(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力情報に基づいて３次元の結晶モデルを作成し表示する装置であって、作成・表示を行う３次元結晶構造を複数の層に分割して、その各層ごとに２次元的に並ぶ原子の種類及びその各位置と、それらの層間距離、層数並びに格子定数を入力するための入力部と、入力された格子定数と各層ごとの原子種及びその各位置の情報に基づいて、各層の格子点にそれぞれ原子を配置して各層ごとの２次元モデルを作成する層モデル作成部と、この層モデル作成部で得られた各層ごとのモデルデータ及び入力された層間距離と層数に基づいて結晶の３次元モデルを作成する３次元モデル作成部と、これら二つのモデル作成部で得られたモデルデータを表示器に表示する表示制御部を備えていることを特徴とする結晶モデル作成表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばイオン散乱分析装置やＸ線回折装置等の分析装置のデータ解析や分析シミュレーション、あるいは物理教育などの分野において利用される結晶モデル作成表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン散乱分析法やＸ線回折法などの分析分野においては、散乱現象や回折強度をコンピュータによりシミュレーションする技術が研究されている。そのシミュレーションの方法の一つとして、分析対象となる試料の結晶構造のモデルを作成し、その結晶モデルとイオン（Ｘ線）の入射条件等の測定条件を用いてイオン散乱強度（回折強度）を計算し表示する技術がある。
【０００３】
また、このようなシミュレーションで用いる３次元結晶のモデルの作成には、従来、空間群を基本とした結晶入力用ソフトウェアを組み込んだ装置（コンピュータ等）が一般に利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空間群に基づく結晶入力法では、結晶学、点群、空間群等の極めて高い専門知識が必要で、これらの知識を持たないオペレータでは結晶を正確に入力することは不可能である。また、空間的な座標（３次元）を想像して各原子位置等を入力する必要があることから、結晶構造を直観的に把握しつつ入力操作を行うことは難しいといった問題がある。
【０００５】
本発明は、そのような実情に鑑みてなされたもので、結晶学等の専門的な知識を持たないオペレータでも結晶を簡単に入力することができ、しかもその結晶入力を直観的に行うことのできる結晶モデル作成表示装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の結晶モデル作成表示装置は、作成・表示を行う３次元結晶構造を複数の層に分割して、その各層ごとに２次元的に並ぶ原子の種類及び各位置と、それらの層間距離、層数並びに格子定数を入力するための入力部と、入力された格子定数と各層ごとの原子種及びその各位置の情報に基づいて、各層の格子点にそれぞれ原子を配置して各層ごとの２次元モデルを作成する層モデル作成部と、この層モデル作成部で得られた各層ごとのモデルデータ及び入力された層間距離と層数に基づいて結晶の３次元モデルを作成する３次元モデル作成部と、これら二つのモデル作成部で得られたモデルデータを表示器に表示する表示制御部を備えていることによって特徴づけられる。
【０００７】
そして、以上の構成により、２次元的な原子の配置と、結晶の層間距離、層数及び格子定数を入力するだけで、３次元の結晶モデルを作成・表示することができるので、特に結晶学等の専門知識がなくても結晶を簡単に入力することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態を示すブロック図である。
まず、この例の結晶モデル作成表示装置は、入力装置１、演算処理装置２及びＣＲＴ等の表示器３によって構成されている。
【０００９】
入力装置１は、キーボード及びマウス等であって、作成・表示を行う３次元結晶構造の各層ごとの原子種及びその各位置と、それらの層間距離、層数、並びに格子定数を、表示器３に表示された機能呼出ボタン（図示せず）のクリック操作やキーボード操作等により演算処理装置２に入力することができる。
【００１０】
また、入力装置１は、後述するシフト処理またはオフセット処理を行う際のそれぞれの数値を演算処理装置２に入力することができ、さらに、モデル作成のための各動作を開始する旨、及び結晶の幾何学的情報を計算・表示する旨などの各種コマンドを演算処理装置２に与えることができる。
【００１１】
一方、演算処理装置２は例えばコンピュータであって、層モデル作成部２ａ、３次元モデル作成部２ｂ、演算部２ｃ及び表示制御部２ｄが設けられている。
層モデル作成部２ａは、入力された格子定数と各層ごとの原子種及びその各位置の情報に基づいて各層ごとに２次元モデルを作成し、その各層のモデルデータを順次に３次元モデル作成部２ｂ及び表示制御部２ｄに出力する。
【００１２】
３次元モデル作成部２ｂは、層モデル作成部２ａからの各層ごとの２次元モデルデータと、入力された層間距離及び層数の情報に基づいて、３次元の結晶モデルを作成し、その結晶モデルのデータを表示制御部２ｄに出力する。
【００１３】
演算部２ｃは、入力装置１から結晶の幾何学的情報（原子間距離、原子間角度等）を計算・表示する旨が入力されたときに、３次元モデル作成部２ｂから結晶モデルのデータを採り込んで、それら幾何学的情報を計算してその各計算結果を表示制御部２ｄに出力するように構成されている。
【００１４】
そして、表示制御部２ｄは、入力装置１からの指令に応じて、表示器３の画面上に、全層表示ウィンドウＷ1 、各層表示ウィンドウＷ2 、原子選択用ウィンドウＷ3 、３Ｄ（３次元）表示ウィンドウＷ4 、並びに、シフト設定用またはオフセット設定用のウィンドウＷ5 またはＷ6 （図３〜図１０参照）等の複数の表示領域を設定して、その各領域に結晶構造のフレームやモデル作成データ、並びに数値等を表示するように構成されている。
【００１５】
また、表示制御部２ｄは、入力されたシフト値またはオフセット値と、指定された原子の情報に基づいて、結晶モデルの表示画面上で指定原子の位置を他の原子に対して独立に移動する機能や、表示画面上において各層間距離をそれぞれ独立して変更するといった機能、さらに、入力指令に応じて各層のモデルの挿入・追加表示やコピー・削除等の編集を実行する機能も備えている。
【００１６】
次に、以上の構造の結晶モデル作成表示装置の操作手順を、低エネルギイオン散乱分光装置のシミュレーション計算においてＳｒＴｉＯ3 の結晶構造を入力する場合を例にとって、図３〜図１０の表示例を参照しつつ説明する。
【００１７】
まず、ＳｒＴｉＯ3 結晶は、図２に示すようにＳｒＯ層−ＴｉＯ2 層−ＳｒＯ層−，・・・・，−ＴｉＯ2 層の繰り返しで構成されていることから、ＳｒＴｉＯ3 の結晶モデルを得るには、ＳｒＯ層とＴｉＯ2 層のみを入力すればよい。
【００１８】
また、この例においては、作成動作を開始する前に、入力装置１の操作により結晶の格子定数、層間距離、層数等の情報は予め入力しておく。
さて、操作を開始してモデル作成の旨を入力すると、表示器２の画面上に各層表示ウィンドウＷ2 が設定される。ここで、マウスも操作して、全層表示ウィンドウＷ1 を表示させる。また、入力された格子定数に基づいて、全層表示ウィンドウＷ1 に、表面層Ｌ0 のフレームと、これから入力を行う第１層目Ｌ1 のフレームが表示されるとともに、各層表示ウィンドウＷ2 に第１層目Ｌ1 のフレームのみが表示される。
【００１９】
なお、この例において第１層目となるＳｒＯ層には、ユニットの中心位置にＯが存在するので、パーティション処理を行って第１層の表示フレームを更に分割（ 0.5ユニット）しておく。
【００２０】
次に、入力装置１の操作により、表示画面の各層表示ウィンドウＷ2 上で原子を配置する格子点の位置をクリックしてゆく。この操作により表示画面上の格子点に順次に原子種未定を現す白丸が表示される（図３）。この例の場合、第１層目Ｌ1 の入力ではフレームの４角とフレーム中心の計５箇所の格子点が原子の配置位置となる。
【００２１】
次いで各格子点の原子種を決定を行う。その操作は図４に示すように、まず、クリック操作により、各層表示ウィンドウＷ2 上でフレーム中心を選択した後、機能呼出ボタンを操作して周期律表をウィンドウ表示し、そのウィンドウＷ3 の表示画面上でＯを選択するといった手順で行い、この操作によりユニットの中心位置に決定原子であるＯが表示される。また、他の格子点（ユニットの４角）の原子ついても同様な操作により原子種（Ｓｒ）を決定し表示する。
【００２２】
以上の操作により第１層目の結晶モデルの入力が完了し、この時点で図５に示すように第１層目Ｌ1 のＳｒＯ層のモデルが表示される。
次に、入力装置１の操作により、第２層目の入力を行う旨の指令を与えると、図６に示すように、全層表示ウィンドウＷ1 に第２層目Ｌ2 のフレームが追加表示されるとともに、各層表示ウィンドウＷ2 に、第２層目Ｌ2 のフレームが表示される。
【００２３】
次いで、この第２層目についても、先と同様にして、フレーム中心位置の元素種Ｔｉを決定し、さらにフレーム４辺の各中点位置の元素種Ｏを決定すると、図７に示すように、表示画面の全層表示ウィンドウＷ1 と各層表示ウィンドウＷ2 にそれぞれ第２層目Ｌ2 の結晶モデルが表示されるとともに、３次元の結晶モデルが表示画面の３Ｄ表示ウィンドウＷ4 に表示される。
【００２４】
以上で結晶モデルの作成を完了するわけであるが、この時点で得られる結晶モデルは理想モデルであるため、実際のシミュレーション計算に用いる結晶構造が理想モデルと異なる場合には次のような処理を行う。
【００２５】
例えば、第１層目Ｌ1 のユニット中心のＯ原子の水平方向（ｘ−ｙ方向）における位置を変更しようする場合、機能設定ボタンのクリック操作を行って、図８に示すように、表示画面上にシフト設定用ウィンドウＷ5 を呼び出し、また、各層表示ウィンドウＷ2 に第１層Ｌ1 の結晶モデルを表示する。次いで、表示画面上でＯ原子をクリックするとともに、そのシフト値（ｘ方向に0.25ユニット）を数値入力するといった操作を行うことにより、ユニット中心のＯ原子の表示位置をｘ方向に0.25ユニット分だけ移動させることができる。
【００２６】
また、第１層目Ｌ1 のユニット中心のＯ原子の垂直方向（ｚ方向）における位置を変更しようする場合、機能設定ボタンのクリック操作を行って、図９に示すように、表示画面上にシフト設定用ウィンドウＷ6 を呼び出し、次いで、表示画面上でＯ原子をクリックするとともに、そのオフセット値（0.25Å）を入力するといった操作を行うことにより、図１０の３ＤウィンドウＷ4 に示すように、ユニット中心のＯ原子をｚ方向に0.25Å分だけオフセットした３次元の結晶モデルを得ることができる。
【００２７】
そして、以上のモデル作成操作が完了した後に、結晶の幾何学的情報を表示する旨を入力するとともに、目的とする原子をクリック操作により指定することにより、その目的原子の原子間距離や原子間角度などが表示器３の画面上に数値で表示される。
【００２８】
ここで、以上の実施の形態において、全層表示ウィンドウＷ1 に表面層Ｌ0 のフレームを表示するようにしているのは、結晶の表面層は、通常、バルク構造部に対して原子の結合状態が異なるため、表面層における原子の配置を第１層目以降の層とは個別に決定できるようにするためである。また、その表面層の単位格子はバルクに較べて大きくなることがあるため、入力する格子定数を基準として、格子点間距離を例えば２０倍程度にまで拡張することができる。なお、この表面層Ｌ0 のモデル作成は、上記した第１層目以降の層のモデル作成操作の前または後に必要に応じて実行する。
【００２９】
また、以上の実施の形態において、表示制御部２ｄに、結晶モデルを単位ユニットだけではなく、複数単位ユニットで表示する機能、また、オペレータの入力指令に応じて結晶モデルの表示画像の拡大・縮小・回転する機能などを付加しておいてもよい。
【００３０】
なお、本発明の結晶モデル作成表示装置は、低エネルギイオン散乱分光装置のほか、Ｘ線回折装置などの各種の分析装置のシミュレーション計算の際の結晶入力、あるいは結晶構造を理解させるための物理教育用として利用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の結晶モデル作成表示装置によれば、３次元の結晶構造を、２次元的に原子が並んだ複数の層から構成されているものとし、その各層ごとの２次元的な原子の配置と、格子定数、層間距離並びに層数を入力するだけで、３次元の結晶モデルを作成・表示することができるので、結晶学等の専門知識がないオペレータでも、必要とする結晶構造を簡単に入力することができる。しかも、モデル入力時には原子を２次元的に配置してゆくといった操作を行うだけで済むので、結晶を直観的に入力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成を示すブロック図
【図２】ＳｒＴｉ０3 の結晶構造を示す図
【図３】表示器３の表示例を示す図
【図４】同じく表示例を示す図
【図５】同じく表示例を示す図
【図６】同じく表示例を示す図
【図７】同じく表示例を示す図
【図８】同じく表示例を示す図
【図９】同じく表示例を示す図
【図１０】同じく表示例を示す図
【符号の説明】
１  入力装置
２  演算処理装置
２ａ  層モデル作成部
２ｂ  ３次元モデル作成部
２ｃ  演算部
２ｄ  表示制御部
３  表示器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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