JP3226314B2 - Scanning probe microscope data processor - Google Patents

Scanning probe microscope data processor

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JP3226314B2
JP3226314B2 JP04484492A JP4484492A JP3226314B2 JP 3226314 B2 JP3226314 B2 JP 3226314B2 JP 04484492 A JP04484492 A JP 04484492A JP 4484492 A JP4484492 A JP 4484492A JP 3226314 B2 JP3226314 B2 JP 3226314B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
などの走査型プローブ顕微鏡データ処理装置に係り、特
に、解析精度の向上に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a data processing apparatus for a scanning probe microscope such as a scanning tunnel microscope, and more particularly to an improvement in analysis accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡(STM)
は原子スケールの分解能を持つ顕微鏡として利用が進ん
でいる。また、STMと同等、もしくはそれに近い分解
能を持つ同種の顕微鏡として原子間力顕微鏡(AFM)
や磁気力顕微鏡(MFM)などが知られている。これら
の顕微鏡を総称して、走査型プローブ顕微鏡(SXM)
といい、様々な分野で実用化が進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (STM) has been developed.
Is increasingly used as a microscope with atomic scale resolution. In addition, an atomic force microscope (AFM) is a similar kind of microscope having a resolution similar to or close to that of STM.
And a magnetic force microscope (MFM) are known. These microscopes are collectively referred to as a scanning probe microscope (SXM)
It is being put to practical use in various fields.

【0003】上記STMは、導電性試料と探針との間を
1nm以下に接近させ、両者の間に電圧を印加して試料
表面の凸凹による距離変化をトンネル電流で検出し、z
方向のアクチュエータによって距離一定となるようにフ
ィードバック制御しながら、x,y,z方向に金属探針
を駆動するアクチュエータによって、探針をx,y方向
に数nm〜数十μmの範囲をラスタスキャン駆動して、
このフィードバック信号をx,y走査に同期させて試料
表面の3次元画像化を達成している。
In the above STM, the distance between the conductive sample and the probe is brought close to 1 nm or less, a voltage is applied between the two, and a change in distance due to unevenness of the sample surface is detected by a tunnel current.
While the feedback control is performed so that the distance is constant by the actuator in the direction, the probe is raster-scanned in the x, y direction over a range of several nm to several tens μm by the actuator that drives the metal probe in the x, y, z directions. Drive
This feedback signal is synchronized with x, y scanning to achieve three-dimensional imaging of the sample surface.

【0004】また、上記AFMやMFMに於いても、探
針と試料間の局所的関係を両者の距離に依存した力によ
ってカンチレバーなどに弾性体変位させ、この変位を検
出し、これを上記STM同様フィードバック制御信号と
して用い、前述のSTMと同様に試料の表面特性を3次
元画像化している。
In the above AFM and MFM, the local relationship between the probe and the sample is elastically displaced to a cantilever or the like by a force depending on the distance between the probe and the sample, and this displacement is detected. Similarly, a three-dimensional image of the surface characteristics of the sample is formed in the same manner as in the above-described STM by using the feedback control signal.

【0005】このように走査型プローブ顕微鏡(SX
M)を用いることで、試料表面の原子配列や電荷密度の
分布、磁化分布などを実空間で観察することが可能であ
る。走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡
(AFM)では、シリコンの表面7×7、グラファイト
などの表面原子配列をはじめ、超伝導体の渦糸の配列、
低次元電気伝導体に見られる電荷密度波の構造、あるい
は液晶やLB膜など有機物の分子配列の状態、DNAの
構造が観察されている。また、磁気力顕微鏡(MFM)
では、磁性材料の表面分布や磁区、磁壁の様子、あるい
は磁気記録媒体の記録状態が観察されている。
As described above, the scanning probe microscope (SX)
By using M), the atomic arrangement, charge density distribution, magnetization distribution, and the like on the sample surface can be observed in real space. In a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM), an array of superconducting vortices, including a 7 × 7 silicon surface, a surface atomic array such as graphite,
The structure of a charge density wave observed in a low-dimensional electric conductor, the state of molecular arrangement of an organic substance such as a liquid crystal or an LB film, and the structure of DNA have been observed. Magnetic force microscope (MFM)
In this study, the surface distribution of magnetic material, the state of magnetic domains and domain walls, or the recording state of a magnetic recording medium are observed.

【0006】ところで、試料表面の結晶構造や電荷密度
分布などの原子サイズの構造解析手法としては、従来、
高分解能電子顕微鏡や回折法(電子回折,x線回折)が
知られており、構造解析などに広く用いられている。と
ころが、これらの手法を用いるためには、実験環境を高
真空にしなければならないため、実験の準備が大変であ
り、また、得られる結果が逆空間像であるために、解析
が難しかった。
[0006] By the way, as a method of analyzing the atomic size such as the crystal structure and the charge density distribution of the sample surface, conventionally,
High-resolution electron microscopes and diffraction methods (electron diffraction, x-ray diffraction) are known and widely used for structural analysis and the like. However, in order to use these techniques, the experimental environment must be set to a high vacuum, which makes preparation for the experiment difficult, and the obtained result is an inverse aerial image, which makes analysis difficult.

【0007】また、超伝導体の渦糸や磁性体の磁化分布
などを調べる場合、微粉末を試料表面にまいて光学顕微
鏡で直接観察するビッター法が用いられるが、これは分
解能が光学顕微鏡程度であり、また顕微鏡像以外の情報
を得ることができない。
[0007] When examining the vortex of a superconductor or the magnetization distribution of a magnetic material, a bitter method in which a fine powder is spread on a sample surface and directly observed with an optical microscope is used. And information other than a microscope image cannot be obtained.

【0008】以上のような手法に比べて、走査型プロー
ブ顕微鏡(SXM)は、大気中でも測定が可能で、得ら
れる像が実空間像なので、解釈も用意である。さらに、
画像は、表面の構造のみならず、様々な表面の物理情報
を含んでいる。
[0008] Compared to the above method, the scanning probe microscope (SXM) can be measured even in the atmosphere, and the obtained image is a real space image, so that the interpretation is easy. further,
The image includes various surface physical information as well as the surface structure.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、走査型
プローブ顕微鏡(SXM)で原子配置や電荷密度の分布
など試料表面の構造や状態を観察することは、他の原子
サイズの構造解析手法(高分解能電子顕微鏡や電子線回
折やx線回折などの回折法)と比べて、実験的に容易で
あり、より直接的でもある。また、他の直接的な構造観
察手段に比べて、分解能が高く、構造以外の情報を観察
できるという特徴がある。
As described above, observing the structure and state of the sample surface, such as the arrangement of atoms and the distribution of charge density, using a scanning probe microscope (SXM) is a structural analysis method for other atomic sizes. (Differential methods such as a high-resolution electron microscope and electron beam diffraction and x-ray diffraction) are experimentally easier and more direct. In addition, compared with other direct structure observation means, there is a feature that the resolution is higher and information other than the structure can be observed.

【0010】しかしながら、定量的な解析を行うには、
得られた画像をそのまま用いるのでは不十分なことが多
い。例えば、STMやAFMを用いて、グラファイト表
面の原子配列を観察したとする。これらの走査型プロー
ブ顕微鏡では、実空間の構造を直接観察できるため、図
2の(A)のような画像が得られる。図2の(A)で
は、図3の(B)に示すように原子が蜂の巣状に配列
し、六角形の格子を作っており、6回対称の原子配列の
様子がよくわかる。ところで、図2の(A)に於いて、
原子(格子)の間隔を求めようとすると、図2の(A)
中に図示するように各格子のピーク位置をめのこで決め
て、その位置の間隔をはかって決めなければならない。
この方法では、定量的な精度を上げることはできない。
例えば、図2の(A)中に示す間隔lとmを比較する
と、大きな差が含まれていることがわかる。
However, to perform a quantitative analysis,
It is often insufficient to use the obtained image as it is. For example, assume that the atomic arrangement on the graphite surface is observed using STM or AFM. In these scanning probe microscopes, since the structure in the real space can be directly observed, an image as shown in FIG. 2A is obtained. In FIG. 2A, the atoms are arranged in a honeycomb pattern to form a hexagonal lattice as shown in FIG. 3B, and the state of the six-fold symmetric atomic arrangement can be clearly understood. By the way, in FIG.
When trying to determine the spacing between atoms (lattices), FIG.
As shown in the figure, the peak position of each lattice must be determined with a mushroom, and the distance between the positions must be determined.
This method cannot improve quantitative accuracy.
For example, comparing the intervals l and m shown in FIG. 2A, it can be seen that a large difference is included.

【0011】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、周期構造の周期間隔や方向、構造の対称性などを定
量的に精度良く求めることの可能な走査型プローブ顕微
鏡データ処理装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and provides a scanning probe microscope data processing apparatus capable of quantitatively and accurately obtaining the periodic interval and direction of a periodic structure, the symmetry of the structure, and the like. The purpose is to provide.

【0012】[0012]

【発明が解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡データ処理装置は、
プローブと試料とを相対的に走査することにより、前記
試料から得られる試料データをアレー状ディジタルデー
タとして蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段により蓄積
された前記アレー状ディジタルデータを2次元フーリエ
変換してパワースペクトルを得ると共に、このパワース
ペクトルをゼロ周波が周波数空間の中心となるように並
べ替えるデータ処理手段と、を備える。
To achieve the above object, a scanning probe microscope data processing apparatus of the present invention comprises:
A scanning unit that relatively scans a probe and a sample to accumulate sample data obtained from the sample as array-like digital data; and performs two-dimensional Fourier transform on the array-like digital data accumulated by the accumulation unit. And a data processing means for obtaining a power spectrum by using the power spectrum and rearranging the power spectrum such that the zero frequency is at the center of the frequency space.

【0013】[0013]

【作用】即ち、本発明による走査型プローブ顕微鏡デー
タ処理装置では、データ処理手段によって、アレー状デ
ィジタルデータを2次元フーリエ変換して、パワースペ
クトルを得ると共に、このパワースペクトルをゼロ周波
が周波数空間の中心となるように並べ替えるようにして
いる。
That is, in the scanning probe microscope data processing apparatus according to the present invention, the power spectrum is obtained by performing two-dimensional Fourier transform on the array-like digital data by the data processing means. They are arranged so that they are centered.

【0014】つまり、解析精度を上げるためには、画像
を周波数空間に変換して、そこで解析を行うことが有効
である。そのために、画像の2次元フーリエ変換を行っ
てパワースペクトルを計算する。図2の(A)のような
画像をフーリエ変換したものが、図2の(B)である。
図2の(B)に現れた6個のスペクトル位置は、図2の
(A)の原子配列の周期に対応するものであり、このス
ペクトルの周波数空間の原点位置からの距離が原子配列
の周期の波長つまり格子間隔であるといえる。さらに、
スペクトルのピーク位置の配列(6個の並び方)からグ
ラファイト表面の原子配列が6回の対称性を持つことも
わかる。このように、画像をフーリエ変換して周波数空
間で解析を行うことは、実空間での画像から解析を行う
よりも、より定量精度を上げることができる。
That is, in order to increase the analysis accuracy, it is effective to convert an image into a frequency space and perform analysis there. For this purpose, a power spectrum is calculated by performing a two-dimensional Fourier transform of the image. FIG. 2B shows an image obtained by performing a Fourier transform on the image shown in FIG.
The six spectral positions appearing in FIG. 2B correspond to the period of the atomic arrangement in FIG. 2A, and the distance from the origin position in the frequency space of this spectrum is the period of the atomic arrangement. Can be said to be the wavelength, that is, the lattice spacing. further,
It can also be seen from the arrangement of the peak positions of the spectrum (the arrangement of six) that the atomic arrangement on the graphite surface has six times symmetry. As described above, performing the analysis in the frequency space by performing the Fourier transform on the image can improve the quantitative accuracy more than performing the analysis from the image in the real space.

【0015】[0015]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。 (第1実施例)図1は、本発明の第1実施例に係る走査
型プローブ顕微鏡データ処理装置のブロック構成図であ
る。走査型プローブ顕微鏡(SXM)10に於いては、
探針(プローブ)11は試料12に対向し、xy走査駆
動回路13による試料台14の移動により、x及びy方
向に走査される。この試料台14の移動によって試料表
面を移動する探針11と試料12の間の距離dの変位r
は、探針11に係合された変位検出器15によって検出
され、その検出出力は距離dを一定にするようにz駆動
体16を制御するサーボ回路17に入力される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a block diagram of a scanning probe microscope data processing apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the scanning probe microscope (SXM) 10,
The probe 11 faces the sample 12, and is scanned in the x and y directions by the movement of the sample stage 14 by the xy scanning drive circuit 13. The displacement r of the distance d between the probe 11 and the sample 12 moving on the sample surface by the movement of the sample table 14
Is detected by the displacement detector 15 engaged with the probe 11, and the detection output is input to a servo circuit 17 that controls the z driver 16 so as to keep the distance d constant.

【0016】一般に、サーボ回路17のアナログ出力
は、アナログ/ディジタル(A/D)変換器18を通し
てディジタル信号に変換され、走査範囲を決定するxy
カウンタ20により制御されるラインバッファ19に、
xyカウンタ20の出力と同期して取り込まれる。即
ち、変位検出器15からの検出信号は、ラインバッファ
19内に、ディジタル信号d(i)[但し、i=1,
2,…,I]として、xyカウンタ20の出力タイミン
グiと同期して取り込まれ、ビット列として扱われる。
このようにしてラインバッファ19に取り込まれたディ
ジタル信号列は、走査が終了して1ライン分全部がバッ
ファ19に格納されると、xyカウンタ20の出力タイ
ミングjと同期して、ディジタル信号列f(i,j)と
して画像バッファ21に転送される。例えば、信号f
(100,3)は、3本目の走査ラインで100番目の
ディジタル振幅値であることを示している。また、この
ビット列は、例えば256走査点を表す長さを持つ。
In general, the analog output of the servo circuit 17 is converted into a digital signal through an analog / digital (A / D) converter 18 to determine the scanning range.
In the line buffer 19 controlled by the counter 20,
The data is taken in synchronization with the output of the xy counter 20. That is, the detection signal from the displacement detector 15 is stored in the line buffer 19 as a digital signal d (i) [where i = 1,
2,..., I] in synchronization with the output timing i of the xy counter 20, and treated as a bit string.
When the scanning is completed and the entirety of one line is stored in the buffer 19, the digital signal train fetched into the line buffer 19 in this manner is synchronized with the output timing j of the xy counter 20 so that the digital signal train f The image data is transferred to the image buffer 21 as (i, j). For example, the signal f
(100, 3) indicates that it is the 100th digital amplitude value in the third scanning line. This bit string has a length representing, for example, 256 scanning points.

【0017】SXMのデータは、走査ラインJ本、各走
査ライン毎にI個の走査点のデータが格子状に並んで画
像を形成するものである。画像バッファ21におかれた
データ配列f(i,j)は、選択により、CRT22に
表示したり、ファイル23として保存したり、データ処
理回路24に転送して解析処理演算を行うことができ
る。
The SXM data is data in which J scan lines and data of I scan points are arranged in a grid pattern for each scan line to form an image. The data array f (i, j) placed in the image buffer 21 can be displayed on the CRT 22, stored as a file 23, or transferred to the data processing circuit 24 for analysis processing by selection.

【0018】データ処理回路24は、処理内容の選択を
行う選択切換回路25と、データの加算を行う加算器2
6と、ピークサーチ,フィルタリングを行う演算回路2
7と、高速フーリエ変換(FFT)を行うFFT演算回
路28と、データの並べ替えを行う並べ替え回路29
と、三角関数や対数のテーブルを持ち,入力データのサ
インやコサイン,対数を出力する変換回路30とから構
成されており、これらを組み合わせることで、構造解析
やフィルタリング処理を実行する。
The data processing circuit 24 includes a selection switching circuit 25 for selecting processing contents and an adder 2 for adding data.
6 and an arithmetic circuit 2 for performing peak search and filtering
7, an FFT operation circuit 28 for performing a fast Fourier transform (FFT), and a reordering circuit 29 for reordering data
And a conversion circuit 30 having a table of trigonometric functions and logarithm, and outputting sine, cosine and logarithm of input data, and performing a structural analysis and a filtering process by combining these.

【0019】以下、上記のような構成に於いて、測定デ
ータを画像バッファ21からデータ処理回路24に転送
し、パワースペクトルを計算してCRT22に表示させ
るための手順を説明する。このような処理を実行させる
ためには、以下の手順を順次選択切換回路25で順次選
択しながら実行させるか、あるいは処理の手順を予めプ
ログラミングして自動的に実行するようにしておけば良
い。処理の流れは、図4の(A)に示す通りであり、ま
たこの処理に於けるデータの流れは図4の(B)に示す
通りである。図4の(A)と(B)は、互いの関係を明
瞭とするために、同一の参照符号を付す。
The procedure for transferring the measured data from the image buffer 21 to the data processing circuit 24, calculating the power spectrum, and displaying the measured power spectrum on the CRT 22 will be described below. In order to execute such a process, the following procedure may be executed while being sequentially selected by the sequential selection switching circuit 25, or the procedure of the process may be programmed in advance and automatically executed. The processing flow is as shown in FIG. 4A, and the data flow in this processing is as shown in FIG. 4B. 4A and 4B are denoted by the same reference numerals in order to clarify the relationship therebetween.

【0020】先ず、画像バッファ21にデータがあるか
どうかを見て(ステップST1)、データがなければ、
データの測定、もしくはファイル23からの読み込み処
理を行う(ステップST2)。即ち、測定データもしく
はファイル23に保存されていたデータが、前述の通り
一旦画像バッファ21にディジタル信号列f(i,j)
として取り込まれる。そして、画像バッファ21にデー
タが取り込まれたならば、データの有無を示すデータフ
ラグ(dat)に、データ有りを示す“1”をセット
し、さらにFFT演算回路28の変換処理を指定する選
択フラグ(fflg)に、FFT演算を実行しないこと
を指定する“0”をセットする(ステップST3)。
First, it is determined whether or not there is data in the image buffer 21 (step ST1).
The data is measured or read from the file 23 (step ST2). That is, the measurement data or the data stored in the file 23 is temporarily stored in the image buffer 21 as described above in the digital signal train f (i, j).
Captured as Then, when the data is taken into the image buffer 21, the data flag (dat) indicating the presence or absence of the data is set to "1" indicating the presence of the data, and the selection flag for designating the conversion process of the FFT operation circuit 28 is further set. (Fflg) is set to “0” designating not to execute the FFT operation (step ST3).

【0021】その後、選択切換回路25によるFFT演
算回路28の選択を待ち(ステップST4)、FFT演
算回路28が選択されたならば、上記選択フラグ(ff
lg)にFFT演算を実行することを指定する“1”を
セットする(ステップST5)。そして、画像バッファ
21からFFT演算回路28にデータを転送して、画像
を2次元フーリエ変換する(ステップST6)。
Thereafter, the process waits for the selection of the FFT operation circuit 28 by the selection switching circuit 25 (step ST4). If the FFT operation circuit 28 is selected, the selection flag (ff) is set.
lg) is set to "1" designating execution of the FFT operation (step ST5). Then, the data is transferred from the image buffer 21 to the FFT operation circuit 28, and the image is subjected to a two-dimensional Fourier transform (step ST6).

【0022】即ち、このFFT演算回路28では、画像
関数f(i,j)の2次元フーリエ変換(F) {f(i,j)}=F(u,v) =ΣΣf(i,j)exp{−2πj(ui+vj)} あるいは、逆変換(F-1) {F(u,v)}=f(i,j) =ΣΣF(u,v)exp{2πj(ui+vj)} を、高速フーリエ変換アルゴリズムにより実行する。但
し、これらの式に於いて、i,jはそれぞれx,y軸の
空間座標を、u,vはそれぞれx,y方向の周波数空間
の座標を表している。
That is, in the FFT operation circuit 28, the two-dimensional Fourier transform (F) of the image function f (i, j) {f (i, j)} = F (u, v) = {f (i, j) exp {-2πj (ui + vj)} or inverse transform (F -1 ) {F (u, v)} = f (i, j) = {F (u, v) exp {2πj (ui + vj)} Performed by a conversion algorithm. In these equations, i and j represent the spatial coordinates of the x and y axes, respectively, and u and v represent the coordinates of the frequency space in the x and y directions.

【0023】このように、FFT演算回路28では、フ
ーリエ変換と逆変換を高速に実行することができる。そ
こで、処理の前に、どちらの変換を実行するかを予め指
定する必要があり、上記選択フラグ(fflg)に書き
込んでおく。フラグの内容を fflg= 0: 何も実行しない 1: FFT演算を実行する −1: 逆FFT演算を実行する というように決め、FFT演算回路28はこのフラグの
値を参照しながら演算を実行する。
As described above, the FFT operation circuit 28 can execute the Fourier transform and the inverse transform at high speed. Therefore, before the processing, it is necessary to specify in advance which conversion is to be performed, and the conversion is written in the selection flag (fflg). The contents of the flag are determined as: fflg = 0: No operation is performed, 1: FFT operation is performed, -1: Inverse FFT operation is performed, and the FFT operation circuit 28 executes the operation while referring to the value of this flag. .

【0024】ところで、高速フーリエ変換アルゴリズム
でのフーリエ変換の結果は、図5の(A)の左側に示す
ように、x,y各方向の周波数成分ともそれぞれゼロ周
波から始まり、画素数(ここでは、I,J)の1/2で
規定するナイキスト周波数まで増加し、このナイキスト
周波数で再び低周波へと折り返す。1次元の場合で見て
みると、図5の(B)の左側に示すようになっている。
そこで、並べ替えを行って、図5の(A)及び(B)の
それぞれの右側に示すように、ゼロ周波が周波数空間の
中心となるようにする必要がある。この並べ替えを、並
べ替え回路29で実行する。従って、FFT演算をした
計算結果はすぐに画像バッファ21に戻さずに、ひとま
ずこの並べ替え回路29に転送し、上述のような並べ替
えを実行する。即ち、上記選択フラグ(fflg)に
“0”を書き込んだ後(ステップST7)、データを並
べ替え回路29に転送し、並べ替えを実行する(ステッ
プST8)。
By the way, as shown on the left side of FIG. 5A, the result of the Fourier transform by the fast Fourier transform algorithm is that the frequency components in each of the x and y directions start from the zero frequency and the number of pixels (here, , I, J), and increases to the Nyquist frequency defined by で of this, and returns to the low frequency again at this Nyquist frequency. Looking at the one-dimensional case, it is as shown on the left side of FIG. 5B.
Therefore, it is necessary to perform rearrangement so that the zero frequency becomes the center of the frequency space as shown on the right side of each of FIGS. This rearrangement is executed by the rearrangement circuit 29. Therefore, the calculation result of the FFT operation is not immediately returned to the image buffer 21 but is transferred to the rearrangement circuit 29 for the time being, and the above rearrangement is executed. That is, after "0" is written in the selection flag (fflg) (step ST7), the data is transferred to the rearrangement circuit 29, and the rearrangement is executed (step ST8).

【0025】並べ替え演算終了後は、FFT演算回路2
8を経由して(このとき、FFTは実行しないので、上
記ステップST7で上記選択フラグ(fflg)を
“0”にしておかなければならない)、今度は、変換回
路30に転送して、表示のためにFFT演算の結果のパ
ワースペクトルの対数変換を行う。変換回路30には、
対数値を格納したテーブルが作成してあり、データを入
力するとその対数値を出力する。
After the rearrangement operation, the FFT operation circuit 2
8 (the FFT is not executed at this time, the selection flag (fflg) must be set to “0” in the step ST7), and then transferred to the conversion circuit 30 and displayed. Therefore, logarithmic conversion of the power spectrum resulting from the FFT operation is performed. In the conversion circuit 30,
A table containing logarithmic values is created, and when data is input, the logarithmic value is output.

【0026】対数値を格納したテーブルとは、例えば、
パワースペクトルが2バイトのディジタル信号列である
とすると、32k個のデータ値を表現することができ
る。この32k個のそれぞれのデータ値に対応する対数
値を予めテーブルとして作っておけば(64kバイトの
テーブルになる)、FFT演算の結果のパワースペクト
ルについていちいち計算することなく対数値を得ること
ができる。
The table storing the logarithmic value is, for example,
Assuming that the power spectrum is a 2-byte digital signal sequence, 32k data values can be represented. If a logarithmic value corresponding to each of the 32k data values is prepared in advance as a table (a table of 64 kbytes), a logarithmic value can be obtained without having to calculate the power spectrum as a result of the FFT operation. .

【0027】以上のように、対数変換の終わったデータ
は、再び画像バッファ21に戻されて(ステップST
9)、選択によって(ステップST10)、CRT22
に表示される(ステップST11)。
As described above, the data after the logarithmic conversion is returned to the image buffer 21 again (step ST).
9), upon selection (step ST10), CRT 22
Is displayed (step ST11).

【0028】パワースペクトルのピークの位置は、画像
の中の構造の周期性や対称性を反映していることは前述
した通りである。つまり、図2の(B)の6個のスペク
トルのピーク位置は、図2の(A)のグラファイト原子
の凸凹を表している。
As described above, the position of the peak of the power spectrum reflects the periodicity and symmetry of the structure in the image. In other words, the peak positions of the six spectra in FIG. 2B represent the irregularities of the graphite atoms in FIG.

【0029】(第2実施例)第1実施例で実行したよう
な演算により得られたパワースペクトルには、もとの画
像f(i,j)が周期性を有するような構造であれば、
それを反映するようなピークが現れる。この周波数空間
でのピーク位置と走査範囲との関係から周期構造の間隔
(波長)が、またピーク位置と座標軸との角度から構造
の周期の方位(角度)が求められる。さらに、ピークの
数、相対的な位置関係から周期構造の対称性、構造の相
対的な位置関係がわかる。
(Second Embodiment) The power spectrum obtained by the operation performed in the first embodiment has a structure in which the original image f (i, j) has a periodicity.
A peak that reflects this appears. The interval (wavelength) of the periodic structure is obtained from the relationship between the peak position and the scanning range in this frequency space, and the azimuth (angle) of the period of the structure is obtained from the angle between the peak position and the coordinate axis. Further, the symmetry of the periodic structure and the relative positional relationship of the structure can be understood from the number of peaks and the relative positional relationship.

【0030】ピーク位置と周期間隔の関係は、以下の通
りである。図3の(A)に示すようなスペクトルを考え
るとき、S1,S4のスペクトルは同じ構造を示すスペ
クトルである(つまり、L×exp(−ikx)とL×
exp(ikx)なる、周期と振幅が同じで方向が逆な
2つの波にそれぞれ対応している)。同様に、S2とS
5,S3とS6は同じ構造をあらわしている。S1,S
4のスペクトルの表す構造は、元の画像の走査範囲がL
であるとすると、構造の間隔(波長)がL×lx/Lx
なる周期構造である。さらに、S1なるスペクトルが周
波数空間のx軸に対してθ傾斜していることから、上述
の周期構造は、実空間のx軸に対してθだけ回転してい
ることがわかる。また、スペクトルの数が6個あり、こ
の6個が全て同じ周波数を表し、角度について等間隔に
並んでいることから6回対称であることがわかる。
The relationship between the peak position and the period interval is as follows. Considering the spectrum as shown in FIG. 3A, the spectra of S1 and S4 have the same structure (that is, L × exp (−ikx) and L × exp (−ikx)).
exp (ikx), which correspond to two waves having the same period and amplitude but opposite directions). Similarly, S2 and S
5, S3 and S6 represent the same structure. S1, S
4 shows that the scanning range of the original image is L
If the distance (wavelength) of the structure is L × lx / Lx
Periodic structure. Further, since the spectrum S1 is inclined by θ with respect to the x-axis in the frequency space, it is understood that the above-described periodic structure is rotated by θ with respect to the x-axis in the real space. In addition, there are six spectra, all of which represent the same frequency, and are arranged at equal intervals in angle, indicating that they are symmetric six times.

【0031】以上のように、画像のFFTを実行し、そ
の周波数空間を調べることにより、様々な情報が得られ
ることがわかるが、特に、ピーク位置を正確に調べるこ
とは、画像を定量的に解析する上で重要であるといえ
る。このピーク位置を自動的に検索するのは、以下の手
順で実行すれば良い。処理の手順は、図6の(A)に示
す通りであり、またこの処理に於けるデータの流れは図
6の(B)に示す通りである。図6の(A)と(B)
は、互いの関係を明瞭とするために、同一の参照符号を
付す。
As described above, it can be understood that various information can be obtained by executing the FFT of the image and examining the frequency space. In particular, accurately examining the peak position requires quantitatively analyzing the image. This is important for analysis. The automatic search of the peak position may be executed in the following procedure. The processing procedure is as shown in FIG. 6A, and the data flow in this processing is as shown in FIG. 6B. (A) and (B) of FIG.
Are given the same reference numerals in order to clarify their relationship.

【0032】パワースペクトルの計算までは、前述した
第1実施例と同様に行えばよく、パワースペクトルを求
めたところで(ステップST21)、選択切換回路25
で演算回路27を選択し(ステップST22)、ピーク
サーチを実行する(ステップST23)。この演算は、
スペクトルF(u,v)がピークであるかどうかを判定
するために、F(u,v)を中心とする指定する近傍領
域内での強度比較を行う。このとき、F(u,v)が一
番強度が強ければ、F(u,v)をピークとみなす。演
算の方法は、次の通りである。
The calculation of the power spectrum may be performed in the same manner as in the first embodiment. When the power spectrum is obtained (step ST21), the selection switching circuit 25
Selects the arithmetic circuit 27 (step ST22), and executes a peak search (step ST23). This operation is
In order to determine whether or not the spectrum F (u, v) is a peak, an intensity comparison is performed within a specified neighboring area centered on F (u, v). At this time, if F (u, v) has the highest intensity, F (u, v) is regarded as a peak. The calculation method is as follows.

【0033】即ち、スペクトルF(u,v)(但し、
u,vはそれぞれi,jに対応した周波数空間での座
標。ディジタル画像の場合は、u,vとも正の整数で、
u=1,2,…,I/2;v=1,2,…,J/2)に
ついて近傍領域u±d,v±dの中で強度の比較を実行
する。F(u,v)とF(u−d,v−d),F(u,
v)とF(u−d+1,v−d),…なる比較を演算回
路27のタイミングに合わせて実行していく。途中、F
(u,v)の方が小さければ演算を中止し、そうでなけ
れば演算を続行する。強度比較をF(u+d,v+d)
まで行い、F(u,v)が1番強度が強ければF(u,
v)をピークとみなし、周波数空間での座標(u,v)
をピーク位置を格納するバッファ(図示せず)に格納し
て記憶する。このようにして全てのスペクトルについて
比較演算を行い、ピークの検索を行うことができる。
That is, the spectrum F (u, v) (where,
u and v are coordinates in the frequency space corresponding to i and j, respectively. In the case of a digital image, both u and v are positive integers.
u = 1, 2,..., I / 2; v = 1, 2,..., J / 2). F (u, v) and F (ud, vd), F (u, v)
v) and F (ud + 1, vd),... are executed in synchronization with the timing of the arithmetic circuit 27. On the way, F
If (u, v) is smaller, the operation is stopped; otherwise, the operation is continued. F (u + d, v + d)
If F (u, v) has the highest intensity, F (u, v)
v) is regarded as a peak, and coordinates (u, v) in the frequency space
Is stored in a buffer (not shown) for storing the peak position. In this manner, the comparison operation is performed for all the spectra, and the peak can be searched.

【0034】(u,v)位置での周波数は、lx=(u
2 +v2 1/2 、周波数空間でのx座標との角度はθ=
cos-1(u/v)で与えられる。つまり、これらの値
から周期構造の間隔や角度が求められる。
The frequency at the position (u, v) is lx = (u
Two + V 2 ) 1/2 , The angle with the x coordinate in the frequency space is θ =
cos -1 (u / v). That is, the interval and angle of the periodic structure are obtained from these values.

【0035】演算終了後のデータは、再び画像バッファ
21に戻され(ステップST24)、選択により(ステ
ップST25)、CRT22にパワースペクトルとその
ピーク位置を表示し、必要に応じてピーク位置の周波数
空間での座標や得られた構造の間隔(波長),角度も表
示する(ステップST26)。
The data after the calculation is returned to the image buffer 21 again (step ST24), and the power spectrum and its peak position are displayed on the CRT 22 by selection (step ST25). If necessary, the frequency space of the peak position is displayed. Also, the coordinates (wavelength) and angle of the obtained structure are displayed (step ST26).

【0036】(第3実施例)上記第1実施例及び第2実
施例に於いて、パワースペクトルのピーク位置が鮮明で
ない場合には、さらに、画像の加算を行うことで、ラン
ダムなノイズ成分を低減させ、構造そのものを強調する
ことで、スペクトルのピークを鮮明にすることができ
る。つまり、同じ領域を繰り返し測定しながら画像を加
算していくか、あるいはファイルとしてあった同じ領域
の画像を繰り返し読み込んで加算していけば良い。この
処理の手順は、図7の(A)に示す通りであり、またこ
の処理に於けるデータの流れは図7の(B)に示す通り
である。図7の(A)と(B)は、互いの関係を明瞭と
するために、同一の参照符号を付す。
(Third Embodiment) In the first and second embodiments, when the peak position of the power spectrum is not clear, an image is further added to reduce a random noise component. By reducing and enhancing the structure itself, the peak of the spectrum can be sharpened. That is, the images may be added while repeatedly measuring the same area, or the images of the same area may be repeatedly read and added as a file. The procedure of this processing is as shown in FIG. 7A, and the data flow in this processing is as shown in FIG. 7B. 7A and 7B are given the same reference numerals in order to clarify the relationship therebetween.

【0037】先ず、画像バッファ21にデータがあるか
どうかを見て(ステップST31)、データがなけれ
ば、データの測定、もしくはファイル23からの読み込
み処理を行う(ステップST32)。即ち、測定データ
もしくはファイル23に保存されていたデータが、前述
の通り一旦画像バッファ21にディジタル信号列f
(i,j)として取り込まれる。そして、画像バッファ
21にデータが取り込まれたならば、データの有無を示
すデータフラグ(dat)に、データ有りを示す“1”
をセットする(ステップST33)。
First, it is determined whether or not there is data in the image buffer 21 (step ST31). If there is no data, the data is measured or read from the file 23 is performed (step ST32). That is, the measurement data or the data stored in the file 23 is temporarily stored in the image buffer 21 as described above.
(I, j). Then, when the data is taken into the image buffer 21, the data flag (dat) indicating the presence / absence of data is set to “1” indicating the presence of data.
Is set (step ST33).

【0038】その後、選択切換回路25により加算器2
6を選択して(ステップST34)、データを加算器1
6に転送する。このようにして順次データを転送してデ
ータの加算を行う(ステップST35)。こうして必要
な数の画像を加算したところで、加算演算を中止し、加
算されたデータを再び画像バッファ21にf(i,j)
として戻す(ステップST36)。
Thereafter, the adder 2 is selected by the selection switching circuit 25.
6 (step ST34), and add the data to the adder 1
Transfer to 6. In this way, the data is sequentially transferred and the data is added (step ST35). When the required number of images have been added, the addition operation is stopped, and the added data is again stored in the image buffer 21 as f (i, j).
(Step ST36).

【0039】以上のように、加算の終了したデータf
(i,j)は、上記第1,第2実施例で述べたようなF
FT演算を実行し(ステップST37)、必要な処理を
加える。あるいは、表示を行う場合には(ステップST
38)、CRT22に画像データを表示する(ステップ
ST39)。
As described above, the data f for which addition has been completed
(I, j) is F as described in the first and second embodiments.
An FT operation is performed (step ST37), and necessary processing is added. Alternatively, when performing display (step ST
38), image data is displayed on the CRT 22 (step ST39).

【0040】[0040]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
周期構造の周期間隔や方向、構造の対称性などを定量的
に精度良く求めることの可能な走査型プローブ顕微鏡デ
ータ処理装置を提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to provide a scanning probe microscope data processing apparatus capable of quantitatively and accurately obtaining the periodic interval and direction of the periodic structure, the symmetry of the structure, and the like.

【0041】つまり、画像の2次元フーリエ変換を行う
ことで、そのフーリエ変換スペクトルを計算し、さらに
は、そのパワースペクトルからスペクトルのピーク位置
を自動的に検索することで、周期構造の周期間隔や方
向,構造の対称性などを定量的に求めることが可能にな
り、結晶表面の原子レベルの領域での構造解析が容易に
行えるようになる。
That is, by performing a two-dimensional Fourier transform of an image, its Fourier transform spectrum is calculated, and furthermore, by automatically retrieving the peak position of the spectrum from the power spectrum, the periodic interval of the periodic structure, It is possible to quantitatively determine the direction, the symmetry of the structure, and the like, and it becomes easy to perform a structural analysis in an atomic level region on the crystal surface.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例の走査型プローブ顕微鏡データ処理装置
のブロック構成図である。
FIG. 1 is a block configuration diagram of a scanning probe microscope data processing apparatus according to an embodiment.

【図2】(A)はグラファイト表面の原子配列を観察し
た際に得られる画像を示す図であり、(B)は(A)の
画像をフーリエ変換して得られるスペクトルのピーク位
置を示す図である。
2A is a diagram showing an image obtained when observing an atomic arrangement on a graphite surface, and FIG. 2B is a diagram showing a peak position of a spectrum obtained by performing Fourier transform on the image of FIG. It is.

【図3】(A)は図2の(A)の画像をフーリエ変換し
て得られるスペクトルを示す図であり、(B)はグラフ
ァイト表面の原子配列を模式的に示す図である。
3A is a diagram showing a spectrum obtained by Fourier transforming the image of FIG. 2A, and FIG. 3B is a diagram schematically showing an atomic arrangement on a graphite surface.

【図4】(A)は第1実施例の動作を説明するためのフ
ローチャートであり、(B)はデータの流れを示す図で
ある。
FIG. 4A is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing a data flow.

【図5】(A)はフーリエ変換の結果とその並べ替えの
結果を示す図であり、(B)は1次元の場合で見た際の
フーリエ変換の結果とその並べ替えの結果を示す図であ
る。
5A is a diagram illustrating a result of Fourier transform and a result of rearrangement thereof, and FIG. 5B is a diagram illustrating a result of Fourier transform and a result of rearrangement thereof when viewed in a one-dimensional case; It is.

【図6】(A)は第2実施例の動作を説明するためのフ
ローチャートであり、(B)はデータの流れを示す図で
ある。
FIG. 6A is a flowchart for explaining the operation of the second embodiment, and FIG. 6B is a diagram showing a data flow.

【図7】(A)は第3実施例の動作を説明するためのフ
ローチャートであり、(B)はデータの流れを示す図で
ある。
FIG. 7A is a flowchart for explaining the operation of the third embodiment, and FIG. 7B is a diagram showing a data flow.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…走査型プローブ顕微鏡(SXM)、21…画像バ
ッファ、22…CRT、23…ファイル、24…データ
処理回路、25…選択切換回路、26…加算器、27…
演算回路、28…高速フーリエ変換(FFT)演算回
路、29…並べ替え回路、30…変換回路。
10 Scanning Probe Microscope (SXM), 21 Image Buffer, 22 CRT, 23 File, 24 Data Processing Circuit, 25 Selection Switching Circuit, 26 Adder, 27
Arithmetic circuit, 28: Fast Fourier transform (FFT) arithmetic circuit, 29: Rearrangement circuit, 30: Conversion circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G01N 13/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 7/ 00-7/34 G01B 21/00-21/32 G01N 13/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】プローブと試料とを相対的に走査すること
により、前記試料から得られる試料データをアレー状デ
ィジタルデータとして蓄積する蓄積手段と、 前記蓄積手段により蓄積された前記アレー状ディジタル
データを2次元フーリエ変換してパワースペクトルを得
ると共に、このパワースペクトルをゼロ周波が周波数空
間の中心となるように並べ替えるデータ処理手段と、 を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡デー
タ処理装置。
An accumulating means for accumulating sample data obtained from said sample as array-like digital data by relatively scanning a probe and a sample; and storing said array-like digital data accumulated by said accumulating means. Data processing means for obtaining a power spectrum by performing two-dimensional Fourier transform and rearranging the power spectrum so that the zero frequency becomes the center of the frequency space.
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