JP6551198B2 - 元素識別装置、元素識別プログラムおよび元素識別方法 - Google Patents

Description

本発明は、元素識別装置、元素識別プログラムおよび元素識別方法に関し、例えば、走査透過型電子顕微鏡像から元素を識別する元素識別装置、元素識別プログラムおよび元素識別方法に関する。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）法は、例えば材料の原子レベルでの構造解析や組成解析を行なうときに用いられる。透過型電子顕微鏡法に、電子高エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ：Electron Energy- Loss Spectroscopy）法またはエネルギー分散Ｘ線分光（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）法を併用することで、原子レベルの元素識別が可能となっている（例えば、特許文献１および２）。

特開２００１−１２４７０９号公報 特開２００１−１５３８２０号公報

ＴＥＭ法とＥＥＬＳ法またはＥＤＸ法とを併用する方法では、原子ごとに分析を行なう。このため、画像撮影時間が長くなる。これにより、例えば試料のドリフトまたは電子線照射によるダメージが生じる。

本元素識別装置、元素識別プログラムおよび元素識別方法は、短時間で元素識別を可能とすることを目的とする。

走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換える演算部と、前記演算部が前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別する元素識別部と、を具備することを特徴とする元素識別装置を用いる。

コンピュータに、走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別プログラムを用いる。

コンピュータに実行させる元素識別方法であって、走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別方法を用いる。

本元素識別装置、元素識別プログラムおよび元素識別方法によれば、短時間で元素識別を可能とすることができる。

図１は、実施例１における元素識別装置が用いられるシステムを示すブロック図である。 図２は、実施例１において用いる電子顕微鏡の模式図である。 図３は、実施例１に係る元素識別装置として機能するコンピュータのブロック図である。 図４は、実施例１に係る元素識別装置の機能ブロック図である。 図５は、実施例１におけるコンピュータが行なう処理を示すフローチャートである。 図６は、実施例１における元素識別処理を示すフローチャートである。 図７は、電子顕微鏡像の例を示す図である。 図８は、図７の信号強度のヒストグラムである。 図９は、図７の領域Ａのピーク抽出像を示す図である。 図１０は、抽出したピーク強度のヒストグラムである。 図１１は、図１０のヒストグラムにおいて識別困難な範囲を示す図である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、図７の電子顕微鏡像に対応する原子位置を示す図である。 図１３（ａ）から図１３（ｄ）は、各グループに含まれる原子位置を示す図（その１）である。 図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、各グループに含まれる原子位置を示す図（その２）である。 図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、元素識別処理における電子顕微鏡像に対応する原子位置を示す図（その１）である。 図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、元素識別処理における電子顕微鏡像に対応する原子位置を示す図（その２）である。

図面を参照し、実施例について説明する。

図１は、実施例１における元素識別装置が用いられるシステムを示すブロック図である。図１に示すように、システムは、元素識別装置３０、電子顕微鏡３２、像入力装置３４および画像出力装置３６を備えている。元素識別装置３０は、例えばコンピュータである。電子顕微鏡３２は、走査透過型電子顕微鏡である。像入力装置３４は、例えばコンピュータ等である。画像出力装置３６は、例えば液晶表示装置等の表示装置、プリンタ等の印刷装置、またはこれらを有するコンピュータである。

電子顕微鏡３２は、原子レベルの電子顕微鏡像を撮影し、元素識別装置３０に電子顕微鏡像を出力する。像入力装置３４は、電子顕微鏡３２が過去に撮影した電子顕微鏡像を元素識別装置３０に出力する。電子顕微鏡３２および像入力装置３４の少なくとも一方が設けられていればよい。元素識別装置３０は、電子顕微鏡像内の元素を識別し、元素識別画像を画像出力装置３６に出力する。画像出力装置３６は、元素識別画像を表示する。元素識別装置３０と、電子顕微鏡３２、像入力装置３４および画像出力装置３６とは、例えばインターネット等で接続されていてもよい。元素識別装置３０と、電子顕微鏡３２、像入力装置３４および画像出力装置３６と、の画像等の入出力は可搬型記憶媒体を用いて行なってもよい。

図２は、実施例１において用いる電子顕微鏡の模式図である。図２に示すように、電子顕微鏡３２内に試料４０が設けられている。試料４０の上面に電子線４１が照射される。電子線４１は、試料４０の上面において原子レベルまで収束されている。電子線４１は、試料４０の上面を走査される。試料４０を透過した電子は、高角度に散乱される電子４３と低角度に散乱される電子４５とに分類される。高角度に散乱される電子４３は、試料４０内で熱散漫散乱された電子である。低角度に散乱される電子４５は、試料４０内で電子に弾性散乱された電子である。環状の暗視野検出器４２は、電子４３を検出する。円状の明視野検出器４４は電子４５を検出する。

走査された電子線４１の位置に応じ暗視野検出器４２および明視野検出器４４が出力する信号強度を像として形成する。暗視野検出器４２が出力した信号強度の像が暗視野像であり、ＨＡＡＤＦ（High-angle Annular Dark Field） ＳＴＥＭ像と呼ばれる。明視野検出器４４が出力した信号強度の像が明視野像であり、ＨＡＢＦ（High-angle Bright Field） ＳＴＥＭ像と呼ばれる。ＨＡＡＤＦ ＳＴＥＭ像の明暗を反転するとほぼＨＡＢＦ ＳＴＥＭ像となる。ＨＡＡＤＦ ＳＴＥＭ像における原子位置の信号強度は主に原子番号に由来する。すなわち、信号強度は原子番号が大きいほど大きくなる。実施例１では、ＨＡＡＤＦ ＳＴＥＭ像を用いる。

図３は、実施例１に係る元素識別装置として機能するコンピュータのブロック図である。コンピュータ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、表示装置１２、入力装置１３、出力装置１４、記憶装置１５、記憶媒体用ドライブ１６、通信インターフェース１７および内部バス１８を備えている。表示装置１２は、例えば液晶パネル等の表示パネルを含み、コマンドまたはデータ等を表示する。入力装置１３は、例えばキーボード、マウスおよびタッチパネル等であり、コマンドまたはデータ等を入力する。出力装置１４は、例えばプリンタであり、コマンドまたはデータ等を出力する。記憶装置１５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリ、またはフラッシュメモリもしくはハードディスク等の不揮発性メモリであり、プログラム、処理中または処理後のデータを記憶する。記憶媒体用ドライブ１６は、記憶媒体１９に格納されたプログラムをインストールする際に用いる。また、記憶媒体用ドライブ１６は、電子顕微鏡像を記憶媒体１９から取得する、または元素識別画像を記憶媒体１９に記憶させる。通信インターフェース１７は、電子顕微鏡３２または像入力装置３４から電子顕微鏡像データを取得する。また、通信インターフェース１７は、画像出力装置３６に元素識別画像を出力する。内部バス１８は、コンピュータ１０内の各装置を接続する。

プログラムを格納するコンピュータ１０が読み取り可能な記憶媒体１９として可搬型記憶媒体を用いることができる。可搬型記憶媒体としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）ディスク、ＤＶＤ（Digital Video Disc）ディスク、ブルーレイディスクまたはＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等を用いることができる。記憶媒体１９として、フラッシュメモリまたはＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を用いてもよい。

図４は、実施例１に係る元素識別装置の機能ブロック図である。コンピュータ１０は、図３に図示した各部材とソフトウエアとの協働により図４のように機能する。像取得部２０は、電子顕微鏡３２または像入力装置３４から電子顕微鏡像を取得する。演算部２２は、電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき、原子位置のグループ分けを行なう。詳細は後述する。元素識別部２４は、分けられた複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別する。詳細は後述する。画像生成部２６は、元素の識別結果に基づき元素識別画像を生成し、出力する。

図５は、実施例１におけるコンピュータが行なう処理を示すフローチャートである。図６は、実施例１における元素識別処理を示すフローチャートである。図５に示すように、像取得部２０は、電子顕微鏡３２または像入力装置３４から電子顕微鏡像を取得する（ステップＳ１０）。例えば、ＣＰＵ１１は、通信インターフェース１７を介し電子顕微鏡像を取得する。演算部２２は、電子顕微鏡像からピーク抽出像を演算する（ステップＳ１２）。演算部２２は、ピーク強度のヒストグラムを演算する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１０からＳ１４の処理について、図７から図１０を用い説明する。図７は、電子顕微鏡像の例を示す図であり、ＳｒＴｉＯ_３上にＬａＣｏＯ_３を成長させた試料の断面の暗視野画像（すなわちＨＡＡＤＦ ＳＴＥＭ像）である。図７に示すように、ドメイン５６と５８の境界５５を挟んで、左側がＳｒＴｉＯ_３（チタン酸ストロンチウム）のドメイン５６であり、右側がＬａＣｏＯ_３（コバルト酸タンタル）のドメイン５８である。原子像の明るさ（信号強度）は、元素の原子番号に依存する。

図８は、図７の信号強度のヒストグラムであり、信号強度（任意座標）に対する電子顕微鏡像内のピクセル（画素）数を示す。図８に示すように、ヒストグラムには２つのピークが存在する。図８の中には、Ｔｉ（チタン）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｃｏ（コバルト）およびＬａ（ランタン）の４つの元素の信号が含まれる。しかし、図８のヒストグラムから各元素に分離することは難しい。これは、図７には、原子の中心位置以外にも信号が存在するためである。

そこで、ステップＳ１４において、図７の電子顕微鏡像から各原子の信号強度がピークとなるピクセルを抽出してピーク抽出画像とする。図９は、図７の領域Ａのピーク抽出像を示す図である。図９に示すように、各原子（ＴｉおよびＳｒ）におけるピークの信号のピクセルのみが白くなっている。すなわち、各原子（ＴｉおよびＳｒ）におけるピークの信号のピクセルのみが抽出されている。電子顕微鏡像内における抽出されたピクセルの位置を原子位置とし、抽出されたピクセルの信号強度を信号強度がピークとなる強度（すなわちピーク強度）とする。実施例１では、各原子において、最も信号強度の大きいピクセルを抽出している。例えば、各原子において信号強度をガウス分布となると仮定してフィッティングすることで、原子位置とピーク強度を演算してもよい。

図１０は、抽出したピーク強度のヒストグラムであり、ピーク強度（任意座標）に対するピーク抽出像のピクセル数を示す。図１０に示すように、ヒストグラムには３つのピークが存在する。ピーク強度の小さいピークはＴｉに対応し、ピーク強度の大きいピークはＬａに相当する。しかし、ＳｒとＣｏのピーク強度のピークは重なっており分離できていない。

図５に戻り、元素識別部２４は、ピーク強度のヒストグラムに基づき、各原子の元素を識別する（ステップＳ１６）。例えば、図１０において、３つのピークを各元素と識別する。例えば、最もピーク強度が小さいピークを、原子番号の最も小さいＴｉと識別する。最もピーク強度が大きいピークを、最も原子番号の大きなＬａと識別する。これにより、図１０のグループ５１に含まれる原子位置をＴｉ、グループ５３に含まれる原子位置をＬａと識別する。

図５に戻り、演算部２２は、識別困難なピークがあるか判定する（ステップＳ１８）。例えば、図１０のように、演算部２２は、構成する元素数とピーク強度のヒストグラムにおけるピーク数が異なる場合、識別困難と判定する。ＮｏのときステップＳ２４に進む。Ｙｅｓのとき、演算部２２は、識別困難な範囲を設定する（ステップＳ２０）。図１１は、図１０のヒストグラムにおいて識別困難な範囲を示す図である。図１１に示すように、ヒストグラムは図１０と同じである。範囲５０は、ＳｒとＣｏのピーク強度が重なっており、ヒストグラムから元素の識別が困難な範囲である。そこで、演算部２２は、範囲５０を識別困難範囲と設定する。

図５に戻り、演算部２２は、元素識別処理を行なう（ステップＳ２２）。図６に示すように、演算部２２は、識別困難範囲を複数のグループに分割する（ステップＳ３０）。図１１のように、範囲５０を互いに重ならず、かつ隣接する２つのグループ５２と５４に分割する。

図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、図７の電子顕微鏡像に対応する原子位置を示す図であり、それぞれ、図１１に示す範囲５０、グループ５２および５４に含まれるピーク強度を有するピクセルの原子位置を示す図である。図１２（ａ）に示すように、範囲５０に含まれるピーク強度を有するピクセルの原子位置は全体に分布しており、ＳｒとＣｏが識別されていない。図１２（ｂ）に示すように、グループ５２に含まれるピーク強度の小さい原子位置は主にドメイン５６に位置するが、ドメイン５８に位置するものもある。図１２（ｃ）に示すように、グループ５４に含まれるピーク強度の大きい原子位置はドメイン５８に位置するが、ドメイン５８に原子位置が表示されていない領域もある。このように、範囲５０をグループ５２と５４に分割しただけでは、元素の識別ができていないことがわかる。

図６に戻り、演算部２２は、各グループ５２、５４において、原子位置をすべて通る一筆書きの最短距離のルートを演算する（ステップＳ３２）。この問題は巡回セールスマン問題と呼ばれ、さまざまな解法が知られている。実施例１ではやきなまし（シュミレーテッドアニーリング）法を用いる。演算部２２は、ルート上において隣接する原子位置の間隔が最近接原子間距離より長い箇所が存在するか判定する（ステップＳ３４）。Ｎｏのとき終了する。Ｙｅｓのとき、演算部２２は、最近接原子間距離より長い原子位置を他グループに移動させる（ステップＳ３６）。

演算部２２は、ルート上において隣接する原子位置間距離が一定の距離より長い経路で挟まれた原子位置がないか判定する（ステップＳ３８）。一定の距離は、例えば最近接原子間距離の２倍とする。ＮｏのときステップＳ４２に進む。Ｙｅｓのとき、演算部２２は、この経路に挟まれた原子位置をすべて他のグループに移動する（ステップＳ４０）。演算部２２は、２つ前の原子位置の配置と同じか判定する（ステップＳ４２）。Ｙｅｓのとき終了する。ＮｏのときステップＳ３２に戻る。

まず、ステップＳ３８およびＳ４０を除くフローについて、説明する。図１３（ａ）から図１４（ｃ）は、各グループに含まれる原子位置を示す図である。図１３（ａ）は、例えば図１１の範囲５０に含まれる原子位置を模式的に示している。図１３（ｂ）から図１４（ｃ）は、グループ５２および５４に含まれる原子位置を模式的に示している。ドメイン５６および５８は未知の場合もあるが、元素６２はドメイン５６に含まれ、元素６４はドメイン５８に含まれているとする。境界５５はドメイン５６と５８の境界である。

図１３（ａ）に示すように、ドメイン５６に元素６２が６個配列され、ドメイン５８に元素６４が６個配列されている。範囲５０に含まれる原子位置では、元素６２および６４が分類されていないことがわかる。図１３（ｂ）に示すように、ステップＳ３０において範囲５０を２つのグループ５２および５４に分割する。原子位置６４ａはグループ５２に含まれており、ドメイン５６および５８と完全には分類されていない。図１３（ｃ）に示すように、ステップＳ３２において各グループ５２および５４において巡回セールスマン問題を解き、原子位置をすべて通る一筆書きで最短距離のルート６３および６５を演算する。

図１３（ｄ）に示すように、ステップＳ３４においてルート６３および６５上に隣接する原子位置間距離が最近接原子間距離より長い経路６３ａおよび６５ａが存在する。経路６３ａおよび６５ａは、同じドメイン５６および５８内の隣接する原子位置間を接続する経路としては不自然である。この場合、経路６３ａおよび６５ａが接続する原子位置６４ａおよび６４ｂ（丸で囲んだ原子位置）は本来のグループに属していない可能性がある。原子位置６４ａのように、１つの原子位置が経路６３ａに挟まれているとき、挟まれた原子位置６４ａを抽出する。経路６５ａのように、経路６５ａが単独で存在するとき、ルート６５の走査方向により経路６５ａの両端のいずれか一方を原子位置６４ｂとして抽出する。

図１４（ａ）に示すように、ステップＳ３６において、原子位置６４ａをグループ５４に移動し、原子位置６４ｂをグループ５２に移動する。原子位置６４ｂは、グループ５２に移動しなくてもよい原子位置である。しかし、図１３（ｄ）において、グループ５４に原子位置６４ａが抜けていたため、経路６５ａが抽出され、結果的に原子位置６４ｂがグループ５２に移動している。図１４（ｂ）に示すように、ステップＳ３２に戻り、原子位置をすべて通る一筆書きで最短距離のルート６３および６５を演算する。ステップＳ３４においてルート６３上に隣接する原子位置間距離が最近接原子間距離より長い経路６３ａが存在する。グループ５４では長い経路は存在しない。図１４（ｃ）において、長い経路６３ａに接続する原子位置６４ｂをグループ５４に移動する。これにより、ドメイン５６および５８にそれぞれ元素６２および６４を分類できる。ステップＳ４２において、この後、同じ演算を繰り返しても同じ結果となるため、演算を終了する。このように、ステップＳ３０からＳ３６を繰り返すことにより、元素の識別が可能となる。

図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に対し、ステップＳ３２からＳ４２を繰り返した演算例を説明する。図１５（ａ）から図１６（ｂ）は、元素識別処理における電子顕微鏡像に対応する原子位置を示す図である。各図において左側がグループ５２、右側がグループ５４に対応する。各グループ５２および５４内の左側がドメイン５６に相当し、右側がドメイン５８に相当する。実際の演算ではドメイン５６および５８は未知であることもあるが、わかりやすくするためドメイン５６および５８を用いて説明する。

図１５（ａ）は、図１２（ａ）および図１２（ｂ）の原子位置について巡回セールスマン問題を解いた結果である。グループ５２および５４についてルート６３および６５が設定されている。グループ５２では、ドメイン５８内にルート６３上の原子位置が多く残っている。グループ５４では、ドメイン５６内にルート６５上の原子位置が残っている。図１５（ｂ）は、ステップＳ３２からＳ４２を１０回繰り返した結果である。グループ５４では、ドメイン５６内にルート６５上の原子位置は境界５５付近以外存在しない。しかし、グループ５２ではドメイン５８内にルート６３上の原子位置が多数残っている。

図１６（ａ）は、ステップＳ３２からＳ４２を５０回繰り返した結果である。グループ５２では、ドメイン５８内にルート６３上の原子位置のブロック６７が存在する。ブロック６７のルート６３上の両端は経路６３ｂを介しドメイン５６に接続されている。経路６３ｂは、ルート６３上の隣接する原子位置間距離が最近接原子間距離の２倍より長い。このような経路６３ｂに挟まれたブロック６７は、ドメイン５６と同じドメインに属するには不自然である。ステップＳ３８において演算部２２はＹｅｓと判定する。ステップＳ４０において、演算部２２は、経路６３ｂで挟まれたブロック６７をグループ５４に移動する。

図１６（ｂ）に示すように、ブロック６７をグル−プ５４に移動すると、グループ５２および５４はドメイン５６および５８の原子位置に分類される。この後、ステップＳ３２からＳ４２を繰り返しても結果は変わらず収束する。よって、ステップＳ４２において演算部２２はＹｅｓと判定する。収束した後も２つの配置を繰り返すことがある。このため、ステップＳ４２では、ステップＳ３２からＳ４２のループにおける２回前の原子位置の配置から変化していないかを判定することにより、収束したか否かを判定している。

図６に戻り、ステップＳ４２において演算部２２がＹｅｓと判定したとき、終了し、図５のステップＳ２４に進む。元素識別部２４は、グループ５２および５４ごとに元素を識別し、元素識別画像を生成する。その後、元素識別画像を画像出力装置３６に出力する（ステップＳ２４）。例えば、グループ５２内の原子位置をＳｒと識別し、グループ５４内の原子位置をＣｏと判定する。ステップＳ１６において識別したＴｉおよびＬａの原子位置を合わせ、電子顕微鏡に対応する元素識別画像を生成する。例えば、元素識別画像は電子顕微鏡像の原子像に元素の種類に応じ色をつけた画像である。また、元素識別画像は電子顕微鏡像内の特定の元素のみの原子像を表示した画像でもよい。例えば元素識別画像として、それぞれＴｉ、Ｓｒ、ＣａおよびＬａに対応する原子像を表示した４つの画像を生成してもよい。また、元素識別部２４は、元素識別画像を生成せず、元素識別結果を数値データとして生成してもよい。その後終了する。

例えば、実施例１の元素識別プログラムおよび元素識別方法を市販のパーソナルコンピュータで実行した場合、１辺が５１２ピクセルの電子顕微鏡像から原子位置が１０００個以上の元素を数秒程度で識別できる。一方、ＥＥＬＳ法を用いて同程度の分解能で元素を識別する場合、１ピクセル当たりのＥＥＬＳ分析時間が約０．１秒とすると、１辺が５１２ピクセルの元素識別の時間は約７時間となる。このように、実施例１では、元素識別を極めて高速で行なうことが可能となる。

以上、図７のように元素の種類およびドメインが既知の電子顕微鏡像を例に説明した。電子顕微鏡像の元素組成およびドメインの情報がない場合（例えば試料の結晶情報が不明な場合）であっても元素識別が可能である。例えば、ユーザが結晶情報を開示せずにインターネット等を介し、電子顕微鏡像を元素識別装置３０に送信する。元素識別装置３０は自動的に元素を識別し、結果をインターネット等を介しユーザの画像出力装置３６に送信する。このように、ユーザは結晶情報を一切開示しなくとも、元素識別画像を得ることができる。実施例１を用い、このようなクラウドサービス等を行なうこともできる。

実施例１によれば、図６のステップＳ３０のように、演算部２２は、走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき像における原子位置をそれぞれ複数のグループ５２および５４に対応させる。ステップＳ３２のように、複数のグループ５２および５４それぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルート６３および６５を算出する。ステップＳ３４およびＳ３６のように、演算部２２は、算出結果に基づき複数のグループ５２および５４間で原子位置の一部を入れ換える。図５のステップＳ２２およびＳ２４のように、元素識別部２４は、入れ換え後の複数のグループ５２および５４内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別する。これより、ＴＥＭ法とＥＥＬＳ法またはＥＤＸ法とを併用する方法に比べ、元素識別時間を短縮できる。これにより、例えば試料のドリフトまたは電子線照射によるダメージを抑制できる。また、ＥＥＬＳ法またはＥＤＸ法のような高価な装置を用いなくてもよくなる。

実施例１では、電子顕微鏡像としてＨＡＡＤＦ ＳＴＥＭ像を説明したが、電子顕微鏡像は、ＨＡＢＦ ＳＴＥＭ像でもよい。電子顕微鏡像としてＨＡＢＦ ＳＴＥＭ像を用いる場合、ステップＳ１２の前に、信号強度に−１を乗ずる等の反転処理を行なう。電子顕微鏡像は、信号強度が原子番号に依存していればよい。

図５のステップＳ１２のように、演算部２２は、原子に対応した信号強度がピークとなる強度に基づき電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループ５２および５４に対応させる。これにより、図１０のように、信号強度による元素の識別がより容易になる。図８を用い元素識別が可能な場合、ピーク強度を抽出せず、図８の信号強度から元素識別処理を行なってもよい。

図６のステップＳ３０および図１１のように、演算部２２は、元素の識別が困難な信号強度の範囲５０を複数の範囲に分割する。演算部２２は、信号強度が複数の範囲内の原子位置をそれぞれ複数のグループ５２および５４に対応させる。これにより、元素識別が困難な範囲内の元素を識別できる。

図６のステップＳ３０において分割するグループの数は任意であるが、複数のグループの数は、元素の識別が困難な信号強度の範囲５０において識別が困難な元素の数と同じであることが好ましい。これにより、グループを元素に１対１で対応させることができる。

ステップＳ３４およびＳ３６のように、演算部２２は、最短ルート上において隣接する原子位置の距離が第１距離（例えば最近接原子間距離）より長い原子位置を他のグループに移動する。最短ルートにおいて隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離より長い場合、原子位置の属するグループが正しくない可能性がある。そこで、この原子位置を他のグループに移動する。これにより、元素の識別が容易となる。第１距離は最近接原子間距離以上であればよい。第１距離が最近接原子間距離の２倍以上のとき、原子位置が属するグループが正しくないときであっても、原子位置を他のグループに移動しないことが起こりえる。よって、第１距離は最近接原子間距離以上かつ最近接原子間距離の２倍より短い一定の距離であることが好ましい。また、最近接原子間距離は、結晶方位によって異なってもよい。例えば、図１４（ｂ）のグループ５４内のルート６５では、斜め方向の最近接原子間距離は横方向および縦方向の最近接原子間距離より大きくてもよい。

図１６(ａ）において、ステップＳ３８およびＳ４０を行なわない場合、図１６（ｂ）に収束するまで、ステップＳ３２からＳ４２を繰り返すことになる。そこで、ステップＳ３８およびＳ４０のように、演算部２２は、最短ルート上において隣接する原子位置の距離が第２距離（例えば最近接原子間距離の２倍）より長い経路で挟まれた原子位置を他のグループに移動する。図１６（ａ）のグループ５２のように、隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離の２倍より長い経路６３ｂで挟まれた原子位置のブロック６７は、属するグループが正しくない可能性が高い。そこで、ブロック６７ごとグループを移動する。これにより、ステップＳ３８およびＳ４０を行なわない場合に比べ、演算時間を短くできる。第２距離は最近接原子間距離の２倍以上の一定の距離であればよい。

元素識別部２４は、演算部２２がグループ５２および５４それぞれ内において、ステップＳ３２からＳ４２を繰り返し、ステップＳ４２のように原子位置の一部を入れ換えが実行されなくなったときに、元素に識別する。これにより、演算の収束後に元素の識別を行なうことができる。

図７のように、電子顕微鏡像は複数のドメイン５６および５８を含む。このような場合、元素を識別することにより、図１６（ｂ）のように、ドメイン５６および５８の境界５５を決定できる。よって、ドメイン５６および５８を抽出することができる。

図５のステップＳ１６のように、元素識別部２４は、元素の識別が困難な信号強度の範囲５０以外の信号強度から別の元素を識別する。これにより、別の元素を簡単に識別できる。

図５のステップＳ２４のように、画像生成部２６は、元素識別部２４が識別した元素に基づき、電子顕微鏡像に対応し元素を識別した画像を生成する。これにより、元素識別結果を視覚的に表現できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換える演算部と、前記演算部が前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別する元素識別部と、を具備することを特徴とする元素識別装置。
（付記２）前記演算部は、前記原子に対応した信号強度がピークとなる強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させることを特徴とする付記１に記載の元素識別装置。
（付記３）前記演算部は、元素の識別が困難な信号強度の範囲を複数の範囲に分割し、信号強度が前記複数の範囲内の原子位置をそれぞれ前記複数のグループに対応させることを特徴とする付記１または２記載の元素識別装置。
（付記４）前記複数のグループの数は、前記元素の識別が困難な信号強度の範囲において識別が困難な元素の数と同じであることを特徴とする付記３記載の元素識別装置。
（付記５）前記演算部は、前記最短ルート上において隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離以上の第１距離より長い原子位置を他のグループに移動することを特徴とする付記１から４のいずれか一項記載の元素識別装置。
（付記６）前記演算部は、前記最短ルート上において隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離の２倍以上の第２距離より長い経路で挟まれた原子位置を他のグループに移動することを特徴とする付記５記載の元素識別装置。
（付記７）前記元素識別部は、前記演算部が前記複数のグループそれぞれ内において、前記最短ルートを算出し、前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換える演算を繰り返し、前記原子位置の一部の入れ換えが実行されなくなったときに、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別することを特徴とする付記１から６のいずれか一項記載の元素識別装置。
（付記８）前記走査透過型電子顕微鏡像は複数のドメインを含むことを特徴とする付記１から７のいずれか一項記載の元素識別装置。
（付記９）前記元素識別部は、前記元素の識別が困難な信号強度の範囲以外の信号強度から別の元素を識別することを特徴とする付記３または４記載の元素識別装置。
（付記１０）前記元素識別部が識別した元素に基づき、前記走査透過型電子顕微鏡像に対応し元素を識別した画像を生成する画像生成部を具備することを特徴とする付記１から９のいずれか一項記載の元素識別装置。
（付記１１）コンピュータに、走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別プログラム。
（付記１２）コンピュータに実行させる元素識別方法であって、走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別方法。

１０ コンピュータ
２０ 像取得部
２２ 演算部
２４ 元素識別部
２６ 画像生成部
３０ 元素識別装置
３２ 電子顕微鏡
３４ 像入力装置
３６ 画像出力装置
５０ 識別困難範囲
５２、５４ グループ
５５ 境界
５６、５８ ドメイン
６２、６４ 元素
６４ａ、６４ｂ 原子位置
６３、６５ ルート
６３ａ、６３ｂ、６５ａ 経路

Claims (10)

1. 走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換える演算部と、
   前記演算部が前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別する元素識別部と、
   を具備することを特徴とする元素識別装置。
2. 前記演算部は、前記原子に対応した信号強度がピークとなる強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させることを特徴とする請求項１に記載の元素識別装置。
3. 前記演算部は、元素の識別が困難な信号強度の範囲を複数の範囲に分割し、信号強度が前記複数の範囲内の原子位置をそれぞれ前記複数のグループに対応させることを特徴とする請求項１または２記載の元素識別装置。
4. 前記複数のグループの数は、前記元素の識別が困難な信号強度の範囲において識別が困難な元素の数と同じであることを特徴とする請求項３記載の元素識別装置。
5. 前記演算部は、前記最短ルート上において隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離以上の第１距離より長い原子位置を他のグループに移動することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の元素識別装置。
6. 前記演算部は、前記最短ルート上において隣接する原子位置の距離が最近接原子間距離の２倍以上の第２距離より長い経路で挟まれた原子位置を他のグループに移動することを特徴とする請求項５記載の元素識別装置。
7. 前記元素識別部は、前記演算部が前記複数のグループそれぞれ内において、前記最短ルートを算出し、前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換える演算を繰り返し、前記原子位置の一部の入れ換えが実行されなくなったときに、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の元素識別装置。
8. 前記走査透過型電子顕微鏡像は複数のドメインを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の元素識別装置。
9. コンピュータに、
   走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、
   前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、
   算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、
   前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別プログラム。
10. コンピュータに実行させる元素識別方法であって、
    走査透過型電子顕微鏡像における原子に対応した信号強度に基づき前記走査透過型電子顕微鏡像における原子位置をそれぞれ複数のグループに対応させ、
    前記複数のグループそれぞれ内において、原子位置を全て通る最短ルートを算出し、
    算出結果に基づき前記複数のグループ間で原子位置の一部を入れ換え、
    前記原子位置の一部を入れ換えた後、前記複数のグループ内の原子位置をそれぞれ異なる元素に識別させることを特徴とする元素識別方法。

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