(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡から試料の拡大した画像を取得して積算する画像処理装置において、
顕微鏡から試料の拡大した同一の視野の画像を順次取得する手段と、
上記順次取得した画像について、先頭から順に所定の複数枚を積算して第１の積算画像を順次生成する手段と、
上記順次生成された第１の積算画像と次の第１の積算画像とをマッチングする位置で重ねて積算することを順次繰り返して第２の積算画像を生成する手段と、
上記生成された第２の積算画像を出力する手段と
を備えたことを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
上記第１の積算画像から抽出した特徴と、次の第１の積算画像から抽出した同一の特徴との方向と距離を求め、当該求めた方向と距離だけシフトして第１の積算画像を重ねて積算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】
上記第１の積算画像と、次の第１の積算画像とを僅かにずらしながらマッチングして一番類似度の高い位置で重ね合わせて積算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４】
上記顕微鏡を、電子顕微鏡としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像処理装置。
【請求項５】
コンピュータに、
顕微鏡から試料の拡大した同一の視野の画像を順次取得する手段と、
上記順次取得した画像について、先頭から順に所定の複数枚を積算して第１の積算画像を順次生成する手段と、
上記順次生成された第１の積算画像と次の第１の積算画像とをマッチングする位置で重ねて積算することを順次繰り返して第２の積算画像を生成する手段と、
上記生成された第２の積算画像を出力する手段と
として機能させるプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像処理装置および記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走査型電子顕微鏡などで試料の微小部分に細く絞った電子ビームを照射しつつ面走査し、そのときに試料の照射面から放出された２次電子を収集、増幅して画面上に輝度変調し、いわゆる２次電子像を表示させている。この際、電子ビームにより取得できる画像信号（例えば試料の照射面から放出された２次電子を収集、増幅した後の信号）はその特性によりノイズ成分が多いため、同じ位置の画像を複数枚積算してＳ／Ｎ比を高めて鮮明な画像を取得することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、観察対象物が小さくなるに従い、温度変動などによる観察試料台の位置ずれが画像積算時のずれとなるために、分解能の良い画像データを取得できないという問題があった。
【０００４】
（１）  例えば電子ビームが試料上を走査する走査幅Ｄμｍで５１２×５１２画素の画像をディスプレイ上に表示すると、画像の分解能は、
Ｄ／（５１２／２）＝Ｄ×３．９ｎｍ
となる。走査速度を毎秒３０フレームとし、１枚の画像を作成するのに１２８フレームを積算するとすれば積算時間は１２８／３０＝４．３秒必要となるから、毎秒Ｄ×３．９／４．３＝Ｄ×０．９秒ｎｍのずれがあると、電子顕微鏡の画像の分解能が低下してしまうことが判明する。
【０００５】
具体例として、
・Ｄ＝３μｍのとき、２．７ｎｍ／秒
・Ｄ＝１μｍのとき、０．９ｎｍ／秒
・Ｄ＝０．５μｍのとき、０．４５ｎｍ／秒
となり、試料台のずれがこれ以下でないと分解能が低下する。
（２）  上述のように積算した画像の分解能を低下させる直接的な主な原因は、試料台の温度ドリフトである。
【０００６】
電流ｉ（Ａ）の電子ビームを試料に照射し、Ｓ／Ｎ比ＳのＮ×Ｎ画素の画像を作成する場合、１画素あたりＳ２個の電子を検出する必要がある。これにより画像の作成時間は、
ｔ（秒）＝Ｎ２×Ｓ２×１．６×１０−１０（Ｃ）／ｉ（Ａ）
が必要となる。例えばＮ＝５１２、Ｓ＝２０、ｉ＝１０×１０−１２とすると、Ｔ＝１．７秒となり、分解能の低下を抑えるためにはその間に１画素分の位置ずれがあってはいけないこととなる。
【０００７】
一方、試料台をボールネジにより駆動する場合に金属（長さＬ）の摩擦による温度上昇（Δｔ）により発生する膨張の大きさ（ΔＬ）は、鉄２０℃の線膨張係数１１．８×１０−６を使って
ΔＬ＝Ｌ×１１．８×１０−６×Δｔ
と書ける。Δｔ℃温度上昇した後、試料台が停止すると温度は下がりはじめ、ボールネジは収縮する。この間、ボールネジが周囲と同じ温度になるまで試料台がドリフトするが、この時間をＴｒ（秒）とすると、平均的なドリフトの速度は、ΔＬ／Ｔｒにあると考えられる。例えばＬ＝１００ｍｍ、平均Δｔ＝１℃、Ｔｒ＝３０秒とすると、ドリフトの速度は、
ΔＬ／Ｔｒ＝３９．３ｎｍ／秒
となり、この値は前述の分解能を保証する数値と比較すると、走査幅３μｍの場合の値の約３０倍であり、桁違いにおおきい。これを前述の限界値まで低減しなければ所定の分解能が得られないが、これほどの微小な変化を試料台の駆動系にて対策することは極めて困難であるという問題があった。また、駆動系の機械的な対策では動作回数、移動距離、および停止時間に依存して発熱量と放熱量が変化するためにに効果が無くなってくる。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するため、顕微鏡で試料の同一の視野から順次取得した複数毎の画像を積算して一致する位置に重ねて加算し、視野のドリフトによる影響を軽減した高分解能かつ高Ｓ／Ｎ比の画像を自動生成することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１を参照して課題を解決するための手段を説明する。
図１において、画像入力手段１は、顕微鏡から試料の拡大した画像を順次取り込む（入力する）ものである。
【００１０】
画像演算手段（１）から（ｎ）３は、画像入力手段１から順次渡された画像を所定の複数毎を積算して積算画像を生成したりなどするものである。
位置計算手段４は、ある積算画像から抽出した特徴と次の積算画像から抽出した同一の特徴との一致する方向と距離を計算したり、ある積算画像と次の積算画像とをマッチングして類似度が一番高い位置を計算したりなどするものである。
【００１１】
総合演算手段５は、位置計算部４によって計算された位置で、ある積算画像と次の積算画像とを重ねて積算したりなどするものである。
表示装置６は、積算画像を表示するものである。
【００１２】
次に、動作を説明する。
画像入力手段１が顕微鏡２から試料の拡大した同一の視野の画像を順次取得し、複数の画像演算手段３が順次取得した画像について、所定の複数毎を積算して積算画像を生成し、位置計算手段４がある積算画像と次の積算画像との一致する位置を計算し、総合演算手段５が位置計算手段４によって計算された位置で、ある積算画像と次の積算画像とを重ねて積算するようにしている。
【００１３】
この際、積算画像から抽出した特徴と、次の積算画像から抽出した同一の特徴との移動した方向と距離を求め、当該求めた方向と距離だけシフトして積算画像を重ねて積算するようにしている。
【００１４】
また、積算画像と、次の積算画像とを僅かずらしながらマッチングして一番類似度の高い位置で重ね合わせて積算するようにしている。
また、顕微鏡を、電子顕微鏡とするようにしている。
【００１５】
従って、顕微鏡で試料の同一の視野から順次取得した複数毎の画像を積算して一致する位置に合わせて加算することを繰り返すことにより、視野のドリフトによる影響を軽減した高分解能かつ高Ｓ／Ｎ比の画像を自動生成することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図１および図２を用いて本発明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１において、画像入力手段１は、顕微鏡である、例えば走査型電子顕微鏡で、細く絞った電子ビームを試料台の上に載せた試料に面走査してそのときに発生した２次電子を収集、増幅した画像（画像信号）を順次取り込む（入力する）ものである。
【００１８】
画像演算手段（１）から（ｎ）３は、画像入力手段１から順次渡された画像を所定の複数毎を積算して積算画像を生成したりなどを並列に高速に実行するものである。
【００１９】
位置計算手段４は、ある積算画像から抽出した特徴と次の積算画像から抽出した同一の特徴との一致する方向と距離を計算したり、ある積算画像と次の積算画像とをすこしづつずらしながらマッチングして類似度が一番高い位置を計算したりなどするものである。
【００２０】
総合演算手段５は、位置計算部４によって計算された位置で、ある積算画像と次の積算画像とを積算（加算）したりなどするものである。
表示装置６は、積算画像を表示するものである。
【００２１】
次に、図１の構成の動作を詳細に説明する。
ここで、顕微鏡から順次取り込んだ画像は、Ｎ×Ｎ画素とし、全体でＭ枚の画像を積算するとする。
【００２２】
（１）  Ｍ枚の画像をＭ／ｍのグループ（ｍは任意に指定）に分割し、グループ毎にｍ枚の画像を作る。
（２）  最初のグループのｍ枚の画像を積算した積算画像で、位置計算手段４が画像処理により特徴を抽出し、ターゲットを決定する。
【００２３】
（３）  積算画像を総合積算手段５に転送する。
（４）  第２のグループの積算画像と、（２）で決定したターゲットを照合し、ターゲットのずれを計算した後、２枚の積算画像を総合積算手段５にて加算（これでｍ＋ｍ枚の画像を作成）する。
【００２４】
（５）  以降、（４）と同様の動作で総合積算手段５で、（Ｍ／ｍ−１）回の加算（積算）を行い、合計（Ｍ×ｍ枚）の積算画像を作成する。
以上の積算方法であればもし観察試料が画像積算中に移動したとしてもターゲットが走査範囲を超えない範囲内で、全積算枚数Ｍを積算するのに比べ、１／ｍの分解能を実現できる。尚、ｍ枚の積算に際して複数の積算演算手段３（以下の例では３個）を使い、
（１）  ｍ枚の積算画像を画像演算手段（１）で作る。
【００２５】
（２）  画像演算手段（１）での演算処理が終了したら画像演算手段（２）の積算処理を開始する。
（３）  画像演算手段（２）でのｍ枚の演算処理と並列して（１）で作成した積算画像より位置計算手段４にて特徴を抽出しターゲットを決定し、総合演算手段５に積算画像を転送する。
【００２６】
（４）  画像演算手段（２）の演算処理が終了したら画像演算手段（３）の積算処理を開始する。
（５）  （４）の処理と並列して（３）にて決定したターゲットを画像演算手段（２）の積算画像と照合し、ターゲットの位置ずれを計算する。
【００２７】
（６）  画像演算手段（２）を（５）で計算されたデータにて総合積算手段５にある積算画像と加算処理を行なう。
（７）  画像演算手段（３）の演算処理が終了したら画像演算手段（３）に対し、（４）、（５），（６）と同様の処理を行なう。
【００２８】
（８）  上記（４）、（５）、（６）の処理を（Ｍ／ｍ−１）回繰り返し、合計（Ｍ／ｍ枚）の積算画像を得る。
以上の計算方法で処理すれば、従来の積算時間とほぼ同じ時間にて積算画像を取得でき、ハードウェアの構成としてもメモリを大幅に削減できる。
【００２９】
図２は、本発明の１実施例構成図を示す。
図２において、画像入力／選択手段１１は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）からの画像信号入力１，２を任意に切り替えて選択したりなどするものである。
【００３０】
フレーム作成手段１２は、信号入力／選択手段１１によって入力、選択された画像信号からフレーム（１枚分の画像信号）を作成したりなどするものである。
画像積算手段（１〜ｎ）１３は、画像を複数枚、高速に積算するものである。
【００３１】
レベル・ゲイン調整手段１４は、画像信号のレベルやゲインを調整するものである。
ターゲット位置計算手段１５は、積算画像から特徴を抽出してターゲットを決定してその位置を計算したりなどするものである。
【００３２】
総合演算手段１６は、ある積算画像と次の積算画像とをそれぞれの特徴をもとに重ねて積算したり、ある積算画像と次の積算画像とがマッチングする位置で重ねて積算したりなどするものである。
【００３３】
γ補正処理手段１７は、積算画像のγ補正を行なうものである。
コメント・カーソル作成手段１８は、積算画像に重畳して表示する、コメントやカーソルを作成するものである。
【００３４】
出力画像作成手段１９は、レベル、ゲイン，γ補正した後の積算画像に、コメントやカーソルを重畳した出力画像信号を作成するものである。
ＮＴＳＣ出力手段２０は、出力画像信号をＮＴＳＣ規格に合致したテレビ信号に変換して出力するものである。
【００３５】
外部ＮＴＳＣ方式装置２１は、ＮＴＳＣ方式の画像信号をもとに、積算画像を表示したり、録画したりなどするものである。
出力信号選択・ＶＧＡ出力手段２２は、ＶＧＡ方式の画像信号を出力するものである。
【００３６】
外部ＶＧＡ方式装置２３は、ＶＧＡ方式の画像信号をもとに、積算画像を表示したり、録画したりなどするものである。
次に、図２の構成の動作を詳細に説明する。
【００３７】
（１）  信号入力／選択手段１１で入力（選択）された画像信号はフレーム作成手段１２に送り、同期信号に合わせてフレーム画像データとして形成する。
（２）  画像積算手段（１〜ｎ）１３に設定枚数ｍ枚の画像が積算され、走査速度毎秒３０フレームとすると積算時間ｔ秒は、
ｔ（秒）＝ｍ×０．０３３秒
となる。設定枚数の次のフレームより画像演算手段２，３、・・・ｎに順次同時間にて積算する。画像積算手段２の画像積算が終了すると（画像積算手段３の積算処理と並行して）画像積算手段１から総合積算手段１６に送られた積算画像のターゲットに対して画像積算手段２の積算画像のターゲットの移動距離、方向が計算される。この計算は、ターゲット位置計算手段１５で行われ、処理時間もノイズ成分除去に必要な設定枚数ｍ枚の演算時間に対して十分に短い時間で終了する。
【００３８】
（３）  ターゲットの領域を１２８×１２８画素とし、６４枚抽出し１回０．１μ秒の速度で１画素のデータづつ演算し位置すれ量を計算すると演算時間は、
１２８×１２８×６４×０．１×１０−６秒＝０．１秒
であるために、Ｎ＞ｔ（秒）＝４（０．０８３×４＝０．１３２秒）であれば別の画像演算手段の処理には影響が無い。
【００３９】
（４）  積算処理が終了した積算画像は、レベル・ゲイン調整手段１４で調整され（必要なときはγ補正される）、出力画像作成手段１９にてカーソルなどをインポーズした後、ＮＴＳＣ方式で出力する。外部モニタがＶＧＡ方式の場合や、更に外部で処理を加えた画像（ＮＴＳＣ方式）をＶＧＡ方式に変換する場合は出力信号選択・ＶＧＡ出力手段２２にて選択した画像をＶＧＡ方式にて出力する。
【００４０】
尚、ある積算画像と、次の積算画像との位置合わせについて、積算画像の特徴を抽出してターゲットを決め、両者のターゲットが一致するように重ねて両者の積算画像を加算（積算）したが、これにかぎられず、ある積算画像と、次の積算画像とをすこしづつずらしながらそのときの類似度をそれぞれ求めて一番高い類似度の位置で両者の積算画像を重ねて積算（加算）するようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、顕微鏡で試料の同一の視野から順次取得した複数毎の画像を積算して一致する位置に合わせて加算することを繰り返す構成を採用しているため、視野のドリフトによる影響を軽減した高分解能かつ高Ｓ／Ｎ比の画像を自動生成することが可能となる。
【００４２】
具体的に説明すると、３μｍ×３μｍの範囲を５１２×５１２画素の画面で観察する場合、画像の分解能は、
３μｍ／５１２／２＝２．９３ｎｍ
であり、試料の位置ずれの許容距離を１画素分（２．９３×２＝５．８６ｎｍ）とし、試料の移動速度０．０３９３μｍ／秒、１フレーム当り０．０３３秒の走査速度で画像を取得すると、
１１．７２ｎｍ／０．０３９３μｍ／秒＝０．２９８秒
の間に８枚の画像が取得できる。１２８枚の画像積算する場合に試料が０．０３９３μｍ／秒の速度で移動している場合、従来の積算方法では、１フレーム０．０３３秒×１２８＝４．２２秒より
４．２２秒×０．０３９３μｍ／秒＝１６６ｎｍ
の試料の移動により電子光学系の分解能を大きく損なうが、１２８枚の積算を４枚×３２に分割し、移動量を理想的に補正できたとすると０．０３３×４＝０．１３２秒より
０．１３２秒×０．０３９３μｍ／秒＝５．２ｎｍ
となり、試料の位置ずれが分解能に及ぼす影響が格段に小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム構成図である。
【図２】本発明の１実施例構成図である。
【符号の説明】
１：画像入力手段
２：顕微鏡
３、１３：画像積算手段
４：位置計算手段
５、１６：総合積算手段
６：表示装置
１１：信号入力／選択手段
１２：フレーム作成手段
１４：レベル・ゲイン調整手段
１５：ターゲット位置計算手段
１７：γ補正処理手段
１８：コメント・カーソル作成手段
【図１】
0004301385.tif 000002
【図２】
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