JP2013122431A - 走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体表面近傍空間における３次元力分布等の計測が可能なＳＰＭで得られた３次元データに基づく構造解析に際し、関心領域や異常値の有無等をユーザが視覚的に容易に把握できる表示を行うことで操作性・作業性を向上させる。
【解決手段】３次元空間内の各位置におけるデータ値をカラースケールに従い表示する立体オブジェクト５０に対し、ユーザは確認したい切断平面５１（例えばＸ−Ｙ平面）を適宜移動・回転させて指示する。表示処理部は、平面５１により切断された２次元分布画像５２上に位置する各データ値に基づき、Ｚ軸方向に起伏を有する凹凸像５３を作成し表示する。データの異常値は突出した凹部又は凸部となるため、ユーザは異常値のある部位を容易に視認できる。また、凹凸像５３上でクリック操作により指示された箇所のデータを周囲のデータを用い補正できるようにすることで、異常値の補正等が容易に行える。
【選択図】図３

Description

本発明は、原子間力顕微鏡（以下「ＡＦＭ」と称す）などの走査型プローブ顕微鏡（以下「ＳＰＭ」と称す）により取得されるデータ、より詳しくは各種物理量の３次元分布を示すデータ、を処理して画像表示する走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置に関する。

ＡＦＭを代表とするＳＰＭでは一般に、試料上の所定領域の高さ（凹凸）を計測するとともに、電流、粘弾性、磁気力、表面電位といった物理量の２次元分布データも併せて取得することができる。さらに最近では、固体表面近傍の３次元空間（固液界面空間）における３次元的な力分布など、３次元分布データを取得することができるＳＰＭも開発されており、マイカや二酸化チタンなどの試料表面の水和構造やＤＮＡなどの生体分子構造の観察などに利用されるようになっている（特許文献１、非特許文献１など参照）。

得られるデータが２次元分布データである場合には、２次元平面上の各位置におけるデータ値（例えば静電気力など）を色で表した２Ｄ表示や、試料表面の凹凸像に各位置におけるデータ値の表示色を重ねて表した３Ｄ表示など、情報を可視化することは容易である。また、ユーザがそうした表示画像に基づいて着目する関心領域を見つけたり、取得したデータの中に通常は起こり得ない異常値がある場合にそれを見つけたりするのも容易である。

これに対し、得られるデータが３次元分布データである場合、ユーザが関心領域を探し出すためには３次元分布データに対応した立体像を平面で切断した状態の断面画像を表示する必要がある。このような断面画像は数多く（実質的にはほぼ無数に）存在するから、ユーザは上記立体像から平面的な断面画像を切り出す位置や方向を変えながら、つまりは切断平面を移動させたり回転させたりしながら、様々な断面画像を目視で確認し、特異的なデータ分布を示す部位などを見つけ出すという操作及び作業を行うことになる。

ユーザが構造解析などを効率良く進めるには、関心領域が現れている断面画像を迅速に探し出す必要があるが、データ値が色で示されているような断面画像では、データ値の小さな相違やごく小さな範囲における異常値などを見落とし易いという問題がある。

国際公開第２０１０／０８７１１４号

福間、ほか３名（T. Fukuma, Y. Ueda, S. Yoshioka, H. Asakawa）、 "アトミック-スケール・ディストリビューション・オブ・ウォーター・モレキュルズ・アット・ザ・マイカ-ウォーター・インターフェイス・ビジュアライズド・バイ・スリー・ディメンジョナル・スキャニング・フォース・マイクロスコピー（Atomic-Scale Distribution of Water Molecules at the Mica-Water Interface Visualized by Three-Dimensional Scanning Force Microscopy）"フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett.）、104 (2010) 016101

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、ＳＰＭにより収集される種々の物理量の３次元分布データについて、空間的に任意の位置にある関心領域や異常値発生部位などをユーザが探索する際に、データ値の変動や異常値などの目視上の認識を容易にすることができる走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いて収集された３次元空間内の各位置における所定の物理量を示す３次元分布データに基づいて該物理量の分布を示す画像を作成して表示する走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置において、
a)前記所定の物理量の３次元分布データに基づいてそのデータ値を色情報又は濃淡情報とした３次元分布画像を作成して表示する３次元分布画像表示処理手段と、
b)前記第３次元分布画像表示処理手段により表示される３次元分布画像上で該画像により示される立体オブジェクトを任意の位置で切断する平面をユーザが指定するための断面位置指定手段と、
c)前記断面位置指定手段により指定された平面で切断された２次元断面上の各位置のデータ値を該断面に交差する方向の凹凸として示す凹凸像を作成して表示する凹凸像表示処理手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで「所定の物理量」はＳＰＭにおいて得られる任意の物理量とすることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置では、断面位置指定手段は例えばマウス等のポインティングデバイスであり、３次元分布画像により示される立体オブジェクトを任意の位置で切断する平面を移動させたり回転させたりすることで切断位置を任意に決めることができる。この平面である切断面には該断面上の各位置におけるデータ値が色情報又は濃淡情報で示されるが、凹凸像表示処理手段は各データ値に基づいた凹凸像を作成し、平面状の２次元断面像に代えてこの凹凸像を表示する。このようにデータ値が凹凸で示されることにより、２次元断面上でのデータ値の変化や分布の理解が視覚的に容易になり、ユーザが関心領域を見つけ易くなる。また、分析の不具合などにより正常なデータ値から大きく外れた異常なデータ値が存在した場合にユーザは簡単にこれを見つけることができる。

また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置は、好ましくは、
d)前記凹凸像表示処理手段により表示される凹凸像上で任意の点をユーザが指定するための点指定手段と、
e)前記点指定手段により指定された点に対応するデータ値について、予め決められた若しくはユーザにより選択された処理を実行してデータ値を更新する、又は予め決められた若しくはユーザにより選択された処理により得られたデータ値に置換するデータ値処理手段と、
をさらに備える構成とするとよい。

具体的に、前記データ値処理手段は例えば、前記点指定手段により指定された点に対応するデータ値を、２次元的又は３次元的にその周囲にあるデータ値を用いた補間値に置換するものである構成とすることができる。

一般にＳＰＭで上記のような３次元分布データを収集するのには時間が掛かるため、少数の異常値が見られただけで再測定を実行するのは非効率である。これに対し、上記構成によれば、前述したように、ユーザが凹凸像の観察によって正常なデータ値から大きく外れた異常なデータ値の存在を確認した場合に、ごく簡便な操作で異常データ値を補間等による妥当な値に置き換えることができる。そのため、面倒な再測定を行うことなく、構造解析などに有用な試料表面近傍の情報を得ることが可能となる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置によれば、ユーザが指定した断面上でのデータ値が凹凸で示されるため、ユーザはデータ値の変化や分布を直感的に把握することができ、例えば着目する構造に沿った関心領域や測定不具合等による異常値を容易に見つけることができる。それにより、所定の物理量の３次元分布データを用いた構造や特性の解析が従来に比べて効率良く行えるようになる。

本発明の一実施例であるＳＰＭの概略構成図。 本実施例のＳＰＭにおける特徴的な画像表示処理を示すフローチャート。 本実施例のＳＰＭにおける特徴的な画像表示処理を模式的に示す説明図。 図３に示した立体オブジェクトの切断面とは異なる方向の切断面の例を示す図。 表示される凹凸像の一例を示す図。 表示される凹凸像の他の例を示す図。 凹凸像を含む表示画面の一例を示す図。 凹凸像を含む表示画面の他の例を示す図。

以下、本発明に係るＳＰＭ用データ処理装置について、該データ処理装置を用いたＳＰＭの一実施例を挙げて説明する。

図１は本実施例のＳＰＭの概略構成図である。測定部１０において、観察対象である試料１１は略円筒形状であるスキャナ１３の上に設けられた試料台１２の上に保持される。スキャナ１３は圧電素子を備え、スキャナ駆動部１６から印加される電圧によって試料１１をＸ、Ｙの２軸方向に走査し且つＸ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸方向に微動させる。試料１１の上方には先端に探針１５を有するカンチレバー１４が配置され、カンチレバー１４は図示しない圧電素子を含む励振部により振動される。

カンチレバー１４の上方には、カンチレバー１４の変位を検出するために、レーザ光源１７、レンズ１８、ビームスプリッタ１９、ミラー２０、光検出器２１などを含む変位検出部が設けられている。レーザ光源１７から出射しレンズ１８で集光したレーザ光をビームスプリッタ１９で反射させ、カンチレバー１４の先端付近に照射する。その反射光をミラー２０を介して光検出器２１で検出する。光検出器２１はカンチレバー１４の変位方向（Ｚ軸方向）に複数に分割された受光面を有する。

ＤＦＭモードによる通常観察を行う際には、カンチレバー１４はその共振点付近の周波数ｆでＺ軸方向に振動される。このとき探針１５と試料１１の表面との間に原子間力などによる引力（又は斥力）が作用すると、カンチレバー１４の振動振幅が変化する。カンチレバー１４が上下に変位すると、光検出器２１の複数の受光面に入射する光量の割合が変化する。変位量算出部２２は、その複数の受光面のそれぞれの受光光量に応じた検出信号を演算処理することにより、カンチレバー１４の変位量を算出し制御部３１に入力する。

制御部３１は、カンチレバー１４の変位量をゼロにするように、つまり探針１５と試料１１表面との間の距離が一定になるように、スキャナ１３をＺ軸方向に変位させる電圧値を算出し、スキャナ駆動部１６を介してスキャナ１３をＺ軸方向に微動させる。また、制御部３１は予め決められた走査パターンに従って、試料１１がＸ−Ｙ平面内で探針１５に対して相対移動するようにＸ軸、Ｙ軸方向の電圧値を算出し、スキャナ駆動部１６を介してスキャナ１３をＸ軸及びＹ軸方向に微動させる。Ｚ軸方向のフィードバック量（スキャナ電圧）を反映した信号は制御部３１からデータ処理部３２にも送られ、データ処理部３２はＸ軸、Ｙ軸方向の各位置においてその信号を処理することによって試料表面の凹凸等に対応するデータを計算し、これにより表示処理部３３は３次元画像を形成して表示部３６の画面上に描出する。また、取得されたデータはデータ記憶部３４に格納される。

上記のような試料１１表面の凹凸形状の観察のほか、このＳＰＭではカンチレバー１４をＺ軸方向にも所定範囲で走査し、例えば液中に載置された試料１１表面（試料１１と液体との界面）付近の微小３次元空間における力や電位などの測定も行えるようになっている。こうして得られた３次元分布データも全てデータ記憶部３４に格納される。なお、制御部３１、データ処理部３２、表示処理部３３などはパーソナルコンピュータ３０により具現化され、このコンピュータ３０に予めインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより、上述したようなデータ収集のための動作や後述する画像表示処理などを行うようにすることができる。

次に、本実施例のＳＰＭにおいてデータ処理部３２及び表示処理部３３を中心に実行される特徴的なデータ処理について、図２〜図８により説明する。図２はこの特徴的な画像表示処理を示すフローチャート、図３は画像表示処理を模式的に示す説明図である。

制御部３１の制御の下に、測定部１０は試料１１に対して上述したような微小３次元空間における力などの所定の物理量の測定を行い、該物理量の３次元分布データを取得する。得られたデータはデータ記憶部３４に格納される（ステップＳ１）。ユーザによる入力部３５からの指示を受けて表示処理部３３はデータ記憶部３４から上記データを読み出し、図３（ａ）に示すような、所定物理量の３次元分布を示す立体オブジェクト５０を含む画像を作成して表示部３６の画面上に表示する（ステップＳ２）。なお、図３において様々な態様の塗りつぶしにより示されているスケールは実際にはカラースケール（又はグレイスケール）であり、その表示色（又はグレイスケールの濃淡）により３次元空間内の各位置（点）におけるデータ値が示される。

ユーザは、上述した立体オブジェクト５０を任意の平面で切断したときの断面画像により、着目すべき関心領域を見つけたり或いは異常なデータ値をみつけたりする。そのために、ユーザは入力部３５に含まれるマウス等のポインティングデバイスを用いたドラッグ操作等により、図３（ｂ）に示されるような切断平面５１の位置や方向（角度）を設定する（ステップＳ３）。図３（ｂ）ではＺ軸方向に所定の高さであるＸ−Ｙ平面を切断平面５１を例示しているが、図４（ａ）に示すようにＹ−Ｚ平面（又はＸ−Ｚ平面）を切断平面５１としてもよいし、図４（ｂ）に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸のうちの１軸のみに平行な平面やいずれの軸にも平行でない平面を切断平面５１としてもよい。即ち、この切断平面５１は３次元空間内で任意の状態に設定することができる。

切断平面５１が決まると、表示処理部３３は指定された切断平面５１の位置における２次元分布データを取得する（ステップＳ４）。図３（ｃ）は取得される２次元分布データから形成される２次元分布画像５２のイメージである。この２次元分布画像５２上では、所定物理量、つまり各位置のデータ値はカラースケール（又はグレイスケール）で表されている。

表示処理部３３は、切断平面５１で切断された断面画像である上記２次元分布画像５２上のＸ−Ｙ平面内の各位置のデータ値に基づいて、そのデータ値をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向の凹凸で示した凹凸像を作成する。即ち、Ｚ軸上の任意の位置のＸ−Ｙ平面をデータ値の基準面とし、２次元分布画像５２上の各位置のデータ値を基準面からの高さ（Ｚ軸方向の距離）で表す。これにより、図３（ｃ）に示した平面的な２次元分布画像５２に対し図３（ｄ）中に矢印で示すように凹凸が形成され、図３（ｅ）に示したような凹凸像５３となる。この凹凸像５３上のカラースケールは元の２次元分布画像５２と同じである。そして、図３（ｆ）に示すように、この凹凸像５３を切断平面５１の位置に置いた３次元画像を表示部３６の画面上に表示する（ステップＳ５）。

凹凸像５３はデータ値が単にカラースケールやグレイスケールで示されているのみならず値の大小に応じた凹凸で示されるため、ユーザは２次元断面上のデータ値の変化や分布、或いは特異的な状態を直感的に認識することができる。図５及び図６はいずれも、実際に試料から収集した所定物理量の３次元分布データに基づいて作成された凹凸像の表示例である。図６は３次元分布データ中に異常値が含まれている例であり、図６に示すように、多くの場合、異常値はその周囲とは異なる極端な凹部（又は凸部）として現れるので、凹凸像から異常値が存在する位置とその程度との視認が容易に行える。また、図５中に記載したように、Ｘ−Ｙ平面内の特徴的な構造を持つある点におけるＺ軸方向（垂直方向）のデータ値などを解析する場合に、平面的な断面画像ではなく凹凸像を表示することで、例えば周辺と比較して値が高い部分は鋭い凸型になるなど、特徴が強調されるため、関心領域の視認が容易になる。

上記ステップＳ３が実行された後、ステップＳ４、Ｓ５の処理はきわめて迅速に実行されるから、実質的には、図３（ｆ）に示した切断平面５１に対応した凹凸像５３が表示部３６の画面上に表示された状態でユーザがその凹凸像５３をポインティングデバイスにより移動させたり回転させたりする操作を行うと（ステップＳ６でＹｅｓ）、その操作に連動して移動後・回転後の切断平面５１の位置に新たな凹凸像５３が形成される。即ち、ユーザの操作感としては、凹凸像自体を移動させたり回転させたりして、任意の位置の切断平面５１に対応した凹凸像を観察することが可能である。通常、ユーザはこのような凹凸像を適宜移動、回転させながら様々な位置における凹凸像を目視で確認し、データが正しく取得できているか否かを確認する。また、同時にユーザは構造解析に有用である特徴的な関心領域を見つける。

例えば図６に示したように一部データに明らかな異常値が見られる場合、これは測定上の不具合や外乱などの影響である可能性が高い。そうした明らかな異常が見られる場合に再測定を実行してもよいが、ＳＰＭによる３次元データ収集には時間が掛かるため、異常値をデータ補間等の処理により求まる妥当な値で置き換えてしまうほうが効率的である。そこで、本実施例のＳＰＭには、図３（ｆ）に示したような凹凸像５３上の任意の位置にあるデータ値を周囲のデータ値等から求まる補間値で置き換える機能が備えられている。

即ち、ユーザが凹凸像５３上の任意の位置をポインティングデバイスによるクリック操作等により指示した上でデータ補間処理を選択すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、この操作を受けたデータ処理部３２は、指示されたデータに対応する２次元分布画像５２上の位置の周囲の複数のデータ値を収集する。そして、それらデータ値の平均を計算する等により、上記指示されたデータに対応する位置における妥当な値を求め、異常値をその妥当な値で置き換えることでデータ補間を実施する（ステップＳ８）。そして、表示処理部３３は補間されたデータを含む凹凸像に表示を更新する（ステップＳ９）。また、ステップＳ７では、或る１点のみを指示するのではなく、所定の範囲を指示するようにすることもできる。この場合には、指示された範囲に含まれる各位置におけるデータ値が全て補間される。

もちろん、多数の異常値がある場合には測定自体の信頼性が乏しいから、ユーザの判断により、再測定を実行することが好ましい。以上のようにして、様々な位置の凹凸像を観察することでデータが正しく取得されていることを確認し且つ関心領域が見いだされたならば、ユーザはその関心領域を含む凹凸像から、関心領域周辺の構造等を解析する。

図７、図８はいずれも実際の試料表面近傍の測定結果に基づく表示例であり、表示画面６０中には、３次元的な凹凸像５３を表示する凹凸像表示欄６１と、２次元分布画像５２を平面的に表示する断面画像表示欄６２と、凹凸像５３上又は２次元分布画像５２上に設定された直線状又は曲線状の観察区間６２ａにおけるデータ値の１次元グラフ表示欄６３と、が配置されている。図７は図６に示した、一部データに異常値がある場合の表示例である。ユーザが入力部３５を操作し、凹凸像表示欄６１に描画された凹凸像５３上に重畳して表示されるカーソル６１ａを移動させて異常値をクリック操作すると、プルダウンメニューとして補正メニュー６１ｂが表示される。図示しないが、補正メニュー６１ｂには複数の異なるデータ補間法などの選択肢が用意されており、その選択肢の一つを選択指示すると前述のようにその選択肢に対応した処理が実施され、異常値が妥当な値に置き換えられる。

なお、異常値が複数個所に存在する場合には、一つの画像だけでは異常値が重なって適切に指示できない場合もある。そこで、入力部３５により異常値を複数指示することができるように、同じ凹凸像を異なる方向（角度）から見た複数の画像を同時に又は簡便に選択可能に表示するようにしてもよい。

図８は、試料上の溝部など、或る特徴的な構造に沿った範囲のデータ値を解析する際の例である。こうした解析は、前述したマイカや二酸化チタンなどの水和構造の解析、或いはＤＮＡなどの生体分子構造の観察などでよく行われる。溝部などに沿った解析では図８中に点線Ｅ１、Ｅ２で示したようなデータの稜線部を指定してデータ値の１次元グラフを観察したい場合があるが、断面画像表示欄６２に表示される２次元分布画像ではデータ値の起伏を色（グレイスケールの場合には濃淡）のみで判別する必要があり稜線部を見つけるのが困難である。これに対し、凹凸像表示欄６１に表示される凹凸像を見ればデータ値の起伏が一目で分かるため、点線Ｅ１、Ｅ２で示される稜線部の判別が容易である。

以上のように、本実施例のＳＰＭでは、試料表面付近の所定物理量の３次元分布を示す立体オブジェクトを任意の平面で切断したときの断面画像を平面的なカラー画像（又はグレイスケール画像）で表示するのではなく、その断面の各位置におけるデータ値を立体化した凹凸像で表示するようにしたので、ユーザはデータ値の起伏を一目で把握することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

１０…測定部
１１…試料
１２…試料台
１３…スキャナ
１４…カンチレバー
１５…探針
１６…スキャナ駆動部
１７…レーザ光源
１８…レンズ
１９…ビームスプリッタ
２０…ミラー
２１…光検出器
２２…変位量算出部
３０…パーソナルコンピュータ
３１…制御部
３２…データ処理部
３３…表示処理部
３４…データ記憶部
３５…入力部
３６…表示部
５０…立体オブジェクト
５１…切断平面
５２…２次元分布画像
５３…凹凸像
６０…表示画面
６１…凹凸像表示欄
６１ａ…カーソル
６１ｂ…補正メニュー
６２…断面画像表示欄
６２ａ…観察区間
６３…１次元グラフ表示欄

Claims (3)

1. 走査型プローブ顕微鏡を用いて収集された３次元空間内の各位置における所定の物理量を示す３次元分布データに基づいて該物理量の分布を示す画像を作成して表示する走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置において、
   a)前記所定の物理量の３次元分布データに基づいてそのデータ値を色情報又は濃淡情報とした３次元分布画像を作成して表示する３次元分布画像表示処理手段と、
   b)前記第３次元分布画像表示処理手段により表示される３次元分布画像上で該画像により示される立体オブジェクトを任意の位置で切断する平面をユーザが指定するための断面位置指定手段と、
   c)前記断面位置指定手段により指定された平面で切断された２次元断面上の各位置のデータ値を該断面に交差する方向の凹凸として示す凹凸像を作成して表示する凹凸像表示処理手段と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置。
2. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置であって、
   d)前記凹凸像表示処理手段により表示される凹凸像上で任意の点をユーザが指定するための点指定手段と、
   e)前記点指定手段により指定された点に対応するデータ値について、予め決められた若しくはユーザにより選択された処理を実行してデータ値を更新する、又は予め決められた若しくはユーザにより選択された処理により得られたデータ値に置換するデータ値処理手段と、
   をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置。
3. 請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置であって、
   前記データ値処理手段は、前記点指定手段により指定された点に対応するデータ値を、２次元的又は３次元的にその周囲にあるデータ値を用いた補間値に置換するものであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置。