特許 7156754 電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-11

(45)【発行日】2022-10-19

(54)【発明の名称】電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/10 20060101AFI20221012BHJP

   H01J 37/26 20060101ALI20221012BHJP

   H01J 37/04 20060101ALI20221012BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20221012BHJP

【ＦＩ】

H01J37/10

H01J37/26

H01J37/04 A

G02B5/30

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022548114

(86)(22)【出願日】2022-02-22

(86)【国際出願番号】 JP2022007352

【審査請求日】2022-08-08

(31)【優先権主張番号】P 2021056381

(32)【優先日】2021-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 〔１〕 刊行物名 日本物理学会２０２０年秋季大会 講演概要集 第７５巻第２号 発行日 ２０２０年８月２８日 ＜資料＞ 日本物理学会２０２０年秋季大会 開催方針 ＜資料＞ 日本物理学会２０２０年秋季大会 概要集（抜粋） 〔２〕 集会名 日本物理学会２０２０年秋季大会 ビデオ会議システム（Ｚｏｏｍ等）を用いたオンライン開催 一般社団法人日本物理学会 主催 開催日（公開日） ２０２０年９月９日（会期：２０２０年９月８日～１１日） ＜資料＞ 日本物理学会２０２０年秋季大会 プログラム ＜資料＞ 日本物理学会２０２０年秋季大会 発表資料（抜粋） 〔３〕 集会名 日本顕微鏡学会 電子光学設計技術分科会 第７回研究会 オンライン会議システム（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｔｅａｍｓ）を用いたリモート開催 公益社団法人日本顕微鏡学会 主催 開催日（公開日） ２０２０年１０月５日 ＜資料＞ 日本顕微鏡学会 電子光学設計技術分科会 第７回研究会 開催案内 ＜資料＞ 日本顕微鏡学会 電子光学設計技術分科会 第７回研究会 発表資料（抜粋） 〔４〕 刊行物名 ａｒＸｉｖ［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］ 発行日 ２０２１年３月３１日 ＜資料＞ ａｒＸｉｖ，２１０３．１６４０６ｖ１［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］掲載論文 〔５〕 刊行物名 ａｒＸｉｖ［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］ 発行日 ２０２１年６月４日 ＜資料＞ ａｒＸｉｖ，２１０３．１６４０６ｖ２［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］掲載論文 〔６〕 刊行物名 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｐｐｌｉｅｄ 発行日 ２０２１年７月９日 ＜資料＞ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｐｐｌｉｅｄ，Ｖｏｌ．１６，Ｉｓｓｕｅ １，Ｌ０１１００２ 掲載論文 〔７〕 刊行物名 第１８回日本加速器学会年会 講演概要集 発行日 ２０２１年８月６日 ＜資料＞ 第１８回日本加速器学会年会 概要集（抜粋） 〔８〕 集会名 第１８回日本加速器学会年会 オンライン開催 日本加速器学会 主催 開催日（公開日） ２０２１年８月９日（会期：２０２１年８月９日～１２日） ＜資料＞ 第１８回日本加速器学会年会 プログラム ＜資料＞ 第１８回日本加速器学会年会 発表資料（抜粋）

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 〔９〕 刊行物名 第８２回応用物理学会秋季学術講演会 予稿集 発行日 ２０２１年８月２６日 ＜資料＞ 第８２回応用物理学会秋季学術講演会 予稿集 ログイン頁 ＜資料＞ 第８２回応用物理学会秋季学術講演会 予稿集（抜粋） 〔１０〕 集会名 第８２回応用物理学会秋季学術講演会ビデオ会議システム（Ｚｏｏｍ）を用いたオンライン開催公益社団法人応用物理学会主催開催日（公開日）２０２１年９月１３日（会期：２０２１年９月１０日～１３日）＜資料＞第８２回応用物理学会秋季学術講演会開催案内＜資料＞第８２回応用物理学会秋季学術講演会プログラム＜資料＞第８２回応用物理学会秋季学術講演会発表資料（抜粋）〔１１〕刊行物名ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ（ＩＣＭａＳＳ）２０２１Ａｂｓｔｒａｃｔｓ発行日２０２１年１１月２日＜資料＞ＩＣＭａＳＳ２００１Ａｂｓｔｒａｃｔｓ（抜粋）〔１２〕集会名ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ（ＩＣＭａＳＳ）２０２１（Ｏｎｌｉｎｅ）ＩＣＭａＳＳ２００１組織委員会主催開催日（公開日）２０２１年１１月５日（会期：２０２１年１１月４日～６日）＜資料＞ＩＣＭａＳＳ２００１プログラム＜資料＞ＩＣＭａＳＳ２００１発表資料（抜粋）〔１３〕刊行物名科学研究費助成事業令和２（２０２０）年度実績報告書発行日２０２１年１２月２７日＜資料＞科学研究費助成事業令和２（２０２０）年度実績報告書掲載報告書（抜粋）〔１４〕刊行物名ａｒＸｉｖ［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］発行日２０２２年１月２１日＜資料＞ａｒＸｉｖ，２２０１．０８５２３ｖ１［ｐｈｙｓｉｃｓ．ｏｐｔｉｃｓ］掲載論文〔１５〕刊行物名第６９回応用物理学会春季学術講演会講演概要発行日２０２２年１月２６日＜資料＞第６９回応用物理学会秋季学術講演会講演概要（抜粋）〔１６〕刊行物名平成３０年度研究助成事業研究助成成果報告書集発行日２０２２年２月７日＜資料＞平成３０年度研究助成事業研究助成成果報告書集（抜粋）

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】上杉 祐貴

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 俊一

(72)【発明者】

【氏名】小澤 祐市

【審査官】後藤 大思

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２８８０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５３７５１３０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記レーザ光の偏光の向き及び強度が所定の方向分布及び所定の強度分布を有するように前記偏光の向き及び前記強度を変調する変調面が形成されている偏光変換部と、
前記変調面を通過した前記レーザ光を集光させる集光素子と、
を備え、
前記集光素子の焦点面では、前記レーザ光が前記集光素子で集光されることによって、前記焦点面に入射する電子ビームに含まれる電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域と、前記電子を弾く斥力ポテンシャル領域とを有し、且つ前記レーザ光の光軸に沿って見たときに前記光軸を中心として回転対称性を有するラウンド光が生成され、
前記所定の方向分布及び前記所定の強度分布は前記焦点面での前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域との分布に応じて決められている、
電子ビーム変調装置。

【請求項2】

前記変調面は、前記レーザ光を前記光軸に沿って見たときに、偏光特異点領域と前記偏光特異点領域の周囲で偏光の向きが前記偏光特異点領域を中心として回転対称性を有して分布する偏光変調領域とが存在するように設計されている、
請求項１に記載の電子ビーム変調装置。

【請求項3】

前記偏光変調領域では、前記偏光の向きが前記偏光特異点領域を中心として径方向に沿っており、
前記焦点面では、前記光軸を中心として環状の最大斥力ポテンシャル領域が形成され、前記最大斥力ポテンシャル領域よりも径方向の外側に向かって前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域とが減衰しつつ交互に形成され、前記光軸を含む中心部で光強度が高い高強度部と前記中心部よりも外周部で光強度が略零である低強度部とが形成される、
請求項２に記載の電子ビーム変調装置。

【請求項4】

前記偏光変調領域では、前記偏光の向きが前記偏光特異点領域を中心として周方向の接線に沿っており、
前記焦点面では、前記光軸を中心として環状の最大斥力ポテンシャル領域が形成され、前記最大斥力ポテンシャル領域よりも径方向の外側に向かって前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域とが減衰しつつ交互に形成され、前記光軸を含む中心部で光強度が略零である低強度部と前記中心部よりも外周部で光強度が前記中心部よりも高い高強度部とが形成される、
請求項２に記載の電子ビーム変調装置。

【請求項5】

前記所定の強度分布は、前記光軸を中心として光強度の高い部分が環状に形成されている分布である、
請求項１から４の何れか一項に記載の電子ビーム変調装置。

【請求項6】

前記集光素子の最外周部によって集光された前記レーザ光と前記光軸とがなす角度が２５［ｄｅｇ．］以下である、
請求項１から５の何れか一項に記載の電子ビーム変調装置。

【請求項7】

光源から出射されたレーザ光の偏光の向き及び強度を所定の方向分布及び所定の強度分布に変調し、
変調した前記レーザ光を集光素子で集光することによって、電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域と、電子を弾く斥力ポテンシャル領域とを有し、且つ前記レーザ光の光軸に沿って見たときに前記光軸を中心として回転対称性を有するラウンド光を生成し、
前記ラウンド光に入射する電子ビームを前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域との分布に応じて変調する、
電子ビーム変調方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法に関する。本願は、２０２１年３月３０日に、日本に出願された特願２０２１－０５６３８１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

電子顕微鏡は、電子ビームを用いて測定対象物の拡大像を得ることができる顕微鏡であり、電子ビームが非常に波長の短い波であるために光学顕微鏡等に比べて非常に高い倍率での観察を可能とする。従来、電子顕微鏡で電子ビームを収束又は発散させるために用いられるレンズは、電子レンズと呼ばれる。従来、電子レンズとして、例えば電極板による電界レンズや、磁束コイルによる磁界レンズが用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本国特開２０２０－１２３５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電子顕微鏡では、従来の電子レンズを用いて電子ビームを収束させた場合のみならず、電子を加速させるだけでも、正の球面収差が生じる。正の球面収差が生じると、測定対象物に照射する電子ビームの幅が大きくなり、電子顕微鏡の分解能が低下する。電子顕微鏡で生じる正の球面収差を減らす方法として、例えば複数の非円対称な電子レンズを電子ビームの進行方向を中心として周方向に沿って配置し、これらの電子レンズの位置及び出力等を高精度に制御することによって負の球面収差を発生させ、発生させた負の球面収差で元々生じている正の球面収差を打ち消す方法が知られている。しかしながら、このような組み合わせ電子レンズを用いて球面収差を抑える方法では、複数の電子レンズを精密且つ同時に駆動させるので、制御が難しく、雑音に影響を受けやすく、且つ製造及び設置のコストがかかる等の課題があった。

【0005】

また、走査型透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＥＭ）は、電子顕微鏡の中でも極めて高い分解能を有し、１Åオーダーの観察を可能とする。通常のＳＴＥＭにおける電子の加速電圧は８０～３００ｋＶ程度であるが、生体観察等の用途でも使えるようにするため、例えば３０ｋＶ以下というような加速電圧の低減が進められている。

【0006】

さらに、電子顕微鏡の対物レンズとして強力な磁界を発生する電子レンズを用いると、磁性を有する測定対象物の観察が困難であるという課題もあった。この課題については、互いに逆の方向に磁場を発生させる一対の磁界レンズ（電子レンズ）を用いて、一対の磁界レンズの境界領域を磁界フリーにし、磁界フリーの領域に測定対象物を配置する方法が提案されている。但し、一対の磁界レンズを用いて磁界フリー領域を形成する方法では、磁界フリーになる領域が電子線の進行方向において極めて狭く、磁性を有する測定対象物の形状や配置に対する制約が大きいという課題があった。

【0007】

本発明は、ラウンド光を作用させることによって電子ビームを変調可能であって、構築し易く、ラウンド光の生成条件を容易に制御可能な電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る電子ビーム変調装置は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光の偏光の向き及び強度が所定の方向分布及び所定の強度分布を有するように前記偏光の向き及び前記強度を変調する変調面が形成されている偏光変換部と、前記変調面を通過した前記レーザ光を集光させる集光素子と、を備え、前記集光素子の焦点面では、前記レーザ光が前記集光素子で集光されることによって、前記焦点面に入射する電子ビームに含まれる電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域と、前記電子を弾く斥力ポテンシャル領域とを有し、且つ前記レーザ光の光軸に沿って見たときに前記光軸を中心として回転対称性を有するラウンド光が生成され、前記所定の方向分布及び前記所定の強度分布は前記焦点面での前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域との分布に応じて決められている。

【0009】

上述の電子ビーム変調装置では、前記変調面は、前記レーザ光を前記光軸に沿って見たときに、偏光特異点領域と前記偏光特異点領域の周囲で偏光の向きが前記偏光特異点領域を中心として回転対称性を有して分布する偏光変調領域とが存在するように設計されていてもよい。

【0010】

上述の電子ビーム変調装置において、前記偏光変調領域では、前記偏光の向きが前記偏光特異点を中心として径方向に沿っていてもよい。前記焦点面では、前記光軸を中心として環状の最大斥力ポテンシャル領域が形成され、前記最大斥力ポテンシャル領域よりも径方向外側に向かって前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャル領域とが減衰しつつ交互に形成され、前記光軸を含む中心部で光強度が高い高強度部と前記中心部よりも外周部で光強度が略零である低強度部とが形成されてもよい。

【0011】

上述の電子ビーム変調装置において、前記偏光変調領域では、前記偏光の向きが前記偏光特異点を中心として周方向の接線に沿っていてもよい。前記焦点面では、前記光軸を中心として環状の最大捕捉ポテンシャル領域が形成され、前記最大捕捉ポテンシャル領域よりも径方向外側に向かって前記斥力ポテンシャル領域と前記捕捉ポテンシャル領域とが減衰しつつ交互に形成され、前記光軸を含む中心部で光強度が略零である低強度部と前記中心部よりも外周部で光強度が前記中心部よりも高い高強度部とが形成されてもよい。

【0012】

上述の電子ビーム変調装置では、前記所定の強度分布は、前記光軸に沿って見たときに、前記光軸を中心として光強度の高い部分が環状に形成されている分布であってもよい。

【0013】

上述の電子ビーム変調装置では、前記レーザ光が前記光軸を中心として環状のビーム形状を有し、前記集光素子の最外周部によって集光された前記レーザ光と前記光軸とがなす角度が２５［ｄｅｇ．］以下であってもよい。

【0014】

本発明に係る電子ビーム変調方法は、光源から出射されたレーザ光の偏光の向き及び強度を所定の方向分布及び所定の強度分布に変調し、変調した前記レーザ光を集光素子で集光することによって、電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域と、電子を弾く斥力ポテンシャル領域とを有し、且つ前記レーザ光の光軸に沿って見たときに前記光軸を中心として回転対称性を有するラウンド光を生成し、前記ラウンド光に入射する電子ビームを前記捕捉ポテンシャル領域と前記斥力ポテンシャルとの相対分布に応じて変調する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ラウンド光を作用させることによって電子ビームを変調可能であって、構築し易く、ラウンド光の生成条件を容易に制御可能な電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る一実施形態の電子ビーム変調装置の模式図である。

【図2】図１に示す電子ビーム変調装置が備える液晶光学素子の正面図である。

【図3】図１に示す電子ビーム変調装置が備える偏光変換部の斜視図である。

【図4】図１に示す電子ビーム変調装置におけるレーザ光の第１例の方向分布の模式図である。

【図5】図１に示す電子ビーム変調装置が備える偏光変換部の斜視図である。

【図6】図１に示す電子ビーム変調装置におけるレーザ光の第２例の方向分布の模式図である。

【図7】図１に示す電子ビーム変換装置が備える偏光変換部の斜視図である。

【図8】図１に示す電子ビーム変調装置が備える集光素子の瞳面から焦点面までの領域の拡大図である。

【図9】数値計算例１におけるラウンド光の光強度分布の計算結果を示す図である。

【図10】数値計算例１におけるｒ方向及びｚ方向での電子に働く力のベクトル場の計算結果を示す図である。

【図11】数値計算例１における集光素子の焦点面におけるラウンド光の実効ポテンシャル値の計算結果を示す図である。

【図12】数値計算例１における電子ビームの軌跡の計算結果を示す図である。

【図13】数値計算例１における集光素子のレンズのＮＡを変化させたときの実効ポテンシャルの最大値の計算結果を示すグラフである。

【図14】数値計算例１における集光素子のレンズのＮＡを変化させたときのｒ方向で光軸近傍に沿ってｚ方向に進行する電子ビームの焦点距離の計算結果を示すグラフである。

【図15】数値計算例２におけるラウンド光の光強度分布の計算結果を示す図である。

【図16】数値計算例２におけるｒ方向及びｚ方向の電子に働く力のベクトル場の計算結果を示す図である。

【図17】数値計算例２における集光素子の焦点面における実効ポテンシャル値の計算結果を示す図である。

【図18】数値計算例２における電子ビームの軌跡の計算結果を示す図である。

【図19】数値計算例３における瞳面でのレーザ光の光強度分布を示す図である。

【図20】数値計算例３における電子ビームの軌跡の計算結果を示す図である。

【図21】数値計算例３における電子ビームの軌跡の計算結果を示す図である。

【図22】数値計算例３における電子ビームが光軸と交差する距離を示すグラフである。

【図23】数値計算例３における電子ビームが光軸と交差する距離を示すグラフである。

【図24】数値計算例３においてレーザ光の集光角が５［ｄｅｇ．］である場合のラウンド光の光強度分布の計算結果を示すグラフである。

【図25】数値計算例３においてレーザ光の集光角が１５［ｄｅｇ．］である場合のラウンド光の光強度分布の計算結果を示すグラフである。

【図26】数値計算例３においてレーザ光の集光角が３０［ｄｅｇ．］である場合のラウンド光の光強度分布の計算結果を示す図である。

【図27】数値計算例３においてレーザ光の集光角が４５［ｄｅｇ．］である場合のラウンド光の光強度分布の計算結果を示す図である。

【図28】数値計算例３においてレーザ光の集光角が６０［ｄｅｇ．］である場合のラウンド光の光強度分布の計算結果を示すグラフである。

【図29】数値計算例３における集光素子の最外周部から出射されたレーザ光と光軸とがなす角度を変化させたときにｒ方向で光軸近傍に沿ってｚ方向に進行する電子ビームの焦点距離の計算結果を示すグラフである。

【図30】数値計算例３において集光素子の最外周部から出射されたレーザ光と光軸とがなす角度を変化させたときにｒ方向で光軸近傍に沿ってｚ方向に進行する電子ビームの焦点距離の計算結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係る実施形態の電子ビーム変調装置及び電子ビーム変調方法を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び各図面では、互いに同一又は類似の機能を有する構成に互いに同一の符号を付す。

【0018】

図１に示すように、本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、例えば電子顕微鏡等の電子ビーム源２００から加速された状態で射出される電子ビームＥＲを既存の電子レンズ等を用いずに、電界フリー及び磁界フリーな状況下で電子ビームＥＲの軸ＬＸを中心として円対称に操作することによって電子ビームＥＲを変調するために用いられる。具体的には、本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、電子ビームＥＸを前述のように軸に対して円対称に操作するためのラウンド光ＲＬを生成する。

【0019】

図１に示すように、本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、光源２０と、コリメートレンズ２５と、偏光変換部３０と、ビーム整形部４０と、ミラー５０と、集光素子６０と、を備える。光源２０は、レーザ光源であり、出射口２０ｅから直線偏光ビームのレーザ光ＬＲを出射する。

【0020】

光源２０から出射されてコリメートレンズ２５に入射したレーザ光ＬＲは、平行光に変換された後に偏光変換部３０に入射して円筒対称偏光ビームに変換される。円筒対称偏光ビームに変換されたレーザ光ＬＲは、ビーム整形部４０によって円環状に整形される。コリメートレンズ２５の材質は、例えば石英であるが、石英以外にサファイア等であってもよく、任意の屈折率を有してレーザ光ＬＲを透過可能な材質であればよい。

【0021】

偏光変換部３０は、例えば波長板３１と、液晶素子による液晶光学素子３２と、を備える。波長板３１の材質は、例えば水晶であるが、水晶以外の複屈折性を有する材質であってもよく、レーザ光ＬＲの偏光を操作可能な材質であれば特に限定されない。偏光変換部３０では、光軸ＬＹ上に、光源２０に近い側から、波長板３１と液晶光学素子３２が順次配置されている。液晶光学素子３２は、２枚のガラス板と、液晶分子と、を有し、入射するレーザ光ＬＲに対して複屈折性を発現する。液晶分子は、軸ＬＹに沿った方向で間隔をあけて配置された２枚のガラス板の間に充填されている。図２に示すように、液晶光学素子３２は、レーザ光ＬＲの光軸ＬＹと同芯の中心Ｃ３２から周方向で所定の角度ごとに小領域３３に分割されている。すなわち、液晶光学素子３２は、複数の小領域３３を有する。各々の小領域３３には、複数の液晶分子が軸方向（例えば、長軸方向或いは短軸方向）を揃えた状態で配置されている。複数の小領域３３の各々に配置されている液晶分子の軸の向きＪＲは、周方向に沿って半周先の小領域３３に配置されている液晶分子の軸の向きに対して約９０°回転している。つまり、複数の小領域３３に配置されている液晶分子の軸の向きＪＲは、小領域３３ごとに周方向で順次変化する。

【0022】

図３に示すように、波長板３１から出射されたレーザ光ＬＲの偏光方向が鉛直方向に平行である場合、液晶光学素子３２の複数の小領域３３を透過して液晶光学素子３２から出射されたレーザ光ＬＲの光軸ＬＸに直交する平面には、図４に示すように光軸ＬＹが通る偏光特異点領域３６と、偏光特異点領域３６の周囲に形成される偏光変調領域３８とが存在する。偏光特異点領域３６では、電場の振動が定義されないため、レーザ光ＬＲの強度が零である。後述するように、偏光特異点領域３６は、光軸ＬＹと同軸で電子ビームＥＲが通っても、電子ビームＥＲの振動方向等に何ら作用や影響を与えない領域である。偏光変調領域３８は、偏光特異点領域３６を中心として回転対称性を有する。偏光変調領域３８には、基本的に電子ビームＥＲは通らない。図４に示すように、偏光変調領域３８でのレーザ光ＬＲの偏光の向きは、偏光特異点領域３６、すなわち光軸ＬＹを中心として径方向に沿っている。このようなレーザ光ＬＲの方向分布を第１例の方向分布（所定の方向分布）とする。第１例の方向分布を有するレーザ光ＬＲは、ｒａｄｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ（Ｒ－ｐｏｌ） ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍと称される。

【0023】

図５に示すように、波長板３１から出射されたレーザ光ＬＲの偏光方向が水平方向に平行である場合、液晶光学素子３２の複数の小領域３３を透過して液晶光学素子３２から出射されたレーザ光ＬＲの光軸ＬＸに直交する平面には、図６に示すように偏光特異点領域３６と、偏光特異点領域３６の周囲に形成される偏光変調領域３８とが存在する。但し、波長板３１から出射されたレーザ光ＬＲの偏光方向が水平方向に平行である場合、図６に示すように、偏光変調領域３８でのレーザ光ＬＲの偏光の向きは、偏光特異点領域３６、すなわち光軸ＬＹを中心として周方向に沿っており、周方向の接線をなす。このようなレーザ光ＬＲの方向分布を第２例の方向分布（所定の方向分布）とする。第２例の方向分布を有するレーザ光ＬＲは、ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ（Ａ－ｐｏｌ） ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍと称される。

【0024】

第１例及び第２例以外の第３例の方向分布及び強度分布として、図７に示すように、波長板３１から出射されたレーザ光ＬＲの偏光方向が光軸ＬＹに沿って見たときに円である場合、すなわち波長板３１から出射されたレーザ光ＬＲが円偏光である場合が挙げられる。この場合、偏光変調領域３８でのレーザ光ＬＲは、液晶光学素子３２の複数の小領域３３ごとに対応した位置に円偏光を有する。

【0025】

波長板３１の種類及び要否は、液晶光学素子３２から出射するレーザ光ＬＲの方向分布と光源２０から出射されるレーザ光ＬＲの直線偏光とに応じて選択される。例えば、図３に示すように、光源２０から出射されるレーザ光ＬＲの直線偏光が水平方向に平行であり、且つ液晶光学素子３２から第１例のＲ－ｐｏｌの方向分布を有するレーザ光ＬＲを出射させたい場合、液晶光学素子３２に入射する前のレーザ光ＬＲの偏光の向きを鉛直方向に対して平行にするために、波長板３１としてλ／２波長板（つまり、半波長板）を用いることができる。図３に示す例において、光源２０から出射されるレーザ光ＬＲの直線偏光が鉛直方向に平行であれば、波長板３１は省略可能であり、光源２０から出射されたレーザ光ＬＲを液晶光学素子３２に直接入射させてもよい。

【0026】

同様に、図５に示すように、光源２０から出射されるレーザ光ＬＲの直線偏光が鉛直方向に平行であり、且つ液晶光学素子３２から第２例のＡ－ｐｏｌの方向分布を有するレーザ光ＬＲを出射させたい場合、液晶光学素子３２に入射する前のレーザ光ＬＲの偏光の向きを水平方向に平行にするために、波長板３１としてλ／２波長板を用いることができる。図５に示す例において、光源２０から出射されるレーザ光ＬＲの直線偏光が水平方向に平行であれば、波長板３１は省略可能であり、光源２０から出射されたレーザ光ＬＲを液晶光学素子３２に直接入射させてもよい。

【0027】

上述のように、偏光変換部３０は、光源２０から出射される直線偏光ビームであるレーザ光ＬＲの方向分布を、第１例の方向分布をはじめとした任意の方向分布に変換する。つまり、液晶光学素子３２の入射面３２ａにおいて少なくともレーザ光ＬＲが入射する領域に、液晶が上述のように不均一に配位する変換面（変調面）３４が形成されている。光源２０から出射されたときに直線偏光ビームであるレーザ光ＬＲの偏光の向きは、変換面３４を通ることによって、液晶光学素子３２の出射側の空間では所定の方向分布に変換される。すなわち、液晶光学素子３２は、レーザ光ＬＲの偏光の向きを所定の方向分布に変換する変換面３４を有する。変換面３４が例えば上述のように配位方向を制御して設計された液晶分子によって構成されている場合、液晶分子の配位方向は、液晶分子の複屈折性によって入射する偏光ビームを所望の偏光分布（方向分布）を有する偏光ビームに変換するよう設計する。

【0028】

ビーム整形部４０は、例えばアキシコンレンズ４１と、凸レンズ４４と、ミラー５０と、集光素子６０と、を備える。ビーム整形部４０では、光軸ＬＹ上で偏光変換部３０よりもレーザ光ＬＲの進行方向前方に、光源２０に近い側から、波長板３１と液晶光学素子３２が順次配置されている。ビーム整形部４０では、光軸ＬＹを略９０°折り返してなる光軸ＬＸ上で偏光変換部３０よりもレーザ光ＬＲの進行方向前方に、光源２０に近い側から、ミラー５０と集光素子６０が順次配置されている。

【0029】

アキシコンレンズ４１は、円錐形に形成され、光軸ＬＹに対して直交する方向から見たときに、光軸ＬＹを頂点として光軸ＬＹから離れるに従って線形的に光源２０に近づく傾斜面４２を有する。アキシコンレンズ４１は、傾斜面４２を有することによって、光軸ＬＹに沿って見たときに環状のビームプロファイル（強度分布）を形成する。レーザ光ＬＲの環状のビームプロファイルの直径は、傾斜面４２の頂角αに依存し、光軸ＬＹ上のアキシコンレンズ４１と凸レンズ４４との離間距離がベッセルビームの形成領域よりも長くなる程、増大する。また、レーザ光ＬＲの環状のビームプロファイルの径方向の幅は、傾斜面４２の頂角α及びアキシコンレンズ４１と凸レンズ４４との離間距離に依存せず、所定値で一定である。後述するように電子ビームＥＲを光軸ＬＸに沿って見たときの中心部に通すように好適な円環状のレーザ光ＬＲを形成する観点から、アキシコンレンズ４１の頂角αは、例えば１２０°以上１５０°以下であることが好ましい。

【0030】

凸レンズ４４は、アキシコンレンズ４１から出射されたレーザ光ＬＲを結像させる。結像面には、光軸ＬＸに沿って見たときに光軸ＬＸに回転対称なビームプロファイルを有するレーザ光ＬＲが形成されている。ミラー５０の反射面５０ｒは、凸レンズ４４の出射面と結像面との間に配置されている。アキシコンレンズ４１及び凸レンズ４４の材質は、例えば石英であるが、石英以外にサファイア等であってもよく、任意の屈折率を有してレーザ光ＬＲを透過可能な材質であればよい。

【0031】

ミラー５０は、例えば円柱状に形成され、軸線に対して略４５°をなす反射面５０ｒを有する。円柱状のミラー５０には、軸線、すなわち電子ビームＥＲの軸ＥＸに沿って貫通孔５２が形成されている。ミラー５０の軸線は、光源２０につながる光軸ＬＹと直交し、軸ＥＸと重なっている。反射面５０ｒは、光軸ＬＹとミラー５０の軸線とが直交する交点に重なり、光軸ＬＹ及び軸ＥＸに対して略４５°をなす。反射面５０ｒには、例えば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属反射膜か、或いは誘電体多層膜からなる光学反射膜が設けられている。ミラー５０の材質は、帯電を避けるために、例えばステンレス（ＳＵＳ）や銅（Ｃｕ）、或いはＡｕ等の金属膜を表面に蒸着した石英である。また、ミラー５０は、電子顕微鏡の筐体に適切に接地される。貫通孔５２の直径と長さ、及びその端部の形状は、例えば電子ビームＥＲの電荷によって貫通孔５２の内壁に正電荷が誘起される鏡像効果等により電子ビームＥＲの品質が低下しないように、適切に形成されている。

【0032】

円環状に整形された円筒対称偏光ビームのレーザ光ＬＲは、ミラー５０の反射面５０ｒによって、軸ＥＸ上で電子ビーム源２００とは反対側に向かって略９０°反射される。以下、反射面５０ｒで反射されたレーザ光ＬＲの光軸を光軸ＬＸと記載する。つまり、反射面５０ｒによって、レーザ光ＬＲの光軸ＬＹは９０°屈折され、光軸ＬＸとなる。一方、電子ビームＥＲは、電子ビーム源２００から加速された状態で射出され、ミラー５０から作用を受けることなく、貫通孔５２を通り抜け、直進する。光軸ＬＸは、電子ビームＥＲの軸ＥＸと略重なっている。

【0033】

ビーム整形部４０によれば、回転対称偏光ビームがアキシコンレンズ４１と、凸レンズ４４とを用いて、レーザ光ＬＲは整形される。整形されたレーザ光ＬＲは、ミラー５０の反射面５０ｒによって反射され、光軸ＬＸに沿って進行する。このとき、光軸ＬＸに平行な方向からレーザ光ＬＲを見たときに光強度の高い領域が光軸ＬＸを中心として環状に形成されているビームプロファイルに整形される。また、光軸ＬＸを中心とする環状ビームプロファイルの外径が最も小さくなる結像位置（凸レンズ４４の焦点面）が集光素子６０の瞳面６０Ｐに一致するように、凸レンズ４４及び集光素子６０が設計される。集光素子６０の材質は、凸レンズ４４と同様、例えば石英であるが、石英以外にサファイア等であってもよく、任意の屈折率を有してレーザ光ＬＲを透過可能な材質であればよい。

【0034】

集光素子６０は、少なくとも凸レンズ４４よりもレーザ光ＬＲの出射方向前方の光軸ＬＸ上に設けられ、入射瞳の瞳面６０Ｐを凸レンズ４４の焦点面に合わせて配置されている。集光素子６０は、幾何収差が適度に補正されたレンズである。集光素子６０の光軸ＬＸ及び軸ＥＸが通る径方向の中心部には、電子ビームＥＲが通る領域として貫通孔６２が形成されている。集光素子６０は、例えば幾何収差が適度に除去された光学顕微鏡用の対物レンズである。集光素子６０の瞳面６０Ｐでのレーザ光ＬＲは、ビーム整形部４０によって円環状に整形されて凸レンズ４４の焦点面で最小の円環幅をなす強度分布を有する。レーザ光ＬＲは、図１に示すように光軸ＬＸを中心として円対称性を以って瞳面６０Ｐで一旦集光し、円対称性を保ちつつ拡散し、集光素子６０に入射する。

【0035】

図８に示すように、光軸ＬＸの周方向に分布する環状のレーザ光ＬＲは、光軸ＬＸに沿って見たときに、貫通孔６２の外周に位置する集光素子６０に対して円対称に入射し、集光素子６０の焦点面６０Ｆに集光する。レーザ光ＬＲが集光素子６０によって集光されることによって、光軸ＬＸを中心として回転対称性を有するラウンド光ＲＬが生成される。ラウンド光ＲＬは、光軸ＬＸに沿うｚ方向において焦点面６０Ｆを略中心に所定のフォーカス長ＬＦを有する。フォーカス長ＬＦは、瞳面６０Ｐにおけるレーザ光ＬＲの円環幅によって決まり、円環幅が小さくなる程長くなる。

【0036】

ラウンド光ＲＬは、集光したレーザ光ＬＲの光場から求まるポンデロモーティブポテンシャルの分布に基づき、捕捉ポテンシャル領域ＮＲと、斥力ポテンシャル領域ＰＲと、を有する。捕捉ポテンシャル領域ＮＲでは、電子ビームＥＲに含まれる電子が光軸ＬＸを中心とするｒ方向（径方向）の中心側に引き寄せられる。一方、斥力ポテンシャル領域ＰＲでは、電子ビームＥＲに含まれる電子がｒ方向の外側に弾かれる。これらの原理に基づいて、集光素子６０に形成された貫通孔６２を通って焦点面６０Ｆに入射する電子ビームＥＲは、ラウンド光ＲＬにおける捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲとの分布に応じて収束或いは拡散され、前述の分布に応じて変調される。

【0037】

捕捉ポテンシャル領域ＮＲのポテンシャルの大きさ、及び斥力ポテンシャル領域ＰＲのポテンシャルの大きさは、集光素子６０の開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ；ＮＡ）に依存する。集光素子６０のＮＡが高い程、レーザ光ＬＲは光軸ＬＸに対して広角で強く集められるため、捕捉ポテンシャル領域ＮＲ及び斥力ポテンシャル領域ＰＲの各ポテンシャルの大きさが増大する。したがって、集光素子６０のＮＡは、投入可能な入射レーザ光ＬＲのパワーや、変調対象の電子ビームＥＲの速度等を勘案し、少なくとも電子ビームＥＲを所望のパターンで変調するために必要とされるポテンシャルの大きさ以上の捕捉ポテンシャル領域ＮＲ及び斥力ポテンシャル領域ＰＲを生成可能なＮＡに適宜設定されている。入射するレーザ光ＬＲのパワーを抑えて熱損傷等から保護する観点から、集光素子６０のＮＡは、０．７以上であることが望ましく、可能な限り１に近いことが好ましい。

【0038】

本実施形態の電子ビーム変調方法では、例えば上述の電子ビーム変調装置１０を用いて、偏光の向きを所定の方向分布に変調すると共に強度を所定の強度分布に変調したレーザ光ＬＲを集光素子６０で集光することによって、光軸ＬＸを中心として回転対称性を有するラウンド光ＲＬを生成する。本実施形態の電子ビーム変調方法では、ラウンド光ＲＬの捕捉ポテンシャル領域ＮＲ及び斥力ポテンシャル領域ＰＲによって、ラウンド光ＲＬに入射する電子ビームＥＲを変調する。本実施形態の電子ビーム変調方法では、電子ビームＥＲの収束等の変調のために従来用いられてきた電子レンズとは全く異なるラウンド光ＲＬを用い、電子ビームＥＲが進行すると共に電子ビーム変調装置１０が配置されている空間１００を電場フリー及び磁場フリーな状況として電子ビームＥＲを変調する。空間１００は、例えば電子顕微鏡内で電子ビームＥＲが進行する鏡筒内の空間である。

【0039】

（電子ビームの変調に関する数値計算例１）
次に、上述の電子ビーム変調装置１０を用いた電子ビームＥＲの変調について第１の数値計算例（以下、数値計算例１という）を示す。数値計算例１では、所定の方向分布及び所定の強度分布として第１例の方向分布及び第１例の強度分布を採用した。すなわち、電子ビーム変調装置１０の液晶光学素子３２の変換面３４を通ったレーザ光ＬＲの偏光の向きが、図３に示すようなＲ－ｐｏｌに変調されるように設定した。この場合、変換面３４を通ったレーザ光ＬＲの強度は、光軸ＬＹ、ＬＸに沿った方向から見たときに、光軸ＬＹ、ＬＸを中心として環状に（回転対称性を以って）高く分布する。

【0040】

ここで、レーザ光ＬＲが単色光とみなせることをふまえ、レーザ光ＬＲの電場を次に示す（１）式のように定義する。

【0041】

【数1】

【0042】

（１）式において、Ｅ０は電場の振幅を表し、ωはレーザ光ＬＲの角振動数を表し、≪ｕ≫^ｉｎは、空間１００を場として捉えたときに振幅、位相及び偏光の空間構造をなす単位ベクトルを表す。なお、数式中の文字上の矢印及び本文中の≪≫は、数式中の文字及び≪≫で囲まれた文字の変数がベクトルであることを表す。電子ビーム変調装置１０の集光素子６０の瞳面６０Ｐでは、レーザ光ＬＲは平行光であるとみなせるため、集光素子６０が凸レンズである場合、瞳面６０Ｐを通った後の波面は光軸ＬＸ上の焦点を中心に収束する球面波に変換される。集光素子６０の焦点面６０Ｆを含む焦点領域ＦＦの場は、焦点に向かって最大収束角度αの範囲内で収束する平面波の場を積分することによって得られる。最大収束角度αは、ｓｉｎ^－１（ＮＡ）で表される。（ＮＡ）は、集光素子６０のＮＡを表す。

【0043】

ここで、円筒座標系≪ｒ≫＝≪ｒ≫（ｒ，φ，ｚ）を導入すると、図６のｚ方向に沿うｚ軸に沿って伝搬して集光素子６０に入射するＲ－ｐｏｌのレーザ光ＬＲの単位ベクトル≪ｕ≫^ｉｎは、次に示す（２）式のように表される。

【0044】

【数2】

【0045】

円筒座標系において、ベクトル回折積分の理論を適用すると、集光素子６０によって集光されたレーザ光ＬＲの場は、次に示す（３）－（５）式によって表される。

【0046】

【数3】

【0047】

（３）－（５）式において、Ｃ＝πｆ／λであり、ｆは集光素子６０の焦点距離を表し、λはレーザ光ＬＲのピーク波長又は中心波長を表し、Ｊ_ｎはｎ次のベッセル関数を表す。Ｐ（θ）は、集光素子６０の入射側と出射側との間でエネルギー保存則を満たすように決められるアポダイズ関数を表し、対物レンズ等に適用されるアッベの法則に基づいて次に示す（６）式のように表される。

【0048】

【数4】

【0049】

（６）式におけるｐ（ｒ）＝ｐ（ｆ・ｓｉｎθ）は、瞳面６０Ｐでの回転対称性な入射場の振幅を表す。集光素子６０への入射光の場について、円環状の入射ラウンド光を表現するために、内径が外径の０．９倍である（７）式の入射の場を定義する。

【0050】

【数5】

【0051】

本数値計算例では、λ＝１［μｍ］、ｆ＝４［ｍｍ］、ＮＡ＝０．９、Ｐ_ｉｎ＝１００［Ｗ］、Ｅ_ｅ＝１［ｋｅＶ］と設定した。上述の原理をふまえ、集光されたレーザ光ＬＲの光強度分布は、強度の径方向の成分と軸方向成分の合計値；｜ｕ_ｒ｜^２＋｜ｕ_ｚ｜^２と、強度の方位角成分；｜ｕ_Φ｜^２によって得られる。磁場は０次ベッセル関数に依存するため、軸方向成分は光軸ＬＸ上で最大値をとる一方、径方向の成分及び方位角成分は光軸ＬＸ上で零である。

【0052】

焦点領域ＦＦにおいて、電子ｅに作用するポンデロモーティブ力は、次に示す（８）式及び（９）式によって表される。

【0053】

【数6】

【0054】

（８）式及び（９）式において、ｑは電子ｅの電荷を表し、ｍは電子ｅの質量を表す。Ｕ_ｐは、ポンデロモーティブポテンシャル（単に、ポテンシャルと記載する場合がある）の分布の大きさに対応するポンデロモーティブエネルギーを表す。このとき、次に示す（１０）式が成り立つ。

【0055】

【数7】

【0056】

（１０）式において、ｃｃは複素共役項を表す。ここで、集光素子６０のＮＡが１に近い場合には、（１０）式の第２項（ｕ×（∇×ｕ^＊））が支配的になる。この項においては、ｒ方向の力を発生させるためには、≪ｕ≫又は（∇×≪ｕ≫^＊）の何れかを軸方向に向ける必要がある。数値計算例１では、（１０）式の第２項に対して相対的に小さな第１項（(ｕ・∇)ｕ^＊）を無視して計算を行った。レーザ光ＬＲがＲ－ｐｏｌで変調されるので、規格化された電場は≪ｕ≫＝（ｕ_ｒ，０，ｕ_ｚ）で与えられ、規格化された磁場は次に示す（１１）式で表される。

【0057】

【数8】

【0058】

上述の（３）式、（４）式及び（１１）式から、次に示す（１２）－（１４）式が得られる。

【0059】

【数9】

【0060】

したがって、レーザ光ＬＲがＲ－ｐｏｌで変調される数値計算例１において、焦点面６０Ｆでのラウンド光ＲＬのポンデロモーティブ力は、次に示す（１５）式で表される。

【0061】

【数10】

【0062】

以上の原理、設計パラメータ及び各式に基づいて、焦点領域ＦＦにおけるラウンド光ＲＬの光強度分布を計算した結果を図９に示す。図９以降の各図において、ｚ＝０［μｍ］は焦点面６０Ｆを表し、ｒ＝０［μｍ］は光軸ＬＸを表す。図９に示すように、Ｒ－ｐｏｌで変調されたレーザ光ＬＲによるラウンド光ＲＬの光強度は、光軸ＬＸ上（すなわち、ｚ＝０［μｍ］）で最も高いことがわかる。また、光軸ＬＸ上からｒ方向に沿って離れると、ラウンド光ＲＬの光強度は、増減しつつ急激に減少することがわかる。

【0063】

続いて、上述の原理、設計パラメータ及び各式に基づいて、焦点領域ＦＦのｚ＝０［μｍ］におけるラウンド光ＲＬのポンデロモーティブ力を計算した結果を図１０に示す。ポンデロモーティブ力は図９に示す光強度の勾配が大きなところで大きな値を示す。また、ポンデロモーティブ力のｚ方向の成分の大きさはｒ方向の成分の大きさに比べて１００分の１倍程度であり、電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対する作用はr方向への寄与が支配的である。また、ポンデロモーティブ力のｚ方向成分は焦点面６０Ｆを中心に集光素子６０に近い側と遠い側で符号が反転する性質を有する。そのため、入射する電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対して、＋ｚ方向（すなわち、図８の紙面の右側）に加速する作用と－ｚ方向（すなわち、図８の紙面の左側）に減速する作用は焦点領域ＦＦにわたって打ち消し合い、ポンデロモーティブ力のｚ方向の成分は電子ｅに対して正味の作用を与えない。

【0064】

ｚ＝０［μｍ］におけるポンデロモーティブ力の場を無限遠方でゼロとなるようにr方向にわたって積分することで、光軸ＬＸの最も近くに最大値を有する実効的な斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸが生じた。また、光軸ＬＸ上からｒ方向に沿って離れると、ポテンシャルの大きさは減少し、斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸの外側に、前記最大値よりも小さい捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲとが交互に生じた。斥力ポテンシャル領域ＰＲでは、入射する電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対してポテンシャル形状の局所的な頂点から離れる方向に力が作用する。一方、捕捉ポテンシャル領域ＮＲでは、電子ｅに対してポテンシャル形状の局所的な底に近づける方向に力が作用する。図１０に示す分布では、斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸによって、電子ビームＥＲの電子ｅが光軸ＬＸから離れる方向に大きく力を受けることがわかる。

【0065】

続いて、焦点面６０Ｆ（すなわち、ｚ＝０［μｍ］）における実効的なポテンシャル分布（実効ポテンシャル）を計算した結果を図１１に示す。図１１に示すように、光軸ＬＸ上のｚ＝０において、斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸが現れ、ｒ方向外側に進むと、斥力ポテンシャル領域ＰＲ及び捕捉ポテンシャル領域ＮＲの各々のポテンシャル値が急減することが明確にわかる。

【0066】

続いて、焦点領域ＦＦにおける電子ビームＥＲの軌道を計算した結果を図１２に示す。斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸは、図１２に示す計算結果においてｒが約０．４以下の領域に生じる。図１２に示すように、左側から入射した平行な電子ビームＥＲは、ラウンド光ＲＬに対して主に斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸによってｒ方向外側に向けて発散することを確認した。

【0067】

さらに、集光素子６０を構成するレンズのＮＡを変化させたときの斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸの最大値及びｒ方向で光軸ＬＸ近傍に沿ってｚ方向に進行する電子ビームＥＲの軌道から焦点距離を計算した結果を図１３及び図１４に示す。光源２０から出射されるレーザ光ＬＲのパワーを一定にしても、集光素子６０における集光角（すなわち、最大収束角度α）が浅くなる程、光軸ＬＸ上の光強度が低下し、ｚ方向の電場の発生が小さくなった。図１３、図１４に示すように、集光素子６０のＮＡが小さくなる程、斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸは小さくなり、電子ビームＥＲの焦点距離は長くなり、ラウンド光ＲＬが電子ビームＥＲを変調する機能が弱くなることがわかる。すなわち逆にいえば、集光素子６０のＮＡが大きくなる程、ラウンド光ＲＬが電子ビームＥＲを変調する機能が強くなるといえる。

【0068】

（電子ビームの変調に関する数値計算例２）
次に、上述の電子ビーム変調装置１０を用いた電子ビームＥＲの変調について第２の数値計算例（以下、数値計算例２という）を示す。数値計算例２では、所定の方向分布及び所定の強度分布として第２例の方向分布及び第２例の強度分布を採用した。すなわち、電子ビーム変調装置１０の液晶光学素子３２の変換面３４を通ったレーザ光ＬＲの偏光の向きが、図６に示すようなＡ－ｐｏｌに変調されるように設定した。

【0069】

レーザ光ＬＲの強度分布や場の計算、及びラウンド光ＲＬにおける斥力ポテンシャル領域ＰＲ及び捕捉ポテンシャル領域ＮＲの計算等及び原理等は、数値計算例１で説明した内容と概ね同様であるが、以下の点については書き換えられる。

【0070】

レーザ光ＬＲの偏光の向きがＡ－ｐｏｌである場合、前述の（２）式は次に示す（１６）式に替わる。

【0071】

【数11】

【0072】

（１６）式及び前述の各式に従えば、前述の（１４）式及び（１５）式は、次に示す（１７）式及び（１８）式に替わる。

【0073】

【数12】

【0074】

上述の原理及び各式、数値計算例１と同様の設計パラメータに基づいて、焦点領域ＦＦにおけるラウンド光ＲＬの光強度分布を計算した結果を図１５に示す。図１５に示すように、Ａ－ｐｏｌで変調されたレーザ光ＬＲによるラウンド光ＲＬの光強度は、光軸ＬＸ上（すなわち、ｚ＝０［μｍ］）では略零であり、光軸ＬＸに沿って見たときに光軸ＬＸを中心として回転対称性を以って環状且つ円筒状に分布することがわかる。また、光軸ＬＸ上からｒ方向に沿って離れると、ラウンド光ＲＬの光強度は減少することがわかる。

【0075】

続いて、上述の原理、設計パラメータ及び各式に基づいて、焦点領域ＦＦにおけるラウンド光ＲＬのポンデロモーティブ力を計算した結果を図１６に示す。数値計算例１と同様に、ポンデロモーティブ力は図１５に示す光強度の勾配が大きなところで大きな値を示す。また、ポンデロモーティブ力のｚ方向の成分の大きさはｒ方向の成分の大きに比べて１分の１００倍程度である。数値計算例２では、数値計算例１と同様に、電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対する作用はr方向への寄与が支配的であり、ｚ方向の成分は焦点領域ＦＦにわたって打ち消し合い、電子ｅに対して正味の作用を与えない。

【0076】

図１６において、ｚ＝０［μｍ］におけるポンデロモーティブ力の場を無限遠方で零となるようにr方向にわたって積分すると、数値計算例１とは逆に光軸ＬＸの最も近くに最小値を有する捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸが生じた。また、光軸ＬＸ上からｒ方向に沿って離れると、ポテンシャルの大きさは減少し、捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸの外側に、前記最小値よりも大きな斥力ポテンシャル領域ＰＲと捕捉ポテンシャル領域ＮＲとが交互に生じた。図１６に示す分布では、捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸによって、電子ビームＥＲの電子ｅが光軸ＬＸから近づく方向に大きく力を受けることがわかる。

【0077】

続いて、焦点面６０Ｆ（すなわち、ｚ＝０［μｍ］）におけるラウンド光ＲＬのポンデロモーティブ力に基づく実効ポテンシャルを計算した結果を図１７に示す。図１７に示すように、光軸ＬＸ上のｚ＝０において、捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸが現れ、ｒ方向外側に進むと、斥力ポテンシャル領域ＰＲ及び捕捉ポテンシャル領域ＮＲの各々のポテンシャル値が急減することが明確にわかる。

【0078】

続いて、焦点領域ＦＦにおける電子ビームＥＲの軌道を計算した結果を図１８に示す。捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸは、図１８に示す計算結果においてｒが約０．４以下の領域に生じる。図１８に示すように、左側から入射した平行な電子ビームＥＲは、ラウンド光ＲＬに対して主に捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸによってｒ方向で光軸ＬＸに向けて収束することを確認した。

【0079】

以上説明した本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、少なくとも光源２０と、偏光変換部３０と、集光素子６０と、を備える。光源２０はレーザ光ＬＲを出射する。偏光変換部３０には、光源２０から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向き及び強度が所定の方向分布及び所定の強度分布を有するように、レーザ光ＬＲの偏光の向き及び強度を変調する変換面３４が形成されている。集光素子６０は、変換面３４を通過したレーザ光ＬＲを集光する。集光素子６０の焦点面６０Ｆでは、レーザ光ＬＲが集光素子６０で集光されることによって、焦点面６０Ｆにラウンド光ＲＬが生成される。ラウンド光ＲＬは、入射する電子ビームＥＲに含まれる電子eを引き寄せる捕捉ポテンシャル領域ＮＲと、電子ｅを弾く斥力ポテンシャル領域ＰＲと、を有し、且つレーザ光ＬＲの光軸ＬＸに沿って見たときに光軸ＬＸを中心として回転対称性を有する。

【0080】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０によれば、電子ビームＥＲを変調するために従来用いられている電界レンズや磁界レンズに替わり、レーザ光ＬＲを用いたラウンド光ＲＬを生成することができる。本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、光源２０と、偏光変換部３０と、集光素子６０とを主要構成部品としており、構築し易い。また、変換面３４の設計等によってラウンド光ＲＬの生成条件を容易に制御することができる。ラウンド光ＲＬの焦点距離は、レーザ光ＬＲのパワーに正比例し、電子ビームＥＲの加速電圧に反比例する。このような条件を加味して、ラウンド光ＲＬの条件及び集光素子６０の設計パラメータを決めることができる。本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、レーザ光ＬＲのパワーを低くすることができ、例えば３０ｋＶ以下の低加速電圧の電子顕微鏡等にも適用することができる。また、本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、電界フリー及び磁界フリーな状況を必要とする測定対象物の測定系における対物レンズや、低加速ＳＴＥＭや低加速ＳＥＭの収差補正装置に適用することができる。また、本実施形態の電子ビーム変調装置１０は、電子位相イメージング用の回転対称な形状を有する位相板を構成する装置としても有用である。

【0081】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０では、偏光変換部３０をなす液晶光学素子３２の変換面３４は、変換面３４から出射されたレーザ光ＬＲを光軸ＬＹ、ＬＸに沿って見たときに、偏光特異点領域３６と偏光特異点領域３６の周囲の偏光変調領域３８とが存在するように回折理論等に基づいて設計されている。偏光特異点領域３６では、レーザ光ＬＲの強度は零である。偏光変調領域３８の偏光の向きは、偏光特異点領域３６を中心として回転対称性を有して分布する。

【0082】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０によれば、光軸ＬＹ、ＬＸを中心として円対称な偏光ビームを変換面３４で整形し、整形したレーザ光ＬＲを集光素子６０で集光することによって、従来の電子レンズと同様の作用を容易に実現することができる。

【0083】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０において、偏光変調領域３８でのレーザ光ＬＲの偏光の向きは偏光特異点領域３６を中心として径方向に沿っている。本実施形態の電子ビーム変調装置１０の集光素子６０の焦点面６０Ｆでは、光軸ＬＸに沿って見たときに、光軸ＬＸを中心として環状の斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸ（実効的な斥力ポテンシャル領域）が形成され、斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸよりもｒ方向の外側（径方向の外側）に向かって捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲとが減衰しつつ交互に形成される。また、焦点面６０Ｆでは、光軸ＬＸを含む中心部でレーザ光ＬＲの光強度が外周部よりも高い高強度部と外周部でレーザ光ＬＲの光強度が略零である低強度部とが形成される。

【0084】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０によれば、光軸ＬＸ及び軸ＥＸに沿って焦点領域内のラウンド光ＲＬに入射する電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対して斥力ポテンシャル領域ＰＲ_ＭＡＸによって光軸ＬＸからｒ方向外側に弾く方向に作用を与え、凹レンズの作用を実現し、正の球面収差を得ることができる。

【0085】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０において、偏光変調領域３８でのレーザ光ＬＲの偏光の向きは偏光特異点領域３６を中心として周方向の接線に沿っている。本実施形態の電子ビーム変調装置１０の集光素子６０の焦点面６０Ｆでは、光軸ＬＸに沿って見たときに、光軸ＬＸを中心として環状の捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸ（実効的な捕捉ポテンシャル領域）が形成され、捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸよりもｒ方向の外側（径方向の外側）に向かって斥力ポテンシャル領域ＰＲと捕捉ポテンシャル領域ＮＲとが減衰しつつ交互に形成される。また、焦点面６０Ｆでは、光軸ＬＸを含む中心部でレーザ光ＬＲの光強度が略零である低強度部と中心部よりも外周部でレーザ光ＬＲの光強度が中心部よりも高い高強度部とが形成される。

【0086】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０によれば、光軸ＬＸ及び軸ＥＸに沿って焦点領域内のラウンド光ＲＬに入射する電子ビームＥＲに含まれる電子ｅに対して捕捉ポテンシャル領域ＮＲ_ＭＡＸによってｒ方向で光軸ＬＸに近づける方向に作用を与え、凸レンズの作用を実現し、負の球面収差を得ることができる。従来の電界レンズや磁界レンズ等の電子レンズでは正の球面収差のみが生じ、負の球面収差は実現し得なかった。本実施形態の電子ビーム変調装置１０によって、電子ビームＥＲの加速のみでも発生する正の球面収差をラウンド光ＲＬの負の球面収差によって容易に打ち消し、球面収差を抑えることができる。

【0087】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０では、レーザ光ＬＲの所定の強度分布は、光軸ＬＹ、ＬＸに沿って見たときに、光軸ＬＹ、ＬＸを中心として光強度の高い部分が環状に形成されている分布である。

【0088】

本実施形態の電子ビーム変調装置１０によれば、光軸ＬＹ、ＬＸを中心として円対称な偏光ビームを変換面３４で環状に整形し、整形したレーザ光ＬＲを集光素子６０で集光することによって、焦点領域ＦＦでのフォーカス長ＬＦを得ることができる。

【0089】

本実施形態の電子ビーム変調方法では、光源２０から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向き及び強度を所定の方向分布及び所定の強度分布に変調し、変調したレーザ光ＬＲを集光素子６０で集光する。このことによって、電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域ＰＲと、電子を弾く斥力ポテンシャル領域ＮＲとを有し、且つ光軸ＬＸに沿って見たときに光軸ＬＸを中心として回転対称性を有するラウンド光ＲＬを生成する。本実施形態の電子ビーム変調方法では、ラウンド光ＲＬに入射する電子ビームＥＲを捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲとの相対分布に応じて変調する。

【0090】

本実施形態の電子ビーム変調方法によれば、電子ビームＥＲを変調するために従来用いられている電界レンズや磁界レンズに替わり、レーザ光ＬＲを用いたラウンド光ＲＬを生成し、電場フリー且つ磁界フリーな状況下で電子ビームＥＲを変調することができ、変換面３４の設計等によってラウンド光ＲＬの生成条件を容易に制御することができる。

【0091】

上述の数値計算例１及び数値計算例２では、（１０）式の第２項に対して相対的に小さな第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視して計算を行った。集光素子６０のＮＡが大きいときの実際の結果は、第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視した結果と殆ど同じである。集光素子６０のＮＡが小さくなると、実際の結果は、第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視した結果とは異なる。電子ビーム変調装置１０の液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合、集光素子６０のＮＡが小さくなり、第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視できなくなると、電子ビームＥＲに対する凸レンズの作用が発現する。

【0092】

（電子ビームの変調に関する数値計算例３）
次に、上述の電子ビーム変調装置１０を用いた電子ビームＥＲの変調について、（１０）式の第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視せずに計算を行った第３の数値計算例（以下、数値計算例３という）を示す。数値計算例３では、集光素子６０への入射光の場として、次に示す（１９）式で表される瞳面でベッセル・ガウスビーム（Ｂｅｓｓｅｌ－Ｇａｕｓｓ（ＢＧ） ｂｅａｍ）状の強度分布を有する光場を採用した。

【0093】

【数13】

…（１９）

【0094】

（１９）式において、ｒは、径方向の変数を表す。ｆは、集光素子６０の焦点距離を表す。θ_０は、ＢＧビームの集光角を表し、集光素子６０の最外周部から焦点面６０Ｆに集光する光線と光軸ＬＸがなす角度である。ｗ_０は、ＢＧビームの円環幅の半値を表す。図１９に示すように、ＢＧビームの円環幅は、２ｗ_０である。数値計算例３では、次の条件；レーザ光ＬＲの波長λ＝１［μｍ］、ｆ＝２［ｍｍ］、ｗ_０＝５０［μｍ］、θ_０＝６０［ｄｅｇ．］、Ｐ_ｉｎ＝１００［Ｗ］、Ｅ_ｅ＝１［ｋｅＶ］に設定された。数値計算例３では、集光素子６０のＮＡは、ＢＧビームの集光角θ_０の１．１倍、すなわち１．１×θ_０に設定された。この設定によって、環状のＢＧビームが漏れなく集光される。

【0095】

液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合に、焦点領域ＦＦにおける電子ビームＥＲの軌道を計算した結果を図２０に示す。液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合に、焦点領域ＦＦにおける電子ビームＥＲの軌道を計算した結果を図２１に示す。図２０及び図２１に示す結果と、図１２及び図１８とを比較するとわかるように、（１０）式の第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視せずに（１３）式のＢＧビームを導入した場合の電子ビームＥＲの軌道は、（１０）式の第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）を無視した近似的な場合の電子ビームＥＲの軌道と同様である。

【0096】

液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合に、電子ビームＥＲが光軸ＬＸと交差する距離ｚを計算した結果、すなわち縦球面収差図を図２２に示す。図２２に示すように、正の球面収差が発現していることがわかる。液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＡ－ｐｏｌに変調される場合に、電子ビームＥＲが光軸ＬＸと交差する距離ｚを計算した結果、すなわち縦球面収差図を図２３に示す。図２３に示すように、負の球面収差が発現していることがわかる。

【0097】

液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合に、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角を５［ｄｅｇ．］、１５［ｄｅｇ．］、３０［ｄｅｇ．］、４５［ｄｅｇ．］、６０［ｄｅｇ．］の各々に設定したときの光焦点領域ＦＦにおける光強度分布を計算した結果を図２４～２８に示す。図２７及び図２８に示すように、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角、すなわちレーザ光ＬＲの光焦点領域ＦＦへの入射角が６０［ｄｅｇ．］、４５［ｄｅｇ．］である場合、ｒ方向の中心部に光強度の高い高強度部が形成された。図２４から図２６に示すように、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角が３０［ｄｅｇ．］、１５［ｄｅｇ．］、５［ｄｅｇ．］と減少すると、高強度部がｒ方向の外側に形成され、ｒ方向の中心に高強度部よりも光強度が低い低強度部が形成された。つまり、レーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合において、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角が小さくなるに従って、ｒ方向の中心部が高い高強度部を有する光強度分布から中心部が略零である低強度部とその外周部に高強度部を有する光強度分布に変化する。

【0098】

液晶光学素子３２の変調面３４から出射されたレーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌ、Ａ－ｐｏｌに変調される場合に、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角とレーザ光ＬＲによるレンズの焦点距離との関係について計算した結果を図２９に示す。レーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌに変調される場合では、レーザ光ＬＲと光軸ＬＸがなす集光角が小さくなる、すなわち集光素子６０のＮＡが小さくなると、（１０）式の第１項（(≪ｕ≫・∇) ≪ｕ≫^＊）が第２項（≪ｕ≫×(∇×≪ｕ≫^＊)）に対して無視できない程度に大きくなり、図２９に示すように、焦点領域ＦＦに入射する電子ビームＥＲに対してレーザ光ＬＲが凹レンズとして作用する状態から凸レンズとして作用する状態に変化する。数値計算例３では、レーザ光ＬＲが凹レンズとして作用する状態から凸レンズとして作用する状態に切り替わるレーザ光ＬＲの集光角は、３０～４０［ｄｅｇ．］の範囲内の角度である。凹レンズの作用から凸レンズの作用に切り替わる境界のレーザ光ＬＲの集光角では、レーザ光ＬＲのレンズとしての作用が消失し、実質的なレーザ光ＬＲによるレンズの焦点距離は無限大（∞）である。

【0099】

図２９及び図３０に示すように、レーザ光ＬＲの集光角が２５［ｄｅｇ．］以下であれば、レーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌ、Ａ－ｐｏｌの何れに変調された場合でも、ｒ方向の中心部に低強度部を有すると共に外周部に高強度部を有する光強度分布が形成され、レーザ光ＬＲによるレンズの焦点距離が互いに同等であり、レーザ光ＬＲによるレンズが負の球面収差を有する凸レンズとして作用することがわかる。レーザ光ＬＲの偏光の向きがＲ－ｐｏｌ、Ａ－ｐｏｌの何れに変調された場合でも、レーザ光ＬＲの集光角が十分に小さく、レーザ光ＬＲによるレンズのＮＡが同程度であれば、焦点領域ＦＦにおける光強度分布が互いに一致する。

【0100】

以上より、ラウンド光ＲＬ又はＢＧビームが凸レンズ作用と凹レンズ作用との切り替わり角度よりも小さい集光角で集光した場合、レーザ光ＬＲによるレンズの焦点距離は一定の入射光パワーを有するレーザ光ＬＲによるレンズの焦点距離よりも短く、レンズの作用が弱いが、レンズの作用は発現する。その場合、電子ビームＥＲに対するラウンド光ＲＬ又はＢＧビームによるレンズの作用は、レーザ光ＬＲの偏光の向きに依存しない。集光素子６０の瞳面６０Ｐにおいてレーザ光ＬＲが光軸を中心として環状のビーム形状を有し、集光素子６０の最外周部によって集光されたレーザ光ＬＲと光軸ＬＸとがなす角度θ_０が２５［ｄｅｇ．］以下である場合、レーザ光ＬＲによるレンズは、負の球面収差を有する凸レンズであり得る。つまり、図１９に例示したように環状のビーム形状を有するレーザ光ＬＲを用いれば、２５［ｄｅｇ．］よりも大きな角度θ_０でレーザ光ＬＲを集光させなくても、電子ビームＥＲに対してラウンド光ＲＬ又はＢＧビームを負の球面収差を有する凸レンズとして作用させることができる。

【0101】

ラウンド光ＲＬ又はＢＧビームによるレンズの作用は、焦点面６０Ｆにおけるレーザ光ＬＲの光強度分布のみに依存する。したがって、焦点領域ＦＦにおいてｒ方向の中心部に且つ光軸ＬＸを中心として環状に光強度が略零の低強度部が形成されることによって、ラウンド光ＲＬ又はＢＧビームを含むレーザ光ＬＲの入射時の光強度分布に依らず、凸レンズ作用が発現する。また、焦点領域ＦＦにおいてｒ方向の中心部に且つ電子ビームＥＲと同軸に光強度が最大の高強度部が形成されることによって、ラウンド光ＲＬ又はＢＧビームを含むレーザ光ＬＲの入射時の光強度分布に依らず、凹レンズ作用が発現する。

【0102】

以上、本発明に係る好ましい実施形態について詳述した。本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。

【0103】

例えば、上述の電子ビーム変調装置１０は、レーザ光ＬＲの波長及びパワーの少なくとも一方を制御する制御部を備えてもよい。

【0104】

例えば、上述の電子ビーム変調装置１０は、偏光変換部３０は、複数の液晶光学素子や複数の位相板によって構成されてもよい。その場合、複数のレーザ光変調板を通ることによってレーザ光ＬＲの偏光の向きが所定の方向分布を有し、レーザＬＲの強度が所定の強度分布を有していればよい。

【0105】

なお、電子ビーム変調装置１０の変換面３４を通過したレーザ光ＬＲの所定の方向分布及び強度分布は、焦点面６０Ｆで電子ビームＥＲを所望の状態に変調するために電子ビームＥＲに作用させる捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲの分布に応じて決められる。電子ビームＥＲに作用させる捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲの分布は、電子ビームＥＲの所望の状態から逆算され、定量的に算出可能である。さらに、変換面３４を通過したレーザ光ＬＲの所定の方向分布及び強度分布は、前述の捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲの分布から逆算して定量的に算出可能である。したがって、変換面３４を通過したレーザ光ＬＲの所定の方向分布及び強度分布は、上述の実施形態で説明した第１例のＲ－ｐｏｌの方向分布及び強度分布、第２例のＡ－ｐｏｌの方向分布及び強度分布、或いは第３例のようにレーザ光ＬＲの偏光方向が光軸ＬＹに沿って見たときに円をなす方向分布及び強度分布に限定されず、これらの例の方向分布及び強度分布とは異なり、且つ前述のように電子ビームＥＲの所望の状態から逆算された捕捉ポテンシャル領域ＮＲと斥力ポテンシャル領域ＰＲの分布に合わせて算出された任意の方向分布及び強度分布であってもよい。

【0106】

なお、上述の電子ビーム変調装置１０のコリメートレンズ２５、凸レンズ４４及び集光素子６０として、プリズムや屈折レンズ等の屈折光学素子に替えて回折格子や回折レンズ等の回折光学素子が用いられてもよい。回折レンズとしては、例えばフレネルゾーンプレート（Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｚｏｎｅ Ｐｌａｔｅ；ＦＺＰ）、マルチレベルゾーンプレート（Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ Ｚｏｎｅ Ｐｌａｔｅ；ＭＬＺＰ）或いはフレネルレンズ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ）が挙げられる。また、電子ビーム変調装置１０では、レーザ光ＬＲの偏光を上述説明したように操作する液晶光学素子３２に替えてフォトニック結晶、或いはフォトニック結晶以外のレーザ光ＬＲの偏光を操作可能な光学素子が用いられてもよい。

【0107】

１０…電子ビーム変調装置、２０…光源、３０…偏光変換部、６０…集光素子、６０Ｆ…焦点面、ＬＲ…レーザ光、ＲＬ…ラウンド光

【要約】

本開示の電子ビーム変調装置では、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光の偏光の向き及び強度を変調する変調面が形成されている偏光変換部と、変調面を通過したレーザ光を集光させる集光素子と、を備える。集光素子の焦点面では、焦点面に入射する電子ビームに含まれる電子を引き寄せる捕捉ポテンシャル領域と、電子を弾く斥力ポテンシャル領域とを有し、且つレーザ光の光軸に沿って見たときに光軸を中心として回転対称性を有するラウンド光が生成される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】