JP5339368B2 - 電子顕微鏡における三次元像構築画像処理方法 - Google Patents
電子顕微鏡における三次元像構築画像処理方法 Download PDFInfo
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(1)輪郭抽出と位置ずれ量の検出
(2)回転軸の方向の検出
(3)回転軸の平行移動量の検出
(4)位置ずれ量と回転の補正
図2に透過型電子顕微鏡の全体構成を示す。透過型電子顕微鏡1において、試料6は試料ホルダー13の先端部分に取り付けられており、試料駆動機構14により、試料ホルダー13が、光軸12に垂直な回転軸15を中心として回転する機構となっている。また、光軸方向と光軸12に垂直な方向にも平行移動できる機構となっている。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、偏向器4と偏向器5により特定の試料位置に特定の角度で照射される。試料6を透過した電子線は対物レンズ7により結像され、中間レンズ9と投影レンズ10により拡大されてCCDカメラ11の撮像部分に投影される。偏向器8は像面に位置するものであり、像を光軸12の垂直方向に平行移動させるためのものである。外部コンピュータ16は、各レンズ、偏向器の設定、読み出し、CCDカメラの制御、試料駆動機構の制御などを行う。座標軸17は、電子線入射方向と試料の回転軸の向きを説明するためのものである。電子線入射方向と逆向きをz方向、試料6の回転軸15の紙面向かって右方向をy方向、紙面垂直手前方向をx方向とする。図3に像撮影の模式図を示す。図3は、図2のx−z断面図であり、簡単のためCCDカメラの撮像部分と試料を抜き出したものである。また、CCDカメラ11で撮影される画像の模式図を図4に示す。図4に示すように、画像の中央を原点とするx’軸とy’軸(画像全体の中心をとおり、直交する軸)を用いて方向を示すこととする。なお、本発明において、画像とは、針状試料及び真空部分を含む全体画像を指し、その画像の中央を原点、中心軸をy’軸と呼ぶ。試料を−90度から+90度までの範囲で数度ステップごとに回転軸15(y軸)を中心として回転させ、その都度像を撮影する。撮影の段階でy軸に存在する試料が画像のy’軸に投影されるように位置調整できていれば、連続回転シリーズ撮影終了後、そのままCT法での処理に持ち込むことができるが、実際は調整が不十分であることがほとんどである。それは、試料位置を機械的にナノメートルオーダーの精度で調整することは困難であり、さらに、図5のように回転して投影される場合があるからである。図5は、試料が回転して投影されている撮影像を模式的に示した図であり、試料の回転軸(y軸)が画像のy’軸(画像全体の中心軸)に対してθ回転して投影されている様子を示す。その回転の角度はTEMの投影レンズ10と中間レンズ9の電流の設定に依存し、TEMの種類や倍率によって異なるものであり、同一TEMで同一倍率で撮影したものであればその回転の角度は同一である。したがって、撮影した連続回転シリーズをCT法を用いて処理する前にアライメントを行う。具体的には、図2のy軸に存在する試料が画像のy’軸に投影されるように連続回転シリーズのすべての画像の平行移動と回転を行う。本発明のアライメント方法は以下の4つの工程に分けることができる。
(1)輪郭抽出と位置ずれ量の検出工程
撮影したN枚の連続回転シリーズから輪郭抽出画像シリーズを作製し、それを用いて相互相関法によりぞれぞれの画像の1枚目の画像に対する位置ずれ量D’n=(Δxi,Δyi)を検出する(i=1〜N)。
(2)回転軸の方向の検出工程
試料の回転角度−90度と+90度で撮影した画像を用いて、試料の回転軸(y軸)が画像のy’軸に対してどれだけの角度回転して投影されているかを検出する。その角度をθとする。
(3)回転軸の平行移動量の検出工程
−90度と+90度で撮影した画像を−D’n=(−Δxi,−Δyi)だけ平行移動し、−θ回転した画像I”1とI”Nを用いて回転軸のy’軸からの平行移動量Δdを検出する。
(4)位置ずれ量と回転の補正工程
撮影した連続回転シリーズの各画像を(−Δxi,−Δyi)だけ平行移動する。その後、それらの画像すべてを原点を中心に−θだけ回転させ、さらにx’方向に−Δdだけ平行移動させる。
(1)輪郭抽出と位置ずれ量の検出工程
針状試料は針の表面または内部に三次元的に分散している構造が重なって投影されるため、平面試料に比べて試料回転角度変化に対する画像の変化量が大きい。そのため、針状試料を撮影した画像に相互相関法を用いると、その変化の影響を受け、正しく位置ずれ量を求めることができない。したがって、本実施の形態では、針状試料の輪郭のみを抽出した画像シリーズを作り、それらの画像に相互相関法を用いて位置ずれ補正量を求める。輪郭抽出を行う際には、まず元の画像のコントラストを補正し、針とその表面または中を三次元的に分散している構造の階調の差が小さくなるようにする。図6は、階調値(明るさ)を横軸にとり画素数を縦軸にとったときの1枚の画像のヒストグラムの概略を示す図である。図6(a)は、原画像のヒストグラムを示し、図6(b)は、図6(a)をコントラスト補正した後のヒストグラムを示す。真空部分の明るさは試料存在部の明るさに比べて明るく、図6(a)のような画像の明るさのヒストグラムが得られる場合が多いので、試料部分が作る山と真空部分がつくる山の中間に閾値を設け、該閾値を新しい画像の最小階調値とする。コントラスト補正後の新しい画像のヒストグラムは図6(b)にようになる。必要に応じて最大階調値も設定する。この結果、原画像(図7(a))が図7(b)のようになり、針とその中の微細構造の明るさの違いをなくすことができる。ここで、図7は、輪郭抽出の過程を示す図である。図7(a)は原画像、(b)はコントラスト補正後の画像、(c)は輪郭抽出後の画像である。コントラスト補正の後、針状試料と真空部分の境界を強調するために微分フィルターを使う。また、元の画像にノイズが多い場合は、その前にlow pass filterをかける。このようにして、図7(c)のような輪郭が抽出された画像ができあがる。1つの画像に対して設定したパラメータ(最大階調値、最小階調値)は画素値の平均を使って規格化を行えば他の画像のパラメータを求める際に適用できる。実際は、画像による明るさの差をなくすため、画像の露光時間、電子線照射量、試料の厚みが試料回転角度によらず一定であることが望ましい。
図5のように試料の像がθ回転してCCDカメラに投影されている、すなわち、試料の回転軸(y軸)が画像のy’軸に対してθ回転して投影されているとする。像の位置ずれがなければφが−90度と+90度で撮影された画像I’1とI’Nは回転軸対称である。この特性を使ってθの検出を行う。図9は、回転軸の方向の検出の過程を示す概略図である。まず、I’Nをy’軸に対して対称になるように反転させたI’N’を作成する。I’N’は、y’軸を対称軸としてI’Nと線対称になっている。I’N’の回転軸は、y’軸に対して−θ、I’1の回転軸に対して−2θ回転していることになる。逆に言えば、I’N’を2θ回転することによりI’1と一致することになる。したがって、θを検出するために、I’N’を、原点を中心にθ’回転させてI’1との相互相関関数を計算していく。相互相関関数のピーク値が大きいほど一致度が高いことになるので、ピークが最大となるときの回転角度θ”を求める。
回転軸の平行移動量の検出過程を図10を参照して説明する。上記工程(1)で求めた位置ずれ量を補正すると、各画像に写っている試料の回転軸が同じ位置になり、さらにそれぞれの画像を原点中心にθ回転することにより、回転軸がy’軸と平行になる。本工程では、最後に回転軸をy’軸と一致させるために、y’軸に対する回転軸の距離Δdを求める。まず、I’1を−θ回転した画像I”1を作製する。一方、I’Nを−D’nだけ平行移動して位置ずれ補正した後、さらに−θ回転した像I”Nを作製する。
回転軸がy’軸と同じ位置ならば、I”1は、I”Nをy’軸対称にした画像I”N’と一致するはずである。一方、I”1の画像の回転軸がy’軸からΔdだけずれていれば、I”N’はI”1に対して、−2×Δdだけ動いていることになる。したがって、I”1に対するI”N’の移動量Δd’は相互相関関数を用いて計算できるので、
−2×Δd=Δd’
すなわちΔdは、
Δd=−Δd’/2
となる。
撮影したN枚の連続回転シリーズIn(n=1,2,3・・・N)の各画像を、−D’n=(−Δxi,−Δyi)だけ平行移動する。その後、それらすべての画像を原点を中心に−θだけ回転させ、さらに(−Δd,0)だけ平行移動させたシリーズI”’n(n=1,2,3・・・N)を作製する。以上の工程(1)〜(4)によって、y’軸を中心として回転している連続回転シリーズの作製が完了する。これをCT法で処理すると三次元再構成像が得られる。
この手順において、θのみを検出する際に用いる試料は、+90度と−90度に回転させた際に透過像を撮影することが可能な形状であれば針状である必要はない。また、連続回転シリーズ撮影の際の試料の形状は限定されない。
2、 電子銃
3、 集束レンズ
4、5、8、偏向器
6、 試料
7、 対物レンズ
9、 中間レンズ
11、 CCDカメラ
12、 光軸
13、 試料ホルダー
14、 試料駆動機構
15、 試料回転軸
16、 外部コンピュータ
17、 座標軸
Claims (2)
- 透過型電子顕微鏡で試料を回転軸を中心として数度ステップずつ回転させて撮影した連続回転シリーズを、コンピュータトモグラフィー法を用いて画像処理を行う三次元像構築画像処理方法において、
前記連続回転シリーズから、それぞれの画像の1枚目の画像に対する位置ずれ量を検出する工程と、
前記連続回転シリーズにおいて回転角度−90度と+90度で撮影された画像の輪郭抽出画像、もしくは前記連続回転シリーズと同一透過型電子顕微鏡同一倍率で回転角度−90度と+90度で撮影された他の試料の画像の輪郭抽出画像を用いて、試料の回転軸が画像の中心軸に対してどれだけ回転して投影されているかを検出する回転軸角度検出工程と、
前記位置ずれ量に相当する量だけ前記連続回転シリーズの各画像を平行移動する補正を行った後、前記回転軸角度に相当する角度回転の補正を行う工程と、
を備えることを特徴とする三次元像構築画像処理方法。 - 透過型電子顕微鏡で針状試料を回転軸を中心として数度ステップずつ回転させて撮影した連続回転シリーズを、コンピュータトモグラフィー法を用いて画像処理を行う三次元像構築画像処理方法において、
前記連続回転シリーズから輪郭抽出画像シリーズを作製し、相互相関法によりそれぞれの画像の1枚目の画像に対する位置ずれ量を検出する工程と、
前記試料の回転角度−90度と+90度で撮影した画像の輪郭抽出画像を用いて、前記試料の前記回転軸が画像の中心軸に対してどれだけの角度回転して投影されているかを検出する回転軸角度検出工程と、
前記−90度と+90度で撮影した画像の輪郭抽出画像を、前記検出した前記位置ずれ量に相当する量だけ平行移動する補正を行い、かつ前記検出した回転軸角度に相当する角度回転の補正をした画像を用いて、前記回転軸の中心軸からの平行移動量を検出する工程と、
前記連続回転シリーズに対して、前記位置ずれ量に相当する量だけ平行移動する補正を行った後、前記回転軸角度に相当する角度回転の補正を行い、さらに前記検出された平行移動量に相当する量の平行移動の補正を行う工程と、
を備えることを特徴とする三次元像構築画像処理方法。
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