JPH11296680A - コントラスト改善機能を有する画像処理装置及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的領域のコントラストを強調した視認性の
良い画像を表示する。 【解決手段】 撮影された画像に対し、目的とする関心
領域Ａの濃淡ヒストグラム（ｂ）から全体の濃淡レベル
を変換する濃度変換関数を算出する。フレーム単位に繰
り返し入力される画像データに対しては、目的とする関
心領域を撮影前に予め決めておき、繰り返し入力される
関心領域内の各画素の濃淡ヒストグラムから変換関数を
連続的に算出するようにする。変換関数は関心領域内の
ヒストグラムの線形変換とし、目的とする関心領域以外
の画素階調に対しては、単に元の画素値の定数倍として
ハレーションをなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改善された画像表
示機能を有する画像処理装置に係わり、特にコントラス
トの強調された視認性の良い画像を実時間で表示する機
能を有して電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に適用して好
適な画像処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡等の荷電粒子線照射装置
の画像信号は、電子線等の荷電粒子線の照射によって試
料から発生する微弱な二次電子あるいは反射電子の量を
増幅して生成される。二次電子や反射電子の量は試料表
面の材質に強く依存するため、得られる画像の濃淡は極
めて広い分布を持っている。このような広い濃淡分布の
中でのわずかな濃淡差は画像として観測することが難し
いので、例えば電子顕微鏡では、画像の中での最も暗い
部分を表示装置の最低輝度に、最も明るい部分を表示装
置の最高輝度に合わせるようにコントラストを調整して
いる。

【０００３】しかし、画像の中に特に明るい部分や暗い
部分があると、コントラストがそれに合わされて圧縮さ
れるため、試料の目的部分の微妙な濃淡差を良好に描出
することは難しい。そのため従来技術では、電子顕微鏡
の計測パラメータを画像を見ながら最適に調節したり、
また、濃淡レベルを一対一で変換する画像処理手段を設
け、試行錯誤的にその変換特性を設定することで、注目
する部分のコントラストを調整していた。たとえば、画
像処理としてヒストグラムの線形変換を用いる場合、入
力画像の濃淡ヒストグラムを求め、その最小濃度ｘ₀と
最大濃度ｘ₁をそれぞれ表示画像の最小濃度Ｘ_min、最大
濃度Ｘ_maxとなるように線形変換すればコントラストが
拡張されて、見やすい画像が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の技
術では、撮影された画像全体のヒストグラムから濃淡変
換関数を算出し、設定していたため、目的とする領域の
コントラストを最適にすることが難しかった。その例
を、走査電子顕微鏡の試料像を表す図１を用いて説明す
る。電子顕微鏡で観察する半導体材料は、幾つかの材質
から構成されており、それぞれの材質から反射される反
射電子、二次電子の量は、その材質に大きく依存するた
め、観察とは無関係の領域が高輝度に描出され、目的と
する関心領域のコントラストが圧縮されることがよくあ
る。図１（ａ）に示すように、画像領域全体の中に、コ
ントラストの圧縮された観察の目的である関心領域Ａ
と、観察とは直接無関係な高輝度領域Ｂとが存在するも
のとする。従来のコントラストの線形変換では、図１
（ｂ）に示すような全体のヒストグラムを求め、ヒスト
グラムの両端から累積の画素数が全体画素数のε％
（ε：任意）になる濃度値ｘ₀，ｘ₁を濃度値の最小値
（Ｘ_min）、最大値（Ｘ_max）とするようにヒストグラム
を線形変換する。コントラストの線形変換を表わす変換
式は、次の〔数１〕のようになる。ｉは入力値、Ｔｉは
変換値である。

【０００５】

【数１】 入力値ｉに対して、出力値が〔数１〕で変換されるＴｉ
になるように、ルックアップテーブル（Look Up Tabl
e；以下、ＬＵＴという）のテーブル値を設定すること
でコントラストの線形変換が行われる。線形変換した結
果のヒストグラムを図１（ｃ）に示す。この場合、図か
らもわかるように関心領域Ａの信号が低輝度側にシフト
してしまうため、関心領域が全体的に暗くなってしま
う。その反対に、無関係の信号Ｂが高輝度側にシフトし
明るくなるという矛盾が生じる。

【０００６】また、ここで撮影領域を極力狭くして目的
の部分のみが画像化されるようにし、コントラストの線
形変換を行うことも考えられるが、そうした場合、目的
の部分が拡大されることになるため、全体との位置関係
がつかみづらく、目的部分を捜しながら観察を行う場合
などには適用困難である。そこで従来技術では、最適な
コントラストの画像を得るためには画面を見ながら試行
錯誤的な調整を行っていた。そのため、目的とする領域
のコントラストを強調した画像を連続して観察するとい
うことは不可能であった。

【０００７】本発明の目的は、撮影された画像もしくは
撮影を行う画像に対し、目的とする領域の画像コントラ
ストを適切に改善する濃度変換関数を発生する技術的手
段を提供し、走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置が常に
目的領域のコントラストを強調した視認性の良い画像を
表示できるようにすること、さらに、そのような画像を
実時間で連続して表示することを実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、撮影された画像もしくは撮影を行う画
像に対し、目的とする関心領域の濃淡ヒストグラムから
全体の濃淡レベルを変換する濃度変換関数を算出するよ
うにする。また、フレーム単位に繰り返し入力される画
像データに対し、目的とする関心領域を撮影前に予め決
めておき、繰り返し入力される関心領域内の各画素の濃
淡ヒストグラムから変換関数を連続的に算出するように
する。変換関数は、関心領域内のヒストグラムの線形変
換を用いる。また、目的とする領域以外の画素階調に対
しては、単に元の画素の濃淡値の定数倍とし、部分領域
のヒストグラムからの線形変換に起因するハレーション
をなくすようにする。さらに、目的とする関心領域は、
撮影した画像上で使用者が対話的に指定できるか、撮影
領域の中央の一定の領域とするようにする。

【０００９】撮影された画像に対し、図２（ａ）に破線
で示すように目的とする領域２０１を使用者が指定し、
その濃淡ヒストグラムから全体の濃淡レベルを変換する
場合、指定した関心領域２０１の濃淡ヒストグラムは、
図２（ｂ）のようになる。ここで、図１で説明したよう
なコントラストの線形変換を行うと、ヒストグラムは図
２（ｃ）のように変換される。図から分かるように、ヒ
ストグラムは全体的に分布が広がっているうえに、輝度
的にもほぼ最適な分布状態になる。したがって、図２
（ｃ）のようなヒストグラム分布になるように線形変換
を行えば、注目する領域のコントラストを最適に改善で
きる。領域２０１の指定は、例えばマウスなどを用いて
マウスカーソルをドラッグして画像上に矩形領域を設定
することで行うことができる。

【００１０】ここで、問題となるのは、図２（ａ）の領
域Ｂなど、無関係領域の信号が線形変換を行うことで、
輝度的にハレーションを起こす場合があることである。
そこで、そのような場合には、目的とする領域以外の画
素階調に対しては、単に元の画素値の定数倍（例えば
０．５倍）とし、部分領域のヒストグラムからの線形変
換に起因するハレーションをなくすようにする。

【００１１】また、フレーム単位に繰り返し入力される
画像データに対して行う場合は、目的とする領域を入力
画像データの中央に固定された一定の領域とするように
し、常に撮影している画像の中央の一定領域部分が最適
なコントラストに表示されるようにする。そのため、画
像コントラストを改善した画像データを連続して観察す
ることが可能になる。

【００１２】このように、本発明によると、例えば観察
する半導体材料の画像内に幾つかのコントラスト領域が
存在し、目的とする関心領域のコントラストが圧縮され
る場合、関心領域の濃淡ヒストグラムのみからヒストグ
ラムを線形変換するＬＵＴデータを算出できる。フレー
ム単位に繰り返し入力される画像データに対しても、目
的とする関心領域を撮影前に予め決めておくことで、繰
り返し入力される関心領域の濃淡ヒストグラムから変換
関数を連続的に算出するようにできる。また、ヒストグ
ラムの線形変換で、注目する領域以外の画素階調に対し
ては、単に元の画素値の定数倍とし、部分領域のヒスト
グラムからの線形変換に起因するハレーションをなくす
こともできる。

【００１３】その結果、撮影された画像もしくは撮影を
行う画像に対し、目的とする関心領域の画像コントラス
トを適切に改善する濃度変換関数を設定することがで
き、電子顕微鏡が常に目的部分のコントラストの強調し
た視認性の良い画像を表示すること、さらに、そのよう
な画像を実時間で連続して表示することが可能となる。
すなわち、本発明の画像処理装置は、表示画像上の領域
を指定する領域指定手段と、領域指定手段によって指定
された領域内の画素の濃淡ヒストグラムを求めるヒスト
グラム演算手段と、画素の濃淡レベルを変換する濃淡レ
ベル変換手段とを備え、濃淡レベル変換手段における濃
淡レベルの変換関係をヒストグラム演算手段によって求
められた濃淡ヒストグラムから導出することを特徴とす
る。

【００１４】また、本発明の画像処理装置は、画像表示
装置と、画像表示装置に表示された画像上の領域を指定
する領域指定手段と、領域指定手段によって指定された
領域内の画素の濃淡ヒストグラムを求めるヒストグラム
演算手段と、画素の濃淡レベルを変換する濃淡レベル変
換手段とを備え、濃淡レベル変換手段における濃淡レベ
ルの変換関係をヒストグラム演算手段によって求められ
た濃淡ヒストグラムから導出し、濃淡レベル変換手段に
よって濃淡レベルが変換された画像を画像表示装置に表
示することにより、領域指定手段によって指定された領
域の画像コントラストを改善する機能を有するとを特徴
とする。

【００１５】濃淡レベル変換手段は、領域指定手段によ
って指定された領域以外の画素の濃淡レベルを入力され
た濃淡レベルの定数倍に変換することができる。例え
ば、指定領域以外の画素に対しては、その濃淡レベルを
入力レベルの０．５倍とすることにより、指定領域以外
ではコントラストが多少低下するとしても、ハレーショ
ンを抑えて全体像の中での指定領域の位置関係を確認し
ながら指定領域に関しては高コントラストな像観察を行
うことができる。

【００１６】領域指定手段は画像撮影前に領域を指定す
る機能を有し、フレーム単位で繰り返し入力される各画
像に対してヒストグラム演算手段によって濃淡ヒストグ
ラムを求め、濃淡レベル変換手段は各画像に対して濃淡
レベルの変換関係を導出することができる。この機能に
より、連続して撮影される画像に対しても、指定領域に
関しては常に高コントラストな状態で像表示を行うこと
ができる。

【００１７】濃淡レベル変換手段による変換は、ヒスト
グラム演算手段によって求められた濃淡ヒストグラムの
線形変換とすることができる。領域指定手段はマウス等
を用いて表示画像上で対話的に領域を指定する機能を有
するものであることが好ましい。また、領域指定手段
は、表示画像の中央の所定領域を自動的に領域指定する
ようにしてもよい。この自動的な領域指定は、連続して
撮影される画像を表示する場合に特に有用であり、操作
者が一つひとつの画像に対して一々領域指定を行う必要
が無いため、コントラストを改善した画像の連続撮影が
可能になる。

【００１８】また、本発明は、電子線やイオンビーム等
の荷電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子線照射
手段と、荷電粒子線の試料上での照射位置を走査する荷
電粒子線走査手段と、荷電粒子線照射によって試料から
発生した二次電子や反射電子等の試料信号を検出する検
出手段と、検出手段によって検出された試料信号を処理
する画像処理手段と、画像処理手段によって処理された
試料像を表示する画像表示手段とを備える荷電粒子線装
置において、画像処理手段は前記した本発明の画像処理
装置を備えることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。ここでは、走査電子顕微鏡において試料像
を画像表示する場合を例にとって説明する。図３は、本
発明のコントラスト改善機能を有する電子顕微鏡の一例
のブロック図である。電子顕微鏡の鏡体部３０１に配置
された電子銃３０２から発せられた電子線３０３は、図
示されていない電子レンズによって収束され、試料３０
５に照射される。電子線照射によって、試料表面から発
生する二次電子あるいは反射電子の強度が電子検出器３
０６によって検出され、増幅器３０７で増幅される。３
０４は電子線の位置を移動させる偏向器であり、制御用
計算機３１０の制御信号３０８によって電子線を試料表
面上でラスタ走査させる。増幅器３０７から出力される
信号を画像処理プロセッサ３０９内でＡＤ変換し、デジ
タル画像データを作る。画像データは、表示装置３１１
に表示される。また、画像表示プロセッサ３０９は、デ
ジタル画像データを格納する画像メモリと各種の画像処
理を行う画像処理回路、表示制御を行う表示制御回路を
持つ。制御用計算機３１０には、キーボードやマウス等
の入力手段３１２が接続されている。

【００２０】図４は、本発明によるコントラスト改善処
理を連続観察ではなくオフライン処理として行う場合の
処理フローである。コントラスト変換前の全領域の画像
を撮影し（Ｓ４０１）、表示された画像（Ｓ４０２）に
対して、関心領域の指定を行う（Ｓ４０３）。領域指定
の方法としては、図２の２０１に示すように全画像領域
上にマウス等の入力手段で目的領域をＧＵＩを使い指定
する方法を用いることができる。続いて、指定した領域
のヒストグラムを計算し（Ｓ４０４）、それをもとに
〔数１〕に従ってＬＵＴデータを計算する（Ｓ４０
５）。算出されたＬＵＴデータはＬＵＴデータ用メモリ
に設定格納され（Ｓ４０６）、それを用いて全領域の画
素値が変換される（Ｓ４０７）。変換された画像は、指
定された領域のコントラストが最適に強調され、表示さ
れる（Ｓ４０８）。

【００２１】図５は、本発明によるコントラスト改善処
理を連続的に行って観察する場合、つまりオンライン処
理として行う場合の処理フローである。コントラスト変
換前の全領域の画像を撮影し（Ｓ５０１）、画像内の予
め決められていた領域のヒストグラムを計算し（Ｓ５０
２）、それをもとに〔数１〕に従ってＬＵＴデータを計
算する（Ｓ５０３）。算出されたＬＵＴデータはＬＵＴ
データ用メモリ設定格納され（Ｓ５０４）、それを用い
て全領域の画素値が変換される（Ｓ５０５）。変換され
た画像は、指定された領域のコントラストが強調され、
表示される（Ｓ０６）。撮影終了かどうかの判定（Ｓ５
０７）で撮影終了の入力がない場合（通常、エンターキ
ーの押下等の入力がなされる）、ステップ５０１に戻
り、一連の処理を繰り返す。これにより、目的とする領
域のコントラストが強調された画像を連続的に表示、観
察することができる。また、この場合、目的とする領域
のみを切り出して処理するわけではないので、全体画像
と目的とする関心領域の位置関係を把握することが可能
であり、目的部分を捜しながら観察を行う場合などには
有用性の高いものになる。

【００２２】図６は、本発明のコントラスト改善法を実
行可能とする画像処理プロセッサの一例の構成概略図で
ある。通常の入力から表示までは次の経路をとる。入力
部（電子顕微鏡本体）６０１から入力された信号は、入
力ＬＵＴ６０２を通り、入力処理演算部６０３に入る。
入力処理演算部６０３で加算処理等をされた信号は出力
ＬＵＴ６０４を通り、画像メモリ制御部６０５から画像
メモリ６０６へ送られ、さらに表示制御部６０７を経
て、表示部６０８で表示される。入力ＬＵＴ６０２及び
出力ＬＵＴ６０４には通常、入力値をそのまま出力する
ような線形のデータが設定されている。

【００２３】オフライン処理で目的とする関心領域を設
定する場合は、表示部６０８から指定された領域を制御
用計算機６１１が画像メモリ制御部６０５を介して画像
メモリ６０６から呼び出し、入力処理演算部６０３を通
してヒストグラム演算回路６０９に入力する。ヒストグ
ラム演算回路６０９で演算されたヒストグラムは、ヒス
トグラムメモリ６１０に格納される。このデータをもと
に制御用計算機６１１が前記〔数１〕に従った演算を行
い、出力ＬＵＴデータを設定する。そして、この出力Ｌ
ＵＴデータを使い、画像メモリ内の画像データを出力Ｌ
ＵＴ６０４で画素値変換を行い画像表示する。コントラ
スト改善法に用いるヒストグラムの線形変換の計算式
〔数１〕において、ｘ₀はヒストグラムの最小値からの
累積画素数が全体画素数のε％（通常は０．５％程度）
を越えない範囲の最大濃淡レベルであり、ｘ₁は最大値
からの下降方向に累積された画素数が全体画素数のε％
（通常は０．５％程度）を越えない範囲の最小濃淡レベ
ルである。この濃度値ｘ₀，ｘ₁を濃度値のＸ_min、Ｘ_max
とするようにヒストグラムを線形変換する。入力値ｉに
対して出力値が〔数１〕で変換されるＴｉになるよう
に、出力ＬＵＴ６０４のテーブル値を設定することでコ
ントラストの線形変換が行われる。

【００２４】また、オンライン処理で、予め目的とする
部分領域を指定し連続的にコントラスト改善を行う場合
は、通常の撮影と同様の経路で、画像メモリ６０６に画
像を取り込み、予め指定された領域を制御用計算機６１
１が画像メモリ６０６から呼び出し、オフライン処理と
同様にヒストグラム演算を行い、出力ＬＵＴ６０４のデ
ータを計算し、設定する。そして、画像メモリ６０６内
に入力された画像データを出力ＬＵＴ６０４で画素値変
換し、表示部６０８に表示する。この過程を連続的に繰
り返すことでオンライン処理が実行できる。

【００２５】図７は、本発明のコントラスト改善法を実
行するＬＵＴデータの説明図である。点線は、通常設定
されている、入力値をそのまま出力する線形のＬＵＴデ
ータである。実線は、前記〔数１〕に従って線形変換を
行う場合のＬＵＴデータである。この場合、ｘ₀〜ｘ₁の
範囲の入力がＸ_min〜Ｘ_maxまでの出力範囲に広げられ
る。つまり、入力時に狭い濃度分布にあり、コントラス
ト差があまり生じていないものが、広い濃度分布を持つ
ようにコントラストが改善される。

【００２６】以上、本発明を、走査電子顕微鏡の試料像
を表示する場合を例にとって説明した。しかし、本発明
は走査電子顕微鏡への適用に限られるものではなく、集
束イオンビーム装置など他の荷電粒子線装置における試
料像の表示、その他の画像表示一般に適用可能なもので
ある。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、関心領域のコントラス
トが強調された視認性の良い画像を表示でき、またその
ような画像を実時間で連続して表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術によるヒストグラムの線形変換の説明
図。

【図２】本発明の部分領域のヒストグラムを用いた線形
変換の説明図。

【図３】本発明によるコントラスト改善機能を有する電
子顕微鏡の構成概略図。

【図４】本発明によるコントラスト改善法のオフライン
処理フローチャート。

【図５】本発明によるコントラスト改善法のオンライン
処理フローチャート。

【図６】本発明によるコントラスト改善法を実行する画
像処理プロセッサの構成概略図。

【図７】本発明のコントラスト改善法を実施する場合の
ＬＵＴデータの説明図。

【符号の説明】

３０１…電子顕微鏡の鏡体部、３０２…電子銃、３０３
…電子線、３０４…偏向器、３０５…試料、３０６…電
子検出器、３０７…増幅器、３０８…制御信号、３０９
…画像処理プロセッサ、３１０…制御用計算機、３１１
…表示装置、３１２…入力手段、６０１…入力部、６０
２…入力ＬＵＴ、６０３…入力処理演算部、６０４…出
力ＬＵＴ、６０５…画像メモリ制御部、６０６…画像メ
モリ、６０７…表示制御部、６０８…表示部、６０９…
ヒストグラム演算回路、６１０…ヒストグラムメモリ、
６１１…制御用計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 滋 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 依田 晴夫 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示画像上の領域を指定する領域指定手
   段と、前記領域指定手段によって指定された領域内の画
   素の濃淡ヒストグラムを求めるヒストグラム演算手段
   と、画素の濃淡レベルを変換する濃淡レベル変換手段と
   を備え、 前記濃淡レベル変換手段における濃淡レベルの変換関係
   を前記ヒストグラム演算手段によって求められた濃淡ヒ
   ストグラムから導出することを特徴とする画像処理装
   置。
2. 【請求項２】 画像表示装置と、前記画像表示装置に表
   示された画像上の領域を指定する領域指定手段と、前記
   領域指定手段によって指定された領域内の画素の濃淡ヒ
   ストグラムを求めるヒストグラム演算手段と、画素の濃
   淡レベルを変換する濃淡レベル変換手段とを備え、 前記濃淡レベル変換手段における濃淡レベルの変換関係
   を前記ヒストグラム演算手段によって求められた濃淡ヒ
   ストグラムから導出し、前記濃淡レベル変換手段によっ
   て濃淡レベルが変換された画像を前記画像表示装置に表
   示することにより、前記領域指定手段によって指定され
   た領域の画像コントラストを改善する機能を有するとを
   特徴とする画像処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の画像処理装置にお
   いて、前記濃淡レベル変換手段は、前記領域指定手段に
   よって指定された領域以外の画素の濃淡レベルを入力さ
   れた濃淡レベルの定数倍に変換することを特徴とする画
   像処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の画像処理装置
   において、前記領域指定手段は画像撮影前に領域を指定
   する機能を有し、フレーム単位で繰り返し入力される各
   画像に対して前記ヒストグラム演算手段によって濃淡ヒ
   ストグラムを求め、前記濃淡レベル変換手段は前記各画
   像に対して濃淡レベルの変換関係を導出することを特徴
   とする画像処理装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項記載の画像
   処理装置において、前記濃淡レベル変換手段による変換
   は前記ヒストグラム演算手段によって求められた濃淡ヒ
   ストグラムの線形変換であることを特徴とする画像処理
   装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項記載の画像
   処理装置において、前記領域指定手段は表示画像上で対
   話的に領域を指定する機能を有することを特徴とする画
   像処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれか１項記載の画像
   処理装置において、前記領域指定手段は表示画像の中央
   の所定領域を自動的に領域指定することを特徴とする画
   像処理装置。
8. 【請求項８】 荷電粒子線を集束して試料に照射する荷
   電粒子線照射手段と、荷電粒子線の試料上での照射位置
   を走査する荷電粒子線走査手段と、荷電粒子線照射によ
   って試料から発生した試料信号を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された試料信号を処理する画
   像処理手段と、前記画像処理手段によって処理された試
   料像を表示する画像表示手段とを備える荷電粒子線装置
   において、 前記画像処理手段は請求項１〜７のいずれか１項に記載
   の画像処理装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装
   置。