JP5742699B2 - 走査型プローブ顕微鏡用データ処理装置 - Google Patents

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、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表示などにより、データ値の分布が可視化される。これにより、ユーザは試料表面の形状やデータ値の分布状況などをおおまかに且つ直感的に把握することができる。また、従来のＳＰＭには、上記２Ｄ表示画像上で任意の２点が指定されると、その２点を結ぶ直線に沿った範囲の高さやデータ値をグラフ表示するような機能も備えられている（非特許文献２など参照）。例えば図５（ａ）に示すような２次元分布画像上で点Ａ、Ｂを指定すると、直線Ａ−Ｂに沿った各位置における高さや同時に得られる位相、表面電位などの他のデータ値の変動を示す１次元グラフ（図５（ｂ））が描出される。これにより、ユーザは任意の一次元範囲における試料表面の高さやデータ値を定量的に把握することが可能である。

一方、得られるデータが３次元分布データである場合、３次元分布データから図６（ａ）に示すような立体的な分布画像（３次元分布３Ｄ表示画像）を作成することが可能であるが、この画像からはユーザが着目する関心領域を見つけることができない。そこでユーザは上記３次元分布３Ｄ表示画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、例えば特異的なデータ分布を示す関心領域を見つける（図６（ｂ））。そして、関心領域が存在する２次元分布画像上で任意の２点Ａ、Ｂを指定し（図６（ｃ））、その２点Ａ、Ｂを結ぶ直線に沿った範囲の高さやデータ値をグラフ表示させる（図６（ｄ））。

また得られるデータが３次元分布データである場合、図６（ｃ）に示したような平面的な２次元分布画像（２Ｄ表示画像）に交差する方向（例えば図６（ｃ）上で紙面に直交するＺ軸方向）の直線に沿った範囲のデータ値をグラフ表示させることもできる。このような２次元分布画像に交差する方向の直線に沿ったデータ値の１次元分布を示すグラフ上で特徴的なデータ値が観測された場合には、そのデータ値が得られる位置を含む２次元分布画像を確認したいようなことがよくある。そうした場合、図６（ｂ）に示すような２次元分布３Ｄ表示画像と１次元グラフとを見比べることで３次元分布３Ｄ表示画像における解析対象である２次元分布画像の位置の見当をつけ、切断平面をその位置に移動するという操作・作業が必要である。こうした操作・作業は面倒で手間が掛かるとともに、効率よく作業を行うには或る程度の熟練が必要である。

また特にＳＰＭによる測定では測定対象であるサンプル表面が傾斜していることもよくあり、関心領域を含む２次元分布画像も図７に示すように傾いた状態となることが多い。こうした場合、３次元分布３Ｄ表示画像と１次元グラフとを見比べても、関心領域が存在する２次元分布画像の位置の見当をつけることは困難であり、所望の２次元分布画像を得るのに余計時間が掛かり、解析効率低下の大きな要因となる。

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 「ＳＰＭだより No.008 フィルム表面の観察例」、株式会社島津製作所、［平成２３年１１月３０日検索］、インターネット ＜URL : http://www.an.shimadzu.co.jp/surface/spm/sol/spm/pdf/spm08.pdf＞

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、３次元空間内の任意の直線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフから関心領域の含まれる２次元分布画像を簡便且つ迅速に得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２次元的及び３次元的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、３次元空間内の任意の直線又は曲線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフを作成して表示する１次元グラフ表示処理手段と、
b)前記１次元グラフ表示処理手段により表示された１次元グラフ上で任意の位置をユーザが選択指示するための関心位置指定手段と、
c)前記所定の物理量の３次元分布データに基づく３次元分布画像を前記関心位置指定手段により指定された位置を含む平面で切断された２次元断面上の各位置のデータ値を示す２次元分布画像を作成して表示する２次元分布画像表示処理手段と、
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において、前記１次元グラフ表示処理手段は例えば、所定の物理量の３次元分布データに基づいて作成・表示される３次元分布画像を３次元空間内の任意の平面で切断した２次元断面である２次元分布画像上でユーザにより任意の点が指定されると、その点を含み該画像と交差する方向に延伸する直線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフを作成・表示する構成とすることができる。

ユーザは表示される１次元グラフを見て着目すべき特徴的なデータ値が存在した場合に、関心位置指定手段によりそのデータ値又はデータ値が得られる位置を選択指示する。例えば、関心位置指定手段はマウス等のポインティングデバイスを含み、ポインティングデバイスで表示された１次元グラフ上の任意の位置をクリック操作することで位置の選択指示を行う構成とすることができる。

２次元分布画像表示処理手段は関心位置指定手段による位置の指定を受けると、その位置を認識し、その位置を含む平面で所定物理量の３次元分布データに基づく３次元分布画像を切断したときの２次元断面上の各位置のデータ値を収集し、そのデータ値から２次元分布画像を作成して表示する。したがって、ユーザは１次元グラフ上で見つけた特徴的なデータ値を示す位置が３次元空間内のどの辺りに存在するのかを何ら意識することなく、その特徴的なデータ値を示す位置を含む２次元分布画像を表示させて目視で確認することができる。

なお、好ましくは、２次元分布画像表示処理手段は、元の（つまり１次元グラフ作成時における）２次元分布画像と平行な２次元分布画像を作成・表示するとよい。これにより、１次元グラフ作成時の２次元分布画像をそのグラフの軸に沿って平行移動した各位置における２次元分布画像を観察することが可能である。

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において、前記２次元分布画像表示処理手段は、前記１次元グラフのデータ値分布に対応した直線を示すオブジェクトを前記２次元分布画像の３Ｄ表示画像上に重畳するとともに、該オブジェクト上に前記位置指定手段により指定された位置を示す構成とすることができる。これにより、ユーザは、１次元グラフ作成時の２次元分布画像の位置と関心位置指定手段により指定された位置に対応した２次元分布画像との位置関係を把握し易くなる。

また、２次元分布画像表示処理手段は、前記１次元グラフのデータ値分布に対応した直線を軸として該データ値分布を示す曲線、即ち１次元グラフ自体を前記２次元分布画像の３Ｄ表示画像上に重畳して表示する構成とするとさらに好ましい。これにより、１次元グラフで示されるデータ値の定量的な変化と２次元分布画像との関係の把握が容易になる。

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、３次元空間内の任意の直線又は曲線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフ上での簡便な操作によって、ユーザが関心のある位置の２次元分布画像を迅速に表示画面上に表示することができる。これにより、ユーザがデータ解析を行う際の手間が軽減され、解析効率の向上を図ることができる。また、作業に不慣れな者であっても迅速に所望の２次元分布画像を確認することができる。

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の手順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。 本実施例のＳＰＭにおける別の画像表示例を示す図。 従来のＳＰＭにおける２次元分布データに基づく画像表示例を示す図。 従来のＳＰＭにおける３次元分布データに基づく画像表示例を示す図。 従来のＳＰＭにおける３次元分布データに基づく画像表示例を示す図。

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４により説明する。図２はこの特徴的な画像表示処理の手順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、図４は別の画像表示例を示す図である。

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（３次元分布３Ｄ表示画像）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として例示しているが、Ｙ−Ｚ平面（又はＸ−Ｚ平面）を切断平面５１としてもよいし、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し２次元分布画像を作成して、図３（ｃ）に示すように２次元分布画像を３次元的に見た状態の２次元分布３Ｄ表示画像、及び、図３（ｄ）に示すように２次元分布画像を平面的に見た状態の２次元分布２Ｄ表示画像を表示する（ステップＳ４）。図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示したこの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図３（ａ）と同じカラースケール（又はグレイスケール）で表されている。

２次元分布３Ｄ表示画像上でユーザがポインティングデバイスにより２次元分布画像５２を移動させたり回転させたりする操作を行うと（ステップＳ５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２次元分布画像が形成される。通常、ユーザは適宜移動、回転させながら様々な位置における２次元分布画像を目視で確認し、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。

関心領域が見つかったならばユーザは、２次元分布画像上の関心領域５３内で着目する、つまり該画像に交差する方向（この例では直交方向）のデータ値分布を確認したい任意の位置（点Ｐａ）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する（ステップＳ６）。この操作を受けた表示処理部３３は、指示された点Ｐａを含み該点Ｐａに直交する方向（この例ではＺ軸方向）の直線を定め、３次元分布データの中からその直線に沿った１次元的なデータ値を収集する。そして、そのデータ値に基づいて図３（ｅ）に示したような１次元グラフ５４を作成して表示する（ステップＳ７）。また、表示処理部３３は並行して、図３（ｆ）に示すように２次元分布３Ｄ表示画像上に上記直線を示すオブジェクト５６を重畳して表示する（ステップＳ８）。この直線のオブジェクト５６を表示することで、ユーザは１次元グラフで示されるデータ分布の領域を把握し易くなる。

ユーザは表示された１次元グラフ等を確認し、データ値の値や変化などから例えば着目するデータ値を示す位置を見つけ、１次元グラフ上でその位置をクリック操作等により指示する（ステップＳ９）。この指示を受け、表示処理部３３はまず１次元グラフ上で指示された位置に対応した３軸上の座標を求める。そして、求めた座標位置を含み上記２次元分布３Ｄ表示画像上の２次元分布画像５２に平行な平面上の、つまりこの例ではＸ軸及びＹ軸を張る２次元断面上の２次元データ値を収集し、収集したデータに基づき新たな２次元分布画像を作成する。そして、図３（ｆ）に示すように、その直前まで２次元分布３Ｄ表示画像に表示されている２次元分布画像５２に代えて、新たに作成した２次元分布画像５５を表示する（ステップＳ１０）。つまり、２次元分布３Ｄ表示画像上で切断平面がＺ軸方向に平行移動した状態の新たな２次元分布画像（図３（ｇ））、及びこれに対応した２次元分布２Ｄ表示画像（図３（ｈ））が作成・表示される。

また、このとき、２次元分布３Ｄ表示画像上に重畳表示されている直線のオブジェクト５６には、そのときに表示している２次元分布画像５５上の点Ｐｂと、元の２次元分布画像５２上の点Ｐａとを表示する。さらにまた、元の２次元分布画像５２の位置も例えば点線や半透明像等により表示する（ステップＳ１１）。これにより、更新前後の２次元分布画像５２、５５の位置関係が把握し易くなる。

前述のように、ＳＰＭにおける３次元データ計測はマイカや二酸化チタンなどを対象とした水和構造の解析、或いはＤＮＡ等の生体分子構造の観察などに利用されており、こうした計測では、３次元的な或る位置の溝などの構造に沿った領域のデータを次々に解析することがよく行われる。こうした際に、上記ステップＳ９〜Ｓ１０において関心のあるグラフデータに沿った位置の画像を直接的に選択できることは観察者の解析作業の負荷軽減となる。

このように、溝など或る構造に沿ってデータを解析する場合には、１次元グラフ上での位置指定による更新後の２次元分布画像が更新前の２次元分布画像に対して平行であることが望ましい。そこで、特に指定がない限りは、更新後の２次元分布画像は更新前の２次元分布画像に対して平行になるようにするとよい。

また、図３（ｅ）に示したような１次元グラフにおいて特徴的なデータ値が見つかったとしても、図７に示したように測定サンプル自体が斜めになっていた場合には、断面をその構造に沿って傾けることで１次元グラフ上にさらに特徴的なデータが現れる可能性がある。そこで、本実施例のＳＰＭでは、１次元グラフを表示した後に、図３（ｄ）で点Ｐａを設定した２次元分布画像をある構造に沿うように回転・移動するべくユーザが操作を行うと、この２次元分布画像の回転・移動に追従して該画像との位置関係を保ったまま１次元グラフを構成するデータの直線状の取得領域も移動する。これにより、１次元グラフ自体が変更されるとともに、３Ｄ表示画像上の直線のオブジェクト５６も移動・回転する。したがって、目的とする２次元分布画像が見つかるまで繰り返し切断位置を回転・移動させ、周辺のデータ構造を容易に観察することができる。

なお、上記説明では、３Ｄ表示画像とは別に表示した１次元グラフ上で着目位置を指定できるようにしたが、図４に示すように、２次元分布３Ｄ表示画像上にデータの取得位置を示す直線のオブジェクト５６を表示する際に１次元グラフ自体も重畳して表示し、この１次元グラフの上で直接的に観察したい２次元分布画像の位置を指定できるようにしてもよい。

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…更新前の２次元分布画像
５３…関心領域
５４…１次元グラフ
５５…更新後の２次元分布画像
５６…直線オブジェクト

Claims (5)

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２次元的及び３次元的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、３次元空間内の任意の直線又は曲線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフを作成して表示する１次元グラフ表示処理手段と、
   b)前記１次元グラフ表示処理手段により表示された１次元グラフ上で任意の位置をユーザが選択指示するための関心位置指定手段と、
   c)前記所定の物理量の３次元分布データに基づく３次元分布画像を前記関心位置指定手段により指定された位置を含む平面で切断された２次元断面上の各位置のデータ値を示す２次元分布画像を作成して表示する２次元分布画像表示処理手段と、
   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、
   前記１次元グラフ表示処理手段は、所定の物理量の３次元分布データに基づいて作成・表示される３次元分布画像を３次元空間内の任意の平面で切断した２次元断面である２次元分布画像上でユーザにより任意の点が指定されると、その点を含み該画像と交差する方向に延伸する直線に沿ったデータ値の分布を示す１次元グラフを作成・表示す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２次元分布画像表示処理手段は、前記関心位置指定手段により指定された位置を含み１次元グラフ作成時の２次元分布画像に平行な２次元分布画像を作成して表示す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。
4. 請求項２又は３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２次元分布画像表示処理手段は、前記１次元グラフのデータ値分布に対応した直線を示すオブジェクトを前記２次元分布画像の３Ｄ表示画像上に重畳するとともに、該オブジェクト上に前記位置指定手段により指定された位置を示す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。
5. 請求項４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２次元分布画像表示処理手段は、前記１次元グラフのデータ値分布に対応した直線を軸として該データ値分布を示す曲線を前記２次元分布画像の３Ｄ表示画像上に重畳して表示す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。