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07th July 2022 | Author: Pat Trimby
過去30年間のEBSD技術の発展を考えると、1992年にNiels Krieger Lassenが最初に提案したEBSDパターン解析の基本的な手法、すなわちハフ変換をいまだに使っていることに驚きを感じます。 ハフ変換は、画像中の直線状のパターン（EBSDパターン中の菊池バンドなど）を検出するために用いられる、非常にエレガントな画像変換で、高速かつ非常にロバストで、ノイズの多いパターンにも対応し、異なる収集ジオメトリでも使用できるため、非常に有用な手法となっています。 AZtecHKLを含むすべての商用EBSDシステムが、ハフ変換（または関連するRadon変換）に基づくパターン分析ルーチンを使用していることは、驚くことではありません。 しかし、ハフ変換の時代は終わりつつあるのでしょうか？ EBSDのプロダクトマネージャーとしての私の仕事の醍醐味は、お客様に大きな変化をもたらす新製品の開発に携われることです。 AZtecCrystal（弊社のEBSDデータ解析ソフトウェア）の最新機能もその一つです。それがAZtecCrystal MapSweeperです。
MapSweeperは、EBSDパターンマッチング技術の世界で初めて開発されたもので、回折パターンの解析に代わるアプローチとして、実測パターンとシミュレーションパターンを比較するものです。 この開発の多くの部分は新しいものではありません：EBSDパターンの現実的な「動的」シミュレーションは15年以上前から利用されており（Winkelmannら、Ultramicroscopy 107（2007））、シミュレーションパターンを用いた最初のインデキシング手法は2015年に提案されました。（「Dictionary Indexing」- Chenら、Microscopy and Microanalysis 21） しかし、新しいのは、シミュレーションパターンの利用を取り入れたことです。
既存の技術は、パターンマッチング技術の大きな可能性を示していますが（特に品質の悪いEBSDパターンを示す非常に難しい試料の分析）、一般に、それぞれのデータの分析に大規模で時間のかかるセットアップを必要とするか、より迅速に画像の相関を可能にするために複雑な数学関数の配列を介してナビゲーションするか、非常に時間のかかる技術となっています。
銅のパターンマッチングの例（AZtecCrystal MapSweeperから直接エクスポートされたもの）。 左 – EBSDの実測パターン, 中央 – 等価ダイナミックシミュレーションパターン（方位とキャリブレーションを微調整したもの）, 右 – 2つのパターンの違い。 シミュレーションと現実のパターンが非常によく一致していることに注目してください。（「R」値は正規化した相互相関係数です）
一方、MapSweeperは美しくシンプルです。どんな種類のサンプルでも最小限のセットアップで動作すること、そして可能な限り、顕微鏡で従来のハフベースの指数付けを使って収集した既存のデータを活用することを基本条件としています。 実際、30年にわたる開発の結果、ハフ変換による指数付けは高度に最適化され、最も困難な試料を除いて有効な情報を提供することができるようになりました。
この「ハイブリッド」手法により、パターンマッチングプロセスが大幅に高速化され（方位と結晶相の判定の初期段階が既にあるため、1000 Hzを超える速度が可能）、方位精度の向上（0.01°以上）、複雑な擬似対称性の解消、類似結晶相の確実な識別、結晶極性の決定など、試料からより優れたデータを引き出すことが可能になります。
従来のハフベースの手法で指数付けしてもうまくいかない場合、私たちが新たに開発した「dynamic template matching」（DTM）と呼ぶ手法で、より強固なアプローチに切り替えることが可能です。 Dictionary Indexingとは異なり、DTMはデータの各点に対して、その場ですべてを計算します。 つまり、他の方法とは異なり、膨大な事前計算が不要で、複数の結晶相の問題もなく、低倍率のデータでもうまく機能します。（すべてのポイントについてジオメトリキャリブレーションを行うため） つまり、DTMはどのような種類のデータでも問題なく機能するのです。
全てをその場で計算するのは非常に時間がかかると思われるかもしれませんが、この方法の優れた点は、非常に低い解像度のEBSP（ビニング）を使って実行し、さらに高い解像度の精密化ステップと組み合わせて、優れた角度精度を実現できることです。 この組み合わせは100～200Hz（結晶系とPCの仕様に依存）の速度で動作し、従来のハフ指数付けよりも大幅に高精度なデータを得ることができます。
ではこの新しいアプローチは、どのようなアプリケーションに有効なのでしょうか？そこが面白いところです。 この5ヶ月の間に、ナノ材料（ナノ粒子およびナノ構造フィルム）、鋼鉄の酸化皮膜、マイクロエレクトロニクスのはんだバンプ、太陽電池、複雑な変成岩、化石、電池正極、ワイドバンドギャップ半導体、さまざまな高度変形岩、金属、合金のデータセットにMapSweeperを適用し、徹底的にテストしてきました。 その結果、個々の転位の特性評価、擬似対称性に関連する微妙な誤差の解消、TKD分析における有効分解能の向上など、あらゆるデータを向上させることができるようになったのです。
AZtecCrystal MapSweeperの応用例。 上段：従来のハフベースの指数付けによる結果。下段：MapSweeperによる再処理後のデータ。Impact Diamondデータ提供：Sandra Piazolo教授（University of Leeds、UK）
画像にはいくつかの例が示されていますが、このエキサイティングな技術開発についてもっとお知りになりたい方は、ぜひ次回のウェビナーにご参加ください。ウェビナーでは、結晶極性の決定、金属間化合物の確実な特定、転位密度の評価など、半導体およびマイクロエレクトロニクス実装のさまざまなアプリケーションで MapSweeper を使用する方法を具体的にご紹介する予定です。ウェビナーの詳細とお申し込みはこちらです。
さて、冒頭の質問に戻りますが、ハフ変換の時代は終わりを迎えつつあるのでしょうか？そうとも言えませんが、私が30年近く前にEBSDの仕事を始めて以来、初めてハフ変換が戦いを挑んでいるのは確かです。
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