JPH0496572A - 画像の復元処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、画像の復元処理方法に関するもので、特に
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の改善に使用される復元
処理方法に関する。

（従来の技術） 画像の改善処理方法として、従来から使用されている技
術に、次のものがある。

（１）　　平滑化処理（スムージング、ｓｍｏｏｔｈｉ
ｎｇ）この方法は、得られた信号成分と雑音成分の周波
数特性に差があるとき、特に威力を発揮するもので、そ
の演算方法として次のものがある。

■　移動平均処理：これは、得られた画像を直接処理す
るもので、空間フィルタリング処理、メデイアンフィル
タリング処理等の処理方法がある。

■　周波数領域処理：これは、得られた画像ブタに、−
度フーリエ変換を行って周波数領域に変換し、適当なフ
ィルタ（ガウス、ハミング、ハニングウィンド等）をか
けた後、逆フーリエ変換するものである。

（２）　　加算平均化処理（アベレージング、ａｖｅｒ
ａｇｊｎｇ）：　この処理は、繰り返し入力を行った後
に各画素単位に平均化する処理で、平滑化処理とは異な
り、信号と雑音との周波数特性の差を必要としない特色
がある。

上記平滑化処理の中で、移動平均処理は広く用いられて
いるが、その目的は周波数領域でのロウバスフィルタに
相当するもので、高周波成分を持つ不規則雑音中に埋も
れた、比較的周波数の低い信号を抽出することにある。

したがって、従来では、一般に、平滑化処理と加算平均
化処理とを組み合わせて、信号成分とは異なった周波数
特性を持つ雑音成分を平滑化処理によって除去し、一方
不規則雑音を加算平均処理によって除去して、画像の復
元化を図っている。

この処理において、今、処理前の元画像での雑音の分散
をσ　　：平滑化処理後の雑音の分散をし、更に平滑化
点数または加算回数をＮとすると、雑音が完全に無相関
である場合、 雑音が完全に相関を持つ場合、 となる。通常、雑音はある程度の相関があるため、その
効果は（＋）、　（２）の中間の値を持つ。そこで、Ｎ
を大きくしていくと、式０）から理解されるように雑音
の軽減効果は向上していくが、信号の歪みはこれと背反
関係にあるので徐々に増加していく傾向がある。

したがって、画像上の微小な変化を復元するためには、
平滑化点数をできるだけ小さく、加算回数をできるだけ
大きくすることが望ましい。これを実現するには、加算
していくときの同期精度が高く、なおかつ加算しても時
間的変化の伴わない対象物が要求される。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような、従来から行われている画像の改善処理方
法においては、特に電子ビームの照射によって次のよう
な問題点が生じる。即ち、（１）ＳＥＭで試料観察を続
けて行くと、試料表面の粒径が大きくなったり、あるい
は表面に被膜が形成されるという現象が発生する。これ
は、コンタミネーションと呼ばれる現象で、真空雰囲気
中の炭化物が電子照射によって変質して試料表面に固着
したものである。このメカニズムは、表面拡散説が定説
となっており、電子照射領域で変質固着し面密度が減少
した炭水化物の分子が、試料の表面拡散によって電子照
射領域に補給された結果、生じるものであると考えられ
ている。このコンタミネーションの結果、ＳＥＭ画像は
時間好適に伴って画像が暗くなって観測される。したが
って上述した、対象物の微小な変化を捕らえるための加
算平均化処理において、その加算回数をあまり大きくす
ることは出来ない。なお、このモデル計算では、コンタ
ミネーション率には、次式で示される。

ＫＣ（Ｊｏ　／ｒｏ　２　（１＋Ｊｏ　σｔ／ｅ）なお
、Ｊｏ・・・電子ビーム電流密度 ｒＯ・・・電子ビームの半径 σ・・・コンタミネーション断面積 τ・・・拡散分子の滞在時間 を示す。

（２）絶縁物をＳＥＭで観察するとき、加速電圧がある
程度以上に高くなると、画像上に白く輝いた部分が現れ
、場合によっては画像に歪みが生じる。これは試料の二
次電子放出比が１．０より小さいために、試料表面が負
になる（帯電する）結果束じるものと思われている。こ
の現象はチャージアップ現象と呼ばれ、これによって、
得られる信号波形に歪みが生じ、その結果線幅測長では
、測長ばらつきが増大し、かつ画像観察においても解釈
を誤る可能性が高くなる。

以上のような２点から、特に絶縁物のＳＥＭ観測におい
ては、画像の解像度を向上するために高エネルギーの電
子ビームを用いることが出来ない、したがって、試料が
金属などの場合に比べると、比較的低い電子ビームエネ
ルギーによって観測を行わざるを得ない。さらにまた、
コンタミネーションの発生を防止するために、画像復元
処理において加算回数を比較的小さくする必要がある。

その結果、上記従来の画像復元処理方法では、充分に対
象物の微小変化を捕らえることが出来ず、そのため新た
な画像復元処理方法が期待されている。

なお、上述したＳＥＭの電子ビーム照射による問題点に
関しては、Ｌ、Ｒｅｉｍｅｒ著、５ｃａｎｎ　Ｉｎｇ　
ＩＥＩｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　（Ｓｐｒ
ｉｎｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇ、ＮｅｗＹｏｒｋ、１９８５
　）に詳細に説明されている。

この発明は、従来の画像復元処理方法における上記のよ
うな問題点に関してなされたもので、その目的は、低エ
ネルギーの電子ビームによるＳＥＭ画像であっても、対
象物の微小変化を捕らえることが可能な新たな画像復元
処理方法を提供することである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明では、上記課題を解決するために、走査電子顕
微鏡で得られた画像をディジタル処理して鮮明な画像を
得るための画像の復元処理方法において、走査電子顕微
鏡で得られた画像入力をアナログ・デジタル変換処理し
て画像データを得る工程と、前記画像データを空間フィ
ルタリング処理する工程と、前記空間フィルタリング処
理後の画像データを加算平均処理する工程と、前記加算
平均処理後の画像データを画像強調処理する］二程と、
前記加算平均処理後の画像データをｘ、　　ｙおよび斜
め方向に対してソーベル変換処理する工程と、前記画像
強調処理後の画像データとソーベル変換処理後の画像デ
ータとを画像合成する工程、とを具備したことを要旨と
するものである。

（作用） 走査電子顕微鏡から得られた画像は、先ずアナログ・デ
ジタル変換され、デジタルな画像データが得られる。こ
の画像データに対して、通常の空間フィルタリング処理
、加算平均処理が実施される。こうして得られた加算平
均処理後の画像データに対して、次に画像強調処理と、
ソーベル変換による画像の微分処理を並行に実施する。

このソーベルオペレータによる微分処理は、画像上でｘ
、ｙ方向および斜め方向に実施され、その結果画像上で
対象物のエツジが強調される。次に、上記画像強調処理
後の画像と、微分処理後の画像を画像合成する。このよ
うにすることによって、従来では復元することが出来な
かった、対象物表面の微小な変化をも復元することがで
きる。

（実施例） 以下に、この発明の一実施例にかかる画像の復元処理方
法を、第１図のフローチャートを参照しながら詳細に説
明する。

まず、処理を開始しくステップ１）、走査型電子顕微鏡
（以下ＳＥＭと略す）から二次電子信号を画像処理装置
に入力する（ステップ２）。次にこの入力された二次電
子信号をＡ／Ｄ変換し、２５６階調の画像データとして
フレームメモリに蓄える（ステップ３）。なおこの入力
信号のＡ／Ｄ変換は、次のフィルタリング処理のための
信号のデジタル化である。即ち、信号がアナログのまま
であると、フィルタリング処理のためにアナログフィル
タを必要とし、一方アナログフィルタではフィルタ特性
を信号と雑音の性質に対応して任意に変化させるのが困
難な為である。

次に空間フィルタリング処理を行う（ステップ４）。こ
こでは平滑化点数を３×３のフィルタマトリックスに設
定した。マトリックスの順は、ビーム径が１画素のサイ
ズと等しい場合には画素より大きい場合には重み付けを
採用した。

次に、空間フィルタリング処理した画像を引き続き加算
処理するために、１２ビット深さのフレームメモリに転
送し、足し込んでいく　（ステップ５、加算処理）。こ
こでは画素を８ビット階調で処理しているため１２ビッ
ト深さのフレームメモリがあれば充分である。

次に、ステップ６において、上記のンーケンスを指定回
数分だけ繰り返し、繰り返したものと判定されれば、次
のステップ７において平均化処理を実行する。この平均
化処理は、具体的には例えば８回の入力があった場合、
各画素値を８て割る（具体的には３ビツトたけシフト演
算を行う）処理を行うことである。

以上のようにして平均化処理した画像に対し、この発明
では、次に画像強調処理（ステップ８）とソーベル変換
処理（ステップ９）を並行に実行し、各処理後の画像を
ステップ１０において画像合成することにより、最終的
な処理画像を得ている。

すなわち、平均化処理した画像データは、画像強調処理
を実行するステップ８において画像処理され、フレーム
メモリ（Ｉ）に蓄えられる。

これと同時に、上記平均化処理した画像データに対して
、Ｘ方向、Ｘ方向、斜め（４５°）方向の微分処理を実
施する目的で、ソーベルオペレーションを施す。まず、
Ｘ方向（および斜め方向）に微分処理するためにソーベ
ルオペレータとじてンボルーション演算してフレームメ
モリ（ＩＩ）に蓄える。次にＸ方向（および斜め方向）
に微分処理するため、ソーベルオペレータとしてでコン
ポルージョン演算してフレームメモリ（ＩＩＩ）に蓄え
る。次に上記フレームメモリ（ＩＩ）とフレムメモリ（
ＩＩＩ）に格納された画像データを加算し、フレームメ
モリ（ＩＶ）に格納する。このようにしてフレームメモ
リ（ｒＶ’　）に格納されたデータは、Ｘ方向、Ｘ方向
、斜め方向（４５°）の全ての向きに微分処理を実行し
た画像データに相当する。

最後に、ステップ１０において、ステップ８でフレーム
メモリ（１）に格納された画像データと、ステップ９に
おいてフレームメモリ（ＩＶ）に格納された画像データ
を合成し、処理を終了（ステップ１］）する。画像合成
としては、具体的には画像間の平均化処理（加算後に１
ビツトだけシフト）を行う。

上記画像の復元処理方法を行う装置としては、第３図に
示す如くのコンピュータを用いることか一般的ではある
が、他の構成とすることもできる。

次に上記ステップ８における画像強調処理、およびステ
ップ９におけるソーベル変換処理について簡単に説明を
行う。

（線形）画像強調処理 画像中ですべての画素の濃度値（２５６階調なら０〜２
５５の範囲の値を持つ）の中から、最大値Ｆ０１．と最
小値Ｆ　ｍｌ。とを求める。次に各画素を抽出し、この
抽出した画素の持つ濃度値Ｆに対して次式の演算を行い
、新たな濃度値Ｘで置き換える。

ｘ＝ｃＸ　（Ｆ−Ｆｆｆｉ＋−）／　（Ｆ□＋ｔ　　　
Ｆｍ１１）但し、Ｃは定数で、今Ｃ＝２５５とすれば、
０〜２５５の範囲に強調することに相当する。第２図は
、画像強調処理前の画像Ａ、Ｂに対して画像強調処理を
行った画像Ｃの、各信号波形を示す図である。また、画
像は、穴パターン上をＳＥＭ走査した場合に得られた信
号波形を示すもので、図のし１が穴の直径に相当する。

また、波形Ａは、人力信号波形に対して、第１図の加算
平均化処理までを実施した結果得られた信号波形を示し
、Ｂは入力画像に対して空間フィルタリング処理を実施
した結果得られた信号波形を示している。第２図から明
らかなように、画像強調処理を行った信号波形Ｃは、画
像強調処理前の波形Ａ、Ｂよりも、明らかに濃度値の変
化が強調されていることが、理解される。

ソーベル変換処理 ソーベルフィルタはΔＸ７と△Ｙゎの２種類のフィルタ
から構成される。ここで１１はフィルタリング領域の大
きさを示すパラメータで、ｒ１＝１のとき３ｘ３、ｎ＝
２のとき５×５のフィルタリング領域で演算を行う。！
１＝１の場合、の形をとる。なお、ｋは検出する傾きに
よるパラメータであり、通常は１または２の値をとる。

また、△Ｙ１は△Ｘ＋　に対して転置行列の関係にある
。

以」二から、ソーベル変換処理を行った結果の、最終的
な出力画像信号は、 Ｇ（ｉ、ｊ）−（△Ｘ１（ｉ、　ｊ）２十△ｙ、　　（
ｉ、　　ｊ）　２　）　ｌ／２となる。但し、 ｇ（ｕ−１−ｉ、ｖ＋ｉ） △ｙ＋（ｉ、ｊ）　　−Σ　　Σ　　△Ｙ、　　（ｕ、
　　ｖ）・　ｇ　　（ｕ＋ｉ、　　ｖ＋ｉ） を示す。また、ｇは各画素の濃度を示す関数である。

以上、説明したようにこの実施例では、対象物の表面上
の微小な変化を抽出するために、ソーベルオペレータを
用いる微分処理を採用した。微分処理自体としては、他
にも、例えばラブランアンるが、対象物の形状の変化が
、Ｘ＋Ｖ方向以外にも存在することから、エツジ検出を
行う場合は、ソーベルオペレータを用いたコンポルージ
ョン演算が、汎用性かあって有効であると考えられる。

第４図は、上記実施例に従って、深さ５μｒｎ、開口径
０．９μｍの穴パターンをＳＥＭの倍率５５．０００倍
、加速電圧ＩＫＶ、ステージ傾斜角２５″の条件で観察
した場合の、各処理画像を示すものである。まず、第４
図（ａ）は、８回の加算平均処理を行って、第１図のス
テップ６を終了した場合の画像を示す。また、第４図（
ｂ）は、第４図（ａ）の画像に対して（線形）画像強調
処理（ステップ８）を行った結果の画像を示す。さらに
、第４図（Ｃ）は、第４図（ａ）に示す画像に対して、
上記実施例で述べた手順に従ってソベルオペレータを施
した画像と、第４図（ｂ）の画像とを画像合成した結果
の画像である。これら各画像を参照すると、第４図（ｃ
）の画像では、第４図（ｂ）の画像では識別困難であっ
た対象物表面上の微小な変化が容易に識別できるること
が判る。

なお、第４図（ｂ）の画像を得るにあたっては、画像強
調処理として線形強調を行ったが、この処理は線形に限
定されることなく、対数変換のような非線形強調処理で
あっても、同様の効果が得られることは明らかである。

［発明の効果コ 以上、実施例を挙げて説明したように、この発明の画像
復元処理方法では、対象物が絶縁物などであって、加算
平均の回数増加にｆ゛トっでコンタミネーションを発生
し、あるいはヂャージアップ等によって画像の歪みを生
じるようなものでも、比較的低いエネルギーによって得
られたＳ　Ｅ　Ｍ画像から、対象物表面上の微小変化を
容易に識別することが可能な画像を得ることが出来るの
で、非常に有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる画像復元処理方法
の処理手順を示すフローチャー１・、第２図は第１図の
処理手順における画像強調処理を説明するためのクラフ
図、 第３図は第１図に示す処理方法を行う装置の一例を示す
図、 第４図は第１図のフローチャー１・における各段階で得
られた画像を示す図である。 Ａ、Ｂ・・・画像強調処理前の信号波形Ｃ・・・画像強
調処理後の信号波形

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査電子顕微鏡で得られた画像をディジタル処理
   して鮮明な画像を得るための画像の復元処理方法におい
   て、 走査電子顕微鏡で得られた画像をアナログ・デジタル変
   換処理して画像データを得る工程と、前記画像データを
   空間フィルタリング処理する工程と、 前記空間フィルタリング処理後の画像データを加算平均
   処理する工程と、 前記加算平均処理後の画像データを画像強調処理する工
   程と、 前記加算平均処理後の画像データをｘ、ｙおよび斜め方
   向に対してソーベル変換処理する工程と、前記画像強調
   処理後の画像データとソーベル変換処理後の画像データ
   とを画像合成する工程と、を具備することを特徴とする
   画像の復元処理方法。