JPH0773038B2 - 走査電子顕微鏡の画像処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子顕微鏡の観察像を処理する画像処理装置
に係り、特に、観察像のノイズを低減して画質を向上さ
せることが可能な画像処理装置に関するものである。

（従来の技術） テレビカメラで検出した画像信号による画質の改善に関
しては、例えば特開昭62−285582号公報に記載されるよ
うに、カメラからの映像信号を指定したフレーム数だけ
積分し、ランダムノイズを低減する技術が提案されてい
る。

また、これと同様の技術を電子顕微鏡に適用し、さらに
発展させたものとしては、特開昭61−135034号公報に記
載されるように、電子線の照射によって試料から放出さ
れる二次電子等の検出信号と画像メモリに記憶されてい
る信号との差を求め、それが最小となったときのアドレ
ス関係に基づいて、検出信号を画像メモリに積算して記
憶させることによって画質の改善を図る技術が提案され
ている。

このように、テレビカメラあるいは電子顕微鏡の検出器
で検出される映像あるいは画像の改善にあたっては、検
出信号を画像データとして一旦画像メモリに記憶する
際、試料上の同一部分を複数回走査し、この複数回の走
査に基づく画像データを該画像メモリにおいて積分し、
該積分されたデータに基づいて観察像を表示するといっ
た、いわゆるフレーム間積分が広く用いられている。

ノイズの減衰を目的としたフレーム間積分に関しては各
種の方法が提案されており、それぞれ一長一短ではある
が、走査電子顕微鏡では、メモリを多く必要とせず構成
が比較的簡単であることから巡回デジタル積分回路が広
く用いられている。

巡回デジタル積分回路とは、第８図に示したように、ノ
イズの抑圧量に応じて入力信号D_tの減衰係数Ｎを予め設
定し、1/N倍に減衰された入力信号D_tと、（１−1/N）倍
に減衰された画像メモリの出力信号∫Ｄ_ｔ−１とを加算
し、該加算後のデータを画像信号∫Ｄ_ｔとして出力する
と共に、積分後の画像データとして画像メモリに再記憶
する方法である。

なお、以下の説明では、減衰係数Ｎを大きくして入力信
号D_tよりも出力信号∫Ｄ_ｔ−１を優先する場合を“積分
度合を大きくする”と表現し、減衰係数Ｎを小さくして
出力信号∫Ｄ_ｔ−１よりも入力信号D_tを優先する場合を
“積分度合を小さくする”と表現し、減衰係数Ｎの逆数
1/Nをｋ値として表す場合もある。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術を走査電子顕微鏡に適用すると、減衰
係数Ｎを大きくして積分度合を大きくすれば、S/N比が
向上して画質が改善されるものの検出信号の変化に対す
る追従性が悪くなる。

具体的に言うならば、試料の移動、倍率変換、電子ビー
ムの条件変更等によって観察像の検出信号に変化が生じ
ても、変更後の観察像が直ちに表示されず、変化前の観
察像が残像として残ってしまう。

反対に、減衰係数Ｎを小さくして積分度合を小さくする
と、追従性は向上するものの画質の改善効果が小さくな
ってしまう。

このように、追従性と画質の改善効果とを両立させるこ
とは難しく、従来技術においては、観察像が変化せず観
察像の検出信号の変化が小さいときには、追従性よりも
S/N比の向上を優先させるために積分度合を大きくし、
検出信号の変化が大きいときには、S/N比の向上よりも
追従性を優先させるために積分度合を小さくするといっ
た操作をオペレータが行っており、操作が繁雑になって
しまうという問題があった。

本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、観察条
件に変化が生じたときには、該変化に追従し、通常の観
察時には画質向上の効果の高い画像処理装置を提供する
ことである。

（課題を解決するための手段） 前記の問題点を解決するために、本発明では以下のよう
な手段を講じた。

（１）画像データにフレーム間積分を施して画質の改善
をはかる走査電子顕微鏡の画像処理装置において、 電子顕微鏡の観察条件を監視する手段と、観察条件に基
づいてフレーム間積分の積分度合を設定する手段と、フ
レーム間積分の施された積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１を
記憶するフレームメモリと、画像データD_tと積分後画像
データ∫Ｄ_ｔ−１との間で、前記設定された積分度合で
フレーム間積分を行い、該積分後の画像データを新たな
積分後画像データ∫Ｄ_ｔとして前記フレームメモリに記
憶させる積分手段と、積分後画像データ∫Ｄ_ｔを観察像
として表示する手段。

（作用） 上記した構成によれば、電子顕微鏡の観察条件に変更が
あったりして、画質改善効果よりも追従性が期待される
場合には、自動的に積分度合が小さくなる。

また、画像データの変化や電子顕微鏡の観察条件の変更
が無く、追従性よりも画質改善効果が期待される場合に
は、自動的に積分度合が大きくなるので、追従性と画質
の改善効果とを両立させた走査電子顕微鏡の画像処理装
置を提供できるようになる。

（実施例） 以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の画像
処理装置のブロック図であり、走査電子顕微鏡１の倍
率、コンデンサレンズの絞り、非点収差補正、試料ステ
ージの移動、走査速度、ガンマ補正、フォーカス調整、
電子ビームの照射条件といった試料観察条件、および検
出器４の感度は制御部２によって制御される。

電子ビームは試料３上を２次元的に走査され、試料３か
ら放出される二次電子、反射電子等の二次信号は前記検
出器４で検出される。検出器４での検出信号ａは、増幅
器で増幅された後に観察用CRT10に入力される。観察用C
RT10では、電子ビームの走査と同期した偏向走査が行わ
れ、試料３の観察像が表示される。

また、増幅器で増幅された前記検出信号ａはA/D変換器
５でデジタル画像データD_tに変換された後にフレーム間
積分回路６に入力される。フレーム間積分回路６は、該
画像データD_tと、後述するフレームメモリ７から出力さ
れる、１フレーム前の積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１とで
フレーム間積分を行い、積分後の画像データを新たな積
分後画像データ∫Ｄ_ｔとしてフレームメモリ７に入力す
る。

該フレームメモリ７内の画像データは逐次D/A変換器８
によってアナログ信号に変換され、モニタ９に表示され
る。モニタ９の観察像表示周期は、走査電子顕微鏡１の
走査周期に同期していても同期していなくても良い。つ
まり、走査電子顕微鏡１の走査速度が遅くても、モニタ
９の表示速度を速くすることによってモニタ９上では観
察像を静止画として表示することができる。

第２図は前記フレーム間積分回路６の構成を示したブロ
ック図である。

同図において、減算器41はデジタル画像データD_tとフレ
ームメモリ７から出力された１フレーム前の積分後画像
データ∫Ｄ_ｔ−１との間で減算を実行し、その差信号ｂ
を積分度合制御回路11に出力する。

積分度合制御回路11には、差信号ｂを一定期間積分して
得られる積分値∫ｂとそのときの積分度合を決定する係
数ｋとの関係が予めデータテーブルとして登録されてお
り、実際の制御にあたっては、得られた積分値∫ｂを該
データテーブルにあてはめることによって、積分値∫ｂ
が大きい場合には積分度合を小さくするために係数ｋの
値を大きくし、積分値∫ｂが小さい場合には積分度合を
大きくするためにｋの値を小さくするといった制御を行
う。

A/D変換器５から出力された画像データD_tは減衰器21に
おいてｋ倍の利得で減衰され、フレームメモリ７から出
力された１フレーム前の積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１は
減衰器22において（１−ｋ）倍の利得で減衰される。

前記ｋ・D_tと（１−ｋ）・∫Ｄ_ｔ−１とは加算器23で加
算され、加算後のデータが新たな積分後画像データ∫Ｄ
_ｔとしてフレームメモリ７に登録されると共に、その時
点での画像データとして前記D/A変換器８に出力され
る。

この結果、前記積分後画像データ∫Ｄ_ｔと画像データD_t
とは、以下のような関係を有することとなる。

∫Ｄ_ｔ＝ｋ・D_t＋（１−ｋ）・∫Ｄ_ｔ−１ ＝ｋ・D_t＋（１−ｋ）・ｋ・D_t-1 ＋ｋ・(1-k)²・D_t-2＋…… 前記積分度合を決定する係数ｋは０から１の間の値をと
り、その値が小さいとノイズの低減効果が大きくなるが
追従性が低下し、その値が大きいとノイズの低減効果が
小さくなるが追従性が向上する。また、ｋ＝１であれば
フレーム間積分は行われず、入力信号がそのまま出力さ
れて画質改善は行われない。

なお、前記積分値∫ｂを得るための積分期間、すなわち
フレーム数は、ノイズによる誤検出をキャンセルできる
程度にしておくことが望ましい。また、前記データテー
ブルは、画質改善が自然な感じで行われるようなステッ
プで登録しておくことが望ましい。

第３図は、前記検出器４による検出信号ａと、前記積分
値∫ｂと、積分値∫ｂの変化に応じて制御される係数ｋ
との関係を示した図である。

検出信号ａが変化して積分値∫ｂが大きくなると係数ｋ
も徐々に大きくなり、積算値∫ｂがあるしきい値を越え
るまでは係数ｋと積算値∫ｂとは略比例関係を示す。前
記しきい値を越えると係数ｋはｋ＝１で飽和してフレー
ム間積分は行われない。また、検出信号ａが安定して積
分値∫ｂが小さくなると係数ｋも徐々に小さくなり、再
びフレーム間積分が開始される。

本実施例によれば、検出信号ａが変化し、S/N比の向上
よりも追従性を優先させる必要がある場合には自動的に
係数ｋが大きくなって積分度合が小さくなり、その逆の
場合には自動的に積分度合が大きくなるので、常に最適
条件での観察が可能になる。

第４図は本発明の第２の実施例におけるフレーム間積分
回路６の構成を示したブロック図であり、第２図と同一
の符号は同一または同等部分を表している。

本実施例では、減算器41において画像データD_tから積分
後画像データ∫Ｄ_ｔ−１を減じ、その減算値に応じて出
力される差信号ｂをそのまま積分度合制御回路11に入力
し、前記同様、該差信号ｂの積分値∫ｂに応じて係数ｋ
を制御する。

前記減算値は減衰器21においてｋ倍の利得で減衰され、
さらに加算器23において積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１が
加算され、加算後の画像データは新たな積分後画像デー
タ∫Ｄ_ｔとしてフレームメモリに登録されると共に、そ
の時点での画像データとして前記D/A変換器８に出力さ
れる。

本実施例によれば、前記した実施例と同等の効果を、よ
り簡単な回路構成で実現することができる。

ところで、上記した実施例では、大きなノイズが入力す
ると該ノイズによって差信号ｂが大きくなり、その必要
がないにもかかわらず積分度合が小さくなってしまう場
合がある。

また、上記した実施例では差信号ｂを検出するための回
路構成が複雑となり、装置が大形で高価なものとなって
しまう。

さらに、上記した実施例では、拡大倍率、走査速度とい
った、走査電子顕微鏡の観察条件が観察像にもたらす影
響が加味されていないので、実使用においては以下のよ
うな不都合が生じる場合がある。

たとえば、一般的に走査速度が速いと観察像の変化に対
する追従性が高く、走査速度が遅いと観察像の変化に対
する追従性が悪いことから、走査速度が速く設定されて
いる場合には、前記差信号ｂが大きくなっても積分度合
を小さくすることなく十分な追従性が得られる。

ところが、前記した実施例では、走査速度にかかわらず
差信号ｂの値だけで積分度合を制御していたため、必要
以上に積分度合が小さく設定され、画質の改善効果が十
分に得られないという問題があった。

そこで、以下に示す実施例では、これらの問題をも解決
し、簡単な回路構成で優れた効果を達成できる走査電子
顕微鏡の画像処理装置を示す。

第５図は本発明の第３実施例である走査電子顕微鏡の画
像処理装置のブロック図であり、第１図と同一の符号は
同一または同等部分を表している。

制御部２は、通常マイクロコンピュータによって構成さ
れ、前記したような、倍率、走査速度、試料ステージ移
動等の観察条件の変更は、該マイクロコンピュータの管
理下で行われる。したがって、観察条件の変更の有無お
よびその変更量、たとえば倍率の変化量、試料ステージ
の移動量等はマイクロコンピュータにとっては既知であ
る。

なお、試料ステージの移動が手動操作によって行われる
ような場合であっても、移動部にロータリーエンコーダ
等の適宜の手段を付加し、その出力信号をマイクロコン
ピュータに入力するようにすれば、マイクロコンピュー
タは試料ステージの移動の有無および移動量を認識する
ことができる。

そして本実施例では、走査電子顕微鏡の拡大倍率や試料
ステージの位置といった、観察像に変化を及ぼすような
観察条件が変更されると、該変更に応じた係数ｋを表す
信号が制御部２からフレーム間積分回路61に出力される
ようにし、該係数ｋによって積分度合が制御されるよう
にした点に特徴がある。

第６図は前記フレーム間積分回路61の構成を示したブロ
ック図であり、第２図と同一の符号は同一または同等部
分を表している。

同図において、A/D変換器５から出力された画像データD
_tは減衰器21においてｋ倍の利得で減衰され、フレーム
メモリ７から出力された１フレーム前の積分後画像デー
タ∫Ｄ_ｔ−１は減衰器22において（１−ｋ）倍の利得で
減衰される。

前記ｋ・D_tと（１−ｋ）・∫Ｄ_ｔ−１とは加算器23で加
算され、加算後のデータが新たな積分後画像データ∫Ｄ
_ｔとしてフレームメモリ７に登録されると共に、その時
点での画像データとして前記D/A変換器８に出力され
る。前記減衰器21、22における係数ｋは前記制御部２か
ら出力される信号によって制御される。

第７図は、検出信号ａと、該検出信号ａの変化に応じて
設定される係数ｋと、その結果であるノイズ減衰量Ｐと
の関係を示した図である。

時刻t₀において、オペレータが走査電子顕微鏡の倍率、
コンデンサレンズの絞り、非点収差、走査速度、ガンマ
補正、フォーカス調整、試料ステージの位置、電子ビー
ムの照射条件等を変更すると、制御部２はこれを検出し
て観察条件が変化したものと判断し、係数ｋを１に設定
する。

前記変更が行われている間は係数ｋが１に保たれ、入力
信号がそのまま出力されるので画質改善は行われない。
したがって、観察像は観察条件の変更に直ちに追従して
変化する。

時刻t₁において、オペレータが前記変更のための操作を
終了すると、制御部２はこれを検出して一定時間t_s経過
後から係数ｋを、前記変更量に応じた傾きで１から徐々
に減じる。この結果、画質改善が行われるようになる。

本実施例によれば、突発的なノイズによって検出信号ａ
が変化しても積分度合が変化しないので、より正確な観
察が可能になる。さらに、積分度合を変化させるか否か
の判定が、走査電子顕微鏡の観察条件を変更するための
各種のスイッチ等の操作を検出することによって行われ
るので、簡単な回路構成となる。

また、本実施例によれば、各観察条件を組み合わせるこ
とにより、走査速度が速いために観察像の変化に対する
追従性が高い場合には、たとえば試料ステージが移動し
ても積分度合をさほど小さくしないといった制御が可能
になる。

その他にも、拡大倍率を高くして観察が行われる場合
は、一般的に解像度の高い観察像が要求される場合が多
く、また拡大倍率を低くして観察が行われる場合は、観
察位置を特定する場合のように解像度よりも追従性が要
求される場合が多いことから、拡大倍率が高く設定され
ている場合には、たとえば試料ステージが移動しても積
分度合をさほど小さくしないといった制御も可能にな
る。

なお、上記した各実施例では、検出信号の変化あるいは
観察条件の変化のいずれか一方を検出することによって
積分度合を変化させるものとして説明したが、両者の機
能を組み合わせて制御するようにしても良い。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果が達成される。

すなわち、１フレーム単位での画像データに変化があっ
たり、電子顕微鏡の観察条件に変更があったりして、画
質改善効果よりも追従性が期待される場合には、自動的
に積分度合が小さくなり、一方、画像データの変化や電
子顕微鏡の観察条件の変更が無く、追従性よりも画質改
善効果が期待される場合には、自動的に積分度合が大き
くなるので、追従性と画質の改善効果とを両立させた走
査電子顕微鏡の画像処理装置を提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である画像処理装置のブロッ
ク図、第２図は第１図のフレーム間積分回路のブロック
図、第３図は第２図の機能を説明するための図、第４図
は本発明の第２実施例のフレーム間積分回路のブロック
図、第５図は本発明の第３実施例である画像処理装置の
ブロック図、第６図は第５図のフレーム間積分回路のブ
ロック図、第７図は第６図の機能を説明するための図、
第８図は巡回デジタル積分回路のブロック図である。 １…走査電子顕微鏡、２…制御部、３…試料、４…検出
器、５…A/D変換器、６…フレーム間積分回路、７…フ
レームメモリ、８…D/A変換器、９…モニタ、10…観察
用CRT

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料上で電子線を走査して得られる画像デ
   ータD_tにフレーム間積分を施して画質の改善をはかる走
   査電子顕微鏡の画像処理装置であって、 電子顕微鏡の観察条件を監視する手段と、 観察条件に基づいてフレーム間積分の積分度合を設定す
   る手段と、 フレーム間積分の施された積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１
   を記憶するフレームメモリと、 画像データD_tと積分後画像データ∫Ｄ_ｔ−１との間で、
   前記設定された積分度合でフレーム間積分を行い、積分
   後の画像データを新たな積分後画像データ∫Ｄ_ｔとして
   フレームメモリに記憶させる積分手段と、 積分後画像データ∫Ｄ_ｔを観察像として表示する手段と
   を具備したことを特徴とする走査電子顕微鏡の画像処理
   装置。
2. 【請求項２】画像データD_tの１フレーム単位での変化量
   を検出する手段をさらに具備し、 前記積分度合を設定する手段は、前記画像データD_tの変
   化量および観察条件に基づいて積分度合を設定すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査電子顕微
   鏡の画像処理装置。
3. 【請求項３】前記積分度合を設定する手段は、電子線の
   走査速度が速いほど積分度合を大きくすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の走査電子顕微鏡の画像
   処理装置。
4. 【請求項４】前記積分度合を設定する手段は、拡大倍率
   が高いほど積分度合を大きくすることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の走査電子顕微鏡の画像処理装
   置。