JPS6380453A - 走査電子顕微鏡の画像補正装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は走査電子頭微鏡に係り、特に配電盤やケーブル
などからの電源磁場による画像歪みや、繰り返し画像１
１？１時における走査の振動に伴う画像の乱れを補正し
、画像上のパタンの形状の歪みや長さの誤差の少ない走
査画像を得るに好適な走査電子頭微鏡の画像補正装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の技術は２本出願人による特願昭６０−１２５７３
１号（昭和６１年６月２日出願）、に記載のように、走
査画像上に現われる波型の振動歪みから、画像ライン間
の相関情報をもとに走査振動を推定し振動歪みを補正す
る方式をとっていた。しかし、画像振動歪みの要因が磁
気シールドを通過した電源磁場である場合には、電子線
の振動による歪みは画像上でゆっくり変化するものとな
る。なぜならば、通常ランダムな振動歪みを避けるため
、電子線走査の開始は電源位相と同期させてあり、走査
ライン間の歪みはほぼ等しいためである。画像上の形状
の歪みがゆっくり変化する場合には、局所的には画像は
大きな変形を受けておらず、従って、画像ライン間の相
関情報からは振動歪みの推定がでないという点について
は配慮されていなかった。

また、特願昭６０−２２８６８３号（昭和６０年１０月
１６日出願）では、繰り返し画像観察時における各フレ
ーム画像間の位置ずれを、フレーム画像中に選んだ小領
域どうしの二次元相互相関を計算することによって検出
するものであった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、振動歪みが画像上でゆっくり変化する
場合、画像ライン間の相関情報が歪みの無い場合のそれ
と等しくなる点については配慮がされおす、画像ライン
間の相間情報からは走査振動の推定および歪みの補正が
できないという問題があった。

また、上記従来技術は、フレーム画像のＳ／Ｎが良い場
合、又Ｓ／Ｎが多少悪くても、観察対象が充分なテクス
チャーを持つ場合には、位にずれ検出精度に問題はない
が、Ｓ／Ｎが悪く、かつ平坦部の季い半導体などのよう
なｗＡａ対象の場合に大な演算量を必要とした。

本発明の第１の目的は、電源磁場に起因し画像上でゆっ
くり変化する画像歪みを画像処理により推定し、補正す
ることのできる走査電子頭微鏡の画像補正装置を提供す
ることにある。

本発明の第２の目的は、低Ｓ／Ｎのフレーム画像のうち
、ある方向への投影データが、その画像特有のバタンを
示す場合につき、フレーム画像間の位置ずれ検出を少演
算量がっ高精度に行い、繰り返し観察時における画像の
振動を取り除くことのできる走査電子頭微鏡の画像補正
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記第１の目的は、電源のある同期位相のもとで走査画
像データを得−画像メモリに記憶し、次に同期位相を微
少変化させ歪み変化画像として同一視野の画像データを
再度入力し、両画像データの差を減算器により求めると
ともに、画像データの走査方向および走査垂直方向の微
分値を微分演算器により求め、これらの差および微分値
より、歪み微少変位に関する画像データ変化の差分方程
式に基づいて最小自乗法により、画像上の電源磁場歪み
強度を推定し、推定した歪みにより画像メモリ上の画像
データを補正することにより、達成される。

また、上記第２の目的は、投影データが特有パタンを示
す方向への投影データを各フレーム毎に求め、該投影デ
ータを用いた一次元相互相関計算を行うことにより達成
される。

〔作用〕

第２図により、本発明による画像歪み推定の原理を示す
、第２図（ａ）は、走査電子頭微鏡の出力である電子線
走査画像の座標系を示す０図図（ｂ）は、撮像対象にお
かれた座標系を示す、電子線が何の外乱も受けずに、正
しく撮像対象を走査する場合には、出力画像座標（ｓ＋
　ｔ）は、撮像対象座標（ｘ＋ｙ）に一致する。しかし
、今５０Ｈｚの電源浮遊磁場が電子線走査に偏位をもた
らし、しかも走査周期が通常の走査電子頭微鏡のスロー
スキャンモードにおける４　０　ｍ　ｓあるいはその数
倍であり、かつ電子線走査開始に電源位相との同期すな
わち位相がＯの時点で電子線走査が開始するフェーズロ
ックがかかっている場合には、出力画像は以下のように
に歪む。なお歪みの様子を第２図に模式的示す。

出力画像座標（Ｓｌｔ）に対応する撮像対象座標上の点
（ｘ、ｙ）は次式で表わされる。

ｘ　＝　ｓ＋α５ｉｎ（ωＳ＋θ）　　　　（１）ｙ＝
ｔ＋β５ｉｎ（ωＳ＋θ）　　　　（２）ここで、α、
βはそれぞれ走査方向、走査垂直方向の電子線偏差（浮
遊磁場による振動）の振幅であり、ωはＴｈ振動周期で
あり、式（１）、（２７において、振動周期と位相は既
知であり、振動α。

βが推定すべき振動パラメータである。

撮像対象座標（ｘｅｙ）における画像強度ｆ（ｘ、ｙ）
は、式（１）、（２’）の座標変換式により形状的に歪
み、出力画像座標（Ｓｌｔ）上の出力画像強度は同期位
相θもパラメータとして、次式で表わされる。

ｇ　（ｓ、ｔ、　０　）＝ｆ（ｓ＋　α５ｉｎ（ωｓ十
〇）。

ｔ＋βｓｉｎ　（ωＳ＋θ））　　　（３）今、式（３
）を、同期位相θについて偏微分すると。

となり、出力画像座標ｓ、ｔについてこの偏微分は、 δＳ　　　ａＸ ａｙ ａｔ　　　ａｙ となる０式（４）、（５）より、 θＳ　　δθ　　　　ａＸ である。上式と式（６）、式（４）より、なる、未知数
α、βを変数とする線形式が得られる０式（８）は、出
力画像座標（８１ｔ）上のすべての点で成り立つため、
α、βを推定するためのａｍ＋＋方程式が画素数会得ら
れることになる。振動振幅α、βの推定は最小自乗法に
より、誤差最小で推定できる。

実際の画像処理では、微分演算は差分演算で近似する。

最も粗い近似としては、 δ　Ｓ δ　ｔ δ　θ ｇ　（Ｓ　ｅ　ｔ＋θ））／Δθ　　　　　　（１１）
を用いればよい０式（１１）は、同期位相を微少量Δ０
変化させて得た２枚の画像の差の演算となる。

以上より、α、βの推定の演算は、式（８）をａ、ａ＋
ｂ、β＝＝　ｃ　ｔ　　　　　　　　　（１２）と書き
換えて により求まる。ここでｉは画素の通し番号、Ｎは推定に
使用する総画素数である。

上記振動推定方式は、異なる走査撮像モードすなわち、
走査画像をモニタに表示する高速スキャンモードでも成
立する。高速スキャンモードでは通常１フレームの撮像
を電源周波数と同期して行い、さらに１フレームの走査
開始にフェーズロックをかけるため、歪みを表わす式（
１）、（２）さらに振動振幅α、βの推定式（８）は以
下のようになるが、基本的歪み推定手順は同− ｘ＝ｓ＋αｓｉｎ　（＋ｔ＋θ）　　　　　　　　（１
４）Ｙ＝ｔ＋β５ｉｎ（ｖｔ＋θ）　　　　　　　　（
１５）である、ここで、■は走査垂直方向に見た振動周
波数である。

また、ｔ１！子線走査開始の電源同期が固定的位相で行
う場合でも、視野を微少量ずらして得た出力画像データ
の座標を逆向きに等量シフトすることにより、実質上同
期位相をずらした出力画像を得ることかできる。なぜな
らば、たとえば式（３）において、視野をΔｄだけ走査
方向に移動した出力画像ｇ’（ｇｏ　ｔｔ　（＋）は、 ｇ’（Ｓ＋ｊｔθ）＝　ｆ　（ｓ＋　α５ｉｎ（ωｓ十
〇）Δｄ、ｔ＋β５ｉｎ（ωｓ＋θ））　　　　（１７
）であり、出力画像をシフトしたものは、ｇ’（Ｓ＋ｊ
＋θ）＝ｇ’（ｓ−Δｄ、ｔ、θ）＝　ｆ　（ｓ　＋　
ａｓｉｎ（ωｓ＋θ−ωΔｄ）。

ｔ＋βｓｉｎ　（ωＳ＋θ）） ”　ｇ　（９ｔ　ｔ　Ｈ０−（１１Δｄ　）　　　　　
　　（１８）となるからである、なお、高速スキャンモ
ードにおいては、視野と出力画像座標のシフトを走査垂
直方向に行えばよい。

なお、上記原理説明では１画像上の電源磁場振動は一定
時間（たとえば２〜３分間）定常であることを前提とし
たが、定常性が弱い場合には、ｉ’ｌｔ子線走査を同期
位相を切り換えて２度ずつ縁り返し、　　（１３）式の
最小自乗法を行う範囲も定常性が近似的に成り立つ範囲
で行うと良い。

つぎに、フレーム画像間の位置ずれ検出をおこなう原理
について説明する。

フレーム画像の雑音として、加算的な白色系雑音を考え
る。又、投影データが特有パタンを示す方向を、走査垂
直方向に一致させておく。ｉ番目のフレーム画像のｉ番
目の走査ラインデータを一次元信号と見なしｇｉＪ（ｔ
）と書くと、上記仮定より ｇｔＪ（ｔ）　＝　ｆ　ｔ（ｔ）＋　ｎｔＪ（ｔ）　　
　　　　（１９）となる。ここでｆｉ（ｔ）は信号成分
、ｎ１Ｊ（ｔ）は雑音成分である。投影ライン数をＮと
した場合の第ｊフレーム画像の投影データＰ、（ｔ）は
９式％式％ と表わされる。上式が、画像に特有な投影パタンを表わ
す方式である。上式右辺第１項は、各フレーム画像間に
共通な信号成分の投影データで、同第２項は、各フレー
ム画像で独立な雑音の投影データであるが、第２項の分
散は、投影処理によりｆｆに比例して減少するため、Ｎ
を大きく取ることによってＰＪ（ｔ）への雑音の影響を
小さくすることができる。従って投影処理によって得ら
れる特有パタンは、はぼ信号そのものが持つ特有な投影
パターンを反映することになり、これによって信号の持
つ情報を失うことなく雑音の影響を抑えた精度良い相互
相関計算が行え、位置ずれ誤検出を防ぐことが可能とな
る。

次に本発明による演算量低減の効果を示す、チップサイ
ズＭＸＮの２次元相互相関計算に要する総演算数Ｃ□０
は Ｃｏｏ　＝（２ＭＮ　−１）Ｘｍ である。ここでｍは、相関演算の代表点数である。

これに対し、Ｍ点のデータを区間Ｎで投影し、ラインセ
グメント長にで相関計算すると総演算数ＣＰは ＣＰ＝（Ｎ−１）Ｍ＋（２に−１）Ｘｍとなる１両者の
比を取ると となる０例として、Ｍ＝Ｎ＝１００．に＝１００、ｍ＝
１０、の場合を計算すると、 となり、二次元相互相関に対し、１／１６の演算量で済
む。

最後に、本発明の適用による効果について述べる。イメ
ージメモリを内部に持つ加算書き込み機能付き走査電子
頭微鏡において、各加算画像の位置ずれを加算前に検出
・補正できる。これにより、加算後の画像の位置ずれに
よるボケを防止できるため、鮮明な画像が得られる。又
、−膜形走査電子頭微鏡（イメージメモリ内蔵形を含む
）においては、検出した画像のシフトを、電子線走査系
へフィードバックすることによって視野固定ができる。

これによって、例えば、時間経過による対象画像のドリ
フトや、試料台を傾けて観察するいわゆる立体観察にお
ける試料の視野逸脱を防止でき、ａｍ者の視野調整に要
する負担を軽減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図により説明する。

交流電源１からの信号は、電源位相検出装置２により位
相が検出され、位相がＯの時点でアドレス発生装置３に
同期信号が送られ、アドレス発生装！！３は、走査開始
待ち状態にある場合、走査量−１０を入力し、電源位相
検出装置２よりの同期信号を待つ、同期信号を受けると
アドレス発生装ａ３は、内部クロックのカウンタを開始
し、カウント値が走査開始位相θと等しくなった時点で
、画像メモリ上のアドレス系列の発生を開始し、１ライ
ン分のアドレスを発生、再び待ち状態に入る。走査開始
位相θとしては、θ＝０がスイッチ４によりまず与えら
れる。アドレス発生装置３は、アドレス系列を発生する
と同時に走査開始同期信号を、電子線走査信号発生装置
５に送る。電子線走査信号発生装置５は、積分演算回路
を用い、走査開始同期信号に起動されて、リニアな走査
信号を発生する。走査電子頭微鏡６からは、走査信号に
従って撮像した画像信号が出力され、Ａ／Ｄ変換器７に
よりＡ／Ｄ変換されたデータが、スイッチ８を通してア
ドレス発生装置ｉ１３からのアドレス位置の画像メモリ
９に記録される。１画像分の走査画像データが画像メモ
リ９に格納されると、スイッチ４と８は、第１１！！！
Ｉの位置に切り換えられ、再度画像データの入力が行わ
れる。すなわち、走査開始位相θはΔθとされ、画像メ
モリ９に記録された画像とは、電源磁場歪みが微少位相
Δθずれた画像が撮像される。撮像画像データはスイッ
チ８を通り、加算器１０に入り、画像メモリ９から読み
出された画像データとの差が求められる。

差画像データは、微少位相の逆数１７Δθと乗ぜられ、
式（１２）の値すなわち式（１３）におけるｃｌが求ま
る１以上の演算およびＣ１の出力はアドレス発生装置３
のクロックごとに行なわれ、一方、これに同期して、画
像メモリ９の走査画像データは加算器１１．１２に入力
され１式（９）９式（１０）の値が求めらる。ただし、
走査方向の微分である式（９）には、１画素分のレジス
タ１３が用いられ、走査垂直方向の微分である式（１ｏ
）の演算には、１走査ライン分のシフトレジスタ１４が
用いられる０式（８）中の、振動振幅α、βの係数、す
なわち式（１２）のａｌｅ　ｔ）ｉは、第１図に示すよ
うに求められる。係数ａｉは、加算器１゜の出力に、定
数ω／Δθを乗じ、加算器１１の出力から減じ、コサイ
ン関数テーブル１５をアドレス発生装置３の出力である
走査方向出力画像座標Ｓにより参照して得たｃｏｓ（ω
Ｓ）の値を乗じて得られる。なお、コサイン関数テーブ
ル１５には、あらかじめテーブル計算手段１６によりｓ
＝１゜２、・・・、５１２に対するコサイン関数ＣＯＳ
　（ωＳ）が計算され、テーブル１５に値がセットされ
ている。係数ｂ１は、加算器１２の出力に、コサイン関
数テーブル１５の参照値を乗じて得られる。５つの乗算
器１７〜２１で、アドレス発生装置１３のクロックごと
に出力される３つの係数ａｌｅ　ｔ）ｉｔＱ１間の演算
結果ａｉＱ１ｗ　’）ｉｃｉｏ　ａｉ”ｔ　ａｉｌ）ｉ
ｔｂｉ２が求められ、振動振幅推定演算手段２２で式（
１３）の累積加算、逆行列演算、行列積演算が行われ、
振動振幅推定値α、βが求められる。振動推定値１．β
は歪補正アドレス演算手段２３に入力され、式（１）、
（２）の逆関数計算により、撮像画像座標系（Ｘｅｙ）
の走査ライン画素座標列（１，１）、（２，１）、・・
・、（５１２，１）、（１゜２）、・・・、（５１１，
５１２）、（５１２，５１２）に対応する。出力画像座
標（ｓ、ｔ）を求め、画像メモリ９をアクセスし、歪み
のない補正画像を出力する。

つぎに、本発明の第２の実施例を第３，４図により説明
する。第３図において、イメージメモリ３１０と画像の
加算書き込み機能を持つ走査電子頭微鏡３１は、処理開
始信号の受信により、Ａ／Ｄ変換器３９でディジタル化
された走査信号を除算器３１８で１７加算数の演算をお
こない、得られた値とイメージメモリ３１０中の読み出
しアドレス制御装置３１２で指定されたアドレスの内容
とを加算器３１９により加算し、イメージメモリ３１０
の同アドレスー再び書き込むという処理を１フレームサ
イクルの間連続して行い、これを加算数回繰り返す、一
方、画像シフト検出装置３３は、処理開始信号の受信に
より、まず初期設定として、画像シフト検出における原
点位置決定のため、処理開始直後のフレーム画像の累積
ラインデータを、加算器３４、ラインバッファ３５によ
り走査電子頭微鏡３１の電子線走査に同期して生成し、
その完了と同時に該データを累積ラインデータレジスタ
３６にストアしてこれをベースデータとする。上記初期
設定の後、シフト検出サイクルに入る。シフト検出サイ
クルでは、処理開始より２つ目以後のフレーム画像に対
し、上記と同様に加算器３４、ラインバッファ３５によ
って累積ラインデータを生成し、その完了後直ちに該デ
ータとペースデータ間の相互相関を相互相関演算装置７
によってラインバッファ３５の読み出し位置を変えなが
ら複数点計算する。計算された該相互相関は、その都度
シフト量演算装置３８に転送され比較処理によって最大
値の検出が行われる。相互相関演算の終了と同時に、該
最大値を与える原点からの位置を算出し、それを画像シ
フト量として読み出しアドレス制御装置３１２へ送り出
し、加算書き込み処理における補正量とする 本実施例によれば、画像のシフト補正を電子線走査に同
期した実時間処理で行える。又、画像のシフト補正を、
イメージメモリの読み出しアドレス変更という簡単な処
理で行えるという効果がある。なお、すべての処理が、
走査電子頭微鏡、３１の処理サイクルに同期して行われ
るため、累積データ生成以外の処理は、１フレ一ム間の
時間（ＴＶレートの場合ブランキング時間約１ｍ５ｅｃ
）内に終了させる。又、走査電子頭微鏡３１の加算書き
込み処理と、画像シフト検出装置３３のシフト検出処理
は、完全に並列に進行するため、各フレームサイクルに
おけるシフト検出結果を、そのフｅ＊ レームに直ちに反影させることはできない、そのため本
実施例では、１つ前サイクルでの検出結果を用いている
。

第４図は、イメージメモリを持たない走査電子頭微鏡に
つき、上記読み出しアドレスを変更する代わりに、電子
線走査装置３１３の走査制御信号を直接変更することに
よって画像シフトを補正するものである。走査電子頭微
鏡３２の内部信号は。

すべてアナログであるため、Ａ／Ｄ変換器３１６により
ディジタル化し、画像シフト検出装置３３に送られる。

又、該装置で求められたシフト量は、シフト量−走査位
置変換装置３１７でデータ変換されＤ／Ａ変換器を通し
電子線走査装置３１３へ送られ走査位置を変更する１本
実施例によれば、画像の振動を除去できるだけでなく、
観察対象物の視野逸脱を防止できる効果がある。

なお、上記各フレームサイクルにおいて、画像シフト検
出処理終了後、ラインバッファの内容を累積ラインデー
タレジスタに転送することによって、１つ前のフレーム
画像との位置ずれ検出が可能である。この方法は、誤差
累積の危険性があるが、画像の様相が時間と共に変化す
る場合に有効である。又、第３図において、Ａ／Ｄ変換
器３９と加算器３１９との間にイメージメモリをバッフ
ァとして設け（イメージバッファとする）、入力画像デ
ータを一旦貯え、同フレームサイクルに画像シフト演算
装置３３で計算されたシフト量に応じてイメージバッフ
ァの読み出しアドレスを変更し、イメージメモリに加算
することにより、位置ずれ検出の時間遅れなしに画像シ
フト補正が行え、遅れによる精度低下を防止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、走査電子頭微鏡において、電源浮遊磁
場に起因し画像上にゆっくり変化する形状歪みを、歪み
をわずかに変位させて得た２枚の画像から、差分演算を
中心とする簡便な画像処理で推定し、歪んだ画像を補正
することができるため、配電盤やケーブルなどからの電
源浮遊磁場による画像パタンの形状歪みや半導体線幅測
定誤差などの少ない走査画像を得るに好適な走査電子頭
微鏡を提供できる。

また、Ｓ／Ｎが悪く、低テクスチャーなＨａ対象でも、
ある方向への投影データが画像特有なパタンを示すもの
については、その投影データを用いることによって、Ｓ
／Ｎを改善でき、又、−次元処理となるため、低演算量
かつ高精度に振動補正が行える、画像補正装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の全体構成図。 第２図は本発明の詳細な説明するための、撮像対象座標
と出力画像座標および歪みの説明図、第３図は。 本発明の第２の実施例で、イメージメモリ内蔵型走８１
、Ｆ３や、。４工や、ゆオ、ユ。、Ａいは、本発明によ
るイメージメモリを持たない走査電子頭微鏡の画像補正
装置の全体構成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、走査電子顕微鏡装置において、電源位相検出手段と
   、あらかじめ設定した位相に該検出された位相が一致し
   た時に電子線走査開始を起動する電子線走査制御手段と
   、上記設定した位相で得られた走査画像データを記憶す
   る画像メモリと、上記設定した位相を微少量変化させ同
   一の視野の走査画像データを入力する歪み変位画像入力
   手段と、上記画像メモリの画像データと該歪み変位画像
   入力手段により入力された画像データの差を求める減算
   手段と、画像データの走査方向および走査垂直方向の微
   分値を求める微分演算手段と、上記減算手段による差画
   像と該微分演算手段による微分画像から差分方程式に基
   づく最小２乗法により画像上の電源磁場歪みを推定する
   処理手段と、推定した歪みにより上記画像メモリ上の画
   像データを補正する画像歪み補正手段を設けたことを特
   徴とする走査電子顕微鏡の画像補正装置。 ２、上記歪み変位画像入力手段は、電子線走査制御手段
   の設定位相は固定のまま、視野を微少量移動し走査画像
   を入力する手段と、入力された画像の座標を微少量シフ
   トする手段とを含むことを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項の走査電子頭微鏡の画像補正装置。 ３、走査電子顕微鏡装置の繰り返し観察モードにおいて
   得られた画像データをＡ／Ｄ変換する手段と、Ａ／Ｄ変
   換された画像データを、一時格納するバッファと、該、
   バッファのデータを累積する累積手段と、累積されたデ
   ータを一時貯える累積データレジスタと、上記バッファ
   のデータと累積データレジスタのデータ間の相互相関を
   、両者の相対位置について求める相互相関演算手段と、
   該相互相関のピーク位置を検出し、ピーク位置の原点か
   らのずれを求めるシフト量演算手段と、該シフト量より
   画像の相対位置ずれを補正するシフト補正手段を設けた
   ことを特徴とする走査電子顕微鏡の画像補正装置。 ４、上記シフト補正手段は、走査電子顕微鏡内イメージ
   メモリの読み出しアドレスを、得られ上記シフト量に応
   じて変更する手段を含むことを特徴とする第３項の走査
   電子顕微鏡の画像補正装置。 ５、上記シフト補正手段は、走査電子顕微鏡の電子線走
   査を、上記シフト量に応じて変更する手段を含むことを
   特徴とする第３項の走査電子顕微鏡の画像補正装置。