aufgezeichnete Detektorbild ab. Die so erhaltenen Signale dienen
zur Ansteuerung der Eidophorröhre 67, die in diesem Fall aus einem Hohlspiegel 68
sowie einer dünnen Schicht 69 auf diesem Spiegel 68 besteht. Durch das Signal der
Aufnahmeröhre 66 wird die Transparenz dieser dünnen Schicht 69 variiert. Diese Schicht
69 stellt somit das eigentliche Lichtrelais dar. Der Spiegel 68 entspricht der Linse
52 in Fig. 11. Das parallele Laserbündel 70 wird durch den Spiegel 68 auf die Detektorebene
71 fokussiert. Im parallelen Laserbündel 70 befindet sich außerdem wiederum das
komplexe Phasenfilter T. In der Detektorebene 71 erhält man dann wieder die Intensitätsverteilung
in der Bildebene.
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Man darf dabei nicht vergessen, daß man auf diese Weise zunächst nur
die Intensitätsverteilung des Objektes innerhalb der kleinen Sondenfläche, mit der
dieses Objekt beleuchtet wird, erhält.
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Springt nun die Sonde beim Abrastern des gesamten Objektes ein Stück
weiter, so ergibt sich in der Detektorebene des STEM eine
andere
Intensitätsverteilung, die wiederum eine andere Transparenzverteilung des Lichtrelais
erfordert. Es kommt also auch darauf an, daß sich das verwendete Lichtrelais möglichst
schnell in einen anderen Zustand überführen läßt.
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Bei den bisher in den Figuren 3 bis 13 behandelten Ausführungsbeispielen
wurde immer nur die gleichzeitige Rekonstruktion der Bildsignale mehrerer Objektpunkte
innerhalb einer feststehenden Sondenfläche betrachtet. Anders ausgedrückt ging es
darum, daß bei einer durch Linsenfehler und Defoknssierung verursachten minimal
erreichbaren Sondenfläche Flächenelemente mit einem kleineren Durchmesser als der
der Sondenfläche aufgelöst werden können. Weiterhin ging es darum, daß eine Vielzahl.dieser
Flächenelemente, kurz als Objektpunkte bezeichnet, innerhalb dieser Sondenfläche
liegen und gleichzeitig abgebildet werden..Es wurde bereits eingangs darauf hingewiesen,
daß diese gleichzeitig entstehenden mehreren Bildsignale nicht gleichzeitig zur
Bilderzeugung, beispielsweiSe auf einem Monitor, herangezogen werden können, sondern
nacheinander in der richtigen Reihenfolge zu einem Bild zusammengesetzt werden müssen.
Dazu sind erfindungsgemäß Steuereinrichtungen zur sukzessiven mit der Abtastung
synchronen Entnahme dieser Bildsignale vorgesehen. Damit diese sukzessive Entnahme
möglichst einfach gestaltet werden kann, empfiehlt es sich, daß dem Real- bzw. Imaginärteil
jedes Bildsignals ein Speicher zugeordnet ist, der wegen der Verweildauer der Sonde
auf dem entsprechenden Objektbereich diese Bildsignale integral abspeichert, daß
allen Speichern ein Pufferspeicher nachgeordnet ist, auf dem beim Weiterspringen
der Sonde die in den Speichern vorhandene Information gleichzeitig übertragen wird,
und daß ein weiterer Großspeicher vorgesehen ist, in den die in den Pufferspeichern
enthaltenen Signale sukzessive übertragen werden, während in den ersten Speichern
neue Bildsignale abgespeichert werden.
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Die Figur 14 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Zum besseren
Verständnis sind die Bildelemente ap,q bzw. bp,q in einer einzigen Zeile angeordnet
gezeichnet. Wie in früheren Ausführungsbeispielen sind wiederum 9 Bildelemente entsprechend
9
Objektpunkten verwendet wordcn. Jedem dieser Bildelemente ist
ein Speicher 75 bzw. 76 (für die bp,q) zugeordnet. An jeden dieser Speicher wiederum
schließt sich je ein Pufferspeicher 77 bzw. 78 an. Die Wirkungsweise dieser Anordnung
ist folgende: Während einer vorgegebenen Zeit t bestrahlt die Korpuskularstrahlsonde
einen bestimmten Objektbereich von der Größe der Sondenfläche.
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Während der ganzen Bestrahldauer werden die Bildsignale allmählich
aufgebaut und gleichzeitig während dieser Zeit in den Speichern 75 bzw. 76 aufgespeichert.
Nach Ablauf dieser Zeit springt die Sonde auf einen benachbarten Objektbereich (Sprungweite
ungefahr gleich demSondendurchmesser), gleichzeitig werden die in 75 bzw. 76 gespeicherten
Bildsignale auf die nachfolgenden Pufferspeicher 77 bzw. 78 übertragen. Während
der Aufnahme der neuen Bildsignale in den Speichern 75 bzw. 76 werden während der
-ersten Hälfte des Zeitelementes t die im Pufferspeicher 77 enthaltenen Signale
sukzessive, z. B. in ein Magnetbandgerät, analog oder digital übertragen. Diese
Ubertragung ist durch den Pfeil 79 angedeutet. Während der zweiten Hälfte des Zeitelementes
erfolgt die sukzessive Abfrage der Bildsignale für die Imaginärwerte bp,q. Dieser
Vorgang wiederholt sich, bis das ganze Objekt zeilenweise abgerastert ist. Allerdings
erfolgt die Abfrage in einer Form, welche eine spätere rechnerische Auswertung erfordUrlic
macht. Dies kann vermieden werden, wenn man sich auf die Bildintensitäten Vp2,q
beschränkt. In diesem Fall ist es dann auch -möglich, das Bild auf einem Monitor
unmittelbar zu betrachten.
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In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß ein Pufferspeicher
mit (u + 1) Zeilen und V Speicherplätzen je Zeile vorgesehen ist, wobei u die Zahl
der Objektzeilen in der Sondenfläche und V die Bildpunktzahl im Rasterbild ist,
und daß eine synchron mit der Sondenverschiebung arbeitende Steuereinrichtung vorgesehen
ist, die gleichen Objektpunkten entsprechende Bildsignale additiv Speicherplätzen
zuführt, an denen bereits Bildsignale dieser Objektpunkte abgespeichert sind. Bei
einer derartigen Anordnung ist es nicht notwendig, daß die Sprungweite der Sonde
gleich dem Durchmesser der Sondenfläche ist. Die Sprungweite kann kleiner sein,
sie kann dem Durchmesser der erzielten Auflösung entsprechen. In einem solchen Fall
wird jeder Objekt-
punkt mehrfach beleuchtet und damit auch mehrfach
abgebildet.
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Da die Beleuchtungsamplitude nicht über die gesamte Sondenfläche einheitlich
ist, wird die Beleuchtung der einzelnen Objektpunkte mit unterschiedlicher Beleuchtungsamplitude
vorgenommen. Durch die Möglichkeit, sämtliche Bildsignale eines Objektpunktes zur
Bildsignalerzeugung heranzuziehen, wird gewissermaßen die unterschiedliche Beleuchtungsamplitude
innerhalb der Sondenfläche herausgemittelt.
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Fig. 15 zeigt schematisch die Verarbeitung der in 80 registrier-2
ten Bildp.unktintensitäten pp q zum Rasterbild. In dem hier behandelten Beispiel
besteht das Bildraster 80 wiederum aus 9 Rasterelementen, welche in 3 Zeilen mit
je 3 Elementen angeordnet sind. Es sei nun angenommen, daß ein Rasterbild mit U
Zeilen registriert werden soll, wobei jede Zeile V Bildpunkte enthält.
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Mit u bzw. v sei die Zeilenzahl bzw. die Zeilenbildpunktzahl des Bildrasters
80 bezeichnet. In der vorliegenden Figur 15 ist u = 3, v = 3, U beliebig, V = 12.
In Figur 15 ist ein Pufferspeicher 81 vorgesehen, der z.B. in bekannter Weise als
Digitalspeicher aufgebaut werden kann. Mit diesem Speicher 81 kann man gleichzeitig
u Zeilen des Rasterbildes speichern. Der Pufferspeicher 81 besteht daher im vorliegenden
Beispiel aus 3 Zeilen von Speicherelementen mit je 12 Bildpunkten. Wie schematisch
dargestellt ist, sollen die Bildpunktintensitäten in 80 unmittelbar auf die ersten
Speicherelemente des Pufferspeichers 81 additiv einwirken. Dabei kann der Pufferspeicher
entweder als Verschieberegisterspeicher oder als Random Access-Speicher aufgebaut
sein. Auch eine gemischte Betriebsweise (z. B. Verschieberegister entlang der Zeilen,
Random Access-Speicher entland der Sparten) ist möglich. Da die Bildsignale im allgemeinen
in analoger Form angeliefert werden, kann man auch einen Analogspeicher (z. B. Magnetplatte
mit mehreren Magnetköpfen) verwenden. Bei Benutzung eines Digitalspeichers müssen
natürlich die Bildpunktintensitäteng2 durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert
werden. Wie schon erwähnt, erfolgt die Eingabe additiv. Es muß also die Eingabe
von 80 in 81 über entsprechende, hier nicht dargestellte Additionsglieder erfolgen.
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Oberhalb des Pufferspeichers 81 ist noch eine Sonderzeile 82 mit ebenfalls
12 Speicherplatzen vorgesehen.
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Für die nun folgende Funktionsbeschreibung sei vorausgesetzt, daß
der Speicher sowohl in Zeilenrichtung wie in Spaltenrichtung als Verschieberregister
aufgebaut ist. Im ersten Schritt werden alle #p,q² gleichzeitig additiv in die in
der Figur 15 strichliniert gezeichneten Speicherelemente eingegeben. Im nächsten
Schritt erfolgt die Verschiebung der Sonde in Zeilenrichtung nach rechts im Mikroskop,
um ein Auflösungselement (also nicht um die volle Sondenbreite). Gleichzeitig wird
im Pufferspeicher 81 durch einen Verschiebeimpuis der Speicherinhalt in allen u
Zeilen, also in allen 3 Zeilen, um eine Stelle nach links verschoben. Im nächsten
Takt wird der Inhalt von 80 wieder simultan eingespeichert. Dieses Spiel zwischen
Verschiebung nach links und Einspeichern wiederholt sich, bis die volle Zeile abgearbeitet
ist. Während nun im Elektronenmikroskop die Sonde an den Anfang der Zeile zurückspringt
und gleichzeitig um ein Auflösungselement in der Spalte weiterschaltet, werden die
Register in Fig. 15 durch einen Verschiebeimpuls um eine Zeile nach oben verschoben.
Dabei wird der Inhalt der Zeile 85 nicht additiv in die Sonderzeile 82 eingespeichert,
während die Zeile 83 mit Nullen aufgefüllt wird.
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Nun erfolgt wieder eine Zeilenabtastung wie oben beschrieben.
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Zunächst wirkt nun der Verschiedeimpuls auf die Zeile 82, wobei der
Inhalt dieser Zeile 82 nicht wie bei den anderen Zeilen (83 bis 85) zyklisch hinten
wieder eingeführt wird, sondern bei 86 unmittelbar abgenommen wird. Das bei 86 austretende
Signal ist das Bildsignal. Wie schon erwähnt, ist der zeilenweise Betrieb der Verschieberegister
83 bis 85 zyklisch: Die vorne austretenden Zahlen werden hinten in den Speicher
wieder eingelesen (Ringspeicher). Nach Abarbeitung der zweiten Zeile erfolgt die
oben schon beschriebene spaltenweise Verschiebung mit Neubeladung der Speicherzeile
82 und Nullbesetzung der Zeile 83. Dieses Spiel wiederholt sich nun für alle Zeilen.
Außer am Rande des Bildes sind durch diese Prozedur alle Bildpunkte Summen mit M
Einzelwerten (im Beispiel M = 9). Das entspricht der Tatsache, daß bei
diesem
Abtastvorgang ein Bildpunkt nacheinander an allen Stellen 2 #p,q erscheint.
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15 Figuren 10 Ansprüche