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Lens Aberrations( 수차 ). 전자현미경에 사용되는 전자기 렌즈들은 렌즈를 통과하는 전자들의 회전 때문에 여러 수차가 생긴다 . 구면수차 (spherical aberration) 색수차 (chromatic aberration) 비점 (astigmatism). Spherical Aberrations( 구면수차 ). 빛이나 전자가 렌즈의 중앙 (center) 을 지날 때와 모서리 (edge) 부분을 지날 때 각각 다른 focal length 를 가진다 . Center: long focal length

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Presentation Transcript
lens aberrations

Lens Aberrations(수차)

전자현미경에 사용되는 전자기 렌즈들은 렌즈를 통과하는 전자들의 회전 때문에 여러 수차가 생긴다.

구면수차(spherical aberration)

색수차(chromatic aberration)

비점(astigmatism)

spherical aberrations

Spherical Aberrations(구면수차)

빛이나 전자가 렌즈의 중앙(center)을 지날 때와 모서리(edge) 부분을 지날 때 각각 다른 focal length를 가진다.

Center: long focal length

Edge: short focal length

Peripheral 빛과 전자는 렌즈의 중앙을 지나는 빛과 전자보다 더 굽어진다.

spherical aberrations3

Spherical Aberrations(구면수차)

전자기렌즈에서 감겨진 코일에서 멀어질수록 magnetic field의 강도가 약해지기 때문에 코일 가까이(peripheral) 지나가는 전자는 더 강한 magnetic field를 받으므로 더 굽어지고 focal length가 짧아진다.

spherical aberrations4

Spherical Aberrations(구면수차)

구면수차는 연속적인 focal point 를 가지며 이들 focal point 중 가장 작은 electron beam diameter를 가지는 부분을 disc of least confusion(circle of minimum confusion)이라 한다

전자현미경의 해상도는 electron beam이 가장 작은 diameter의 focal point를 가질 때 가장 크다.

spherical aberrations5

Spherical Aberrations(구면수차)

Disc of least confusion를 만드는 전체 electron beam의 모양을 caustic curve라 한다.

Disc of least confusion은 가장 좋은 이미지가 얻어지는 지점이다.

spherical aberrations6

Spherical Aberrations(구면수차)

구면수차를 보정하는 능력이 전자현미경의 해상도를 결정하는 중요 요소이다.

렌즈 앞에 전자빔을 차폐하는 aperture를 설치하여 전자가 렌즈의 중앙으로만 들어가도록 하여 구면수차를 줄임.

더 작은 disc of least confusion을 만들어서 해상도 높임.

spherical aberrations7

Spherical Aberrations(구면수차)

렌즈에 가해지는 전류의 강도를 높여서 magnetic field를 증가시켜 렌즈의 focal length를 짧게 함으로써 구면수차를 줄인다.

chromatic aberrations

Chromatic Aberrations(색수차)

색수차는 렌즈가 빛이나 전자를 다른 파장으로 편향 시킬 때 일어난다. 즉 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 생기는 수차이며, 다른 파장의 빛들이 서로 다른 focal length를 가져온다.

빛이 렌즈를 통하면 짧은 파장의 빛(blue, green)은 긴 파장 보다 굴절이 더 심하다.

chromatic aberrations9

Chromatic Aberrations(색수차)

  • 광학현미경의 색수차 보정
  • 단색광 장치(monochromator)를 사용하여 단색 혹은 좁은 파장의 빛만 렌즈를 통하면 색수차가 보정된다.
  • 2. 서로 다른 굴절률을 가지는 렌즈들(converging and diverging lens)을 함께 사용하여 색수차 보정
chromatic aberrations10

Chromatic Aberrations(색수차)

서로 다른 속도(파장)의 전자가 렌즈의 같은 지점을 통과하면 서로 다른 focal point로 굴절된다.

즉, 속도가 빠른 전자는 렌즈의 magnetic field에서 머무는 시간이 짧으므로 영향을 적게 받으며 focal point가 길다.

cause of chromatic aberration in electron lenses

Cause of Chromatic Aberration in Electron Lenses

전자현미경에서 색수차는 해상도의 저하를 초래한다.

색수차의 보정은 역시 단색광 장치를 사용하여 모든 전자들이 같은 속도를 가지도록 하면 해결될 수 있으나, 다음의 3가지 요인에 의해 불가능하다.

  • Electron gun에서 방출될 때의 전자의 방출속도 편차
  • 가속전압의 편차
  • Lens current의 편차
astigmatism

Astigmatism(비점수차)

Stigma: point

Astigmatism: 렌즈가 빛이나 전자를 point로 만들 수 없는 정도, 즉 전자빔의 단면이 완전한 구가 아니고 타원일 때 생김.

전자현미경에서 해상도에 미치는 가장 중요한 요인

Stigmator를 사용하여 비교적 쉽게 보정할 수 있다.

astigmatism13

Astigmatism(비점수차)

전자빔 축이 강한 magnetic field에 놓이면 타원으로 되며, magnetic field가 강하면 강할수록 더욱 전자빔이 수축하여 더욱 타원으로 된다.

astigmatism14

Astigmatism(비점수차)

비점수차로 인해 전자빔이 단일 focal point를 갖지 못하고 연속적인 point를 만들며, disc of least confusion에서 가장 좋은 focus가 얻어지나, 이미지는 해상도가 나쁘고 흐려진다(blur).

cause of astigmatism

Cause of Astigmatism

  • Nonsymmetrical fields in electron lens
  • - 완전한 대칭적인 field strength를 갖는 렌즈제작 불가능
  • - 렌즈구멍 가공시의 불완전성, winding의 비대칭성, pole piece의 iron의 불균일성 등
  • 2. 오염된 aperture, lens
  • - column, aperture, lens 등이 오염되면 비점이 심해진다.
electrostatic stigmator

Electrostatic Stigmator

  • Stigmator: 전자빔의 비점수차(astigmatism)를 보정하는 장치
  • 찌그러진 전자빔을 circular beam으로 만든다.
  • 정전기적(electrostatic), 자기적(magnetic) stigmator로 나누어짐
magnetic stigmator

Magnetic Stigmator

Electromagnetic field 로 전자를 밀고 당겨서 비점 보정을 함.

- by right-hand-thumb rule