(57)【要約】【課題】  走査電子顕微鏡において、平滑フィルタ処理やインターレス走査を実行した場合に、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性を確保する。【解決手段】  試料の観察領域について、奇数ラインのみの走査と偶数ラインのみの走査とを独立して行うインターレス走査の場合に、奇数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して奇数ライン積算データを生成し、偶数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して偶数ライン積算データを生成し、奇数ライン積算データと偶数ライン積算データとを合成して合成データを生成し、合成データを画素ごとに平滑化処理し、観察領域の電子線画像を表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の観察領域で電子線を偏向走査することにより発生した二次信号から画像を生成する走査電子顕微鏡において、
前記観察領域について、奇数ラインのみの走査と偶数ラインのみの走査とを独立に行うインターレス走査を実行させる同期信号を発生する同期信号発生ユニットと、
前記奇数ラインのみの走査により発生した二次信号、および、偶数ラインのみの走査により発生した二次信号の両方の信号を合成した前記観察領域の画像を生成する画像処理回路とを備え、
該画像処理回路は、前記奇数ラインの走査によるデータと、前記偶数ラインの走査によるデータのそれぞれを積算する演算メモリと、該演算メモリから送られる奇数ラインの走査による積算データと偶数ラインの走査による積算データとを合成する変換メモリと、該変換メモリから送られる合成データを画素ごとに平滑化処理するフィルタ回路とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１の記載において、指定された観察領域，観察倍率，画素の大きさ，走査速度のうちの少なくともひとつに基づいて、前記電子線の走査開始点座標と走査終了点座標，前記観察領域の大きさ，走査速度，前記試料で発生する二次信号の検出のサンプリング周波数，走査の１ラインの幅のうちの少なくともひとつの情報を計算し、前記同期信号発生ユニットへ送るホストコンピュータを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１の記載において、前記インターレス走査の実行の有無に関する情報を、前記画像処理回路へ送るホストコンピュータを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１の記載において、前記フィルタ回路は、前記観察領域から得られた画像信号のうちの１個の画素について、当該画素とその周辺の画素の画像信号について平均化を行い、該平均化を全ての画素について実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４の記載において、前記フィルタ回路は、前記観察領域から得られた画像信号のうちの１個の画素について、前記観察領域の垂直方向に画像信号を遅延させる複数のラインメモリと、前記観察領域の水平方向に画像信号を遅延させる複数のフリップフロップ回路と、得られた複数の画像信号を加算する加算器と、該複数の画像信号の画素の数で除算する除算器とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
試料の観察領域で電子線を偏向走査することにより発生した二次信号から画像を生成する走査電子顕微鏡における画像処理方法において、
前記観察領域について、奇数ラインのみの走査と偶数ラインのみの走査とを独立して行うインターレス走査の場合に、前記奇数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して奇数ライン積算データを生成し、前記偶数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して偶数ライン積算データを生成し、前記奇数ライン積算データと前記偶数ライン積算データとを合成して合成データを生成し、該合成データを画素ごとに平滑化処理し、前記観察領域の電子線画像を表示することを特徴とする走査電子顕微鏡における画像処理方法。
【請求項７】
請求項６の記載において、前記平滑化処理は、前記観察領域から得られた画像信号のうちの１個の画素について、当該画素とその周辺の画素の画像信号について平均化して画像信号を得る平滑化回路による処理であって、該処理が全ての画素について実行されることを特徴とする走査電子顕微鏡における画像処理方法。
【請求項８】
請求項７の記載において、前記平滑化処理は、前記観察領域から得られた画像信号のうちの１個の画素について、該観察領域の垂直方向に画像信号を遅延させ、該観察領域の水平方向に画像信号を遅延させ、得られた複数の画像信号を加算し、該複数の画像信号の画素の数で除算することを特徴とする走査電子顕微鏡における画像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に電子線を照射し、試料から発生する二次信号を検出して画像化する走査電子顕微鏡、および、走査電子顕微鏡における画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡のうち、走査電子顕微鏡では、試料上を細く絞られた電子線で偏向走査し、電子線の走査に同期して検出器でサンプリングされたアナログの二次信号をディジタル化し、ディジタルの画像が生成される。同一個所の１回の電子線走査では、画像化するだけの十分な信号量が得られない場合は、同一個所を複数回走査し、得られた信号を積算する。また、ノイズ成分を除去するためにフィルタ処理が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、従来の走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図である。電子顕微鏡本体１１で得られた信号は、画像処理回路１２でディジタル画像が生成され、ディスプレイ１３に表示される。画像処理回路１２に送られた信号は、Ａ／Ｄ変換回路１４でアナログ信号がディジタル信号に変換され、積算演算回路１５で積算されるとともに、演算メモリ１６に蓄積され、表示制御回路１７でディスプレイ１３に表示可能な信号に調整される。積算演算回路１５では、演算メモリ１６に格納された前回入力までの積算値と今回入力の信号とを積算し、演算メモリ１６に格納された前回入力までの積算値を上書きし、これを所定回数繰り返す。
【０００４】
走査電子顕微鏡のオペレータが試料の観察を行いながら、倍率，フォーカス等の操作を行う場合には、走査電子顕微鏡の使い勝手の向上のため、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性が要求される。積算演算回路は、ハードウェアによる積和演算ロジックで構成されることで、リアルタイム性を確保できる。一方、取得した画像の画質を改善するための平滑フィルタ処理に関しては、ハードウェアによる積和演算ロジックの構成が困難であるため、積算演算処理を行った信号を、パーソナルコンピュータ等の演算装置を使用して、ソフトウェアによる処理が行われている。したがって、平滑フィルタ処理を行った場合には、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性の確保が困難である。
【０００５】
図８，図９は、電子線の走査の方法を示す試料の電子線走査領域の平面図である。図中、丸印は、電子線のスポットを表し、スポットの大きさが１ラインの幅になる。また、検出器では、指定されたサンプリング周波数で試料から発生する二次信号を取り込み、取り込まれたひとつひとつの信号が画素になるので、その概念を丸印で示してある。走査電子顕微鏡では、図８に示すように、試料の観察領域に対して、図中の左から右へ横方向に１ライン分だけ電子線を走査偏向器で走査し、観察領域の右端に電子線が達したならば、電子線の照射を止め、走査偏向器の制御のみで観察領域の次のラインの左に移動させ、電子線の照射を再開して次のラインを横方向に１ライン分だけ走査し、これを複数ライン分繰り返す。このような走査をラスタスキャンとよぶ。
【０００６】
短い時間間隔で電子線を走査した場合、前のラインに照射した電子線の電界が、次の走査の電子線の軌道に影響し、画像の歪となって現れる場合がある。これを解消するため、図９に示すように、はじめに奇数ラインを走査し、観察領域の最後のラインへ到達したら、偶数ラインを走査し、最後に両方の画像を合成して１フレーム分の画像を生成するインターレス走査を行う場合がある（例えば、特許文献２参照）。具体的には、図９（ａ）に示すように、最初の走査では、１ラインを飛ばして走査、すなわち、奇数ラインのみを走査し、観察領域の奇数ラインの最後に達したら、図９（ｂ）に示すように、走査のはじめに戻り、走査していない偶数ラインのみを走査する。観察領域の偶数ラインの最後に達したら、走査を終了する。以上の走査による画像信号は、メモリへ蓄積してあるので、走査終了後に奇数ラインの画像信号と偶数ラインの画像信号とを合成し、図９（ｃ）に示すような、歪のない全てのラインを走査した画像信号を得ることができる。
【０００７】
このようなインターレス走査の場合、全てのラインの走査の終了後に、画像処理により画像信号の合成を行うので、この処理の時間だけ通常の走査より時間がかかることになり、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性の確保は困難である。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２２００７７号公報
【特許文献２】特開２００５−１４２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、走査電子顕微鏡において、平滑フィルタ処理やインターレス走査を実行した場合に、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、試料の観察領域について、奇数ラインのみの走査と偶数ラインのみの走査とを独立して行うインターレス走査の場合に、奇数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して奇数ライン積算データを生成し、偶数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して偶数ライン積算データを生成し、奇数ライン積算データと偶数ライン積算データとを合成して合成データを生成し、合成データを画素ごとに平滑化処理し、観察領域の電子線画像を表示する構成としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、走査電子顕微鏡において、平滑フィルタ処理やインターレス走査を実行した場合に、撮像後ただちに像を表示するリアルタイム性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は、走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図である。背景技術の説明で用いた図７に示した走査電子顕微鏡との違いは、画像処理回路１２に変換メモリ１８と平滑フィルタ処理回路１９とを設けた点である。変換メモリは、演算メモリ１６と同様に、データ書き込み用の入力ポートと読み出し用の出力ポートが独立に動作可能な、ディュアルポートメモリの構造とする。
【００１３】
図１において、電子顕微鏡本体１１で得られた信号は、画像処理回路１２でディジタル画像が生成され、ディスプレイ１３に表示される。画像処理回路１２に送られた信号は、Ａ／Ｄ変換回路１４でアナログ信号がディジタル信号に変換され、積算演算回路１５で積算されるとともに、演算メモリ１６に蓄積され、表示制御回路１７でディスプレイ１３に表示可能な信号に調整される。積算演算回路１５では、演算メモリ１６に格納された前回入力までの積算値と今回入力の信号とを積算し、演算メモリ１６に格納された前回入力までの積算値を上書きし、これを所定回数繰り返す。
【００１４】
図９に示したインターレス走査を行う場合、図１に示すように、演算メモリ１６の後段に、インターレス走査により取得した画像信号を、ノンインターレス画像信号に変換するための一時記憶用の変換メモリ１８と、変換メモリ１８の後段に、平滑フィルタ処理を実行するための平滑フィルタ処理回路１９を設ける。変換メモリ１８の構造は、書き込み側である入力ポートと、読み出し側である出力ポートの、２つのアクセス経路を有する双方向メモリとする。変換メモリ１８の入力ポートへの画像信号であるデータの書き込みアクセスは、演算メモリ１６からのデータの読み出しと同時に実行され、演算メモリ１６から読み出されたデータが変換メモリ１８に書き込まれる。変換メモリ１８の入力ポートへのデータの書き込みは、電子線の走査の動作と連動しているため、インターレス走査と連動している。一方、変換メモリ１８の出力ポートからのデータの読み出しについては、インターレス走査の奇数ラインに関する画像信号の取得の開始とともに動作を開始し、変換メモリ１８の内部に格納されたデータを、上から順番に０ライン目，１ライン目，２ライン目という順番で読み出しを実行する。ここで、１フレーム分の走査のラインのうち、奇数ラインのまとまりを奇数フィールド、偶数ラインのまとまりを偶数フィールドとよぶ。また、計算上、１番目のラインを０ラインと定義する。変換メモリ１８の読み出し側は、開始タイミングをずらして動作を開始するようにしたため、データの上書きを防ぐことができる。変換メモリ１８から出力されるデータは、ノンインターレスの画像信号となる。変換メモリ１８の後段に、平滑フィルタ処理回路１９を配置し、ノンインターレスの画像信号である変換メモリ１８からのデータに対して、平滑フィルタ処理を行う。
【００１５】
図２は、図１と同じく、走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図である。図１との違いは、画像処理回路１２を含む画像処理ユニット２１を設け、画像処理回路１２とバス２２で接続されたホストコンピュータ２３と同期信号発生ユニット２４とを設け、同期信号発生ユニット２３からの同期信号を電子顕微鏡本体１１へ送る構成とした点である。ホストコンピュータ２３は、オペレータが入力する指示に従って画像処理回路１２の制御を行うマンマシンインターフェース制御の機能を有する。同期信号発生ユニット２３は、走査電子顕微鏡の電子線の走査偏向タイミングを画像処理回路１２と同期させる同期信号を、走査電子顕微鏡へ送る。同期信号は、偏向の垂直方向，水平方向の他に、インターレス走査に関するフィールドを指定する信号を含む。
【００１６】
ホストコンピュータ２３は、オペレータにより、観察領域，観察倍率，画素の大きさ，走査速度のうちの少なくともひとつ、および、インターレス走査を実行するか否かの情報が指定されると、指定された観察領域，観察倍率，画素の大きさ，走査速度等から、走査開始点座標，走査終了点座標，観察領域の大きさ，走査速度，試料で発生する二次信号の検出のサンプリング周波数，ラインの幅のうちの少なくともひとつを計算し、同期信号発生ユニット２３が同期信号を生成するためのデータを、バス２２を介して同期信号発生ユニット２３へ送る。同期信号発生ユニット２３は、電子顕微鏡本体１１、および、画像処理回路１２へ、同期信号を送る。同期信号を受けた電子顕微鏡本体１１は、同期信号に従って試料の観察領域に対する電子線の走査を行い、試料から発生した二次信号を検出して画像処理回路１２へ送る。ホストコンピュータ２３は、インターレス走査が実行されるか否かの情報を画像処理回路１２へ送る。画像処理回路１２は、走査電子顕微鏡本体１１から送られる画像信号の、演算メモリ１６の記憶領域の割り当てを決めるとともに、インターレス走査の場合には、変換メモリ１８の記憶領域の割り当ても決める。
【００１７】
図３、および、図４は、インターレス走査の場合の、上述した同期信号に基づく、電子線の走査の制御のタイムチャートである。横軸は時間であり、縦軸はそれぞれの項目ごとに下が０、上が１の２値データである。図３において、フィールド信号が奇数フィールドを示す場合、垂直同期信号は、先頭が奇数フィールドに対応した０にプリセットされ、電子線に対して奇数ラインごとの垂直方向の偏向が行われる。水平同期信号は、電子線を水平方向へ偏向させることで観察領域を走査する信号であり、垂直同期信号の開始点と終了点に応じ、観察領域の水平方向の大きさの間で、電子線が走査偏向される。
【００１８】
インターレス走査の場合の、演算メモリ１６へのデータの書き込みは、垂直同期信号の１から０への変化点を基点として、その時点でのフィールド信号が、０の場合は奇数フィールドであると識別し、０ライン目のメモリアドレスを、演算メモリ１６のアドレスカウンタにセットした後、待機状態となる。その後、水平同期信号の１から０への変化点を検出して、データの演算メモリ１６からの読み出し，積算，再書き込みの繰り返しが開始される。データの積算処理は、水平同期信号が０の期間中、Ａ／Ｄ変換回路１４のサンプリングクロックに同期してアドレスを更新しながら連続して実行される。そして、水平同期信号の０から１への変化により停止する。その後、メモリアドレスには、演算メモリ１６内の２ライン先のアドレスがセットされ、待機状態となる。次の水平同期信号の１から０への変化点を検出すると、上記と同様の動作を垂直同期信号が０の期間、繰り返し実行し、奇数フィールドのデータを演算メモリへと書き込む。奇数フィールドが終了して、フィールド信号が偶数フィールドを示す１となり、垂直同期信号が１から０へ変化したことを検出すると、メモリアドレスに、１ライン目のアドレスをセットし、水平同期信号ごとに奇数フィールドの場合と同様に、２ライン飛ばしでデータの書き込みを行う。
【００１９】
演算メモリ１６に書き込まれたデータは、１フレーム分を取得した後、次の１フレームの奇数フィールドの走査と同期して、順次、演算メモリ１６内の奇数フィールドのデータから読出しが行われ、新しく入ってきたデータとの間で積算処理を実行した後、演算メモリ１６へ再書き込みが行われる。この動作は偶数フィールドも同様である。以上の動作を繰り返し行うことで画像信号が積算されるので、画像信号中に含まれる試料の特徴的な凹凸情報が強調された画像を得ることができる。
【００２０】
図４は、インターレス走査の場合の、変換メモリ１８のタイムチャートである。変換メモリ１８の入力ポートには、奇数フィールドの取得時の演算メモリ１６への積算結果のデータの書き込みに連動して、演算メモリ１６と同じ内容のデータが入力されて書き込まれる。変換メモリ１８の書き込み側のラインアドレスの制御は、演算メモリと同様になる。この書き込みは、奇数フィールド，偶数フィールドとも実行される。一方、出力ポートでは、入力ポートへの偶数フィールドデータの書き込みが開始されるのを基点として、１フレームの奇数フィールドの先頭０ラインのデータから読み出しが開始される。そして、出力ポート側のデータの読み出し制御は、入力ポート側とは別に、０ライン，１ライン，２ライン…というように、飛び越しを行わずに連続したラインのデータの読み出しを行う。読み出し側と書き込み側の間の動作タイミングについては、書き込み側が１ライン目への書き込みを実行中に、０ライン目のデータの読み出しを行い、３ライン目の書き込み実行中には、２ライン目のデータの読出しを行うといったような制御を行うことにより、読み出し側のメモリアドレスが書き込みに先行することとなるので、読み出し中のデータの上書きを防止することができる。変換メモリ１８から出力されるデータは、ラインの飛び越しのない、ノンインターレスの画像のデータとなる。
【００２１】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、観察領域について、奇数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して奇数ライン積算データを生成し、偶数ラインのみの走査により発生した二次信号を積算して偶数ライン積算データを生成し、奇数ライン積算データと偶数ライン積算データとを合成して合成データを生成することにより、インターレス走査における画像処理をハードウェアにより実現でき、電子線画像を撮像後ただちに表示するリアルタイム性を確保することができる。
【００２２】
図５は、図１に示した平滑フィルタ処理回路１９で行われる演算の考え方を示す概念図である。平滑フィルタ処理回路１９は、３×３の線形フィルタ回路とし、変換メモリ１８から送られた１個のデータについて、その周辺の８個のデータと加算、平均の演算を行って、１個のデータの平滑化を行う。例えば、１個のデータの座標がｍ，ｎのとき、画像データＰ（ｍ，ｎ）とその周辺の８個の画像データを加算し、平均した値Ｐ′（ｍ，ｎ）が、平滑化後の画像データとなる。この処理が、観察領域の全ての画素について、順次行われる。
【００２３】
図６は、平滑フィルタ処理回路１９の回路構成図である。変換メモリ１８の出力ポートから送られたデータは、平滑フィルタ処理回路１９のラインメモリ６１に順次、格納される。ラインメモリ６１は、撮影領域の垂直方向の遅延を作り出すためのメモリであり、３×３の線形フィルタ回路の場合には２ライン分が必要となるため、ラインメモリ６２が設けてある。垂直方向の遅延の他に、水平方向の遅延を作るために、フリップフロップを用いた画素遅延回路６３も設けてある。平滑フィルタ処理回路１９に入力されたデータＰは、ラインメモリ６１，６２と画素遅延回路６３により遅延させられ、図５に示した９個のデータが加算器６４へ入力される。加算器６４で加算されたデータは、９分の１の除算を行う除算器６５を通り、平滑化処理が施されたデータＰ′として出力され、図１に示す表示制御回路１７へ送られる。このように、平滑化処理をソフトウェアで行うのでなく、ラインメモリ，フリップフロップ，加算器，除算器等のハードウェアを用いて行うようにしたので、走査電子顕微鏡の撮像後、ただちに像を表示するリアルタイム性を確保することができる。
【００２４】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、変換メモリで合成された合成データを、ハードウェアにより構成された平滑フィルタ処理回路で画素ごとに平滑化処理し、前記観察領域の電子線画像を表示することができるので、インターレス走査を実行した場合に、画質改善が施された電子線画像を撮像後ただちに表示するリアルタイム性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図。
【図２】走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図。
【図３】インターレス走査の場合の、同期信号に基づく電子線の走査の制御のタイムチャート。
【図４】インターレス走査の場合の、同期信号に基づく電子線の走査の制御のタイムチャート。
【図５】平滑フィルタ処理回路で行われる演算の考え方を示す概念図。
【図６】平滑フィルタ処理回路の回路構成図。
【図７】従来の走査電子顕微鏡における、画像処理機能の構成図。
【図８】電子線の走査の方法を示す試料の電子線走査領域の平面図。
【図９】電子線の走査の方法を示す試料の電子線走査領域の平面図。
【符号の説明】
【００２６】
１１  電子顕微鏡本体
１２  画像処理回路
１５  積算演算回路
１６  演算メモリ
１８  変換メモリ
１９  平滑フィルタ処理回路
２１  画像処理ユニット
２４  同期信号発生ユニット
６１，６２  ラインメモリ
６３  画素遅延回路
６４  加算器
６５  除算器
【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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