JP7083869B2 - 画像処理方法および画像処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像処理方法および画像処理装置に関する。
電子線ホログラフィーや、微分位相コントラストイメージング（ＤＰＣ）法などの手法では、試料によって入射電子線が受ける位相変化を画像化することができる。しかしながら、電子線ホログラフィーや、ＤＰＣ法では、この位相変化が試料中の原子核等に起因する電場によるものか、電子スピン等に起因する磁場によるものか、判断することは難しい。
特に、高分解能像の場合、常に原子核による電場が強く見えるため、原子核による電場に比べて弱い電子スピンによる磁場を観察するためには、電場と磁場を分離する必要がある。
例えば、特許文献１では、試料を反転させる機構を備え、反転の前後における試料中の同一測定部位を透過した電子線の偏向の方位と量を計測して、測定部位における電場の分布と磁場の分布をそれぞれ個別に求められるようにした電磁場測定装置が開示されている。この電磁場測定装置では、試料に対する電子線の入射方向を逆転すると、電子線が電磁場から受けるローレンツ力のうち、電場による力の方向は変化しないが、磁場による力の方向は逆転することを利用している。
特開平６－１３８１９６号公報
特許文献１の電磁場測定装置では、上述したように、試料の反転の前後において、試料中の同一部位を測定しなければならない。しかしながら、原子レベルの高分解能の測定では、試料の反転の前後において、試料中の同一部位を測定することは困難である。
本発明に係る画像処理方法の一態様は、
複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する工程と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する工程と、
を含み、
前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。
このような画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、このような画像処理方法では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。
本発明に係る画像処理装置の一態様は、
複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位相像取得部と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部と、
を含み、
前記画像生成部は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う。
このような画像処理装置では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、このような画像処理装置では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。
実施形態に係る画像処理方法の一例を示すフローチャート。 位相像Ｄｘ，Ｄｙと、環状暗視野像ＩＡＤＦを模式的に示す図。 位相像Ｄｘ，Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す図。 カーネルＫ１とカーネルＫ２を説明するための図。 位相像Ｄｘに対してコンボリューションを行った結果を示す図。 カーネルＫ３を説明するための図。 カーネルＫ４を説明するための図。 走査透過電子顕微鏡の構成を示す図。 分割型検出器の検出面を模式的に示す図。 ドメイン境界部の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図。 画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図。 カーネルＫ５を説明するための図。 画像ＣｘにカーネルＫ５を適用した画像ＣｘＫ５、および画像ＣｙにカーネルＫ５を適用した画像ＣｙＫ５を示す図。 画像ＣｘにカーネルＫ１を適用した画像ＣｘＫ１、および画像ＣｙにカーネルＫ１を適用した画像ＣｙＫ１を示す図。 らせん磁性体の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図。 画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 画像処理方法
まず、本発明の一実施形態に係る画像処理方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る画像処理方法は、複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、位相像において複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程と、分離された磁場成分に基づいて磁場の分布を示す画像を生成する工程と、を含む。また、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。
１．１． 画像処理の流れ
図１は、本実施形態に係る画像処理方法の一例を示すフローチャートである。
（１）位相像の取得（Ｓ１０）
まず、解析したい視野の位相像を取得する。ここで、位相像とは、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像である。位相像は、電子線ホログラフィーにより得られた像、および微分位相コントラストイメージング（ＤＰＣ）法により得られた像を含む。
電子線ホログラフィーとは、電子波の干渉性を利用し、試料によって電子波が受ける位相変化を再生する手法である。具体的には、まず、試料を透過して位相変化を受けた波(物体波)と電子源から真空を通過し試料の影響を受けない波(参照波)を、電子線バイプリズムで偏向させ、干渉させて縞(ホログラム)を得る。次に、得られたホログラムをフーリエ変換し、バックグラウンドを作る等間隔の主干渉成分をマスクして取り除き、試料を透過した回折波の変調成分(サイドバンド)を抽出して逆フーリエ変換を行うことにより、試料下面での位相を再生する。これにより、位相像を得ることができる。
ＤＰＣ法は、試料中の電磁場による電子線の偏向を各スキャン点で計測し、電磁場を可視化、画像化する走査透過電子顕微鏡法の一種である。試料の電磁場による電子線の偏向を計測するためには、例えば、分割型検出器やピクセル型検出器が用いられる。分割型検出器では、検出器同士の信号量の差分を取ることにより、試料内での電子線の偏向量（検出器上でのビームの移動量）とその方向を検出することができる。
なお、位相像は、電子線ホログラフィーや、ＤＰＣ法で取得された位相像に限定されず、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像であればよい。例えば、位相像として、タイコグラフィーを取得してもよい。
図２は、ＤＰＣ法により取得された電子線の位相像（微分位相像）Ｄｘ，Ｄｙと、位相像と同時に取得された環状暗視野（annular dark field、ＡＤＦ）像ＩＡＤＦを模式的に示す図である。図２の位相像ＤｘはＸ方向の偏向量を示し、図２の位相像ＤｙはＹ方向の偏向量を示している。位相像Ｄｘおよび位相像Ｄｙでは、正の値を白で表し、負の値を黒で表している。ＡＤＦ像ＩＡＤＦは、走査透過電子顕微鏡において、円環状の検出器を用いて試料で散乱された電子を検出することで取得できる。
図２に示す各像（位相像Ｄｘ，ＤｙおよびＡＤＦ像ＩＡＤＦ）は、反強磁性体を原子レベルの高分解能で観察したものである。反強磁性体では、隣り合う原子のスピンが互いに反対方向を向いて互いに打ち消し合っている。また、反強磁性体では、各原子の原子核に起因する電場は、ほぼ同じ強度で、向きが同じである。
図２に示す各像は、反強磁性体の試料を、スピンの向きが同じ原子が、試料の厚さ方向に並ぶように、撮影されたものである。すなわち、図２に示す各像中のカラム（原子カラム）は、スピンの向きが同じ原子が、試料の厚さ方向に並んだ状態を表している。図２に示す各像では、Ｘ方向およびＹ方向に配列した複数のカラムが確認できる。図２に示す各像では、Ｙ方向に隣り合うカラムのスピンの向きは、互いに反対方向であり、Ｘ方向に隣り合うカラムのスピンの向きは、同じ方向である。
図３は、位相像Ｄｘ，Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す図である。図３には、位相像Ｄｘの磁場によるコントラストのみを示す画像Ｃｘ、位相像Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す画像Ｃｙを示している。
図２に示す位相像Ｄｘには、電場によるコントラストに、図３の画像Ｃｘに示す磁場の
コントラストが重畳されている。しかしながら、図２に示す位相像Ｄｘでは、磁場のコントラストは確認できない。同様に、位相像Ｄｙには、電場によるコントラストに、図３の画像Ｃｙに示す磁場によるコントラストが重畳されているが、図２に示す位相像Ｄｙでは、磁場のコントラストは確認できない。これは、原子分解能像では、一般的に、原子核による電場の影響が非常に強く、スピンによる磁場の影響が小さいためである。
（２）電場の周期の解析（Ｓ２０）
次に、電場の周期を求める。ここでは、電場の周期として、格子ベクトルを求める。格子ベクトルは、例えば、ＡＤＦ像ＩＡＤＦをフーリエ変換したときのスポット位置から求めることができる。また、例えば、ＧＰＡ（Geometrical Phase Analysis）などのソフトウエアを用いて、ＡＤＦ像ＩＡＤＦから格子ベクトルを求めることができる。
ここで、格子ベクトルを求めるためには、電場および磁場の感度が低く、原子位置を正確に反映しているＡＤＦ像ＩＡＤＦを用いることが望ましい。図２に示す位相像Ｄｘ，ＤｙおよびＡＤＦ像ＩＡＤＦには、互いに直交する格子ベクトルＡおよび格子ベクトルＢを図示している。なお、格子ベクトルを求めるための画像は、ＡＤＦ像ＩＡＤＦに限定されず、例えば、位相像であってもよいし、明視野ＳＴＥＭ像などであってもよい。
（３）電磁場の分離（Ｓ３０）および画像の生成（Ｓ４０）
次に、位相像Ｄｘおよび位相像Ｄｙにおいて、複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する。
本工程では、位相像Ｄｘ，Ｄｙ中の観察対象となる任意のカラム（以下「第１カラム」ともいう）の電磁場を、磁場成分が第１カラムと反対方向であり、かつ、電場成分が第１カラムと同じ方向である他のカラム（第２カラム）に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する。
上述したように、位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、Ｙ方向に隣り合うカラムは、磁場の向きは反対方向であり、電場の向きは同じ方向である。そのため、第１カラムの電場の大きさは、第２カラムの電場の大きさと等しいものと仮定して、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差を計算する。これにより、第１カラムの電場成分が第２カラムの電場成分と打ち消され、第１カラムに第２カラムの磁場成分の差が残る。特に、スピンの磁場の向きが反対の場合は、第１カラムの磁場成分を抽出できる。また、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の和を計算することによって、第１カラムの磁場成分が第２カラムの磁場成分と打ち消され、第１カラムの電場成分を抽出できる。
ここでは、位相像Ｄｘ，Ｄｙに、Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場との差を計算するカーネル（図４に示すカーネルＫ２）をコンボリューションすることによって、各カラムの電磁場から磁場成分を抽出する。
図４は、カーネルＫ１とカーネルＫ２を説明するための図である。カーネルＫ１は、Ｘ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。カーネルＫ２は、Ｙ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。
カーネルＫ１，Ｋ２では、すべての点の合計数をゼロとした。また、カーネルＫ１，Ｋ２では、点と点の間隔は、格子ベクトルの整数倍とした。ここでは、格子ベクトルの１倍とした。
図５は、位相像Ｄｘに対してコンボリューションを行った結果を示している。図５の画像ＤｘＫ１は、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ１をコンボリューションした結果を示し
ている。図５の画像ＤｘＫ２は、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ２をコンボリューションした結果を示している。
上述したように、強磁性体では、Ｙ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピンによる磁場の向きが反対である。位相像Ｄｘ中の任意のカラム（第１カラム）に対してカーネルＫ２を掛け合わせると、Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場との差、すなわち、第１カラムとは磁場成分が反対方向であり、かつ、電場成分が同じ方向であるカラム（第２カラム）の電磁場との差を計算できる。したがって、第１カラムに対してカーネルＫ２を掛けることで、第１カラムの電場成分が第２カラムの電場成分と打ち消され、磁場成分のみが残る。これにより、第１カラムの電磁場から磁場成分を抽出できる。
このように、位相像Ｄｘに対してカーネルＫ２をコンボリューションすることによって、各カラムの電場成分が打ち消され、各カラムの磁場成分のみが残った画像ＤｘＫ２が得られる。すなわち、画像ＤｘＫ２は、各カラムの磁場の分布を示す画像である。
画像ＤｘＫ２では、Ｙ方向に隣り合うカラムの磁場において、互いに反対方向を向いている成分が存在することがわかる。
強磁性体では、Ｘ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピン磁場の向きも同じである。そのため、位相像Ｄｘに対してカーネルＫ１をコンボリューションすることによって、各カラムの電場および磁場が打ち消され、全体が黒い（強度がゼロ）の画像ＤｘＫ１が得られる。
なお、上記では、Ｙ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピンによる磁場の向きが反対方向であることを利用して、各カラムに対してＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の差を求めることで、各カラムの磁場成分を抽出した。これに対して、各カラムに対してＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の和を求めることで、各カラムの磁場成分が打ち消され、電場成分を抽出できる。したがって、電場の分布を示す画像を生成できる。
以上の工程により、位相像中の各カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離して、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成できる。
１．２． 変形例
上記では、観察対象となる第１カラムの磁場成分を、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差を計算することによって抽出したが、第１カラムの磁場成分を抽出する手法はこれに限定されない。
例えば、第１カラムの近傍の複数のカラムの電磁場から、第１カラムの電場を推定し、第１カラムの磁場成分を抽出することもできる。例えば、第１カラムと＋Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと－Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと＋Ｘ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと－Ｘ方向に隣り合うカラムの電磁場に基づいて、第１カラムの電場を推定できる。
ここで、第１カラムと＋Ｙ方向に隣り合うカラム、および第１カラムと－Ｙ方向に隣り合うカラムは、第１カラムと原子核による電場の向きが同じで、かつ、第１カラムとスピンによる磁場の向きが反対であるカラム（第２カラム）である。また、第１カラムと＋Ｘ方向に隣り合うカラム、および第１カラムと－Ｘ方向に隣り合うカラムは、第１カラムと原子核による電場の向きが同じで、かつ、第１カラムとスピンによる磁場の向きも同じカラム（第３カラム）である。そのため、２つの第２カラム（電場の向きが同じで、かつ、
磁場の向きが反対のカラム）と、２つの第３カラム（電場の向きが同じで、かつ、磁場の向きが同じカラム）の平均を計算することで、磁場成分が打ち消され、電場成分の平均を求めることができる。この４つのカラムの電場の平均を、第１カラムの電場と推定する。
ここでは、位相像Ｄｘ，Ｄｙに、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の平均との差を計算するカーネル（図６に示すカーネルＫ３）をコンボリューションすることによって、各カラムの電磁場から磁場成分を抽出する。
図６は、カーネルＫ３を説明するための図である。カーネルＫ３は、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の平均との差を計算するカーネルである。
位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ３をコンボリューションすることによって、各カラムの電場成分が打ち消されて、図５に示す画像ＤｘＫ２と同様の画像が得られる。すなわち、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ３をコンボリューションすることによって、磁場の分布を示す画像が得られる。
ここで、図２に示す位相像Ｄｘでは、電場によるコントラストが完全な周期性を有すると仮定している。しかし、試料の厚さムラなどによって、電場によるコントラストが非周期性を有する場合がある。この場合、カーネルＫ２を用いると、電場によるコントラストの非周期性の影響によって、各カラムの電場成分を完全に打ち消すことができない。
これに対して、カーネルＫ３では、カーネルＫ２に比べて、カーネルを構成する点の数が多いため、コントラストの変化が平均化される。これにより、カーネルＫ２を用いた場合と比べて、電場によるコントラストの非周期性の影響を小さくできる。したがって、カーネルＫ３を用いることによって、カーネルＫ２を用いた場合と比べて、電場によるコントラストをより低減できる。
図７は、カーネルＫ４を説明するための図である。カーネルＫ４は、カーネルＫ３よりもカーネルを構成する点の数が多い。そのため、カーネルＫ４を用いることによって、カーネルＫ３を用いた場合と比べて、電場によるコントラストをより低減できる。
２． 画像処理装置
図８は、走査透過電子顕微鏡１の構成を示す図である。
走査透過電子顕微鏡１は、画像処理装置１００と、電子顕微鏡本体２００と、を含む。
電子顕微鏡本体２００は、位相像（ＤＰＣ像）を撮影できる。画像処理装置１００は、電子顕微鏡本体２００で撮影された位相像（ＤＰＣ像）から、上述した本実施形態に係る画像処理方法を用いて、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成することができる。
電子顕微鏡本体２００は、図８に示すように、電子源１０と、照射レンズ系１１と、走査偏向器１２と、対物レンズ１３と、試料ステージ１４と、中間レンズ１５と、投影レンズ１６と、分割型検出器２０と、を含む。
電子源１０は、例えば、電子線ＥＢを発生させる電子銃である。照射レンズ系１１は、電子源１０で発生した電子線ＥＢを収束させる。走査偏向器１２は、電子源１０から放出された電子線ＥＢを偏向させる。これにより、電子線ＥＢで試料上を走査できる。
対物レンズ１３は、電子線ＥＢを試料上に収束させる。また、対物レンズ１３は、試料
を透過した電子を結像する。
試料ステージ１４は、試料を保持する。また、試料ステージ１４は、試料を水平方向や鉛直方向に移動させたり試料を傾斜させたりすることができる。
中間レンズ１５および投影レンズ１６は、対物レンズ１３で形成された像を分割型検出器２０の検出面２３に投影（結像）する。
分割型検出器２０は、投影レンズ１６の後方（電子線ＥＢの下流側）に設けられている。分割型検出器２０は、試料を透過した電子を検出する。
図９は、分割型検出器２０の検出面２３を模式的に示す図である。
分割型検出器２０は、図９に示すように、検出面２３が、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に分割されている。４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、それぞれ独立して電子を検出することができる。試料中の電磁場による電子線ＥＢの偏向は、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４で検出される信号量から求めることができる。例えば、検出領域Ｄ２で得られたＳＴＥＭ像と検出領域Ｄ４で得られたＳＴＥＭ像の差をとった画像（ＤＰＣ像）から、試料中の電磁場のＸ成分の分布を得ることができる。また、検出領域Ｄ１で得られたＳＴＥＭ像と検出領域Ｄ４で得られたＳＴＥＭ像の差をとった画像（ＤＰＣ像）から、試料中の電磁場のＹ成分の分布を得ることができる。
このように、電子顕微鏡本体２００では、分割型検出器２０を用いて、ＤＰＣ像を撮影できる。
画像処理装置１００は、処理部１１０と、操作部１２０と、表示部１２２と、記憶部１２４と、を含む。
操作部１２０は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部１１０に送る処理を行う。操作部１２０の機能は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどにより実現できる。
表示部１２２は、処理部１１０によって生成された画像を表示する。表示部１２２の機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。
記憶部１２４は、処理部１１０が各種の計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部１２４は、処理部１１０のワーク領域としても機能する。記憶部１２４の機能は、ハードディスク、およびＲＡＭ（Random Access Memory）により実現できる。
処理部１１０は、上述した本実施形態に係る画像処理方法を用いて、電子顕微鏡本体２００で得られたＤＰＣ像（位相像）から、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成する処理を行う。処理部１１０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアで、プログラムを実行することにより実現できる。処理部１１０は、位相像取得部１１２と、分離処理部１１４と、画像生成部１１６と、を含む。
位相像取得部１１２は、電子顕微鏡本体２００から位相像Ｄｘ，Ｄｙを取得する。位相像取得部１１２は、電子顕微鏡本体２００で撮影された位相像Ｄｘ，Ｄｙを取得する。
分離処理部１１４は、取得した位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、複数のカラムの各々の電磁
場を、磁場成分と電場成分に分離する。分離処理部１１４は、例えば、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ２や、カーネルＫ３、カーネルＫ４などをコンボリューションすることによって、磁場成分を抽出する。
画像生成部１１６は、抽出された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する。画像生成部１１６は、生成した画像を表示部１２２に表示させる。
また、分離処理部１１４は、取得した位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、各カラムの電磁場から電場成分を抽出し、画像生成部１１６は、抽出された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する。
３． 作用効果
本実施形態に係る画像処理方法では、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。
そのため、本実施形態に係る画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を、磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、本実施形態に係る画像処理方法では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。
例えば、試料の反転の前後において、同一部位を測定して、磁場成分と電場成分に分離する場合には、原子レベルのずれを生じさせることなく、試料中の同一部位を測定することは困難である。したがって、試料を反転させる手法では、原子レベルの高分解能で磁場の分布を示す画像を得ることができない。これに対して、本実施形態に係る画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場から磁場成分と電場成分を分離できるため、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。
本実施形態に係る画像処理方法では、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差に基づいて、第１カラムの磁場成分を抽出する。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に磁場成分を抽出できる。
本実施形態に係る画像処理方法では、分離された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する工程を含み、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の和に基づいて、第１カラムの電場成分を抽出する工程を含む。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に電場成分を抽出できる。
本実施形態に係る画像処理方法では、第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程において、第１カラムの電磁場を、第２カラムの電磁場および第３カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離し、第２カラムは、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向であり、第３カラムは、第１カラムと磁場が同じ方向であり、かつ、電場が同じ方向である。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に磁場成分を抽出できる。さらに、例えば、試料の厚さムラなどによって、電場によるコントラストが非周期性を有する場合でも、コントラストの変化が平均化されるため、電場によるコントラストの非周期性の影響を小さくできる。したがって、電場によるコントラストをより低減できる。
画像処理装置１００は、複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位
相像取得部１１２と、位相像において、複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部１１４と、分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部１１６と、を含む。また、画像生成部１１６は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う。そのため、画像処理装置１００では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、画像処理装置１００では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。
４． 実施例
以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
４．１． 反強磁性体のドメイン境界
まず、本実施形態に係る画像処理方法を、反強磁性体のドメイン境界（domain boundary）の観察に適用した場合について説明する。
図１０は、ドメイン境界部の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図である。図１０の画像ＣｘはＸ方向の偏向量を示し、図１０の画像ＣｙはＹ方向の偏向量を示している。実際のドメイン境界部の位相像には、図１０に示す磁場によるコントラストに、電場によるコントラストが加わる。そのため、図１０に示す磁場の分布を示す画像Ｃｘ，Ｃｙを直接観察することは難しい。
ここで、図４に示すカーネルＫ２を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。すなわち、画像Ｃｘおよび画像Ｃｙに対して、カーネルＫ２をコンボリューションする。
図１１は、画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図である。
画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ２を適用した場合、図１１に示すように、ドメイン境界部のコントラストが消える。これは、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙの磁場の分布と異なるが、ドメイン境界部でスピン構造の変化があることを確認できる。
図１２は、カーネルＫ５を説明するための図である。カーネルＫ５は、Ｙ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。なお、カーネルＫ２は、＋Ｙ方向に隣り合うカラムとの差を求めるのに対して、カーネルＫ５では、－Ｙ方向に隣り合うカラムとの差を求める。
図１２に示すカーネルＫ５を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。
図１３は、画像ＣｘにカーネルＫ５を適用した画像ＣｘＫ５、および画像ＣｙにカーネルＫ５を適用した画像ＣｙＫ５を示す図である。
画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ５を適用した場合、図１３に示すように、ドメイン境界部のコントラストが消える。図１３に示す画像ＣｘＫ５および画像ＣｙＫ５においてコントラストが消えた部分と、図１３に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２においてコントラストが消えた部分とは、位置がずれている。
次に、図４に示すカーネルＫ１を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。
図１４は、画像ＣｘにカーネルＫ１を適用した画像ＣｘＫ１、および画像ＣｙにカーネルＫ１を適用した画像ＣｙＫ１を示す図である。
画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ１を適用した場合、図１４に示すように、コントラストが消える。
図１１に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２、図１３に示す画像ＣｘＫ５および画像ＣｙＫ５、図１４に示す画像ＣｘＫ１および画像ＣｙＫ１から、ドメイン境界部の存在と、ドメイン境界部の位置を推定することができる。なお、上記では、画像Ｃｘ，Ｃｙに各カーネルを適用したが、実際の位相像に各カーネルを適用しても同様の結果が得られる。
本実施形態に係る画像処理方法によれば、ＤＰＣ法で得られたドメイン境界部の位相像から磁場の分布の情報を得ることができ、ドメイン境界部の存在とその位置を推定できる。
４．２． らせん磁性体
次に、本実施形態に係る画像処理方法を、らせん磁性体の観察に適用した場合について説明する。
図１５は、らせん磁性体の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図である。図１５の画像Ｃｘは、Ｘ方向の偏向量を示し、画像ＣｙはＹ方向の偏向量を示している。
図１５に示すように、らせん磁性体では、スピンの向きが場所に依存して回転している。実際のらせん磁性体のＤＰＣ像では、図１５に示す磁場によるコントラストに、電場によるコントラストが加わる。そのため、図１５に示す磁場の分布を示す画像Ｃｘ，Ｃｙを直接観察することは難しい。
ここで、図４に示すカーネルＫ２を、図１５に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。すなわち、画像Ｃｘおよび画像Ｃｙに対して、カーネルＫ２をコンボリューションする。
図１６は、図１５に示す画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および図１５に示す画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図である。
図１６に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２は、図１５の画像Ｃｘおよび画像Ｃｙで示す磁場の分布そのものとは異なるが、磁場の分布を反映しており、磁場の分布の情報を得ることができる。上述したドメイン境界の例のように、複数のカーネルを適用した結果を得ることで、らせん磁性体の磁場の分布をより正確に推定することができる。
このように、本実施形態に係る画像処理方法では、強磁性体の例のように、第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場の分布を示す画像を得る場合だけでなく、らせん磁性体の例のように、第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が異なる方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて磁場の分布を示す画像を得る場合にも適用できる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する
構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１…走査透過電子顕微鏡、１０…電子源、１１…照射レンズ系、１２…走査偏向器、１３…対物レンズ、１４…試料ステージ、１５…中間レンズ、１６…投影レンズ、２０…分割型検出器、２３…検出面、１００…画像処理装置、１１０…処理部、１１２…位相像取得部、１１４…分離処理部、１１６…画像生成部、１２０…操作部、１２２…表示部、１２４…記憶部、２００…電子顕微鏡本体

Claims (10)

  1. 複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、
    前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する工程と、
    分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する工程と、
    を含み、
    前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
    前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む、画像処理方法。
  2. 請求項１において、
    前記位相像は、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像である、画像処理方法。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程では、
    前記第１カラムの電磁場と前記第２カラムの電磁場の差に基づいて、前記第１カラムの磁場成分を抽出する、画像処理方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    分離された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する工程を含み、
    前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
    前記第１カラムの電磁場と前記第２カラムの電磁場の和に基づいて、前記第１カラムの電場成分を抽出する工程を含む、画像処理方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が異なる方向である、画像処理方法。
  6. 請求項５において、
    前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が反対方向である、画像処理方法。
  7. 請求項１または２において、
    前記第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程では、
    前記第１カラムの電磁場を、前記第２カラムの電磁場および第３カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離し、
    前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向であり、
    前記第３カラムは、前記第１カラムと磁場が同じ方向であり、かつ、電場が同じ方向である、画像処理方法。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    前記位相像は、反強磁性体の位相像である、画像処理方法。
  9. 請求項８において、
    前記第２カラムは、前記第１カラムに隣り合い、
    前記第２カラムのスピンの向きは、前記第１カラムのスピンの向きと反対方向である、画像処理方法。
  10. 複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位相像取得部と、
    前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部と、
    分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部と、
    を含み、
    前記画像生成部は、
    前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う、画像処理装置。
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