JP4874863B2 - Ｔｅｍのデフォーカス量測定方法 - Google Patents

Description

本発明はＴＥＭのデフォーカス量測定方法に関し、更に詳しくはデフォーカス量を安定に測定することができるようにしたデフォーカス量測定方法に関する。

ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）における像観察において、デフォーカス量を決定することは重要である。ここで、デフォーカス量とは対物レンズの励磁のズレをいう。デフォーカス量によって像に含まれる情報の周波数成分が異なるため、目的とする解析を実現するためには厳密に決定されたデフォーカス量を実現する必要がある。この「厳密に決定されたデフォーカス量を実現する」ことを、以下では「フォーカス合わせ」という。ＴＥＭのレンズ状態が一定でも、試料の位置を移動すると、試料のわずかな傾きや凹凸のためにデフォーカス量が変化する。そのため、通常、フォーカス合わせは一つの試料の観察で一度やっておしまいではなく、視野を移動して像を撮影する直前毎に行われるのが普通である。

フォーカス合わせには、種々の方法があるが、最も広く行われるのはビームチルト法又はイメージウォブラー法と呼ばれるものである。この方法は、電子線を傾斜させて試料を露光すると、正焦点の場合は像が移動しないが、正焦点でない場合には傾斜させない場合に比較して像が移動する現象を利用する方法である。

図５は電子線の傾斜により像が移動する様子の概念図である。図において、１は試料、２は対物レンズである。Ａ点はジャストフォーカスの状態を示している。Ｂはアンダーフォーカスの状態を示している。Ｃはオーバーフォーカスの状態を示している。アンダーフォーカスの場合と、オーバーフォーカスの場合にはフォーカスされる像の位置がずれていることがわかる。この時、上部の矢印は、電子線を傾斜させることを表現している。正焦点で観察している時には、電子線を傾斜させても像は移動しないが、正焦点でない場合は移動する。この時、傾斜させる角度が一定であれば、デフォーカス量と像の移動量とは比例する関係にある（図４参照。詳細後述）。

ＴＥＭに通常装着された蛍光板で像を観察しながらビームチルト法を用いる場合は、通常電子線を傾斜しない状態と、一定量だけ傾斜させた状態（若しくは一定量ある方向に傾斜させた状態と反対方向に傾斜させた状態）を高速に入れ替える。すると、正焦点でない場合は、蛍光板で観察される像はぶるぶる震えているように見え、その震え方の大きさはデフォーカス量に比例する。この震え方を観察しながらデフォーカス量を調節（対物レンズの励磁電流値を調節）することでフォーカス合わせを行なうことができる。

ＴＥＭにコンピュータを接続して自動的にフォーカス合わせをする場合には、ＴＥＭにデジタルカメラを装着してコンピュータに像を取り込めるようにし、電子線を傾斜しない状態と一定量傾斜させたい状態（若しくは一定量ある方向に傾斜させた状態と反対方向に傾斜させた状態）でそれぞれ１枚ずつ像を取り込んで、その２枚の像の位置ずれを測定する。２枚の像のズレ量を測定する場合、正規化相関等の方法がよく用いられる。

図６は正規化相関により２枚の像の位置ずれを検出する概念図である。（ａ）は参照画像、（ｂ）は入力画像、（ｃ）はそれらの正規化相関像である。正規化相関像のピーク（矢印で示されている部分）が、参照画像に対する入力画像の位置ずれに相当している。図は、本発明の実施の形態におけるディスプレイ上に表示した表示画面中のメイン画像の一例を中間調画像の写真で示す図である。

正規化相関の式は以下の式で表される。

ここで、ｇ（Ｘ，Ｙ）は座標値（Ｘ，Ｙ）における正規化相関の値、ｈ（ｘ，ｙ）は参照画像の座標値（ｘ，ｙ）における輝度値、ｆ（ｘ，ｙ）は入力画像の座標値（ｘ，ｙ）における輝度値であり、Σは画像全体について和をとることを示している。参照画像ｈに対
して、入力画像ｆがｘ方向にａ、ｙ方向にｂだけずれた画像である場合、ｇの値は（ａ，ｂ）で最大となる。即ち、ｇの値が最大となる（Ｘ，Ｙ）を求めることで、入力画像ｆが参照画像ｈに対してどれだけずれているかが分かる。

従来のこの種の方法としては、電子線傾斜前の画像Ａと傾斜後の画像Ｂの相互相関をとり、その相互相関中に現れる移動ベクトルが２画像間のズレ量δとずれの方向を表しており、求めたズレ量δに基づいて対物レンズの励磁を変化させて焦点合わせを行なう技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−５５１４３号公報（段落００１９〜００３５、図１）

前述したように、位置ずれを自動的に求める方法は、２枚の像が必要となるため、さまざまな問題が生じる。像のノイズを最小限に抑えるためにはスロースキャンカメラと呼ばれる型のカメラがよく用いられるが、そのようなカメラを用いると１枚の像の取り込みに数秒から数十秒かかる。そのため、２枚の像の撮影の間に時間があいてしまい、試料がドリフトしている場合には電子線傾斜によらない像移動も起こってしまう。

また、特に電子線照射によるダメージを受けやすい試料の場合には、撮影時だけ電子線を照射し、撮影した画像を数秒から数十秒かけてコンピュータに転送する間は照射しないようにすることが行われている。しかしながら、特に凍らせてある試料など電気伝導性が低い状態の場合には、電子線照射を開始した直後は、試料における電荷の蓄積などが原因で像が動くことが知られている。この動きが収まってから撮影を開始するが、一旦照射をやめた後、また次の撮影のために照射を開始すると、そのためにまた動いてしまう。つまり、この場合でも電子線傾斜によらない像移動が生じてしまうという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、電子線傾斜によらない像移動を無くしてデフォーカス量を安定に測定することができるようにしたデフォーカス量測定方法を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、ＴＥＭにおける試料に対してある角度の電子線を照射してその時の画像を安定化させ、次に前記電子線傾斜とは反対の方向に同じ量だけ電子線を傾斜させて試料に対して照射し、画像が安定化したら、画像撮像手段により当該電子線照射画像を読み込み、該電子線照射画像に対して自己相関をとって画像のズレ量を求め、求めた画像のズレ量からデフォーカス量を求める、ことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、電子線傾斜の状態で前記画像撮像手段に十分なコントラストの画像が結像するまで待たせることにより読み込む画像を安定化させるものであることを特徴とする請求項１記載のＴＥＭのデフォーカス量測定方法。
（３）請求項３記載の発明は、前記電子線照射画像に対して自己相関をとり、中心のピーク以外のピークを探してその位置からデフォーカス量を推定するものであることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、電子線傾斜によらない像移動を無くしてデフォーカス量を安定に測定することが可能となる。
（２）請求項２記載の発明によれば、十分なコントラストが得られる状態で画像を撮像するようにしているので、デフォーカス量を正確に測定することが可能となる。
（３）請求項３記載の発明によれば、電子線照射画像に対して自己相関をとるようにしたので、試料のドリフトを無くし、デフォーカス量を安定に測定することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１において、１はＴＥＭである。４はＴＥＭ１内に設けられた試料透過像を撮像するデジタルカメラ、３はコンピュータである。２はデジタルカメラ４とコンピュータ３間を接続する画像取り込み用ケーブル、５はＴＥＭ１とコンピュータ３間を接続する制御用ケーブルである。１０はコンピュータ３内に設けられた本発明を実行するためのソフトウェアである。コンピュータ３では、本発明によるソフトウェア１０が動作し、画像取り込み用ケーブル２を介してデジタルカメラ４から画像を取得したり、制御用ケーブル５を介してＴＥＭ１を制御したり、また取り込んだ画像によりデフォーカス量を推定するための計算を行なう。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

図２は本発明の動作フローである。以下、この動作フローを用いて本発明の詳細な説明を行なう。なお、本発明の前提条件として、使用するレンズ状態（倍率等）における電子線を一定量傾けた時のデフォーカス量と画像のズレの量との関係は既知であるものとする。
Ｓ１．本発明のソフトウェアを起動
操作者はコンピュータ３において、本発明のソフトウェア１０を起動する。
Ｓ２．電子線を片側に傾ける
本発明のソフトウェア１０は、ＴＥＭ用制御ケーブル５を介してＴＥＭの偏向器（図示せず）を操作し、電子線を一定量、一定方向に向けて電子線を試料に照射し始める。
Ｓ３．デジタルカメラの露光を開始
本発明のソフトウェア１０は、照射開始直後の試料の揺らぎが収まるのに十分な時間が経過した後、画像取り込み用ケーブル２を介してデジタルカメラ４を用いて露光を開始する。
Ｓ４．一定時間待つ
本発明のソフトウェア１０は、ステップＳ２で設定した電子線傾斜の状態でデジタルカメラ４の画像素子に十分なコントラストの画像が結像するように一定時間待つ。この待ち時間は、予め前段階において、画像に十分なコントラストが出るまでの時間を測定し、ソフトウェア１０に組み込んでおくことができる。この待ち時間の量としては、例えば０．１秒程度が用いられる。
Ｓ５．電子線を反対側に傾ける
本発明のソフトウェア１０は、デジタルカメラ４の露光をやめずに、ステップＳ２で設定した電子線傾斜と反対側に同じ量だけ電子線を傾斜させ、露光を続ける。
Ｓ６．一定時間待つ
本発明のソフトウェア１０は、ステップＳ５で設定した電子線傾斜の状態でデジタルカメラ４の画像素子に十分なコントラストの画像が結像するように一定時間待つ。この待ち時間もステップＳ４で設定した要領でソフトウェア１０内に組み込んでおけばよい。これにより、ステップＳ２で設定した状態と、ステップＳ５で設定した状態における像が重なって露光されることになる。
Ｓ７．デジタルカメラの露光を終了し、画像を取り込む
本発明のソフトウェア１０は、デジタルカメラ４による露光を終了して、画像取り込み用ケーブル２を介してデジタルカメラ４から二重に露光された画像を取り込む。
Ｓ８．自己相関像のピーク位置を求め、デフォーカス量を推定する
本発明のソフトウェア１０は、ステップＳ７で取り込んだ画像の自己相関を計算し、中心のピーク以外のピークを探してその位置からデフォーカス量を推定し、必要であれば任意のデフォーカス量となるように対物レンズ電流値にフィードバックする。

自己相関は、前述した正規化相関において、参照画像と入力画像が同じものとして計算する。即ち、（１）式における参照画像と入力画像を共にｆ（ｘ，ｙ）として計算すると、この時の正規化関数の値ｋ（Ｘ，Ｙ）は次式で表される。

自己相関値ｋが最大となるのは、（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）における場合であるが、ある画像とその画像をｘ方向にａ、ｙ方向にｂだけずらした画像を二重に露光した画像においては、（ａ，ｂ）及び（−ａ，−ｂ）においてもｋが極大となる。つまり、ｋが極大となる座標が（０，０）以外に存在すれば、画像の中に同じ形がずれて存在することになり、その極大位置からズレ量が求まる。

図３は自己相関により１枚の像の中での位置ズレを検出する概念図である。この図は本発明の一実施例におけるディスプレイ上に表示した表示画面中のメイン画像の一例を中間調画像の写真で示す図である。（ａ）は入力画像、（ｂ）はその自己相関像である。自己相関像には、中心に最大のピーク（小さい矢印）があるが、入力画像において同じコントラストがずれて存在するため、そのずれに相当する位置に別の極大がある（大きい矢印）。

ソフトウェア１０は、この大きい矢印の位置ずれ量からデフォーカス値を推定する。図４は位置ズレ量からデフォーカス量を求める時の説明図である。図において、縦軸は画像のズレ量、横軸はデフォーカス量である。ソフトウェア１０は、予め特性Ｊを内蔵しているものとする。デフォーカス量が比較的小さい領域では、この特性は一次式と見なせる。そこで、ピーク値Ｐ１が求まると、このＰ１を特性Ｊに代入してその時のデフォーカス量Ｑ１を求める。このようにして、位置ズレ量に対応したデフォーカス量を求めることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、電子線傾斜によらない像移動を無くしてデフォーカス量を安定に測定することができるようにしたデフォーカス量測定方法を提供することができ、実用上の効果が極めて大きい。

本発明が適用されるシステム構成例を示す図である。 本発明の動作フローを示す図である。 自己相関により１枚の像の中での位置ズレを検出する概念図である。 位置ズレ量からデフォーカス量を求める時の説明図である。 電子線の傾斜により像が移動する様子の概念図である。 正規化相関により２枚の像の位置ズレを検出する概念図である。

符号の説明

１ ＴＥＭ
２ 画像取り込み用ケーブル
３ コンピュータ
４ デジタルカメラ
５ 制御用ケーブル
１０ ソフトウェア

Claims (3)

1. ＴＥＭにおける試料に対してある角度の電子線を照射してその時の画像を安定化させ、
   次に前記電子線傾斜とは反対の方向に同じ量だけ電子線を傾斜させて試料に対して照射し、
   画像が安定化したら、画像撮像手段により当該電子線照射画像を読み込み、
   該電子線照射画像に対して自己相関をとって画像のズレ量を求め、
   求めた画像のズレ量からデフォーカス量を求める、
   ことを特徴とするＴＥＭのデフォーカス量測定方法。
2. 電子線傾斜の状態で前記画像撮像手段に十分なコントラストの画像が結像するまで待たせることにより読み込む画像を安定化させるものであることを特徴とする請求項１記載のＴＥＭのデフォーカス量測定方法。
3. 前記電子線照射画像に対して自己相関をとり、中心のピーク以外のピークを探してその位置からデフォーカス量を推定するものであることを特徴とする請求項１記載のＴＥＭのデフォーカス量測定方法。