(57)【要約】【課題】  アモルファス中に微粒子が分散した試料のＴＥＭ観察において、像上の微粒子の位置を正確に予測できる画像処理装置を提供する。【解決手段】  フーリエ変換部４２は、ＴＥＭ像と倍率読み込み部４１により読み込まれた画像のフーリエ変換を行う。最適周波数成分算出部４３は、オペレータにより入力された微粒子サイズと倍率から最適な周波数成分を求める。周波数成分抽出部４４は、フーリエ像から所望の周波数成分を抽出する。逆フーリエ変換部４５は、得られた像に逆フーリエ変換を施す。高輝度部分抽出部４６は逆フーリエ変換した像の輝度が高い部分だけを抽出する。加算部４７は、抽出した部分を元のＴＥＭ像にたし合わせる。結果表示部４８は加算部４７によって前記抽出部分が加算されたＴＥＭ像を表示部３９に表示する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス試料中に微粒子が分散している試料から電子顕微鏡が得た電子顕微鏡像に画像処理を施す画像処理装置において、
前記電子顕微鏡像とその倍率を読み込む読み込み部と、
前記読み込み部により読み込まれた前記電子顕微鏡像をフーリエ変換するフーリエ変換部と、
オペレータにより入力された微粒子サイズと前記倍率から最適な周波数成分を算出する算出部と、
前記フーリエ変換部により生成されたフーリエ変換像から所望の周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
前記周波数成分抽出部によって得られた所望の周波数成分を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部と、
前記逆フーリエ変換部により得られた逆フーリエ変換像から高輝度部分を抽出する輝度部分抽出部と、
前記輝度部分抽出部により抽出された高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算する加算部と、
前記加算部により前記高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算した加算像を表示する表示部と
を備えることを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
前記周波数抽出部は、周波数空間の波数ベクトルｋについて、微粒子サイズをｄとして、周波数空間における円周｜ｋ｜＝２π／ｄを基準とした輝度の半値幅ｈを用い、周波数空間における｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｈを満たす波数ベクトルｋを抽出することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
【請求項３】
アモルファス試料中に微粒子が分散している試料から電子顕微鏡が得た電子顕微鏡像に画像処理を施す画像処理方法において、
前記電子顕微鏡像とその倍率を読み込む読み込み工程と、
前記読み込み工程により読み込まれた前記電子顕微鏡像をフーリエ変換するフーリエ変換工程と、
オペレータにより入力された微粒子サイズと前記倍率から最適な周波数成分を算出する算出工程と、
前記フーリエ変換工程部により生成されたフーリエ変換像から所望の周波数成分を抽出る周波数成分抽出工程と、
前記周波数成分抽出工程によって得られた所望の周波数成分を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換工程と、
前記逆フーリエ変換工程により得られた逆フーリエ変換像から高輝度部分を抽出する輝度部分抽出工程と、
前記輝度部分抽出工程により抽出された高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算する加算工程と、
前記加算工程により前記高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算した加算像を表示する表示工程と
を備えることを特徴とする画像処理方法。
【請求項４】
前記周波数抽出工程は、周波数空間の波数ベクトルｋについて、微粒子サイズをｄとして、周波数空間における円周｜ｋ｜＝２π／ｄを基準とした輝度の半値幅ｈを用い、周波数空間における｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｈを満たす波数ベクトルｋを抽出することを特徴とする請求項３記載の画像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡が電子線を試料に照射し、試料を透過した電子により得た電子顕微鏡像に対する画像処理装置及び画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭともいう）は、試料に電子線を照射し、試料を透過した電子線を対物レンズで結像させて初段像を得、その初段像を中間レンズと投影レンズで拡大して、試料拡大像を蛍光板などに投影したり、写真フィルム上に投影している。また、近年では、結像された像をカメラのスクリーン上に投影し、カメラからの映像信号に基いて透過電子顕微鏡像をディスプレイ上に表示することが行われている。
【０００３】
前記透過型電子顕微鏡にあっては、前記透過電子顕微鏡像に対してコンピュータにより画像処理を施し、所望の画像を得ることが従来から行われてきた。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、収集した画像にフーリエ変換を施し、画像ボケの大きさを仮定した分を差し引いて逆フーリエ変換を施し、ボケの無い画像を求める方法が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、互いに異なる視野で試料から多数の画像を自動的に取得すると共に、取得した画像に対しては、画像の取得と並行して、画像中に目的とする構造があるか否かを判別する画像処理が記載されている。
【０００６】
ところで、最近では、前記透過型電子顕微鏡により、アモルファス中に微粒子が分散した試料を観察するという用途が考えられるようになった。
【特許文献１】特許３１１２５０３号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、アモルファス中に微粒子が分散した試料をＴＥＭによって観察する際、前記透過電子顕微鏡像上で、微粒子と、周辺のアモルファスの区別がつきにくい場合が多々ある。そのような場合、従来では、肉眼で区別できるまで倍率をあげるか、すでに倍率が高い場合は、より一層目を凝らして観察するという方法をとっているのが現状である。
【０００８】
特に、肉眼で試料を探し出す方法には大きな問題点が３つある。第１に、試料探しのために倍率を上げたりＳ／Ｎを下げたりしなければ成らず、とても時間がかかる。第２に、微粒子が小さすぎて、肉眼でアモルファスと区別できない場合がある第３に、観察者に疲労がたまり、長時間の観察が行えなくなる。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、アモルファス中に微粒子が分散した試料のＴＥＭ観察において、像上の微粒子の位置を正確に予測できる画像処理装置及び方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る画像処理装置は、前記課題を解決するために、アモルファス試料中に微粒子が分散している試料から電子顕微鏡が得た電子顕微鏡像に画像処理を施す画像処理装置において、前記電子顕微鏡像とその倍率を読み込む読み込み部と、前記読み込み部により読み込まれた前記電子顕微鏡像をフーリエ変換するフーリエ変換部と、オペレータにより入力された微粒子サイズと前記倍率から最適な周波数成分を算出する算出部と、前記フーリエ変換部により生成されたフーリエ変換像から所望の周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、前記周波数成分抽出部によって得られた所望の周波数成分を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部により得られた逆フーリエ変換像から高輝度部分を抽出する輝度部分抽出部と、前記輝度部分抽出部により抽出された高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算する加算部と、前記加算部により前記高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算した加算像を表示する表示部とを備える。
【００１１】
また、本発明に係る画像処理方法は、前記課題を解決するために、アモルファス試料中に微粒子が分散している試料から電子顕微鏡が得た電子顕微鏡像に画像処理を施す画像処理方法において、前記電子顕微鏡像とその倍率を読み込む読み込み工程と、前記読み込み工程により読み込まれた前記電子顕微鏡像をフーリエ変換するフーリエ変換工程と、オペレータにより入力された微粒子サイズと前記倍率から最適な周波数成分を算出する算出工程と、前記フーリエ変換工程部により生成されたフーリエ変換像から所望の周波数成分を抽出る周波数成分抽出工程と、前記周波数成分抽出工程によって得られた所望の周波数成分を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換工程と、前記逆フーリエ変換工程により得られた逆フーリエ変換像から高輝度部分を抽出する輝度部分抽出工程と、前記輝度部分抽出工程により抽出された高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算する加算工程と、前記加算工程により前記高輝度部分を前記電子顕微鏡像に加算した加算像を表示する表示工程とを備える。
【００１２】
周波数抽出は、周波数空間の波数ベクトルｋについて、微粒子サイズをｄとして、周波数空間における円周｜ｋ｜＝２π／ｄを基準とした輝度の半値幅ｈを用い、周波数空間における｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｈを満たす波数ベクトルｋを抽出する。なお、この周波数抽出は、前記半値幅ｈを用いるのに限られず、所望の数ｐを用いて｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｐを満たす波数ベクトルｋを抽出することもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る画像処理装置及び画像処理方法によれば、アモルファス中に微粒子が分散した試料のＴＥＭ観察において、肉眼では区別がつきにくい微粒子を見つけ出すことが可能となる。あるいは、肉眼で見つけ出すために長い時間がかかっていた作業が短縮される。また、ノイズの多い画像からでも微粒子を素早く探し出せる。さらに、ＴＥＭ観察におけるユーザのＶＤＴ作業を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態である、電子顕微鏡像処理システム１の構成図である。電子顕微鏡像処理システム１は、透過型電子顕微鏡２と画像処理装置３からなり、アモルファス試料中に微粒子が分散している試料を透過型電子顕微鏡２で観察するとき、画像処理装置３により観察像上の微粒子の位置を見つけやすくするシステムである。
【００１５】
透過型電子顕微鏡２は、電子線を放射する電子銃２１と、電子銃２１から放射された電子線を収束して試料２３に照射する収束レンズ２２と、図示しない載置台に載置支持された試料２３を透過した電子線に結像作用を及ぼす対物レンズ２４と、対物レンズ２４による結像作用により形成された試料の初段像を拡大する中間レンズ２５と、中間レンズ２５により拡大された試料像を観察／記録面ｈにさらに拡大して投影する投影レンズ２６と、投影レンズ２６によって観察／記録面ｈに投影された試料像を撮像するカメラ２７の撮像素子２７ａとを備えて成る。
【００１６】
電子銃２１から放出された電子線は、図示しない加速管によって例えば数百ｋｅＶのエネルギーまで加速され、収束レンズ２２によって収束されてから試料２３に照射される。そして、試料２３を透過した電子線は対物レンズ２４によって結像作用を受け、試料２３の初段像が対物レンズ２４と中間レンズ２５との間に形成される。
【００１７】
その後、中間レンズ２５と投影レンズ２６により試料拡大像が形成されていき、最終的な観察／記録面ｈに、数百倍乃至数百万倍の範囲で観察目的に沿った倍率で試料像が結像される。この観察／記録面ｈには、カメラ２７の撮像素子２７ａが前述のように配置されており、試料像は撮像素子２７ａによって撮像される。撮像素子２７ａによって撮像された前記試料像は、画像処理装置３に供給される。
【００１８】
画像処理装置３は、ワークステーション或いはパーソナルコンピュータのようなコンピュータからなる。コンピュータは、周知のように、ＣＰＵ（中央演算処理装置）３０にメインバス３１を介してＲＡＭ３２、ＨＤＤ３３、ＴＥＭ像用インターフェース（Ｉ／Ｆ）３４、Ｉ／Ｏインターフェース（Ｉ／Ｆ）３５を接続した構成である。また、Ｉ／Ｏインターフェース（Ｉ／Ｆ）３５には、Ｉ／Ｏバス３６を介してマウス３７、キーボード３８および表示部３９が接続されている。
【００１９】
画像処理装置３にあって、前記撮像素子２７ａから供給された前記試料像はＴＥＭ像用Ｉ／Ｆ３４によってインターフェースされ、ＣＰＵ３０の制御に基いて読み込まれＨＤＤ３３に格納される。ＨＤＤ３３に格納された前記試料像は、ＣＰＵ３０の制御に基いて、ＲＡＭ３２に読み出され、ＲＡＭ３２をワークエリアとして、後述する画像処理法に基いて処理される。
【００２０】
そして、アモルファス中に微粒子が分散した試料のＴＥＭ観察において、肉眼では区別がつきにくい微粒子を見つけ出すことが可能となる。
【００２１】
図２は、本発明の画像処理法に基く、画像処理プログラム（ソフトウェア）の処理手順を示すフローチャートである。この画像処理プログラムの処理手順は、画像処理装置３のＣＰＵ３０によって実行される。
【００２２】
先ず、ステップＳ１にて、画像処理装置３のＣＰＵ３０は、ＴＥＭ像用Ｉ／Ｆ３４を制御し、透過型電子顕微鏡２から取得した観察画像と倍率を読み込む。
【００２３】
次に、画像処理装置３のＣＰＵ３０はオペレータが前記マウス３７又はキーボード３８を操作して入力した微粒子のサイズを確認する（ステップＳ２）。例えば、実際の微粒子のサイズは２ｎｍである。
【００２４】
次に、前記ＣＰＵ３０は、読み込んだ画像のフーリエ変換を行う（ステップＳ３）。続いて、微粒子のサイズと倍率から最適な周波数成分を求める（ステップＳ４）。例えば、微粒子のサイズをｄ、周波数空間の波数ベクトルｋについて、円周｜ｋ｜＝２π／ｄを基準として、周波数空間における画像の例えば輝度の前記円周の位置における値の半値幅をｈとする。なお、この半値幅は、必ずしも輝度に限られず、特定の色成分強度など画像信号の関数であればよい。そして、前記円周に半値幅ｈの幅を設けた領域、すなわち｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｈを満たす周波数が最適な成分であるとする。
【００２５】
ここで、前記最適な成分は、半値幅ｈを用いるものに限られず、例えばある数ｐを用いて、｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｐを満たす範囲とすることができる。ここで、この数ｐは、例えば前記半値幅ｈなどを参考にすることで、任意に選択することができる。例えば、適当な数をｐの初期値として、後述の逆フーリエ変換とｐの調整を繰り返し行うことにより、逆フーリエ変換された像が満足するものになるように所望の数ｐを選択することができる。
【００２６】
次に、ステップＳ３のフーリエ変換により得られたフーリエ像で、粒子サイズに対応する周波数成分だけを抜き出す（ステップＳ５）。ステップＳ４で定めた範囲｜｜ｋ｜−２π／ｄ｜＜ｈを満たす周波数成分を抜き出す。なお、試料に対する画像の倍率をａとすると、画像における粒子のサイズをＬを用いて、ステップＳ４及びＳ５の範囲は｜｜ｋ｜−２πａ／Ｌ｜＜ｈと表すことができる。
【００２７】
次に、ここまでの処理によって得られた像に逆フーリエ変換を施し（ステップＳ６）、逆フーリエ変換した像の輝度が高い部分だけを抽出する（ステップＳ７）。例えば、このステップでは、所定の輝度の閾値を用意し、それよりも輝度が高い部分を抽出する。そして、ステップＳ７にて抽出した部分を元のＴＥＭ像に足し合わせてから（ステップＳ８）、その結果を表示部３９に表示する（ステップＳ９）。
【００２８】
図３は前記画像処理プログラムを、コンピュータである画像処理装置３が実行した場合の機能ブロック図である。
【００２９】
ＴＥＭ像と倍率読み込み部４１はＴＥＭ像と倍率情報をＩ／Ｆ３４を介して透過型電子顕微鏡２から読み込む。フーリエ変換部４２は、読み込まれた画像のフーリエ変換を行う。最適周波数成分算出部４３は、オペレータにより入力された微粒子サイズと倍率から最適な周波数成分を求める。周波数成分抽出部４４は、フーリエ像から所望の周波数成分を抽出する。
【００３０】
逆フーリエ変換部４５は、得られた像に逆フーリエ変換を施す。高輝度部分抽出部４６は逆フーリエ変換した像の輝度が高い部分だけを抽出する。加算部４７は、抽出した部分を元のＴＥＭ像にたし合わせる。結果表示部４８は加算部４７によって前記抽出部分が加算されたＴＥＭ像を表示部３９に表示する。
【００３１】
図１乃至図３を参照して説明した電子顕微鏡像処理システム１は、特に、アモルファスカーボンの中にカーボンナノチューブが点在する試料の観察像に画像処理を施すときに用いることができる。
【００３２】
カーボンナノチューブを製造する過程では、アモルファスカーボンが不純物として混在してしまうことがある。その場合、本システム１により、カーボンナノチューブを見つけることができる。例えば、カーボンナノチューブの原料に炭素棒を使う際、その中に金属微粒子（例えば、Ｎｉ／Ｃｏ）を触媒として練りこんでおく。前記ステップＳ２にて微粒子のサイズを入力する場合、カーボンナノチューブのサイズは予めわかっているので入力が可能である。
【００３３】
また、カーボン中の金属微粒子や導電性樹脂を試料とする場合にも本システム１は好ましい。このような材料はカーボン中に入れて観察することになるので、本システム１によれば、見つけ出すのが容易になる。
【００３４】
もちろん、アモルファスカーボンは不純物としてだけでなく、電子顕微鏡の調整などに標準試料として使われたり、結晶性試料の保持材として使われることもある。このため、本発明は、良質のアモルファスカーボンを作る上でも重要な発明である。
【００３５】
図４は、実際のアモルファスを写したＴＥＭ像の上に、例えば丸い微粒子を合成して分散させた画像である。肉眼でも分かりやすいように、少し大きめの，全く同じ形とサイズの微粒子を分散させた。実際の微粒子は、サイズと形に多少のばらつきがあるが、結果にはほとんど影響しない。
【００３６】
図２のステップＳ２にて観察したい微粒子のサイズをソフトウェアに与える。この微粒子のサイズは例えば２ｎｍである。
【００３７】
図５はステップＳ３にてＴＥＭ像のフーリエ変換を行ったときのフーリエ変換図である。図６はステップＳ５にあるフーリエ像で、粒子サイズに対応する周波数成分だけを抜き出した図である。
【００３８】
図７はステップＳ６にて行った逆フーリエ変換により得られた逆フーリエ変換図である。図８はステップＳ７の処理による逆フーリエ変換図の明るい部分を示す図である。図９は、ステップＳ８によるＴＥＭ像と逆フーリエ変換図の明るい部分を重ね合わせた図である。粒子の位置が白く光っていることがわかる。
【００３９】
このように本実施の形態の透過電子顕微鏡像処理システム１によれば、アモルファス中に微粒子が分散した試料のＴＥＭ観察において、肉眼では区別がつきにくい微粒子を見つけ出すことが可能となる。あるいは、肉眼で見つけ出すために長い時間がかかっていた作業が短縮される。また、ノイズの多い画像からでも微粒子を素早く探し出せる。さらに、ＴＥＭ観察におけるユーザのＶＤＴ作業を減らすことができる。
【００４０】
次に、本発明の実施例を説明する。この実施例は、走査型透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）で撮影したＰｔ−Ｃの触媒粒子に本実施の形態の画像処理を適用したものである。
【００４１】
図１０は、Ｐｔ−Ｃの試料をＳＴＥＭにより約７０万倍に拡大した像である。図中、直径約４ｎｍの大きい粒子はよく見えているが、直径約２ｎｍの小さい粒子を肉眼で見つけることは難しい。
【００４２】
図１１は、このような画像に本実施の形態を適用した効果を説明する図である。図１１（ａ）は、図１０の一部の拡大図である。この１１（ａ）において、直径２ｎｍの粒子を強調するように本実施の形態の画像処理を適用する。その結果、図１１（ｂ）のように直径２ｎｍの粒子が協調されて表示される。特に円周Ｃで囲んだ部分で画像処理の効果が顕著に見られる。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、それぞれ前記１１（ａ）及び図１１（ｂ）における円周Ｃ近傍の拡大図である。
【００４３】
図１３は、本実施の形態の画像処理の走査を行うために用いられるグラフィックユーザインターフェース（ＧＵＩ）の一例を示す図である。このＧＵＩはいわゆるウィンドウによるものであり、画像処理装置３の表示部３９に表示され、オペレータによりマウス３７及びキーボード３８によって操作される。
【００４４】
ウィンドウ５０には、電子顕微鏡像５１、周波数空間像５２、粒子が強調された画像処理像５３が表示されている。また、このウィンドウ５０を用いて、直径、範囲、像長さ、輝度領域等を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】透過電子顕微鏡像処理システムの構成図である。
【図２】画像処理方法に基く画像処理プログラムの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】前記画像処理プログラムをコンピュータである画像処理装置が実行した場合の機能ブロック図である。
【図４】ＴＥＭ像の模式図である。
【図５】フーリエ変換図である。
【図６】フーリエ変換像の一部を抜き出した図である。
【図７】逆フーリエ変換図である。
【図８】逆フーリエ変換図の明るい部分である。
【図９】ＴＥＭ像の模式図と逆フーリエ変換図の明るい部分を重ね合わせた図である。
【図１０】Ｐｔ−Ｃ試料をＳＴＥＭによる像である。
【図１１】画像処理を説明する図１０の一部拡大図である。
【図１２】図１１の一部拡大図である。
【図１３】グラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・電子顕微鏡像処理システム
３・・・画像処理装置
３０・・ＣＰＵ
３４・・ＴＥＭ像用Ｉ／Ｆ
３９・・表示部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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